ФОКУС ОБЪЕКТИВА МИКРОСКОПА

Определение увеличения микроскопа и измерение линейных размеров малых объектов.

микроскоп
биологический, осветитель, микрометр,
миллиметровая линейка, предметное
стекло с тонкой проволокой, предметное
стекло с волосом, гистологический
препарат поперечно-полосатой мышцы,
подставка для зарисовки изображения.

изучить микроскоп,
определить увеличение микроскопа и
линейный размер малого объекта.

Понятия из оптики,
используемые в пособии:

1. Линза
— прозрачное тело, ограниченное двумя
сферическими поверхностями, одна из
поверхностей может быть плоской.

Ход лучей в световом микроскопе

Предмет
h
помещают несколько дальше переднего
фокуса объектива. Объектив дает
действительное,
обратное, увеличенное
изображение H’,
находящееся между передним фокусом
окуляра и оптическим центром окуляра.
Это промежуточное изображение
рассматривается в окуляр как в лупу.
Окуляр дает мнимое,
прямое, увеличенное
изображение H,
которое расположено на расстоянии
наилучшего зрения S ≈ 25
см от оптического центра глаза.

Это
изображение мы рассматриваем глазом,
на его сетчатке формируется действительное,
обратное, уменьшенное
изображение.

Увеличение
микроскопа
– отношение размеров мнимого изображения
к размерам рассматриваемого через
микроскоп предмета:

.
Умножим числитель и знаменатель на
размер промежуточного изображения H’:

.
Таким образом, увеличение микроскопа
равно произведению увеличения объектива
на увеличение окуляра. Увеличение
объектива
можно выразить через характеристики
микроскопа, используя подобие прямоугольных
треугольников

.
Следовательно, увеличение микроскопа
равно:

Принципиальная схема микроскопа и осветительной системы

Различные
типы M. предназначаются для рассматривания,
изучения и измерения микроструктуры
органических клеток, бактерий, срезов
тканей, микрокристаллов, волокон,
минералов, микросхем и др. объектов,
размеры к-рых меньше мин. разрешения
глаза , равного 0,1 мм. M. даёт возможность
различать структуры с расстоянием между
элементами до 0,2 мкм. Обычно M. имеет
двухступенчатую систему увеличения,
образованную объективом и окуляром и
обеспечивающую увеличение до 1500 крат.
В оптическую схему M. входят также
элементы, необходимые для освещения
объекта.

Историческая
справка.
Простой однолинзовый M. (лупа
с сильным увеличением) был известен уже
в сер. 15 в. А. Левенгук (A. Leeuwenhoek) довёл
увеличение простого M. до 300 крат и впервые
обнаружил и описал мир микроскопич.
организмов, в т. ч. бактерий. Изобретение
сложного M., состоящего из двух положительных
(собирающих) линз, относят к периоду
между 1590 и 1610 и связывают с именем Г.
Янсена (H. Jans-sen). В 1610 Г. Галилей (G. Galilei)
на основании изобретённой им зрительной
трубы построил др. тип M., состоящий из
собирательного объектива и рассеивающего
окуляра. Сложные M. позволили удалить
препарат от глаза и устанавливать его
в удобном положении. Долгое время сложные
M. из-за присущего им хроматизма уступали
по качеству изображения простым.

Первые расчёты
ахроматических объективов для M. были
выполнены Л. Эйлером (L. Euler) в 1750-70; по
расчётам Ф. У. T. Эпинуса (F. U. T. Aepinus) в
1805-08 был построен M., обеспечивающий
увеличение до 180 крат. Э.Аббе (E. Abbe)
разработал (1872-73) дифракционную
теорию образования изображений
несамосветящихся объектов в микроскопе,
определил предел разрешения M. и показал
при этом роль апертуры, рассчитал
высококачеств. ахроматич. и апохроматич.
объективы. Его теория лежит в основе
совр. микроскопостроения. Л. И. Мандельштам
распространил теорию Аббе на самосветящиеся
объекты.

Простейший
микроскоп состоит из двух собирающих
линз (рис. 1.6).

Очень
короткофокусный объектив L1
даёт сильно увеличенное действительное
изображение предмета P’Q’ , которое
рассматривается окуляром, как лупой.

Рис.
1.6. Ход лучей в микроскопе.

Если
окуляр сдвинуть так, чтобы изображение
P11Q11
оказалось
перед передним фокусом окуляра, то
изображение, даваемое окуляром, становится
действительным и его можно получить на
экране или фотоплёнке.

Общее
увеличение Mикроскопа равно произведению
увеличений объектива и окуляра: Г=

расстояние от заднего фокуса объектива
до переднего фокуса окуляра (т. н.
оптическая длина тубуса),

—
длина волны света,

Рис. 1.7. Слияние
изображения двух точек по мере их
сближения: a
— безусловное разрешение

;
б — предельное разрешение

Предел разрешения
Mикроскопа определяется при сближении
точек до такого расстояния, когда падение
освещённости в промежутке между ними
становится незаметным для глаза и точки
сливаются в одну (рис. 1.7б.). Установить
однозначно этот предел трудно. Чаще
всего для его определения используется
критерий Рэлея, в соответствии с к-рым
точки считаются разрешёнными, когда
расстояние между ними равно радиусу
диска Эри:

.
При этом в случае самосветящихся
некогерентных излучателей освещённость
в промежутке между точками составляет
~80% от освещённости в максимуме.
Человеческий глаз может замечать
контраст в освещённости до 4%; этому
соответствует наименьшее расстояние,
разрешаемое в M.,

Когерентные
излучатели на таком расстоянии не
разрешаются и для получения 20% контраста
должны быть установлены на расстоянии

Как показал Д. С. Рождественский, в M.
освещение объекта следует считать
частично когерентным. Оно зависит от
отношения апертур конденсора и объектива;
обычно осветительная апертура
устанавливается равной 2/3
апертуры объектива, при этом освещение
приближается к некогерентному. Для
несамосветящихся объектов предельное
разрешение

Если посмотреть
на паспортные данные объективов, то
можно видеть, что увеличение и апертура
не связаны строго между собой. Так,
например, существуют объективы 40/0,65;
40/1,3 и 100/1,3. Первые два дают изображения,
сходные по размерам, однако второй
позволяет различить более мелкие детали.
Два последних объектива, масляно-иммерсионные,
имеют одинаковое разрешение, но объектив
40 позволяет наблюдать большую площадь
препарата (при меньшем увеличении) по
сравнению с объективом 100. Объективы
следует выбирать, исходя, главным
образом, из их апертуры, а следовательно,
из разрешающей способности, а не из
увеличения. В настоящее время многие
микроскопы снабжены системами переменного
увеличения, которые позволяют изменять
конечное увеличение приблизительно
вдвое.

Максимальная
апертура «сухих» объективов

апертура объективов с масляной иммерсией
может быть доведена до 1,4. При этом в
видимой области возможно разрешение
структур с расстоянием между элементами
~0,2 мкм.

Существование
предела разрешающей способности влияет
на выбор увеличения M. Увеличение M. в
пределах 500-1000 А
называется
полезным, т. к. при нём глаз различает
все элементы структуры объекта,
разрешаемые M. Более слабые увеличения
не позволяют выявить все детали, а
большие увеличения бесполезны, т. к.
никаких новых подробностей структуры
не выявляют. Однако иногда такие
увеличения применяют в микрофотографии,
при микропроецировании.

Разрешающая способность и предел разрешения микроскопа. Дифракционные явления в микроскопе, понятие о теории Аббе.

Предел
разрешения микроскопа z
– это наименьшее расстояние между двумя
точками рассматриваемого в микроскоп
объекта, когда эти точки еще воспринимаются
отдельно. Предел разрешения обычного
биологического микроскопа лежит в
диапазоне 34
мкм. Разрешающей
способностью
микроскопа называют способность давать
раздельное изображение двух близко
расположенных точек исследуемого
объекта, то есть это величина, обратная
пределу разрешения.

Дифракция света
налагает предел на возможность различения
деталей объектов при их наблюдении в
микроскоп. Так как свет распространяется
не прямолинейно, а огибает препятствия
(в данном случае, рассматриваемые
объекты), то изображения мелких деталей
объектов получаются размытыми.

Э. Аббе
предложил дифракционную
теорию разрешающей способности
микроскопа.
Пусть предметом, который мы хотим
рассмотреть в микроскоп, будет
дифракционная решетка с периодом d.
Тогда минимальная деталь предмета,
которую мы должны различить, как раз и
будет периодом решетки. На решетке
происходит дифракция света, но диаметр
объектива микроскопа ограничен, и при
больших углах дифракции не весь свет,
прошедший через решетку, попадает в
объектив. Реально свет от предмета
распространяется к объективу в некотором
конусе. Получаемое изображение тем
ближе к оригиналу, чем больше максимумов
участвует в формировании изображения.
Свет от предмета распространяется к
объективу от конденсора в виде конуса,
который характеризуется угловой
апертуройu
– угол, под которым виден объектив из
центра рассматриваемого предмета, то
есть угол между крайними лучами
конического светового пучка, входящего
в оптическую систему. Согласно Э. Аббе,
для получения изображения решетки, даже
самого нечеткого, в объектив должны
попасть лучи любых двух порядков
дифракционной картины, например, лучи,
образующие центральный и, по крайней
мере, первый дифракционный максимум.
Вспомним, что для наклонного падения
лучей на дифракционную решетку ее
главная формула имеет вид:

.
Если свет падает под углом

,
а угол дифракции для первого
максимума
равен

,
то формула приобретает вид

.
За предел разрешения микроскопа следует
принять постоянную дифракционной
решетки, тогда

,
где 
— длина волны света.

Как
видно из формулы, один из способов
уменьшения предела разрешения микроскопа
– использование света с меньшей длиной
волны. В связи с этим применяют
ультрафиолетовый микроскоп, в котором
микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых
лучах. Принципиальная оптическая схема
такого микроскопа аналогична схемам
обычного микроскопа. Основное отличие
заключается в использовании оптических
устройств, прозрачных для УФ-света, и в
особенностях регистрации изображения.
Так как глаз не воспринимает ультрафиолетовое
излучение (кроме того, оно обжигает
глаза, т.е. является опасным для органа
зрения), то употребляются фотопластинки,
люминесцентные экраны или
электронно-оптические преобразователи.

Если в
пространство между объективом и покровным
стеклом препарата поместить специальную
жидкую среду, называемую иммерсией,
то предел разрешения также уменьшается:

,
где n
– абсолютный показатель преломления
иммерсии, A
– числовая
апертура объектива.
В качестве иммерсии используют воду (n
= 1,33),
кедровое масло (n
= 1,515), монобромнафталин (n
= 1,66)
и др. Для каждого вида иммерсии
изготавливают специальный объектив, и
его можно применять только с данным
видом иммерсии.

Еще один
способ уменьшения предела разрешения
микроскопа – это увеличение апертурного
угла. Этот угол зависит от размеров
объектива и расстояния от предмета до
объектива. Однако расстояние от предмета
до линзы нельзя изменять произвольно,
оно постоянно для каждого объектива и
приближать предмет нельзя. В современных
микроскопах апертурный угол достигает
140о
(соответственно, u/2
=
70о).
С таким углом получают максимальные
числовые апертуры и минимальные пределы
разрешения.

Данные приведены
для наклонного падения света на объект
и длины волны 555 нм, к которой наиболее
чувствителен глаз человека.

Обратите
внимание на то, что окуляр совершенно
не влияет на разрешающую способность
микроскопа, он только создает увеличенное
изображение объектива.

Соседние файлы в папке Тексты лекций физика

Оптическая система – сопряжение микроскопа с компьютером

Подключение микроскопа к внешним устройствам, таким как монитор или компьютер, выполняется за счет установки специальной видеокамеры *вместо* окуляра или в выделенный порт тринокуляра. Следует держать в уме, что в этом случае теряется увеличение, даваемое окуляром, остается только увеличение объектива и нерегулируемых линз камеры. В параметрах камер обычно указывается только емкость ее матрицы (3, 5, 10 и более мегапикселей), оптическое увеличение остается тайной за семью печатями. Кроме того, поле зрения камеры существенно уже, чем у человеческого глаза.

Сама по себе камера может не распознаваться стандартными средствами Windows и приложений (и не надо – без микроскопа она полностью слепа), так что производители прилагают к ней специализированный софт. Он позволяет как делать фотографии, так и записывать видео. На рынке есть разные виды камер – от стареньких с разрешением 640х480 до современных с разрешением аж до 20 мегапикселей. Отличаются они также интерфейсами, что влияет на возможности записи видео в первую очередь (получение видеопотока с высоким FPS и разрешением через USB 2.0 будет затруднительно). Также камеры могут подключаться напрямую к монитору или иному устройству через HDMI, иметь WiFi-интерфейс и т.п.

Многие производители предлагают для своих микроскопов также и камеры, но никто не мешает купить камеру от другого вендора. Следует только учитывать, что диаметр тубуса у разных микроскопов может отличаться, так что следует удостовериться, что данная камера подходит для данного тубуса. Ну, или использовать переходники, которые тоже продаются. Стандартный диаметр для окуляра биологического микроскопа – 23,2 мм, стереомикроскопа – 30 и 30,5 мм.

Существуют также относительно дешевые насадки, позволяющие перенаправлять оптический поток из окуляра в объектив камеры смартфона. Плюс такого устройства – сохранение оригинального увеличения, поскольку монтируются они поверх окуляра. Минус – возможности получения и сохранения изображения ограничиваются невеликими возможностями смартфона. Ну, и поле зрения у такой камеры все равно уже, чем у глаза.

Рис. 9. Цифровая камера для микроскопа Puls Life Science DCM-310 (фото производителя)

Немного практики. Игрушка в реальности

После месяца мучительных раздумий, в которых детское «хочу!» отчаянно боролось с взрослой скупостью и рационализмом, я остановился на бинокуляре Swift 350B. Почему? Ничего особенного: микроскопы Swift при умеренных ценах имеют качество, подходящее даже для лабораторных условий. Плюс на осенней распродаже на английском Амазоне эта модель продавалась всего за 160 фунтов. Чтобы два раза не вставать, вторым компонентом покупки стала трехмегапиксельная камера Swift стоимостью 80 фунтов.

Выглядит комплект поставки микроскопа примерно так:

Четыре объектива (4х, 10х, 40х и 100х) уже установлены в револьверное кольцо, наборы окуляров (10х и 25х) вложены отдельно. Обратите внимание на пустую вертикальную выемку над головкой и два пустых гнезда – упаковка универсальна и рассчитана в том числе на тринокуляры. Шнур/гнездо питания – C13/C14, блок питания встроен в основание. В комплект входит простенький пластиковый чехол а-ля «мешок мусорный обыкновенный».

В сборе и с подключением к ПК выглядит так (на мониторе – транслируемое с микроскопа изображение пчелиной ноги):

Теперь посмотрим, как выглядят образцы с разным увеличением при трансляции с камеры. Начнем с препарата листа флокса (поперечный срез) из продаваемого набора образцов. Использованы объективы 4х, 10х, 40х и 100х (без масла).

Как видно, без иммерсии стократный объектив ничего внятного не показывает. Сорокакратный показывает, но из-за малой глубины резкости приходится выбирать, какой слой препарата рассматривать. Поскольку вместо окуляра использована оптика камеры, финальное оптическое увеличение я определить затрудняюсь. Для сравнения: на снимке ниже то, что видит камера сотового телефона через окуляр 25х и объектив 4х (итоговое увеличение 100х). Снималось с рук, поскольку держатель для телефона я не купил, отсюда обрезанность по бокам.

Можно предположить, что камера дает увеличение 20-25х, но какова его часть оптическая, а какова цифровая, определить сложно.

Второй препарат – сделанный самостоятельно. Просто капля воды из кухонной раковины под покровным стеклом без какой-либо подготовки. Объективы те же: 4х, 10х, 40х.

Обратите внимание на радужную кайму по границе капли (дугообразная черная линия на втором и третьем снимках). Если на 4х аберраций не видно никаких, то на 10х уже появляется слабое искажение цветов на границах объектов. На 40х радуга становится настолько заметной, что отчетливо видна даже на снимке камеры и заметно ухудшает резкость. Именно для ликвидации такого эффекта стократные объективы погружают в масло.

Для сравнения: что видит камера смартфона через окуляр при с комбинацией 4х * 25х:

Напоследок пара слов о стеклах. Препарат, помимо наблюдаемого объекта, состоит из толстого предметного стекла и тонкого покровного. Предметное стекло кладется на столик, покровное обращено к окуляру. Следует быть чрезвычайно осторожным при работе с покровными стеклами: при толщине 0,13-0,17 мм они имеют весьма острые грани, несмотря даже на специальную их обработку. При неаккуратном обращении они могут запросто распластать вам палец, а то и сломаться в ране. Ни в коем случае не позволяйте работать с ними малым детям, да и подростков тоже следует проконтролировать на начальном этапе.

По окончании работы с препаратом следует либо как следует очистить и обезжирить стекла. Остатки жира и масла приведут к тому, что капля будет не растекаться по стеклу, а разбиваться на еще более мелкие капли, затрудняя рассмотрение. В лабораториях применяются разные методы обезжиривания, но они небезопасны и требуют специальных химикатов, зачастую ядовитых, и оборудования типа вытяжек. В домашних условиях наиболее простой способ – изопропиловый спирт либо получасовое кипячение на медленном огне в растворе 2-5% растворе пищевой соды (примерно чайная ложна на 100 мл). Грязное покровное стекло, скорее, проще выбросить – оно слишком хрупкое и легко ломается. Да и за предметные стекла тоже особо держаться не стоит – это дешевый расходный материал. Иммерсионные объективы от масла чистятся так же, как и любая другая оптика: изопропиловым спиртом на микрофибре.

На этом введение в основы оптической микроскопии закончены. Успехов в самостоятельном плавании.

Биологические микроскопы

Основной класс устройств, на котором мы сконцентрируемся – то, что называется биологическим микроскопом, в английской терминологии «компаундным» (составным, от compound). Он предназначен для рассматривания тонких прозрачных образцов (срезы тканей, бактерии, микроорганизмы и т.п.) в проходящем свете. Образец подготавливается на предметном стекле, умещаемом на рабочей платформе, источник света – внизу, под образцом.

Следует понимать, что под биологический микроскоп того же таракана засунуть сложно: для мощной оптики, где расстояние между линзой и препаратом составляет буквально десятую долю миллиметра, препарат должен быть очень тонким, плоским и прозрачным, специально подготовленным и, возможно, окрашенным. Обычно это капля или тонкая пленка, размещенная между предметным и покровным стеклом. Под маломощный объектив таракан влезет (фокусное расстояние у них от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров). Однако следует озаботиться хорошим внешним источником света и не стоит рассчитывать на высокую глубину резкости: в каждый момент времени вы сможете отчетливо видеть только определенный слой изображения.

Типовой биологический микроскоп состоит из трех частей: механическая платформа (база, предметный столик, устройства наведения и фокусировки), подсветка и оптическая система.

Рис. 3. Микроскоп Celestron (фото производителя)

Микроскоп предназначен для наблюдения мелких объектов с большим увеличением и с большей разрешающей способностью, чем дает лупа. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей:
объектива и окуляра. Объектив микроскопа образует действительное увеличенное обратное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Окуляр действует как лупа и образует мнимое изображение
на расстоянии наилучшего видения (рис. 6.4). По отношению ко всему микроскопу рассматриваемый предмет располагается в передней фокальной плоскости.

Рис. 6.4. Оптическая схема микроскопа.

Увеличение микроскопа

Действие микрообъектива характеризуют его линейным увеличением:

– фокусное расстояние микрообъектива,

– расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, называемое оптическим интервалом или оптической длиной тубуса.

Изображение, создаваемое объективом микроскопа в передней фокальной плоскости окуляра рассматривается через окуляр, который действует как лупа с видимым увеличением:

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра:

Если известно фокусное расстояние всего микроскопа, то его видимое увеличение можно определить так же, как и у лупы:

Как правило, увеличение современных объективов микроскопов стандартизованное и составляет ряд чисел: 10, 20, 40, 60, 90, 100 крат. Увеличения окуляров тоже имеют вполне определенные
значения, например 10, 20, 30 крат. Во всех современных микроскопах имеется комплект объективов и окуляров, которые специально рассчитываются и изготавливаются так, что подходят друг к другу, поэтому
их можно комбинировать для получения разных увеличений.

Поле зрения микроскопа

Поле зрения микроскопа зависит от углового поля окуляра

, в пределах которого получается изображение достаточно хорошего качества:

При данном угловом поле окуляра линейное поле микроскопа в пространстве предметов тем меньше, чем больше его видимое увеличение.

Диаметр выходного зрачка
микроскопа

Диаметр выходного зрачка микроскопа вычисляется следующим образом:

– передняя апертура микроскопа.

Диаметр выходного зрачка микроскопа обычно немного меньше диаметра зрачка глаза (0.5 – 1 мм).

При наблюдении в микроскоп зрачок глаза нужно совмещать с выходным зрачком микроскопа.

Разрешающая способность
микроскопа

Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность. Согласно дифракционной теории Аббе, линейный предел разрешения микроскопа, то есть минимальное
расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, зависит от длины волны и числовой апертуры микроскопа:

Предельно достижимую разрешающую способность оптического микроскопа можно сосчитать, исходя из выражения для апертуры микроскопа (

). Если учесть, что максимально возможное значение синуса угла – единичное (

), то для средней длины волны

можно вычислить разрешающую способность микроскопа:

Из выражения (6.11) следует, что повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая апертуру объектива, либо уменьшая длину волны света, освещающего
препарат.

Иммерсия

Для того чтобы увеличить апертуру объектива, пространство между рассматриваемым предметом и объективом заполняется так называемой иммерсионной жидкостью – прозрачным веществом
с показателем преломления больше единицы. В качестве такой жидкости используют воду (

), кедровое масло (

), раствор глицерина и другие вещества. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины

, тогда предельно достижимая разрешающая способность иммерсионного оптического микроскопа составит

Применение ультрафиолетовых лучей

Для увеличения разрешающей способности микроскопа вторым способом применяются ультрафиолетовые лучи, длина волны которых меньше, чем у видимых лучей. При этом должна быть
использована специальная оптика, прозрачная для ультрафиолетового света. Поскольку человеческий глаз не воспринимает ультрафиолетовое излучение, необходимо либо прибегнуть к средствам, преобразующим
невидимое ультрафиолетовое изображение в видимое, либо фотографировать изображение в ультрафиолетовых лучах. При длине волны

разрешающая способность микроскопа составит

Кроме повышения разрешающей способности, у метода наблюдения в ультрафиолетовом свете есть и другие преимущества. Обычно живые объекты прозрачны в видимой области спектра, и поэтому перед
наблюдением их предварительно окрашивают. Но некоторые объекты (нуклеиновые кислоты, белки) имеют избирательное поглощение в ультрафиолетовой области спектра, благодаря чему они могут быть «видимы»
в ультрафиолетовом свете без окрашивания.

Полезное увеличение микроскопа

Глаз наблюдателя сможет воспринимать две точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза. Для того чтобы глаз наблюдателя
мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, необходимо иметь соответствующее видимое увеличение.

– это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность
микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза.

Если две точки в передней фокальной плоскости микроскопа расположены друг от друга на расстоянии

, то угловое расстояние между изображениями этих точек

. Из выражений (6.11) и (6.8) можно вывести видимое увеличение микроскопа:

Поскольку обычно диаметр выходного зрачка микроскопа около 0.5 – 1 мм, угловой предел разрешения глаза 2´ – 4´. Если взять среднюю длину волны в видимой области спектра
(0.5 мкм), то для полезного увеличения микроскопа можно вывести зависимость:

Микроскоп с видимым увеличением меньше 500А не позволяет различать глазом все тонкости структуры предмета, которые изображаются как раздельные данным объективом (

). Использование видимого увеличения больше 1000А нецелесообразно, так как разрешающая способность объектива не позволяет полностью использовать
разрешающую способность глаза (

Оптическая система – окуляры

Сменные окуляры вставляются в тубусы в верхней части микроскопа и имеют свое собственное фиксированное увеличение, например 10х, 16х, 25х. Чем выше увеличение, тем короче окуляр. Очкарикам типа меня надо держать в уме, что, в отличие от фотоаппарата, работа с окуляром микроскопа в очках крайне затруднена: окуляр должен практически прижиматься к глазу. Вынос зрачка (eye relief) у обычных окуляров составляет 7-13 мм, с очками нужны специальные окуляры с высоким выносом (15-20 мм). Однако это особой проблемы не составляет. В любом случае резкость в микроскопе подстраивается под глаз индивидуально. Даже с самой высокой близорукостью в микроскопе можно видеть резкое изображение. Неудобство только в том, что очки все время приходится снимать и надевать.

Окуляры могут быть широкофокусными (помечаются буквами WF, wide focus). Такой окуляр имеет большую ширину поля зрения, что заметно облегчает работу с широкими препаратами.
Также следует упомянуть линзу Барлоу (Barlow lens). Это дополнительная трехслойная линза, помещаемая в тубус оптического прибора перед окуляром и дающая небольшое дополнительное увеличение. Как правило, в комплекте поставки микроскопа можно встретить линзы Барлоу 2х. Это банальный маркетинговый трюк. Дешевые ахроматические стеклянные (или даже, упаси боже, пластиковые) линзы заметно ухудшают качество изображения, а потому при мощном увеличении бессмысленны. При низких же и средних сочетания объектива и окуляра вполне достаточно.

По количеству окуляров микроскопы делятся на классические монокулярные (один окуляр), бинокулярные (два окуляра, чтобы смотреть обеими глазами) и тринокулярные (третий тубус/порт обычно монтируется вертикально и служит для подсоединения фото- или видеокамеры).

Наиболее прост в использовании монокуляр. К нему очень легко привыкнуть, а проблему он создает единственную – сильную нагрузку на один глаз при расслабленном другом. При долгом использовании это может кончиться неприятными последствиями для зрения.

Бинокулярные микроскопы используются для обоих глаз сразу и создают стереоизображение. Они позволяют регулировать расстояние между окулярами для подгонки под свои зрачки. Также один из тубусов бинокуляра содержит регулировку, позволяющую компенсировать разницу в диоптриях между глазами. Следует держать в уме, однако, что создание цельного изображения при использовании бинокуляра гораздо сложнее, чем с монокуляром, к нему следует привыкать. Кроме того, регулировка имеет свои ограничения по расстоянию между зрачками, так что подстройка под ребенка может оказаться невозможна. Детский микроскоп следует брать монокулярный, да и для эпизодических любительских упражнений бинокуляр особо не пригодится.

Тринокулярные устройства выглядят эффектно и удобно, если речь идет о трансляции изображения наружу одновременно с работой. Однако следует учитывать, что не всегда все три порта могут использоваться одновременно. Встречаются решения, в которых, например, приходится выбирать между одним из глазных тубусов и третьим портом.

Рис. 7. Тринокуляр Omax M837ZL с вертикальным портом для камеры (фото производителя)

Оптическая система и принцип действия микроскопа

Микроскоп
представляет собой комбинацию двух
короткофокусных оптических систем —
объектива и окуляра.

объектива
— несколько миллиметров,

окуляра
— несколько сантиметров.

Схема оптической
системы микроскопа и ход лучей в нем
показаны на рис.1. Соотношение между
фокусными расстояниями и оптической
длиной тубуса выбраны условно.

Объектив и окуляр
изображены в виде двух собирающих линз
Об и Ок. Малый объект АВ помещается на
предметном столике перед объективом
на расстоянии чуть большем его фокусного
расстояния.

Изображение на
рис.1 строилось согласно правилам
построения изображения в тонких линзах
для наиболее простого случая. Когда
объект находится на главной оптической
оси. Луч 1 идет из точки В параллельно
главной оптической оси ОО1
и после преломления в объективе проходит
через его задний главный фокус Fоб.
Луч 2 идет из точки В без преломления
через оптический центр объектива О. В
месте пересечения этих лучей лежит
точка В1
— изображение точки В. Опустим перпендикуляр
из этой точки на главную оптическую ось
и получим точку А1
промежуточного изображения А1В1.

Таким образом с
помощью объектива получаем действительное,
увеличенное, обратное промежуточное
изображение в плоскости, лежащей
обязательно за передним главным фокусом
окуляра Fок.

Аналогично с
помощью лучей 1’ и 2’ строим окончательное
изображение, создаваемое окуляром.
После преломления в окуляре эти лучи
образуют расходящийся пучок и поэтому
не пересекаются. Продолжим их в обратную
сторону, точка пересечения В2
является мнимым изображением точки В1,
а отрезок А2В2
— окончательным
изображением объекта АВ, увеличенным,
мнимым и обратным относительно объекта,
лежащего на расстоянии наилучшего
зрения S.
Это изображение и рассматривает глаз:
расходящийся пучок лучей 1’ и 2’ из
окуляра входит в глаз, преломляется его
оптической системой и образует на
сетчатке действительное изображение.
При работе с микроскопом глаз располагается
так, чтобы его оптический центр совпадал
с задним главным фокусом окуляра Fок.
Поэтому расстояние наилучшего зрения
условно отмеряют от этой точки.

Увеличение, даваемое
микроскопом, показывает, во сколько раз
величина изображения объекта больше
величины самого объекта (рис.1)

К
= А2В2
/ АВ

Если учесть, что
Коб
= А1В1/AB,
а Кок
= А2В2/А1В1,
то получим

К
= КобКок

Из подобия
треугольников ОСF’об
и А1В1F’об
и равенств АВ = ОС, F’обА1
получаем

,

а из подобия
треугольников С1О1F’ок
и А2В2Fок
и равенства А1В1
= О1С1
получаем

где 
— оптическая длина тубуса — расстояние
между задним фокусом объектива и передним
фокусом окуляра; S
— расстояние наилучшего зрения; fоб,
fок
— фокусные расстояния объектива и
окуляра. После подстановки в выражение

формул

и

получаем

Увеличение объектива
и окуляра указываются на их оправе,
например, у объектива: 8,20,40,60; у окуляра:
7x,
10x,
15x.

Технически возможно
создать оптические микроскопы, объективы
и окуляры которых дадут общее увеличение
1500-2000 и больше. Однако это нецелесообразно,
так как возможность различения мелких
деталей предмета ограничивается
дифракционными явлениями. Вследствие
этого изображение мельчайших деталей
предмета теряет резкость, может возникнуть
нарушение геометрического подобие
изображения и предмета, соседние точки
будут сливаться в одну, возможно полное
исчезновение изображения. Поэтому в
оптике существуют следующие
понятия,
которые характеризуют
качество микроскопа:
разрешающая
способность, предел разрешения и полезное
увеличение.

Разрешающая
способность микроскопа
— свойство
микроскопа давать раздельно изображение
мелких деталей рассматриваемого
предмета.

Предел разрешения
— это наименьшее
расстояние между двумя точками, которые
видны в микроскопе раздельно.

Чем меньше
предел разрешения, тем выше разрешающая
способность
микроскопа.
Предел
разрешения обуславливает наименьший
размер деталей, которые могут различаться
в препарате с помощью микроскопа.

Теорию разрешающей способности
микроскопа разработал директор завода
К. Цейса в Йене профессор-оптик Э. Аббе
(1840-1905). В качестве простейшего
микропрепарата он взял дифракционную
решетку, изучил механизм формирования
изображения в микроскопе и показал
следующее.

Введем понятие
апертурного
угла —
это угол между крайними лучами конического
светового пучка, идущего от середины
объекта в объектив ( Рис. 3а).

Для создания
изображения, то есть для разрешения
объекта, достаточно, чтобы в объектив
попали лучи, образующие максимумы только
нулевого и первого порядка хотя бы с
одной стороны ( Рис. 2 и 3б). Участие в
образовании изображения лучей от
большего количества максимумов повышает
качество изображения, его контраст.
Поэтому лучи, образующие эти максимумы,
должны быть в пределах апертурного угла
объектива.

Таким образом,
если объектом является дифракционная
решетка с периодом d
и свет падает на нее нормально ( Рис.2 и
3б), то в формировании изображения
обязательно должны участвовать лучи,
образующие максимумы нулевого и первого
порядков с обеих сторон, а угол 1
— угол
отклонения лучей, образующих максимум
первого порядка, соответственно должен
быть, в крайнем случае, равен углу U/2.
Если же взять решетку с меньшим периодом
d’,
то угол ’1
будет больше
угла U/2
и изображение не возникнет. Значит
период решетки d
можно принять за предел разрешения
микроскопа Z.
Тогда, используя формулу дифракционной
решетки, запишем для k=1:

.
Заменяя d
на Z,
а 1
на U/2,
получим

Во время микроскопии
световые лучи падают на объект под
разными углами. При наклонном падении
лучей ( Рис.3г) предел разрешения
уменьшается, так как в формировании
изображения будут участвовать только
лучи, образующие максимумы нулевого
порядка и первого порядка с одной
стороны, а угол 1
будет равен апертурному углу U.
Расчеты показывают, что формула для
предела разрешения в этом случае
принимает следующий вид

а)
б) в)
г)

1-
фронтальная линза объектива, 2 —
объектив.

Если пространство
между объектом и объективом заполнить
иммерсионной средой с показателем
преломления n,
который больше показателя преломления
воздуха, то длина волны света будет
равна n
= 

n
. Подставляя
это выражение в формулу для предела
разрешения

, получим

Таким образом
формула

определяет предел разрешения
для микроскопа с сухим объективом, а
формула

для микроскопа с иммерсионным
объективом. Величины sin
0.5U
и nsin
0.5Uв этих
формулах называют числовой апертурой
объектива и обозначают буквой А.
Учитывая это, формулу предела разрешения
микроскопа в общем виде записывают так
:

Как видно из формул

и

, разрешающая способность микроскопа
зависит от длины волны света, величины
апертурного угла, показателя преломления
среды между объективом и объектом, угла
падения световых лучей на объект, но
она не зависит от параметром окуляра.
Окуляр никакой дополнительной информации
о структуре объекта не дает, качества
изображения не повышает, он лишь
увеличивает промежуточное изображение.

Разрешающая
способность микроскопа может быть
повышена за счет использования иммерсии
и уменьшения длины волны света.

Повышение разрешающей
способности при использовании иммерсии
можно пояснить следующим образом. Если
между объективом и объектом находится
воздух (сухой объектив), то световой луч
при переходе из покровного стекла в
воздух, среду с меньшим показателем
преломления, значительно изменяет свое
направление в результате преломления,
поэтому меньше лучей попадает в объектив.
При использовании иммерсионной среды,
показатель преломления которой
приблизительно равен показателю
преломления стекла, изменение хода
лучей в среде не наблюдается и большое
количество лучей попадает в объектив.

В качестве
иммерсионной жидкости берут воду
(n=1,33),
кедровое масло (n=1,515)
и др. Если максимальный апертурный угол
у современных объективов достигает
1400
, то для сухого объектива А=0,94, а для
объектива с масляной иммерсией А=1,43.
Если при расчете использовать длину
волны света 
= 555 нм, к которой наиболее чувствителен
глаз, то предел разрешения сухого
объектива составит 0,30 мкм, а с масляной
иммерсией — 0,19 мкм. Значение числовой
апертуры указывается на оправе объектива:
0,20; 0,40; 0,65 и др.

Повышение разрешающей
способности оптического микроскопа за
счет уменьшения длины волны света
достигается при использовании
ультрафиолетового излучения. Для этого
имеются специальные ультрафиолетовые
микроскопы с кварцевой оптикой и
приспособлениями для наблюдения и
фотографирования объектов. Так как в
этих микроскопах используется свет с
длиной волны примерно в два раза меньше,
чем у видимого света, то они способны
разрешать структуры препарата размерами
около 0,1мкм. Ультрафиолетовая микроскопия
имеет еще одно преимущество — с ее помощью
можно исследовать неокрашенные препараты.
Большинство биологических объектов
прозрачны в видимом свете, так как не
поглощают его. Однако они обладают
избирательным поглощением в ультрафиолетовой
области и, следовательно, легко различимы
в ультрафиолетовых лучах.

Наибольшая
разрешающая способность у электронного
микроскопа. Так как длина волны при
движении электрона в 1000 раз меньше длины
световой волны.

Каковы три правила при фокусировании микроскопа?

Каковы три правила, чтобы помнить при фокусировании микроскопа?

Каково преимущество использования влажного крепления?

Слайд с влажным майком-это когда образец помещается на слайд с каплей воды и покрыт покровным стеклом, которое удерживает его на месте через поверхностное натяжение. Преимущества – этот тип подготовки к слайде позволяет просматривать микроскопические живые существа без их высыхания .

Каковы 14 части микроскопа?

Каковы 14 части микроскопа?

Какова функция ручки в микроскопе?

Крупная ручка регулировки – быстрый элемент управления, который позволяет для быстрой фокусировки, перемещая объектив или стадию вверх и вниз . Он используется для первоначальной фокусировки. 5. Ручка с тонкой регулировкой – медленный, но точный контроль, используемый для тонкой фокусировки изображения при просмотре на более высоких увеличениях.

Почему он называется составным микроскопом?

Общий световой микроскоп, используемый в лаборатории, называется составным микроскопом , поскольку он содержит два типа линз, которые функционируют, чтобы увеличить объект . Линза, ближайший к глазу, называется глазкой, а объектив, ближайший к объекту, называется объектива.

Какой микроскоп используется для вида бактерий?

Составной микроскоп можно использовать для просмотра различных образцов, некоторые из которых включают в себя: клетки крови, клетки щеки, паразиты, бактерии, водоросли, ткани и тонкие срезы органов. Составные микроскопы используются для просмотра образцов, которые не могут быть видны невооруженным глазом.

Используются для фокусировки микроскопа?

Микроскоп – это инструмент , который можно использовать для наблюдения за небольшими объектами, даже клетками . Изображение объекта увеличивается по крайней мере через одну линзу в микроскопе. Этот объектив изгибает свет на глаза и делает объект больше, чем на самом деле.

Каковы детали и функция светового микроскопа?

линзы – сформируйте изображение объективное объектив – собирает свет от окуляра для образца – передает и увеличивает изображение от объективного объектива к вашему глазу. Окуляр на правильном расстоянии от объективного объектива и блокирует бездомный свет.

Каковы 16 частей микроскопа?

16 основных частей составного микроскопа:

Почему зеркало зафиксировано в микроскопе?

Ответ: зеркало, установленное в микроскопе , чтобы отразить свет на вещество, которое будет наблюдаться . Часть, закрепленная под стадией в микроскопе, состоит в том, чтобы отразить свет на исследование вещества.

Каковы механические части микроскопа?

(a) Механические части составного микроскопа

Каковы недостатки постоянных слайдов?

Каковы некоторые недостатки постоянных слайдов? Постоянные слайды содержат образцы, которые фиксируются, дегидратированы и, возможно, также микротомные (нарезанные на тонкие срезы) . Таким образом, организмы не движутся. Со временем образец также может начать терять цвет.

В чем разница между влажным и сухим креплением?

монтаж мокрого монтажа требует, чтобы изображение было установлено на пенной плате, которая часто имеет такого же размера, как и плакат, или центрируется в плакате с использованием клеевой палочки или спрея. Сухое монтаж-это метод установки изображения на жесткой поддержке с использованием чувствительного к теплояжнике.

Что подразумевается под влажным креплением?

Медицинское определение влажного крепления

: стеклянный слайд, держащий образец, подвешенный в капле жидкости (в качестве воды) для микроскопического обследования также: образец, установленный таким образом .