МИКРОСКОП - оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов или деталей их структуры, не видимых невооруженным глазом; относится к числу наиболее распространенных приборов, применяемых в биологии и медицине.
Историческая справка
Способность систем из двух линз увеличивать изображение предметов была известна мастерам, изготовлявшим очки (см.). О таких свойствах полушаровидных и плосковыпуклых линз знали оптики-ремесленники Нидерландов и Сев. Италии в 16 в. Есть сведения, что приблизительно в 1590 г. прибор типа М. был построен Янсеном (Z. Jansen) в Нидерландах.
Сначала появились» простые М., состоящие из одного объектива (см. Лупа), а затем были сконструированы более сложные М., имеющие, кроме объектива, и окуляр.
Быстрое распространение и совершенствование М. началось после того, как Галилей (G. Galilei), совершенствуя сконструированную им зрительную трубу, стал использовать ее как своеобразный М. (1609 -1610), изменяя расстояние между объективом и окуляром.
Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа.
В 1625 г. членом Римской «Академии зорких» («Academia dei lincei») И. Фабером был предложен термин «микроскоп».
Первые успехи, связанные с применением М. в научных биол, исследованиях, были достигнуты Гуком (R. Hooke), к-рый первым описал растительную клетку (ок. 1665 г.).
А. Левенгук с помощью М. обнаружил и зарисовал сперматозоиды, различных простейших, детали строения костной ткани (1673 - 1677).
В 1668 г. Б]. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, создал окуляр современного типа; в 1673 г. Гавелий ввел микрометрический винт, а Гертель предложил под столик микроскопа поместить зеркало. Таким образом, М. стали монтировать из тех основных деталей, к-рые входят в состав современного биол. М.
В начале 18 в. М. появились в России; здесь Эйлер (Z. Euler) впервые разработал методы расчета оптических узлов микроскопа.
В 18 и 19 вв. М. продолжали совершенствоваться. В 1827 г. Амичи (G. В. Amici) впервые применил в М. иммерсионный объектив.
В конце 18 - начале 19 в. была предложена конструкция и дан расчет ахроматических объективов для М., благодаря чему их оптические качества значительно улучшились, а увеличение объектов, обеспечиваемое такими М., возросло с 500 до 1000 раз.
В 1850 г. англ. оптик Сорби (Н. С. Sorby) сконструировал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете.
В 1872-1873 гг. Аббе (Е. Abbe) разработал ставшую классической теорию образования изображений несамосветящихся объектов в М. Труды англ. оптика Дж. Сиркса (1893) положили начало интерференционной микроскопии.
В 1903 г. Р. Жигмонди и Зидентопф (H. Siedentopf) создали ультрамикроскоп, в 1911 г. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный М., в 1935 г. 3ернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в М. прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов. В середине 20 в. был изобретен электронный микроскоп, в 1953 г. финским физиологом Вильской (A.Wilska) был изобретен аноптральный М.
Большой вклад в разработку проблем теоретической и прикладной оптики, усовершенствование оптических систем М. и микроскопической техники внесли М. В. Ломоносов, И. П.Кулибин, Л. И. Мандельштам, Д. С. Рождественский, А. А. Лебедев, С. И. Вавилов, В.П. Линник, Д. Д. Максутов и др.
Устройство биологического микроскопа
Биологический М. (рис. 1) крепится на массивном штативе (основании), чаще всего имеющем подковообразную форму. Основание снабжено кронштейном, внутри которого находится коробка микромеханизма тонкой настройки тубуса М. Кроме того, коробка микромеханизма имеет направляющую для кронштейна конденсора. Сверху к коробке микромеханизма при помощи особого кронштейна прикреплен вращающийся центрирующийся столик. Дугообразный тубусодержатель в нижней своей части снабжен макровинтом с двумя барашками, служащим для грубого движения тубуса. Верхняя часть тубусодержателя снабжена снизу головкой для крепления револьвера с гнездами для объективов, а сверху - специальным посадочным гнездом для крепления сменных тубусов: бинокулярной насадки для визуальных исследований и монокулярного прямого тубуса для фотографирования.
Предметный столик М. имеет устройство для перемещения рассматриваемого препарата в направлениях, перпендикулярных друг другу. Отсчет передвижения препарата в том или другом направлении может быть произведен по шкалам с нониусами с точностью до 0,1 мм.
Рис. 2. Принципиальная оптическая схема биологического микроскопа с осветителем: 1 - глаз наблюдателя; 2 - окуляр; 3 - рассматриваемый объект (препарат); 3 - образуемое окуляром мнимое перевернутое изображение объекта, лучи от которого, проходя через оптические системы глаза наблюдателя, создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта; 3" - перевернутое и увеличенное действительное изображение объекта; 4 - объектив; 5 - конденсор, концентрирующий на объекте пучок света, отражающегося от зеркала; 6 - апертурная диафрагма; 7 - зеркало; 8 - полевая диафрагма; 9 - линза-коллектор осветителя; 10 - источник света; 11 - предметное стекло, на котором располагают рассматриваемый объект; D - расстояние наилучшего видения; стрелками показан ход лучей в оптической системе микроскопа.
Принципиальная оптическая схема биол. М. приведена на рисунке 2.
Лучи света, отраженные зеркалом, собираются конденсором. Конденсор (рис. 3) состоит из нескольких линз, вмонтированных в металлическую оправу, закрепляемую винтом в гильзе кронштейна конденсора, и представляет собой светосильный короткофокусный объектив. Светосила (апертура) конденсора зависит от числа линз. В зависимости от методов наблюдения применяют различные виды конденсоров: конденсоры светлого и темного поля; конденсоры, создающие косое освещение (под углом к оптической оси М.); конденсоры для исследования по методу фазового контраста и др. Конденсор темного поля для проходящего света обеспечивает освещение препарата полым конусом света с большим углом; конденсор для отраженного света представляет собой кольцеобразную зеркальную или зеркально-линзовую систему вокруг объектива, так наз. эпиконденсор.
Между зеркалом и конденсором расположена ирисовая диафрагма (ирис-диафрагма), иначе называемая апертурной, т. к. степень ее раскрытия регулирует апертуру конденсора, к-рая всегда должна быть чуть-чуть ниже апертуры применяемого объектива. Диафрагма в конденсоре может располагаться и между его отдельными линзами.
Основным оптическим элементом М. является объектив. Он дает действительное перевернутое и увеличенное изображение изучаемого объекта. Объективы представляют собой систему взаимно центрированных линз; ближняя к объекту линза называется фронтальной. Даваемое ею действительное изображение объекта страдает рядом аберраций (см.), свойственных каждой простой линзе, к-рые устраняются вышележащими коррекционными линзами. Большинство этих линз весьма сложно: они изготовлены из разных сортов стекла или даже других оптических материалов (напр., флюорита). Объективы по степени исправления аберраций делятся на несколько групп. Наиболее простыми являются ахроматические объективы, у них исправлена хроматическая аберрация для двух длин волн и сохраняется лишь небольшая остаточная окраска изображения (ореол). Несколько меньшие хроматические аберрации имеют полуапохроматические, или флюоритовые, системы: их хроматическая аберрация исправлена для трех длин волн. Планахроматические и планапохроматические системы устраняют кривизну изображения (т. е. дают плоское поле изображения) и хроматические аберрации. Каждый объектив характеризуется свойственным ему собственным увеличением, фокусным расстоянием, численной апертурой и нек-рыми другими константами. Собственное увеличение зависит от переднего фокусного расстояния объектива, по величине к-рого объективы делятся на сильные (с фокусным расстоянием 1,5-3 мм), среднесильные (с фокусным расстоянием 3,5 мм), средние (фокусное расстояние 5-12 мм) у слабые (фокусное расстояние 12-25 мм) и слабейшие (фокусное расстояние более 25 мм).
Численная апертура объективов (и конденсоров) определяется произведением Sin половины отверстного угла, под к-рым объект «видит» центр фронтальной линзы объектива (ее «зрачок») и фронт линзы конденсора, на показатель преломления среды, заключенной между этими оптическими системами. Если этой средой является воздух, чередующийся с пластинкой предметного стекла, на к-ром лежит объект, то численная апертура не может быть выше 0,95, т. к. показатель преломления воздуха равен 1. Для того чтобы повысить численную апертуру, объектив погружают (иммергируют) в воду, глицерин или иммерсионное масло, т. е. в такую среду, показатель преломления к-рой выше 1. Такие объективы называют иммерсионными. Объективы М. для изучения объектов в проходящем свете рассчитаны на применение покровных стекол, объективы для исследований в падающем свете позволяют рассматривать объект без покровного стекла.
Рис. 4. Схематическое изображение окуляра Гюйгенса (I) и хода лучей в нем, образующих изображение (II): 1,9 - полевая линза; 2,6 - диафрагма; 3 - оправа окуляра; 4,8 - глазная линза; 5 - главная оптическая ось; 7 - выходной зрачок; 10 - первичное изображение; H и H" - основные плоскости.
Изображение, к-рое дает объектив, рассматривают через оптическую систему, называемую окуляром. Изображение в окуляре - увеличенное мнимое. Увеличение окуляров обычно указано на их оправе, напр. 5х, 10х, 15х и т.п. Окуляры можно разделить на две основные группы: нормальные, с обычным полем зрения, и широкоугольные. Из различных систем окуляров наиболее распространенными являются окуляр Гюйгенса и окуляр Рамсдена. Окуляр Гюйгенса (рис. 4), который состоит из двух плоско-выпуклых линз, обращенных выпуклой стороной к объективу, применяется при работе с ахроматическими и планахроматическими объективами при небольших увеличениях. Окуляр Рамсдена (рис. 5) состоит также из двух плоско-выпуклых линз, но обращенных выпуклыми сторонами друг к другу. Этот окуляр можно использовать и в качестве лупы (см.).
Для исправления (компенсации) остаточных хроматических аберраций объектива служат так наз. компенсационные окуляры; наиболее сильные из них дают увеличение в 20 раз.
Компенсационные окуляры состоят из комбинации склеенных и одиночных линз, подобранных таким образом, что их хроматическая ошибка обратна остаточному хроматизму апохроматического объектива, и поэтому компенсирующих остаточный хроматизм объектива. Фотоокуляры и проекционные окуляры служат для проектирования изображения на фотопленку или экран. В нек-рых случаях в М. вместо окуляров применяют так наз. гомалы - оптические системы, исправляющие кривизну изображения апохроматических объективов и предназначенные для проектирования изображения и фотографирования. Для измерения размеров изучаемых микроскопических объектов применяют окуляр-микрометр (см.).
Осветители для микроскопа
Источником света для М. могут служить самые разнообразные лампы: лампы накаливания, ртутно-кварцевые и др.
При работе с мощными источниками света для предохранения препаратов от перегревания или высыхания применяют теплозащитные фильтры (цельностеклянные или заполненные жидкостью полупрозрачные пластинки), поглощающие световые лучи неиспользуемых длин волн (напр., лучи длинноволнового участка спектра) и тепловые лучи. При исследовании препарата в проходящем свете источник света располагается под объектом, при исследовании в отраженном свете - над объектом или сбоку от него. В нек-рых, гл. обр. исследовательских, М., напр. МБИ-6, МБИ-15 и др., специальные осветители входят в состав конструкции М. В других случаях применяют выпускаемые промышленностью осветители различных марок. Нек-рые из них имеют трансформаторы, стабилизирующие напряжение, подаваемое на лампу, и реостаты для регулирования накала лампы.
Наиболее простым по устройству является осветитель ОС-14. Его применяют при наблюдении микрообъектов в проходящем свете в светлом поле. Осветитель ОИ-19 имеет более интенсивный источник света и используется для наблюдений в светлом и темном полях, методом фазового контраста и пр., а также для микрофотографирования в светлом поле. Осветитель ОИ-25 предназначен для наблюдений в проходящем свете. Он устанавливается непосредственно под конденсором вместо зеркала. Этот осветитель часто используют при работе с портативными моделями М. Осветитель ОИ-9М применяют гл. обр. при работе в проходящем свете с поляризационными М.; осветитель ОИ-24 используют при работе с биологическими и поляризационными М. Он предназначен для фотографирования микрообъектов и имеет набор светофильтров. Люминесцентный осветитель СИ-18 применяют для работы с биол., люминесцентными и другими М. Источником света в нем служит ртутно-кварцевая лампа, позволяющая работать со светом УФ-части спектра, как проходящим, так и отраженным.
Оптическая схема и принцип действия микроскопа
Построение изображения в М. можно объяснить с точки зрения геометрической оптики. Лучи света от источника света через зеркало и конденсор попадают на объект. Объектив строит действительное изображение объекта. Это изображение рассматривается через окуляр. Общее увеличение М. (Г) определяется как произведение линейного увеличения объектива (β) на угловое увеличение окуляра (Г ок) : Г = β*Г ок; β = Δ/f" об, где Δ - расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, a f" об - фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра Г ок = 250/f" ок, где 250 - расстояние от глаза до изображения в мм, f" ок - фокусное расстояние окуляра. Увеличение объективов обычно составляет от 6,3 до 100, а окуляров - от 7 до 15. Общее увеличение М. находится в пределах 44-1500; его можно подсчитать путем умножения величин, характеризующих увеличение окуляра и объектива. Технически возможно создать М., объективы и окуляры к-рых дадут общее увеличение, значительно превышающее 1500. Однако обычно это нецелесообразно. Существенный вклад в построение изображения в М. вносят явления дифракции и интерференции света. Каждая малая точка освещенного объекта, согласно теории Гюйгенса, сама становится как бы центром новой световой волны, распространяющейся по всем направлениям. Все возникающие волны при этом интерферируют, образуя дифракционные спектры, при этом возникают темные и светлые участки (минимумы и максимумы). По теории Аббе изображение в М. получается подобным объекту лишь в том случае, если в объектив попадут все достаточно интенсивные максимумы. Чем меньше максимумов участвует в построении изображения объекта, тем меньше изображение сходно с объектом.
Типы микроскопов
Кроме биологического М. различают стереоскопический, контактный, темнопольный, фазово-контрастный, интерференционный, ультрафиолетовый, инфракрасный, поляризационный, люминесцентный, рентгеновский, сканирующий, телевизионный, голографический, микроскопы сравнения и другие типы М. Нек-рые из них, напр, фазово-контрастный и люминесцентный, могут быть при необходимости созданы на базе обычного биол. М. с помощью соответствующих приставок.
Стереоскопический микроскоп представляет собой, по сути дела, два М., объединенных единой конструкцией таким образом, что левый и правый глаза видят объект под разными углами. Это дает стереоскопический эффект, облегчающий исследование многих объемных объектов. Этот М. широко применяется в различных сферах медико-биологических исследований. Особенно необходим он при проведении микроманипуляций в ходе наблюдения (биол, исследования, микрохирургических операций и т. п.). Удобство ориентировки в поле зрения М. создается включением в его оптическую схему призм, к-рые играют роль оборачивающих систем: изображение в таких стереоскопических М. прямое, а не перевернутое.
Стереоскопические М. имеют, как правило, небольшое увеличение, не более чем в 120 раз. Выпускаемые М. можно разделить на две группы: М. с двумя объективами (БМ-56 и др.) и М. с одним объективом (МБС-1, МБ С-2, МБС-3 и др.). Бинокулярный М. БМ-56 является наиболее простым из стереоскопических М. и состоит из двух самостоятельных оптических систем, каждая из к-рых дает отдельное изображение.
Стереоскопический М. МБС-1 работает в проходящем и отраженном свете (рис. 6). Стереоскопический М. МБ С-2 имеет универсальный штатив, к-рый позволяет работать с объектами больших размеров. Стереоскопический М. МБС-3 отличается от предыдущих оптической конструкцией, в к-рой в значительной степени уменьшена сферохроматическая аберрация, исправлена кривизна изображения.
Существуют также специальный бинокулярный налобный М., предназначенный для микрохирургических операций (см. Микрохирургия , Микрургия), и операционный микроскоп (см.).
Микроскопы сравнения состоят из двух конструктивно объединенных обычных М. с единой окулярной системой. В таком М. в двух половинах поля зрения видны изображения сразу двух объектов, что дает возможность сравнивать их по цвету, структуре, распределению элементов и т. д. М. такого типа применяют при сравнительном изучении каких-либо объектов в норме и патологии, прижизненном состоянии и после фиксации или окраски различными методами. М. сравнения используются и в судебной медицине.
Контактный микроскоп , используемый для прижизненного изучения различных биол, структур, отличается от других М. наличием особых контактных объективов, к-рые представляют собой видоизмененные иммерсионные объективы. К ним первоначально приклеивали тонкую пластинку стекла и создавали непосредственный контакт с поверхностью изучаемого объекта. В 1963 г. А. П. Грамматин предложил и рассчитал объективы, предназначенные специально для контактной микроскопии. Фокусировка в контактном М. осуществляется специальной оптической системой, т. к. объектив неподвижно прижат к объекту. В флюоресцентном контактном М. изучаемый участок объекта освещается коротковолновыми лучами через контактный объектив с помощью опак-иллюминатора с интерференционным светоделителем.
Темнопольный микроскоп , используемый в работе по методу темного поля (см. Темнопольная микроскопия), позволяет наблюдать изображения прозрачных, не поглощающих свет объектов, не видимых при освещении по методу светлого поля. Такими объектами часто являются биол. объекты. В темнопольном М. свет от осветителя и зеркала направляется на препарат специальным конденсором, так наз. конденсором темного поля. По выходе из конденсора основная часть лучей света, не изменившая своего направления при прохождении через прозрачный препарат, образует пучок в виде полого конуса, к-рый не попадает в объектив, находящийся внутри этого конуса. Изображение в темнопольном М. создается лишь небольшой частью лучей, рассеянных микрочастицами препарата внутрь этого полого конуса и прошедшими через объектив. Темно-польные М. применяют при микрургических операциях на отдельных клетках, при изучении механизма репарационного процесса, регистрации различного состояния клеточных элементов и т. п. Методом темнопольной микроскопии можно также исследовать объекты, размеры к-рых гораздо меньше разрешающей способности светового М. (см. Ультрамикроскоп).
Фазово-контрастный микроскоп и его разновидность - аноптральный М. служат для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, не видимых при наблюдении по методу светлого поля. Обычно эти объекты не могут быть окрашены, т. к. окраска губительно действует на их структуру, локализацию хим. соединений в клеточных органеллах и т. п. (см. Фазово-контрастная микроскопия). Этот метод широко применяется в микробиологии. В клинико-диагностических лабораториях он используется для исследования мочи, нефиксированных тканей (напр., при диагностике злокачественных опухолей), нек-рых фиксированных гистол. препаратов (cм. Гистологические методы исследования).
Рис. 7. Оптическая схема фазово-контрастного микроскопа с осветителем: 1 - осветитель; 2 - апертурная диафрагма; 3 - конденсор; 4 - изучаемый объект; 4" - изображение изучаемого объекта; 5 - объектив; 6 - фазовая пластинка, на поверхности которой имеется кольцевой выступ или кольцевая канавка, так называемое фазовое кольцо (сплошными стрелками показан ход обычных лучей, пунктирными - диафрагмированных).
В фазово-контрастном М. (рис. 7) в переднем фокусе конденсора устанавливают апертурную диафрагму, отверстие к-рой имеет форму кольца. Изображение, построенное ею, образуется вблизи заднего фокуса объектива, и там же устанавливают фазовую пластинку. Она может быть установлена и не в фокусе объектива (часто фазовое кольцо наносят прямо на поверхность одной из линз объектива), но лучи света от осветителя, проходя через объект, должны полностью проходить через фазовое кольцо, к-рое значительно их ослабляет и изменяет их фазу на четверть длины волны. Лучи, даже немного отклоненные (рассеянные) в препарате, не попадают в фазовое кольцо и не претерпевают сдвига фазы. С учетом фазового сдвига лучей света в материале препарата разность фаз между отклоненными и неотклоненными лучами усиливается; в результате интерференции света в плоскости изображения лучи усиливают или ослабляют друг друга, давая контрастное изображение структуры препарата.
Промышленность выпускает различные фазово-контрастные устройства к М. Фазово-контрастное устройство КФ-4 состоит из конденсора и набора объективов. Его можно применять с биол., поляризационными, люминесцентными и другими М. Фазово-контрастное устройство КФ-5 отличается от КФ-4 тем, что фазовые пластинки на его объективах нанесены в виде двух колец, контрастность изображения также несколько выше. Фазово-контрастное устройство МФА-2 отличается от КФ-4 размером фазовых колец и способом их нанесения.
Аноптральный М. является разновидностью фазово-контрастного М. и позволяет исследовать малоконтрастные живые объекты (простейшие, бактерии, вирусы), но дает более контрастное изображение, чем обычный фазово-контрастный микроскоп. Нежелательным при применении аноптрального М. можно считать появление в нек-рых случаях ореолов вокруг изображения объектов. Промышленностью выпускается комплект для аноптральной микроскопии КАФ-2 и др.
Интерференционный микроскоп предназначен для решения тех же задач, что и фазовоконтрастный М., однако между ними имеются и существенные различия. В интерференционном М. можно наблюдать участки объектов не только с большими, но и с малыми градиентами показателя преломления или толщины, т. е. можно изучать детали прозрачных объектов независимо от их формы и размеров, а не только их контуры, как в фазово-контрастном М.
Принцип, лежащий в основе конструкции интерференционного М., состоит в том, что каждый луч, входящий в М., раздваивается: один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу объекта, а другой - мимо нее по той же или дополнительной оптической ветви М. (рис. 8). В окулярной части такого М. оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой.
Интерференционный М. пригоден для изучения живых и нефиксированных тканей, он позволяет с помощью различных устройств производить измерения, на основании к-рых можно вычислить, напр., массу сухого вещества растительной: или животной клетки, концентрацию, размеры объекта, содержание белков в живых и фиксированных объектах и т. п. (рис. 9).
Промышленность выпускает большое число различных интерференционных М., предназначенных для биол., мед., металлографических и других исследований. Примером может служить интерференционный биол, микроскоп МБИН-4, предназначенный для исследования образцов в проходящем свете интерференционным методом. Он позволяет так-же измерять разности хода- лучей, возникающие при их прохождении через различные участки объекта.
Метод интерференционного контраста часто сочетают с другими методами микроскопии, напр. с наблюдением объектов в поляризованном свете, в УФ-свете и т. п., что позволяет, напр., определить содержание нуклеиновых к-т в общей сухой массе объекта.
Ультрафиолетовый и инфракрасный микроскопы предназначены для исследования объектов в ультрафиолетовых (УФ) и инфракрасных (ИК) лучах. Эти М. снабжены фотокамерами, флюоресцирующими экранами или электронно-оптическими преобразователями для фиксации изображения. Разрешающая способность УФ-микроскопов значительно выше, чем разрешающая способность обычных М., т. к. их предельное разрешение, зависящее от длины волны, ниже. Длина волны света, используемого в УФ-микроскопии, 400 - 250 нм, тогда как длина волны видимого света 700-400 нм. Однако главное преимущество УФ-микроскопов заключается в том, что частицы многих веществ, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают УФ-излучение определенных длин волн и, следовательно, легко различимы в УФ-изображениях. Характерными спектрами поглощения в УФ-области спектра обладает ряд веществ, содержащихся в растительных и животных клетках. Такими веществами являются белки, пуриновые основания, пиримидиновые основания, ароматические аминокислоты, нек-рые липиды, витамины, тироксин и другие биологически активные соединения.
Исследовательский УФ-микроскоп МУФ-6 (рис. 10) предназначен для биол, исследований в проходящем и отраженном свете. Он позволяет проводить фотографирование объектов, а также фотографическую регистрацию оптической плотности и спектров поглощения участков образца при освещении их монохроматическим светом.
Микрофотометрическая ультрафиолетовая установка МУФ-5 предназначена для исследования биол, объектов в проходящем свете. На ней можно производить автоматическую запись спектров поглощения, с помощью сканирующего предметного столика записывать изменения оптической плотности вдоль выбранного направления в нужном спектральном интервале, фотографировать флюоресценцию объектов.
Наблюдение объектов с помощью инфракрасного микроскопа также требует преобразования невидимого для глаза изображения в видимое путем его фотографирования или с помощью электронно-оптического преобразователя. Инфракрасный микроскоп, напр. МИК-1 (рис. 11), позволяет изучить внутреннюю структуру непрозрачных для видимого света объектов (напр., зоол., палеонтол., антропол, препаратов и пр.). Выпускаемый промышленностью инфракрасный микроскоп МИК-4 позволяет рассматривать объекты при свете с длиной волн от 750 до 1200 нм, в т. ч. и в поляризованном свете.
Поляризационный микроскоп позволяет наблюдать изучаемые объекты в поляризованном свете и служит для изучения препаратов, оптические свойства к-рых неоднородны, т. е. так наз. анизотропных объектов (см. Анизотропия). Такими объектами являются мио- и нейрофибриллы, коллагеновые волокна и т. п. Свет, излучаемый осветителем в системе такого М., пропускают через поляризатор; поляризация (см.), сообщенная при этом свету, меняется при последующем его прохождении через препарат (или отражении от него). Это дает возможность выделить различные элементы в препарате и их ориентацию в пространстве, что особенно важно при изучении медико-биол. объектов. В поляризационном М. исследования можно производить как в проходящем, так и в отраженном свете. Узлы поляризационных М. предназначены для точных количественных измерений: окуляры имеют перекрестия, микрометрические шкалы и т. п.; вращающийся предметный столик имеет угломерный лимб.
Промышленность выпускает поляризационные М. различного назначения. Примером такого М. является универсальный поляризационный микроскоп МИН-8 (рис. 12), к-рый имеет необходимое оснащение и дополнительные принадлежности для других поляризационных исследований, кроме микроскопических. Лучшими зарубежными приборами такого типа являются универсальные микроскопы «Ортолюкс-Поль» фирмы «Лейтц» (ФРГ) и «Поль» фирмы «Оптон».
Люминесцентный микроскоп. Устройство люминесцентных М. основано на нек-рых физ.-хим. законах люминесценции (см. Люминесцентная микроскопия). Высокая чувствительность люминесцентных М. используется в микробиол., иммунол., цитол, и биофизических исследованиях.
Выпускаемый промышленностью люминесцентный микроскоп МЛ-3 предназначен для наблюдения и фотографирования объектов в свете их видимой флюоресценции в отраженном свете. Люминесцентный микроскоп МЛ-2 отличается от МЛ-3 возможностью наблюдения объектов в проходящем свете. Люминесцентные устройства, используемые чаще вместе с обычными М., содержат осветитель с ртутной лампой, набор светофильтров и так наз. опак-иллюминатор для освещения препаратов сверху. В сочетании с обычными люминесцентными М. используют фотометрическую наладку ФМЭЛ-1, к-рая служит для количественного измерения интенсивности видимой флюоресценции. Микрофлюориметр МЛИ-1 применяют для исследования ультрафиолетовой и видимой флюоресценции в отраженном свете. Прибор позволяет производить количественные измерения флюоресценции, фотографирование, измерение спектров флюоресценции, возбуждения флюоресценции.
Рентгеновский микроскоп предназначен для исследования объекта в рентгеновских лучах. Фокусировка лучей в рентгеновских М. имеет свои особенности: для этого в них используются изогнутые зеркальные плоскости. В рентгеновском М. имеются также микрофокусный источник рентгеновского излучения и детекторы изображения: фотопленки или электтронно-оптические преобразователи. Рентгеновские М. этого типа имеют ряд недостатков, связанных со структурными несовершенствами монокристаллов и сложностями точной обработки зеркал, ввиду чего они не получили широкого применения.
Принцип проекционных, или «теневых», рентгеновских М. основан на методе проекции в расходящемся пучке лучей от точечного сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей. Такие М. имеют также камеры для микрообъекта и регистрирующего устройства. Линейное разрешение М. этого типа до 0,1 мкм.
Рентгеновские М. применяют при исследовании объектов, различные участки к-рых избирательно поглощают рентгеновские лучи, а также объектов, непрозрачных для иных лучей. Нек-рые модели рентгеновских М. оснащены преобразователями рентгеновского излучения в видимое и телевизионными устройствами.
Сканирующий микроскоп позволяет осуществлять последовательный осмотр объекта в каждой точке или его изображения фотоэлектрическим преобразователем с измерением интенсивности света, прошедшего через объект или отраженного от него. Сканирование объекта сводится к последовательному измерению коэффициента пропускания или отражения лучей света от объекта в каждой его точке и преобразованию его в электрический сигнал. Вид характеристик микроструктур, получаемых в результате обработки видеосигналов, определяется алгоритмами (см.), вводимыми в соответствующие вычислительные устройства; т. о., сканирующий М. представляет собой сочетание собственно М. и информационной сканирующей системы. Он является составной частью конструкции анализаторов и счетчиков частиц, телевизионных М., сканирующих и интегрирующих микрофотометров и т. д. Сканирующие М. используют в микробиологии, цитологии, генетике, гистологии, физиологии и других областях биологии и медицины.
Является перспективным использование сканирующих М. или конструкций, в состав к-рых они входят, в диагностических целях, для изучения строения и структуры тканей, в т. ч. и крови, выявления в них возрастных и патол, изменений, обнаружения атипичных клеток в срезах тканей и т. п. В экспериментальной медицине сканирующие М. применяют с целью контроля роста и развития тканей и клеток в культурах и т. п.
Промышленность выпускает сканирующие устройства, выполненные в виде насадок к световому микроскопу.
Системы сканирования могут быть телевизионными и механическими. Телевизионные применяют в основном для анализа геометрических и статистических характеристик и классификации микрообъектов. Механические более универсальны и точны. Они позволяют работать в заданном спектральном интервале в УФ-области спектра и часто применяются для фотометрических измерений.
Телевизионный микроскоп конструктивно сочетает в себе М. с телевизионной техникой. Телевизионные М. работают по схеме микропроекции: изображение объекта преобразуется в последовательные электрические сигналы, к-рые затем воспроизводят это изображение в увеличенном масштабе на экране кинескопа. В зависимости от способа освещения исследуемого объекта телевизионные М. подразделяют на два типа: М. с передающей трубкой и М. с бегущим пятном.
Телевизионный М. с передающей трубкой представляет собой простую комбинацию оптического М. и телевизионного канала. Изображение, даваемое М., проецируется на экран кинескопа. При этом изображение сигналов можно наблюдать и на большом экране даже при малом освещении самого объекта.
В телевизионном М. с бегущим пятном используют оптическое сканирование объекта движущимся лучом света.
Телевизионные устройства часто используют в сочетании с фазовоконтрастными М. Этим достигается наибольшая контрастность изображения. Высокая яркость изображений в телевизионных М. позволяет использовать их для проведения фото- и киносъемок как неподвижных, так и движущихся объектов. Телевизионные М. можно использовать и как дистанционный прибор, т. е. сам телевизионный приемник может быть установлен на значительном расстоянии от М., что особенно важно при исследовании объектов, близость к к-рым опасна для наблюдателя (напр., радиоактивных). В телевизионном микроскопе возможно изучение объектов в УФ- и ИК-лучах; его используют также как телевизионный микроспектрофотометр. При использовании дополнительных электронных систем возможно получение цветного изображения. На основе телевизионных М. созданы автоматические счетчики микрочастиц (см. Автоанализаторы). Изображение в этом случае специальными счетными приспособлениями преобразуется в серию электрических сигналов, что позволяет просто и с большой скоростью производить подсчет числа различных частиц в препарате (эритроцитов и лейкоцитов в крови, колоний бактерий, частиц аэрозолей в воздухе, кристаллов и зерен в минералах и т. п.), а также целый комплекс других измерений.
Промышленность выпускает телевизионные М. различных типов. Ультрафиолетовый телевизионный М. амер. фирмы «Ньютроникс Рисерч» представляет собой телевизионный микроспектрофотометр. Он дает трехцветное изображение объекта, соответствующее трем выбранным длинам волн в УФ-части спектра. Такой М. позволяет производить абсорбционные измерения.
Количественный телевизионный М. «КТМ» англ. фирмы «Металз Рисерч» дает возможность измерять отдельно элементы изображения с разной освещенностью в пределах шести ступеней интенсивности, определять процент площади, занимаемой нек-рой составной частью структуры, определять среднее число частиц для расчета их среднего размера, оценивать распределение частиц по группам крупности.
Голографический микроскоп служит для построения изображений объектов голографическим методом, т. е. методом получения объемного изображения объекта, основанным на интерференции волн (см. Голография). Голограмма позволяет получить изображение, к-рое является результатом регистрации не только амплитуд (как в фотографии), но и фаз световых волн, рассеянных объектом. В голографическом М. источником волн служит лазерный луч (см. Лазер). При использовании импульсных лазерных источников возможно получение голограмм движущихся объектов. Конструктивное сочетание голографических устройств с обычным М. позволяет располагать объект вертикально, что необходимо при исследовании, напр., клеточных суспензий. Голограмма получается с изображения, созданного объективом. Восстановленная голограмма воспроизводит изображение, к-рое наблюдают через окуляр М. Применение голографического метода является перспективным для изучения прозрачных (фазовых) объектов; его можно также использовать для получения изображений микрообъектов, содержащих медленно движущиеся области в статическом окружении (циркуляция крови, поглощение пузырьков воздуха в капиллярах и т. д.). Голографический М. нашел применение в криоскопии для изучения различных клеток в норме и при замораживании (напр., наблюдение за процессами внутриклеточной кристаллизации). В голографическом М. возможно получение разрешения ок. 1 мкм, а также черно-белых и цветных голограмм.
Голографические устройства находят все более широкое применение в качестве автоматических анализаторов микрочастиц. Распознавание микрочастиц с использованием этого метода ускоряется в десятки тысяч раз. Поиск объекта ведут одновременно по всей голограмме. Для управления работой и обработки результатов голографические установки соединяют с ЭВМ.
Библиография: Барский И. Я., Поляков Н. И. и Якубенас В. А. Контактная микроскопия, М., 1976, библиогр.; Бернштейн А. С., Джохад-з e Ш. Р. и Перова Н. И. Фотоэлектрические измерительные микроскопы, М., 1976, библиогр.; Воронин В. В. Основы теории микроскопа, Тбилиси, 1965; М а й с т р о в Л. Е. Приборы и инструменты исторического значения, Микроскопы, М., 1974; Машинный анализ микроскопических объектов, под ред. Г. М.Франка, М., 1968; Панов В. А. и А н д-р e e в Л. Н. Оптика микроскопов, Л., 1976, библиогр.: Сканирующая техника в исследовании клеточных популяций, клеток, органоидов и макромолекул, под ред. Г. М. Франка, Пущино-на-Оке, 1973; Скворцов Г. Е.и др. Микроскопы, Л., 1969, библиогр.; Федин Л. А. Микроскопы, принадлежности к ним и лупы, М., 1961, библиогр.; ЧернухА. М. и др. Некоторые вопросы применения голографии в медико-биологических исследованиях, Мед. техн., № 1, с. 30, 1976, библиогр.
Ю. В. Агибалов, Н. Г. Будковская, А. Б. Цыпин.
→Объектив является самым важным элементом оптической системы микроскопа. С помощью объектива строится микроскопическое изображение с помощью входящих в конструкцию нескольких линз. Количество линз будет зависеть от задач, решаемых объективом, и может доходить до 14 штук (для получения наивысшего качества изображения).
В объективе выделяется фронтальная система линз, которая определяет рабочее расстояние и числовую апертуру, и последующие линзы, которые уже отвечают за увеличение и фокусное расстояние.
Существует несколько классификаций объективов на основе различных параметров. Ниже представлены наиболее распространенные наименования.
Классификация объективов по степени исправления искажений :
- Ахроматические объективы - устраняют хроматические аберрации благодаря наличию в конструкции объектива стеклянных элементов с разной дисперсией (в результате чего крайние лучи видимого спектра сходятся в одном фокусе).
- Флюоритовые объективы - устраняют окрашенность изображения с помощью цветокорректирующих добавок
- Апохроматические объективы - устраняет как хроматические, так и сферические аберрации.
- Полуапохроматические объективы - по конструкции те же апохроматы, однако более дешевый их вариант со средним качеством изображения.
- Планарные объективы - устраняют кривизну изображения по всему полю наблюдения.
Классификация объективов по увеличению :
- Объективы малых увеличений (до 10х).
- Объективы средних увеличений (до 50х).
- Объективы больших увеличений (50-100х)
- Объективы сверхбольших увеличений (более 100х).
Классификация объективов по числовой апертуре :
- Объективы малых числовых апертур (до 0,25).
- Объективы средних числовых апертур (до 0,65).
- Объективы больших числовых апертур (более 0,65).
В объективах с ирисовой диафрагмой есть возможность изменять числовую апертуру.
Классификация объективов по полю наблюдения :
- Объективы для наблюдения в пределах нормального поля (до 18 мм).
- Широкопольные объективы (до 22,5 мм).
- Сверхширокопольные объективы (более 22,5).
Теперь давайте разберемся в маркировке объектива для микроскопа. На объективе обязательно указывается увеличение, числовая апертура, а также может быть указана дополнительно буквенная маркировка. Например, что означает маркировка 40х/0,65 Ф? Первое числовое значение указывает на увеличение в 40х, второе на значение числовой апертуры - 0,65. Буквенная маркировка указывает на метод исследования объектива - Ф или Ph (фазовый, то есть с фазовым элементом внутри, которое представляет собой полупрозрачное кольцо). Также в буквенной маркировке могут быть обнаружены следующие обозначения: П или Pol (поляризационный объектив), Л или L (люминесцентный объектив), ФЛ или PhL (фазово-люминесцентный объектив) и так далее.
Также в буквенной маркировке может указываться тип оптической коррекции: АПО или APO (апохроматический), ПЛАН или PL (планарный), ПЛАН-АПО (планапохромат), СФ или М-ФЛЮАР (полуапохромат). Также могут встречаться такие маркировки как S (фирма OptiTech, ахромат с пружинным механизмом), или SemiPlan или SP (объективы - что-то среднее межу ахроматами и планахроматами).
И напоследок, следует отметить, что объективы могут быть сухие (безыммерсионные), с водной иммерсией или масляной иммерсией. Иммерсионная жидкость - это жидкость, которая находится между покровным стеклом и объективом и благодаря которой повышается разрешение объектива (используются в объективах с большими увеличениями). На иммерсию также указывает маркировка объектива: МИ или Oil (масляная иммерсия), ВИ или W (водная иммерсия).
Окуляр [okularis - глазной ] обращенная к глазу часть оптического прибора, предназначен для дополнительного увеличения изображения, созданного объективом, и построения микроскопического изображения на сетчатке глаза наблюдателя.
В общем виде окуляры состоят из двух групп линз: глазной , ближайшей к глазу наблюдателя, и полевой , ближайшей к плоскости изображения, в которой объектив строит изображение рассматриваемого объекта.
Окуляры обычно доисправляют изображение, созданное объективом.
Окуляр Гюйгенса простейший окуляр, состоящий, как минимум, из двух линз.
Термин, применявшийся первоначально для окуляра, состоящего из двух плосковыпуклых линз (коллективной линзы и глазной линзы с диафрагмой в промежутке), установленных так, что их выпуклые поверхности обращены к объективу. Оптическая схема окуляра рассчитывается таким образом, что в них практически отсутствует хроматическая разность увеличения (ХРУ). Такие окуляры применяются с объективами, в которых также отсутствует ХРУ.
В настоящее время термин применяется к любому окуляру с диафрагмой внутри.
Компенсационный окуляр - окуляр, который совместно с объективом исправляет хроматическую разность увеличения (ХРУ). Величина ХРУ в компенсационных окулярах колеблется, так же как и у объективов, от 0,5% до 2%, но противоположенного знака. Применяется совместно с ахроматическими и планапохроматическими объективами.
Окуляр Кельнера состоит из простой линзы и склеенной из двух линз глазной. Угловое поле увеличено до 50°.
Симметричный окуляр состоит из двух одинаковых компонентов, расположенных симметрично друг относительно друга. Окуляр имеет большой вынос зрачка, что позволяет на его основе получать окуляры для работы с очками. Угловое поле окуляров не превышает 40° - 42°.
Ортоскопический окуляр - состоит из плосковыпуклой глазной линзы и трехсклеенного компонента. Угловое поле до 40°.
Окуляр Эрфле состоит из трех компонентов. Обеспечивает большой вынос зрачка. Имеет большое расстояние до сетки, и данная схема обычно используется, когда требуется перемещение окуляра. Угловое поле увеличено до 60°.
Широкоугольный окуляр это высококачественный окуляр сложной оптической конструкции. Нередко в них применяются линзы с асферическими поверхностями. Угловое поле может быть 80°-100°.
Новые современные окуляры являются широкоугольными с линейным полем 18- 20 мм и сверхширокоугольными с полем 25-30 мм.
При работе с планобъективами используются план-окуляры , в которых исправлены кривизна поверхности изображения, астигматизм и кома, что обеспечивает резкое изображение по всему полю наблюдения.
Для проецирования изображения применяются фотоокуляры и гомали (отрицательные системы, исправляющие некоторые оптические дефекты полученного объективом изображения). Гомали не пригодны для визуального наблюдения.
Видно, что классификация окуляров не столь разнообразна как у объективов и больше касается качественных сторон. На окуляре (рис. 40) указывается тип окуляра и кратность увеличения (например, окуляр Гюйгенса – «7х», компенсационный окуляр – «К7х» или «комп7х»).
В последних моделях зарубежных микроскопов диоптрийная наводка на плоскость изображения с целью коррекции недостатков зрения производится не на окулярной трубке бинокуляра, а с помощью самого окуляра.
Если технология работы на микроскопе требует проводить точные измерения, окуляры подобных микроскопов конструктивно выполняются таким образом, что внутри их размещаются окулярные сетки . Эти оптические детали устанавливаются в плоскость полевой диафрагмы. Сетка может быть выполнена в виде шкалы окулярного микрометра, сетки с различными размерами квадратов, кругов правильной формы или логарифмической сетки, на стекло могут быть нанесены фигуры стандартной формы (для сравнения). Сетка предназначена для измерения линейных размеров, вычисления площади объекта, для количественного подсчета и т.д.
Осветительная система – это система линз, диафрагм и зеркал (при необходимости), обеспечивающая равномерное освещение объекта и полное заполнение апертуры объектива. В состав осветительной системы как правило входят: источник света (естественный или искусственный); коллектор - оптическая система, которая проецирует нить лампы в плоскость апертурной диафрагмы конденсора; конденсор - оптическая система, которая проецирует полевую диафрагму коллектора в плоскость предмета, обеспечивая требуемую числовую апертуру осветительного пучка.
Существуют различные способы освещения препарата при микроскопии. Классический способ освещения препарата в микроскопе был предложен Келером в 1893г. и используется до настоящего времени, как основной прием для получения качественного изображения
Источник света, будь то солнце, лампа накаливания, галогенная лампа или ртутная и ксеноновая лампы, выполняет основную функцию: освещение объекта микроскопического исследования таким образом, чтобы точность его воспроизведения оптическими элементами микроскопа в изображении по форме, разрешению и цвету была максимальной. Равномерность освещенности и яркость в поле зрения микроскопа (в плоскости изображения) определяется равномерностью освещения объекта в плоскости предмета и равномерностью и полнотой заполнения плоскости выходного зрачка микрообъектива изображением нити лампы.
В качестве источника света в современных осветителях микроскопов обычно используют низковольтные лампы накаливания с толстой нитью . Широкое применение получили лампы накаливания с иодным циклом (кварцево-галогенные лампы). Сила света источника должна быть велика, а площадь, занимаемая нитью накала, - мала, чтобы источник света по типу приближался к точечному . Помимо лампы, в конструкцию осветителя входит коллекторная линза , позволяющая получить при соответствующей фокусировке параллельный пучок лучей, а также ирисовая полевая диафрагма , от раскрытия которой зависит освещенное поле на препарате.
Для выравнивания света обычно применяются светофильтры . Светофильтры, используемые в световой микроскопии биологических объектов, условно можно разделить на две группы: ослабляющие световой поток без изменения спектрального состава света (нейтральные светофильтры, матовое стекло, скрещенные поляризационные фильтры) и светофильтры, выделяющие определенную область спектра. Нейтральные светофильтры и матовые стекла используются после настройки света по Келеру, если яркость источника света слишком велика. Светофильтры, выделяющие определенную область спектра, могут быть использованы для усиления или ослабления контраста некоторых деталей в окрашенных препаратах. Для увеличения контраста необходимо использовать светофильтры дополнительные по цвету к цвету окраски. Для ослабления контраста - светофильтры аналогичные цвету окраски
Конденсор [condensare – сгущать ] - оптическая система, предназначенная для концентрации светового потока, сформированного в коллекторе осветителя, и равномерного освещения объекта (рис. 41, 42). В микроскопах проходящего света конденсор расположен между объектом (предметным столиком) и источником света (коллектор, зеркало). В микроскопах отраженного света роль конденсора выполняет объектив.
Конденсоры различаются по типу оптической коррекции , числовой апертуре , рабочему расстоянию и назначению (для реализации различных методов контрастирования ).
Конденсор Аббе - осветительная система линз, разработанная Аббе. Не исправленный по качеству изображения конденсор состоит из двух неахроматических линз: одной, двояковыпуклой, другой плосковыпуклой, обращенной к объекту наблюдения (плоская сторона этой линзы направлена вверх). Апертура конденсора А=1,20. Имеет ирисовую (регулируемую) диафрагму.
Апланатический конденсор состоит из трех линз, расположенных следующим образом: верхняя линза плосковыпуклая (плоская сторона направлена к объективу), далее следует вогнуто-выпуклая и двояковыпуклая линзы. Исправлен в отношении сферической аберрации и комы. Апертура конденсора А = 1,40. Имеет ирисовую диафрагму.
Ахроматический конденсор полностью исправлен в отношении хроматической и сферической аберраций.
Ахроматический-аплапатический конденсор исправлен как в отношении хроматической аберрации, так и в отношении сферической аберрации и комы.
Существует разница между конденсорами прямых и инвертированных микроскопов проходящего света. Связано это, естественно, со спецификой работы с микроскопом. Для прямых микроскопов функция конденсора сводится к освещению объекта, расположенного на предметном стекле определенной толщины (1,1 мм) в соответствии с принятыми принципами освещения. Объект является только предметом освещения и наблюдения. Расстояние от фронтальной линзы конденсора до предметного стекла может составлять от 0,5 до 1,2мм с накинутой фронтальной линзой. При откинутой фронтальной линзе это расстояние может увеличиться на порядок. Числовая апертура конденсора находится в пределах от 0,3 (без фронтальной части) до 1,4 при работе с иммерсией
В инвертированном микроскопе конденсор должен выполнять более широкую функцию: обеспечивать освещение объекта в соответствии с принятыми принципами освещения и работу пользователя с объектом в пространстве между фронтальной частью конденсора и предметным стеклом. Это возможно при сверхбольшом рабочем расстоянии конденсора. Расстояние от предмета до фронтального компонента может находиться в пределах от 50 мм до 200 мм при числовой апертуре от 0,3 до 0,55 (максимально возможная апертура при расстоянии около 5 мм - 0,70).
Конденсор косого освещения предназначен для получения эффекта косого освещения. Имеет апертурную ирисовую диафрагму, которая может фиксированно смещаться в горизонтальной плоскости.
Фазово-контрастный конденсор – для получения эффекта фазового контраста. Имеет в плоскости апертурной диафрагмы световое кольцо, которое при проекции соответствует по размеру фазовому кольцу, расположенному в выходном зрачке объектива.
Конструктивно конденсор может быть выполнен: с откидной или со свинчиваемой фронтальной линзой (для увеличения числовой апертуры) или откидной линзой большого поля.
Одним из важнейших факторов, определяющих качество изображения в микроскопе, является правильная настройка освещения. Существуют различные способы освещения препарата при микроскопии. Классический способ освещения препарата в микроскопе был предложен Келером в 1893г. (рис. 43) и используется до настоящего времени, как основной прием для получения качественного изображения
Принцип освещения заключается в том, что изображение нити лампы осветителя проецируется на апертурную диафрагму конденсора, а полевая диафрагма осветителя проецируется в плоскость препарата.
Практически настройку освещения по Келеру осуществляют следующим образом:
1) устанавливают осветитель против зеркала микроскопа;
2) включают лампу осветителя и направляют свет на плоское (!) зеркало микроскопа;
3) помещают препарат на предметный столик микроскопа;
4) закрывают зеркало микроскопа листком белой бумаги и фокусируют на нем изображение нити лампы, передвигая патрон лампы в осветителе;
5) убирают лист бумаги с зеркала;
6) закрывают апертурную диафрагму конденсора;
7) перемещая зеркало и слегка передвигая патрон лампы, фокусируют изображение нити на апертурной диафрагме. Расстояние осветителя от микроскопа должно быть таким, чтобы изображение нити лампы было равно диаметру апертурной диафрагмы конденсора (наблюдать апертурную диафрагму можно с помощью плоского зеркала, помещенного с правой стороны основания микроскопа).
8) открывают апертурную диафрагму конденсора, уменьшают отверстие полевой диафрагмы осветителя и значительно уменьшают накал лампы;
9) при малом увеличении (10х), глядя в окуляр, получают резкое изображение препарата;
10) опуская и поднимая конденсор, добиваются получения резкого изображения краев полевой диафрагмы в плоскости препарата (вокруг них может быть видна цветная каемка)
11) слегка поворачивая зеркало, переводят изображение полевой диафрагмы, которое имеет вид светлого пятна, в центр поля зрения.
12) раскрывают полевую диафрагму осветителя до краев поля зрения, увеличивают накал нити лампы;
13) уменьшают раскрытие апертурной диафрагмы конденсора, чтобы она закрывала поле зрения на 1/3 при наблюдении через тубус с удаленным окуляром;
14) при смене объектива необходимо проверить настройку света.
После окончания настройки света по Келеру ни в коем случае нельзя изменять положение конденсора, раскрытие полевой и апертурной диафрагмы . Освещенность препарата можно регулировать только нейтральными светофильтрами или изменением накала лампы с помощью реостата. Для равномерного освещения всего поля зрения при работе с объективами малого увеличения (до 10х) необходимо снять верхнюю линзу конденсора.
Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 1680 | Нарушение авторских прав
| | | | | | | | | | | | | 14 | |
Объективы рассматриваются исходя из их характеристик и задач, которые будет выполнять микроскоп.
Наиболее важные характеристики объектива:
- Кривизна, или плоскостность поля зрения (часть поля зрения, которая находится в фокусе);
- Цветокоррекция;
- Увеличение и разрешающая способность.
Кривизна изображения
Поясним термин «кривизна изображения». Представьте себе шар диаметром несколько миль. Посмотрите на него с точки зрения настройки окуляров/ объективов. Если после того, как верх шара вошёл в фокус, мы продолжаем приближаться к его поверхности, то всё большая и большая его часть оказывается в фокусе. Этого выглядит так, будто поле зрения расширяется из центра.
Когда примерно 2/3 поля зрения оказывается в фокусе, центр начинает размываться, поскольку фокус переходит к периферии. Вот этот эффект и называется кривизной изображения.
Основные параметры микрообъективов устанавливаются стандартами фирм-производителей (UIS2, ICS, ICO, ISO, DIN, JIN, EC, ГОСТ).
DIN (Deutsche Industrial Normen). Этот исторически первый стандарт определяет длину тубуса, равную 160 мм, высоту объектива 45 мм (расстояние от плоскости предмета до опорного торца объектива), стандартные диаметры окуляров, резьбу объективов, кодировку объективов в виде цветной полоски вокруг объектива (красной для увеличения 4х, жёлтой — 10х, белой — 100х и т. д.).
Стандарт JIN отличается длиной тубуса 170 мм.
Тубус — это расстояние от верхней линзы окуляра до плоскости зрачка микрообъектива (примерно совпадающей с последней линзой объектива). Объективы на тубус 160 мм (или 170 мм) включают в себя стандартные ахроматические объективы, при использовании которых в фокусе оказывается около 2/3 поля зрения; полупланобъективы — 80 % поля зрения в фокусе, а так же планобъективы — 100 % поля зрения в фокусе.
Нужно внимательно изучать документацию производителя. Китайские производители используют термин „flat field" для обозначения полуплоского, a „plan" — полностью плоского поля. Еще используют для этого же соответственно термины „achromatic" и „plan", „microplan" обозначает полуплоское поле, у других — совершенно плоское.
Объективы-ахроматы не могут быть использованы для получения микрофотографий, так как будут давать низкую детализацию и искажение изображений.
Стандарты DIN, JIN в всязи с технологическим прогрессом уходят в прошлое и заменяются новыми, более современными и улучшенными.
У мировых производителей, таких как всегда указывается класс и коррекция объектива, которая не вводит в заблуждение пользователя. Olympus производит оптику стандарта UIS2.
UIS2- Данный стандарт оптики определяет длину тубуса, скорректированную на бесконечность, при этом изображение, даваемое объективом, возникает в бесконечности, а окуляр приводит это изображение в определённую плоскость.
Объективы UIS2 имеют планахроматическую коррекцию, что дает абсолютную уверенность в качестве изображения.
Цветокоррекция и цветопередача
По цветокоррекции (исправлению хроматической аберрации положения) объективы разделяются на ахроматические, полуапохроматические (флюоритовые) и апохроматические.
Представим ситуацию: Вы-бактериолог и перед Вами мазок, окрашенный по Грамму. Вы нашли нужное поле зрения и начинаете подстраивать фокус, при этом бактерии, окрашенные синим стают красными и наоборот. Разумеется, это ухудшает точность исследования и дальнейшую постановку диагноза.
У ахроматических объективов UIS2 исправлена световая аберрация положения для двух длин волн—красных и синих лучей, то есть фокус для этих лучей сводится в одну точку. Зелёные лучи имеют более короткий фокус и не создают аберрацию. По этой причине контуры в изображении объекта вырисовуются четко и цветопередача не нарушается.
Увеличение и разрешающая способность
Желудок человека,окраска Гематоксилин-эозин
В гистологии самые используемые красители — гематоксилин и эозин (Н&Е), которые имеют соответственно красный и синий цвет. Скрининг препаратов проводится на объективе 10-20х и желательно видеть общую картину среза, для перехода на нужную область. Простой ахроматический объектив даст более низкое качество изображения, как Вы видели в таблице.
Вывод- для задач гистологии необходимы только планахроматические объективы (PLN,PLCN).
Флюоритовые объективы UIS2 (UPLFLN,LUCPLFLN) используют флюоритовое стекло, которое сводит все области спектра ближе к одному фокусу. По исправлению хроматической аберрации положения эти объективы занимают промежуточную позицию между ахроматами и апохроматами.Эти объективы имеют лучшее разрешение по оси Z и прекрасно передают флуоресцентный сигнал при методах FISH и научных задачах.
Апохроматические объективы UIS2 (PLAPON,UPLSAPO) полностью выравнивают фокус трех основных цветов и сводят все остальные области спектра практически к одинаковому фокусу.Эти объективы используются в исследовательских системах и конфокальных микроскопах.
Чем выше качество объектива, тем выше его цена, достигаемое увеличение и необходимость критической фокусировки из-за снижения глубины резкости. Всегда подбирайте объектив, который соответствует Вашим задачам.
Небольшая справка по оптическим терминам:
Аберрация
Оптический дефект, обусловленный линзой. Невозможность линзы сфокусировать лучи в одной точке
Хроматческая
Присутствует в системе линз, когда лучи составляющих цветов белого света фокусируются не одновременно, что приводит к нежелательным цветным интерференционным полосам на изображении.
Сферическая
Когда лучи одного цвета, проходящие близко к краю линзы, не фокусируются в той же точке, что и лучи, проходящие ближе к центру линзы. Изображение получается нерезким и не может быть сфокусировано с помощью грубого или мягкого винта.
Одна из самых главных частей микроскопа, как и телескопа, это объектив. К подбору и покупке объективов к микроскопу нужно подходить очень тщательно. От этого зависит качество изображения, даваемое микроскопом, и насколько мелкие детали вы сможете увидеть в него. На рынке можно встретить большое количество объективов для микроскопов разных производителей. По характеру оптической коррекции аберраций объективы делятся на ахроматы, апохроматы, планахроматы, планапохроматы. Встречаются специализированные объективы, но мы их рассматривать не будем, т.к. они нужны для специальных исследований и для домашнего пользования очень дорогие.
По виду иммерсии они делятся на безыммерсионные (сухие), с водной иммерсией и с масляной иммерсией. Иммерсия это когда между покровным стеклом и объективом находится иммерсионная жидкость и объектив в нее погружен. Это изменяет коэффициент преломления среды между объектом наблюдения и объективом, и все лучи попадают в объектив, т.е. значительно повышается разрешение объектива. Иммерсионные объективы обычно бывают с большими увеличениями от 40 и более крат. При масляной иммерсии используется кедровое или специальное синтетическое масло, использование других масел не допускается. В водной иммерсии используется дистиллированная вода.
Маркируются по иммерсии объективы микроскопом следующим образом.
МИ, Oil и черное кольцо на оправе объектива – масляная иммерсия.
ВИ, W и белое кольцо на объективе – водная иммерсия.
Цветовая идентификация принята в России, на зарубежных объективах может какое угодно быть кольцо по цвету.
Если на объективе микроскопа нет обозначений иммерсии, то это сухой объектив.
Давайте подробно рассмотрим каждый вид объектива.
Ахроматы. Объективы ахроматы имеют цветовую коррекцию по основной и двух дополнительных длин волн видимого диапазона спектра. Хроматическая разность увеличения не исправлена, но ее можно компенсировать т.н. компенсационным окуляром. Кривизна поля не исправлена и в объективы особенно с маленьким увеличением по краям поля зрения изображение размыто. В маркировке на оправе объектива обычно не указан код оптической коррекции.
На объективах фирмы OptiTech встречается маркировка (S ) - это объектив ахромат с пружинным механизмом, который защищает препаратотраздавливания объективоммикроскопа.
Апохроматы - это объективы, у которых полностью исправлена хроматическая аберрация, но хроматическая разность увеличения и кривизна поля зрения не исправлены. На оправе объектива указана маркировка АПО, APO .
Планахроматы – это объективы у которых исправлена кривизна поля, хроматическая аберрация и хроматическая разность увеличения. Очень полезный объектив, для малых увеличений, дающий резкое изображение по всему полю. Маркируется кодом ПЛАН, PL , Plan.
Планапохромат – это объектив с полной хроматической коррекцией, плоским полем и исправленной хроматической разностью увеличений. Это наиболее совершенный и дорогой объектив для микроскопа. Объектив маркируется кодом ПЛАН-АПО, Plan-apo.
На западе выпускают т.н. семипланаты (Semi-Plan). У этих объективы находятся между ахроматами и планахроматами, и у них уменьшена (не полностью исправлена) кривизна поля. Эти объективы маркируются кодом SP.
Рассмотрим подробно маркировку объективов к микроскопам.
На оправе объектива указывается увеличение объектива, например 4х, 40х, 100х. Чтобы рассчитать увеличение микроскопа нужно увеличение объектива умножить на увеличение окуляра.
После значения увеличения объектива микроскопа через дробь указывается т.н. числовая апертура (обозначается символом NA при расчетах). Числовая апертура показывает, какое максимально полезное увеличение можно добиться с этим объективом и какое разрешение имеет объектив. Максимально полезное увеличение микроскопа с данным объективом рассчитывается так числовая апертура умножается на 1000. Например, объектив микроскопа с числовой апертурой 0.65 имеет полезное увеличение 650х. Значительно большее увеличение смысла ставить нет, т.к. это не прибавит деталей, а только ухудшит контрастность и яркость изображения. Также можно рассчитать разрешение объектива. Для этого нужно поделить длинно волны в мкм при которой наблюдаем на удвоенную числовую апертуру. Качественные иммерсионные объективы с числовой апертурой 1,40 дают разрешение порядка 0,12мкм.
Под увеличением и числовой апертурой на объективе микроскопа иногда указываются и другие параметры. Например, длина тубуса микроскопа, с которым объектив может работать со штатным увеличением. Например, обычная длина тубуса 160мм. Также указывается толщина покровного стекла, с которым штатно будет работать объектив, обычно это 0,17 мм.
Рассмотрим на примерах маркировку объективов микроскопов.
|
|
|
|
|
Объектив производства Биомед Планахромат, увеличение 4х, числовая апертура 0,10, длинна тубуса микроскопа с которым объектив будет работать штатно 160 мм, толщина покровного стекла 0,17мм |
Объектив производства OptiTech Ахромат, увеличение 60х, числовая апертура 0,85, длинна тубуса микроскопа с которым объектив будет работать штатно 160 мм, толщина покровного стекла 0,17мм |
Объектив производства OptiTech Планахромат, увеличение 100х, числовая апертура 1,25, длинна тубуса микроскопа с которым объектив будет работать штатно 160 мм, толщина покровного стекла 0,17мм, объектив с масляной иммерсией |
Как же все-таки выбрать объектив для микроскопа. Если вы хотите наблюдать насекомых или другие более-менее крупные объекты, то нужно стремиться купить объектив с небольшим увеличением, например 4х. Но самое главное чтобы объектив был с кодом коррекции ПЛАН, PL или Plan . Эти объективы дадут резкое изображение по всему полю зрения. Если вы хотите делать снимки через микроскоп, то желательно купить объектив не только с коррекцией поля, но и с полной коррекцией хроматической аберрацией и хроматической разностью увеличений. Но эти объективы очень дороги. Для наблюдения бактерий нужно стремится купить иммерсионный объектив с максимально возможной числовой апертурой. Это позволит применять большие увеличения.
Виталий Шведун
Страницы по теме:
