Какие бывают типы линз микроскопа. Какие характеристики важны при выборе объектива. Как устроены современные микроскопы. Какие особенности есть у разных видов объективов.
Основные виды линз микроскопа
Линзы являются ключевым элементом оптической системы микроскопа. Они отвечают за увеличение и формирование изображения исследуемого образца. Основные виды линз, используемых в микроскопах:
- Объективы — собирают свет от образца и формируют увеличенное промежуточное изображение
- Окуляры — дополнительно увеличивают промежуточное изображение для наблюдения глазом
- Конденсор — фокусирует свет на образце
- Коллектор — собирает свет от источника освещения
Наиболее важную роль играют объективы микроскопа, так как именно они определяют качество и степень увеличения изображения.
Ключевые характеристики объективов микроскопа
При выборе объективов следует обращать внимание на следующие основные характеристики:
- Увеличение — показывает, во сколько раз объектив увеличивает изображение
- Числовая апертура — характеризует разрешающую способность объектива
- Рабочее расстояние — расстояние от фронтальной линзы до образца
- Коррекция аберраций — степень исправления оптических искажений
- Иммерсия — наличие иммерсионной среды между объективом и образцом
Чем выше числовая апертура и степень коррекции аберраций, тем лучше качество изображения, получаемого с помощью объектива.
Классификация объективов по степени коррекции аберраций
По степени коррекции оптических искажений объективы микроскопа делятся на следующие основные типы:
- Ахроматы — исправлена хроматическая аберрация для 2 длин волн
- Полуапохроматы (флюориты) — улучшенная коррекция для 3-4 длин волн
- Апохроматы — высокая степень коррекции для всего видимого спектра
- План-объективы — дополнительно устранена кривизна поля изображения
Апохроматы обеспечивают наилучшее качество изображения, но имеют более высокую стоимость. Для рутинных задач часто достаточно ахроматических объективов.
Особенности иммерсионных объективов
Иммерсионные объективы позволяют получить максимальное увеличение и разрешение за счет использования иммерсионной жидкости между фронтальной линзой и образцом. Ключевые особенности:
- Высокая числовая апертура (до 1.4-1.6)
- Малое рабочее расстояние
- Необходимость использования иммерсионного масла
- Увеличение 60х, 100х и более
- Максимальная светосила
Иммерсионные системы позволяют преодолеть дифракционный предел разрешения «сухих» объективов и используются для исследования мельчайших деталей микроструктуры образцов.
Современные тенденции в разработке объективов
Основные направления совершенствования объективов микроскопов в настоящее время:
- Увеличение числовой апертуры
- Расширение спектрального диапазона
- Улучшение коррекции аберраций
- Создание объективов с большим рабочим расстоянием
- Разработка универсальных объективов для разных методов контрастирования
- Применение новых оптических материалов и покрытий
Это позволяет постоянно улучшать качество получаемых изображений и расширять возможности микроскопических исследований.
Выбор объективов под конкретные задачи
При выборе объективов микроскопа следует учитывать следующие факторы:
- Тип исследуемых образцов
- Необходимое увеличение и разрешение
- Методы контрастирования
- Доступный бюджет
- Совместимость с имеющимся микроскопом
Для рутинных задач часто достаточно набора ахроматических объективов. Для сложных исследовательских задач может потребоваться комплект апохроматических и иммерсионных объективов с высокой числовой апертурой.
Правила эксплуатации и ухода за объективами
Для обеспечения долгой и качественной работы объективов микроскопа необходимо соблюдать следующие правила:
- Аккуратно обращаться с фронтальными линзами
- Своевременно очищать поверхности от пыли и загрязнений
- Использовать специальные салфетки и жидкости для чистки оптики
- Хранить объективы в сухом месте при комнатной температуре
- Не разбирать объективы самостоятельно
- Правильно использовать иммерсионные жидкости
При бережном обращении современные объективы способны сохранять свои характеристики на протяжении многих лет эксплуатации.
Объектив микроскопа | Микроскопия — Микросистемы
«Свет — самое тёмное место в физике»
Объектив микроскопа – линза или система линз, собирающая и фокусирующая световые лучи от наблюдаемого объекта для получения изображения. Для увеличения изображения, необходимо увеличить угол зрения на объекте. Если Вам необходимо рассмотреть какой-то объект более детально, то достаточно приблизить его к глазам, но если Вам необходимо рассмотреть микроскопические объекты, то нужны мощные линзы. Первое, что нужно знать для понимания оптики: оптическое изображение – это световая проекция от видимых точек на плоскость. Чем ярче, контрастнее и многочисленнее точки – тем ярче, контрастнее и чётче изображение.
ПЛАН – в таких объективах исправлены сферические аберрации. Всё изображение резкое и четкое.
АХРОМАТ – в этих объективах исправлены хроматические аберрации для двух длин волн (красный и синий, либо красный и зелёный), то есть волны с этими длинами волн, сфокусированы в одной точке.
ФЛЮОРИТ (ФЛУОТАР, ФЛУОРИТ/ПОЛУАПОХРОМАТ) – в таких объективах скорректированы хроматические аберрации для нескольких длин волн. Так же такие объективы пропускают намного больше света, чем Ахроматы. Применяются для исследований в УФ спектре, поскольку используются специальные стекла с пропусканием в УФ области спектра.
АПОХРОМАТ – в таких объективах скорректированы аберрации для четырех и более длин волн. Обеспечивают превосходную цветопередачу и яркость изображения. Пропускают больше света из ИК и видимого спектра, чем Флюорит, но меньше УФ.
СУПЕРАПОХРОМАТ – самые сбалансированные объективы, отличаются наилучшей цветопередачей. Пропускают волны в видимом диапазоне, УФ и ИК.
Объективы
Маркировка объективов Olympus:
Термины:
Парфокальность – расстояние от посадочной резьбы объектива до микроскопируемого объекта. Это изменение рабочего расстояния, обратно пропорциональное изменению увеличения объектива, благодаря чему нам не нужно перефокусироваться после смены объектива, ведь чем больше увеличение объектива, тем он длиннее.
Разрешение – это минимальное различимое расстояние между двумя соседними точками.
Поле зрения – диаметр видимого изображения на исследуемом объекте.
Иммерсия – специальная жидкость с определённым коэффициентом преломления, служащая средой для прохождения света между исследуемым объектом и объективом для увеличения апертуры.
Рабочее расстояние – расстояние от линзы до исследуемого объекта, в пределах которого его изображение будет резким.
Оптическая система с коррекцией на бесконечность
– свет, собранный от образца, проходит через линзы объектива параллельными лучами. Параллельные лучи преломляются в линзах тубуса и фокусируется в промежуточное изображение.Такая корректировка даёт неоспоримые преимущества: можно изменять расстояние между тубусом и объективом, добавлять модули для ортоскопии, коноскопии, дополнительные светоделители и прочие.
Поляризационный объектив (P) – объектив, изготовленный из специального стекла без внутренних напряжений.
Объектив для фазового контраста (PH) – объектив со встроенным фазовым кольцом.
Объективы Olympus подразделяются на сферы использования: для естественных наук и материаловедения. Виды объективов:
UPLSAPO – Универсальные План Суперапохромат, объективы с максимально возможной коррекцией в видимой части спектра, ближнем УФ и ИК. Имеется регулировка рабочего расстояния и апертуры. Такие объективы используются в конфокальных микроскопах и оптических системах сверхвысокого разрешения. Забудьте «мыльное» изображение в школьных микроскопах, в эти объективы вы сможете рассмотреть даже органеллы клеток, но для этого класса оборудования, такая задача не ставится. Такие объективы предназначены для конфокальных микроскопов, слайд-сканнеров и инспекционных систем. Обратите внимание на график светопропускания. Многие ошибочно думают, что пропускание такого широкого спектра лучей – невозможно, но факты говорят сами за себя.
PLAPON – План Апохромат, объективы с коррекцией в видимом диапазоне, ближнем УФ и частично ИК. Хорошее решение для спектрометрии и исследований в ИК диапазоне.
UPLFLN – Универсальные План Флюорит, объективы с коррекцией в видимом диапазоне и УФ. Предпочтителен при недостатке освещения, т.к. пропускает больше всего света. Лучшие друзья биологов, медиков и криминалистов. Слабая флуоресценция – серьёзная проблема для естественных наук, а учитывая, что каждая линза, даже просветлённая, рассеивает 2-5% света. В системе из 8 линз недостаток чувствуется очень остро. В этих объективах используется специальное низкодисперсное (UD) стекло и минерал флюорит, которое пропускает максимально возможное количество света. Изображение в этих объективах выглядит максимально сочным, ярким и резким, потому что в нём скорректированы практически все хроматические аберрации. У флюоритов низкий уровень дисперсии, поэтому расхождение света минимально и пользователь не видит цветного гало, даже на максимальном приближении.
PLN – План Ахромат, объективы с коррекцией в видимом диапазоне (голубой, зелёный, жёлтый). Эти объективы – стандарт для любой клинико-диагностической лаборатории. Хорошо пропускают свет во всём видимом спектре, а План коррекция позволяет работать со всем полем зрения без дополнительной перефокусировки.
ACHN – Ахромат, объективы без коррекции сферических аберраций, но с частичной коррекцией хроматизмов. Эти недорогие объективы подойдут для образовательных учреждений и любителей.
LCACHN – Ахромат с большим рабочим расстоянием, недорогие объективы предназначенные для исследования объектов с выраженным неровным профилем.
CPLFLN – План Флюорит для прецентрированного фазового контраста. Прецентрированный фазовый контраст, это одно из чудес современной оптики, ведь его нельзя сбить и не нужно каждый раз тратить время на точную настройку. У этих объективов большое рабочее расстояние, поэтому их используют в инвертированных микроскопов для микроскопии культур в специальной посуде.
APO – Апохромат, скорректированы многие хроматические аберрации в видимом, ближнем УФ и ИК диапазоне. Передаёт истинные цвета изображения и может использоваться для цитологии и гистологии.
UPLFL-P – План Флюорит для поляризации, сочетает в себе все достоинства флюорита и свободного от внутренних напряжений стекла. Универсальный светосильный объектив, в сочетании с линзой Бертрана отлично подходит для поляризации и ДИК. Эти объективы используют кристаллографы и минерологи, криминалисты, исследователи различных волокон. Поляризация один из основных методов контрастирования, ведь она не требует предварительной подготовки образцов, поэтому данные объективы широко распространены.
XLFLUOR – Флюорит для флуоресцентных исследований на малых увеличениях. Объектив уникален как по позиционированию, так и по исполнению. Обнаружить флуоресценцию в крупных объектах гораздо сложнее, чем рассмотреть её на большом увеличении. Всё дело в засветке и крайне малой светимости для малого увеличения, но у этого объектива малое поле зрения, максимально возможная (для малого увеличения) апертура, а значит высокая чувствительность.
MPLAPO – План Ахромат для материаловедения. Рассчитан на работу в отражённом свете, то есть свет падает через объектив на образец и отразившись от образца проходит через объектив и попадает на окуляры. Блики от осветителя отражённого света отсутствуют. Эти объективы устанавливаются в металлографических микроскопах, микроскопах для исследований нано материалов и мельчайших структур. В первую очередь – это исследовательские объективы.
MPLFLN – План Флюорит для материаловедения. Хорошая просветлённая оптика отлично подойдёт для изучения материалов, а ультрафиолете, а также ДИК контрасте.
MPLFLN-BD – План Флюорит для материаловедения, для светлого и тёмного поля. Свет в этом объективе попадает от осветителя на образец, через специальные каналы в стенках объектива, благодаря чему, реализуется метод тёмного поля.
MPLFLN-DBP — План Флюорит для материаловедения, для светлого, тёмного поля и поляризации. Отличается от предыдущего оптикой без напряжений. Лучшее, из доступного на данный момент, в среднем ценовом сегменте профессиональных микроскопов.
LMPLFLN – План Флюорит для материаловедения с большим рабочим расстоянием. Сделать объектив с большим рабочим расстоянием – весьма нетривиальная задача, потому что длиннофокусные линзы дают менее чёткое изображение.
MPLN – План Ахромат для материаловедения. Рядовые объективы, которые отлично подойдут для несложных исследований в металлографии, химии и электронике.
MPlanIR – Объективы для ИК микроскопии. Переключение между ИК и видимым освещением требует от обычного объектива фокусировку и подстройку освещения. С ИК коррекцией этого делать не нужно. Это не только экономия времени, но и повышенная точность.
По вопросам консультации и поставки — свяжитесь с нами любым удобным способом:
+7 (495) 234-23-32
Форма обратной связи
Оптическая система и строение современных микроскопов
Современные сложные микроскопы предназначены для формирования увеличенных двухмерных изображений, снятых в последовательно расположенных вдоль оптической оси фокальных плоскостях образца, что обеспечивает возможность двух- и трёхмерного исследования мелких структурных деталей образца. Оптические компоненты смонтированы на прочном эргономичном основании, что обеспечивает возможность быстрой замены, точного центрирования и тщательной юстировки оптически взаимосвязанных узлов. Вместе, оптические и механические компоненты микроскопа, включая образец, помещённый между предметным и покровным стеклом, образуют оптическую систему, центральная ось которой проходит через основание и штатив микроскопа.
Оптическая система микроскопа обычно состоит из осветителя (включая источник света и собирающую линзу), конденсора, образца, объектива, окуляра и фотоприёмника, который может являться либо камерой, либо глазом наблюдателя. Исследовательские микроскопы также содержат устройство (предварительной) обработки светового пучка, обычно расположенное между осветителем и конденсором, и дополнительный фотоприёмник или светофильтры, вставленные между объективом и окуляром или камерой. Согласованная работа фотоприёмника и устройств(а) предварительной обработки пучка обеспечивает изменение контрастности изображения как функции пространственной частоты, фазы, поляризации, поглощения, флуоресценции, внеосевого освещения и/или других свойств образца и параметров режима освещения. Но даже без дополнительных устройств обработки осветительного пучка и фильтрации волн, формирующих изображение, большинство даже базовых микроскопических конфигураций обладают определённой степенью естественной фильтрации.
Введение
Современные сложные микроскопы предназначены для формирования увеличенных двухмерных изображений снятых в последовательно расположенных вдоль оптической оси фокальных плоскостях образца что обеспечивает возможность двух и трёхмерного исследования мелких структурных деталей образца.
Большинство микроскопов оснащено механизмом перемещения предметного столика, позволяющим микроскописту точно располагать, ориентировать и фокусировать образец для оптимизации наблюдения и формирования изображений. Интенсивность освещения и ход лучей в микроскопе контролируются и управляются посредством размещения диафрагм, зеркал, призм, светоделителей и других оптических элементов в определенные положения, за счет чего достигается необходимая яркость и контрастность образца.
На рисунке 1 представлен микроскоп Nikon Eclipse E600, с тринокулярным тубусом и цифровой камерой DXM-1200 для регистрации изображений. Освещение производится расположенной в ламповом блоке галогенной лампой с вольфрамовой нитью, свет от которой сначала проходит через собирающую линзу, а потом попадает в оптический путь в основании микроскопа. Испущенный лампой накаливания пучок света модифицируется серией фильтров, расположенных также в основании микроскопа, после чего, отражённый от зеркала, он через полевую диафрагму падает на конденсор. Световой конус, формируемый конденсором, освещает образец, расположенный на предметном столике микроскопа, и попадает в объектив. После объектива световой пучок расщепляется светоделителем/блоком призм и направляется либо в окуляр, где формируется мнимое изображение, либо на проекционную линзу тринокулярного промежуточного тубуса для формирования цифрового изображения на фотодиодной матрице ПЗС цифровой системы регистрации и визуализации изображений.
Оптические компоненты современных микроскопов смонтированы на прочном эргономичном основании, что обеспечивает возможность быстрой замены, точного центрирования и тщательной юстировки оптически взаимосвязанных узлов. Вместе, оптические и механические компоненты микроскопа, включая образец, помещённый между предметным и покровным стеклом, образуют оптическую систему, центральная ось которой проходит через основание и штатив микроскопа.
Оптическая система микроскопа обычно состоит из осветителя (включая источник света и собирающую линзу), конденсора, образца, объектива, окуляра и фотоприёмника, который может являться либо камерой, либо глазом наблюдателя (таблица 1).
Исследовательские микроскопы также содержат устройство предварительной обработки светового пучка, обычно расположенное между осветителем и конденсором, и дополнительный фотоприёмник или светофильтры, размещаемые между объективом и окуляром или камерой. Согласованная работа фотоприёмника и устройств(а) предварительной обработки пучка обеспечивает изменение контрастности изображения как функции пространственной частоты, фазы, поляризации, поглощения, флуоресценции, внеосевого освещения и/или других свойств образца и параметров режима освещения. Но даже без дополнительных устройств обработки осветительного пучка и фильтрации волн, формирующих изображение, большинство базовых микроскопических конфигураций обладают определённой степенью естественной фильтрации.
Таблица 1. Компоненты оптической системы микроскопа.
| Компонент микроскопа | Элементы и характеристики |
| Осветитель | Источник света, собирающая линза, полевая диафрагма, тепловые фильтры, выравнивающие светофильтры, рассеиватель, нейтральные светофильтры |
| Устройство предварительной обработки пучка | Ирисовая диафрагма конденсора, темнопольная диафрагма, теневая маска, фазовые кольца, внеосевая щелевая диафрагма, призма Номарского, флуоресцентный фильтр возбуждения |
| Конденсор | Числовая апертура, фокусное расстояние, аберрации, пропускание света, иммерсионная среда, рабочее расстояние |
| Образец | Толщина предметного стекла, толщина покровного стекла, иммерсионная среда, поглощение, пропускание, дифракция, флуоресценция, запаздывание, двойное лучепреломление |
| Объектив | Увеличение, числовая апертура, фокусное расстояние, иммерсионная среда, аберрации, пропускание света, оптическая передаточная функция, рабочее расстояние |
| Фильтр изображения | Компенсатор, анализатор, призма Номарского, ирисовая диафрагма объектива, фазовая пластина, SSEE фильтр, модуляционная пластина, пропускание света, селекция длин волн, флуоресцентный запирающий фильтр |
| Окуляр | Увеличение, аберрации, размер поля, вынос глаза |
| Детектор | Человеческий глаз, фотоэмульсия, фотоумножитель, фотодиодная матрица, видеокамера |
В то время как одни оптические компоненты микроскопа выступают в роли элементов, формирующих изображение, другие предназначены для различных модификаций освещающего пучка, а также выполняют фильтрующие и передающие функции. Формирующими изображение компонентами оптической системы микроскопа являются собирающая линза (расположенная в осветителе или рядом с ним), конденсор, объектив, окулярный тубус (или окуляр) и преломляющие элементы человеческого глаза или линза камеры. Хотя некоторые из этих компонентов обычно не относятся к формирующим изображение, их характеристики имеют первостепенное значение в определении качества конечного микроскопического изображения.
Ход световых волн через идеальную линзу
Понимание роли отдельных линз, составляющих компоненты оптической системы, является основополагающим для понимания процесса формирования изображения в микроскопе. Простейшим, формирующим изображение элементом является идеальная линза (рисунок 2) – идеально скорректированная, свободная от аберраций и собирающая свет в одну точку. Параллельный, параксиальный пучок света, преломляясь в собирающей линзе, фоку сируется в её фокальной точке или фокусе (на рисунке 2 она обозначена надписью Фокус).Такие линзы часто называют положительными, поскольку они способствуют более быстрому схождению конвергентного (сходящегося) светового пучка и замедляют расхождение расходящегося пучка. Свет от точечного источника, расположенного в фокальной точке линзы, выходит из неё параллельным, параксиальным пучком (направление справа налево на рисунке 2). Расстояние между линзой и её фокус ом называется фокусным расстоянием линзы (обозначенной буквой f на рисунке 2).
Оптические явления часто описываются в терминах либо квантовой теории, либо волновой оптики, в зависимости от рассматриваемой задачи. При прохождении света через линзу, его волновыми свойствами можно пренебречь и считать, что он распространяется по прямым линиям, обычно называемым лучами. Простых лучевых диаграмм или хода лучей часто бывает достаточно для объяснения многих важных аспектов и понятий микроскопии, включая преломление, фокусное расстояние, увеличение, формирование изображения и диафрагмы. В других случаях, световые волны удобнее рассматривать как состоящие из отдельных частиц (квантов), особенно когда свет создается в результате квантово-механического события или трансформируется в другой вид энергии. В нашем обсуждении проходящие через оптические линзы параксиальные лучи будут рассматриваться в рамках как волновой, так и геометрической (лучевой) оптики (лучевых диаграмм, в которых лучи распространяются слева направо). Параксиальными (или приосевыми) называются световые лучи, проходящие близко к оптической оси; при этом значения углов падения и преломления, выраженные в радианах, можно считать приблизительно равными значениям их синусов.
В параллельном световом пучке отдельные монохроматические волны образуют группу волн, электрические и магнитные векторы в которой колеблются в фазе и образуют волновой фронт; при этом направление его распространения перпендикулярно направлению колебаний. При прохождении через идеальную линзу плоская волна преобразуется в сферическую, с центром в фокальной точке (Фокусе) линзы (рисунок 2). Сведённые в фокальной точке световые волны интерферируют, усиливая друг друга. И наоборот, сферический волновой фронт, расходящийся из фокальной точки идеальной линзы, преобразуется ей в плоскую волну (распространение справа налево на рисунке 2). Каждый световой луч плоской волны преломляется в линзе с небольшим отличием от других, поскольку падает на её поверхность под несколько отличным углом. На выходе из линзы направление светового луча также меняется. В реальных системах угол преломления и фокальная точка линзы или группы линз зависит от толщины, геометрии, показателя преломления и дисперсии каждого компонента системы.
(
полная версия статьи в формате pdf)Запчасти комплектующие аксессуары для микроскопа и его части
Части микроскопа и их названия
В микроскопах обычно выделяют две основных части – это оптическая (объективы, окуляры и осветительная система) и механическая часть:
- револьверная головка,
- предметный стол,
- фокусировочное устройство,
- и т.д..
Большинство производителей разрабатывают модели таким образом, чтобы конечный прибор был сконфигурирован под конкретные задачи. Поэтому к одной модели микроскопа существует ряд одинаковых комплектующих с разными ценами и функциями. Например, тубус микроскопа может быть не только бинокулярным или тринокулярным, а также иметь множество дополнительных характеристик: фиксированный или переменный угол наклона окулярных трубок, деление светопотока с разным процентным соотношением, поддержка окуляров с различным посадочным гнездом и разным полем зрения.
Следующим компонентом микроскопа является револьверная головка. Виды данного устройства различаются по количеству посадочных гнезд. Так же, немаловажным является наличие центрующих гнезд (используется в поляризованной микроскопии).
Микроскопы используют в различных областях, в которых работа за микроскопом занимает значительную часть рабочего времени. Так же немаловажным, является удобство расположения ручек препаратоводителя предметного стола. Рукоятка может быть расположена как справа, так и слева. В области, где применяются поляризационные микроскопы используют круглые столы, которые вращаются на 360 градусов.
Еще одним из основных элементов микроскопа является конденсор. Он выполняет роль линзы собирающий свет от источника и направляет его через объект. На сегодняшний день этот элемент позволяет не только собирать свет для наблюдения на больших увеличениях, но и реализовывать различные методы контрастирования. Они позволяют увидеть объекты, которые нельзя окрасить, как классические образцы. В таких случаях применяется такой метод контрастирования как фазовый контраст. Конденсор в таком случае может быть выполнен, как со встроенным слайдером, так и в виде турели. Турель является более удобным устройством для сменных вставок, т.к. в нее можно установить больше вставок, чем в слайдер. Последний обычно ограничивается всего тремя позициями и большинство производителей отказываются от этого решения.
В современном микроскопе уже редко встретишь такой источник света, как галогеновая лампа. Хотя до сих пор у бюджетных брендов и моделей они применяются. Технология светодиодных источников позволяет их использовать в качестве источника света для микроскопии. Современные светодиоды имеют цветовую температуру, близкую к дневному свету, что позволяет передавать правильную цветовую гамму препарата.
Современный модульный микроскоп – профессиональный прибор и его можно скомплектовать под любые задачи, бюджет, удобство в работе, правильно подобрав сочетание его частей.
Прочитать о строении микроскопа и увидеть расположение его частей на рисунке можно в нашей статье:
в разделе меню Информация / Статьи / Строение микроскопа рисунок с подписями
Как выбрать микроскоп? Рекомендации Nikon
Как правильно выбрать прибор и на что обращать внимание при покупке. Мы рассмотрим все вопросы, на которые нужно знать ответ.
Типы конструкций
Существуют различные типы конструкций микроскопов. Чтобы он работал много лет и был надежен в использовании, лучше всего приобретать тот, у которого корпус изготовлен из металлического сплава. Такие корпусные конструкции максимально снижают вибрацию, а также при изменении температуры испытывают довольно низкие колебания. Не стоит покупать микроскоп с пластиковым корпусом. Обратите внимание, чтобы запутать покупателя, производители окрашивают микроскоп из пластика в цвет металла. Всегда задавайте вопросы продавцу.
Если микроскоп сделан качественно, то у него есть такие компоненты как:
- оптические линзы,
- система фокусировки микроскопа металлическая и не содержит пластиковых частей,
- шариковые подшипники в основных движущихся частях.
Если вам сложно определить особенности конструкции прибора, глядя на фотографии каталога магазина, тогда обратите внимание на общий вес изделия. Выбирая микроскоп обязательно внимательно читайте его характеристики.
Оптика
Самым важным параметром любого микроскопа является его оптика и линзы. старайтесь обращать внимание на детали, так как хорошие показатели линз и отсутствие качественного фокуса делают прибор бесполезным.
Ахроматические линзы DIN DIN — это международный стандарт линз в объективах микроскопа. Кроме этого, возможна маркировка JIS. JIS — это очень известный стандарт качества во всем мире. Если линза по какой-либо причине испортилась, то ее можно будет довольно легко заменить на новую. Однако если стандарт не DIM, то найти нужную деталь в случае поломки объектива будет сложно. К сожалению, заменить его на объектив другого производителя нельзя.
Ахроматические объективы
Линзы строятся так, чтобы они давали цветокоррекцию. Объектив микроскопа содержит 10 и более линз из стекла. Конструкция, сделанная не должным образом, не передаст некоторых цветов на большом расстоянии до (предмета) цели. Объектив, не имеющий цветокоррекции, не покажет важные детали. Ахроматические объективы корректируют по цвету. 60% видимого объекта исследования расположены в плоскости и эффект аберрации на это место не работает. А эффект цветокоррекции действует на оставшиеся 40% площади видимого поля. Это определяют стандарты цветокоррекции. Бывают линзы, где вообще отсутствует эффект аберации. Такие линзы называются «Plan Achromatic». Они применяются в медицинском оборудовании. У них очень высокая стоимость. Микроскоп с линзами «Plan Achromatic» стоит дороже 1000 $. Для школьных работ подходят ахроматические линзы.
Линзы «Semi-Plan» — это еще один вид линз. Здесь аберрация существует на 20% видимой области (по краям) и в данном случае не существенна.
Отметим, что картинки которые видно в детский микроскоп бывают нечеткими, так как в приборах используется пластиковая оптика.
Окуляры
Линзы, которые расположены ближе всего глазу называются окулярами. Окуляры бывают с широким полем зрения. Изображение с подобного окуляра больше, чем с обычного окуляра. Зачем это нужно? Глаз легче фокусируется в окулярах широкого поля зрения. Можно привести такое сравнение: когда вы смотрите через маленькое отверстие, то рассмотреть цель вам будет довольно трудно. Проще увидеть, что внутри, если смотреть через большое отверстие. Микроскоп работает по томуже принцыпу. Диаметр линз в окулярах 18 мм, удобнее, чем линзы размером меньше. Подобные окуляры удобны для детей, им легко настроить просмотр объекта. Ребенок все сможет рассмотреть через микроскоп благодаря широкоугольному объективу. Подобные окуляры увеличивают видимую область. Следовательно, двигать слайд для просмотра не нужно будет часто.
Сменные окуляры
Наличие сменного окуляра дает возможность его замены на другой окуляр максимально быстро. Это важно, так как снимая окуляр, происходит попадание пыли, а очистить эти места от пыли очень сложно. Определите параменты окуляра, которые вам нужны.
Хранить микроскоп надо в чехле и необходимо минимизировать смену окуляров, чтобы пыль меньше попадала в прибор. Отметим, что разрешение микроскопов идет от объективов, а не окуляров. Окуляр только увеличивает разрешение, которое сформировал объектив. Это можно объяснить на примере фотографии. Сделав фотографию руки и увеличивая ее в тысячу раз, клетки не увидеть. При очень большом увеличении не рассмотреть детальное изображение объекта. Объективы большей мощности при равном увеличении более детализируют изображение, чем объективы мощностью меньше. Объектив 40х и 10х окуляр совместно дают разрешение больше, чем объектив 20х и 20х окуляр. В обоих случая увеличение будет одинаковым, но разрешение лучше у объектива 40х.
Что лучше: монокулярный или бинокулярный?
Бинокулярный микроскоп, то есть с 2-мя окулярами, нужен при постоянном использовании оборудования. Удобнее смотреть двумя глазами, чем одним. Каждый профессиональный микроскоп является бинокулярными. 2 окуляра дают больше удобства при использовании микроскопа. Дети могут использовать монокулярный микроскоп.
Бинокулярный микроскоп (так же как и бинокль) имеет много настроек для разных целей. Настраивайте расстояние между окулярами до получения целостного изображения. Бинокулярный микроскоп покупают детям старше 4 лет.
Подсветка
Микроскоп используется для наблюдений в разных системах освещения. На школьном оборудовании могут быть следующие варианты подсветки:
- Лампа накаливания. Недорогой вариант источника света.
- Флуоресцентные лампы представляют собой стеклянную трубу, которая заполнена газом.Флуоресцентная лампа стоит дороже, но при эксплуатации будет дешевле.
- Лампы LED — новейшая технология, имеющая много преимуществ. Светодиод потребляет мало энергии. Такими лампами оснащают школьный и профессиональный микроскоп. Если вы выбираете школьный микроскоп обратите внимание на наличие аккумуляторов. Использовать микроскоп с аккамуляторами можно без электрической сети.
- Галогеновые лампы используются в медицинском оборудовании. Эти лампы дают мощный поток белого света. Если выбирать бинокулярный микроскоп галогеновые лампы будут предпочтительнее, так как они более яркие.
Покупая микроскоп помните, что лампа — это расходный материал, подлежащий замене. Обязательно выясните тип лампы, ее цену и где находится магазин.
Система фокуса
Системы фокуса позволяют изучать объект в фокальной плоскости линзы объектива. Чаще всего системы фокусировки микроскопа имеют 2 регулятора: грубый и точный.
- При наличии одного регулятора выполняется грубая фокусировка. Он двигает объект быстро через фокальную плоскость. Поверните его немного и вы увидите изображение в фокусе. Довольно сложно сфокусироваться на изображении, если микроскоп имеет только грубую фокусировку.
- Рекомендуем выборать прибор с точной фокусировкой. Устанавливается на профессиональный микроскоп, но используется и на школьных приборах. Предмет можно увеличивать как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. Рассматривая лист обычной бумаги с увеличением 400х можно увидеть, что лист увеличился до размера 800. Сфокусироваться будет тяжело, чтобы посмотреть разные уровни объекта (800 страниц). А регулятор поможет при большом увеличении быстро сфокусироваться на любом уровне исследуемого объекта, без которого вы не увидите детали объектов. Точный фокус должен быть уже при покупке. Если вы покупаете микроскоп без точного фокуса, то увеличение свыше 400х не будет, так как сфокусироваться будет крайне трудно.
Рекомендуем выбрать микроскоп с точной настройкой фокуса, тогда реберку будет просто его использовать.
Конструкция системы фокусировки
Ручка — это только видимая часть, основной механизм скрыт от глаз корпусом прибора. Микроскоп прослужит дольше, если внутренние части металлические. Если вы планируете использовать микроскоп довольно длительное время, помните, что пластик и нейлон — это не долговечные в использовании материалы.
Дополнительные компоненты
Многие компоненты (о них рассказано ниже в статье) — это механизмы, помогающие манипулировать светом до того, как он проходит через образцы. Как понять, что микроскоп имеет дешевую и более простую версию такого компонента? Скорее всего так будет, если вы видите фотографию микроскопа, где нет ничего под предметным столом (то есть там, где ложится слайд).
Диафрагма
Диафрагма — это простое устройство, находящееся между слайдом и световым источником. Она регулирует количество света, которое проходит через объект. На сегодняшний день существует два вида мембран. Большая часть микроскопов оснащена одним типом мембран.
Диафрагма, имеющая вид диска. Такой тип самый дешевый и простой. Наиболее часто используется в школьном оборудовании. Находится под предметным столиком. Диск имеет 6 отверстий, каждое из отверстий постепенно становится меньше. Направление света объект происходит при повороте ручки-диска от маленького отверстия (соответствует малому оъему света) до большого отверстия (соответствует большому световому потоку). Диафрагма также необходима, чтобы наблюдать за простейшими, находящимися в воде. При слишком уж ярком свете полностью теряется контраст изображения, это значит, что микроскопические организмы будут просто «вымываться». При проведении таких исследований нужно выставлять свои значения диафрагмы. Следовательно, важной частью микроскопа является ирисовая диафрагма, при помощи которой можно устанавливать вручную значения выходного отверстия.
Ирисовая диафрагма
Ирисовая диафрагма — это диафрагма, которая состоит из нескольких штук взаимосвязанных «листьев». Эти «листья» регулируются специальным рычагом. Открытие и закрытие можно сравнить с тем, как это происходит у зрачков в глазах. Это является основным преимуществом для микроскопов, так как позволяет пользователю произвести большое множество настроек, а не быть ограниченным лишь 6-ю настройками (отверстиями) на диске диафрагмы. При этом настройка диафрагмы при проведении исследований будет осуществляться для вас гораздо проще. У вас будет хорошая возможность наблюдения за изменением освещенности в период просмотров через объектив микроскопа.
Конденсор
Конденсор имеется практически в любом микроскопе. Конденсор — это линзы небольшого размера, которые располагаются под предметным столиком. Их цель — это сбор и фокусирование света. В нижних частях таких линз проходит свет и конденсируется в световой конус. Ввиду того, что распространение света происходит в виде волн или частиц, проходящих через объект исследования волн (частиц) при больших увеличениях будет значительно меньше, чем при маленьких увеличениях. В свою очередь большее количество таких волн (частиц) направляется конденсатором через исследуемый объект на линзу. Поэтому у Вас будет все необходимое, чтобы через микроскоп все хорошо рассмотреть. При очень больших увеличениях (таких как 1000х или больше) очень нужны подвижные конденсаторы, поскольку количества света для проведения исследования будет недостаточно. Мы уже говорили об этом в статье, что по отношению к свету может изменяться положение фокальной плоскости в зависимости от толщины объекта или расположения слайда. Самый распространенный тип конденсаторов — это «ABBE».
Держатель фильтра
Во многих моделях уже встроены фильтры и простые держатели фильтров. Эти параметры необходимы при обеспечении высокой контрастности и легкой коррекции света. В случаях, когда окрашивание может убить исследуемые пользователем живые организмы, поможет простая замена цветных фильтров.
Предметный столик
При проведении некоторых исследований использование точного и гладкого перемещения слайда по предметному столику микроскопа вручную удобнее. Такой механизм (можно сказать — гаджет) внедрен в некоторые модели микроскопов. Им является — предметный столик.
Наличие предметного столика очень удобно для пользователя прибора. Предметный столик — это дополнительное оборудование, которое часто устанавливается на школьном и на стандартном для работы с медицинскими микроскопами. У предметного столика есть две ручки. Первая передвигает слайд вверх и вниз, а вторая ручка смещает слайд справа налево. Используя ручки для перемещения слайда, пользователь микроскопа будет сдвигать слайд точно. Таким образом, будет осуществляться полный контроль над положением слайда. Вам обязательно потребуется предметный столик и точная фокусировка, если вы проводите исследования под большими увеличениями. Если при увеличении 1000х Вы будете смещать слайд вручную, то исследуемый предмет будет полностью вынесен из поля зрения. Но и в исследованиях при меньшем увеличении (не больше 400х) нужен предметный столик.
Предметный столик всегда можно добавить почти на любой школьный микроскоп. Однако существуют и такие модели, куда нельзя добавить предметный столик. И в заключение скажем, что изучив нашу статью, вы, наконец-то, сможете правильно выбрать микроскоп. Пользуйтесь советами в статье и вы приобретете именно тот прибор, который вам необходим для домашних наблюдений или в медицинских целях. Выбрать и купить микроскоп Вам помогут наши продавцы-консультанты.
Продукция
|
Консультанты помогут выбрать Вам нужную продукцию по заданным параметрам микроскопа из каталога Nikon: Медико-биологические
|
|
Продукция
Выбрать продукцию из каталога медико-биологических приборов:
- Прямые
- 2. Инвертированные
Кпить микроскопическое оборудование в Санкт-Петербурге от производителя: +7 (812) 305 06 06
Секрет микроскопа Левенгука оказался секретом Гука
Jeroen Rouwkema / Wikimedia Commons
Нидерландские физики просканировали микроскопы XVII века методом нейтронной томографии и получили их трехмерные модели. Сканирование помогло разгадать секреты производства стеклянных линз, которые Антони ван Левенгук тщательно скрывал от современников. Он в совершенстве овладел шлифовкой и полировкой стекла, но для изготовления линзы самого мощного микроскопа позаимствовал технологию другого мастера. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Антони ван Левенгука (1632-1723), голландского торговца тканями и ученого-самоучку, считают отцом современной микробиологии и создателем уникальных однолинзовых микроскопов. Для исследования микромира натуралист-любитель занялся изготовлением оптических линз и очень в этом преуспел. Его самодельная увеличительная оптика превзошла известные образцы оптических приборов, созданные голландскими мастерами в первой половине XVII века.
Микроскопы Левенгука представляли собой две склепанные между собой металлические пластины с зажатой между ними линзой. Через крошечные отверстия в пластинах, вплотную приблизив глаз, можно было наблюдать многократно увеличенный объект, закрепленный на игле. Винты на задней стороне конструкции служили для регулировки фокусного расстояния.
Cocquyt et al. / Science Advances, 2021
Талантливый самоучка делал свои микроскопы, ориентируясь на труды английского ученого Роберта Гука, умелого шлифовщика линз и автора научного труда «Микрография», изданного в 1665 году. Но оптические стекла Левенгука превосходили линзы большинства мастеров XVII века, они увеличивали объекты в 150–300 раз.Исследователи Делфтского технического университета и Лейденского музея науки под руководством Тимена Коквита (Tiemen Cocquyt) сделали нейтронное сканирование микроскопов XVII века и определили способ изготовления линз. С помощью томографа института ядерных исследований (TU Delft Reactor Institute) удалось заглянуть внутрь двух микроскопов Левенгука. Один из них — микроскоп среднего увеличения из музея в Лейдене, второй — более мощный прибор из собрания Утрехтского музея с 266-кратным увеличением. Метод нейтронного сканирования применяется при изучении окаменелостей и других объектов, в толще которых необходимо обнаружить легкие элементы. В данном случае необходимо было получить изображение стеклянной линзы, заключенной в толще металла. Нейтронная томография позволяет построить трехмерное изображение объекта на основе сведений о поглощенных им нейтронах, испускаемых источником.
Cocquyt et al. / Science Advances, 2021
На томограмме менее мощного лейденского микроскопа ученые увидели линзу в форме чечевицы с диаметром обода 2,7 миллиметра и толщиной 1,5 миллиметра. Радиус кривизны, острый ободок без неровностей явно указывают на абразивный способ изготовления линзы при помощи тщательной шлифовки и полировки.Томограмма линзы утрехтского микроскопа показала, что в нем находится шаровидная линза диаметром 1,3 миллиметра, на которой можно различить маленький обломок стеклянного стержня. Такая форма оптического стекла получается при обработке пламенем кончика тонкой стеклянной палочки. Круглая капля, образующаяся при этом, имеет высокую увеличительную способность.
А — шлифованная линза в форме чечевицы; В — шаровидная линза
Cocquyt et al. / Science Advances, 2021
Секреты изготовления своих линз Левенгук скрывал от конкурентов и, в особенности, от Роберта Гука, который был заинтригован увеличительными свойствами левенгуковских линз. Исследование показало, что шаровидная линза полностью соответствует принципам изготовления, которые описал в 1678 году Роберт Гук. Левенгук наверняка воспользовался этим способом, хотя всячески отрицал заимствование. Левенгук утверждал, что способ Гука не годится для его мощного микроскопа, чьи пластины слишком тонки для гуковой линзы.Способы изготовления линз
Cocquyt et al. / Science Advances, 2021
Авторы исследования отмечают курьезность обнаружения в самом мощном левенгуковском микроскопе простой шаровидной линзы Гука. Вероятно, в этом заимствовании и кроется причина ореола тайны вокруг способа изготовления линз, созданного Левенгуком. Томограммы микроскопов продемонстрировали, насколько тщательно и точно выполнена подгонка линзы к выемке на металлической пластине и к отверстиям, что вряд ли было бы возможно при серийном производстве.Антони ван Левенгук сделал вручную более 500 микроскопов и в каждом стремился достичь баланса между увеличением и качеством изображения. Утрехтский микроскоп оставался непревзойденным до 1830-х годов, позволяя различать детали размером до 1 микрометра.
N+ 1 писал о современных микроскопах и их возможностях. Мы рассказывали об изучении работы биомолекул на атомарном уровне при помощи криоэлектроных микроскопов и о применении атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопов при исследовании квантовых материалов.
Елена Синицкая
3.2 Конфокальная микроскопия
Введение.
Конфокальный микроскоп отличается от «классического» оптического микроскопа (см. пункт 3.1) тем, что в каждый момент времени регистрируется изображение одной точки объекта, а полноценное изображение строится путем сканирования (движения образца или перестройки оптической системы). Для того, чтобы регистрировать свет только от одной точки после объективной линзы располагается диафрагма малого размера таким образом, что свет, испускаемый анализируемой точкой (красные лучи на рис. 1б), проходит через диафрагму и будет зарегистрирован, а свет от остальных точек (например, синие лучи на рис. 1б) в основном задерживается диафрагмой. Вторая особенность состоит в том, что осветитель создает не равномерную освещенность поля зрения, а фокусирует свет в анализируемую точку (рис. 1в). Это может достигаться расположением второй фокусирующей системы за образцом, но при этом требуется, чтобы образец был прозрачным. Кроме того, объективные линзы обычно сравнительно дорогие, поэтому использование второй фокусирующей системы для подсветки мало предпочтительно. Альтернативой является использование светоделительной пластинки, так чтобы и падающий и отраженный свет фокусировались одним объективом (рис. 1г). Такая схема к тому же облегчает юстировку.
Рис. 1а. Ход лучей в обычном оптическом микроскопе, когда в фотоприемное устройство попадает свет из различных точек образца.
Рис. 1б. Применение диафрагмы позволяет существенно снизить фоновую подсветку от точек образца вне анализируемой области.
Рис. 1в. Дополнительное повышение контраста достигается применением подсветки, фокусирующей свет в анализируемую точку.
Рис. 1г. Схема со светоделительной пластинкой упрощает конструкцию микроскопа и процесс юстировки за счет двойного использования объектива
(для подсветки и сбора отраженного сигнала).
Качественно понятно, что применение конфокальной схемы должно приводить к увеличению контрастности изображения, за счет того, что «паразитный» свет от точек соседних с анализируемой перестает попадать в детектор. Платой за увеличение контрастности будет необходимость применения достаточно сложных схем сканирования либо образцом, либо световым пучком. Детальное рассмотрение существующих технических решений построения конфокальных микроскопов выходит за рамки данного раздела. Подробности по этому вопросу можно найти в обзорах [1-11].
Разрешение и контрастность в конфокальном микроскопе.
Рассмотрим теперь математически, каким образом и насколько количественно изменяется контрастность при применении конфокальной микроскопии. Во-первых, так как в конфокальном микроскопе свет дважды проходит через объектив, то функция размытия точки (далее обозначаемая PSF, см. определение в предыдущем пункте 3.1) имеет вид
(1)
Для качественного понимания удобно рассматривать каждую PSF как вероятность того, что фотон попадет в точку с координатами , либо что фотон будет зарегистрирован из точки с координатами , тогда конфокальная PSF есть произведение независимых вероятностей. На рис. 2 приведено изображение обычной PSF и конфокальной PSF.
Рис. 2. Конфокальная PSF показана справа, а обычная PSF – слева [1].
Если использовать критерий Релея для разрешения (провал 26% от максимума распределения), то мы получим, что разрешение в конфокальном микроскопе увеличивается, но не существенно. Для конфокального микроскопа
(2)
в то время как для обычного микроскопа
(3)
где .
Однако основным достоинством конфокального микроскопа является не увеличение разрешения в смысле критерия Релея, а существенное увеличение контрастности. В частности для обычной PSF в фокальной плоскости отношение амплитуды в первом боковом максимуме к амплитуде в центре составляет 2%, для случая конфокального микроскопа это отношение будет 0.04%. На рис. 3 приведен практический пример, когда это важно. На верхней части рисунка мы видим, что тусклый объект (интенсивность в 200 раз меньше, чем у яркого) не возможно обнаружить в обычный микроскоп, хотя расстояние между объектами существенно больше того, что предписано критерием Релея. В то же самое время, в конфокальный микроскоп (нижняя часть рисунка 3) данный объект должен хорошо регистрироваться.
Рис. 3. Распределение интенсивности для случая обычного микроскопа (верхний рисунок) и конфокального микроскопа (нижний рисунок).
Максимум интенсивности тусклого объекта в 200 раз меньше, чем интенсивность яркого [1].
Распределение интенсивности вдоль оптической оси для конфокального микроскопа определяется выражением
(4)
Тогда пользуясь критерием Релея получим разрешение вдоль оптической оси
(5)
Здесь важно отметить, что не следует путать разрешение вдоль оптической оси и глубину фокуса в обычном микроскопе. Обычно глубина фокуса в сотни раз превышает разрешение вдоль оптической оси.
Влияние диафрагмы в фокальной плоскости.
Один из параметров, который никак не фигурировал в данном выше описании — это размер диафрагм в фокальной плоскости облучающей и собирающей линз. Отметим, что при анализе мы молчаливо предполагали источник точечным и именно в этом предположении получили функцию размытия точки (PSF) для обычного и конфокального микроскопа. Полученные PSF описывают свойства объективной линзы, а изображение диафрагмы в плоскости объекта определяет, свет из каких областей регистрируется фотодетектором. Очевидно, однако, что уменьшение размера диафрагмы приводит к уменьшению количества проходящего света, увеличивает уровень шума и, в конечном итоге, может свести на нет все достигнутые преимущества по контрастности. Таким образом, стоит вопрос об оптимальном выборе размера диафрагмы и разумном компромиссе.
Диафрагма с отверстием меньше размера пятна Эйри просто приводит к потере интенсивности и никак не влияет на разрешение. Диафрагма размером в одно пятно Эйри позволяет по максимуму использовать разрешающую способность объективной линзы. Однако размер диафрагмы примерно в 3-5 раза больше пятна Эйри представляется наиболее подходящим компромиссом. Следует понимать, что обсуждаемый здесь размер имеет смысл размера изображения в плоскости объекта, а поэтому реальный размер отверстия в диафрагме зависит от увеличения линзы. В частности, при использовании 100-кратной линзы диафрагма с отверстием 1 мм будет спроецирована в плоскость объекта в круг радиусом 10 мкм.
Для того, чтобы учесть наличие диафрагмы математически и построить новую функцию распределения интенсивности, следует выполнить свертку
(6)
а для конфокального микроскопа уже полученную функцию умножать на . Результирующее распределение интенсивности для случая диафрагмы с размером 5 пятен Эйри приведено на рис. 4.
Рис. 4. Функции размытия точки для обычного микроскопа с диафрагмой размером 5 пятен Эйри (верхние рисунки)
и для конфокального микроскопа (нижние рисунки) [1].
Выводы.
- Конфокальная микроскопия обеспечивает увеличение контраста изображения за счет применения подсветки сфокусированной объективной линзой в область анализа и размещения диафрагмы в плоскости наблюдения перед фотодетектором. Такое увеличение контрастности приводит к возможности разрешения объектов, имеющих разницу в интенсивности до 200:1.
- В конфокальной микроскопии несколько улучшается разрешение в плоскости объекта (в 1.5 раза) и достигается высокое разрешение вдоль оптической оси.
- Платой за полученные улучшения является необходимость применения схем сканирования, либо путем перемещения образца, либо путем перестройки оптической системы. Применение сканирования позволяет увеличить поле зрения по сравнению с обычными оптическими микроскопами.
Литература.
- Robert H. Webb «Confocal optical microscopy» Rep. Prog. Phys. 59 (1996) 427-471.
- Richards B. and Wolf E. «Electromagnetic diffraction in optical systems II. Structure of the image field in an aplanatic system» Proc. R. Soc. A 253 (1959) 358-379.
- Kino G. S. and Corle T. R., 1989 Confocal scanning optical microscopy Phys. Today 42 55–62.
- Pawley 1991 J B Fundamental and practical limits in confocal light microscopy Scanning 13 184–98.
- Shotton D., (ed) 1993 Electronic Light Microscopy—Techniques in Modern Biomedical Microscopy (Wiley-Liss) p. 351.
- Slater E. M. and Slater H. S., 1993 Light and Electron Microscopy (Cambridge: Cambridge University Press).
- Stevens J. K., Mills L. R. and Trogadis J. (eds) 1993 Three-Dimensional Confocal Microscopy (San Diego, CA: Academic).
- Webb R. H., 1991 Confocal microscopes Opt. Photon. News 2 8–13.
- Wilson T. 1985 Scanning optical microscopy Scanning 7 79–87.
- Wilson T. (ed) 1990 Confocal Microscopy (London: Academic).
- Wilson T. and Sheppard C. J. R. 1984 Theory and Practice of Scanning Optical Microscopy (London: Academic).
Нидерландские физики раскрыли секрет создания первых микроскопов — Наука
ТАСС, 14 мая. Нидерландские физики выяснили, что основоположник микроскопии Антони ван Левенгук использовал относительно простые методы изготовления линз для создания первых микроскопов, что не соответствует его собственным рассказам об их сложности. Об этом в пятницу сообщила пресс-служба Технологического университета Делфта со ссылкой на статью в журнале Science Advances.
«Мы просветили одну из самых мощных линз из микроскопов Левенгука при помощи нейтронного томографа и выяснили, что основоположник микроскопии использовал популярную в то время методику изготовления линз, которую изобрел в 1665 году его британский конкурент Роберт Гук. Это крайне ироничное открытие, так как Гук всю жизнь безуспешно пытался раскрыть секрет работы микроскопа Левенгука», — пишут исследователи.
Историки науки традиционно считают, что первые полноценные микроскопы были созданы нидерландским естествоиспытателем и изобретателем Антони ван Левенгуком в 1674 году, однако более простые увеличительные приборы появились почти за сто лет до этого, а сам термин микроскоп предположительно появился еще в 1625 году.
С другой стороны, Левенгук первым начал использовать подобные увеличительные приборы для проведения полноценных биологических исследований, а также добился более чем стократного увеличения изображения. Это позволило ему впервые увидеть одноклеточные организмы, клетки крови, изучить строение глаз насекомых и сделать массу других открытий.
В общей сложности за свою жизнь Левенгук создал свыше пяти сотен линз и две дюжины микроскопов, часть из которых дожила до наших дней. История их создания остается предметом споров по сей день, так как нидерландский естествоиспытатель, по словам его современников, отличался замкнутым характером и не оставил никаких указаний на то, как он изготовлял эти приборы.
Группа нидерландских физиков под руководством Ламберта ван Эйка, научного сотрудника Технологического университета Делфта, раскрыла секреты устройства самых мощных микроскопов Левенгука, что стало возможным благодаря современным методам физики и мощным ускорителям частиц.
Секрет успехов ван Левенгука
Позаимствовав из музея города Утрехта два микроскопа и несколько линз, изготовленных их соотечественником более трех веков назад, ученые просветили их при помощи пучка нейтронов, который был получен при помощи исследовательского реактора FISH, установленного на территории Технологического университета Делфта.
Это позволило физикам детально изучить структуру поверхности линз и понять, как Левенгук изготовлял и шлифовал их. Как оказалось, нидерландский естествоиспытатель вводил современников в заблуждение, утверждая, что он использовал сложные методики полировки и отливки асферических линз, которые он «разрабатывал на протяжении десятилетий».
На самом деле через несколько лет после создания первого микроскопа Левенгук начал использовать очень простую методику изготовления линз, которую он позаимствовал у другого основоположника микробиологии, англичанина Роберта Гука. В 1665 году Гук обнаружил, что линзы высокого качества можно получить, поместив стеклянный прут в огонь и заставив стекло частично расплавиться.
В результате этого на конце прута появлялась своеобразная «капля» из стекла, которая обладала идеальной кривизной поверхности и могла усиливать свет. Левенгук развил и усовершенствовал эту методику, научившись использовать ее для изготовления крайне миниатюрных сферических линз диаметром в 1,3 мм.
Как отмечают ван Эйк и его коллеги, это открытие стало большой неожиданностью для них, так как их знаменитый соотечественник постоянно подчеркивал, что он использует только асферические линзы для создания микроскопов, а также утверждал, что сферические линзы нельзя в принципе установить в его увеличительные приборы.
По этой причине физики предполагают, что отсутствие каких-либо упоминаний о технологии производства микроскопов было связано не с замкнутым характером Левенгука, а с тем, что он хотел скрыть секрет их производства от Гука и других ученых. С одной стороны, это принесло ему немалую славу и деньги, а с другой — заставило многих естествоиспытателей сомневаться в результатах его наблюдений и замедлило развитие науки, подытожили ван Эйк и его коллеги.
Оптические системы микроскопов ｜ Биологические флуоресцентные микроскопы KEYENCE
Основы микроскопов
Оптические системы для микроскопов
В оптических микроскопах для визуализации используется комбинация линз объектива и окуляра (окуляров). Увеличение при наблюдении является произведением увеличения каждой из линз. Обычно это значение составляет от 10х до 1000х, а некоторые модели даже достигают 2000х кратного увеличения.
Объектив
Линза объектива состоит из нескольких линз для увеличения объекта и проецирования большего изображения.В зависимости от разницы фокусного расстояния доступны линзы с разным увеличением, например 4x, 10x, 40x и 50x. Помимо увеличения, индексы, показывающие характеристики объектива, включают числовую апертуру и рабочее расстояние.
Свет, проходящий через линзу, вызывает цветовую аберрацию (растекание цвета), которая имеет другой показатель преломления в зависимости от длины волны. Для предотвращения этого были разработаны следующие линзы:
- — Ахроматическая линза
- Линзы, обеспечивающие одинаковые показатели преломления двух длин волн (цветов) света.Этот тип линз получил широкое распространение, отчасти из-за доступной цены.
- — Полуапохроматическая линза (флюоритовая линза)
- Линзы, обеспечивающие одинаковые показатели преломления трех длин волн (цветов) света. Этот тип линз используется для наблюдения флуоресценции, поскольку обеспечивается коэффициент пропускания для ультрафиолетового света с длиной волны около 340 нм.
- — Апохроматическая линза
- Линзы, разработанные для обеспечения таких же показателей преломления трех длин волн (цветов) света, как у полуапохроматических линз.Этот тип линз имеет большую числовую апертуру и лучшее разрешение и поэтому часто используется для исследований, требующих детального наблюдения. Эта высокая производительность означает, что цена также выше.
- — План линзы
- Линза, в которой исправлена аберрация кривизны поля, так что фокусируется не только центр линзы, но и периферия. Если у перечисленных выше линз исправлены аберрации кривизны поля, они соответственно называются планахроматическими линзами, планфлюоритовыми линзами и планапохроматическими линзами.В большинстве случаев на линзах нанесена маркировка «ПЛАН».
- — Иммерсионная линза
- Увеличивает числовую апертуру за счет заполнения жидкостью между линзой объектива и образцом для достижения высокого разрешения. Иммерсионная линза, в которой используется масло, называется иммерсионной линзой, а линза, в которой используется вода, называется иммерсионной линзой. Первый обозначается сбоку «HI» или «OIL», а второй — «W» или «WATER».
Линза окуляра (окуляр)
Линза, устанавливаемая на стороне наблюдателя.Изображение, увеличенное линзой объектива, дополнительно увеличивается линзой окуляра для наблюдения. Окулярная линза состоит из одной-трех линз, а также снабжена механизмом, называемым ограничителем поля, который удаляет ненужный отраженный свет и аберрации.
Доступны различные типы в зависимости от обеспечиваемого увеличения, например 7x и 15x. Помимо увеличения, характеристики объектива представлены числом поля, которое показывает диапазон поля зрения.
В отличие от линз объектива, чем больше увеличение линзы окуляра, тем короче ее длина.
Следующие линзы доступны в зависимости от конструкции полевого упора или области применения:
- — Линза Гюйгенса
- Состоит из двух плосковыпуклых линз. Этот тип линз используется для небольшого увеличения и отличается упором поля, расположенным в тубусе линзы.
- — Линза Рамсдена
- Этот тип линз отличается упором поля, расположенным вне тубуса объектива.
- — Линза периплана
- Корректирует хроматическую аберрацию увеличения и другие свойства, чтобы обеспечить четкое наблюдение даже на периферии поля зрения.
- — Линза компенсации
- Окулярная линза, компенсирующая аберрацию, вызванную линзой объектива.
- — Широкопольный объектив
- Обеспечивает широкий угол обзора и в основном используется для наблюдения за живыми организмами и минералами.
- — Суперполевой объектив
- Поддерживает еще более широкое поле зрения и в основном используется со стереоскопическими микроскопами.
Линза конденсора
Объектив для установки под сценой. Этот объектив может регулировать количество света для равномерного освещения объектов. Это полезно для наблюдения при большом увеличении. Существуют различные типы конденсаторных линз, от обычных «конденсаторов Аббе» до «ахроматических конденсаторов», которые корректируют цветовые аберрации.
- — Конденсатор Аббе
- Простая конденсорная линза, которая часто используется в микроскопах, установленных в учебных заведениях.
- — Ахроматический конденсатор
- Конденсорная линза, корректирующая цветовую аберрацию. Ахроматические апланатические конденсаторные линзы доступны в качестве усовершенствованного типа, который может корректировать кривизну поля.
- — Универсальный конденсатор
- Поддерживает широкий диапазон наблюдений, таких как темное поле, фазовый контраст, дифференциальный интерференционный контраст и наблюдение в поляризованном свете.
Об увеличении
Общее увеличение при наблюдении представляет собой произведение увеличений объектива и окулярных линз.Например, линза объектива 20x и линза окуляра 10x дают общее увеличение 200x.
Увеличение 1x относится к состоянию, когда объект рассматривается глазом с расстояния 250 мм. 250 мм считается расстоянием, которое лучше всего видно человеческому глазу. Это называется расстоянием отчетливого видения. Увеличение окулярной линзы получается делением расстояния отчетливого зрения на фокусное расстояние линзы.
Анатомия микроскопа — окуляры (окуляры)
Окуляры работают в сочетании с объективами микроскопа для дальнейшего увеличения промежуточного изображения, чтобы можно было рассмотреть детали образца. Окуляры — это альтернативное название окуляров, которое широко используется в литературе, но для обеспечения единообразия во время этого обсуждения мы будем называть все окуляры окулярами.
Для получения наилучших результатов в микроскопии необходимо, чтобы объективы использовались в сочетании с окулярами, соответствующими коррекции и типу объектива. Основная анатомия типичного современного окуляра показана на рисунке 1. Надписи на боковой стороне окуляра описывают его конкретные характеристики и функции.
На окулярах, показанных на рис. 1, нанесено обозначение UW , которое является аббревиатурой поля обзора Ultra Wide . Часто окуляры также имеют обозначение H , в зависимости от производителя, для обозначения точки фокусировки с высокой точкой зрения, позволяющей микроскопистам носить очки при просмотре образцов. Другие надписи, часто встречающиеся на окулярах, включают WF для Wide-Field ; UWF для сверхширокого поля ; SW и SWF для сверхширокого поля зрения; HE для High Eyepoint ; и CF для окуляров, предназначенных для использования с объективами с поправкой на CF.Компенсирующие окуляры часто имеют надписи K , C или comp , а также увеличение. Окуляры, используемые с объективами с плоским полем, иногда имеют маркировку Plan-Comp . Увеличение окуляра на Рисунке 1 составляет 10x (указано на корпусе), а надпись A / 24 указывает, что номер поля равен 24, что относится к диаметру (в миллиметрах) фиксированной диафрагмы в окуляре. Эти окуляры также имеют регулировку фокуса и винт с накатанной головкой, позволяющий фиксировать их положение.В настоящее время производители часто производят окуляры с резиновыми наглазниками, которые служат как для размещения глаз на нужном расстоянии от передней линзы, так и для предотвращения отражения света в помещении от поверхности линз и создания помех для обзора.
Существует два основных типа окуляров, сгруппированных в соответствии с расположением линз и диафрагмы: отрицательные окуляры с внутренней диафрагмой и положительные окуляры, у которых диафрагма находится под линзами окуляра. Отрицательные окуляры имеют две линзы: верхняя линза, которая находится ближе всего к глазу наблюдателя, называется линзой глаза, а нижняя линза (под диафрагмой) часто называется полевой линзой.В простейшем виде обе линзы плоско-выпуклые, выпуклыми сторонами «обращены» к образцу. Примерно посередине между этими линзами находится фиксированное круглое отверстие или внутренняя диафрагма, которая своим размером определяет круговое поле зрения, наблюдаемое при взгляде в микроскоп.
Простейшая конструкция окуляра отрицательной формы, часто называемая окуляром Huygenian (показана на рис. 2), используется в большинстве учебных и лабораторных микроскопов, оснащенных ахроматическими объективами.Хотя глазные и полевые линзы Гюйгена плохо корректируются, их аберрации, как правило, нейтрализуют друг друга. В более высококорректированных негативных окулярах две или три линзы скреплены и объединены вместе, чтобы образовать линзу глаза. Если неизвестный окуляр имеет только увеличение, указанное на корпусе, это, скорее всего, окуляр Гюйгена, который лучше всего подходит для использования с ахроматическими объективами с увеличением 5-40.
Другой основной тип окуляра — положительный окуляр с диафрагмой под линзами, широко известный как окуляр Ramsden , как показано на Рисунке 2 (слева).Этот окуляр имеет линзу глаза и полевую линзу, которые также плоско-выпуклые, но полевая линза установлена так, чтобы изогнутая поверхность была обращена к линзе глаза. Передняя фокальная плоскость этого окуляра расположена чуть ниже полевой линзы, на уровне диафрагмы окуляра, что делает его легко адаптируемым для установки прицельной сетки. Чтобы обеспечить лучшую коррекцию, две линзы окуляра Рамсдена можно склеить вместе.
Модифицированная версия окуляра Рамсдена известна как окуляр Келлнера, как показано слева на Рисунке 3.Эти улучшенные окуляры содержат сдвоенный элемент линз, склеенных вместе, и имеют более высокую точку зрения, чем окуляр Рамсдена или Гюйгена, а также гораздо большее поле зрения. Модифицированная версия простого окуляра Гюйгена также показана на рисунке 3 справа. Хотя эти модифицированные окуляры работают лучше, чем их простые однолинзовые аналоги, они по-прежнему полезны только с маломощными ахроматными объективами.
Простые окуляры, такие как Huygenian и Ramsden и их ахроматизированные аналоги, не исправят остаточную хроматическую разницу увеличения и на промежуточном изображении, особенно при использовании в сочетании с ахроматическими объективами с большим увеличением, а также с любыми флюоритовыми или апохроматическими объективами.Чтобы исправить это, производители выпускают компенсирующие окуляры , которые вносят равную, но противоположную хроматическую ошибку в элементы объектива. Компенсирующие окуляры могут быть как положительного, так и отрицательного типа и должны использоваться при всех увеличениях с флюоритовыми, апохроматическими и всеми вариациями планарных объективов (их также можно использовать с ахроматическими объективами с 40-кратным и выше). В последние годы в современных объективах микроскопов коррекция хроматической разницы в увеличении либо встроена в сами объективы ( Olympus и Nikon ), либо корректируется в тубусе ( Leica и Zeiss ).
Компенсирующие окуляры играют решающую роль в устранении остаточных хроматических аберраций, присущих конструкции объективов с высокой степенью коррекции. Следовательно, предпочтительно, чтобы микроскопист использовал компенсирующие окуляры, разработанные конкретным производителем для сопровождения объективов этого производителя с более высокой степенью коррекции. Использование неподходящего окуляра с апохроматическим объективом, предназначенным для использования с трубкой конечной (160 или 170 миллиметров), приводит к резкому увеличению контраста с красными полосами на внешних диаметрах и синими полосами на внутренних диаметрах детали образца.Дополнительные проблемы возникают из-за ограниченной ровности поля зрения в простых окулярах, даже если они корректируются с помощью дублетов глазных линз.
Более сложные конструкции окуляров привели к созданию окуляра Periplan , который показан на Рисунке 4 выше. Этот окуляр состоит из семи линз, скрепленных в один дуплет, один триплет и две отдельные линзы. Усовершенствования конструкции периплоскостных окуляров приводят к лучшей коррекции остаточной латеральной хроматической аберрации, повышенной ровности поля и в целом улучшенным характеристикам при использовании с более мощными объективами.
Современные микроскопы оснащены значительно улучшенными объективами в плане с коррекцией поля, в которых основное изображение имеет гораздо меньшую кривизну поля, чем старые объективы. Кроме того, большинство микроскопов теперь оснащены гораздо более широкими трубками, что значительно увеличило размер промежуточных изображений. Для решения этих новых функций производители теперь производят окуляры с широким полем зрения (см. Рис. 1), которые увеличивают видимую область образца на 40%.Поскольку стратегии методов коррекции окуляр-объектив варьируются от производителя к производителю, очень важно (как указано выше) использовать только окуляры, рекомендованные конкретным производителем для использования с их целями.
Мы рекомендуем сначала тщательно выбирать объектив, а затем приобретать окуляр, предназначенный для работы с объективом. При выборе окуляров относительно легко отличить простые окуляры от окуляров с более высокой степенью компенсации.Простые окуляры, такие как окуляры Рамсдена и Гюйгениана (и их аналоги с более высокой степенью коррекции), будут иметь синее кольцо по краю диафрагмы окуляра при просмотре через микроскоп или при поднесении к источнику света. Напротив, компенсирующие окуляры с более высокой степенью коррекции при тех же условиях имеют желто-красно-оранжевое кольцо вокруг диафрагмы.
Свойства Коммерческого Окуляры
| ОКУЛЯР ТИПА | FINDER окуляры | SUPER WIDEFIEL окуляра | WIDE окуляры | ||||||||||||
| DESCRIPTIVE ABBREVIATION | PSWH 10x | PWH 10x | 35 SWH 10x | SWH 10x H | CROSSWH 10x H | WH 15x | WH 15x | WH НОМЕР ПОЛЯ | 26.5 | 22 | 26,5 | 26,5 | 22 | 14 | 22 |
| РЕГУЛЯТОР ДИОПТЕРА | -8 ~ + 2 | -8 ~ + 2 | -8 ~ + 2 | -8 ~ + 2 | -8 ~ + 2 | ||||||||||
| ЗАМЕТКИ | 3¼ «x4¼» фото маска | 3¼ «x4¼» фото маска | 35мм фото маска | диоптрийная коррекция | диоптрийная коррекция кросслайн | ||||||||||
| ДИАМЕТР СЕТКИ МИКРОМЕТРА | — | — | — | — — | — | 24 | 24 | ||||||||
Таблица 1
Свойства нескольких распространенных коммерчески доступных окуляров (производства Olympus America, Inc.) перечислены в соответствии с типом в таблице 1. В таблице 1 перечислены три основных типа окуляров: Finder , Wide Field и Super Widefield . Терминология, используемая различными производителями, может сбивать с толку, поэтому следует уделять особое внимание их коммерческим брошюрам и руководствам к микроскопам, чтобы гарантировать, что правильные окуляры используются для конкретной цели. В таблице 1 аббревиатуры, обозначающие окуляры с широким полем и сверхшироким полем, связаны с их коррекцией для высокой точки зрения и составляют WH и SWH соответственно.Увеличение составляет 10x или 15x, а номера полей (обсуждаются ниже) варьируются от 14 до 26,5, в зависимости от приложения. Регулировка диоптрий примерно одинакова для всех окуляров, и многие из них также содержат либо фотомаску, либо микрометрическую сетку.
Световые лучи, исходящие из окуляра, пересекаются в выходном зрачке или точке зрения, часто называемой диском Рамсдена , где следует разместить зрачок глаза микроскописта, чтобы он мог видеть все поле зрения (обычно 8 -10 мм от хрусталика глаза).При увеличении увеличения окуляра точка взгляда приближается к верхней поверхности линзы глаза, что значительно затрудняет работу микроскописта, особенно если он носит очки. Чтобы компенсировать это, были изготовлены специально разработанные окуляры с высокой точкой зрения , расстояние между которыми достигает 20-25 мм над поверхностью линзы глаза. Эти улучшенные окуляры имеют линзы большего диаметра, которые содержат больше оптических элементов и обычно отличаются улучшенной ровностью поля зрения.Такие окуляры часто обозначаются надписью « H » где-нибудь на корпусе окуляра, либо отдельно, либо в сочетании с другими сокращениями, как обсуждалось выше. Следует отметить, что окуляры с высокой точкой зрения особенно полезны для микроскопистов, которые носят очки для коррекции близорукости или дальнозоркости, но они не корректируют некоторые другие дефекты зрения, такие как астигматизм. Сегодня окуляры с высоким углом зрения очень популярны даже среди людей, которые не носят очков, потому что большой просвет снижает утомляемость и делает просмотр изображений через микроскоп гораздо более приятным.
Когда-то были доступны окуляры с широким спектром увеличений от 6,3x до 25x, а иногда и выше для специальных применений. Эти окуляры очень удобны для наблюдений и микрофотографий с маломощными объективами. К сожалению, с объективами с более высоким увеличением проблема пустого увеличения становится важной при использовании окуляров с очень большим увеличением, и этого следует избегать. Сегодня большинство производителей ограничивают свои предложения окулярами диапазонами от 10x до 20x.Диаметр поля зрения в окуляре выражается как «число поля зрения» или число поля ( FN ), как обсуждалось выше. Информация о номере поля окуляра может дать реальный диаметр поля обзора объекта по формуле:
Диаметр поля обзора = (FN) / (M (O) × M (T))
, где FN — это номер поля в миллиметрах, M (O), — это увеличение объектива, а M (T), — коэффициент увеличения линзы трубки (если есть).Применяя эту формулу к окуляру Super Widefield, указанному в таблице 1, мы получаем следующее для 40-кратного объектива с увеличением линзы трубки 1,25: FN = 26,5 / M (O) = 40 × M (T) = 1,25 = диаметр поля обзора 0,53 мм. В таблице 2 перечислены размеры поля обзора по общему диапазону объективов, которые могут возникнуть при использовании этого окуляра.
Диаметр поля обзора
(SWF 10x окуляр)
| Увеличение | Диаметр поля обзора (мм) | |
|---|---|---|
| 1 / 2x | 42.4 | |
| 1x | 21,2 | |
| 2x | 10,6 | |
| 4x | 4 | 4 | 9020
| 20x | 1.06 | |
| 40x | 0,53 | |
| 50x | 0.42 | |
| 60x | 0,35 | |
| 100x | 0,21 | |
| 150x | 0,1497 | 0,1497 |
Таблица 2
Следует проявлять осторожность при выборе комбинаций окуляр / объектив, чтобы обеспечить оптимальное увеличение деталей образца без добавления ненужных артефактов.Например, для достижения 250-кратного увеличения микроскопист может выбрать 25-кратный окуляр, соединенный с 10-кратным объективом. Альтернативным выбором для того же увеличения был бы окуляр 10x с объективом 25x. Поскольку объектив с 25-кратным увеличением имеет более высокую числовую апертуру (примерно 0,65), чем объектив с 10-кратным увеличением (примерно 0,25), и учитывая, что числовая апертура значений определяет разрешение объектива, очевидно, что последний вариант будет лучшим. Если бы микрофотографии одного и того же поля зрения были сделаны с каждой комбинацией объектив / окуляр, описанной выше, было бы очевидно, что дуэт 10-кратного окуляра / 25-кратного объектива даст микрофотографии, которые превосходят детали и четкость образца по сравнению с альтернативной комбинацией.
«Диапазон полезного увеличения » для комбинации объектива / окуляра определяется числовой апертурой системы. Существует минимальное увеличение, необходимое для разрешения деталей, присутствующих на изображении, и это значение обычно довольно произвольно устанавливается как 500-кратная числовая апертура (500 × NA). На другом конце спектра максимальное полезное увеличение изображения обычно устанавливается в 1000 раз больше числовой апертуры (1000 × NA). Увеличение, превышающее это значение, не даст никакой дополнительной полезной информации или более высокого разрешения деталей изображения и обычно приводит к ухудшению качества изображения.Превышение предела полезного увеличения приводит к тому, что изображение страдает от явления « пустое увеличение », когда увеличение увеличения через окуляр или линзу промежуточной трубки только приводит к увеличению изображения без соответствующего увеличения разрешения деталей. В таблице 3 перечислены стандартные комбинации объектив / окуляр, которые находятся в диапазоне полезного увеличения.
Диапазон полезного увеличения
(500-1000 × NA объектива)
| Объектив | Окуляры | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| (NA) | 10x | 12.5x | 15x | 20x | 25x |
| 2,5x (0,08) | — | — | — | x | x |
| 4x (0,12) | — | — | x | x | |
| 10x (0.35) | — | x | x | x | x |
| 25x (0,55) | x | x | x | x | — |
| 40x (0,70) | x | x | x | —— | |
| 60x (0.95) | x | x | x | — | — |
| 100x (1.42) | x x | — | — | — | |
Таблица 3
Окуляры можно адаптировать для целей измерения, добавив небольшую круглую стеклянную сетку в форме диска ( иногда обозначается как сетка или сетка ) в плоскости полевой диафрагмы окуляра.Прицельные сетки обычно имеют маркировку, такую как измерительная линейка или сетка, выгравированные на поверхности. Поскольку сетка находится в той же плоскости, что и полевая диафрагма, она появляется в резком фокусе, наложенном на изображение образца. Окуляры с сеткой должны содержать механизм фокусировки (обычно винт или ползунок), позволяющий сфокусировать изображение сетки. Несколько типичных прицелов показаны на Рисунке 5 ниже.
Прицельная сетка на Рисунке 5 (а) является обычным элементом окуляров, предназначенным для «обрамления» полей обзора для микрофотографии.Маленький прямоугольный элемент ограничивает область, которая будет снята на пленку в формате 35 мм. Другие форматы пленки (120 мм и 4 × 5 дюймов) обозначены наборами «углов» в пределах большего прямоугольника 35 мм. В центре сетки нитей находится серия кругов, окруженных четырьмя наборами параллельных линий, расположенных в виде буквы «X». Эти линии используются для фокусировки сетки и изображения, чтобы оно было парфокальным с плоскостью пленки в задней части камеры, прикрепленной к микроскопу. Сетка на рис. 5 (b) представляет собой линейный микрометр, который можно использовать для измерения расстояний до изображений, а перекрестный микрометр на рис. 5 (c) используется с поляризационными микроскопами для определения положения образцов относительно поляризатора и анализатора.Сетка, показанная на рисунке 5 (d), используется для разделения части поля обзора для подсчета. Существует множество других вариантов сетки окуляров, и читателю следует проконсультироваться со многими производителями микроскопов и оптических принадлежностей, чтобы определить типы и доступность этих полезных измерительных устройств.
Для высокоточных измерений используется ниточный микрометр , аналогичный показанному на рисунке 6. Этот микрометр заменяет обычный окуляр и содержит несколько улучшений по сравнению с обычными сетками.В ниточном микрометре сетка с измерительной шкалой (существует множество вариантов шкалы) и очень тонкая проволока фокусируются на образце (рис. 6 (b)). Провод установлен так, чтобы его можно было медленно перемещать по полю обзора с помощью калиброванного винта с накатанной головкой, расположенного сбоку микрометра (рис. 6 (а)). Один полный оборот винта с накатанной головкой (разделенный на 100 равных делений) равен расстоянию между двумя соседними метками сетки. Медленно перемещая проволоку из одного положения на изображении образца в другое и отмечая изменения в количестве винтов с накатанной головкой, микроскопист может гораздо более точно измерить расстояние.Нитевые микрометры (и другие простые сетки) должны быть откалиброваны с помощью предметного микрометра для каждого объектива, с которым он будет использоваться.
Некоторые окуляры имеют подвижный «указатель», расположенный внутри окуляра и расположенный так, что он выглядит как силуэт на плоскости изображения. Этот указатель полезен при указании определенных характеристик образца, особенно когда микроскопист обучает студентов определенным характеристикам. Большинство указателей окуляра можно поворачивать на 360 градусов вокруг образца, а более продвинутые версии могут перемещаться по полю обзора.
Производители часто производят специализированные окуляры, часто называемые фотоокулярами , которые предназначены для использования с микрофотографией. Эти окуляры обычно отрицательные (гюйгенского типа) и не могут использоваться визуально. По этой причине их обычно называют проекционными линзами . Типичный проекционный объектив показан на Рисунке 7 ниже.
Проекционные линзы необходимо тщательно корректировать, чтобы они давали изображения с плоским полем, что является обязательным условием для точной микрофотографии.Как правило, они также подвергаются цветокоррекции для обеспечения точного воспроизведения цвета на цветной микрофотографии. Коэффициенты увеличения в проекционных линзах для микрофотографии варьируются от 1x до примерно 5x, и их можно менять местами, чтобы отрегулировать размер окончательного изображения на микрофотографии.
Системы камер стали неотъемлемой частью микроскопа, и большинство производителей предоставляют камеры для микрофотографий в качестве дополнительных принадлежностей. Эти передовые системы камер часто имеют моторизованные черные ящики, которые сохраняют и автоматически переключают пленку покадрово, когда делается микрофотография.Общей особенностью этих встроенных систем камер является телескопический окуляр с фокусировкой светоделителя (см. Рис. 8), который позволяет микроскописту просматривать, фокусировать и кадрировать образцы для микрофотографии. Этот телескоп содержит прицельную сетку для микрофотографии, аналогичную показанной на рисунке 5 (а), на которой нанесен прямоугольный элемент, ограничивающий область, захваченную 35-миллиметровой пленкой, а также угловые кронштейны для пленок большего формата. Для удобства сканирования и фотографирования образцов микроскопист может отрегулировать телескопический окуляр так, чтобы он был парфокальным с окулярами для облегчения кадрирования и получения микрофотографий.
Соавторы
Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.
Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист. ., Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.
Анатомия микроскопа — Объективы: Спецификации и идентификация
Идентификация свойств отдельных объективов обычно очень проста, поскольку важные параметры часто нанесены на внешний корпус (или ствол) самого объектива, как показано на рисунке 1.На этом рисунке изображен типичный планапохроматический объектив 60x, включая обычные гравюры, содержащие все спецификации, необходимые для определения того, для чего предназначен объектив, и условий, необходимых для правильного использования.
Производители микроскопов предлагают широкий спектр конструкций объективов для удовлетворения требований к характеристикам специализированных методов визуализации, компенсации вариаций толщины покровного стекла и увеличения эффективного рабочего расстояния объектива. Часто функция конкретной цели не очевидна, просто глядя на ее построение.Конечные объективы микроскопа предназначены для проецирования ограниченного дифракцией изображения в фиксированной плоскости (промежуточная плоскость изображения ), которая определяется длиной трубки микроскопа и расположена на заданном расстоянии от задней фокальной плоскости объектива. Объективы микроскопов обычно проектируются для использования с определенной группой окуляров и / или линз-тубусов, стратегически размещенных для помощи в устранении остаточных оптических ошибок. Например, старые компенсирующие окуляры Nikon и Olympus использовались с флюоритовыми объективами с большой числовой апертурой и апохроматическими объективами для устранения боковой хроматической аберрации и улучшения ровности поля зрения.Новые микроскопы (от Nikon и Olympus) имеют объективы с полной коррекцией и не требуют дополнительной коррекции с помощью окуляров или линз тубуса.
Большинство производителей перешли на объективы с поправкой на бесконечность, которые проецируют выходящие лучи в параллельных пучках от любого азимута до бесконечности. Эти объективы требуют наличия линзы в виде трубки на пути света, чтобы сфокусировать изображение в промежуточной плоскости изображения. Объективы микроскопов с бесконечной коррекцией и микроскопами с конечной длиной трубки не являются взаимозаменяемыми и должны соответствовать не только конкретному типу микроскопа, но часто и конкретному микроскопу от одного производителя.Например, объективы Nikon с поправкой на бесконечность , а не , взаимозаменяемы с объективами Olympus с поправкой на бесконечность, не только из-за разницы в длине тубуса, но и из-за того, что монтажные резьбы не одинакового шага или диаметра. Объективы обычно содержат надпись, обозначающую фокусное расстояние трубки, как будет описано ниже.
На корпусе каждой цели нанесено огромное количество информации, которую можно разбить на несколько категорий. К ним относятся линейное увеличение, числовая апертура, оптические поправки, длина трубки корпуса микроскопа, тип среды, для которой предназначен объектив, и другие критические факторы при принятии решения о том, будет ли объектив работать должным образом.Более подробное обсуждение этих свойств приведено ниже и в ссылках на другие страницы, посвященные конкретным вопросам.
- Производитель — Имя объективного производителя почти всегда указывается на объективе. Объектив, показанный на рисунке 1, был изготовлен вымышленной компанией под названием Nippon из Японии, но сопоставимые объективы производятся компаниями Nikon , Olympus , Zeiss и Leica , которые являются одними из самых уважаемых компаний. производители микроскопов.
- Линейное увеличение — В случае апохроматического объектива на Рисунке 1 линейное увеличение составляет 60x, хотя производители производят объективы с линейным увеличением от 0,5x до 250x с большим количеством промежуточных размеров.
- Оптические коррекции — Обычно они обозначаются как Achro и Achromat (ахроматические), как Fl , Fluar , Fluor , Neofluar или Fluotar (флюорит) для улучшения сферической формы. и хроматические коррекции, и как Apo (апохроматический) для наивысшей степени коррекции для сферических и хроматических аберраций . Коррекция кривизны поля сокращается до Plan , Pl , EF , Achroplan , Plan Apo или Plano . Другие распространенные сокращения: ICS (система с поправкой на бесконечность) и UIS (универсальная система на бесконечность), N и NPL (план нормального поля зрения), Ultrafluar (флюоритовый объектив со стеклом, прозрачным до 250 нанометров) и CF и CFI (без хрома; без хрома на бесконечность).Объектив на рисунке (рис. 1) представляет собой планапохромат с максимальной степенью оптической коррекции. В Таблице 1 приведен полный список сокращений, которые часто встречаются на стволах объективов.
Обозначения специализированных объективов
| СОКРАЩЕНИЕ | ТИП | |||
|---|---|---|---|---|
| Achro, Achromat | Коррекция ахроматической флуоресцентной аберрации 9007 Fluar | 7 | Коррекция флюоритовой аберрации | |
| Apo | Коррекция апохроматической аберрации | |||
| Plan, Pl, Achroplan, Plano | Оптическая коррекция плоского поля 4 | Расширенное поле (поле зрения меньше плана) | ||
| N, NPL | План нормального поля зрения | |||
| План Apo | Коррекция апохроматического и плоского поля | |||
| Olympus Universal Plan (Яркое поле, Темное поле, DIC и поляризованный свет) | ||||
| LU | Nikon Luminous Universal (Яркое поле, Темное поле, DIC и поляризованный свет) | L, LL, LD, LWD | Большое рабочее расстояние | |
| ELWD | Сверхдлинное рабочее расстояние | |||
| SLWD | Сверхдлинное рабочее расстояние | |||
| ULWD | Сверхдлинное рабочее расстояние | |||
| Corr, W / Corr, CR | Корректирующее кольцо | |||
| Iris, W / Iris1 | Регулируемая числовая апертура (с ирисовой диафрагмой)||||
| Oil, Oel | Oil Immersion | |||
| Water, WI, Wasser | Погружение в воду | |||
| HI | Гомогенное погружение | |||
| Glycer 4 | Glycer 4 | Glycer 4 | , NICДифференциальный или Интерференционный контраст Номарского | |
| CF, CFI | Без хрома, без хрома с коррекцией бесконечности (Nikon) | |||
| ICS | Цвет — Скорректированная система (Zeiss)||||
| RMS | Размер резьбы объектива Royal Microscopical Society | |||
| M25, M32 | Метрическая резьба объектива 25 мм; Метрическая резьба объектива 32 мм | |||
| Phase, PHACO, PC | Phase Contrast | |||
| Ph 1, 2, 3 и т. Д. | Фазовое кольцо конденсатора 1, 2, 3 и т. Д. | |||
| DL, DLL, DM, BM | Фазовый контраст: темный низкий, темный низкий низкий, темный средний, светлый средний | |||
| PL, PLL | Фазовый контраст: положительный низкий, положительный низкий низкий | |||
| PM, PH | Фазовый контраст: положительный средний, положительный высокий контраст (области с более высоким показателем преломления отображаются темнее.) | |||
| NL, NM, NH | Фазовый контраст: отрицательный низкий, отрицательный средний, отрицательный высокий контраст (области с более высоким показателем преломления кажутся светлее.) | |||
| P, Po, Pol, SF | Без деформаций, низкое двулучепреломление, для поляризованного света | |||
| U, УФ, универсальный | УФ пропускание (примерно до 340 нм) для эпифлуоресценции при УФ-возбуждении | |||
| M | Металлографический (без покровного стекла) | |||
| NC, NCG | Нет покровного стекла | |||
| EPI | 904 9034 TL1 Наклонное или Epi подсветка | Проходящий свет|||
| BBD, HD, B / D | Яркое или темное поле (Ад, Дункель) 9 0097 | |||
| D | Darkfield | |||
| H | Для использования со ступенью нагрева | |||
| U, UT 4 | Для использования с универсальным | |||
| DI, MI, TI | Интерферометрия, бесконтактный, многолучевой (Толанский) |
Таблица 1
- Числовая апертура — это критическое значение, которое указывает угол восприятия света, который в свою очередь определяет светосилу, разрешающую способность и глубину резкости объектива.
Числовая апертура
Изучите, как размер светового конуса, входящего в переднюю линзу объектива, изменяется в зависимости от числовой апертуры объектива.
- Длина механической трубки — Это длина трубки корпуса микроскопа между отверстием револьверной головки, где установлен объектив, и верхним краем тубусов для наблюдения, где вставляются окуляры (окуляры). Этот аспект конструкции микроскопа обсуждается более подробно в нашем разделе праймера , длина механической трубки .Длина трубки обычно указывается на объективе в виде размера в миллиметрах (160, 170, 210 и т. Д.) Для фиксированной длины или символа бесконечности ( ∞ ) для длины трубки с поправкой на бесконечность. Объектив, показанный на рисунке 1, скорректирован на длину трубки бесконечности, хотя многие старые объективы будут исправлены на длину трубки 160 (Nikon, Olympus, Zeiss) или 170 (Leica) миллиметров.
- Толщина покровного стекла — Большинство объективов в проходящем свете предназначены для изображения образцов, закрытых покровным стеклом (или закрывающим стеклом ).Толщина этих небольших стеклянных пластинок в настоящее время стандартизована и составляет 0,17 мм для большинства применений, хотя часто есть некоторые различия в толщине внутри партии покровных стекол. По этой причине некоторые из более совершенных объективов имеют корректирующую манжету , регулировки внутренних элементов объектива для компенсации этого отклонения. Сокращения для регулировки корректирующей манжеты включают Corr , w / Corr и CR , хотя наличие подвижной манжеты с накаткой и градуированной шкалы также является показателем этой особенности.
- Рабочее расстояние — это расстояние между передней линзой объектива и верхней частью покровного стекла, когда образец находится в фокусе.В большинстве случаев рабочее расстояние объектива уменьшается с увеличением увеличения. Значения рабочего расстояния указаны не для всех объективов, и их наличие зависит от производителя. Общие сокращения: L , LL , LD и LWD (большое рабочее расстояние), ELWD (сверхдлинное рабочее расстояние), SLWD (сверхдлинное рабочее расстояние) и . ULWD (сверхбольшое рабочее расстояние). Более новые объективы часто содержат размер рабочего расстояния (в миллиметрах), нанесенный на ствол.Объектив, показанный на рисунке 1, имеет очень короткое рабочее расстояние 0,21 миллиметра.
- Специальные оптические свойства — Объективы микроскопов часто имеют конструктивные параметры, позволяющие оптимизировать работу в определенных условиях. Например, существуют специальные объективы, предназначенные для поляризованного освещения, обозначенные сокращениями P , Po , POL или SF (без деформации и / или с красной гравировкой на цилиндре), фазовый контраст ( PH и / или гравюры на зеленом стволе), дифференциальный интерференционный контраст ( DIC ) и многие другие сокращения для дополнительных приложений.Список нескольких сокращений, часто специфичных для производителя, представлен в Таблице 1. Апохроматический объектив, показанный на Рисунке 1, оптимизирован для DIC-микрофотографии, и это указано на цилиндре. Заглавная H рядом с маркировкой DIC указывает на то, что объектив должен использоваться со специальной призмой DIC Wollaston, оптимизированной для приложений с большим увеличением.
Некоторые объективы, специально разработанные для флуоресценции в проходящем свете и получения изображений в темном поле, оснащены внутренней ирисовой диафрагмой, которая позволяет регулировать эффективную числовую апертуру. Сокращения, нанесенные на ствол этих объективов, включают I , Iris и W / Iris .Объектив с апохроматом 60x, проиллюстрированный выше, имеет числовую апертуру 1,4, одну из самых высоких достижимых в современных микроскопах, использующих иммерсионное масло в качестве среды формирования изображений.
Интерактивный учебник по Java, ссылка на который приведена выше, позволяет посетителю настроить корректирующую манжету на объективе микроскопа. В некоторых случаях не требуется корректировка объективов на толщину покровного стекла. К ним относятся объективы, разработанные для металлургических образцов в отраженном свете, культуры тканей, проверки интегральных схем и многих других приложений, требующих наблюдения без компенсации покровного стекла.
Числовая апертура объектива и рабочее расстояние
| Оптическая коррекция * и Увеличение | Числовое Апертура | Рабочее расстояние (миллиметры) | 7 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6,10 | ||||||||
| ACH 20x | 0,40 | 3,00 | ||||||
| ACH 40x | 0,65 | 0,65 | 0,80 | 0,23 | ||||
| ACH 100x (Масло) | 1,25 | 0,13 | ||||||
| PL 4x97 | ..1022,0 | |||||||
| PL 10x | 0,25 | 10,5 | ||||||
| PL 20x | 0,40 | 7 | 0,40 | 0,40 | 0,65 | 0,56 | ||
| PL 100x (масло) | 1,25 | 0,15 | ||||||
| PL FL 4x | ..1317,0 | |||||||
| PL FL 10x | 0,30 | 10,00 | ||||||
| PL FL 20x | 0,50 | 7 | 0,50 | 7 | PL FL 40x | 0,75 | 0,51 | |
| PL FL 100x (масло) | 1,30 | 0,10 | ||||||
| PL APO 1.25x | 0,04 | 5,1 | ||||||
| PL APO 2x | 0,06 | 6.20 | ||||||
| PL APO 4x97 | 4444 900||||||||
| PL APO 10x | 0,40 | 3,10 | ||||||
| PL APO 20x | 0,70 | 0.65 | ||||||
| PL APO 40x | 0,85 | 0,20 | ||||||
| PL APO 60x (Нефть) | 1,40 | 4 | 1,40 | 4 | 7 100x (Масло) | 1,40 | 0,10 |
| * Сокращения: ACH, Achromat PL FL, Plan Fluorite PL APO, Plan Apochromat |
Таблица 2
- Резьба винта объектива — Монтажная резьба почти на всех объективах имеет размер в соответствии со стандартами Королевского микроскопического общества (RMS) для универсальной совместимости.Объектив на Рисунке 1 имеет монтажную резьбу диаметром 20,32 мм с шагом 0,706, что соответствует стандарту RMS. Этот стандарт в настоящее время используется при производстве объективов с коррекцией на бесконечность производителями Olympus и Zeiss. Nikon и Leica отошли от стандарта, представив новые объективы с коррекцией на бесконечность, которые имеют более широкий размер резьбы для крепления, что делает объективы Leica и Nikon пригодными для использования только с их собственными микроскопами. Рассуждения Nikon объясняются в нашем разделе, описывающем Nikon CFI60 200/60/25 Specification для биомедицинских микроскопов.Для обозначения размера резьбы обычно используются следующие сокращения: RMS (резьба объектива Royal Microscopical Society), M25 (метрическая резьба объектива 25 мм) и M32 (метрическая резьба объектива 32 мм).
- Иммерсионная среда — Большинство объективов предназначены для получения изображений образцов с воздухом в качестве среды между объективом и покровным стеклом.
- Цветовые коды — Производители микроскопов маркируют свои объективы цветовыми кодами, чтобы помочь в быстрой идентификации увеличения и любых специальных требований к иммерсионным средам. Темно-синий цветовой код на объективе, показанном на Рисунке 1, указывает на то, что линейное увеличение составляет 60x. Это очень полезно, если у вас есть револьверная головка с 5 или 6 объективами, и вам нужно быстро выбрать конкретное увеличение. Некоторые специализированные объективы имеют дополнительный цветовой код, который указывает тип иммерсионной среды, необходимый для достижения оптимальной числовой апертуры.Иммерсионные линзы, предназначенные для использования с маслом, имеют кольцо черного цвета, а линзы, предназначенные для использования с глицерином, имеют оранжевое кольцо, как показано с объективом слева на рисунке 2. Объективы, предназначенные для изображения живых организмов в водной среде, имеют обозначение водяная иммерсия объективы с белым кольцом и узкоспециализированные объективы для необычных иммерсионных сред часто выгравированы красным кольцом. В таблице 3 перечислены текущие значения увеличения и цветовые коды носителей изображения, используемые большинством производителей.
Для достижения более высоких рабочих числовых апертур многие объективы предназначены для получения изображения образца через другую среду, которая уменьшает разницу в показателях преломления между стеклом и средой формирования изображения.Планапохроматические объективы с высоким разрешением могут достигать числовой апертуры до 1,40, когда иммерсионная среда представляет собой специальное масло с показателем преломления 1,51. Другими распространенными иммерсионными средами являются вода и глицерин. Объективы, разработанные для специальных иммерсионных сред, обычно имеют цветное кольцо, нанесенное по окружности корпуса объектива, как указано в Таблице 3 и описано ниже. Распространенные сокращения: Oil, Oel (масляная иммерсия), HI (гомогенная иммерсия), W, Water, Wasser (водяная иммерсия) и Gly (глицериновая иммерсия).
