Как устроена оптическая система микроскопа. Из каких основных компонентов она состоит. Какие функции выполняют объективы и окуляры. Как рассчитывается увеличение микроскопа. Какие типы объективов и окуляров существуют. Как правильно ухаживать за оптикой микроскопа.
Основные компоненты оптической системы микроскопа
Оптическая система микроскопа состоит из нескольких ключевых элементов:
- Осветитель (источник света и собирающая линза)
- Конденсор
- Предметный столик с образцом
- Объектив
- Окуляр
- Детектор (глаз наблюдателя или камера)
В более сложных исследовательских микроскопах также могут присутствовать дополнительные устройства для регулировки света и фильтрации изображения. Они располагаются между осветителем и конденсором, а также между объективом и окуляром или камерой.
Функции объектива микроскопа
Объектив является одним из важнейших компонентов оптической системы микроскопа. Он выполняет следующие основные функции:
- Создает увеличенное изображение образца
- Определяет разрешающую способность микроскопа
- Собирает свет от образца
Ключевыми характеристиками объектива являются:
- Увеличение (от 4х до 100х)
- Числовая апертура (NA) — определяет разрешающую способность
- Рабочее расстояние
Типы объективов микроскопа
Существует несколько основных типов объективов, различающихся по своим оптическим свойствам:
- Ахроматические — исправляют хроматическую аберрацию для двух длин волн
- Полуапохроматические (флюоритовые) — исправляют аберрацию для трех длин волн
- Апохроматические — обеспечивают наилучшую коррекцию аберраций
- План-объективы — исправляют кривизну поля зрения
- Иммерсионные — работают с иммерсионной жидкостью для повышения разрешения
Функции и типы окуляров микроскопа
Окуляр микроскопа выполняет следующие основные функции:- Дополнительно увеличивает изображение, созданное объективом
- Формирует конечное изображение для наблюдателя
- Ограничивает поле зрения с помощью полевой диафрагмы
Основные типы окуляров:
- Гюйгенса — простые двухлинзовые окуляры
- Рамсдена — имеют внешнюю полевую диафрагму
- Компенсационные — компенсируют аберрации объектива
- Широкоугольные — обеспечивают широкое поле зрения
Как рассчитывается увеличение микроскопа
Общее увеличение оптического микроскопа рассчитывается по формуле:
Увеличение микроскопа = Увеличение объектива х Увеличение окуляра
Например, при использовании объектива 40х и окуляра 10х общее увеличение составит:
40 х 10 = 400 крат
Стандартный диапазон увеличений световых микроскопов составляет от 40х до 1000х. Некоторые модели могут обеспечивать увеличение до 2000х.
Уход за оптикой микроскопа
Правильный уход за оптическими элементами микроскопа критически важен для поддержания его работоспособности. Основные правила:
- Регулярно очищайте линзы от пыли и загрязнений
- Используйте только специальные чистящие средства
- Очищайте линзы мягкими безворсовыми салфетками
- Не прикасайтесь к оптическим поверхностям пальцами
- Храните микроскоп в чехле, защищающем от пыли
При соблюдении этих простых правил оптика микроскопа прослужит долго, обеспечивая высокое качество изображения.
Роль конденсора в оптической системе микроскопа
Конденсор — важный элемент оптической системы микроскопа, расположенный под предметным столиком. Он выполняет следующие функции:
- Фокусирует свет на исследуемом образце
- Равномерно освещает поле зрения
- Регулирует количество света, попадающего на образец
Существует несколько типов конденсоров:
- Конденсор Аббе — простой и широко распространенный тип
- Ахроматический конденсор — корректирует хроматические аберрации
- Универсальный конденсор — позволяет использовать различные методы контрастирования
Правильная настройка конденсора критически важна для получения качественного изображения, особенно при больших увеличениях.
Предельное разрешение оптического микроскопа
Разрешающая способность микроскопа ограничена волновой природой света. Предельное разрешение определяется формулой:
d = 0.61λ / NA
где:
- d — минимальное расстояние между двумя точками, которые можно различить
- λ — длина волны света
- NA — числовая апертура объектива
Для видимого света предельное разрешение составляет около 0.2 мкм (200 нм). Это фундаментальное ограничение оптической микроскопии.
Иммерсионные объективы: принцип работы и преимущества
Иммерсионные объективы используют специальную жидкость (обычно масло или воду) между фронтальной линзой объектива и покровным стеклом. Это позволяет:
- Увеличить числовую апертуру объектива
- Повысить разрешающую способность микроскопа
- Улучшить световую эффективность системы
Иммерсионные объективы обычно имеют увеличение 60х или 100х и числовую апертуру до 1.4. Они позволяют достичь предельного разрешения световой микроскопии.
Оптическая система — микроскоп
Изучение микроскопических объектов в медицине, биологии, химии, электронике нельзя представить без такого важного предмета, как микроскоп. Этот оптический прибор дает человеку возможность исследовать процессы и явления микромира. Современный лабораторный микроскоп – это высокотехнологичное, функциональное оборудование, предназначенное для комфортной ежедневной работы специалистов.
Микроскопы могут быть оптическими,
электронными, цифровыми. В лабораториях
находят широкое применение все модели.
А какой именно прибор нужен в работе
зависит от специфики исследований.
Классическая модель – оптический
микроскоп. Его конструкция состоит из
окуляра и объектива, которые закреплены
в подвижном тубусе. Под объективом
размещается предметный столик для
исследуемых образцов. Оптическая система
с точным механизмом настройки и
осветительный модуль позволяют получить
четкое изображение высокого качества.
Галогеновые, ксеноновые или светодиодные
лампы дают бестеневое рабочее поле, не
искажая цвета.
В лабораторной работе
широко распространены бинокулярные
микроскопы. Они передают объемное
увеличенное изображение. Стереомикроскопы
применяются для препарирования
микроскопических объектов. Благодаря
тому, что изображение не инвертируется,
можно легко манипулировать инструментами.
Чтобы получить многократное увеличение
применяется электронный микроскоп. Он
дает изображение в тысячи раз крупнее,
чем обычный оптический. Это возможно
благодаря специальной технологии
электростатических линз.
Для обработки данных на компьютере используется цифровой микроскоп. Оптическая система цифровых микроскопов совмещена с матрицей, трансформирующей световой поток в электрические сигналы. Это дает возможность передавать данные на компьютер для дальнейшей работы. Его конструкция позволяет присоединять камеру, изображение с которой можно анализировать на экране. Цифровой прибор обладает значительно расширенными возможностями по сравнению с другими моделями.
На сегодняшний день одним из самых
мощных микроскопов является “Titan”.
Но многие эксперты консервативны
в своих ожиданиях результатов работы
нового микроскопа. Признавая верность
сокращения длины луча, достижение
разрешения в 0,01 нм расценивается как
маловероятное.
При этом существует эффект
колебания энергии луча, что также
ограничивает разрешающую способность,
и, как ожидается, этот эффект имеет место
и в разработке Истэма. При всей полезности
сокращения энергопотребления, по мнению
специалистов, этот микроскоп имеет
недостаточную глубину проникновения
для создания трехмерных изображений
из-за конструкции отверстия. Ко всему выше сказанному можно добавить
только одно, что и по сей день основной
задачей оптических приборов, используемых
в лаборатории, является — оперативность
в получении точных данных, необходимых
для ежедневной работы. Микроскоп, помимо
своего прямого назначения, должен
отвечать таким требованиям, как
надежность, функциональность и простота
использования. Оснащение лабораторий
качественными микроскопами обеспечивает
эффективность ежедневного труда.
Статьи
Микроскоп (от микро… и греческого skopeo — смотрю) – это оптический прибор для получения сильно увеличенного изображения изучаемого очень маленького объекта, невидимого невооружённым глазом. При помощи микроскопа можно рассмотреть мелкие детали строения объекта, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза.
Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему. И эта система характеризуется определённым разрешением. Что такое разрешение оптической системы? Это наименьшее расстояние между элементами наблюдаемого объекта, при котором эти элементы ещё могут быть отличены один от другого (под элементами объекта мы понимаем точки или линии).
Если объект удален на так называемое расстояние наилучшего видения, которое составляет 250 мм, то для нормального человеческого глаза минимальное разрешение составляет примерно 0,1 мм, а у многих людей — около 0,20 мм.
Примерно это соответствует толщине человеческого волоска. Размеры объектов, таких как микроорганизмы большинства растительных и животных клеток, мелкие кристаллы, детали микроструктуры металлов и сплавов и т.п., значительно меньше 0,1 мм. Такие объекты мы будем называть микрообъекты. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопа определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Оптический микроскоп даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм, т.е. разрешающая способность такого микроскопа составляет около 0,20 мкм или 200 нм.
Когда мы говорим о разрешающей способности микроскопа, мы подразумеваем, точно также как и под разрешающей способностью человеческого глаза, раздельное изображение двух близко расположенных объектов. Надо помнить, что разрешающая способность и увеличение – это не одно и тоже. Например, если при помощи систем визуализации получить со светового микроскопа фотографии двух линий, расположенных на расстоянии менее 0,20 мкм (т.
е. менее разрешающей способности микроскопа), то, как бы мы не увеличивали изображение, линии все равно будут сливаться в одну. Т.е. мы сможем получить большое увеличение, но не улучшим его разрешение. Общее увеличение микроскопа равно произведению линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра. Значения увеличений гравируются на оправах объективов и окуляров. Рассмотрим микроскоп плоского поля (не стереоскопический). Это биологические микроскопы, металлографические, поляризационные. Обычно объективы такого микроскопа имеют увеличения от 4 до 100 крат, а окуляры — от 5 до 16. Поэтому общее увеличение оптического микроскопа лежит в пределах от 20 до 1600 крат. Разумеется, технически возможно разработать и применить в микроскопе объективы и окуляры, которые дадут общее увеличение, значительно превышающее 1600 крат (например, существуют окуляры с увеличением 20 крат, которые в паре с объективом 100 крат дадут увеличение 2000 крат). Однако, обычно это нецелесообразно. Большие увеличения не являются самоцелью оптической микроскопии.
Назначение микроскопа состоит в том, чтобы обеспечить различение как можно более мелких элементов структуры препарата, т.е. в максимальном использовании разрешающей способности микроскопа. А она имеет предел, обусловленный волновыми свойствами света. Таким образом, различают полезное и неполезное увеличение микроскопа. Полезное увеличение – это когда можно выявить новые детали строения объекта, а неполезное – это увеличение, при котором, увеличивая объект в сотни и более раз, нельзя обнаружить новых деталей строения объекта.
Еще раз остановимся на понятии разрешающей способности. Разрешающая способность оптических приборов (так же ее называют разрешающая сила) характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличений, которые мы получаем с помощью микроскопа.
Увеличения до 1250 крат называют полезными, т. к. при них мы различаем все элементы структуры объекта. При этом возможности микроскопа по разрешающей способности исчерпываются. Это увеличение получаем при использовании объектива 100 крат, работающего с масляной иммерсией, и окуляра 12,5 крат (полезное увеличение окуляров лежит от 7,5 до 12,5 крат). При увеличениях свыше 1250 крат не выявляются никакие новые детали структуры препарата. Однако иногда такие увеличения используют — в микрофотографии, при проектировании изображений на экран и в некоторых других случаях.
Когда необходимо существенно более высокое полезное увеличение, используют электронный микроскоп. Этот микроскоп обладает существенно более высокой разрешающей способностью, нежели оптический микроскоп. Электронный микроскоп – это прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэв и более) в условиях глубокого вакуума.
Онлайн-кампус микроскопии ZEISS | Справочные номера оптической системы микроскопа
Оптическая система микроскопа обычно состоит из осветителя (включая источник света и собирающую линзу), конденсора, образца, объектива, окуляра и детектора, который представляет собой либо камеру, либо глаз наблюдателя. Микроскопы исследовательского уровня также содержат одно или несколько светорегулирующих устройств, которые часто располагаются между осветителем и конденсором, и дополнительный детектор или фильтрующее устройство, которое вставляется между объективом и окуляром или камерой. Устройство (устройства) кондиционирования и детектор работают вместе для изменения контраста изображения в зависимости от пространственной частоты, фазы, поляризации, поглощения, флуоресценции, внеосевого освещения и/или других свойств образца и метода освещения. Даже без добавления специальных устройств для регулирования освещения и фильтрации волн, формирующих изображение, некоторая степень естественной фильтрации происходит даже с самой базовой конфигурацией микроскопа.
Piston, D. W.
Выбор объективов: важность числовой апертуры и увеличения в цифровой оптической микроскопии. Biological Bulletin 195 : 1-4 (1998). Всестороннее обсуждение объективов микроскопа сосредоточено на критических аспектах объективов для визуализации. Включены основы формирования изображений и обзор объективов для широкопольной и конфокальной флуоресцентной микроскопии.
Абрамовиц М., Спринг К. Р., Келлер Х. Э. и Дэвидсон М. В.
Основные принципы объективов микроскопа. BioTechniques 33 : 772-781 (2002). Авторы описывают свойства объективов микроскопа, включая разрешающую способность и числовую апертуру, влияние конструкции на коэффициенты увеличения, поправку на различные степени аберрации, бесконечные оптические системы и основы иммерсионного режима.
Keller, H. E.
Правильная настройка микроскопа. Методы клеточной биологии 56 : 135-146 (1998). В этой главе книги рассматриваются ключевые компоненты оптических микроскопов и юстировка для освещения по Кёлеру.
Среди обсуждаемых тем — источник света и коллектор, рассеиватели, конденсоры, предметные столики, объективы, револьверная головка, тубусная линза, окуляры и видеоадаптеры.
Слудер Г. и Нордберг Дж.
Основы работы с микроскопом. Методы клеточной биологии 81 : 1-10 (2007). доктора Слудер и Нордберг рассматривают оптические системы конечного и бесконечного микроскопов, объективы (включая смешивание и согласование), выбор покровного стекла, пустое увеличение, количество пикселей и разрешение камеры, установку камер на микроскопе и многие из основных основ цифровых камер.
Evennett, P.J. and Hammond, C.
Обзор микроскопии. Энциклопедия аналитической науки : 32-41 (2005). Авторы предоставляют всесторонний обзор всех этапов оптического микроскопа. Рассматриваются линзы, увеличение, простые и сложные микроскопы, числовая апертура, освещение, микроскопия в отраженном свете, дифракция, разрешение, аберрации, контраст, конфокальная микроскопия и ограничения микроскопа.
Дэвидсон, М. В. и Абрамовиц, М.
Оптическая микроскопия Энциклопедия науки и технологии визуализации 2 :1106-1140 (2002). Тщательный обзор оптических систем микроскопов и методов усиления контраста. Подробно обсуждаются окуляры, конденсоры и объективы, а также конечные и бесконечные оптические системы. Включены контрастные методы: фаза, ДИК, поляризованный свет, контраст модуляции Хоффмана и флуоресценция.
Саймон, Дж. М. и Комастри, С. А.
Составной микроскоп: длина оптической трубы или парфокализация? European Journal of Physics 26 : 1101-1105 (2005). Теоретическое исследование стандартизированных расстояний в составных микроскопах. Авторы исследуют длину оптической трубки в отношении требований к парфокализации и обсуждают промышленные стандарты Германии и Японии, используемые для стандартизации расстояния между образцом и промежуточным изображением.
Ван дер Воорт, Г. Ф.
Оптическая микроскопия.
Энциклопедия физики конденсированных сред : 175-182 (2005). Тщательный обзор оптических компонентов системы микроскопа, включая источники света, конденсоры, фильтры, объективы, окуляры, предметный столик, штатив, разрешение и глубину резкости. Также рассматриваются различные режимы визуализации, такие как светлое поле, косое освещение, темное поле, поляризованный свет и ДИК-микроскопия.
Bennett, A.H.
Разработка объектива микроскопа. Журнал Оптического общества Америки 33 : 123–128 (1943). В этом обзоре, представляющем большой исторический интерес, описываются изобретение микроскопа, ранние разработки в конструкции линз, коррекция хроматической аберрации, увеличение числовой апертуры, иммерсионные объективы и ранний прогресс в разработке апохроматических объективов.
Quesnel, L.B.
Микроскопия и микрометрия Methods in Microbiology 5 : 1-103 (1971). Всеобъемлющий 100-страничный обзор всех аспектов микроскопии, включая свет и цвет, увеличение, теорию Аббе, формирование изображения, разрешение, глубину резкости, объективы, окуляры и конденсоры, а также конфигурацию освещения.
Подробно описан фазовый контраст, как производятся измерения с предметными микрометрами и сетками.
Назад к справочной библиотеке
Оптические системы для микроскопов | Основные микроскопы | Глоссарий микроскопа
Оптические микроскопы используют комбинацию объектива и окулярных линз (окуляров) для визуализации. Увеличение наблюдения является произведением увеличений каждой из линз. Это обычно колеблется от 10x до 1000x, а некоторые модели даже достигают увеличения до 2000x.
Объектив состоит из нескольких линз для увеличения объекта и проецирования более крупного изображения. В зависимости от разницы фокусных расстояний доступны объективы с разным увеличением, например, 4x, 10x, 40x и 50x. В дополнение к увеличению индексы, показывающие характеристики объектива, включают числовую апертуру и рабочее расстояние.
Свет, проходящий через линзу, вызывает цветовую аберрацию (цветовое искажение), показатель преломления которого зависит от длины волны.
Для предотвращения этого были разработаны следующие объективы:
- — Ахроматическая линза
- Линзы, предназначенные для обеспечения одинаковых показателей преломления двух длин волн (цветов) света. Этот тип объектива широко используется, отчасти из-за его приемлемой цены.
- — Полуапохроматическая линза (флюоритовая линза)
- Линзы, предназначенные для обеспечения одинакового показателя преломления трех длин волн (цветов) света. Этот тип объектива используется для наблюдения флуоресценции, так как обеспечивается коэффициент пропускания для ультрафиолетового света с длиной волны около 340 нм.
- — Апохроматическая линза
- Линзы, предназначенные для получения показателей преломления трех длин волн (цветов) света такими же, как у полуапохроматической линзы. Объективы этого типа имеют большую числовую апертуру и лучшее разрешение, поэтому их часто используют для исследований, требующих детального наблюдения.
Эта высокая производительность означает, что цена также выше. - — Планировочная линза
- Объектив, в котором аберрация кривизны поля исправлена таким образом, что фокусируется не только центр объектива, но и периферия. Если перечисленные выше линзы имеют исправленные аберрации кривизны поля, они соответственно называются план-ахроматическими линзами, план-флюоритовыми линзами и план-апохроматическими линзами. В большинстве случаев надпись «PLAN» нанесена сбоку линз.
- — Иммерсионный объектив
- Увеличивает числовую апертуру за счет заполнения жидкостью пространства между линзой объектива и образцом для достижения высокого разрешения. Иммерсионный объектив, в котором используется масло, называется масляным иммерсионным объективом, а тот, в котором используется вода, называется иммерсионным объективом. Первый имеет маркировку «HI» или «OIL» сбоку, а второй — «W» или «WATER».
Эта высокая производительность означает, что цена также выше. Линза для установки со стороны наблюдателя.
Изображение, увеличенное линзой объектива, дополнительно увеличивается линзой окуляра для наблюдения. Окулярная линза состоит из одной-трех линз, а также оснащена механизмом, называемым полевой диафрагмой, который устраняет ненужный отраженный свет и аберрации.
Доступны различные типы в зависимости от обеспечиваемого ими увеличения, например, 7-кратное и 15-кратное. В дополнение к увеличению производительность объектива представлена номером поля, который показывает диапазон поля зрения.
В отличие от объективов, чем выше увеличение окуляра, тем короче его длина.
Доступны следующие линзы в зависимости от конструкции полевой диафрагмы или области применения:
- — Линза Гюйгенса
- Состоит из двух плосковыпуклых линз. Этот тип объектива используется для малого увеличения и характеризуется полевой диафрагмой, расположенной в тубусе объектива.
- — линза Рамсдена
- Объективы этого типа характеризуются полевой диафрагмой, расположенной снаружи тубуса объектива.
- — Периплановая линза
- Исправляет хроматическую аберрацию увеличения и других свойств, чтобы обеспечить четкое наблюдение даже на периферии поля зрения.
- — Компенсационная линза
- Окулярная линза, компенсирующая аберрацию, вызванную линзой объектива.
- — Широкоугольный объектив
- Обеспечивает широкое поле зрения и в основном используется для наблюдения за живыми организмами и минералами.
- — Объектив Superfield
- Поддерживает еще более широкое поле зрения и в основном используется со стереоскопическими микроскопами.
Линза для установки под сценой. Этот объектив может регулировать количество света для равномерного освещения объектов. Это полезно для наблюдения при большом увеличении. Существуют различные типы конденсорных линз, от обычных «конденсоров Аббе» до «ахроматических конденсоров», которые корректируют цветовую аберрацию.
- — конденсатор Аббе
- Простая конденсорная линза, часто используемая на микроскопах, устанавливаемых в учебных заведениях.
- — Ахроматический конденсор
- Конденсорная линза, исправляющая цветовую аберрацию. Ахроматические апланатические конденсорные линзы доступны как усовершенствованный тип, который может корректировать кривизну поля зрения.
- — Универсальный конденсатор
- Поддерживает широкий диапазон наблюдений, таких как темное поле, фазовый контраст, дифференциальный интерференционный контраст и наблюдение в поляризованном свете.
Общее увеличение наблюдения представлено произведением увеличений объектива и линз окуляра. Например, линза объектива 20x и линза окуляра 10x дают общее увеличение 200x.
Увеличение 1x относится к состоянию, при котором объект рассматривается глазом с расстояния 250 мм.
250 мм считается расстоянием, которое наиболее легко воспринимается человеческим глазом. Это называется расстоянием отчетливого зрения. Увеличение окулярной линзы получается путем деления расстояния отчетливого зрения на фокусное расстояние линзы.
Важно очищать микроскоп от грязи, масла и пятен после использования, потому что во время работы на линзу могут попасть грязь, отпечатки пальцев или культуральный раствор.
Для очистки в основном требуются следующие инструменты:
- Вентилятор (сжатый воздух)
- Бумага для чистки линз
- Ватные палочки
- Чистящее средство (рекомендуемые производителем, абсолютный спирт, смесь эфира и спирта, дистиллированная вода и т.д.)
- 1. Очистка воздуходувкой или другим устройством
- Сначала удалите пыль и грязь с линз с помощью груши или сжатого воздуха.
(Сжатый воздух не следует использовать для некоторых объективов из-за его высокого давления. При принятии решения о его использовании см. руководство по эксплуатации.) - 2. Удаление пятен
- Используйте чистящее средство, рекомендованное производителем, чистый спирт, смесь эфира и спирта или дистиллированную воду. Не следует использовать чистящее средство для очков, так как оно содержит антизапотеватель.
При использовании легковоспламеняющегося чистящего средства, такого как эфир, будьте осторожны, чтобы оно не воспламенилось. Вы должны заранее выключить окружающее электронное оборудование. Также обратите внимание на вентиляцию в помещении.
Нанесите небольшое количество чистящего средства на пыленепроницаемый материал, такой как марля, нетканый материал или чистящая бумага, и осторожно протрите линзу от центра к внешней окружности по спирали. Для маленького объектива намотайте бумагу для линз на кончик ватного тампона и протрите линзу, не прикладывая большого усилия.
