Фото микроскопа и лупы: Использование функции «Лупа» на iPhone или iPad

Цифровой микроскоп | Микросистемы

Цифровые микроскопы – это микроскопы передающие изображение объекта в цифровом виде.

Используются в:

Цифровые микроскопы для микроэлектроники 

В зависимости, от поставленных задач, цифровые микроскопы должны соответствовать определённым требованиям. Для микроэлектроники могут применяться инспекционные микроскопы MX63 с фото регистрацией и лупы с видеокамерой INSPEX 1080P. В первом случае, наведение на объект и последующая фокусировка осуществляется с помощью окуляров, либо проекционных устройств.

Оптика инспекционных микроскопов рассчитана на максимальное полезное оптическое увеличение, до 1500х, с разрешением 0.47-0.22мкм и широкий спектр освещения. Объективы пропускают волны от глубокого ультрафиолета (deep ultra violet — DUV) 248нм, до ближнего инфракрасного диапазона >720нм. Оптика, пропускающая УФ лучи изготавливается из стекла с низкой дисперсией, а за регистрацию УФ света отвечают специальные камеры, с активным охлаждением матрицы, большой выдержкой и светочувствительностью.

Помимо высокого разрешения, в микроэлектронике не менее важно бывает заглянуть под поверхностный слой, чтобы не разрушая целостность полупроводника рассмотреть структуру его слоёв. Для этого требуется инфракрасная (ИК) оптика, инфракрасный источник света до 1000-1500нм и камеры, без ИК фильтра, которая выдержит такое освещение. Также в последнее время всё чаще используются новые методы контрастирования, такие как: дифференциально-интерференционный контраст и смешанный контраст. С помощью этих методов можно различить больше микро деталей, не применяя дополнительные источники освещения.

Для определения позиционирования кристаллов используются не только инспекционные микроскопы, но и более многофункциональные измерительные цифровые микроскопы DSX1000, координатная сетка которых не требует предварительного выравнивания пластины, а в случае необходимости, с помощью такого микроскопа можно просматривать и фотошаблоны в проходящем или отражённом свете.

Относительно простые решения используются для определения качества пайки, нахождения нежелательных натёков припоя и трещин – цифровые лупы. Лупы, например Ion или Inspex 1080p хорошо подойдут при просмотре неповторяющихся структур, где нет возможности применить продвинутые алгоритмы машинного зрения для автоматизации просмотра и требуется максимально простое решение. Для более продвинутых исследований с автоматическими замерами можно использовать Omni Core и Inspex II. 

Цифровые микроскопы для материаловедения 

Объекты исследования в материаловедении могут быть самыми разнообразными, от огромных зеркал, до микроскопических гранул, не рассеивающих и не отражающих свет. В связи с этим, чтобы точно определить необходимое оборудование, нужно обозначить перечень предметов, которые будут просматриваться на микроскопе.

Наиболее универсальный вариант оптического прибора, такой как DSX1000, сочетает в себе:

• Телецентрическую оптику
• Светодиодный источник белого света
• Поляризатор и анализатор
• Разные режимы освещения
• Скоростную камеру высокого разрешения
• Большой наклоняемый штатив
• Моторизованный предметный столик
• Эпископическое освещение (отражённый свет)
• Несколько быстросменных методов контраста
• Высокоточный моторизованный привод фокусировки
• Легкую смену объективов
• Высокую точность и повторяемость результатов измерений
• Разностороннее продвинутое программное обеспечение

Телецентрическая оптика обеспечивает большую глубину резкости и рабочее расстояние, позволяя исследовать крупные образцы, получать достоверные результаты измерений без геометрических искажений, а большое рабочее расстояние делает возможным исследование крупны образцов. При исследования объектов на обычном микроскопе возникает эффект схождения (изменения видимого размера объекта в зависимости от уровня фокусировки и удаленности от центра поля зрения). Этот эффект затрудняет получение точных результатов измерений. Для устранения этого дефекта используют объективы, в которых главные лучи всех световых пучков параллельны оптической оси в пространстве предметов или в пространстве изображений.

Светодиодный источник белого света выгодно отличается от галогенных, газоразрядных и иных предшественников, своей долговечностью до десятков тысяч часов. При их использовании не требуется ждать достижения рабочей температуры для получения стабильного цветового баланса. При снижении яркости, в отличии от галогеновых ламп, они не изменяют цветность видимого изображения.

Галоген

LED

Поляризатор и анализатор и разные режимы освещения необходимы для поиска напряжений в стеклянных пластинах, центрах кристаллообразования в гелях и растворах, а также, устранения бликов и отражений.

Скоростная камера высокого разрешения необходима цифровым микроскоп для наведения на объект, своевременную и точную фокусировку, и получения максимально детализированных изображений. В лучших исследовательских микроскопах установлена лучшая оптика Супер План Апохромат, потенциал которой может раскрыть камера с разрешением не ниже 4К. На малых увеличениях, оптика передаёт очень много информации, а значит нужна камера с максимальным разрешением. Высокая скорость, не ниже 60 fps, широкий динамический диапазон и продвинутые матричные технологии, на подобии 3CMOS, необходимы для комфортной работы без смазов и артефактов на снимках.

Большой наклоняемый штатив и моторизованный предметный столик подходят для крупных и небольших объектов, которые необходимо изучать со всех сторон, не тратя время на поворачивание объекта. С его помощью производится и 3D сканирование образцов. Лучшие модели штативов наклоняются до ±90°. Сложной задача, при проектировке такой системы – добиться высокой точности позиционирования предметного столика, для решения которой устанавливаются сложные двигатели, работающие в трёх- четырёх скоростных режимах перемещения по X и Y координатам со специальными замедлителями, для плавной остановки образца. Не менее важно отслеживать все перемещения штатива и оставлять объект исследования в центре изображения.

Эуцентрическая оптическая схема сохраняет объект в центре изображения при наклоне или вращении столика, позволяя исследовать образец под разными ракурсами. Такая гибкость даёт оператору видеть объект не только сверху, и это упрощает выявление трудноразличимых дефектов или характерных особенностей образца.

Эпископическое освещение (падающий свет иногда называют отраженный свет) используются для наблюдения непрозрачных и прозрачных объектов. Под эпископическим осветителем понимается свет, падающий на исследуемую поверхность объекта и отражающийся от него. В прямых микроскопах, этот осветитель расположен сверху.

Несколько быстросменных методов контраста поддерживают и легко сменяют все исследовательские микроскопы, можно сказать, что это их отличительная черта.

Самый базовый метод контраста – светлое поле (BF – bright field)

Косое освещение (OBQ – oblique)

Смешанный контраст (MIX – DF+BF)

Поляризация (PO – polarization)

Дифференциально-интерференционный контраст (DIC – differential-interferential contrast)

Программное увеличение контраста

Легкую смену объективов предусматривают все крупные производители микроскопов. Это довольно серьёзная проблема, как сделать универсальную систему под макрообъективы с увеличением 0-50х с микрообъективами, масштабирующими изображение до 7000х. Это совершенно разные подходы к получению изображения. В макрообъективах ценится большое рабочее расстояние и широкое поле зрения, соответственно и сами объективы широкие. В микрообъективах особое значение придаётся разрешению и светосиле. Универсальное крепление разработала компания Olympus, сделав смену объективов таким же лёгким, как застёгивание молнии.

Высокую точность и повторяемость результатов измерений гарантирует программное обеспечение, настроенное на конкретную оптическую систему и учитывающую все особенности этой системы (аберрации, смещения, рабочие расстояния, глубину резкости и прочее). На современной микроскопе можно проводить измерения с точностью до 1% от измеряемой длины, то есть, даже выполнять измерения шероховатости, с помощью 3D построения профиля.

Разностороннее продвинутое программное обеспечение обязательно должно быть простым в обращении, интуитивно понятным. Можно сказать, что сейчас происходит унификация для идентичного пользовательского опыта на разных устройствах. Основные функции доступные в Olympus Stream: создание отчёта, выявление включений на окрашенной поверхности для определения источника загрязнения, сшивка нескольких маленьких изображений в одно большое, получение полнофокусного изображения и 3D модели объекта, автоматический подсчёт численности повторяющихся структур, диагностика контаминации, измерение толщины слоя, автоматическое определение контура и другие.

Измерительные цифровые микроскопы для метрологии

Любой видеоизмерительный микроскоп принципиально отличается от вышеназванных — методикой поверки. В большинстве своём, такие устройства поставляются на утяжелённых штативах и комплектуются большими предметными столиками с высокоточными энкодерами (считывателями перемещений).

Поверка точных профессиональных зарубежных микроскопов учитывает возможность неточного позиционирования образца, поэтому не обязательно при каждом измерении выравнивать координатную сетку и начало координат по объекту.

Методика поверки NLEC британских микроскопов Vision Engineering, таких как Swift и Hawk производится по двум осям, без использования дополнительных тисков и зажимных механизмов стола, это означает, что заявленная заводом-изготовителем погрешность, будет соблюдаться при любом сценарии использования. Зачастую, высокие значения точности достигаются именно за счёт использования дополнительных приспособлений, не используемых при рутинных измерениях.

При выборе такого оборудования необходимо обращать внимание на устройства для уточнения фокусировки, как на STM7. Потому что именно правильное нахождение фокуса отвечает за конечную точность измерений. Глубина резкости любого макро объектива будет гораздо больше, чем у микро объектива, поэтому измерения на малых увеличениях всегда уступают по точности микро измерениям.

Формула точности микроскопов LVC400 выглядит так ТОЧНОСТЬ = 2.8 + (8.L/1000) мкм, где L измеряемая длина в мм. По оси Z: 3 + (10.L/1000) мкм.

Биологический и медицинский цифровой микроскоп 

В биологии цифровые микроскопы позволяют получать изображение сопоставимое по качеству и информативности с конфокальными системами или 3D изображение, как на стереомикроскопах. Наиболее совершенные микроскопы, такие как BX63 достигают высокого качества снимков таким же способом, как и конфокальная микроскопия, с помощью растровой съёмки множества слоёв исследуемой клетки, отсекая паразитные засветки, с помощью сложных алгоритмов и деконволюции, устраняя размытие они объединяют полученные изображения в одно.

Обратите внимание на снимки сверху, это не конфокальный микроскоп, а цифровой. На снимке видно, как точно отрабатывают алгоритмы, отсекающие шумы в чёрной области и засветы на границах свечения флюорохрома.

С помощью компьютерной программы возможно проводить автоматизированный подсчёт численности клеток. Что очень полезно при анализа большого массива данных, например, при просмотре цитологических образцов, подсчёта лейкоцитарой формулы у людей с малокровием или повышенным содержанием тромбоцитов, не позволяющим использовать гематологические анализаторы. Обнаружение биологической клетки гораздо сложнее, чем обычной частицы, потому что клетка для программы выглядит, как замкнутый элипсоидный или круглый объект с плотным ядром и прозрачным содержимым внутри.

Для FISH анализа чрезвычайно важно снимать один и тот же участок препарата при использовании различных фильтров, накладывая их и диагностируя конкретный краситель в образце или нужный участок. Все представленные иллюстрации сделаны в программе CellSens на камеру DP74.

Сшивка нескольких изображений особенно востребована в слайд-сканнерах, потому что получить детализированные изображения стандартных мазков 15мм х 15мм можно только на объективах 20х и 40х, у которых очень узкое поле зрения. Благодаря сшивке можно сделать виртуальный слайд в исходном качестве изображения всего за минуту, а в дальнейшем работать с ним так же, как и с обычным препаратом, рассматривая подробнее области, вызывающие сомнения у специалистов.

Для правильного подсчёта клеток и удобства наблюдения, очень полезна функция создания полно фокусных изображений. При это производится несколько снимков на разном фокусном расстоянии, после чего всё, не оказавшееся в фокусе отсекается, а оставшееся объединяется в одно чёткое изображение.

В инвертированном моторизованном цифровом микроскопе IX83 автоматизация позволяет проводить автономные циклические исследования. Его штатив позволяет устанавливать специальные CO₂ инкубаторы, автоматически поддерживающие температурный режим и газовый состав среды. Герметичность системы была бы невозможна при наличии механических ручек препаратоводителя. Мониторинг может производиться в нескольких режимах, в том числе интервально, включая освещение микроскопа и производя съёмку в течении недели, через заданные промежутки времени, без постоянного участия исследователя. Это очень востребованные функции при исследовании транспорта клетки или при регистрации других долго протекающих процессов. Такие биологические микроскопы оснащаются и системами, препятствующими дрейфу фокуса. Такая система состоит из лазерного дальномера и очень точного двигателя, который возвращает фокус в исходное положение.

Заключение

Цифровая микроскопия развивается, как и её составляющие: оптика, фото и видеосъёмка, вычислительная техника и программные продукты. Сейчас активно развивается телемедицина и ведущие специалисты могут консультировать в режиме реального времени на расстоянии тысячи километров. Удалённые технологии помогают использовать микроскопы в местах опасных для людей, например, в радиационных комнатах. Рутинные операции по проведению измерений всё больше берёт на себя техника и нет сомнений, что данная техника будет развиваться и дальше. Наши специалисты проконсультируют Вас и подберут цифровой микроскоп оптимально подходящий под Ваши задачи.

Поговорим о микроскопах / Хабр

Помнится, в далеком детстве мне подарили микроскоп «Натуралист» – игрушечный, но таки дающий фиксированное увеличение аж в шестьдесят раз. Состоял он из одной трубки, закрепляемой на пластмассовом футляре, одновременно играющим роль основания. Сколько интересных вещей тогда было пересмотрено через окуляр, подсвеченный тусклым зеркальцем – от листьев водорослей до целого таракана…

Рис. 1. Детский микроскоп «Натуралист» (за неимением лучшего — фото с торговой площадки)

С тех пор прошло более тридцати лет, но о детском увлечении я не забыл. И вот однажды под влиянием приступа ностальгии я решил купить себе такую же игрушку, только чуть посовременнее. Но первый же взгляд на соответствующий раздел Интернет-площадки показал: чего-то я в этой жизни не понимаю. От обилия самый разных устройств, описываемых одним и тем же словом «микроскоп», просто рябило в глазах. И вот вместо пары быстрых щелчков мышкой пришлось плотно сесть и разобраться хотя бы в самых азах современной микроскопии. Результаты ниже.

Предупреждение: обзор не претендует на исчерпывающее описание и рассчитан на энтузиастов-любителей, интересующихся предметом для себя или для детей. Статья не содержит никакой теории, связанной с оптикой, ее в избытке хватает в других материалах.

Типы микроскопов

Существует довольно много самых разных задач, в которых необходимо детально рассмотреть мельчайшие детали объектов – от драгоценных камней и монет до внутренностей живой клетки. От того, что и как нам нужно увидеть, сильно зависят и применяемые методы. Оставим сейчас за кадром самые мелкие объекты типа вирусов или молекулярной структуры вещества и сосредоточимся на более крупных предметах размерами от бактерии и выше. Оптические устройства, применяемые для таких задач, делятся на два больших класса: биологические (компаундные) и стереомикроскопы.

Подробно останавливаться на стереомикроскопах не станем. Замечу только, что, вопреки подсознательным ожиданиям от названия, данный класс устройств предназначен не для создания стереокартинок. Стереомикроскопы используются для обследования сравнительно крупных непрозрачных предметов в отраженном свете: микросхем, камней, насекомых и т.п. Они отличаются сравнительно небольшим оптическим увеличением (40-60-80х, хотя наиболее продвинутые могут иметь даже 200х) и часто снабжены встроенными мониторами либо цифровыми интерфейсами. Источник света находится над образцом. Размеры – от карманных устройств до солидных стационарных установок.

Некоторые стереомикроскопы для промышленных целей даже лишены оптического окуляра и предназначены исключительно для подключения к компьютеру/смартфону через USB/WiFi («цифровые микроскопы»). Такие микроскопы сравнительно дешевы. Если надо как следует рассмотреть таракана, бриллиант или распайку элементов на плате, этот тип устройств для вас. Только помните, что супер-увеличения типа 1600х, которые часто можно встретить в описаниях даже самых дешевых устройств, относятся к цифровому увеличению и даже близко не отражают реальное оптическое. Каково оно? А кто его знает, производители до таких деталей не снисходят.

Рис. 2. Aomekie stereo microscope с увеличением 20х/40х (фото производителя)

Биологические микроскопы

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

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

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

Рис. 3. Микроскоп Celestron (фото производителя)

Механическая платформа

Механическая часть состоит из основания, на которой монтируются все прочие компоненты, и предметного столика, на котором умещается образец. Очень важной частью механики является система, отвечающая за перемещение предметного столика в трех измерениях – именно так образец подводится в точку фокуса неподвижного объектива. Существуют модели, в которых перемещается объектив, но это редкая экзотика. В устройствах начального уровня механика самая примитивная. Подстройка по высоте (фокусировка) есть только грубая (coarse), перемещение образца в плоскости – пальцами.

В более сложных моделях в дополнение к грубой фокусировке появляется тонкая (fine), а также зажим, перемещающий предметное стекло в горизонтальной плоскости (его подвижная сторона имеет характерный вид полумесяца, ее хорошо видно на изображениях устройств). В наиболее простых микроскопах вертикальное перемещение регулируется разными винтами/рукоятками, в более продвинутых они совмещены на одной оси. В микроскопах без тонкой фокусировки есть реальная опасность раздавить как предметное стекло, так и линзу объектива из-за неловкого движения руки.

Материал корпуса – пластик либо металл. Пластик легче, но и хрупче. Обычно он применяется в мобильных моделях, предназначенных для детей либо полевых лабораторий – там, где важно минимизировать вес. Для стационарных микроскопов используется металл: он не только прочнее, но и менее подвержен вибрациям, которые на высоких увеличениях становятся критичными. Вес металлического микроскопа – 3-4 килограмма.

Исторически база микроскопа состояла из неподвижного основания и подвижного кронштейна, позволяющего менять ориентацию микроскопа относительно вертикали. Это было необходимо не только для комфорта работы, но и для получения качественной подсветки. Однако современные микроскопы имеют монолитное основание с фиксированным углом наклона глазных тубусов, что не всегда удобно. Учтите, что от этого угла прямо зависит комфорт вашей шеи во время работы, так что подбирайте устройство с углом, подходящим именно вам.

Рис. 4. AmScope M500 с простейшим предметным столиком без перемещения в плоскости (фото производителя)

Электрические компоненты

Мало подвести образец в точку фокуса, его надо еще и правильно подсветить. Плохая подсветка приведет к слишком темному или, наоборот, пересвеченному неразборчивому изображению, а также к неоднородному освещению поля.

Исторически для подсветки использовалось вогнутое зеркало, расположенное под отверстием в столике. Однако с его помощью сложно добиться качественного равномерного освещения поля зрения, что критично на высоких увеличениях. Также оно накладывает очень серьезные ограничения по размещению микроскопа относительно источника света, а также на сам источник. Такое зеркало сегодня осталось только в самых примитивных устройствах, обычно в полевых либо детских микроскопах, как в показанном в начале статьи «Натуралисте». Иногда, впрочем, оно может поставляться как дополнительная опция, замещающая основной источник света.

Сегодня для подсветки используются разные виды встроенных в основание ламп. До относительно недавнего времени применялись лампы галогенные или накаливания, но они имели свои проблемы. В первую очередь – из-за того, что свет генерировался тонкой нитью, а проецировать его приходилось на круглое поле, что, опять же, создает проблемы с равномерностью. Однако в современных условиях индустрия широко использует LED-источники света, что проблему сняло.

Запитывается подсветка либо от батареек (такие микроскопы особенно хороши для детей, поскольку их можно повсюду таскать с собой), либо проводом от розетки. Если заказываете проводное устройство за рубежом, помните о переходниках для вилки.

Регулировка подсветки выполняется как интенсивностью лампы, так и световым конденсором под рабочим столиком, имеющим диафрагму и линзу для фокусировки света на образце. В недорогих моделях наиболее распространен конденсор Аббе (Abbe condenser) или его модификации, это название можно часто увидеть в описании микроскопа. Для любительских занятий обычно применяется подсветка вида «светлое поле» (в смысле, прозрачные объекты рассматриваются на ярком белом фоне), хотя есть и другие типы: «темное поле», дающее инвертированное изображение, флуоресцентная подсветка и т.п. Конденсор может быть сменным, позволяя получать в одном и том же микроскопе разные типы подсветки.

Попадаются также модели с дополнительной верхней подсветкой, как на картинке ниже (этакий гибрид биологического и стереомикроскопа), но обычно это удел любительских устройств и малых увеличений: мощные объективы, практически втыкающиеся в покровное стекло, попросту заслоняют верхний свет. На практике уже сорокакратный объектив даже при хорошей внешней подсветке почти ничего не видит, а стократный показывает полный мрак.

Обратите, кстати, внимание: микроскоп на картинке не обладает полноценным конденсором, вместо него – только источник света и диафрагма. На столике присутствуют только самые примитивные зажимы-клипсы для предметного стекла, перемещение препарата в плоскости – пальцами.

Рис. 5. Любительский микроскоп Swift SW150 входного уровня с дополнительной верхней подсветкой (фото производителя)

Оптическая система – объективы

Оптическая система состоит из объективов (смотрят непосредственно на образец) и окуляров (eyepiece, прилегают к глазу).

Объективы, непосредственно рассматривающие образец, монтируются на револьверном диске для быстрой их смены. По нынешним временам они имеют четыре типовых диапазона увеличения: 4-5х (сканирующий объектив, обычно служит для грубой наводки на цель), 10-15х (маломощные линзы), 40-60х (высокомощные) и 90-100х и выше (сверхмощные). Объективы с увеличением выше 100х встречается редко и уж точно не в любительских микроскопах.

Первые три типа («сухие») обычно стандартны для всех моделей, даже для детских. Последний тип объективов встречается в более продвинутых моделях и для получения качественного изображения требует специальной техники использования – иммерсионной. Суть в том, что коэффициенты преломления воздуха и стекла разные для разных длин волн (именно на этом основано разложение белого цвета в спектр). Если между образцом и объективом есть воздух, на стократном увеличении проявляется сильная хроматическая аберрация, снижающая резкость вплоть до полной неразборчивости.

Поэтому для сильных (девяностократных и выше) объективов обычно используется техника погружения (иммерсии) передней линзы объектива в специальное масло, имеющее тот же коэффициент преломления, что и стекло. На покровное стекло наносят каплю масла, в которое непосредственно опускается объектив. После исследования масло с линзы смывается. Такие объективы обычно помечаются словом oil. Могут они использоваться и насухо, но добиться высокой резкости в этом случае невозможно. Масло входит в начальный комплект микроскопа с такими объективами, а также может быть куплено отдельно (из натуральных масел идеально подходит кедровое). Масляную иммерсию нельзя использовать с менее мощными объективами, для которых она не упомянута явно.

Что интересно, еще в середине прошлого века иммерсионными были даже объективы 50х, но с тех пор техника заметно продвинулась вперед. Исторически первой иммерсионной жидкостью являлась обычная вода (техника изобретена еще в начале 19 в.), подходящее масло впервые подобрали ближе к концу того же столетия.

Также стократные объективы могут напрямую упираться в покровное стекло препарата. Защита фронтальной линзы обычно выполняется с помощью специальной пружинящей оправы (слово spring в описании объектива). Несколько раз в описаниях также попадалось слово feather вместо spring, хотя найти определение мне так и не удалось. Для любительских исследований такие объективы избыточны как с точки зрения дополнительной немалой цены, так и с точки зрения затрачиваемых усилий. Особой дополнительной ценности в домашних условиях они не представляют.

Рис. 6. Набор ахроматических объективов фирмы OMAX с типичными мощностями 4х, 10х, 40х и 100х (фото производителя). На стократном объективе хорошо видна пружинящая оправа

Оптическая система – окуляры

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

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

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

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

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

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

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

Оптическая система – заключение

Суммарная мощность биологического микроскопа вычисляется как произведение увеличений окуляра и объектива. Например, с объективом 40х и окуляром 10х общее увеличение составит 400х. Однако следует учитывать, что для стандартных ахроматических линз добиться четкого изображения на сверхмощном увеличении из-за законов оптики практически невозможно. Начиная с определенного момента, линзы будут только увеличивать уже видимые детали, но не добавлять новые. Максимальное эффективное оптическое увеличение составляет примерно 1500х, а то и меньше, в домашних условиях 1000х – практический потолок. Для более высоких разрешений применяются дорогие апохроматические линзы либо электронные микроскопы, что уже совсем другая песня.

Вообще 1000х – много это или мало? Размер золотистого стафилококка – около 1 мкм (1/1000 мм), амебы – 200-600 мкм, одноклеточной водоросли – около 40 мкм. Тысячекратного увеличения вполне хватит, чтобы разглядеть все это с подробностями. Так что не обращайте особого внимания на маркетинговые цифры максимального увеличения 2500-3000х, получаемого тупым перемножением максимальных мощностей объективов и окуляров. Установить вы его установите, только в результате получится как в песне «Сиреневый туман под линзой проплывает…»

При работе с препаратами также важна правильная установка диафрагмы конденсора. Узкая диафрагма повышает контрастность и резкость, но затемняет изображение. Широкая диафрагма пропускает больше света, но может сделать изображение пересвеченным и малоконтрастным, скрывая детали и даже целые объекты. Подбор диафрагмы для каждого препарата выполняется индивидуально.

На картинке ниже обратите внимание на вращающуюся головку микроскопа, позволяющую ориентировать окуляры в нужном направлении. Такая конструкция удобна при работе нескольких человек. Однако подстраивать резкость под свои глаза каждому все равно придется индивидуально.

Рис 8. Бинокулярный микроскоп Motic BA80 (фото производителя). Под столиком в центре хорошо виден конденсор, на столике – месяцевидный зажим для предметного стекла

Оптическая система – сопряжение микроскопа с компьютером

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

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

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

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

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

Цены и производители

Цены на биомикроскопы можно найти самые разные. Те, что позиционируются для детей, попадаются и за 30-40 евро, однако следует помнить о возможных ограничениях типа фиксированного окуляра 10х, не поддерживающего установку камеры, отсутствия конденсора, а то и вообще подсветки, примитивном предметном столике и т.п. В Европе можно купить монокулярные микроскопы с тремя объективами, рассчитанные на энтузиастов и студентов, их ценовая категория – от 100 евро. Камера для микроскопа – от 50 евро (и далее в космос: двадцатимегапиксельная может стоит и семь сотен). Более профессиональные микроскопы – би- и тринокуляры со стократными объективами – стоят от 250 евро. Наконец, многие вендоры предлагают комплекты, специально рассчитанные на детей, студентов и энтузиастов. В них могут входить монокуляр входного уровня, простенькая видеокамера, базовый набор инструментов и предметных стекол и т.п. Цены на такие комплекты начинаются от полутора сотен евро.

К покупке следует обязательно добавить минимум один набор из предметных и покровных стекол (от 8-10 евро – учтите, это расходный материал), а также, по желанию, набор заранее подготовленных препаратов (крылья, ноги, хвосты, листики и подобные нехитрые препараты для вхождения в тему). Ну, а дальше – скальпели, пинцеты, микротомы, чашки Петри, пробирки, препараторские иглы и так далее, и тому подобное в зависимости от ваших увлечений. Также обязательно купите изопропиловый спирт (чем выше концентрация, тем лучше), кисточки, продувки, салфетки из микрофибры и т.п. – оптика имеет свойство пачкаться и пылиться, а даже отдельные пылинки на линзах микроскопа отобьются пятнами на изображении.

Учитывайте также, что цены на одни и те же товары на американском, английском и немецком Амазонах, не говоря уже про eBay, могут очень существенно различаться, так что после выбора модели стоит порыться на разных площадках в поисках цены пониже. Также можно искать микроскопы на Алиэкспрессе. Однако хотя там цены заметно ниже, чем в Европе, цена на доставку оказывается сопоставима с ценой самого микроскопа, что полностью лишает затею смысла.

Какой бренд выбрать? Поскольку оптика для микроскопов критично важна, на этом рынке отметились крупные мировые производители, связанные с оптикой – Олимпус, Цейс, Лейка, Никон и так далее. Однако цены на их устройства даже входного уровня, мягко говоря, не радуют, да и в розницу они могут просто не работать. Так что любителю стоит приглядеться к более демократичным вендорам, таким как Swift, Bresser, Omax или AmScope. Также можно приобрести отдельные объективы и окуляры, в том числе китайского производства (есть неплохие, судя по отзывам), но в этом случае нужно удостовериться что они совместимы с микроскопом. Европейский стандарт, определяющий резьбу и прочие механические и оптические параметры, называется DIN.

Немного практики. Игрушка в реальности

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

Выглядит комплект поставки микроскопа примерно так:

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

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

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

(4х)

(10х)

(40х)

(100х)

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

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

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

(4х)

(10х)

(40х)

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

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

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

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

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

Краткая история микроскопа

Микроскоп — это оптический прибор,  позволяющий получить увеличенные изображения мелких предметов или их деталей, которые невозможно рассмотреть невооружённым глазом.

Дословно слово «микроскоп» означает «наблюдать за чем-то маленьким, (от греческого «малый» и «смотрю»).

Глаз человека, как любая оптическая система, характеризуется определённым разрешением. Это наименьшее расстояние между двумя точками или линиями, когда они ещё не сливаются, а воспринимаются раздельно друг от друга. При нормальном зрении на расстоянии 250 мм разрешение составляет 0,176 мм. Поэтому все объекты, размер которых меньше этой величины, наш глаз уже не в состоянии различить. Мы не можем видеть клетки растений и животных, различные микроорганизмы и др. Но это можно сделать с помощью специальных оптических приборов — микроскопов.

Как устроен микроскоп

Классический микроскоп состоит из трех основных частей: оптической, осветительной и механической. Оптическая часть – это окуляры и объективы, осветительная – источники освещения, конденсор и диафрагма. К механической части принято относить все остальные элементы: штатив, револьверное устройство, предметный столик, систему фокусировки и многое другое. Все вместе и позволяет проводить исследования микромира.

Что такое «диафрагма микроскопа»: поговорим об осветительной системе

Для наблюдений микромира хорошее освещение настолько же важно, как и качество оптики микроскопа. Светодиоды, галогенные лампы, зеркало – для микроскопа могут использоваться разные источники освещения. У каждого есть свои плюсы и минусы. Подсветка может быть верхней, нижней или комбинированной. Ее расположение влияет на то, какие микропрепараты можно изучать при помощи микроскопа (прозрачные, полупрозрачные или непрозрачные).

Под предметным столиком, на который кладется образец для исследований, располагается диафрагма микроскопа. Она может быть дисковой или ирисовой. Диафрагма предназначена для регулировки интенсивности освещения: с ее помощью можно отрегулировать толщину светового пучка, идущего от осветителя. Дисковая диафрагма – это небольшая пластина с отверстиями разного диаметра. Ее обычно устанавливают на любительские микроскопы. Ирисовая диафрагма состоит из множества лепестков, с помощью которых можно плавно изменять диаметр светопропускающего отверстия. Она чаще встречается в микроскопах профессионального уровня.

Оптическая часть: окуляры и объективы

Объективы и окуляры – наиболее популярные запчасти для микроскопа. Хотя далеко не все микроскопы поддерживают смену этих аксессуаров. Оптическая система отвечает за формирование увеличенного изображения. Чем она лучше и совершеннее, тем картинка получается четче и подробнее. Но высочайший уровень качества оптики нужен только в профессиональных микроскопах. Для любительских исследований достаточно стандартной стеклянной оптики, обеспечивающей увеличение до 500–1000 крат. А вот пластиковых линз мы рекомендуем избегать – качество картинки в таких микроскопах обычно расстраивает.

Механические элементы

В любом микроскопе присутствуют элементы, которые позволяют исследователю управлять фокусом, регулировать положение исследуемого образца, настраивать рабочее расстояние оптического прибора. Все это часть механики микроскопа: коаксиальные механизмы фокусировки, препаратоводитель и препаратодержатель, ручки регулировки резкости, предметный столик и многое другое.

История создания микроскопа

Когда появился первый микроскоп, точно неизвестно. Простейшие увеличительные  приборы — двояковыпуклые оптические линзы, находили ещё при раскопках на территории Древнего Вавилона.  

Считается, что первый микроскоп создали в 1590 г. голландский оптик Ганс Янсен и его сын Захарий Янсен. Так как линзы в те времена шлифовали вручную, то они имели различные дефекты: царапины, неровности. Дефекты на линзах искали с помощью другой линзы — лупы. Оказалось, что если рассматривать предмет с помощью двух линз, то происходит его многократное увеличение. Смонтировав 2 выпуклые линзы внутри одной трубки, Захарий Янсен получил прибор, который напоминал подзорную трубу. В одном конце этой трубки находилась линза, выполняющая функцию объектива, а в другом — линза-окуляр. Но в отличие от подзорной трубы прибор Янсена не приближал предметы, а увеличивал их.

В 1609 г. итальянский учёный Галилео Галилей разработал составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами. Он называл его «оккиолино» — маленький глаз.

10 лет спустя, в 1619 г.  нидерландский изобретатель Корнелиус  Якобсон Дреббель сконструировал составной микроскоп с двумя выпуклыми линзами.

Мало кто знает, что свой название микроскоп получил только в 1625 г. Термин «микроскоп» предложил друг Галилео Галилея немецкий доктор и ботаник  Джованни Фабер. 

Все созданные в то время микроскопы были довольны примитивными. Так, микроскоп Галилея мог увеличивать всего в 9 раз. Усовершенствовав оптическую систему Галилея, английский учёный Роберт Гук в 1665 г. создал свой микроскоп, который обладал уже 30-кратным увеличением.

В 1674 г. нидерландский натуралист Антони ван Левенгук создал простейший микроскоп, в котором использовалась всего одна линза. Нужно сказать, что создание линз было одним из увлечений учёного. И благодаря его высокому мастерству в шлифовании, все сделанные им линзы получались очень высокого качества. Левенгук называл их «микроскопиями». Они были маленькие, размером с ноготь, но могли увеличивать в 100 или даже в 300 раз.

Микроскоп Левенгука представлял собой металлическую пластину, в центре которой находилась линза. Наблюдатель смотрел через неё на образец, закреплённый с другой стороны. И хотя работать с таким микроскопом было не совсем удобно, Левенгук смог сделать с помощью своих микроскопов важные открытия.

В те времена было мало известно о строении органов человека. С помощью своих линз Левенгук обнаружил, что кровь состоит из множества крошечных частиц — эритроцитов, а мышечная ткань — из тончайших волокон. В растворах он увидел мельчайшие существа разной формы, которые двигались, сталкивались и разбегались. Теперь мы знаем, что это бактерии: кокки, бациллы и др. Но до Левенгука об этом не было известно.

Всего учёным было изготовлено более 25 микроскопов. 9 из них сохранились до наших дней. Они способны увеличивать изображение в 275 раз.

Микроскоп Левенгука был первым микроскопом, который завезли в Россию по указанию Петра I.

Постепенно микроскоп совершенствовался и приобретал форму, близкую к современной. Учёные России также внесли огромный вклад в этот процесс. В начале XVIII века в Петербурге в мастерской Академии наук создавались усовершенствованные конструкции микроскопов. Русский изобретатель И.П. Кулибин построил свой первый микроскоп, не имея никаких знаний о том, как это делали за границей. Он создал производство стекла для линз, придумал приспособления для их шлифовки.

Великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов первым из русских учёных стал использовать микроскоп в своих научных исследованиях.

Однозначного ответа на вопрос «Кто же всё-таки изобрел микроскоп?», пожалуй, не существует. В развитие микроскопного дела внесли вклад лучшие ученые и изобретатели разных эпох.

:: Читать — 2. Микроскоп — Раздел первый ЮНЫМ ЛЮБИТЕЛЯМ ОПТИКИ И ФОТО — Оглавление — Книга «Юный техник. 35 самодельных приборов и моделей для школы, пионерского отряда и дома по оптике, фото, радио, электротехнике и паротехнике» — Куличенко Василий Федосеевич — ЛитЛайф — книги читать онлайн

2.

Выпускаемые заводами сложные микроскопы дают увеличение в несколько тысяч раз. Конечно, такой микроскоп построить самому невозможно. Наш микроскоп будет проще, с гораздо меньшей силой увеличения, однако и он позволит производить очень интересные наблюдения.

Уже обыкновенное увеличительное стекло, или так называемая лупа, может служить простейшим микроскопом. С помощью лупы можно видеть предметы увеличенными в несколько раз. В более сложном микроскопе увеличенное изображение, даваемое лупой, рассматривается не просто глазом, а с помощью второй лупы, которая вторично увеличивает уже увеличенное изображение. Таким образом, в сложных микроскопах имеется не одно, а два увеличительных стекла, заключенных в одну общую трубку на некотором расстоянии друг от друга. Схема такого микроскопа показана на таблице 2 (в кружке). Лупа Об, направленная к рассматриваемому предмету, называется объективом, а лупа Ок, через которую производится наблюдение, — окуляром.

Таблица 2. Микроскоп.

Схема действия микроскопа

С помощью объектива изображение предмета увеличивается до размеров АВ. Это изображение рассматривается через окуляр и вновь увеличивается.

На таблице показана упрощенная схема микроскопа. В действительности объектив и окуляр состоят обычно из нескольких стекол. Чтобы построить микроскоп с заранее заданной силой, или степенью увеличения, нужно проделать предварительный математический расчет. Но расчет этот очень сложен; мы обойдемся без него и рассчитаем наш микроскоп опытным путем.

Для получения сильно увеличивающего микроскопа следует взять для окуляра и объектива сильно увеличивающие линзы. Однако при этом нужно помнить, что, по законам оптики, чем сильнее будут увеличивать линзы, тем меньшее поле будет видно в микроскоп. Поэтому не следует добиваться особенно сильного увеличения, так как в такой микроскоп будет виден слишком маленький участок и наблюдать будет неинтересно.

Это особенно относится к окуляру. Ведь окуляр предназначен для рассматривания уже увеличенного изображения предмета, и если поле, видимое через окуляр, будет очень маленьким, то, хотя увеличение будет большим, мы увидим лишь часть наблюдаемого предмета и, следовательно, не сможем составить о нем полного представления. Иное дело — объектив. Он направляется на очень мелкие предметы, поэтому для объектива можно взять более сильную линзу. Кроме того, для объектива можно взять маленькую линзу, а для окуляра следует брать сравнительно большую.

Опытный расчет микроскопа

Раздобыв две линзы — одну для окуляра, другую для объектива, нам нужно установить их на определенном расстоянии одну от другой.

Чтобы точно измерить это расстояние, можно воспользоваться несложным прибором, показанным на таблице (справа). Он состоит из миллиметровой линейки и двух движков, сделанных из жести. К каждому движку прикрепляются язычки с кольцами на концах, которые также можно сделать из жести. На нижнее кольцо кладется объектив, на верхнее — окуляр, и прибор ставится вертикально. На дощечку под объектив кладется кусочек тонкой материи, например шелка.

Установив объектив на небольшом расстоянии от предмета и приставив окуляр вплотную к глазу, будем очень плавно и медленно увеличивать расстояние между окуляром и объективом. Проделывая этот опыт, мы найдем такой момент, когда сильно увеличенное изображение предмета будет довольно хорошо видно. Тогда, не сдвигая объектива и не смещая головы, чуть отодвинем окуляр от глаза, приблизив его к объективу. Изображение станет вполне четким. Это и есть нужное положение.

Проведя наблюдение, легко сосчитать по линейке расстояние между окуляром и объективом. Запомнив или записав найденное расстояние, продолжим опыт. Осторожно приближая объектив к предмету, будем тем же путем — перемещением окуляра — искать положение наиболее ясного видения.

Проделывая это, мы заметим, что с приближением объектива к предмету степень увеличения будет возрастать, однако при этом расстояние между объективом и окуляром будет быстро увеличиваться и может достигнуть слишком больших размеров. Видимое в микроскопе поле при этом будет уменьшаться.

Наконец, когда расстояние между объективом и предметом станет слишком коротким, изображение в микроскопе получить будет невозможно; поэтому приближать слишком сильно объектив к предмету не следует.

На этом опыте мы убедились в том, что, изменяя расстояние между объективом и предметом, можно изменять (правда, в небольших пределах) степень увеличения, даваемого микроскопом. Значит, лучше сделать микроскоп так, чтобы расстояние между предметом и объективом можно было в некоторых небольших пределах менять. Соответственно этому и окуляр нужно вмонтировать в трубку так, чтобы расстояние между ним и объективом также можно было изменять в некоторых пределах. Такое устройство необходимо также и для наводки на резкость, или на фокус.

Закрыть Как отключить рекламу?

Если при измерении расстояний будет допущена небольшая ошибка, это не беда. Такая ошибка не страшна, так как трубки для окуляра и объектива можно сделать чуть подлиннее — это даст необходимый запас для передвижения объектива и окуляра.

Какие нужны линзы

Какие же линзы более всего подходят для самодельного микроскопа?

Для объектива нужно постараться достать сильно увеличивающую линзу — с очень коротким фокусным расстоянием. У совершенных, дорогих микроскопов фокусное расстояние объектива не превышает 2 Такие объективы состоят иногда из десяти линз; одну линзу с таким фокусным расстоянием подобрать очень трудно, и работать она будет плохо; мы возьмем линзу с фокусным расстоянием в 20–25 мм. Диаметр этой линзы может быть не больше 6–7 мм. Если линза большего диаметра, края ее можно закрыть диафрагмой — черным бумажным или картонным кружком с отверстием в середине диаметром 6–7 мм.

Для окуляра нужно взять линзу с фокусным расстоянием в 75–80 мм и диаметром не меньше 20 мм. Микроскоп, построенный из таких линз, дает увеличение в тридцать-сорок раз и будет при этом не очень велик — длина трубки получится примерно 15–20 см. Раздобыв нужные линзы, картон, клей, тушь, приступим к постройке.

Конструкция микроскопа

Детали самодельного микроскопа даны на таблице, слева, а общий вид — в верхнем углу, справа. Микроскоп состоит из двух плотно вдвигающихся друг в друга трубок 1 и 2.Трубки эти лучше всего склеить из плотной бумаги, свернув ее в три четыре слоя. Внутренние поверхности трубок надо покрыть черной тушью.

Наружная трубка имеет донышко с круглым отверстием 3 в центре. Перед этим отверстием укреплена небольшая трубка 4, на конце которой укрепляется объектив 5. Внутренняя трубка 2 в верхней части имеет кольцо 6 с укрепленным в ней окуляром 7.

Так будет выглядеть наш микроскоп, если его линзы будут небольшого диаметра (примерно такими, как было указано выше).

Для укрепления линз нужно вырезать из картона два узких кольца по диаметру линзы. Одно кольцо вклеивается внутрь трубки, а когда клей подсохнет, на кольцо кладется линза и поверх нее вклеивается второе кольцо. Укрепленные таким образом линзы держатся очень прочно.

С помощью держателя 8, изготовленного из жести и плотно обнимающего трубку эта трубка скрепляется с вертикально стоящим круглым деревянным стержнем Муфта 10 держателя, надевающаяся на стержень 9, должна легко передвигаться вдоль стержня, но по возможности не качаться на нем. Для этого стержень и муфту нужно сделать гладкими, правильной цилиндрической формы. Сбоку этой муфты укрепляется крепящий винт с помощью которого трубку микроскопа можно закреплять на любом расстоянии от предметного столика 12. Для ввинчивания крепящего винта в муфте нужно сделать отверстие, а перед отверстием припаять гайку. Предметный столик делается из фанеры. Это просто небольшая дощечка с отверстием 13, которое должно быть расположено точно под объективом.

Отверстие в столике нужно для тех случаев, когда рассматриваются прозрачные предметы. Такие предметы (например крыло мухи) обычно зажимают между двумя тонкими стеклами. Для скрепления предметного столика со стержнем 9 в нем делается пропил по толщине столика и столик на клею укрепляется в пропиле. Наконец, чтобы микроскоп был устойчив, стержень 9 нижним концом укрепляется в подковообразной подставке 14, Сделанной из толстой доски.

лупа, микроскоп. Предназначение и устройство увеличительных приборов

Люди издревле пытались понять, как устроен окружающий их мир. Проводили исследования, заглядывали внутрь живых существ и делали выводы. Так копился теоретический материал, который стал основой для многих наук.

Методы, которые они использовали, сводились в основном к наблюдению и эксперименту. Однако довольно быстро стало очевидно, что копилка знаний останется наполненной лишь наполовину, если не придумать какие-нибудь более сложные, технически совершенные устройства. Такие, которые позволят заглядывать внутрь, вскрывать глубинные механизмы и рассматривать особенности устройства разных предметов и живых существ.

Методы изучения в биологии

К основным можно отнести следующие:

1. Исторический метод.
2. Описание.
3. Наблюдение.
4. Сравнение.
5. Эксперимент.

Большая часть из них требует вмешательства новых технических устройств, которые бы позволили получать картинку в увеличенном многократно размере. То есть, проще говоря, следует использовать разные увеличительные приборы. Именно поэтому необходимость их конструирования была очевидна.

Ведь только так люди смогли понять, как происходят процессы жизнедеятельности таких крошечных существ, как простейшие и бактерии, микроскопические грибы, лишайники и прочие живые организмы.

Современные разновидности приборов

Среди разнообразия технических конструкций увеличительные приборы занимают особое место. Ведь без них дойти до истины и доказать ту или иную теорию сложно, особенно когда речь идет о микромире.

Современные технологии предлагают следующие разновидности подобных устройств:

1. Лупы. Строение увеличительных приборов такого типа достаточно простое, поэтому среди аналоговых по действию они появились первыми.

2. Микроскопы. Сегодня можно выделить несколько разновидностей:

• оптический или световой;
• электронный;
• лазерный;
• рентгеновский;
• сканирующий зондовый;
• дифференциальный интерферонно-контрастный.

Каждый находит широкое применение не только в биологических науках, но и в химии, физике, космических исследованиях, генной инженерии, молекулярной генетике и так далее.

История развития увеличительных приборов

Конечно, такое шикарное разнообразие и совершенство подобных устройств пришло не сразу. Наиболее сложные конструкции, позволяющие вмешиваться даже в волновые и корпускулярные процессы, появились только в XX-XXI веках.

История же появления и развития приборов для увеличения уходит своими корнями в глубину веков. Так, если говорить о лупах, то раскопки показали, что первые подобные устройства имелись у египтян задолго до нашей эры. Они были выполнены из горного хрусталя и так искусно заточены, что давали увеличение до 1500 раз!

Позже стали изготавливать стеклянные линзы и через них рассматривать интересующие микроскопические предметы. Так продолжалось до XVI века. Затем великий исследователь Галилео Галилей сконструировал свою первую трубу, которая при раскладывании напоминала микроскоп и давала увеличение практически в 300 раз. Это и был прародитель современного микроскопа.

Еще позже, во второй половине XVII века, ученый Торе мастерил небольшие округлые лупы. Они позволяли рассматривать уже при 1500-кратном увеличении. Большим прорывом в развитии микроскопии стали приборы, сконструированные Антони ван Левенгуком. Он выпускал партии микроскопов, которые давали достаточное увеличение, чтобы можно было рассмотреть клеточное строение и мир микроорганизмов.

С тех самых пор увеличительные приборы (лупа, микроскоп) стали неотъемлемой частью практически во всех видах исследований, как в биологических, так и в других науках. Современное же разнообразие технических устройств обязано своим существованием людям с такими именами, как:

• Л. И. Мандельштам.
• Д. С. Рождественский.
• Эрнст Аббе.
• Р. Рихтер и другие.

Строение увеличительных приборов: лупа

Из чего же состоят эти устройства и как работают? Увеличительные приборы — лупа, микроскоп — в своей основе имеют, в принципе, одинаковое строение. Действие основано на применении специальных стекол — линз.

Увеличительный прибор лупа представляет собой выпуклую линзу, которая обрамлена в специальную наружную рамку — оправу. Сама линза — это специальное оптическое стекло, имеющее двустороннюю выпуклость. Оправа может быть любая:

• металлическая;
• пластиковая;
• резиновая.

Такие увеличительные приборы, как лупы, позволяют получать изображения в 25-кратном размере. Конечно, существуют разные по данному показателю устройства. Какие-то лупы дают увеличение в 2 раза, а более модернизированные и совершенные — даже в 30.

Какие бывают лупы?

Основное место использования лупы — урок биологии. Увеличительные приборы подобного плана позволяют рассматривать мелкие структуры строения растений и животных. Использоваться могут разные варианты изделий.

1. Лупа штативная — такой прибор, в котором линза закрепляется в специальной оправе на штативе для удобства использования.
2. Прибор с ручкой. При таком варианте в оправу встроена небольшая удобная ручка, при помощи которой можно отрегулировать качество изображения, приближая или удаляя устройство.
3. Лупа с подсветкой и встроенным компасом. Такая пригодится для полевых исследований в лесной таежной местности. Наличие диодных лампочек позволит проводить наблюдения даже в ночное время суток.
4. Лупа карманного варианта, складывающая и накрывающаяся крышкой. Очень удобный вариант для постоянного ношения с собой.

Также очень распространены комбинированные варианты между перечисленными: штативная с подсветкой, карманная на шнурке или с ручкой и так далее.

Микроскоп — увеличительный прибор

Какое устройство имеет этот продмет? Сегодня на школьных занятиях используются только такие увеличительные приборы: лупа, микроскоп. Со строением, работой и разновидностями первого устройства мы уже разобрались. Однако для изучения более глубинных процессов, протекающих в клетках, рассматривания бактериального состава воды и так далее, увеличительные способности лупы оказываются явно недостаточными.

В этом случае основным рабочим инструментом становится микроскоп, чаще всего обычный, световой или оптический. Рассмотрим, какие структурные части входят в его состав.

1. Основа всей конструкции — штатив. Он представляет собой элемент изогнутой формы, к которому крепятся все остальные части прибора. Его широкая основа — это то, на чем держится весь микроскоп в целом и благодаря чему он устойчиво закрепляется в стоячем положении.
2. Зеркальце, которое крепится к штативу с нижней части прибора. Оно необходимо для улавливания солнечного света и направления пучка на предметный столик. Закрепляется оно с двух сторон на подвижных шарнирах, что облегчает процесс настройки света.
3. Предметный столик — неподвижно закрепленная на штативе конструкция, чаще всего округлой или прямоугольной формы, снабженная металлическими закрепителями. Именно на него устанавливается исследуемый микропрепарат, который с двух сторон четко фиксируется и сохраняет неподвижность.
4. Зрительная трубка, которая с одной стороны заканчивается окуляром, а с другой — объективами разного увеличения. Также надежно прикреплена к штативу.
5. Объективы располагаются сразу над предметным столиком и служат для фокусирования и увеличения изображения. Чаще всего их три, каждый можно переместить и закрепить в зависимости от надобности.
6. Окуляр является вершиной зрительной трубки, и он предназначен непосредственно для наблюдения за объектом.
7. Последняя важная часть, которую имеют все увеличительные приборы подобного рода — макро- и микровинты. Они служат для регулировки перемещения зрительной трубки с целью настраивания самого лучшего качества изображения.

Очевидно, что строение микроскопа не слишком сложно. Однако это характерно только для оптических моделей. Среднее увеличение, которое способен давать световой микроскоп, — не более 300 раз.

Если же говорить о современных конструкциях, дающих увеличение в тысячи раз, то их структура намного сложнее.

Какие бывают микроскопы и где используются?

Существуют разные типы микроскопов. Самый простой из них, световой или оптический, составляет основную массу конструкций для использования школьниками. Лупа и микроскоп — самые приемлемые увеличительные приборы. 6 класс (биология — это школьный предмет, на уроках по которому используются эти объекты) подразумевает знакомство с устройством, принципами работы данных приборов.

Однако школьникам следует дать понятие и о тех видах микроскопов, с которыми работают ученые, физики, химики, биологи, астрономы и так далее. Таких можно выделить 5 основных, они были перечислены выше. Лазерные и электронные устройства позволяют получать изображения, в сотни тысяч раз превосходящие истинные размеры. Это позволяет заглянуть внутрь даже самых мелких частиц и сделать массу открытий в разных областях науки и техники.

Приготовление препаратов для микроскопа

Урок «Устройство увеличительных приборов» — не единственный в школьном курсе изучения, который касается работы с подобными устройствами. Наряду со строением и правилами пользования, детям следует заложить основы знаний о приготовлении микропрепаратов для рассмотрения.

Для этого используют следующие элементы:

• предметное стекло;
• покровное стеклышко;
• препаровальную иглу;
• фильтровальную бумагу;
• пипетку;
• воду.

Если необходимо рассмотреть, например, кожицу лука, то следует аккуратно отпрепарировать ее иглой и в виде тонкой пленочки положить на предметное стекло. Помещать нужно в заранее сформированную при помощи пипетки каплю воды. Сверху препарат накрывается тонким покровным стеклышком и крепко прижимается. Излишки жидкости удаляются прикосновением фильтровальной бумаги. Нужно тщательно следить, чтобы под покровным стеклом не оказалось пузырьков воздуха, иначе в микроскоп будут видны только они.

Заводские препараты или фиксированные

Помимо изготовления «живых» препаратов, в школах часто используются готовые, фиксированные. Они окрашены и более информативно насыщенные, так как изготовлены по особым технологиям с высокой долей естественности. По ним можно освоить микростроение всех известных элементов строения как животных, так и растений. Кроме того, фиксированные препараты дают возможность изучить бактерии, микроскопические грибы, простейших прочих мелких существ.

Изучение увеличительных приборов в школе

Как мы уже отмечали выше, в школе обязательно изучаются увеличительные приборы. 6 класс — это начало в освоении принципа работы, основ строения приборов.

Также именно в этот период закладываются умения самостоятельно устанавливать препарат на предметный столик, улавливать свет и рассматривать изображение, добиваясь высокой четкости в настраивании. На последующих ступенях обучения дети уже уверенно используют микроскопы и лупы для самых разных исследований, так как полностью владеют техникой использования устройств.

Лабораторные работы в школе с использованием световых микроскопов

Таких на самом деле достаточно много. Каждый учитель сам решает, какие виды работ следует проводить. Ведь все зависит от количества оборудования и его работоспособности. Самыми распространенными лабораторными исследованиями, требующими использования увеличительных приборов, являются следующие:

1. Изучение строения листа растения.
2. Изучение процесса транспирации растений. Строение устьиц.
3. Гифы плесневых грибов.
4. Споры растений, их строение.
5. Изучение внутреннего состава клетки и другие.

изображений под микроскопом при разном увеличении

Вам нужны примеры изображений с разным увеличением под микроскопом?

Различные изображения ниже были сделаны с помощью микроскопов двух разных типов. Изображения древесины павловнии, волос и крови лягушки были получены с помощью составного микроскопа высокой мощности с использованием адаптера камеры Nikon. Составной микроскоп обычно имеет три или четыре увеличения — 40x, 100x, 400x, а иногда и 1000x.

• При увеличении 40x вы сможете видеть 5 мм.
• При 100-кратном увеличении размер изображения составляет 2 мм.
• При увеличении 400x вы сможете видеть 0,45 мм или 450 микрон.
• При увеличении 1000x вы сможете видеть 0,180 мм или 180 микрон.
  

Изображения подсолнечника с куколкой моли были получены с помощью маломощного или стереомикроскопа. Стереомикроскоп — хороший инструмент для просмотра насекомых, монет, листьев и всего, что вы можете держать в ладони, но при этом необходимо увидеть больше деталей на предмете.Изображения бабочки были получены с помощью камеры OIympus с использованием адаптера цифровой зеркальной камеры.

Древесина павловнии под сложным микроскопом

Эти изображения любезно предоставлены Робертом Лавинем. Павловния — лиственные деревья, произрастающие на большей части территории Китая. Дерево удачи Павловния — быстрорастущее дерево, которое часто выращивают в коммерческих целях для производства древесины лиственных пород. Более подробную информацию о Павловнии Вуд можно найти здесь.

Человеческие волосы под сложным микроскопом

Кровь лягушки под сложным микроскопом

Куколка моли под стереомикроскопом

Вы можете найти эти похожие статьи интересными и полезными:

Типы микроскопов

Что такое составной микроскоп?

Что такое стереомикроскоп?

Микроскоп

Микроскопы и цифровая фотография — Quekett Microscopical Club

Домой | Начиная с микроскопов | Микроскопы и цифровая фотография

Цифровые камеры сделали запись фотографий через микроскоп простой и увлекательной! Раньше фотографирование с помощью микроскопа — микрофотография — было сложной задачей, и для достижения хороших результатов требовался многолетний опыт.Цифровые камеры сделали микрофотографию доступной для всех. Практически любую цифровую камеру можно использовать практически с любым микроскопом, хотя самый простой путь к успеху — использовать зеркалку со съемным объективом, соединенную с вертикальной фототрубкой микроскопа и использовать окуляр для проецирования изображения непосредственно на датчик камеры.

Цифровая зеркалка на тринокулярном микроскопе

Камеры с фиксированными объективами (компактные и мостовые камеры) также могут использоваться, хотя требуется больше изобретательности, чтобы разработать муфты для удержания объектива камеры непосредственно над окуляром микроскопа.

Компактная камера, прикрепленная к микроскопу

Одна потенциальная проблема с микрофотографией состоит в том, что незначительные вибрации «усиливаются» через микроскоп, что приводит к нечетким изображениям. Этого можно избежать, используя медленные выдержки, «запирая» зеркало на зеркальных фотокамерах перед открытием затвора и используя устройства дистанционного управления для срабатывания затвора. К счастью, на помощь приходят технологии, и все большее количество зеркальных фотокамер позволяют просматривать изображение с сенсора (устраняя вибрацию от подъема зеркала) и запускать экспонирование электронным способом (устраняя вибрацию от открытия затвора).

Микроскоп открывает удивительный мир структур и цветов, который можно записать с помощью цифровой камеры. Затем можно использовать бесплатное или дешевое программное обеспечение для обработки или улучшения изображений для получения потрясающих результатов, которые были невозможны во времена пленочных фотоаппаратов. Одним из наиболее полезных методов для фотографа является наложение изображений, при котором ограниченная глубина резкости микроскопа преодолевается путем получения нескольких изображений с разными уровнями фокуса и их объединения с использованием дешевого программного обеспечения для получения одного изображения с большой глубиной резкости. .

Изображения (слева направо): хоботок мясной мухи (большое увеличение), хоботок мясной мухи (малое увеличение), устьица в кутикуле Araucaria imbricata

Многие фотографы специализируются на настоящей макрофотографии (изображения в диапазоне от натурального размера до увеличения × 50), что создает проблемы с оборудованием и техникой для тех, кто хочет довести свои навыки до предела.

Многие члены Quekett являются опытными фотомикрографами и макрофотографами и выиграли международные призы за свою работу, некоторые из них используют простейшее оборудование и достигают превосходных результатов.

Хотите узнать больше?

У нас есть еще 2 страницы по цифровой микрофотографии:

В разделе «Ресурсы» также есть страницы, посвященные конкретным аспектам цифровой микрофотографии, включая масштабные линейки, наложение и сшивание.

Дэвид Линстед, один из самых опытных фотографов Клуба, сделал следующее введение в фотографию через микроскоп. Он отформатирован как слайд-шоу, поэтому для перехода от одного слайда к другому используйте клавиши со стрелками на клавиатуре.

↑ Начало страницы

микроскопов | Национальное географическое общество

Микроскоп — это инструмент, который используется для увеличения небольших объектов. Некоторые микроскопы можно использовать даже для наблюдения за объектом на клеточном уровне, что позволяет ученым увидеть форму клетки, ее ядра, митохондрии и другие органеллы. Современный микроскоп состоит из множества частей, но наиболее важными из них являются линзы. Именно через линзы микроскопа изображение объекта можно увеличить и рассмотреть в деталях. Простой световой микроскоп манипулирует тем, как свет попадает в глаз, с помощью выпуклой линзы, у которой обе стороны линзы изогнуты наружу. Когда свет отражается от объекта, который рассматривается под микроскопом, и проходит через линзу, он наклоняется к глазу. Это делает объект больше, чем он есть на самом деле.

За время существования микроскопа технологические инновации сделали его более простым в использовании и улучшили качество получаемых изображений. Составной микроскоп, состоящий как минимум из двух линз, был изобретен в 1590 году голландскими мастерами по производству очков Захариасом и Хансом Янсеном.Некоторые из самых ранних микроскопов были также сделаны голландцем по имени Антуан Ван Левенгук. Микроскопы Левенгука представляли собой небольшой стеклянный шар, помещенный в металлический каркас. Он стал известен тем, что использовал свои микроскопы для наблюдения за пресноводными одноклеточными микроорганизмами, которые он называл «анималкулами».

В то время как некоторые старые микроскопы имели только одну линзу, современные микроскопы используют несколько линз для увеличения изображения. В составном микроскопе и в препаровальном микроскопе (также называемом стереомикроскопом) есть два набора линз.Оба этих микроскопа имеют линзу объектива, которая находится ближе к объекту, и окуляр, через которую вы смотрите. Линза окуляра обычно увеличивает объект, чтобы он выглядел в десять раз больше его фактического размера, в то время как увеличение линзы объектива может варьироваться. Составные микроскопы могут иметь до четырех линз объектива с разным увеличением, и микроскоп можно отрегулировать, чтобы выбрать увеличение, которое наилучшим образом соответствует потребностям зрителя. Общее увеличение, которое обеспечивает определенная комбинация линз, определяется путем умножения увеличений окуляра и используемой линзы объектива.Например, если и окуляр, и линза объектива увеличивают объект в десять раз, объект будет казаться в сто раз больше.

Рассекающий микроскоп обеспечивает меньшее увеличение, чем составной микроскоп, но дает трехмерное изображение. Это делает препаровальный микроскоп подходящим для просмотра объектов, которые больше нескольких клеток, но слишком малы, чтобы их можно было рассмотреть человеческим глазом в деталях. Составной микроскоп обычно используется для наблюдения за объектами на клеточном уровне.

Интернет-кампус ZEISS Microscopy | Основы микроскопии

Введение

Микроскопы — это специализированные оптические инструменты, предназначенные для получения увеличенных визуальных или фотографических (включая цифровые) изображений объектов или образцов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. В совокупности эта разнообразная группа инструментов включает в себя не только конструкции с несколькими линзами (составной микроскоп , ) с объективами и конденсаторами, но также состоит из очень простых инструментов с одной линзой, которые часто переносятся в ручную, таких как лупа для фотографий или обычное увеличительное стекло. стекло.Умение пользоваться микроскопом может освоить практически любой человек. Несмотря на то, что поначалу сложный набор переключателей, фильтров, регуляторов, ползунков, надписей на окулярах и цветных колец на объективе может сбивать с толку, они легко распознаются за короткий промежуток времени. Методы работы основаны на условных обозначениях, которые редко меняются, поэтому, как только новичок начинает понимать и применять основные принципы техники, успех почти наверняка будет в пределах досягаемости. Многолетняя практика, совершенствование и внесение индивидуальных творческих изменений в стандартную методологию в конечном итоге могут превратить новичка в мастера-микроскописта.

В связи с тем, что большое количество пользователей микроскопов полагается на прямое наблюдение за образцом, критически важно понимать взаимосвязь между микроскопом и человеческим глазом. Независимо от технического прогресса, человеческий глаз как зрительный детектор (в сочетании с мозгом) является наиболее эффективной системой обработки изображений из когда-либо встречавшихся. Не существует искусственных устройств, которые могли бы сравниться со способностями человеческого глаза в отношении скорости изображения и разрешения.Однако принципы работы, лежащие в основе современных камер, во многом зависят от строения и работы глаза (см. Анатомическое описание на рисунке 1). Вместе с линзой, регулируемой мышцами, изогнутая поверхность роговицы проецирует оптическое изображение на сетчатку (детектор). Уровень падающей яркости регулируется через переменный диаметр радужной оболочки (подобно оптической диафрагме) под контролем определенных мышц. Резкое изображение создается гибкой линзой, фокусное расстояние которой изменяется другим набором мышц, так что фокусировка возможна на любом объекте на расстоянии примерно от 20 сантиметров до бесконечности.Само изображение обнаруживается на сетчатке примерно 130 миллионами фоторецепторных палочек (отвечающих за распознавание уровней серого) и 7 миллионами фоторецепторных колбочек (распознавание цвета), а затем передается в мозг по кратчайшему пути через зрительный нерв. .

Световые лучи, показанные на рисунке 2, образуют угол обзора 30 градусов, чтобы продемонстрировать приспособление человеческого глаза к наблюдению за объектами на различных расстояниях. В этом случае летящая утка наблюдается на расстоянии 50 метров, а ближайшая бабочка — на гораздо более близком расстоянии 25 сантиметров. Объекты, находящиеся очень близко к глазу, не могут получить фокусировку изображения на сетчатке из-за ограниченной способности хрусталика глаза изменять свою форму. Более того, нецелесообразно приближаться к просматриваемому объекту ближе, чем примерно на 10 сантиметров, из-за того, что угол обзора становится чрезвычайно малым, поэтому многие детали неузнаваемы. Например, если вы хотите поближе познакомиться с тонкими капиллярами, находящимися в стебле растения (см. Рисунок 3), вы должны вырезать тонкий срез стебля, поместить его на предметное стекло микроскопа и защитить его с помощью покровное стекло (как показано на рисунке 3 (а)).Даже в этом случае, если вы поднесете готовый образец к свету, вы обнаружите, что еще предстоит раскрыть много деталей. Многие сложные детали, которые вы хотите увидеть, имеют диаметр всего одну сотую или даже одну тысячную миллиметра, поэтому их невозможно распознать с такого большого расстояния, потому что углы обзора слишком малы, чтобы детали могли достигнуть различных рецепторов на сетчатке. Похожая ситуация возникает, когда мы пытаемся наблюдать за уткой с расстояния 200 метров. Множество замысловатых деталей на крыльях и цветных отметинах на птице невозможно распознать с такого большого расстояния, потому что углы обзора слишком малы.Концепция увеличения

Более пятисот лет назад были разработаны простые стеклянные лупы для наблюдения за очень маленькими объектами. Такие инструменты состояли из одной или нескольких выпуклых линз (толще в центре, чем на периферии), которые позволяли фокусировать образец или объект с помощью лупы, расположенной между объектом и глазом. Иногда их называют простыми микроскопами , они отображают изображение на сетчатке путем увеличения посредством процесса, который увеличивает угол обзора на сетчатке.На рисунке 4 представлена ​​иллюстрация того, как работает простая двояковыпуклая линза. Изображение воспринимается глазом так, как если бы оно находилось на расстоянии 10 дюймов или 25 сантиметров (эталонное или условное расстояние просмотра). Хотя изображение образца, кажется, находится на той же стороне линзы, что и сам образец, его нельзя спроецировать на экран. Такие изображения называются виртуальными изображениями , и они выглядят вертикально, а не перевернутыми. В составном микроскопе изображение кажется плавающим в пространстве чуть ниже верхней части тубуса (на уровне неподвижной диафрагмы окуляра), куда вставлен окуляр.То, что вы наблюдаете, не ощутимо; это невозможно понять. Скорее, это карта или изображение образца в различных цветах и ​​/ или оттенках серого от черного до белого.

Более чем 8-кратное или 10-кратное увеличение не очень полезно для простой двояковыпуклой линзы из-за получаемого в результате небольшого поля зрения и того факта, что линзу необходимо подносить очень близко к глазу. Чтобы добиться большего увеличения, мы должны использовать составной микроскоп, который был первоначально разработан братьями Янссен в Нидерландах и Галилео в Италии примерно в начале 1600-х годов.В своей простейшей форме прибор состоит из двух выпуклых линз, выровненных последовательно: предметного стекла (чаще называемого объективом), расположенного ближе к объекту или образцу, и линзы окуляра (окуляра), расположенной ближе к глазу наблюдателя (с средства регулировки положения образца и линз микроскопа). Составной микроскоп обеспечивает двухступенчатое увеличение, когда объектив проецирует увеличенное изображение в трубку корпуса микроскопа, а окуляр дополнительно увеличивает проецируемое изображение.Общее увеличение равно увеличению объектива, умноженному на увеличение окуляра:

Первые составные микроскопы были ограничены оптическими аберрациями (как хроматическими, так и сферическими). Такие дефекты возникают из-за того, что белый свет состоит из многих длин волн, и когда световые волны проходят через периферию линзы, они не фокусируются на тех, которые проходят через центр.Изображения, которые создавали первые микроскопы, часто были размыты красочными ореолами, пока производители линз в середине 1700-х годов не обнаружили, что путем объединения двух линз, сделанных из стекла с разной цветовой дисперсией, можно уменьшить или устранить большую часть хроматической аберрации. Современные микроскопы часто имеют модульную конструкцию со сменными частями для различных целей и могут иметь несколько линз, расположенных одна за другой, что обеспечивает увеличение до 2000x и выше, а также возможность получения изображений с поразительной четкостью и контрастом.

На рисунке 5 показан принцип работы оптической системы с коррекцией цвета на бесконечность ( ICS ), которая используется в современном микроскопе с тубусной линзой в качестве дополнительной опоры для объектива. На пути луча микроскопа (рис. 5 (а)) объект или образец регистрируется объективом и сначала проецируется на бесконечность параллельным пучком волновых фронтов или лучей. Фактически, световые лучи, исходящие из одной точки образца, проходят по прямым параллельным линиям позади объектива.Затем линза трубки работает аналогично камере, фокусируя пучки параллельных лучей, создавая увеличенное промежуточное изображение, расположенное внутри окуляра в его передней фокальной плоскости. Окуляр, действующий как вторая лупа, переводит размер промежуточного изображения в параллельные лучи. В результате угол обзора сложной сложной системы микроскопа намного больше, чем при прямом наблюдении (рис. 5 (b)), когда объект виден непосредственно с расстояния примерно 25 сантиметров. Область, где эти параллельные пучки пересекаются, называется точкой глаза , и именно там должна располагаться радужная оболочка глаза. Роговица и хрусталик глаза фокусируют эти параллельные лучи на сетчатке. Как описано выше, общее увеличение равно увеличению объектива, умноженному на увеличение окуляра. В этом иллюстративном примере общее увеличение микроскопа составляет 100x (10-кратный объектив с 10-кратным окуляром).

При выбранной числовой апертуре (синус угловой апертуры объектива, умноженный на показатель преломления среды формирования изображения), где микроскоп представляет увеличенное изображение с величиной, эквивалентной пределу разрешения человеческого глаза, дальнейшее увеличение сверх этого точки не приводит к разрешению даже более мелких деталей образца.Диапазон полезного общего увеличения для комбинации объектива и окуляра определяется числовой апертурой системы. Существует минимальное увеличение, необходимое для того, чтобы детали изображения были различимы глазом, и это значение обычно устанавливается в 500 раз больше числовой апертуры (500 x NA ). На другом конце спектра максимальное полезное увеличение изображения обычно устанавливается в 1000 раз больше числовой апертуры (1000 x NA ).Этот предел определяется волновой природой света, налагаемой дифракцией на объектив. Увеличение, превышающее это значение, не даст дополнительной полезной информации о более высоком разрешении деталей изображения и обычно приводит к ухудшению качества изображения. Превышение предела полезного увеличения приводит к тому, что изображение страдает от пустого увеличения , где увеличение увеличения через окуляр или линзу промежуточной трубки только приводит к увеличению изображения без соответствующего увеличения разрешения деталей.

Эти основные принципы увеличения лежат в основе работы и конструкции составного микроскопа. Разработка этих принципов привела к развитию за последние несколько сотен лет современных сложных инструментов, способных производить высококачественные изображения от малого до большого увеличения.

Увеличение

Что на самом деле означает увеличение 30 000: 1? | Science Lab

Поле объекта (OF) — это часть объекта, которая воспроизводится на окончательном изображении. Он также известен как поле зрения микроскопа (FOV). Таким образом, детали объекта можно наблюдать только в том случае, если они присутствуют в поле объекта.

Если смотреть в окуляры, OF представляет собой видимое круглое изображение части образца. Размер OF (см. Уравнение 12) зависит от числа поля (FN) окуляра, а также от увеличения объектива и линз трубки (см. Рисунок 3).

Поле объекта в цифровой микроскопии имеет прямоугольную форму из-за природы датчика изображения, принимающего изображение, и монитора, который его отображает (см. Рисунок 3).Он выражается в ширине и высоте в миллиметрах. При цифровой микроскопии необходимо следить за тем, чтобы изображение, создаваемое оптической системой, было достаточно большим, чтобы покрыть весь датчик изображения. В этом случае OF может ограничиваться либо датчиком изображения, либо дисплеем. В любом случае необходимо учитывать физический размер активной области, определяемый количеством активных пикселей по высоте и ширине, а также их физическим размером (шагом пикселя).