Отличия между цифровыми микроскопами и оптическими
Отличия между цифровыми микроскопами и оптическими
Оптический микроскоп, который также называют световой микроскоп, является устройством использующим видимый свет и систему линз для увеличения изображения образцов. Оптические микроскопы являются самым старейшим видом оптических приборов для получения увеличенных изображений объектов, возможно, первые из них были разработаны в 17 веке. Изображение полученное с помощью оптического микроскопа может быть захвачено обычной светочувствительной фотокамерой для создания микрофотографий. Фотокамера может монтироваться вместо штатных окуляров или в отдельный оптический порт. Такие микроскопы именуются тринокулярными.
Цифровой микроскоп
Цифровой микроскоп - это микроскоп оснащенный цифровой камерой позволяющей исследовать образцы через компьютер. Такие микроскопы могут обладать частичным или полным компьютерным управлением с различным уровнем автоматизации. Цифровая микроскопия позволяет выполнять более глубокий анализ увеличенного изображения, например, измерение расстояний и площадей.
Цифровые USB микроскопы малой мощности, в упрощении представляют собой web камеры, подключаемые к компьютеру через USB порт. В таких микроскопах не используется поток проходящего света, а применяются встроенные светодиоды и падающий от них свет. Лучи света отражаются от образца и попадают в фотообъектив, через USB порт увеличенное изображение отображается на мониторе компьютера. Увеличенное таким образом видео и фотоизображение может быть сохранено на компьютере либо обработано в реальном режиме времени. Цифровые USB микроскопы малой мощности с увеличением 200x широко доступны потребителю из-за своей низкой стоимости, от 1190 рублей (Supereyes B005). Кроме микроскопов малой мощности, существуют и более мощные устройства: с возможностью увеличения 300x (Supereyes B010), 500x (Supereyes B008), 1000x (Supereyes T001 2M).
Цифровой USB микроскоп является универсальным инструментом, который поможет при изучении и исследовании плоских объектов, таких как монеты, печатные платы, документы, кожа, разнообразные растения и многое другое.
Преимущества цифровых микроскопов перед оптическими
Цифровые USB микроскопы обладают рядом преимуществ перед оптическими, такими как размер самого микроскопа, возможность проведения фото и видео записи, обработка изображения в реальном времени, выполнение различных измерении и многое другое.
Микроскоп как оптическая система
Немного о биологических микроскопах
Биологические микроскопы
- это, пожалуй, самый распространенный тип оптических приборов для изучения микромира. Благодаря своей универсальности и простоте использования, этот тип микроскопов нашел широкое применение в ботанике, гистологии , цитологии , микробиологии и медицине. Достаточно активно используют биологические микроскопы
и в отраслях, особо не связанных с биологией: с их помощью проводят изучение прозрачных и полупрозрачных объектов в химии, физике, а также во многих других сферах деятельности человека, где требуется проведение исследований при большом увеличении.
Современные производители предлагают широкий ассортимент моделей биологических микроскопов, в конструкции которых используются разнообразные дополнительные принадлежности, значительно расширяющие их функциональные возможности:
- различные виды источников освещения; конденсоры, работающие по принципам светлого и темного полей; наборы для исследований по методам фазового-контраста и поляризации; микрометры для проведения измерений с помощью окуляров со шкалой, или с помощью специального программного обеспечения ; адаптеры для подключения цифровых камер и фотоаппаратов; различные светофильтры для улучшения контраста видимого изображения объекта исследования.
Биологические микроскопы
или иначе их называют лабораторные микроскопы, использующиеся в исследовательской деятельности, оснащаются наборами объективов, различающихся разно степенью ахроматической коррекции (ахроматы, планахроматы, апохроматы и т. п.). К каждому набору объективов прилагается свой комплект окуляров, с помощью которых изображение формируемое объективами преобразуется в понятный для восприятия глазами свет. С помощью специальной тринокулярной насадки можно проводить как визуальное наблюдение, так и выводить его на монитор персонального компьютера, а также фотографировать полученное изображение.
Изображения, поступающие с цифровых лабораторных микроскопов, а также с лабораторных микроскопов с тринокулярной насадкой, отличаются яркостью и четкостью, качественной цветопередачей.
Лабораторные микроскопы интересны чаще всего людям, занимающимся научными исследованиями, но также могут быть используемы для учебных целей в школах и институтах.
Основные части микроскопа. Устройство оптических микроскопов
Видео :
Микроскоп. Microscope 1
http://youtu. be/2CjnKhXu4ig
http://youtu. be/Aci8yAYrq0U
В отличие от лупы, микроскоп имеет, как минимум, две ступени увеличения. Функциональные и конструктивно-технологические части микроскопа предназначены для обеспечения работы микроскопа и получения устойчивого, максимально точного, увеличенного изображения объекта. Здесь мы рассмотрим устройство микроскопа и постараемся описать основные части микроскопа.
Устройство микроскопа делится на 3 функциональные части:
1. Осветительная часть
Предназначена для создания светового потока, который позволяет осветить объект таким образом, чтобы последующие части микроскопа предельно точно выполняли свои функции. Осветительная часть микроскопа проходящего света расположена за объектом под объективом в прямых микроскопах (например, биологические, поляризационные и др.) и перед объектом над объективом в инвертированных.
Осветительная часть конструкции микроскопа включает (лампа и электрический блок питания) и оптико-механическую систему (коллектор , конденсор, полевая и апертурная регулируемые/ирисовые диафрагмы).
2. Воспроизводящая часть
Предназначена для воспроизведения объекта в плоскости изображения с требуемым для исследования качеством изображения и увеличения (т. е. для построения такого изображения, которое как можно точнее и во всех деталях воспроизводило бы объект с соответствующим оптике микроскопа разрешением, увеличением, контрастом и цветопередачей).
Воспроизводящая часть обеспечивает первую ступень увеличения и расположена после объекта до плоскости изображения микроскопа.
Воспроизводящая часть включает объектив и промежуточную оптическую систему.
Современные микроскопы последнего поколения базируются на оптических системах объективов, скорректированных на бесконечность. Это требует дополнительно применения так называемых тубусных систем, которые параллельные пучки света, выходящие из объектива, «собирают» в плоскости изображения микроскопа.
3. Визуализирующая часть
Предназначена для получения реального изображения объекта на сетчатке глаза, фотоплёнке или пластинке, на экране телевизионного или компьютерного монитора с дополнительным увеличением (вторая ступень увеличения).
Визуализирующая часть расположена между плоскостью изображения объектива и глазами наблюдателя (цифровой камерой).
Визуализирующая часть включает монокулярную, бинокулярную или тринокулярную визуальную насадку с наблюдательной системной (окулярами, которые работают как лупа).
Кроме того, к этой части относятся системы дополнительного увеличения (системы оптовара/смены увеличения); проекционные насадки, в том числе дискуссионные для двух и более наблюдателей; рисовальные аппараты; системы анализа и документирования изображения с соответствующими адаптерами для цифровых камер.
Современный микроскоп состоит из следующих конструктивно-технологических частей:
- оптической; механической; электрической.
Механическая часть микроскопа
Устройство микроскопа включается себя штатив, который является основным конструктивно-механическим блоком микроскопа. Штатив включает в себя следующие основные блоки: основание и тубусодержатель.
Основание представляет собой блок, на котором крепится весь микроскоп и является одной из основных частей микроскопа. В простых микроскопах на основание устанавливают осветительные зеркала или накладные осветители. В более сложных моделях осветительная система встроена в основание без или с блоком питания.
Разновидности оснований микроскопа:
1. основание с осветительным зеркалом;
2. так называемое «критическое» или упрощенное освещение;
3. освещение по Келеру.
1. узел смены объективов, имеющий следующие варианты исполнения - револьверное устройство, резьбовое устройство для ввинчивания объектива, «салазки» для безрезьбового крепления объективов с помощью специальных направляющих;
2. фокусировочный механизм грубой и точной настройки микроскопа на резкость - механизм фокусировочного перемещения объективов или столиков;
3. узел крепления сменных предметных столиков;
4. узел крепления фокусировочного и центрировочного перемещения конденсора;
5. узел крепления сменных насадок (визуальных, фотографических, телевизионных, различных передающих устройств).
В микроскопах могут использоваться стойки для крепления узлов (например, фокусировочный механизм в стереомикроскопах или крепление осветителя в некоторых моделях инвертированных микроскопов).
Чисто механическим узлом микроскопа является предметный столик, предназначенный для крепления или фиксации в определенном положении объекта наблюдения. Столики бывают неподвижные, координатные и вращающиеся (центрируемые и нецентрируемые).
Оптика микроскопа (оптическая часть)
Оптические узлы и принадлежности обеспечивают основную функцию микроскопа - создание увеличенного изображения объекта с достаточной степенью достоверности по форме, соотношению размеров составляющих элементов и цвету. Кроме этого, оптика должна обеспечивать такое качество изображения, которое отвечает целям исследования и требованиям методик проводимого анализа.
Основными оптическими элементами микроскопа являются оптические элементы, образующие осветительную (в том числе, конденсор), наблюдательную (окуляры) и воспроизводящую (в том числе объективы) системы микроскопа.
Объективы микроскопа
Представляют собой оптические системы, предназначенные для построения микроскопического изображения в плоскости изображения с соответствующим увеличением, разрешением элементов, точностью воспроизведения по форме и цвету объекта исследования. Объективы являются одними из основных частей микроска. Они имеют сложную оптико-механическую конструкцию, которая включает несколько одиночных линз и компонентов, склеенных из 2-х или 3-х линз.
Количество линз обусловлено кругом решаемых объективом задач. Чем выше качество изображения, даваемое объективом, тем сложнее его оптическая схема. Общее число линз в сложном объективе может доходить до 14 (например, это может относиться к планапохроматическому объективу с увеличением 100х и числовой апертурой 1,40).
Объектив состоит из фронтальной и последующей частей. Фронтальная линза (или система линз) обращена к препарату и является основной при построении изображения соответствующего качества, определяет рабочее расстояние и числовую апертуру объектива. Последующая часть в сочетании с фронтальной обеспечивает требуемое увеличение, фокусное расстояние и качество изображения, а также определяет высоту объектива и длину тубуса микроскопа.
Классификация объективов
Классификация объективов значительно сложнее классификации микроскопов. Объективы разделяются по принципу расчетного качества изображения, параметрическим и конструктивно-технологическим признакам, а также по методам исследования и контрастирования.
По принципу расчетного качества изображения объективы могут быть:
- ахроматическими; апохроматическими; объективами плоского поля (план).
Ахроматические объективы.
Ахроматические объективы рассчитаны для применения в спектральном диапазоне 486–656 нм. Исправление любой аберрации (ахроматизация) выполнено для двух длин волн. В этих объективах устранены сферическая аберрация, хроматическая аберрация положения, кома, астигматизм и частично - сферохроматическая аберрация. Изображение объекта имеет несколько синевато-красноватый оттенок.
Апохроматические объективы.
Апохроматические объективы имеют расширенную спектральную область, и ахроматизация выполняется для трех длин волн. При этом, кроме хроматизма положения, сферической аберрации, комы и астигматизма, достаточно хорошо исправляются также вторичный спектр и сферохроматическая аберрация, благодаря введению в схему линз из кристаллов и специальных стекол. По сравнению с ахроматами, эти объективы обычно имеют повышенные числовые апертуры, дают четкое изображение и точно передают цвет объекта.
Полуапохроматы или микрофлюары.
Современные объективы, обладающие промежуточным качеством изображения.
Планобъективы.
В планобъективах исправлена кривизна изображения по полю, что обеспечивает резкое изображение объекта по всему полю наблюдения. Планобъективы обычно применяются при фотографировании, причем наиболее эффективно применение планапохроматов.
Потребность в подобного типа объективах возрастает, однако они достаточно дороги из-за оптической схемы, реализующей плоское поле изображения, и применяемых оптических сред. Поэтому рутинные и рабочие микроскопы комплектуются так называемыми экономичными объективами. К ним относятся объективы с улучшенным качеством изображения по полю: ахростигматы (LEICA), СР-ахроматы и ахропланы (CARL ZEISS), стигмахроматы (ЛОМО).
По параметрическим признакам объективы делятся следующим образом:
1. объективы с конечной длиной тубуса (например, 160 мм) и объективы, скорректированные на длину тубуса «бесконечность» (например, с дополнительной тубусной системой, имеющей фокусное расстояние 160 мм);
2. объективы малых (до 10х); средних (до 50х) и больших (более 50х) увеличений, а также объективы со сверхбольшим увеличением (свыше 100х);
3. объективы малых (до 0,25), средних (до 0,65) и больших (более 0,65) числовых апертур, а также объективы с увеличенными (по сравнению с обычными) числовыми апертурами (например, объективы апохроматической коррекции, а также специальные объективы для люминесцентных микроскопов);
4. объективы с увеличенными (по сравнению с обычными) рабочими расстояниями, а также с большими и сверхбольшими рабочими расстояниями (объективы для работы в инвертированных микроскопах). Рабочее расстояние - это свободное расстояние между объектом (плоскостью покровного стекла) и нижним краем оправы (линзы, если она выступает) фронтального компонента объектива;
5. объективы, обеспечивающие наблюдение в пределах нормального линейного поля (до 18 мм); широкопольные объективы (до 22,5 мм); сверхширокопольные объективы (более 22,5 мм);
6. объективы стандартные (45 мм, 33 мм) и нестандартные по высоте.
Высота - расстояние от опорной плоскости объектива (плоскости соприкосновения ввинченного объектива с револьверным устройством) до плоскости предмета при сфокусированном микроскопе, является постоянной величиной и обеспечивает парфокальность комплекта аналогичных по высоте объективов разного увеличения, установленных в револьверном устройстве. Иными словами, если с помощью объектива одного увеличения получить резкое изображение объекта, то при переходе к последующим увеличениям изображение объекта остается резким в пределах глубины резкости объектива.
По конструктивно-технологическим признакам существует следующее разделение:
1. объективы, имеющие пружинящую оправу (начиная с числовой апертуры 0,50), и без нее;
2. объективы, имеющие ирисовую диафрагму внутри для изменения числовой апертуры (например, в объективах с увеличенной числовой апертурой, в объективах проходящего света для реализации метода темного поля, в поляризационных объективах отраженного света);
3. объективы с корректирующей (управляющей) оправой, которая обеспечивает движение оптических элементов внутри объектива (например, для корректировки качества изображения объектива при работе с различной толщиной покровного стекла или с различными иммерсионными жидкостями; а также для изменения увеличения при плавной - панкратической - смене увеличения) и без нее.
По обеспечению методов исследования и контрастирования объективы можно разделить следующим образом:
1. объективы, работающие с покровным и без покровного стекла;
2. объективы проходящего и отраженного света (безрефлексные); люминесцентные объективы (с минимумом собственной люминесценции); поляризационные объективы (без натяжения стекла в оптических элементах, т. е. не вносящие собственную деполяризацию); фазовые объективы (имеющие фазовый элемент - полупрозрачное кольцо внутри объектива); объективы ДИК (DIC), работающие по методу дифференциально-интерференционного контраста (поляризационные с призменным элементом); эпиобъективы (объективы отраженного света, предназначенные для обеспечения методов светлого и темного поля, имеют в конструкции специально рассчитанные осветительные эпи-зеркала);
3. иммерсионные и безыммерсионные объективы.
Иммерсия (от лат. immersio - погружение) - жидкость, заполняющая пространство между объектом наблюдения и специальным иммерсионным объективом (конденсором и предметным стеклом). В основном применяются три типа иммерсионных жидкостей: масляная иммерсия (МИ/Oil), водная иммерсия (ВИ/W) и глицериновая иммерсия (ГИ/Glyc), причем последняя в основном применяется в ультрафиолетовой микроскопии.
Иммерсия применяется в тех случаях, когда требуется повысить разрешающую способность микроскопа или её применения требует технологический процесс микроскопирования. При этом происходит:
1. повышение видимости за счет увеличения разности показателя преломления среды и объекта;
2. увеличение глубины просматриваемого слоя, который зависит от показателя преломления среды.
Кроме того, иммерсионная жидкость может уменьшать количество рассеянного света за счет исчезновения бликов от объекта. При этом устраняются неизбежные потери света при его попадании в объектив.
Иммерсионные объективы. Качество изображения, параметры и оптическая конструкция иммерсионных объективов рассчитываются и выбираются с учетом толщины слоя иммерсии, которая рассматривается как дополнительная линза с соответствующим показателем преломления. Иммерсионная жидкость, расположенная между объектом и фронтальным компонентом объектива, увеличивает угол, под которым рассматривается объект (апертурный угол). Числовая апертура безыммерсионного (сухого) объектива не превышает 1,0 (разрешающая способность порядка 0,3 мкм для основной длины волны); иммерсионного - доходит до 1,40 в зависимости от показателя преломления иммерсии и технологических возможностей изготовления фронтальной линзы (разрешающая способность такого объектива порядка 0,12 мкм).
Иммерсионные объективы больших увеличений имеют короткое фокусное расстояние - 1,5–2,5 мм при свободном рабочем расстоянии 0,1–0,3 мм (расстояние от плоскости препарата до оправы фронтальной линзы объектива).
Маркировка объективов.
Данные о каждом объективе маркируются на его корпусе с указанием следующих параметров:
1. увеличение («х»-крат, раз): 8х, 40х, 90х;
2. числовая апертура: 0,20; 0,65, пример: 40/0,65 или 40х/0,65;
3. дополнительная буквенная маркировка, если объектив используется при различных методах исследования и контрастирования: фазовый - Ф (Рп2 - цифра соответствует маркировке на специальном конденсоре или вкладыше), поляризационный - П (Pol), люминесцентный - Л (L), фазово-люминесцентный - ФЛ (PhL), ЭПИ (Epi, HD) - эпиобъектив для работы в отраженном свете по методу темного поля, дифференциально-интерференционный контраст - ДИК (DIC), пример: 40х/0,65 Ф или Ph2 40x/0,65;
4. маркировка типа оптической коррекции: апохромат - АПО (АРО), планахромат - План (PL, Plan), планапохромат - ПЛАН-АПО (Plan-Аро), улучшенный ахромат, полуплан - СХ - стигмахромат (Achrostigmat, CP-achromat, Achroplan), микрофлюар (полуплан-полуапохромат) - СФ или М-ФЛЮАР (MICROFLUAR, NEOFLUAR, NPL, FLUOTAR).
Оптические системы, предназначенные для построения микроскопического изображения на сетчатке глаза наблюдателя. В общем виде окуляры состоят из двух групп линз: глазной - ближайшей к глазу наблюдателя - и полевой - ближайшей к плоскости, в которой объектив строит изображение рассматриваемого объекта.
Окуляры классифицируются по тем же группам признаков, что и объективы:
1. окуляры компенсационного (К - компенсируют хроматическую разность увеличения объективов свыше 0,8%) и безкомпенсационного действия;
2. окуляры обычные и плоского поля;
3. окуляры широкоугольные (с окулярным числом - произведение увеличения окуляра на его линейное поле - более 180); сверхширокоугольные (с окулярным числом более 225);
4. окуляры с вынесенным зрачком для работы в очках и без;
5. окуляры для наблюдения, проекционные, фотоокуляры, гамалы;
6. окуляры с внутренней наводкой (с помощью подвижного элемента внутри окуляра происходит настройка на резкое изображение сетки или плоскость изображения микроскопа; а также плавное, панкратическое изменение увеличения окуляра) и без нее.
Осветительная система
Осветительная система является важной частью конструкции микроскопа и представляет собой систему линз, диафрагм и зеркал (последние применяются при необходимости), обеспечивающую равномерное освещение объекта и полное заполнение апертуры объектива.
Осветительная система микроскопа проходящего света состоит из двух частей - коллектора и конденсора.
Коллектор.
При встроенной осветительной системе проходящего света коллекторная часть расположена вблизи источника света в основании микроскопа и предназначена для увеличения размера светящегося тела. Для обеспечения настройки коллектор может быть выполнен подвижным и перемещаться вдоль оптической оси. Вблизи коллектора располагается полевая диафрагма микроскопа.
Конденсор.
Оптическая система конденсора предназначена для увеличения количества света, поступающего в микроскоп. Конденсор располагается между объектом (предметным столиком) и осветителем (источником света).
Чаще всего в учебных и простых микроскопах конденсор может быть выполнен несъемным и неподвижным. В остальных случаях конденсор является съемной частью и при настройке освещения имеет фокусировочное перемещение вдоль оптической оси и центрировочное перемещение, перпендикулярное оптической оси.
При конденсоре всегда находится осветительная апертурная ирисовая диафрагма.
Конденсор является одним из основных элементов, обеспечивающих работу микроскопа по различным методам освещения и контрастирования:
- косое освещение (диафрагмирование от края к центру и смещение осветительной апертурной диафрагмы относительно оптической оси микроскопа); темное поле (максимальное диафрагмирование от центра к краю осветительной апертуры); фазовый контраст (кольцевое освещение объекта, при этом изображение светового кольца вписывается в фазовое кольцо объектива).
Классификация конденсоров близка по группам признаков к объективам:
1. конденсоры по качеству изображения и типу оптической коррекции делятся на неахроматические, ахроматические, апланатические и ахроматические-апланатические;
2. конденсоры малой числовой апертуры (до 0,30), средней числовой апертуры (до 0,75), большой числовой апертуры (свыше 0,75);
3. конденсоры с обычным, большим и сверхбольшим рабочим расстоянием;
4. обычные и специальные конденсоры для различных методов исследования и контрастирования;
5. конструкция конденсора - единая, с откидным элементом (фронтальным компонентом или линзой большого поля), со свинчивающимся фронтальным элементом.
Конденсор Аббе - не исправленный по качеству изображения конденсор, состоящий из 2-х неахроматических линз: одной - двояковыпуклой, другой - плосковыпуклой, обращенной к объекту наблюдения (плоская сторона этой линзы направлена вверх). Апертура конденсора, А= 1,20. Имеет ирисовую диафрагму.
Апланатический конденсор - конденсор, состоящий из трех линз, расположенных следующим образом: верхняя линза - плосковыпуклая (плоская сторона направлена к объективу), далее следуют вогнуто-выпуклая и двояковыпуклая линзы. Исправлен в отношении сферической аберрации и комы. Апертура конденсора, А = 1.40. Имеет ирисовую диафрагму.
Ахроматический конденсор - конденсор, полностью исправленный в отношении хроматической и сферической аберрации.
Конденсор темного поля - конденсор, предназначенный для получения эффекта темного поля. Может быть специальным или переделан из обычного светлопольного конденсора путем установки в плоскости ирисовой диафрагмы конденсора непрозрачного диска определенного размера.
Маркировка конденсора.
На фронтальной части конденсора наносится маркировка числовой апертуры (осветительной).
Тема: Микроскоп Работа № 1. Устройство светового микроскопа
Оборудование: микроскоп, постоянный препарат, пенал.
Оформление работы: Записать устройство микроскопа, назначение его частей, правила работы.
Микроскоп – оптико-механический прибор, позволяющий увеличивать рассматриваемый предмет (объект, препарат).
В микроскопе различают оптическую и механическую системы.
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА:
Объектив – самая важная часть микроскопа, который привинчивается к нижней части тубуса. Объектив в микроскопе находится в непосредственной близости от рассматриваемого предмета, за что он и получил свое название. Он состоит из системы оптических линз, вставленных в латунную оправу, и требует весьма бережного обращения и тщательного ухода (никоим образом не следует надавливать объективом на лежащий на предметном столике препарат, так как это может вызвать повреждение или даже выпадение линзы).
Назначение объектива:
1) Строить в трубе микроскопа изображение, геометрически подобное изучаемому предмету.
2) Увеличивать изображение в то или иное число раз.
3) Выявлять подробности, недоступные невооруженному глазу. Объективы в количестве 2-3 штук ввинчиваются в особое приспособление, называемое револьвером (4).
Окуляр – вставляется в верхнюю часть тубуса. В него рассматривается изображение предмета (а не предмет), направленное объективом вверх. Он состоит из системы линз, вставленных в металлический цилиндр. Окуляр строит изображение, увеличивает его, но не выявляет подробности строения.
Конденсор – собирает и концентрирует в плоскости препарата весь свет, отраженный от зеркала. Конденсор состоит из цилиндра (оправы) внутри которого расположены 2 линзы. Поднимая и опуская конденсор можно регулировать освещение препарата.
Диафрагма – расположена в нижней части конденсора. Также как и конденсор служит для регулирования силы света.
Зеркало – служит для улавливания света от источника освещения. Оно подвижно прикреплено под столиком, вращаясь вокруг горизонтальной оси. Зеркало с одной стороны - плоское, с друзой - вогнутое.
МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА:
основание (штатив) или массивная ножка (1); коробка с микромеханизмом (2) и микровинтом (3);
податочный механизм для грубой наводки – макровинт или кремальера (8); предметный столик (4);
винты (5, 6, 12, 13);
головка (9); револьвер (10); клеммы; тубус (11);
дуга или тубусодержвтель(7); Кремальера (макровинт) – служит для приблизительной «грубой» установки на фо-
Микровинт - служит для более тонкой и точной наводки.
Предметный столик – прикрепляется к передней части колонки, на которой помещают исследуемый предмет. На столике имеется 2 клеммы; с их помощью закрепляется препарат. Передвижение препарата осуществляется с помощью винтов, которые расположены сбоку столика.
Тубус – служит для соединения объектива и окуляра, и соединен со штативом таким образом, что может подниматься и опускаться. Передвижение тубуса осуществляется с помощью двух винтов: макрометрического и микрометрического.
Штатив – соединяет все вышеуказанные части микроскопа.
Определение общего увеличения микроскопа
Объектив |
10х |
15х |
||
Определение фокусного расстояния
F8 = 0,9 см ~ 1 см
F40 = 1,2 мм ~ 1 мм
Вспомогательное оборудование (запомнить названия):
1. предметные и покровные стекла;
2. стаканчик или колбочка для воды, пипетка;
3. бритва (лезвие), препаровальные иглы;
4. полоски фильтровальной бумаги, салфетка.
Правила работы с микроскопом:
Работать с микроскопом следует без торопливых и резких движений. В работе с микроскопом соблюдайте чистоту и аккуратность. Оберегайте микроскоп от пыли и загрязнения.
1. Перенос микроскопа осуществляется двумя руками: одной рукой – за тубусодержатель, другой – снизу за основание.
2. Микроскоп устанавливается прямо перед работающим, напротив его левого глаза, и не перемещается.
3. С правой стороны располагаются необходимые инструменты, материалы и альбом для зарисовок.
4. Перед началом работы мягкой (желательно батистовой) тряпочкой протираются от пыли окуляр, объектив, зеркало.
5. Поставив микроскоп на постоянное место, опускаем при помощи микровинта тубус микроскопа, глядя при этом сбоку микроскопа, так, чтобы объектив малого увеличения находился на расстоянии ~ 1 см. от предметного стекла.
6. Каждый объект изучается сначала при малом увеличении, в затем переводят на большое.
7. Для освещения используются естественный свет, но не прямой, солнечный или электрический, лучше матовый.
8. Установка освещения:
а) удалить матовое стекло под конденсором; б)установить конденсор фронтальной линзой на уровень столика микроскопа (под-
нять его с помощью винта; в) открыть полностью диафрагму;
г) установить объектив малого увеличения; д) движением зеркала направить свет так, чтобы, пройдя через объектив, пучок све-
та полностью освещал плоскость входного зрачка объектива.
9. После установки освещения помещаем препарат на предметный столик, чтобы рассматриваемый объект находился под фронтальной линзой объектива малого увеличения. Затем снова опускаем тубус при помощи кремальеры так, чтобы между фронтальной линзой малого объектива и покровным стеклом препарата было расстояние 3-4 мм (при опускании тубуса нужно смотреть не в окуляр, а сбоку на объектив).
10. Глядя в окуляр левым глазом (не закрывая правый), плавно поворачиваем правой рукой винт кремальеры не себя, находим изображение, одновременно левой рукой придаем объекту выгодное положение.
11. Переходя на большое увеличение, переводим револьвер и на место малого увеличения ставим объектив 40 х . При большом увеличении, вращая микровинт, добиваются четкого изображения (вращают микровинт не более чем на пол-оборота). Помните, что при вращении микро- и макровинта по часовой стрелке тубус с объективами опускается вниз, а при обратном вращении поднимается.
12. После работы опять устанавливаем объектив малого увеличения.
13. Только при малом увеличении следует снимать препарат со столика микроскопа. Микроскоп после работы нужно протереть салфеткой и поместить под чехол.
Работа № 2. Работа с микроскопом на малом и большом увеличении.
Оформление работы: Записать технику приготовления препаратов.
Препараты и их приготовление.
Препараты могут быть временные и постоянные. При изготовлении временного препарата объект помещается в каплю прозрачной жидкости - воды или глицерина. Та-
кие препараты не подлежат долгому хранению. В том случае, когда объект исследования помещается в каплю горячего глицерин-желатина или канадского бальзама, затвердевающих при охлаждении. Получается постоянный препарат, который может храниться годами.
На практических занятиях по анатомии растений студенты пользуются как постоянными, так и временными препаратами, изготовленными ими самостоятельно. Для изготовления временного препарата необходимо:
o с помощью пипетки нанести каплю воды или глицерина в центр предметного стекла; o препаровальной иглой поместить объект в каплю приготовленной жидкости;
o осторожно накрыть объект тонким (хрупким) покровным стеклом. Сверху покровное стекло должно оставаться сухим, т.е. вода не должна выходить за его пределы. Избыток воды удаляется с помощью полоски фильтровальной бумаги. Если же жидкости под стеклом мало, можно добавить ее, подведя пипетку к краю покровного стекла, не поднимая его.
o в препарате часто оказываются пузырьки воздуха, которые попадают в него вместе с объектом или при резком, неосторожном опускании покровного стекла и своими контурами мешают изучению объекта. Удалить их можно добавлением воды с одной стороны покровного стекла с одновременным удалением ее с противоположной стороны или легким постукиванием препаровальной иглой по покровному стеклу, держа препарат почти вертикально.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ШКОЛЕ
Полученные знания и практические навыки используются в школьном курсе биологии на уроке «Знакомство с увеличительными приборами» и в процессе преподавания всего курса ботаники и других биологических дисциплин.
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ : Выучить устройство микроскопа, правила работы с ним и технику приготовления препаратов.
Оптический микроскоп широко применяют в научных и промышленных лабораториях, а также в медицине и биологии. В медицине при помощи оптического микроскопа просвечивающего света изучают пленки и тонкие срезы биологических тканей. Нативные препараты смотрят с помощью различных методов контрастирования. Неживые ткани и клетки фиксируют и окрашивают различными красителями, а по цвету и оттенку судят о патологии. Для получения контрастного изображения используют методы темного поля и фазового контраста, а образец иногда подкрашивают. Для геологических исследований минералы полируют до тех нор, пока толщина образца не уменьшится до 50 мкм. После этого их помешают между тонкими предметными стеклами. Для повышения контраста изображения и получения информации об ориентации микрокристаллов часто используется поляризованный свет.
Металлы непрозрачны, поэтому для их исследования необходимо использовать отраженный свет. Оптический микроскоп отраженного света позволяет изучать лишь поверхность металла, структура и оптические свойства которой ответственны за создание контрастного изображения.
Полимеры можно изучать как в отраженном, так и в проходящем свете. Аморфные стеклообразные полимеры чрезвычайно прозрачны, что затрудняет задачу получения контрастного изображения. В отличие от них, кристаллические полимеры изучать при помощи микроскопа проходящего света очень просто. В поляризованном свете микрокристаллы создают контрастное изображение благодаря своей оптической анизотропии. Наполненные композиты с полимерной матрицей можно исследовать в отраженном свете, хотя большое различие механических свойств низкомодульной матрицы и высокомодульного наполнителя усложняет подготовку образца . Кроме того, легкость подготовки образцов и доступность растровых электронных микроскопов повысила интерес к ним. Недостатком растрового электронного микроскопа в сравнении с оптическим является малая чувствительность к степени анизотропии материала. Например, эластомеры (каучукоподобные полимеры) при больших деформациях приобретают молекулярную ориентацию, становятся оптически анизотропными и их удобно изучать при помощи поляризационного оптического микроскопа.
Хотя керамические и полупроводниковые материалы сходны с минералами. обычно их изучают с помощью микроскопа отражающего света несмотря на то, что в некоторых случаях легче приготовить тонкую пластину для микроскопа просвечивающего света. Слабое отражение и сильное поглощение света снижают контраст изображения керамических материалов в отраженном свете, а их химическая стойкость затрудняет поиск травителя для выявления структуры поверхности. Кроме того, присутствие даже малых количеств примеси или допирующих добавок, повышающих проводимость материала, может привести к выпадению микрофаз на границах зерен и изменить поведение образца.
Формирование оптического изображения.
Изображение объекта в оптическом микроскопе формируется при помощи системы стеклянных линз, имеющих более высокий коэффициент (показатель) преломления, чем воздух. Луч света, распространяющийся пол углом к поверхности, на границе раздела двух фаз преломляется, причем направление его распространения в стекле определяется показателем преломления.
В случае двояковыпуклой линзы сферическая форма её передней и задней поверхностей приводит к тому, что параллельный пучок света, падающий на переднюю поверхность, собирается в точку на расстоянии f, которое является характеристикой линзы и называется фокусным расстоянием. Если линза вогнутая (отрицательный радиус кривизны поверхности), параллельный луч за линзой расходится так, как будто он излучается мнимым точечным источником, находящимся перед линзой. Эту точку называют мнимым фокусом, а фокусное расстояние считают отрицательным.
Конструкция оптического микроскопа.
Упрощенная конструкция оптического микроскопа отраженного света приведена на рис. 1. Микроскоп имеет три основные системы - осветительную систему, штатив микроскопа, включающий предметный столик, и систему построения изображения.
Источник света и конденсор.
Осветительная система должна удовлетворять двум противоречивым требованиям. С одной стороны, изучаемая область должна быть равномерно освещена, чтобы все детали микроструктуры находились в одинаковых условиях. С другой стороны, падающий свет нужно сфокусировать так, чтобы отраженный сигнал имел достаточную интенсивность для рассматривания и фотографирования.
Источник света должен быть достаточно ярким. В небольших микроскопах источником света обычно служит нагреваемая током углеродная нить. В более дорогих микроскопах используются ксеноновые разрядные трубки, являющиеся стабильным и мощным источником белого света.
Помимо источника, важным элементом осветительной системы (рис. 1) является конденсор, увеличивающий яркость освещения объекта. Для этого изображение источника фокусируют близко к задней фокальной плоскости объектива, и образец оказывается освещенным почти параллельным пучком. Апертурная диафрагма осветительной системы ограничивает количество света, поступающего от источника и попадающего на образец. Контраст изображения можно повысить, закрывая апертурную диафрагму конденсора. При этом, однако, резко уменьшается яркость изображения, и могут появиться артефакты, связанные с дифракционными явлениями. Вторая диафрагма, называемая полевой, помещается в плоскости изображения объектива (рис. 1). Она расположена в осветительной ветви микроскопа отражающего света, снижает отражение света и устраняет нежелательный световой фон изображения. Размер диафрагмы объектива должен регулироваться в соответствии с размером рассматриваемой области, зависящим от степени увеличения микроскопа. Апертурная и полевая диафрагмы обычно представляют собой ирисовые диафрагмы, диаметр которых можно изменять в широких пределах.
Рисунок 1. Конструкция оптического микроскопа отраженного света.
Во многих микроскопах отраженного света положение осветительной системы с лампой можно установить так, чтобы он начал работать как микроскоп проходящего света. Это очень удобно для исследования тонких образцов биологических тканей, минералов, частично кристаллических полимеров и тонких полупроводниковых пленок.
Предметный столик.
Основным требованием, предъявляемым к штативу микроскопа и предметному столику, является их механическая устойчивость. Если разрешающая способность равна приблизительно 0,3 мкм. стабильность положения образца в плоскости х-y должна быть не хуже этого предела. Дополнительные условия связаны с установкой образца в фокус объектива путем вертикального перемещения (по оси Oz). Точность z-регулировки должна быть выше глубины резкости объектива для самого большого увеличения, а точнее, параметра числовой апертуры NA объектива. Поэтому стабильность положения образца по координате z не менее важна, чем по координатам х и у.
Юстировку микроскопа обычно проводят по всем трем координатам с помощью микрометрических винтов координатного перемещения. При этом механическая свобода системы должны быть сведена к минимуму. «Свободой» называют разницу в положении микрометрического винта при помещении объекта в одну и ту же точку путем движения из противоположных направлений.
Выбор объектива.
В настоящее время имеется широкий выбор объективов. Он зависит от типа образца и способа наблюдения. Основными характеристиками объектива являются числовая апертура NA и увеличение, которое всегда можно найти на его корпусе. Как правило, линзы объектива ахроматизованы и могут работать в широком диапазоне длин световой волны и для изучения цветных деталей микроструктуры.
Одним из характерных применений оптических микроскопов является гистологическое исследование мягких тканей. В этом случае образец должен быть защищен от окружающей среды, для чего тонкий срез ткани помещают на предметное стекло, а сверху накрывают тонким покровным стеклом. Похожие методы используют и для полимеров, особенно аморфно-кристаллических. Толщину образцов можно варьировать, изменяя давление на покровное стекло при приготовлении препарата. Объективы, предназначенные для изучения таких образцов, сконструированы так, чтобы учесть показатель преломления и толщину (0,17 мм) покровного стекла.
Построение и регистрация изображения.
Увеличение объектива не слишком высоко, и поэтому необходимо дальнейшее увеличение построенного им изображения. Для этого есть три возможности. Первая состоит в использовании окуляра и дополнительных линз, помещаемых между объективом и окуляром. Вторая - в фокусировке изображения на светочувствительную фотопленку и его последующем фотоувеличении. Третий способ - это сканирование изображения и демонстрация его на мониторе. В последние годы достигнут значительный прогресс в развитии высококачественных ПЗС-матриц, называемых в оптике гак же ССД-камерами, позволяющих создавать цифровое изображение. При этом отпала необходимость в дополнительных линзах. В настоящее время этот способ записи изображения продолжает интенсивно развиваться.
Литература:
Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.
Предназначены для формирования увеличенных двухмерных изображений, снятых в последовательно расположенных вдоль оптической оси фокальных плоскостях образца, что обеспечивает возможность двух- и трёхмерного исследования мелких структурных деталей образца. Оптические компоненты смонтированы на прочном эргономичном основании, что обеспечивает возможность быстрой замены, точного центрирования и тщательной юстировки оптически взаимосвязанных узлов. Вместе, оптические и механические компоненты микроскопа, включая образец, помещённый между предметным и покровным стеклом, образуют оптическую систему, центральная ось которой проходит через основание и штатив микроскопа.
Оптическая система микроскопа обычно состоит из осветителя (включая источник света и собирающую линзу), конденсора, образца, объектива, окуляра и фотоприёмника, который может являться либо камерой , либо глазом наблюдателя. Исследовательские микроскопы также содержат устройство (предварительной) обработки светового пучка, обычно расположенное между осветителем и конденсором, и дополнительный фотоприёмник или светофильтры, вставленные между объективом и окуляром или камерой. Согласованная работа фотоприёмника и устройств(а) предварительной обработки пучка обеспечивает изменение контрастности изображения как функции пространственной частоты, фазы, поляризации, поглощения, флуоресценции, внеосевого освещения и/или других свойств образца и параметров режима освещения. Но даже без дополнительных устройств обработки осветительного пучка и фильтрации волн, формирующих изображение, большинство даже базовых микроскопических конфигураций обладают определённой степенью естественной фильтрации.
Введение
Современные сложные микроскопы предназначены для формирования увеличенных двухмерных изображений снятых в последовательно расположенных вдоль оптической оси фокальных плоскостях образца что обеспечивает возможность двух и трёхмерного исследования мелких структурных деталей образца.
Большинство микроскопов оснащено механизмом перемещения предметного столика, позволяющим микроскописту точно располагать, ориентировать и фокусировать образец для оптимизации наблюдения и формирования изображений. Интенсивность освещения и ход лучей в микроскопе контролируются и управляются посредством размещения диафрагм, зеркал, призм, светоделителей и других оптических элементов в определенные положения, за счет чего достигается необходимая яркость и контрастность образца.
На рисунке 1 представлен микроскоп Nikon Eclipse E600, с тринокулярным тубусом и цифровой камерой DXM-1200 для регистрации изображений. Освещение производится расположенной в ламповом блоке галогенной лампой с вольфрамовой нитью, свет от которой сначала проходит через собирающую линзу, а потом попадает в оптический путь в основании микроскопа. Испущенный лампой накаливания пучок света модифицируется серией фильтров, расположенных также в основании микроскопа, после чего, отражённый от зеркала, он через полевую диафрагму падает на конденсор. Световой конус, формируемый конденсором, освещает образец, расположенный на предметном столике микроскопа, и попадает в объектив. После объектива световой пучок расщепляется светоделителем/блоком призм и направляется либо в окуляр, где формируется мнимое изображение, либо на проекционную линзу тринокулярного промежуточного тубуса для формирования цифрового изображения на фотодиодной матрице ПЗС цифровой системы регистрации и визуализации изображений.
Оптические компоненты современных микроскопов смонтированы на прочном эргономичном основании, что обеспечивает возможность быстрой замены, точного центрирования и тщательной юстировки оптически взаимосвязанных узлов. Вместе, оптические и механические компоненты микроскопа, включая образец, помещённый между предметным и покровным стеклом, образуют оптическую систему, центральная ось которой проходит через основание и штатив микроскопа.
Оптическая система микроскопа
обычно состоит из осветителя (включая источник света и собирающую линзу), конденсора, образца, объектива, окуляра и фотоприёмника, который может являться либо камерой, либо глазом наблюдателя (таблица 1).
Исследовательские микроскопы также содержат устройство предварительной обработки светового пучка, обычно расположенное между осветителем и конденсором, и дополнительный фотоприёмник или светофильтры, размещаемые между объективом и окуляром или камерой. Согласованная работа фотоприёмника и устройств(а) предварительной обработки пучка обеспечивает изменение контрастности изображения как функции пространственной частоты, фазы, поляризации, поглощения, флуоресценции, внеосевого освещения и/или других свойств образца и параметров режима освещения. Но даже без дополнительных устройств обработки осветительного пучка и фильтрации волн, формирующих изображение, большинство базовых микроскопических конфигураций обладают определённой степенью естественной фильтрации.
Таблица 1. Компоненты оптической системы микроскопа.
| Компонент микроскопа | Элементы и характеристики |
| Осветитель | Источник света, собирающая линза, полевая диафрагма, тепловые фильтры, выравнивающие светофильтры, рассеиватель, нейтральные светофильтры |
| Устройство предварительной обработки пучка | Ирисовая диафрагма конденсора, темнопольная диафрагма, теневая маска, фазовые кольца, внеосевая щелевая диафрагма, призма Номарского, флуоресцентный фильтр возбуждения |
| Конденсор | Числовая апертура, фокусное расстояние, аберрации, пропускание света, иммерсионная среда, рабочее расстояние |
| Образец | Толщина предметного стекла, толщина покровного стекла, иммерсионная среда, поглощение, пропускание, дифракция, флуоресценция, запаздывание, двойное лучепреломление |
| Объектив | Увеличение, числовая апертура, фокусное расстояние, иммерсионная среда, аберрации, пропускание света, оптическая передаточная функция, рабочее расстояние |
| Фильтр изображения | Компенсатор, анализатор, призма Номарского, ирисовая диафрагма объектива, фазовая пластина, SSEE фильтр, модуляционная пластина, пропускание света, селекция длин волн, флуоресцентный запирающий фильтр |
| Окуляр | Увеличение, аберрации, размер поля, вынос глаза |
| Детектор | Человеческий глаз, фотоэмульсия, фотоумножитель, фотодиодная матрица, видеокамера |
В то время как одни оптические компоненты микроскопа выступают в роли элементов, формирующих изображение, другие предназначены для различных модификаций освещающего пучка, а также выполняют фильтрующие и передающие функции. Формирующими изображение компонентами оптической системы микроскопа являются собирающая линза (расположенная в осветителе или рядом с ним), конденсор, объектив, окулярный тубус (или окуляр) и преломляющие элементы человеческого глаза или линза камеры. Хотя некоторые из этих компонентов обычно не относятся к формирующим изображение, их характеристики имеют первостепенное значение в определении качества конечного микроскопического изображения.
Ход световых волн через идеальную линзу
Понимание роли отдельных линз, составляющих компоненты оптической системы, является основополагающим для понимания процесса формирования изображения в микроскопе. Простейшим, формирующим изображение элементом является идеальная линза (рисунок 2) – идеально скорректированная, свободная от аберраций и собирающая свет в одну точку. Параллельный, параксиальный пучок света, преломляясь в собирающей линзе, фоку сируется в её фокальной точке или фокусе (на рисунке 2 она обозначена надписью Фокус ).Такие линзы часто называют положительными , поскольку они способствуют более быстрому схождению конвергентного (сходящегося) светового пучка и замедляют расхождение расходящегося пучка. Свет от точечного источника, расположенного в фокальной точке линзы, выходит из неё параллельным, параксиальным пучком (направление справа налево на рисунке 2). Расстояние между линзой и её фокус ом называется фокусным расстоянием линзы (обозначенной буквой f на рисунке 2).
Оптические явления часто описываются в терминах либо квантовой теории, либо волновой оптики, в зависимости от рассматриваемой задачи. При прохождении света через линзу, его волновыми свойствами можно пренебречь и считать, что он распространяется по прямым линиям, обычно называемым лучами. Простых лучевых диаграмм или хода лучей часто бывает достаточно для объяснения многих важных аспектов и понятий микроскопии, включая преломление, фокусное расстояние, увеличение, формирование изображения и диафрагмы. В других случаях, световые волны удобнее рассматривать как состоящие из отдельных частиц (квантов), особенно когда свет создается в результате квантово-механического события или трансформируется в другой вид энергии. В нашем обсуждении проходящие через оптические линзы параксиальные лучи будут рассматриваться в рамках как волновой, так и геометрической (лучевой) оптики (лучевых диаграмм, в которых лучи распространяются слева направо). Параксиальными (или приосевыми) называются световые лучи, проходящие близко к оптической оси; при этом значения углов падения и преломления, выраженные в радианах, можно считать приблизительно равными значениям их синусов.
В параллельном световом пучке отдельные монохроматические волны образуют группу волн , электрические и магнитные векторы в которой колеблются в фазе и образуют волновой фронт ; при этом направление его распространения перпендикулярно направлению колебаний. При прохождении через идеальную линзу плоская волна преобразуется в сферическую, с центром в фокальной точке (Фокусе ) линзы (рисунок 2). Сведённые в фокальной точке световые волны интерферируют, усиливая друг друга. И наоборот, сферический волновой фронт, расходящийся из фокальной точки идеальной линзы, преобразуется ей в плоскую волну (распространение справа налево на рисунке 2). Каждый световой луч плоской волны преломляется в линзе с небольшим отличием от других, поскольку падает на её поверхность под несколько отличным углом. На выходе из линзы направление светового луча также меняется. В реальных системах угол преломления и фокальная точка линзы или группы линз зависит от толщины, геометрии, показателя преломления и дисперсии каждого компонента системы.
Loading...