Что такое предел видимости микроскопа

6.2. Микроскоп

Микроскоп предназначен для наблюдения мелких объектов с большим увеличением и с большей разрешающей способностью, чем дает лупа. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей: объектива и окуляра. Объектив микроскопа образует действительное увеличенное обратное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Окуляр действует как лупа и образует мнимое изображение на расстоянии наилучшего видения (рис. 6.4). По отношению ко всему микроскопу рассматриваемый предмет располагается в передней фокальной плоскости.

Рис. 6.4. Оптическая схема микроскопа.

6.2.1. Увеличение микроскопа

Действие микрообъектива характеризуют его линейным увеличением:

,

(6.5)

где – фокусное расстояние микрообъектива, – расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, называемое оптическим интервалом или оптической длиной тубуса.

Изображение, создаваемое объективом микроскопа в передней фокальной плоскости окуляра рассматривается через окуляр, который действует как лупа с видимым увеличением:

.

(6.6)

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра:

.

(6.7)

Если известно фокусное расстояние всего микроскопа, то его видимое увеличение можно определить так же, как и у лупы:

.

(6.8)

Как правило, увеличение современных объективов микроскопов стандартизованное и составляет ряд чисел: 10, 20, 40, 60, 90, 100 крат. Увеличения окуляров тоже имеют вполне определенные значения, например 10, 20, 30 крат. Во всех современных микроскопах имеется комплект объективов и окуляров, которые специально рассчитываются и изготавливаются так, что подходят друг к другу, поэтому их можно комбинировать для получения разных увеличений.

6.2.2. Поле зрения микроскопа

Поле зрения микроскопа зависит от углового поля окуляра , в пределах которого получается изображение достаточно хорошего качества:

.

(6.9)

При данном угловом поле окуляра линейное поле микроскопа в пространстве предметов тем меньше, чем больше его видимое увеличение.

6.2.3. Диаметр выходного зрачка микроскопа

Диаметр выходного зрачка микроскопа вычисляется следующим образом:

.

(6.10)

где – передняя апертура микроскопа.

Диаметр выходного зрачка микроскопа обычно немного меньше диаметра зрачка глаза (0.5 – 1 мм).

При наблюдении в микроскоп зрачок глаза нужно совмещать с выходным зрачком микроскопа.

6.2.4. Разрешающая способность микроскопа

Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность. Согласно дифракционной теории Аббе, линейный предел разрешения микроскопа, то есть минимальное расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, зависит от длины волны и числовой апертуры микроскопа:

.

(6.11)

Предельно достижимую разрешающую способность оптического микроскопа можно сосчитать, исходя из выражения для апертуры микроскопа (). Если учесть, что максимально возможное значение синуса угла – единичное (), то для средней длины волны можно вычислить разрешающую способность микроскопа: .

Из выражения (6.11) следует, что повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая апертуру объектива, либо уменьшая длину волны света, освещающего препарат.

Иммерсия

Для того чтобы увеличить апертуру объектива, пространство между рассматриваемым предметом и объективом заполняется так называемой иммерсионной жидкостью – прозрачным веществом с показателем преломления больше единицы. В качестве такой жидкости используют воду (), кедровое масло (), раствор глицерина и другие вещества. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины , тогда предельно достижимая разрешающая способность иммерсионного оптического микроскопа составит .

Применение ультрафиолетовых лучей

Для увеличения разрешающей способности микроскопа вторым способом применяются ультрафиолетовые лучи, длина волны которых меньше, чем у видимых лучей. При этом должна быть использована специальная оптика, прозрачная для ультрафиолетового света. Поскольку человеческий глаз не воспринимает ультрафиолетовое излучение, необходимо либо прибегнуть к средствам, преобразующим невидимое ультрафиолетовое изображение в видимое, либо фотографировать изображение в ультрафиолетовых лучах. При длине волны разрешающая способность микроскопа составит .

Кроме повышения разрешающей способности, у метода наблюдения в ультрафиолетовом свете есть и другие преимущества. Обычно живые объекты прозрачны в видимой области спектра, и поэтому перед наблюдением их предварительно окрашивают. Но некоторые объекты (нуклеиновые кислоты, белки) имеют избирательное поглощение в ультрафиолетовой области спектра, благодаря чему они могут быть «видимы» в ультрафиолетовом свете без окрашивания.

6.2.5. Полезное увеличение микроскопа

Глаз наблюдателя сможет воспринимать две точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза. Для того чтобы глаз наблюдателя мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, необходимо иметь соответствующее видимое увеличение.

Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза.

Если две точки в передней фокальной плоскости микроскопа расположены друг от друга на расстоянии , то угловое расстояние между изображениями этих точек . Из выражений (6.11) и (6.8) можно вывести видимое увеличение микроскопа:

.

(6.12)

Поскольку обычно диаметр выходного зрачка микроскопа около 0.5 – 1 мм, угловой предел разрешения глаза 2´ – 4´. Если взять среднюю длину волны в видимой области спектра (0.5 мкм), то для полезного увеличения микроскопа можно вывести зависимость:

.

(6.13)

Микроскоп с видимым увеличением меньше 500А не позволяет различать глазом все тонкости структуры предмета, которые изображаются как раздельные данным объективом (). Использование видимого увеличения больше 1000А нецелесообразно, так как разрешающая способность объектива не позволяет полностью использовать разрешающую способность глаза ().

Источник

Микроскоп

Увеличение — физическое свойство линз объектива и окуляра. Увеличение микроскопа приблизительно оценивают как произведение увеличения объектива и увеличения окуляра (рис. 1-5).

Минимальный размер d наблюдаемого объекта определён формулой:

d ,

где: a — половина угловой ширины конуса световых лучей, собираемых линзами объектива; n — коэффициент преломления среды, отделяющей изучаемый объект от линз объектива или конденсора; l — длина волны света.nSina — апертура.

Разрешение микроскопа — величина, обратная d. Чем больше апертура, тем выше разрешение, но при этом уменьшается глубина резкости. Повысить разрешение можно за счёт увеличения апертуры. Увеличить апертуру можно путём увеличения коэффициента преломления. Коэффициент преломления жидких сред (иммерсионные среды) больше коэффициента преломления воздуха (n = 1,0). В микроскопии используют несколько иммерсионных сред: масляную, глицериновую, водную.

Предел разрешения светового микроскопа определяется длиной световой волны и апертурой линз. Теоретически возможный предел разрешения светового микроскопа — 0,2 мкм (минимальное расстояние, на котором различимы два объекта).

Оптические артефакты. Объектив состоит из нескольких стеклянных линз. Первая линза — сферическая или полусферическая — предназначена для получения увеличенного изображения. Все остальные линзы корригируют оптические артефакты (аберрации).

· Хроматические аберрации. Фокусное расстояние линзы для лучей разной длины волны различно. Поэтому при использовании немонохроматического света формируемое линзой изображение предмета имеет окрашенныекрая. Хроматические аберрации устраняют ахроматические и апохроматические объективы.

· Сферические аберрации. Различие оптических свойств центральной и периферической частей сферической линзы — причина сферических аберраций. Их устраняют апохроматические объективы. Сферическая линза не позволяет одновременно фокусировать изображение по всему полю. Для устранения этого недостатка применяют специальные объективы — планахроматы и планапохроматы. Наилучшим объективом считают планапохромат с высокой числовой апертурой.

Рис. 1-5. Микроскоп. Этот оптический прибор позволяет наблюдать мелкие объекты. Увеличение изображения достигается системой линз объектива и окуляра. Зеркало, конденсор и диафрагма направляют световой поток и регулируют освещение объекта. Механическая часть микроскопа включает: штатив, предметный столик, макро- и микрометрический винты, тубус, тубусодержатель. [17]

Источник

Как выбрать микроскоп

Содержание

Содержание

Микроскоп — важнейший прибор, без которого не обойтись при проведении научных исследований. Современная микроскопия богата на различные виды микроскопов, каждый из которых имеет свое предназначение, устройство и особенности работы. Данный гайд не только расскажет вам об основных элементах микроскопа, но и поможет определиться с выбором.

Окуляр

Окуляр представляет из себя систему, состоящую из нескольких линз (обычно 2–3), через которые исследователь будет рассматривать изучаемый объект. Линзы встраиваются в металлический корпус (тубус) и могут быть как фиксированного, так и фокусного увеличения. Самая нижняя линза предназначена для фокусировки на объекте, а верхняя — для наблюдения за ним. Все окуляры дают определенную кратность увеличения — 10x, 20x, 25x и т.д.

Объективы

Самая важная часть микроскопа, благодаря которой строится микроскопическое изображение изучаемого предмета с точной передачей мельчайших деталей, цвета, структуры. Другими словами, пользователь сможет рассмотреть лежащий перед ним объект в деталях, даже если он не виден человеческим глазом. Объектив имеет довольно сложное оптико-механическое устройство, включающее в себя несколько линз и других компонентов. Качество и количество линз зависит от тех задач, для которых создается прибор и может доходить до 14 штук. К таковым относятся сложные и дорогие планапохроматические объективы, применяемые чаще всего в биологии и медицине. Для изучения растений, веществ, тканей подойдут ахроматические объективы, в которых может быть всего 2–3 линзы.

Современные технологии позволяют создавать и выпускать множество типов объективов в зависимости от целевого назначения, устройства и принципа действия. Выделяют устройства с малыми (10х), средними (до 50х) и большими (более 50х) кратностями, а также сверхбольшие объективы кратностью свыше 100х. Микроскоп может быть оснащен одним объективом, но чаще всего имеет два или три с разной кратностью.

Общее увеличение микроскопа высчитывается путем сложения кратности окуляров и объективов. Например, если кратность окуляра составляет 10x, а объектива 90x, то общее увеличение будет иметь кратность 900x.

Подсветка

Это не менее важная часть микроскопа, позволяющая подсветить объект изучения. Чаще всего состоит из двух частей: коллектора и конденсора. Конденсор имеет несколько встроенных линз и предназначен для увеличения количества света, исходящего от осветителя. Коллектор же располагается между объектом изучения и конденсором и помогает регулировать интенсивность освещения.

Источником освещения в подсветке выступают галогенные лампы, светодиоды, зеркала или лампы накаливания. В конструкции микроскопа подсветка может иметь верхнее, нижнее расположение или же быть комбинированной (верхняя и нижняя). Верхняя располагается над предметным столиком и нужна для того, чтобы рассмотреть непрозрачные или полупрозрачные предметы. Нижняя же находится под столиком и нужна для изучения прозрачных объектов, на которые направляется пучок света. Подсветка нуждается в питании от сети, через USB или батареек.

Конденсор, верхняя подсветка, комбинированная подсветка (верхняя и нижняя):

Тип визуальной насадки

Есть монокулярные, бинокулярные и даже тринокулярные насадки. Монокулярная имеет один окуляр, бинокулярная два. Два окуляра будут более предпочтительнее чем один, однако они требуют некоторого навыка. В тринокулярной насадке, помимо двух окуляров, будет дополнительная трубка, на которую можно установить камеру и передавать изображение на монитор компьютера.

Минимальное и максимальное оптическое увеличение

Минимальное оптическое увеличение высчитывается путем сложения кратности окуляров и объективов. Например, если минимальная кратность и у окуляра, и у объектива составляет 10х, то минимальное оптическое увеличение будет составлять 100х. Это дает не совсем четкую картинку, но с широким полем зрения.

Максимальное оптическое увеличение высчитывается таким же образом, как и минимальное. Пример: окуляр кратностью 10х и объектив кратностью 90х, вместе дадут увеличение в 900х. Это позволяет максимально детально рассмотреть предмет изучения, однако если выбрано увеличение намного выше допустимого, для того или иного предмета, то это не выявит каких-либо дополнительных деталей, но может ухудшиться качество и четкость изображения. Соответственно поле зрения также будет намного уже. Например, зерна обычного песка можно рассмотреть при увеличении в 400х, поэтому более высокие значения будут избыточны. При высоких значениях увеличения (800х и более) можно изучать детальную структуру предметов, пыльцу, минералы и многое другое.

Цифровая камера и максимальное цифровое увеличение

Некоторые модели световых микроскопов оснащаются цифровой камерой для фото и видеосъемки. Камера может встраиваться в корпус микроскопа наравне с объективами, но чаще всего это прибор с тринокулярной насадкой, в котором третий окуляр предназначается для специального видеоокуляра. Стоит отметить, что видеоокуляр можно установить и на прибор с монокулярной насадкой. Есть и специальные цифровые микроскопы, в которых объектив как таковой отсутствует и его заменяет цифровая камера. Изображение передается сразу же на компьютер, причем разрешение камеры измеряется в мегапикселях и может быть от 0,3 до 5 Мп. Максимальное цифровое увеличение в данном случае будет относиться именно к возможностям камеры, хотя не стоит отметать и другие факторы: насколько качественен монитор для просмотра и т.д. Увеличение в цифровых моделях может составлять 300х, 1600х и т.д.

Фокусировка

Как правило, фокусировка в микроскопах бывает грубой и точной.

Револьверная головка

Устройство револьверного типа в которое встраиваются объективы. Там может находиться всего лишь один объектив, но чаще головки имеют два, три и четыре объектива. Пользователь при необходимости просто проворачивает головку, выбирая нужный ему объектив.

Межзрачковое расстояние

Расстояние между зрачками измеряемое в миллиметрах. Данная характеристика относится к микроскопам с бинокулярной насадкой. Чтобы создать стереокартинку или единое поле, в котором оба глаза будут видеть предмет изучения, нужно провести несложные настройки. Для этого первоначально необходимо настроить резкость окуляров, а затем свести изображение воедино, поворачивая тубусы, в которые встроены окуляры. Если все сделано правильно, то оба глаза должны видеть единое поле, без затемнения центра или краев изображения.

Советы по выбору

Любитель или профессионал

Для любительских, детских изысканий подойдет недорогое устройство с окулярами 10х или 20х и объективами до 40х. Оптимальными будут приборы с увеличением до 200х или 400х.

Для серьезных исследований нужен уже более мощный прибор с максимальным увеличением в несколько сотен (более 400х) или более 1000 крат. Также стоит обратить внимание на цифровые микроскопы, не требующие особых настроек, навыков работы. В них изображение передается сразу же на монитор.

Визуальная насадка — какая лучше?

Даже если вы приобретаете микроскоп для несложных опытов, любительских исследований или для ребенка, то лучше всего подойдет бинокулярная насадка, так как именно она дает хорошее стереоизображение. Если есть необходимость в получении фото или видео, то лучше взять прибор с тринокулярной насадкой.

Объективы — чем больше, тем лучше

Даже если вы не собираетесь становиться микробиологом, желательно приобрести прибор с двумя или тремя объективами, кратностью 4x, 10x и 40x. Самым оптимальным будет вариант прибора с наличием объектива в 40х. Фокусировку на объект следует проводить, начиная с малого по кратности объектива (например, с 4х).

Объективы — чем выше кратность, тем профессиональнее

Если предстоит выбрать микроскоп для профессиональных исследований, то нужно обращать внимание на приборы, дающие максимальное увеличение не менее 400х. Это нижняя необходимая для эффективной работы граница. Верхней же границы не установлено и можно выбирать прибор с увеличением в несколько тысяч крат, например, в 2000х. Для серьезных исследований обязательно наличие в револьверной головке 100-кратного объектива.

Подсветка — лучше комбинированная

Как уже известно, она может быть нижняя, верхняя и комбинированная. Лучше всего подойдет прибор именно с комбинированной подсветкой, так как с ее помощью возможно изучать как прозрачные объекты, так и непрозрачные (монеты, насекомых, минералы и т.п.). Также желательно приобрести прибор с галогеновой или со светодиодной подсветкой.

Фокусировка — грубо, но точно

Не забываем, что фокусировка бывает грубой и точной. Для любительских исследований вполне подойдет прибор только с грубой фокусировкой, хотя комбинированный вариант (и с грубой, и с точной) будет более предпочтительней. А вот для профессиональных исследований, тонкая фокусировка просто обязательна.

Штатив

Какие-либо особые требования к штативу не предъявляются, но стоит присмотреться к прибору, штатив которого выполнен из металла или же имеет металлические вставки.

Выводы

Современная промышленность предлагает массу вариантов для плодотворного изучения окружающего мира. Для новичков и школьников, для небольших любительских исследований, отлично подойдут микроскопы с максимальным увеличением до 400–640х. Если же планируются серьезные научные изыскания, то будет необходим прибор от 640х и выше, причем верхней границы, в принципе, не существует. Также стоит обращать внимание на комбинированную подсветку, бинокулярную насадку и возможность записи фото и видео.

Источник