Что такое стереобаза микроскопа
Типы стереомикроскопов, применение, возможности
Более половины микроскопов установленных на нашей планете – стереомикросопы. Стереомикроскопы – широкий класс оборудования, позволяющий решать множество задач самых разных направлений. По своей сути стереомикроскоп является «специальными» очками для наших глаз, позволяющими видеть нам объемные предметы под сильным увеличением не теряя пространственной ориентации.
В отличии от лабораторных микроскопов, где изображение формируется одним оптическим каналом, затем дублируется в тубусе и поступает к нам в глаза в виде двух одинаковых изображений в каждом окуляре, в стереомикроскопе изображение формируется иначе. Стереомикроскоп формирует различное изображение объекта в левом и правом окуляре, будто мы наблюдаем его с двух сторон (под углом стереоскопичности, обычно 11-15 градусов) при значительном увеличении. Такой метод формирования изображения позволяет сохранить виртуальную объемность объекта. Наши глаза с легкостью определяют, на каком расстоянии находится тот или иной элемент исследуемого образца, а рельеф поверхности становится понятным с первого взгляда.
Стереомикроскопы очень помогают в ситуациях, когда нам необходимо увидеть объемное увеличенное изображение исследуемого объекта с высокой контрастностью, четкостью и большой глубиной резкости. Только при использовании стереомикроскопа возможно проводить микроманипуляции образца в большом удобном рабочем пространстве. Стереомикроскоп незаменим для проведения реставрационных работ, подготовки проб для электронной и оптической микроскопии, пайки и склейки мелких объектов, а также для сложной сборки систем, в которых используются мелкие детали, к примеру часы и различные электронные устройства.
Типы стереомикроскопов
В настоящий момент существует два типа построения стереомикроскопов. Это схема Грену и схема Аббе (параллельная схема с общим главным объективом – CMO common main objective). У каждой схемы есть свои преимущества и недостатки, но обе они встречаются одинаково часто, хотя микроскопы, построенные по схеме Грену, дешевле параллельных систем.
Сравнение конструкций стереомикроскопов Грену и Аббе на примере стереомикроскопов Olympus SZ-61 и SZX-7
Начнем с микроскопов схемы Грену. При такой конструкции изображение, формируется двумя раздельным оптическими путями, расходящимися на угол стереоскопичности. Недостатком такой системы является наклон оптической оси объективов относительно образца. Наклоненный объектив строит трапециевидное изображение объекта в фокальной плоскости окуляра. Наши глаза обычно компенсируют этот эффект, но при длительной работе наблюдатель может испытывать усталость, связанную с трапециевидным изображением в каналах. Небольшие расхождения по увеличению и фокусу в каждом из путей также добавляют негативное влияние на комфорт наблюдения, заметный со временем при длительной работе.
Преимуществом схемы Грену является высокая глубина резкости изображения, отличная стереоскопичность, а также компактность конструкции. Кроме того, изображение в каждом канале стереомикроскопа Грену формируется центрально относительно оптической системы, что позволяет легче корректировать оптические аберрации.
Контроль качества пленочного поляризационного фильтра на стереомикроскопе Грену с выносной консолью
Стереомикроскопы Аббе выполнены с одним главным объективом, располагающимся строго перпендикулярно исследуемому объекту. Диаметр объектива накладывает некоторые ограничения на угол стереоскопичности, ограничивая его до 11 градусов.
Благодаря такой схеме достигается большое поле зрение и отсутствие искажений изображения. В старших моделях стереомикроскопов используют План Апохроматические Plan-Apo объективы, с полностью исправленными хроматическими аберрациями и кривизной поля, что позволяет получать высокое качество изображения как в окулярах, так и на камере. В некоторых стереомикроскопах, выполненных по схеме Аббе предусмотрена возможность располагать объектив соосно с фотоканалом для четкого вертикального формирования изображения на камере, свободного от искажений, к примеру, стереомикроскопы Olympus SZX с поворотным револьвером объективов. Конструктивно стереомикроскопы с общим главным объективом сложнее, требуют высокой коррекции аберраций объектива и стоят дороже. Схема Аббе используется в стереомикроскопах исследовательского и реже лабораторного класса.
Обоснование выбора схемы стереомикроскопа
Выбор между стереомикроскопами конструкций Грену и Аббе осуществляется в первую очередь исходя из задач пользователя. Ошибочно думать что микроскоп Аббе будет выигрышным вариантом при любом применении.
Стереомикроскопы, выполненные по схеме Грену – отличный выбор для реставрационных задач, пайки, позиционирования кристаллов и т.п. Эти системы в полной мере проявляют себя в случаях, когда необходимо невысокое увеличение до 100х при сравнительно большом рабочем расстоянии около 100 мм. Получение качественных, свободных от геометрических погрешностей фотоизображений на стереомикроскопах Грену затруднительно из-за наклона объектива относительно исследуемого объекта.
Изображение пчелы полученное на стереомикроскопе Аббе. Высокая глубина резкости при кольцевом бестеневом освещении.
Для хороших микрофотографий, обладающих высоким разрешением, удобством работы с препаратами, в задачах где увеличение играет первостепенную роль, стоит обратить вниманием на системы с главным общим объективом. При получении снимков необходимо учесть возможность установки объектива строго соосно оси фотоканала.
Коррекция аберраций смещением объектива при получении фотографий.
Стереомикрскоп Olympus SZX-16, выполненный по cхеме АббеПри комплектовании учебного класса, формировании высокопроизводительной лаборатории с множеством рабочих мест необходимо учитывать экономическую стоимость выбора моделей стереомикроскопов. Целесообразно использовать микроскопы Грену там, где требуется визуальная оценка дефектов, контроль качества и непосредственно работа под микроскопом. Для получения фотографий, вывода изображения с микроскопа на проектор или цифровой телевизор высокого разрешения в целях демонстрации на верхнем пределе увеличения (более 100х для стереомикроскопов) желательно использовать схему Аббе, если позволяет финансирование.
Стереомикроскопы, их строение и функции
Микроскопы стереоскопические — это устройства, через которые можно увидеть увеличенное в несколько раз изображение в 3D-формате, то есть объемное, которое привычно воспринимается глазами человека. В таком микроскопе не очень сильное увеличение, не больше чем в 50 раз. Однако такого уровня достаточно чтобы ремонтировать электронику, паять микросхемы, контролировать качество продукции или вести деятельность эксперта.
Устройство стереомикроскопа
Если вам нужно школьный микроскоп купить недорого, то вам вполне подойдет стереоскопическая модель с увеличением в несколько десятков раз. Такие микроскопы имеют в своей структуре:
Есть две разных схемы оптики в стереоскопическом микроскопе:
Подсветка в стереомикроскопе
В процессе работы лабораторные стереомикроскопы обычно используют свет, который отражен. Осветитель закрепляется на основании устройства. При необходимости его можно поворачивать, чтобы изменить угол освещения рабочей области. Есть кольцевые осветители, у которых нет тени, они находятся вокруг стереомикроскопического объектива. У некоторых моделей стереомикроскопов есть еще один столик, чтобы работать при свете, который проходит. В наше время стереомикроскопы выпускают с люминесцентными осветителями, которые в основе имеют дихроичные зеркала. Чаще всего яркость их можно регулировать.
Предметный столик в стереомикроскопе
Это то место, на котором размещаются материалы и объекты для исследования. Чтобы обеспечивать комфортный режим работы, этот столик может передвигаться в разные стороны по горизонтали. Но есть небольшой нюанс. из-за не слишком большого увеличения, которое имеет стереомикроскоп, большинство из них не имеет препаратоводителя, поэтому передвигать исследуемый объект надо будет самостоятельно.
Если подытожить, то стереомикроскопы — это отличный вид микроскопов в своей сфере использования и хорошо подойдут даже для детей, чтобы проводить школьные эксперименты.
Что такое стереобаза микроскопа
Операционный микроскоп с ассистентом
Hi-R со встроенным микроскопом ассистента является одним из самых совершенных микроскопов для офтальмологии с новой оптикой от компании Haag-Streit Surgical (ребрендинг компании Moller-Wedel).
В новом микроскопе отсутствуют потери света благодаря независимым каналам для светового потока на основного хирурга и ассистента.
Независимая фокусировка и увеличение микроскопа ассистента позволяют использовать его в учебных целях. Существует модификация микроскопа HS Hi-R без микроскопа ассистента.
Особенности микроскопа Hi-R с ассистентом
Стереобаза 25 мм. Это расстояние между оптическими каналами стереомикроскопа. Для хирурга это означает лучшее восприятие трехмерного изображения наблюдаемого объекта, что сказывается на точности манипуляций хирургическими инструментами. На сегодняшний день у микроскопов компании Haag-Streit Surgical (Moller-Wedel) самое большое значение стереобазы на рынке.
Первый в мире офтальмологический микроскоп со светодиодным (LED) освещением был произведен компанией Moller-Wedel в 2008 году. Яркость источника света LED сопоставима с яркостью галогенных ламп, однако срок службы светодиодов на несколько порядков выше (25 лет использования без замены). Чтобы получить привычный теплый свет галогенных источников цветовая температура может быть изменена с помощью встроенного блока переключаемых фильтров.
Насадка для обзора глазного дна EIBOS 2. Главными особенностями этой насадки являются: встроенный инвертор, внутренняя фокусировка, простая сборка перед операцией, откидной механизм для быстрого «перехода» с заднего отрезка на передний, а также очень удобное байонетное крепление (на защелке) линз 90 и 132 дптр.
Встроенный ЖК-дисплей на самом микроскопе. Отображает основные настройки, которые находятся в области видимости хирурга (увеличение, яркость лампы и т.д.)
3D-изображение операции на экране монитора. Две видеокамеры высокого разрешения подключаются к двум каналам микроскопа, что позволяет получить 3D-изображение с помощью поляризационных очков (как видит его хирург в окуляры) на большом экране (диагональ дисплея 24 или 42 дюйма с поддержкой 3D).
Первый в мире микроскоп со встроенным интраоперационным оптическим когерентным томографом iOCT. Он позволяет получать срезы переднего и заднего сегментов глаза в режиме реального времени непосредственно в ходе операции, что значительно улучшает результат хирургического вмешательства. Активно используется при пересадке роговицы, ламеллярной кератопластике, витреоретинальной хирургии, хирургии глаукомы и т.д. (подробнее)
Что нужно учитывать при выборе стереомикроскопа?
Выбор стереомикроскопа обуславливается задачами или применениями, которые необходимы пользователю. В первую очередь, микроскоп это инструмент для увеличения трехмерных объектов в трёхмерных пространствах. В отличие от составного микроскопа, стереомикроскоп способен решить эту задачу.
Принципы Greenough и Cycloptic®
Старые бинокулярные микроскопы обладали простой системы линз и той же конструкцией, что и традиционные составные микроскопы. Тогда, микроскопы использовались по большей части в биологии для препарирования. Других технических применений для них тогда не существовало. В 1890 году, американский биолог и зоолог Horatio S. Greenough создал новый принцип конструкции, который используется по сей день всеми крупными производителями оптических инструментов. Микроскопы, использующие принцип Greenough, обеспечивают стереоскопические изображения высочайшего качества.
Для подробного ознакомления со стереомикроскопами основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам.
В 1957 году, американская компания создала современный дизайн стереомикроскопа с общим главным объективом и назвала его Cycloptic®. В нем использовались два параллельных световых пути, основной объектив и 5-ступенчатое изменение увеличения. Данный тип микроскопа, основанный на принципе CMO, использовался вместе с типом Greenough, всеми производителями для создания модульных, высоко эффективных инструментов. Два года спустя, другая американская компания Bausch & Lomb создала новый дизайн StereoZoom® Greenough, имеющий значительную инновацию: бесступенчатое изменение увеличения (zoom). Практически все современные конструкции основываются на этой системе.
Критерии выбора стереомикроскопа
На сегодняшний день, стереомикроскопы основываются на вышеупомянутых принципах Greenough или CMO. Какие другие факторы необходимо учитывать? Следующие четыре вещи должны быть тщательно проработаны:
После того, как данные факторы определены, необходимо уточнить оставшиеся:
Увеличение, диапазон zoom и объектное поле
Общим увеличением стереомикроскопов является комбинация увеличения регулятора увеличений, объектива и окуляров.
Регулятор увеличения или блок zoom
Как и увеличительное стекло, регулятор увеличения состоит из оптических линз, меняющих увеличение инструмента. Изменение позиции на регуляторе увеличения меняет степень увеличения изображения. Степень увеличения изображения называется кратностью увеличения. Современные микроскопы способны обеспечивать 16x увеличение (только блок zoom) с 20.5:1 диапазоном zoom и обладают моторизованными или программируемыми элементами для получения надежных измерений.
Дальше, изображение увеличивается с помощью окуляров. Для измерения уровня увеличения объекта при наблюдении через окуляры, пользователь должен умножить кратность увеличения регулятора увеличений на кратность увеличения окуляров. Формула:
Объектное поле
При наблюдении через окуляры с соблюдением корректной дистанции и настроенным межзрачковым расстоянием, пользователь видит круглую область, называемую объектным полем. Диаметр объектного поля изменяется в зависимости от увеличения. Другими словами, существует математическое отношение между увеличением и диаметром объектного поля. Окуляры с 10 кратным увеличением обеспечивают видимое поле изображения (F.N) 23. На 1x увеличении, диаметр объектного поля составляет 23 миллиметра. На 3x увеличении, диаметр объектного поля сократится до трети, составляя 7. 66 миллиметров.
Глубина резкости и числовая апертура
В микроскопии, глубина резкости часто считается эмпирическим параметром. На практике, она определяется соотношением числовой апертуры, разрешения и увеличения. Для наилучшей визуализации, системы настройки современных микроскопов определяют оптимальный баланс между глубиной резкости и разрешением.
Практические показатели видимой глубины резкости
Автором первой публикации на тему видимой глубины резкости был Max Berek, опубликовавший результаты своих экспериментов в 1927 году. Его формула позволяет определить практические показатели видимой глубины резкости и, поэтому, используется и по сей день. Упрощенная формула:
На малых увлечениях, можно значительно повысить глубину резкости, снизив в числовую апертуру. Однако, чем ниже числовая апертура, тем ниже конечное разрешение.
Таким образом, главным является определение оптимального баланса разрешения и глубины резкости, в зависимости от структуры объекта. В случае использования микроскопов, частой необходимостью является компромисс в пользу более высокой глубины резкости.
Увеличенная глубина резкости – FusionOptics
Новым техническим подходом, который отменяет соотношение разрешения и глубины резкости в стереомикроскопах является оптика FusionOptics. Данная оптическая система использует один из световых путей для предоставления глазу наблюдателя изображения с высоким разрешением и низкой глубиной резкости. Второй световой путь предоставляет глазу наблюдателя изображение того же объекта с малым разрешением и высокой глубиной резкости. Человеческий мозг объединяет два раздельных изображения в одно оптимальное, обладающее высоким разрешением и высокой глубиной резкости.
Другим примером, иллюстрирующим феноменальные возможности человеческого мозга, является микроскоп по схеме Greenough. Здесь, левый и правый световые пути находятся под небольшими углами. На окончательном изображении, вся область отображается точно сфокусированной.
Качество оптики
Качественная оптика для микроскопа обычно подразумевает под собой ахроматические или апохроматические объективы с высокой степенью коррекции сферических и хроматических аберраций. Объективы Plan используются для коррекции кривизны поля. Объективы PlanApo используются для коррекции хроматических аберраций и кривизны поля.
Что такое хроматическая аберрация?
Хроматическая аберрация — разновидность аберраций оптических систем, обусловленная различием показателя преломления прозрачных сред от длины волны проходящего излучения. Из-за паразитной дисперсии фокусные расстояния для света разных цветов не совпадают. Кроме этого, к хроматическим аберрациям можно отнести хроматические разности геометрических аберраций. Хроматическая аберрация ведёт к снижению чёткости изображения, а иногда также и к появлению на нём цветных контуров, полос, пятен, которые у предмета отсутствуют.
Рабочее расстояние
Рабочим расстоянием является дистанция между фронтальной линзой объектива и поверхностью образца при нахождении образца в фокусе. В большинстве случаев, рабочее расстояние объектива снижается по мере роста увеличения. В стереомикроскопии, рабочее расстояние является одним из важнейших критериев, поскольку напрямую влияет на функционал микроскопа.
Эргономика. Каждому свое
Люди бывают высокими и низкими, и этот факт предъявляет особые требования к оптическому инструменту. К примеру, текущая высота микроскопа, оснащенного специальными аксессуарами для конкретной задачи и с настроенным рабочим расстоянием, может полностью не подходить под определенного пользователя. Если высота окуляров слишком мала, то пользователь будет вынужден нагибаться при работе, что приведет к мышечному напряжению в области шеи. Поэтому, высота и угол наклона окуляров должны иметь функции настройки под пользователя. Изменяемая настройка высоты окуляров позволяет пользователю адаптировать свое положение за микроскопом. Заметим, что возможно также изменение высоты кресла для принятия комфортной позиции, однако, это не является наилучшим подходом. Гораздо проще использовать настраиваемый бинокулярный тубус для компенсации разницы в высоте.
Благодаря модульной конструкции, микроскопы CMO предлагают множество возможностей настройки под размеры или рабочие привычки пользователя.
Освещение
Одним из ключевых факторов в стерео микроскопии является освещение. Просто меняя тип освещения, может быть получена совершенно новая информация об образце. Очень важно правильно подобрать освещение под микроскоп и конкретное применение.
Типы освещения
Падающий свет используется в основном для непрозрачных образцов. Методы подачи данного света (кольца, пятна) зависят от текстуры образца и условий применения. Падающий свет необходим для всех типов непрозрачных образцов.
Проходящий свет применяется при исследовании различных видов прозрачных образцов.
Проходящий свет, метод светлого поля
Метод светлого поля используется при исследовании прозрачных образцов с высокой контрастностью.
Косое проходящей освещения
Данная техника используется для исследования практически прозрачных и не имеющих цвета образцов. Благодаря наклонной позиции освещения, может быть достигнута более высокая контрастность и визуальная четкость образца.
Использование метода темного поля в стереомикроскопии требует специализированного штатива, содержащего зеркала и устройства перенаправления света на образец под косыми углами. Основные элементы темнопольного освещения одинаковы и для стереомикроскопов и для более традиционных составных микроскопов, которые часто оборудованы сложными многолинзовыми конденсорными системами или конденсорами со специальными внутренними зеркалами.
Метод контраста для прозрачных образцов
Rottermann Contrast является методом освещения, отображающим изменения рефракционного индекса с помощью изменений в яркости.
Заключение
Правильный подбор стереомикроскопа под определенное применение является ключевым фактором удовлетворения пользователя. Поскольку микроскоп является рабочей лошадкой в каждой лаборатории или в производственном отделе, людям, принимающим решение о приобретении, необходимо быть уверенными на 100 процентов, что его можно адаптировать под любого пользователя.
Основы стереомикроскопии
Стереоскопические микроскопы, учитывая широкий спектр имеющихся сегодня на рынке принадлежностей для них, можно смело назвать чрезвычайно полезными приборами для решения самых разных задач. Все производители выпускают штативы и основания с осветителями, позволяющие различными способами улучшать контрастность, и адаптируемые практически к любой рабочей ситуации. Для стереоскопических микроскопов (стереомикроскопов) предлагается широкий ассортимент объективов и окуляров, характеристики которых можно улучшать дополнительными линзами и коаксиальными осветителями, устанавливаемыми на микроскоп в виде промежуточного тубуса. Диапазон рабочих расстояний простирается от 3–5 сантиметров и (для некоторых моделей) до 20 сантиметров, что обеспечивает значительное рабочее пространство между объективом и образцом.
Введение в стереомикроскопию
Стереомикроскопы обладают характеристиками, очень полезными в ситуациях, где требуется трехмерное наблюдение, а восприятие глубины и контрастности критично для интерпретации структуры образца. Кроме того, такие микроскопы насущно необходимы для микроманипуляций образца в большом и удобном рабочем пространстве. Широкое поле зрения и переменное увеличение стереомикроскопов делают их весьма удобными для конструирования миниатюрных промышленных сборок, а также для биологических исследований, где необходимо манипулировать хрупкими и чувствительными живыми организмами.
Первый микроскоп стереоскопического типа с двумя окулярами и парой одинаковы[ объективов был разработан Керубином д’Орлеаном (Cherubin d’Orleans) в 1671 году. В действительности, этот прибор был псевдостереоскопической системой, в которой прямое изображение формировалось только при использовании дополнительных линз.
Рис. 1. Первый микроскоп стереоскопического типа
Основной недостаток конструкции д’Орлеана состоял в том, что левая часть изображения проецируется в правый окуляр, и наоборот. Так продолжалось до тех пор, пока 150 годами позднее Чарльз Уитстоун (Charles Wheatstone) написал трактат о бинокулярном зрении, который пробудил серьезный интерес к стереомикроскопии и придал импульс дальнейшим разработкам.
В середине девятнадцатого столетия Фрэнсис Герберт Винэм (Francis Herbert Wenham) из Лондона сконструировал первый действительно удачный стереомикроскоп. Винэм внедрил новаторское решение, применив ахроматическую призму для расщепления светового пучка позади одиночного объектива. Несколькими годами позже Джон Вер Стефенсон (John Ware Stephenson) изготовил аналогичный прибор (см. рисунок 1). Получивший известность бинокулярный микроскоп Винэма имел много дефектов изображения, обусловленных использованием одиночной линзы, и, в действительности, не создавал стереоскопического эффекта.
В начале 90-х годов девятнадцатого века Горацио С. Грену (Horatio S. Greenough), американский приборостроитель представил новаторскую конструкцию, ставшую прародительницей современных стеромикроскопов. Грену убедил компанию «Карл Цейсс» начать выпуск микроскопов его конструкции. Однако, вместо внедрения линзовой оборачивающей системы Грену, для получения прямого изображения инженеры из Йены разработали оборачивающие призмы. Эта конструкция выдержала испытания временем (и огромным количеством микроскопистов), и была «рабочей лошадкой» для биологической и медицинской диссекции на протяжении всего двадцатого столетия. Более того, и сегодня микроскопы этой конструкции являются предпочтительными для многих специальных приложений.
Выпускавшиеся в первой половине двадцатого века стереомикроскопы, или, как их называли, «препаровальные лупы», представляли собой наиболее традиционные составные микроскопы эпохи. Они были тяжеловесными и изготавливались, преимущественно, из латуни. В них использовались простые оптические системы, состоявшие из одного или двух линзовых дублетов. Для формирования прямого изображения использовались призмы. Рабочее расстояние этих микроскопов обратно пропорционально увеличению, и при максимальных значениях увеличения было достаточно малым. Использовались эти микроскопы, главным образом, для диссекции, поскольку промышленные приложения с использованием миниатюрных сборок, требующих применения микроскопов для контроля, были весьма немногочисленны. Даже часовщики в те времена пользовались монокулярными лупами!
Первый современный стереомикроскоп был представлен Американской оптической компанией (США) в 1957 году. Эта новаторская конструкция получила название Cycloptic ® и имела литой алюминиевый корпус, постоянное рабочее расстояние (которое составляло четыре дюйма, и было самым большим для серийно выпускавшихся микроскопов) и встроенный пятиступенчатый механизм изменения увеличения, позволявший изменять увеличение объектива от 0,7x до 2,5x. Кроме того, в микроскопе использовались одноэлементные оборачивающие стеклянные призмы; он оснащался целым рядом принадлежностей, включая штативы, стойки и осветители. Внешне конструкция была выдержана в духе 1950-х годов, с двухцветной серой окраской (см. рисунок 2). Свое название микроскоп получил от одиночного большого центрального объектива, расположенного в нижней части корпуса. Через этот объектив проходит суммарный (левого и правого каналов) световой поток от образца.
Рис. 2. Стереомикроскоп Cycloptic® Американской оптической компании
Впоследствии конструкция Cycloptic получила название общий главный объектив (CMO). В ней используется один большой объектив, который, будучи сфокусированным на образце, формирует изображение в бесконечность. В отличие от большинства ранних конструкций стереомикроскопов, в нижней части конструкции Cycloptic использовалось резьбовое крепление для установки объектива непосредственно под поворотным барабаном с двумя парами афокальных телескопов Галилея. При вращении барабана телескопические линзы использовались в прямой и обратной ориентации (увеличение или уменьшение), обеспечивая четыре различных значения увеличения. Пятое значение увеличения получалось при использовании открытого канала без линз. Система линз Галилея характеризуется малым фокусным расстоянием, очень малым диаметром поля, и редко дает увеличение более 2x или 3x. Двукратная линза Галилея дает увеличение 2x или 1/2x, в зависимости от ориентации, а согласованные пары могут комбинироваться для получения различных значений увеличения. В насадке микроскопа Cycloptic устанавливаются тубусные линзы, оборачивающие призмы и пара окуляров. Этот микроскоп быстро завоевал популярность у первых производителей полупроводниковых приборов, прежде всего, у компании Western Electric.
Помимо меньшей стоимости, в сравнении с призменными микроскопами, модель StereoZoom имеет меньший вес. Базовая система, названная «Power Pod» — «распределительный щит», дополнялась огромным набором вспомогательных линз, осветителей, рукояток и штативов, изготовленных в задающем тенденцию, проверенном на протяжении 40 лет, стиле. Конструкция StereoZoom была немедленно и на длительный срок принята быстро развивающейся полупроводниковой промышленностью. Она доминировала на рынке стереоскопических микроскопов на протяжении многих лет, пока в 2000 году ее выпуск не был прекращен компанией Leica, объединившей в 1980-х годах ресурсы Американской оптической компании, а также компаний Bausch & Lomb, Leitz, Reichert и Wild.
Рис. 3. Микроскоп StereoZoom® компании Bausch & Lomb
В начале 1960-х годов на рынке США начали появляться стереомикроскопы с функцией трансфокации, представленные японскими компаниями Nikon, Olympus, Unitron и другими (менее известными). Совместными усилиями японские, американские и европейские производители стереомикроскопов продолжали совершенствовать свою продукцию, наделяя ее несметным множеством новых функций. Совершенствование стереомикроскопов ускорялось появлением высокоскоростных компьютеров, позволивших оптикам-разработчикам решить сложную задачу создания эффективных оптических систем с переменным увеличением и хорошей коррекцией оптических аберраций.
Конструкции современных стереомикроскопов характеризуются объективами с высокой числовой апертурой, позволяющими получать высококонтрастные изображения с минимумом засветок и геометрических искажений. Окулярные тубусы дают возможность использовать окуляры с высоким выносом глаза, с полем зрения до 26 миллиметров и диоптрийной регулировкой межзрачкового расстояния, что, в свою очередь, позволяет одновременно помещать в фокус изображение и окулярную сетку. Кроме того, многие модели обладают высокой коэффициентом трансфокации (до 12x-15x), что обеспечивает широкий диапазон изменения увеличения (от 2x до 540x) и сокращает потребность в сменных объективах. Внедрение в конструкцию микроскопов эргономических элементов позволяет снизить утомляемость операторов в результате долгих часов работы, а оснащение современных микроскопов все более новыми вспомогательными принадлежностями дает возможность получать изображения таких образцов, наблюдение которых еще несколько лет тому назад было практически невозможным.
В результате совместной работы глаз и мозга человека формируется то, что называют стереоскопическим (бинокулярным) зрением, создающим пространственные трехмерные изображения окружающих предметов. Стереоскопическое зрение возможно благодаря тому, что мозг интерпретирует два несколько отличные друг от друга изображения, поступающие от сетчатки каждого из глаз. Расстояние между зрачками глаз человека составляет, как правило, 64–65 миллиметров, в результате чего один глаз воспринимает объект с несколько иной, отличающейся на несколько градусов, точки, нежели другой. В процессе передачи в мозг оба изображения сливаются, но при этом сохраняется удивительно высокая степень восприятия глубины. Стерео микроскопы дают возможностью воспринимать глубину благодаря передаче двух расположенных под небольшим углом (как правило, от 10 до 12 градусов) изображений, создающих действительно стереоскопический эффект.
Конструкции стереомикроскопов
В некоторых стереомикроскопах изображение образца формируется при помощи двух раздельных сложных оптических систем, каждая из которых состоит из окуляра, объектива и промежуточных линз. В других конструкциях используется один объектив, общий для двух отдельных оптических каналов. Два отдельных изображения, отличающихся углами наблюдения, проецируются на сетчатки глаз наблюдателя, где они возбуждают нервные окончания, в результате чего информация попадает в мозг для последующей обработки. Результатом описанного процесса является единое трехмерное изображение (образца), разрешение которого ограничивается параметрами оптической системы микроскопа и концентрацией нервных окончаний сетчатки, подобно тому, как разрешение фотографического изображения ограничивается размером зерна фотопленки или плотностью ячеек ПЗС-матрицы цифровой камеры.
В общем, стереомикроскопы можно разделить на два основных семейства, каждое из которых обладает определенными преимуществами и недостатками. В самой ранней стереомикроскопической системе, названной по имени ее изобретателя системой Грену, используются два тубуса, которые разнесены на некоторый угол, что и обеспечивает стереоскопический эффект. В более современной конструкции с общим главным объективом (представлена выше) один большой объектив совместно используется парой окулярных тубусов и оптических систем. Регулировка увеличения в микроскопах обоих типов может обеспечиваться либо отдельными линзами,(ступенчатая смена увеличения), либо системой непрерывного изменения увеличения — трансфокации. Ниже рассматриваются преимущества и недостатки обеих конструкций — конструкции Грену и системы с общим главным объективом.
Рис. 4. Сравнение микроскопов конструкций CMO и Грену
Представленная фирмой «Карл Цейсс» на пороге двадцатого столетия конструкция Грену состоит из двух идентичных (и симметричных) оптических систем, каждая из которых, в свою очередь, состоит из отдельного окуляра и объектива, точно выставленных в едином корпусе (рисунок 4). Основным преимуществом этой системы являются высокие числовые апертуры, получающиеся благодаря использованию объективов конструкции, аналогичной той, которая используется в классических сложных микроскопах. В общем случае, нижние части тубусов с тонкими объективами сходятся под некоторым углом, обеспечивающим наилучшую фокусировку лучей в плоскости объекта. Верхние части тубусов проецируют пару изображений в глаза наблюдателя, обычно, через пару стандартных окуляров. Размер, фокусировку, поворот и центровку двух изображений необходимо поддерживать постоянными с очень высокой точностью, с тем, чтобы глаза видели практически одну и ту же картину. Единственное отличие от тождественности изображений состоит в несколько отличающихся углах проецирования изображения на сетчатку. Благодаря углу схождения, который в современных конструкциях, обычно, равен 10 — 12 градусам, левый глаз видит объект с левой стороны, тогда как правый глаз видит тот же самый объект с правой стороны, и в несколько иной перспективе.
Пара оборачивающих призм или система зеркал перевертывает поступающее из объективов увеличенное изображение, и представляет его наблюдателю так, как оно выглядело бы без микроскопа. В некоторых конструкциях встроенные тубусы обеспечивают прямую линию визирования, тогда как в микроскопах других конструкций используются дополнительные призмы, с целью наклона тубусов и предоставления микроскописту более естественной позиции для наблюдения. Поскольку формирующие изображение световые лучи проходят по центру оптической системы, качество изображения симметрично относительно его центра, как и в большинстве сложных микроскопов. Кроме того, благодаря меньшим размерам и осевой симметрии линз, а также слабой зависимости от света, проходящего через периферию объектива, в микроскопах конструкции Грену легче, чем в микроскопах с общим главным объективом, корректировать оптические аберрации.
Искажение в микроскопах конструкции Грену возникает вследствие отклонения каждого тубуса от общей оси. Вследствие этого искажения, известного под названием трапецеидального, левая часть изображения, наблюдаемого правым глазом, кажется несколько меньше правой части этого же изображения; естественно, обратная картина справедлива для изображения, наблюдаемого левым глазом (см. рисунок 5). Трапецеидальное искажение обусловлено тем, что промежуточные изображения, формируемые каждым тубусом, наклонены относительно плоскости образца и расположены под углом друг к другу, вследствие чего только центральные области одновременно находятся в фокусе при одинаковом увеличении. В результате, периферийные области поля зрения фокусируются немного выше или ниже фактической плоскости образца и слегка отличаются по увеличению, хотя глаза, обычно, компенсируют этот эффект и он часто остается незаметным для наблюдателя. Тем не менее, при длительных наблюдениях трапецеидальное искажение может вызвать утомление и перенапряжение зрения.
Небольшие различия в увеличении и фокусировке в пределах поля зрения стереомикроскопов Грену можно было бы заметить на фотографическом или видеоизображении, полученном через один канал прибора, в особенности, при наблюдении плоского и прямолинейного объекта. При микрофотографировании дискретность фокусировки вследствие наклона легко компенсируется наклоном образца или отклонением одного из пучков лучей, с тем, чтобы оптическая ось микроскопа располагалась перпендикулярно продольной плоскости образца. Для минимизации трапецеидального искажения при использовании окулярной сетки, линейная сетка окуляра должна располагаться в вертикальном направлении. Другое решение состоит в нейтрализации сходимости пучка путем наклона образца или микроскопа на пять-шесть градусов.
Конструкции стереомикроскопов с общим главным объективом основываются на преломляющем действии одного объектива большого диаметра, через который происходит наблюдение объекта по обоим каналам — левому и правому. Каждый из этих каналов работает как независимая оптическая система, параллельная другой (поэтому такие микроскопы называют также параллельными; рисунок 4). В системе отсутствуют коллимированные световые пучки между отдельными каналами и объективом (изображение проецируется в бесконечность). Такая пространственная конфигурация гарантирует, что левая и правая оптические оси сходятся в фокальной точке в плоскости образца. Поскольку такая параллельная ориентация осей обычно распространяется и на окуляры — наблюдатель видит левое и правое изображения с небольшой, либо с нулевой конвергенцией (сходимостью). Основное преимущество системы с общим главным объективом состоит в том, что оптическая ось этого объектива перпендикулярна плоскости образца, благодаря чему система свободна от характерного наклона изображения в фокальной плоскости окуляра.
Несмотря на то, что в большинстве случаев на образце имеет место сходимость величиной от 10 до 12 градусов, мозг не участвует в интерпретации не сведенных трехмерных изображений. Это приводит к уникальной аномалии, характерной для стереомикроскопов с общим главным объективом. При наблюдении изображения через микроскопы этого типа центральная область образца выглядит немного приподнятой, из-за чего плоский образец кажется выпуклым. Например, изображение монеты будет выглядеть утолщенным в центре, вследствие чего наблюдателю будет казаться, что если монету перевернуть на плоской поверхности, то она будет раскачиваться из стороны в сторону. Такое искажение называется искажением перспективы, и не является критичным, если только микроскоп не используется для измерения кривизны поверхности или высоты образца (см. рисунок 5). Хотя образцы со сложными или округлыми формами также, в некоторой степени, демонстрируют искажение перспективы, при наблюдении через стереомикроскоп они зачастую представляются неискаженными.
Рис. 5. Искажение перспективы и трапецеидальное искажение
Искажение перспективы иногда называют эффектом куполообразования или глобулярным эффектом; это искажение является результатом комбинации трапецеидального искажения и подушкообразной дисторсии. В качестве примера на рисунке 5 показано, как выглядела бы слегка увеличенная дискообразная плоская монета (в настоящем случае — один американский цент) при наблюдении через стереомикроскоп с сильным искажением перспективы. Оригинал монеты показан вверху и имеет плоскую поверхность. Под оригиналом представлены изображения, одновременно проецируемые микроскопом, соответственно, в левый и правый глаз. Эти изображения демонстрируют асимметричную подушкообразную дисторсию, направленную к центральной оси микроскопа. Результатом проецирования изображений из обоих окуляров на сетчатку глаз и их объединения в мозгу является восприятие куполообразного или шарообразного объекта. В большинстве профессиональных стереомикроскопов исследовательского класса с общим главным объективом от ведущих производителей этот тип искажений практически исключается, но все характерен для некоторых, более дешевых моделей.
В стереомикроскопах с общим главным объективом часто встречается еще один тип искажений, обусловленных появлением в центре каждого изображения небольших внеосевых аберраций, таких, как астигматизм, кома и поперечная хроматическая аберрация. Это происходит потому, что каждый оптический канал принимает световые лучи от смещенной от центра области большого объектива, вместо приема лучей непосредственно от центра, где аберрации (в особенности, внеосевые) в объективах с наилучшей оптической компенсацией минимальны, либо практически отсутствуют. При наблюдении образца обоими глазами этот эффект обычно незаметен, но микрофотографии или снимки, сделанные цифровой камерой, могут иметь асимметричную геометрию в пределах поля зрения.
Как правило, коррекция хроматических аберраций — это трудное и дорогостоящее дело, особенно, учитывая большие размеры и объемы стела, используемого при изготовлении объективов. В некоторых конструкциях стереомикроскопов эта проблема решается за смещения большогоцентрального объектива, и размещения его по оси левого или правого канала. В микроскопах других конструкций имеется возможность замены большого объектива традиционным, скорректированным на бесконечность объективом, который можно использовать для наблюдения и фотографирования образцов при больших увеличениях (и числовых апертурах).
Наиболее значимой конструктивной особенностью и практическим преимуществом стереомикроскопов с общим главным объективом, как и большинства современных микроскопов, является «бесконечная» оптическая система. Между объективом и съемной насадкой/блоком наблюдательных тубусов двухканальной конструкции с параллельными осями существует путь для коллимированного пучка света (бесконечное пространство на рисунке 6). Такая конструкция позволяет легко устанавливать в пространстве между корпусом и насадкой микроскопа дополнительные приспособления, например, светоделители, коаксиальные эпископические осветители, промежуточные тубусы для фото или видеокамер, телескопические тубусы, устройства подъема уровня выноса глаза и передающие тубусы. Дополнительные принадлежности можно устанавливать также и в пространстве между объективом и трансфокатором, хотя на практике это делается редко. Поскольку оптическая система формирует между штативом и насадкой микроскопа параллельный пучок световых лучей, дополнительные принадлежности не вносят существенных аберраций и не приводят к сдвигу наблюдаемых в микроскоп изображений. Такая универсальность недоступна для стереомикроскопов, построенных по принципу Грену.
Рис. 6. Внутренние компоненты и оптическая система микроскопа Nikon SMZ-1500
Определить, какая из двух конструкций стереоскопических микроскопов (с общим главным объективом или Грену) предпочтительнее — это очень трудная задача, поскольку нет общепринятых критериев сравнения характеристик этих двух систем. В общем случае, микроскопы с общим главным объективом обладают большей светосилой, чем микроскопы конструкции Грену, и часто в них достигается более высокая степень коррекции оптических аберраций. В некоторых случаях для проведения наблюдений и выполнения микрофотосъемки лучшими могут оказаться микроскопы с общим главным объективом, тогда как в других ситуациях могут потребоваться характеристики, присущие только микроскопам конструкции Грену. Поэтому, каждый микроскопист должен самостоятельно определить, какая из конструкций будет наиболее подходящей для решения имеющейся задачи, и использовать эту информацию для разработки стратегии исследований с применением стереоскопических микроскопов.
В большинстве случаев, выбор между стереомикроскопами конструкции Грену и с общим главным объективом делается исходя из прикладной задачи, а не на основании превосходства одной конструкции над другой. Микроскопы конструкции Грену обычно используются в качестве «рабочей лошадки» для пайки миниатюрных электронных компонентов, диссекции биологических образцов и аналогичных рутинных задач. Эти микроскопы сравнительно невелики, недороги, очень прочны, просты в эксплуатации и обслуживании. Микроскопы с общим главным объективом обычно используются для решения более сложных задач, требующих высокого разрешения с применением современных дополнительных оптических и осветительных приспособлений. Широкий спектр принадлежностей, имеющихся для этих микроскопов, определяет прочность их позиций в исследовательской сфере. Микроскопы Грену гораздо скорее можно найти на производственных линиях промышленных предприятий, тогда как область применения микроскопов с общим главным объективом ограничивается исследовательскими и опытными лабораториями. Еще одним фактором влияния на выбор является экономичность покупки микроскопов, особенно, в больших количествах. Стереомикроскоп с общим главным объективом может стоить в несколько раз дороже микроскопа Грену. Это обстоятельство может стать решающим фактором для тех производителей, которым требуется от нескольких десятков до нескольких сотен микроскопов. Тем не менее, существуют и исключения. Если микроскоп с общим главным объективом лучше подходит для выполнения работы, то истинная конечная стоимость приобретения может оказаться меньшей.
Увеличение в стереомикроскопии — объективы и окуляры
Общее увеличение стереомикроскопа представляет собой произведение увеличений объектива и окуляра, плюс увеличение, которое вносят все внутренние элементы или внешние дополнительные увеличительные линзовые системы. С годами был разработан ряд независимых методов изменения (повышения или снижения) коэффициента увеличения стереомикроскопов. Объективы (или объектив в конструкции с общим главным объективом) простейших микроскопов неподвижно крепятся в нижней части корпуса, вследствие чего увеличение можно изменять только путем установки окуляров с изменяемым увеличением. Немного более сложные микроскопы оснащаются сменными объективами, что позволяет изменять коэффициенты полного увеличения за счет использования объективов с большей или меньшей силой увеличения, либо за счет сменных окуляров с различным увеличением. Такие модели имеют резьбовое или зажимное крепление объективов, позволяющее сравнительно быстро изменять коэффициент увеличения.
Для изменения коэффициента увеличения, микроскопы среднего уровня оснащаются либо объективом в подвижном корпусе, либо поворотной головкой барабанного типа с несколькими наборами согласованных объективов. Для изменения увеличения микроскопа оператору необходимо просто повернуть головку и установить очередную пару согласованных объективов под тубусами оптических каналов. В свое время микроскопы такой конструкции были весьма популярны, но сегодня выпускаются все реже.
Микроскопы высшего класса оборудуются трансфокаторной системой или поворотной головкой барабанного типа с телескопами Галилея, которые используются для увеличения или уменьшения общей кратности (увеличения) микроскопа. Поворотный барабан работает, как встроенный промежуточный тубус (или элемент), содержащий парные наборы объективов, которые можно, путем вращения барабана, устанавливать в оптическом пути. В большинстве моделей, для фиксации креплений объективов в нужном (юстированном) положении, в качестве «фиксаторов положения» используются неподвижные упоры — click-stops, которые маркируются, с целью уведомления оператора об использовании нового коэффициента увеличения. Обычно, в барабане имеется пара пустых посадочных мест, в которых нет дополнительных объективов (линз). Расположив эти свободные места на оптическом пути, можно использовать комбинацию объектива и окуляра без дополнительного увеличения.
Рис. 7. Конфигурация стереомикроскопа с трансфокатором
Трансфокаторные системы (см. рисунок 7) обеспечивают плавное изменение коэффициента увеличения при помощи вращающейся рукоятки, расположенной на периферии корпуса микроскопа, либо встроенной в корпус. Такая конструкция исключает «гашение» изображения при ступенчатом изменении увеличения с возможной зрительной потерей пространственных соотношений параметров образца. В некоторых ранних работах трансфокаторные системы часто называются панкратическими системами — от греческих слов пан — «любой» и кратос — «сила» (в том числе и оптическая сила увеличения). Коэффициент трансфокации лежит в диапазоне от 4:1 до 15:1, в зависимости от года выпуска, изготовителя и модели микроскопа. В общем случае, трансфокаторная оптическая система состоит минимум из трех групп линз; в каждую из групп входят два (и более) элемента, точно выставленных один относительно другого. Один из элементов неподвижно закреплен в тубусе оптического канала, а два других плавно перемещаются по оптическому каналу вверх и вниз при помощи прецизионных кулачков. Система предназначена для быстрого и плавного изменения коэффициента усиления с сохранением фокусировки микроскопа. За трансфокаторной системой устанавливаются дополнительные линзы, предназначенные для оборачивания и/или выпрямления (формирования неперевернутого) изображения перед его проецированием в окуляры. В некоторых новейших моделях стереомикроскопов используются фиксаторы click-stops, щелчок которых предупреждает микроскописта об успешном выборе того или иного значения увеличения. Это свойство необходимо для калибровки уровня увеличения при заданном значении оптической силы и, зачастую, весьма полезен при выполнении линейных измерений.
Масштабирующие оптические системы (трансфокаторы) первых стереомикроскопов обладали увеличением от 7x до 30x. По мере улучшения оптических характеристик микроскопов этого класса коэффициенты увеличения росли, благодаря чему современные учебные микроскопы обладают коэффициентами трансфокации от 2x до 70x. Коэффициенты трансфокации стереомикроскопов среднего уровня при верхнем пределе увеличения лежат в диапазоне от 250x до 400x, а в высококлассных исследовательских микроскопах коэффициент увеличения трансфокаторной системы может превышать 500x. Такие коэффициенты увеличения дополняются глубиной поля и рабочими расстояниями, намного превышающими аналогичные параметры сложных микроскопов с эквивалентным увеличением. Рабочие расстояния современных стереомикроскопов лежат в диапазоне от 20 до 140 миллиметров, в зависимости от коэффициента увеличения объектива и коэффициента трансфокации. Специальные вспомогательные линзовые насадки позволяют увеличивать рабочее расстояние до 300 миллиметров и более. Диаметры поля зрения современных стереомикроскопов также намного превышают достижимые при помощи сложных микроскопов.
Вспомогательные линзовые насадки можно устанавливать на корпус объектива микроскопа специальной конструкции (см. рисунок 8). В общем случае, линзовые насадки навинчиваются на резьбу, нарезанную в передней части корпуса объектива. Другие варианты крепятся к корпусу объектива зажимным механизмом. Линзовые насадки позволяют увеличивать или уменьшать коэффициент увеличения основного объектива микроскопа.
Линзовые насадки полезны в тех случаях, когда качество изображения не является решающим фактором, поскольку при использовании линзовых насадок невозможно выполнить точную коррекцию аберраций из-за невозможности всякий раз установить дополнительную линзу точно в одно и то же положение. Кроме того, линзовые насадки изменяют рабочее расстояние объектива (расстояние между образцом и передней линзой объектива). Линза, увеличивающая коэффициент увеличения микроскопа, одновременно уменьшает его рабочее расстояние, и наоборот.
Рис. 8 Набор линзовых насадок для стереомикроскопов
Современные стереомикроскопы оснащаются калиброванными широкопольными окулярами с высоким выносом глаза и увеличением от 5x до 30x с шагом порядка 5x. Большинство окуляров можно использовать с очками или без них. Окуляры оснащаются резиновыми наглазниками, защищающими линзы окуляров от контакта со стеклами очков.
Обычно, окуляры имеют диоптрийную настройку, что позволяет одновременно выполнять фокусировку на образце и измерительных сетках. Оправы бинокулярных тубусов (головок) современных микроскопов позволяют перемещать тубусы и, тем самым, изменять межзрачковое расстояние окуляров в диапазоне от 55 до 75 миллиметров. Часто межзрачковое расстояние регулируется путем поворота призм относительно их оптических осей. Поскольку объективы неподвижны относительно призм, такая регулировка не влияет на стереоскопический эффект. Возможность регулировать межзрачковое расстояние снижает утомление во время длительных наблюдений, однако, требует повторной регулировки в случае использования микроскопа несколькими наблюдателями. Следует иметь в виду, что микроскописты, которые носят очки для коррекции близорукости и различий в остроте зрения глаз, должны использовать свои очки и во время работы с микроскопом. Очки, предназначенные для работы вблизи (для коррекции дальнозоркости), на время наблюдения в микроскоп необходимо снимать, поскольку микроскоп формирует изображение на некотором расстоянии.
Поле зрения (сокращенно FOV), находящееся в фокусе при наблюдении образцов через микроскоп, определяется коэффициентом увеличения объектива и размером фиксированной полевой диафрагмы окуляра. Увеличение коэффициента увеличения традиционных и стереоскопических микроскопов, при постоянной диафрагме, уменьшает размеры поля зрения. И, наоборот, при уменьшении коэффициента увеличения, поле зрения увеличивается, также при фиксированных диаметрах диафрагм окуляров. Изменение диаметра отверстия диафрагмы окуляра выполняется в процессе изготовления. При фиксированном коэффициенте увеличения изменение размера диафрагмы в большую сторону увеличивает поле зрения; уменьшение размера диафрагмы, соответственно, уменьшает поле зрения.
Физический диаметр полевой диафрагмы (расположена впереди или позади полевой линзы окуляра) большинства окуляров сложных и стереоскопических микроскопов измеряется в миллиметрах и называется величиной поля, которая часто обозначается аббревиатурой FN. В окулярах с полевой линзой, расположенной под диафрагмой, действительный физический размер полевой диафрагмы и видимый размер оптического поля могут варьироваться. Измерительные и микрофотографические сетки помещаются в плоскость полевой диафрагмы окуляра, с тем, чтобы они были видны в одной оптически сопряженной плоскости с образцом.
Обычно, количественный размер поля зрения определяется делением величины поля, указанной на окулярном тубусе на значение кратности объектива. Кроме того, необходимо также учитывать выставленное значение коэффициента трансфокации, а также все установленные в оптический путь дополнительные приспособления, с коэффициентом увеличения. Однако, увеличение окуляра не включается в расчет, что является довольно распространенной ошибкой, совершаемой новичками в микроскопии. В случае необходимости иметь более широкое поле зрения, следует выбирать окуляры с большей величиной поля. В диапазоне небольших значений коэффициента увеличения, значения поля зрения у стереомикроскопов значительно больше, чем у классических лабораторных сложных микроскопов. При использовании 10-кратного окуляра и объектива с малым коэффициентом увеличения (0,5x) типичный размер поля составляет от 65 до 80 миллиметров (в зависимости от коэффициента трансфокации), что значительно превосходит размер поля (около 40 мм) у сложного микроскопа со сравнимым увеличением. Для полей таких больших размеров требуется высокая степень освещенности, и зачастую бывает трудно обеспечить постоянный уровень освещенности по всему полю зрения.
Разрешающая способность и глубина поля в стереоскопической микроскопии
Разрешающая способность (или разрешение) в стереомикроскопии определяется, как и в любой другой оптической микроскопии, длиной волны освещения и числовой апертурой объектива. Числовая апертура является мерой разрешающей способности объектива, и определяется, как половинная угловая апертура объектива, умноженная на показатель преломления среды визуализации, — в стереомикроскопии это, как правило, воздух. Наименьшее расстояние, различимое между двумя точками образца, получается путем деления длины волны освещения (в микронах) на числовую апертуру, и выражается следующим уравнением (критерий Релея):
Разрешение (d) = 0,61•λ / (n•sin(Ψ)),
где d — наименьшее разрешимое расстояние; λ — длина волны освещения (в стереомикроскопии это комбинация волн с центром около 550 нм); n — показатель преломления среды между объективом и образцом; и Ψ — половинная угловая апертура объектива. Например, стереомикроскоп Nikon SMZ1500, оснащенный апохроматическим объективом с увеличением 1,6x и числовой апертурой 0,21, обеспечивает максимальное разрешение в 1,6 мкм при освещении образца белым светом со средней длиной волны 550 нм. Следует иметь в виду, что разрешение для объектива с увеличением 1,6x рассчитано исходя из предположения, что средой визуализации между образцом и объективом является воздух. Типичные значения коэффициента увеличения линз для общих главных объективов стереомикроскопов лежат в диапазоне от 0,5x до 2.0x, с тремя-четырьмя промежуточными значениями.
В таблице 1 представлены коэффициенты увеличения, рабочие расстояния и числовые апертуры типичных объективов для стереомикроскопов, при переменном увеличении. В прошлом, некоторые из производителей присвоили коэффициентам увеличения своих объективов для стереомикроскопов цветовые коды. В таблице 1 указаны цветовые коды для объективов стереомикроскопов серии Nikon, имеющих цветовую опознавательную маркировку. Отметим, что многие производители не присваивают объективам стереомикроскопов цветовые коды, вследствие чего коды, представленные в таблице 1, предназначены только для привлечения внимания читателей к тому факту, что некоторые объективы могут иметь как такую, так и иную фирменную маркировку.