Устройство микроскопа
Микроскопы - это приборы, предназначенные для получения увеличенных изображений мелких объектов а также их фотографий (микрофотографий). Микроскоп должен выполнять три задачи: показывать увеличенное изображение препарата, разделять детали на изображении и визуализировать их для восприятия человеческим глазом или камерой. Эта группа инструментов включает в себя не только сложные приборы из нескольких линз с объективами и конденсорами, но и очень простые одиночные устройства, которые легко держать в руках, такие как увеличительное стекло. В данной статье мы рассмотрим устройство микроскопа и его основные детали.
Устройство и основные части оптического микроскопа
Функционально устройство микроскопа делится на 3 части:
Система освещения
Система освещения необходима для генерации светового потока, который подается на объект таким образом, чтобы последующие части микроскопа максимально точно выполняли свои функции для построения изображения. Осветительная система прямого микроскопа проходящего света расположена под объектом в прямых микроскопах (например, лабораторные, поляризационные и др.) и над объектом в инвертированных.
Осветительная система микроскопа включает источник света ( галогеновая лампа или светодиод и электрический блок питания) и оптико-механическую систему (коллектор, конденсор, полевая и апертурная регулируемые/ирисовые диафрагмы).
Оптика микроскопа
Предназначена для воспроизведения препарата в плоскости изображения с требуемым для исследования качеством изображения и увеличения (т. е. для построения такого изображения, которое точно и во всех деталях воспроизводило бы объект с соответствующим оптике микроскопа разрешением, увеличением, контрастом и цветопередачей).
Оптика обеспечивает первую ступень увеличения и расположена после объекта до плоскости изображения микроскопа.
Оптика микроскопа включает в себя объектив и промежуточные оптические модули (компенсаторы, модули промежуточного увеличения, анализаторы).
Современные микроскопы базируются на оптических системах объективов, скорректированных на бесконечность (Olympus UIS2). Для работы в этой оптической системе применяются тубусы, которые фиксируют параллельные пучки света, выходящие из объектива и «собирают» в плоскости изображения микроскопа.
Визуализирующая часть
Предназначена для получения реального изображения объекта на сетчатке глаза, фотоплёнке, на экране компъютера с дополнительным увеличением (вторая ступень увеличения).
Визуализирующая часть в виде тубуса с окулярами находится между плоскостью изображения объектива и глазами наблюдателя или цифровой камерой для микроскопии.
Тубусы у микроскопов бывают монокулярные, бинокулярные или тринокулярные. Тринокулярный тубус позволяет подключить камеру для микроскопии и делать фото и видео исследуемого образца с наилучшим качеством.
Для микроскопов также производятся проекционные насадки, в том числе дискуссионные для двух и более наблюдателей; рисовальные аппараты;
Анатомия прямого микроскопа
Схема расположения основных элементов оптического микроскопа Olympus BH2
На рисунке показано строение микроскопа Olympus BH2, предшественника современных микроскопов Olympus CX41 , Olympus BX3.
Луч света от галогеновой лампы отражается и собирается коллекторной линзой для направления по оптическому пути. Так как лампа в процессе работы нагревается, в оптическом пути устанавливается тепловой фильтр для отсекания теплового излучения, идущего на препарпат. Галогеновая лампа меняет свой спектр в зависимости от подаваемого на неё напряжения,что сказывается на цветопередаче изображений, потому в оптическом пути обязательно используется цветобалансирующий фильтр для стабилизации цветовой температуры и обеспечения белого фона.
Зеркало направляет свет от осветителя на полевую диафрагму, которая регулирует диаметр пучка света, подаваемого на препарат.
Конденсор собирает полученный свет и направляет его на препарат, который установлен на предметном столике. Объектив микроскопа фокусируется с помощью ручек тонкой и грубой фокусировки на препарате и передает полученное изображение на призмы тубуса.
На микроскопе установлен тринокулярный тубус, имеющий светоделитель на окуляры и камеру. Пользователь через окуляры может исследовать препарат а также делать измерения с помощью объект-микрометра.
Через специальный адаптер на тринокулярный тубус устанавливается камера для создания микрофотографии. Плёночные фотокамеры устанавливались на микроскопе с начала ХХ века до изобретения цифровых фотокамер.
Разумеется, техника не стоит на месте и на сегодняшний день микроскоп оснащается камерами для микроскопии, которые легко устанавливаются на микроскоп и имеют даже большую функциональность, нежели их плёночные предшественники.
С конструктивно-технологической точки зрения, микроскоп состоит из следующих частей:
- Механическая часть;
- Оптическая часть ;
1. Механическая часть микроскопа
Устройство микроскопа включает в себя раму (или штатив), который является основным конструктивно-механическим блоком микроскопа. Рама включает в себя следующие основные блоки: основание, механизм фокусировки, корпус лампы (или светодиода), держатель конденсора, предметный столик, револьвер объективов, слайдеры для установки фильтров и анализаторов.
В зависимости от модели микроскопа различают следующие системы освещения:
- Осветитель с зеркалом;
- «Критическое» или упрощенное освещение (critical immumination);
- Освещение по Келеру.
Для игрушечных и детских микроскопов все еще можно встретить осветитель с зеркалом, однако применение такого микроскопа весьма ограничено.
В бюджетных микроскопах (CKX31, CKX41, CX23) , которые применяются в биологии и медицине применяется упрощенное освещение. Принцип критического освещения состоит в том равномерно яркий источник света располагается непосредственно за полевой диафрагмой и с помощью конденсора изображается на плоскости предмета. Размер полевой диафрагмы подбирается так, чтобы ее изображение, точно было ограничено полем зрения окуляра (при малом увеличении объектива. В связи с тем, что критическое освещение не дает прямого хода лучей через весь оптический путь, разрешение при критическом освещении ниже, чем при освещении по методу Кёллера.
В микроскопах лабораторного класса и выше применяется система освещения по методу Кёллера. Принцип освещения по Кёллеру состоит в установке прямого хода луча по всей оптической оси микроскопа. Это дает максимальное разрешение и детализацию препарата. Именно при этой системе освещения оправдано подключать камеры для микроскопии для получения качественных микрофотографий.
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). В исследовательских микроскопах применяются также моторизованые столики, которые позволяют автоматизировать процесс съемки и отслеживать препарат в определенных координатах через промежутки времени.
2. Оптическая часть
Оптические элементы и аксессуары обеспечивают основную функцию микроскопа — создание увеличенного изображения объекта с достаточной степенью достоверности по форме, соотношению размеров составляющих элементов и цветопередаче. Кроме этого, оптика должна обеспечивать такое качество изображения, которое отвечает целям исследования и требованиям методик проводимого анализа.
Основными оптическими элементами микроскопа являются следующие оптические элементы : полевая диафрагма, конденсор, фильтры, объективы, компенсаторы, окуляры, адаптеры для камер.
Объективы микроскопа являют собой оптические системы, предназначенные для построения микроскопического изображения в плоскости изображения с соответствующим увеличением, разрешением, точностью воспроизведения по форме и цвету объекта исследования. Объективы являются одними из ключевых частей микроскопа. 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 UPLSAPO100XO с увеличением 100х и числовой апертурой 1,40).
Объектив состоит из фронтальной и последующей частей. Фронтальная линза обращена к препарату и является основной при построении изображения соответствующего качества.Она определяет рабочее расстояние и числовую апертуру объектива. Последующая часть в сочетании с фронтальной обеспечивает требуемое увеличение, фокусное расстояние и качество изображения, а также определяет парфокальную высоту объектива и длину тубуса микроскопа.
Конденсор.
Оптическая система конденсора предназначена для увеличения количества света, поступающего в микроскоп. Конденсор располагается между объектом (предметным столиком) и осветителем (источником света).
В учебных и простых микроскопах конденсор бывает несъемный и неподвижный. В остальных случаях конденсор является съемным адаптированным под конкретную задачу модулем. При настройке освещения (юстировке микроскопа) конденсор подвижен вдоль и перпендикулярно оптической оси.
В конденсоре всегда находится апертурная ирисовая диафрагма, которая влияет на контрастность изображения и разрешение.
Оптическая система конденсора предназначена для увеличения количества света, поступающего в микроскоп. Конденсор располагается между объектом (предметным столиком) и осветителем (источником света).
В учебных и простых микроскопах конденсор бывает несъемный и неподвижный. В остальных случаях конденсор является съемным адаптированным под конкретную задачу модулем. При настройке освещения (юстировке микроскопа) конденсор подвижен вдоль и перпендикулярно оптической оси.
В конденсоре всегда находится апертурная ирисовая диафрагма, которая влияет на контрастность изображения и разрешение.
Для работы с методами контрастирования в микроскопии применяются специальные конденсоры, приспособленные для методов фазового контраста, тёмного поля, ДИК, поляризационного контраста.
Окуляры
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:
- окуляры компенсационного (К — компенсируют хроматическую разность увеличения объективов свыше 0,8%) и безкомпенсационного действия;
- окуляры обычные и плоского поля;
- окуляры широкоугольные (с окулярным числом — произведение увеличения окуляра на его линейное поле — более 180); сверхширокоугольные (с окулярным числом более 225);
- окуляры с вынесенным зрачком для работы в очках и без;
- окуляры для наблюдения, проекционные, фотоокуляры, гамалы;
- 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.
В микроскопах Olympus используются широкопольные окуляры с полевым числом от 20 мм до 26.5 мм для работы в очках и без. Окуляры имеют электростатическую защиту и диоптрийную подстройку для комфортной работы.
3. Электрическая часть микроскопа
В современных микроскопах, вместо зеркал, используются различные источники освещения, питаемые от электрической сети. Это могут быть как обычные галогеновые лампы так ксеноновые и ртутные лампы для флуоресцентной (люминесцентной микроскопии). Также все большую популярность набирают светодиодные осветители. Они обладают некоторыми преимуществами перед обычными лампами, как например большой срок службы (осветитель микроскопа Olympus BX46 U-LHEDC имеет срок службы 20 000 ч), меньшее энергопотребление и др. Для питания источника освещения используются различные блоки питания, блоки розжига и другие устройства, преобразующие ток из электрической сети в подходящий для питания того или иного источника освещения.
В современных микроскопах, вместо зеркал, используются различные источники освещения, питаемые от электрической сети. Это могут быть как обычные галогеновые лампы так ксеноновые и ртутные лампы для флуоресцентной (люминесцентной микроскопии). Также все большую популярность набирают светодиодные осветители. Они обладают некоторыми преимуществами перед обычными лампами, как например большой срок службы (осветитель микроскопа Olympus BX46 U-LHEDC имеет срок службы 20 000 ч), меньшее энергопотребление и др. Для питания источника освещения используются различные блоки питания, блоки розжига и другие устройства, преобразующие ток из электрической сети в подходящий для питания того или иного источника освещения.