Оптический микроскоп

Планахроматический объектив с увеличением 40, числовой апертурой 0,65, коррекцией на бесконечную длину тубуса и толщину покровного стекла 0,17 мм

Объектив микроскопа представляет собой сложную оптическую систему, образующую увеличенное изображение объекта, и является основной и наиболее ответственной частью микроскопа. Объектив создаёт изображение, которое рассматривается через окуляр. Поскольку окуляры могут давать существенное увеличение, то и оптические искажения, вносимые объективом, также будут увеличены окуляром. Это накладывает на качество объектива значительно большие требования, чем на окуляр.

Объективы биологических микроскопов и других микроскопов (кроме стереоскопических) в значительной степени унифицированы и взаимозаменяемы. На взаимозаменяемость в первую очередь влияют механические (присоединительные) параметры объектива.

Присоединительная резьба объективов стандартизована в 1858 году Royal Microscopical Society (RMS, ISO 8038, ГОСТ 3469). Сегодня эта резьба используется практически во всех микроскопах кроме стереомикроскопов или специальных. Диаметр резьбы 4/5" (~20 мм), шаг 1/36".

Помимо резьбы на взаимозаменяемость объективов влияет парфокальное расстояние — расстояние между препаратом и посадочным местом объектива в микроскопе. Большинство современных микроскопов рассчитаны на объективы с парфокальным расстоянием 45 мм. Ранее широко применялись объективы на 33 мм. Не всегда микроскоп позволяет устанавливать объективы с нештатным парфокальным расстоянием поскольку не хватает хода столика с препаратом чтобы скомпенсировать разницу. В связи с ростом сложности оптической схемы появляются крупногабаритные объективы с большим парфокальным расстоянием (например, 60 мм и 95 мм)[7]. Свободное расстояние от объектива до изучаемого объекта называется рабочим расстоянием объектива. Обычно это расстояние тем меньше чем больше увеличение объектива. Рабочее расстояние объектива плюс длина объектива равны парфокальному расстоянию объектива.

Конструкция объектива

Объектив микроскопа характеризуется номинальным увеличением (как правило из ряда 2,5; 3,2; 4; 5; 10; 20; 40; 63; 100; 120). Кроме того:

• Через дробь от увеличения указывается числовая апертура — характеристика разрешающей способности объектива. Предельная разрешающая способность объектива в мкм ${\displaystyle d=0{,}61\lambda /A}$, где λ — длина волны света, мкм; А — числовая апертура. Лучшие объективы имеют апертуру 1,4 и разрешение 0,12 мкм. Оценочно считают что максимальное разумное увеличение микроскопа при наблюдении глазом ограничено величиной апертуры умноженной на 1000. С другой стороны, чем больше апертура тем меньше глубина резкости (глубина зрения)[7]. Иногда объектив снабжается регулируемой диафрагмой, изменяющей числовую апертуру (такие объективы маркируются I, Iris).
• Тип коррекции на длину тубуса микроскопа. Практически всегда это 160 или бесконечность (∞). Как правило объективы с коррекцией на бесконечность качественнее и дороже. Объективы с коррекцией на бесконечность могут применяться самостоятельно (без окуляра), что используют в безлинзовых адаптерах к фотоаппаратуре. Объективы с конечной и бесконечной коррекцией не взаимозаменяемы, оптический тракт микроскопа различается.
• Для биологических микроскопов указывают наличие коррекции на толщину покровного стекла препарата в мм. Практически всегда это 0,17 или коррекция отсутствует (0 или -). Иногда встречаются объективы для инвертированных микроскопов (то есть для микроскопов в которых наблюдение ведётся снизу, через предметное стекло, чашку петри, стекло колбы и т. д.) с компенсацией на 1,2.

Кроме того указывается буквенное обозначение коррекции искажений:

• Искажений цвета (хроматических). Искажения проявляются в виде цветных ореолов. Объективы с исправлением искажений по двум основным цветам называют ахроматами (обычно не маркируется), по трём — апохроматами (маркируется Apo или созвучно).
• Неравномерности фокусировки по полю зрения (кривизна поля зрения). Скорректированные объективы с плоским полем зрения обозначаются приставкой план- к обозначению цветовой коррекции, например планахромат или планапохромат. Объектив с такой коррекцией содержит надписи План, Plan, Pl или созвучные. Объективы с неполной коррекцией могут обозначаться как Semi plan или собственным обозначением производителя.
• Устранение бликов от боковой подсветки на оптике.

Буквенные обозначения особенностей применения объектива:

• Для улучшения светосилы и числовой апертуры пространство между линзой объектива и объектом наблюдения заполняют прозрачной жидкостью с требуемым коэффициентом преломления. Такие объективы называют иммерсионными. Обычно это делается для объективов с увеличением 40 и выше. Если объектив рассчитан на использование определённой жидкости, то эксплуатировать его без неё или с другими жидкостями нельзя. В качестве жидкости чаще всего используют специальное синтетическое масло (объектив маркируется Oil), реже вода (W) или глицерин (Gli)[8].
• Объективы для люминесцентных исследований выполняют из материалов с минимальной собственной люминесценцией и хорошим пропусканием ультрафиолета, так как зачастую подсветка ультрафиолетом ведётся со стороны объектива (в т. н. люминесцентных микроскопах). При этом объектив выполняет функции конденсора. Объективы для люминесцентных исследований маркируют FLUOR.

Широкопольные окуляры с увеличением 10 и выносом зрачка 20 мм

Окуля́р — обращённая к глазу часть микроскопа, предназначаемая для рассматривания с некоторым увеличением оптического изображения, даваемого объективом микроскопа. Типовые увеличения окуляров для микроскопов от 5 до 25 единиц. Так же как и объективы, окуляры различаются по качеству, то есть величине оптических искажений, вносимых окуляром. Однако вклад искажений объектива обычно превалирует в сбалансированном микроскопе благодаря тому, что искажения объектива дополнительно увеличиваются окуляром, а искажения самого окуляра — нет. Поэтому окуляры обычно характеризуются другими параметрами, в первую очередь удобством оператора. Как правило, под этим удобством понимают ширину поля зрения и вынос зрачка.

Вынос зрачка — расстояние от окуляра до глаза. Как правило лежит в диапазоне 5..20 мм. Если оператор носит очки, то пользоваться окуляром с выносом 5 мм фактически невозможно. Наиболее комфортным считается расстояние 10..20 мм: с очками побольше без очков меньше. Излишне большой вынос зрачка также неудобен.

Поле зрения окуляра — угловой размер изображения, видимого через окуляр. Считается, что широкое поле зрения (большой угловой размер изображения) удобнее для работы, чем узкое. Широкопольные окуляры зачастую обозначаются буквой W и визуально отличаются большой площадью линзы.

Система освещения с конденсором

В первых микроскопах исследователи вынуждены были пользоваться естественными источниками света. Для улучшения освещённости стали использовать зеркало, а затем — и вогнутое зеркало, с помощью которого на препарат направляли лучи солнца или лампы. В современных микроскопах освещение регулируют с помощью конденсора.

Конденсор (от лат. condense — сгущаю, уплотняю), короткофокусная линза или система линз, используемая в оптическом приборе для освещения рассматриваемого или проецируемого предмета. Конденсор собирает и направляет на предмет лучи от источника света, в том числе и такие, которые в его отсутствие проходят мимо предмета; в результате такого «сгущения» светового потока резко возрастает освещённость предмета. Конденсоры применяются в микроскопах, в спектральных приборах, в проекционных аппаратах различных типов (например, диаскопах, эпидиаскопах, фотографических увеличителях и т. д.). Конструкция конденсора тем сложнее, чем больше его апертура. При числовых апертурах до 0,1 применяют простые линзы; при апертурах 0,2—0,3— двухлинзовые конденсоры, выше 0,7—трёхлинзовые. Наиболее распространён конденсор из двух одинаковых плосковыпуклых линз, которые обращены друг к другу сферическими поверхностями для уменьшения сферической аберрации. Иногда поверхности линз конденсора имеют более сложную форму — параболоидальную, эллипсоидальную и т. д. Разрешающая способность микроскопа повышается с увеличением апертуры его конденсора, поэтому конденсоры микроскопов — обычно сложные двух- или трёхлинзовые системы. В микроскопах и кинопроекционных аппаратах широко применяют также зеркальные и зеркально-линзовые конденсоры, апертура которых может быть очень велика — угол 2u раствора собираемого пучка лучей достигает 240°. Часто наличие в конденсорах нескольких линз вызвано не только стремлением увеличить его апертуру, но и необходимостью однородного освещения предмета при неоднородной структуре источника света[5].

Конденсоры тёмного поля применяются в темнопольной оптической микроскопии. Лучи света направляются конденсором таким образом, что они не попадают напрямую во входное отверстие объектива. Изображение формируется светом, рассеивающимся на оптических неоднородностях образца. В ряде случаев метод позволяет исследовать структуру прозрачных объектов без их окрашивания. Разработан ряд конструкций конденсоров тёмного поля, имеющих линзовую или зеркально-линзовую оптическую схему.

Многие объекты плохо различимы на фоне окружения из-за своих оптических свойств. Поэтому микроскопы оснащаются разнообразными инструментами, облегчающими выделение объекта на фоне среды. Чаще всего это разнообразные методы освещения объекта:

• в проходящем свете («светлопольная микроскопия»);
• в отраженном или рассеянном объектом свете («темнопольная микроскопия»);
• видимая люминесценция объекта в ультрафиолетовом свете («люминесцентная микроскопия»);
• в поляризованном свете (визуализируется изменение поляризации света при взаимодействии с объектом);
• в цветном («хроматическом») свете;

Метод интерференционного контрастирования объекта. Поскольку свет — это электромагнитная волна, то у него есть понятие фазы. Визуализируются фазовые искажения света на объекте наблюдения. Для этого используется сочетание специальных конденсора и объектива.

Предметный столик выполняет роль поверхности, на которой размещают микроскопический препарат. В разных конструкциях микроскопов столик может обеспечить координатное движение препарата в поле зрения объектива, по вертикали и горизонтали, или поворот препарата на заданный угол.

Первые наблюдения в микроскоп производились непосредственно над каким-либо объектом (птичье перо, снежинки, кристаллы и т. п.). Для удобства наблюдения в проходящем свете, препарат стали размещать на стеклянной пластинке (предметное стекло). Позже препарат стали закреплять тонким покровным стеклом, что позволило создавать коллекции образцов, например, гистологические коллекции. Для исследования методом висячей капли используются предметные стёкла с лункой — камеры Ранвье.

Для количественного учёта клеток, взвешенных в какой-либо жидкости, используют счётные камеры — предметные стёкла особой конструкции. В медицине для учёта форменных элементов крови применяется камера Горяева.

В процессе поиска фокуса возможна ситуация, когда оптика объектива упрётся в столик или образец. В микроскопах встречаются механизмы предотвращения контакта или снижения тяжести последствий. К первым относятся настраиваемые ограничители вертикального движения столика. Ко вторым относятся подпружиненные объективы, в которых линзовый узел окружён приливом корпуса и подвижен. При контакте объектива с препаратом прилив корпуса предотвращает воздействие на линзу, а подвижность снижает усилие удара.

Наличие в оптическом тракте микроскопа образцового рисунка (штриховки или других знаков с известным проецируемым размером) позволяет лучше оценить размеры наблюдаемых объектов.

Изображение, сформированное объективом, может быть непосредственно подано в окуляр или разделено на несколько идентичных изображений. Микроскопы без деления называются монокулярными, в них смотрят одним глазом. Удобство наблюдения двумя глазами предопределило широкое распространение бинокулярных микроскопов с двумя идентичными окулярами. Кроме того, микроскоп может оснащаться фотоаппаратурой, которая может монтироваться либо вместо штатных окуляров, либо в отдельный оптический порт. Такие микроскопы именуются тринокулярными.

Некоторые микроскопы позволяют освещать объект через объектив микроскопа. В этом случае используется специальный объектив, выполняющий также функции конденсора света. В оптическом тракте микроскопа устанавливается полупрозрачное зеркало и порт источника света. Чаще всего такой механизм освещения используется при люминесцентной микроскопии в ультрафиолетовых лучах.

Оптическая схема современного стереомикроскопа.
A — объектив
B — поворачивающиеся объективы
C — регулятор увеличения
D — внутренний объектив
E — призма
F — оборачивающая система линз
G — окулярная сетка
H — окуляр

Стереомикроскопы предназначены для тонких работ под микроскопом, например в часовом деле, микроэлектронике, микромоделизме, нейрохирургии и т. п. Для таких работ нужно правильно оценивать положение наблюдаемых объектов под микроскопом в трёх координатах, для чего требуется стереовидение, большая глубина резкости (глубина зрения) и значительное пространство под объективом для работы. Стереомикроскопы имеют невысокое увеличение (несколько единиц или десятков), большое рабочее расстояние объектива (расстояние от оптики до точки наблюдения, обычно несколько сантиметров), в них нет регулируемых столиков и встроенных систем освещения. Для удобства работы стереомикроскоп не «переворачивает» изображение. Объектив стереомикроскопа чаще всего несменный.

В инвертированном микроскопе образец наблюдается снизу

Специфика металлографического исследования заключается в необходимости наблюдать структуру поверхности непрозрачных тел. Поэтому микроскоп построен по схеме отражённого света, где имеется специальный осветитель, установленный со стороны объектива. Система призм и зеркал направляет свет на объект, далее свет отражается от непрозрачного объекта и направляется обратно в объектив[5].

Современные прямые металлургические микроскопы характеризуются большим расстоянием между поверхностью столика и объективами и большим вертикальным ходом столика, что позволяет работать с крупными образцами. Максимальное расстояние может достигать десятки сантиметров[9]. Но обычно в материаловедении используются инвертированные микроскопы, как не имеющие ограничения на размер образца (только на вес) и не требующие параллельности опорной и рабочей граней образца (в этом случае они совпадают).

При отражении света от объектов его поляризация может изменяться. Чтобы визуально выявить такие объекты, их освещают поляризованным светом, полученным после специального поляризационного фильтра. Отразившись, свет проходит через оптический тракт поляризационного микроскопа, в котором установлен второй поляризационный фильтр. Таким образом, через эту пару фильтров пройдет только тот свет, который соответствующим образом изменит свою поляризацию при отражении от наблюдаемого препарата. Остальные участки препарата окажутся затемнены.

Люминесцентный микроскоп Альтами ЛЮМ 1. Чёрная коробочка позади микроскопа — источник ультрафиолета

Некоторые вещества обладают люминесцентными свойствами, то есть способны светиться в видимом спектре при облучении ультрафиолетом. Люминесцентные микроскопы — это микроскопы, снабжённые ультрафиолетовым осветителем для наблюдения свечения таких препаратов. Поскольку свечение возникает со стороны ультрафиолетового освещения, то максимально эффективна будет подсветка ультрафиолетом со стороны наблюдателя, то есть прямо через объектив микроскопа. Люминесцентные микроскопы содержат ультрафиолетовый источник и специальную оптическую схему для подсветки через объектив. Кроме того, они снабжаются специальными объективами, пропускающими ультрафиолет и не имеющими собственной паразитной люминесценции в ультрафиолете. Такие объективы маркируются FLUOR или аналогично. Люминесцентные микроскопы применяются для проведения иммунохимических, иммунологических, иммуноморфологических и иммуногенетических исследований.

Измерительные микроскопы служат для точного измерения угловых и линейных размеров наблюдаемых объектов. Для оценки размеров в оптическом тракте микроскопа имеется образцовый рисунок (штриховка или другие знаки) с известным проецируемым размером. Используются в лабораторной практике, в технике и машиностроении.