Микроско́п оптический (от микро... и ...скоп), прибор для получения сильно увеличенных (до 2 тыс. раз) изображений объектов или элементов их структуры, невидимых невооружённым глазом. Различные типы микроскопов предназначаются для обнаружения и изучения бактерий, клеток организмов, мелких кристаллов, структуры сплавов и других объектов, размеры которых меньше минимального предела разрешения глаза. С помощью микроскопа определяются форма, размеры, структура и другие характеристики микрообъектов. Микроскоп даёт возможность различать элементы структуры с расстоянием между ними до 0,1 мкм.

Свойство линзы или системы линз давать увеличенные изображения предметов было известно уже в 16 в. Первые успешные применения микроскопа в научных исследованиях связаны с именами Р. Гука, установившего (около 1665), что животные и растительные ткани имеют клеточное строение, и А. ван Левенгука, открывшего с помощью микроскопа микроорганизмы (1673–1677). Разработка Э. Аббе (1872–1873) теории образования изображений несамосветящихся объектов в микроскопе способствовала развитию различных методов микроскопических исследований (оптическая микроскопия).

Оптическая схема и основные характеристики микроскопа

Принципиальная схема микроскопа приведена на рисунке. Источник света (1) освещает объект (препарат), расположенный на предметном столике (6). Осветительный канал содержит, помимо источника света, коллектор (2) и конденсор (5). Ирисовые диафрагмы [полевая (3) и апертурная (4)] служат для ограничения световых пучков и уменьшения рассеянного света. Объектив (7) создаёт действительное, перевёрнутое и увеличенное изображение объекта в плоскости полевой диафрагмы (9). Окуляр (10), подобно лупе, образует вторично увеличенное мнимое изображение, бесконечно удалённое (обычно на расстоянии наилучшего ви́дения – 250 мм) от зрачка глаза (11) наблюдателя.

Основные оптические характеристики микроскопа: видимое увеличение $\boldsymbol{Γ}$, линейное поле в пространстве предметов $\text{2y}$ (или угловое поле в пространстве изображений $\text{2ω}^{'}$), числовая апертура $\textit{A}$ в пространстве предметов (диаметр выходного зрачка $\text{D}^{′}$): $\boldsymbol{A}=\text{n}\sin \sigma$ ($\text{n}$ – показатель преломления среды между предметом и объективом, $\sigma$ – апертурный угол между оптической осью и крайним лучом осевого пучка). Эти характеристики микроскопа связаны между собой соотношением:

$\boldsymbol{Γ}=\text{–250} \mathrm{tg} \{ \frac{ \omega^{'}}{y} \} = –500 \frac{A}{D^{'}} = \frac{250}{f^{'}} ,$где ${f}^{'}$ – фокусное расстояние микроскопа.

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра:

$\boldsymbol{Γ}= \beta_{об} \boldsymbol{Γ}_{ок} .$Увеличение объектива $\beta_{об}=– \Delta/{f}^{′}_{об}$, где $\Delta$ – расстояние между задним фокусом объектива ${F}^{′}_{об}$ и передним фокусом окуляра ${F}^{′}_{ок}$ (т. н. оптическая длина тубуса микроскопа), ${f}^{′}_{об}$ – фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра $\boldsymbol{Γ}_{ок}=250/{f}^{′}_{ок}$, где ${f}^{′}_{ок}$ – фокусное расстояние окуляра.

Схема оптического микроскопа.Схема оптического микроскопа.Важной характеристикой микроскопа является его разрешающая способность, определяемая как величина, обратная наименьшему расстоянию $\delta$, на котором два соседних элемента структуры ещё могут быть видны раздельно. Разрешающая способность микроскопа ограничена, что объясняется дифракцией света. Вследствие дифракции изображение бесконечно малой светящейся точки, даваемое объективом микроскопа, имеет вид не точки, а круглого светлого пятна, окружённого тёмными и светлыми кольцами. Если две светящиеся точки расположены близко друг к другу, то их дифракционные изображения накладываются одно на другое, давая в плоскости изображения сложное распределение освещённости. Для несамосветящихся объектов предельное минимальное расстояние $\delta_{пр}$ между двумя точками составляет: $\delta_{пр}= \lambda/(\text{А}+\text{A}^{′}_{к}) \approx \lambda /{2А}$, где $\lambda$ – длина волны света, $\text{A}^{′}_{к}=\text{n} \sin \delta^{′}_{к}$ – задняя числовая апертура конденсора (на практике обычно равная числовой апертуре $\text{A}$ объектива). Разрешающая способность $1/\delta$ прямо пропорциональна апертуре объектива, и для её повышения используют иммерсионные объективы, у которых пространство между предметом и объективом заполнено жидкостью с большим показателем преломления. Апертуры иммерсионных объективов с большим увеличением достигают величины A ≈ 1,3 (у обычных «сухих» объективов A ≈ 0,9).

Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличения микроскопа. Увеличение микроскопа в пределах (500–1000) $\text{\AA}$ считается полезным, т. к. при нём разрешающая способность микроскопа наилучшим образом соотносится с разрешающей способностью глаза наблюдателя. При увеличениях менее 500 разрешающей способности микроскопа недостаточно. При увеличениях свыше 1 тыс. $\text{\AA}$ разрешающая способность глаза не позволяет выявить новые подробности структуры исследуемого объекта (препарата).

Основные узлы микроскопа

Кроме оптических узлов (объектив, окуляр), в микроскопе имеются также штатив или корпус, предметный столик для крепления и перемещения препарата, механизмы для грубой и точной фокусировки, устройство для крепления объективов и тубус для установки окуляров.

Применение того или иного типа конденсора (светлопольный, темнопольный и др.) зависит от выбора необходимого метода наблюдения.

Объективы в большинстве современных микроскопов съёмные; для быстрой смены они устанавливаются в револьверную головку. По исправлению хроматических аберраций объективы разделяются на ахроматы, у которых исправлена хроматическая аберрация только для двух длин волн, и апохроматы с улучшенной хроматической коррекцией. Для исправления кривизны поля используются планахроматы и планапохроматы, имеющие плоское поле изображения, что особенно важно для микрофотографии. Кроме того, объективы подразделяются: по спектральным характеристикам – на объективы для видимой области спектра и для УФ- и ИК-микроскопии (линзовые и зеркально-линзовые); по длине тубуса, на которую они рассчитаны (в зависимости от конструкции микроскопа); по среде между объективом и препаратом – на «сухие» и иммерсионные (водные, глицериновые и др.); по методу наблюдения – на обычные, фазово-контрастные, люминесцентные и др.

Тип применяемого окуляра при данном методе наблюдения определяется выбором объектива микроскопа. Приспособления к микроскопам позволяют улучшать условия наблюдения и расширять возможности исследований, осуществлять разные виды освещения препаратов, определять размеры предметов, фотографировать через микроскоп, получать видеоизображения объектов, производить микроспектрофотометрирование и т. п.

Типы микроскопов

Определяются областью их применения или методом наблюдения. Биологические микроскопы предназначены для исследований в микробиологии, гистологии, цитологии, ботанике, медицине, а также для наблюдения прозрачных объектов в физике, химии и т. д. В биологических исследованиях используются также люминесцентные и инвертированные микроскопы. В последних объектив располагается под наблюдаемым объектом, а конденсор – сверху. Эти микроскопы предназначены для исследования культуры тканей, находящихся в питательных средах, и снабжены термостатами, а иногда и устройствами для киносъёмки медленных процессов. Металлографические микроскопы предназначены для исследования микроструктур металлов и сплавов. Поляризационные микроскопы снабжены поляризационными устройствами и предназначены главным образом для исследования шлифов минералов и руд. Стереомикроскопы служат для получения объёмных изображений наблюдаемых предметов.

Существуют также специализированные микроскопы: микроустановки для кино- и видеосъёмки быстрых и медленных процессов (движения микроорганизмов, процессов деления клеток, роста кристаллов и т. п.); микроскопы для изучения следов ядерных частиц в фотоэмульсиях; высокотемпературные микроскопы для исследования объектов, нагретых до 2 тыс. °С; хирургические микроскопы слабого увеличения, применяемые при хирургических операциях; интерференционные микроскопы для количественных исследований. Весьма сложными приборами являются микроспектрофотометрические установки для определения спектров поглощения препаратов и телевизионные анализаторы микроизображений. Первые представляют собой сочетание микроскопа со специальными монохроматорами и устройствами для измерения световых потоков; вторые работают совместно с телевизионными и электронными системами, которые автоматически определяют геометрические характеристики изучаемых структур.