Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

МИКРОСКО́П

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 20. Москва, 2012, стр. 272-274

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: А. А. Шехонин

МИКРОСКО́П оп­ти­че­ский (от мик­ро... и ...скоп), оп­тич. при­бор для по­лу­че­ния силь­но уве­ли­чен­ных (до 2000 раз) изо­бра­же­ний объ­ек­тов или эле­мен­тов их струк­ту­ры, не ви­ди­мых не­воо­ру­жён­ным гла­зом. Разл. ти­пы М. пред­на­зна­ча­ют­ся для об­на­ру­же­ния и изу­че­ния бак­те­рий, кле­ток ор­га­низ­мов, мел­ких крис­тал­лов, струк­ту­ры спла­вов и др. объ­ек­тов, раз­ме­ры ко­то­рых мень­ше ми­ним. пре­де­ла раз­ре­ше­ния гла­за. С по­мо­щью М. оп­ре­де­ля­ют­ся фор­ма, раз­ме­ры, струк­ту­ра и др. ха­рак­те­ри­сти­ки мик­ро­объ­ек­тов. М. 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 М. в на­уч. ис­сле­до­ва­ни­ях свя­за­ны с име­на­ми Р. Гу­ка, ус­та­но­вив­ше­го (ок. 1665), что жи­вот­ные и рас­тит. тка­ни име­ют кле­точ­ное строе­ние, и А. ван Ле­вен­гу­ка, от­крыв­ше­го с по­мо­щью М. мик­ро­ор­га­низ­мы (1673–1677). Раз­ра­бот­ка Э. Аб­бе (1872–73) тео­рии об­ра­зо­ва­ния изо­бра­же­ний не­са­мо­све­тя­щих­ся объ­ек­тов в М. спо­соб­ст­во­ва­ла раз­ви­тию разл. ме­то­дов мик­ро­ско­пич. ис­сле­до­ва­ний (см. Мик­ро­ско­пия оп­ти­че­ская).

Оптическая схема и основные характеристики микроскопа

Схема оптического микроскопа: 1 – источник света; 2 – коллектор; 3, 9 – полевые диафрагмы; 4 – апертурная диафрагма; 5 – конденсор; 6 – предметный столик; 7 –...

Прин­ци­пи­аль­ная схе­ма М. при­ве­де­на на рис. 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 в́и­де­ния 250 мм) от зрач­ка 11 гла­за на­блю­да­те­ля.

Осн. оп­тич. ха­рак­те­ри­сти­ки М.: ви­ди­мое уве­ли­че­ние $Γ$, ли­ней­ное по­ле в про­стран­ст­ве пред­ме­тов 2$y$ (или уг­ло­вое по­ле в про­стран­ст­ве изо­бра­же­ний 2$ω'$), чи­сло­вая апер­ту­ра $A$ в про­стран­ст­ве пред­ме­тов (диа­метр вы­ход­но­го зрач­ка $D'$): $A=n\sinσ$ ($n$ – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния сре­ды ме­ж­ду пред­ме­том и объ­ек­ти­вом, $σ$  – апер­тур­ный угол ме­ж­ду оп­тич. осью и край­ним лу­чом осе­во­го пуч­ка). Эти ха­рак­те­ри­сти­ки М. свя­за­ны ме­ж­ду со­бой со­от­но­ше­ни­ем $$ Γ = –250 \text {tg} ω'/y = –500A/D' = 250/f'$$, где $f'$  – фо­кус­ное рас­стоя­ние микроско­па.

Об­щее уве­ли­че­ние М. рав­но про­из­ве­де­нию уве­ли­че­ния объ­ек­ти­ва на уве­ли­че­ние оку­ля­ра:$$Γ=β_{\text{об}}Γ_{\text{ок}}.$$ Уве­ли­че­ние объ­ек­ти­ва $β_{\text{об}}=–Δ/f'_{\text{об}}$, где $Δ$ – рас­стоя­ние ме­ж­ду зад­ним фо­ку­сом объ­ек­ти­ва $F'_{\text{об}}$ и пе­ред­ним фо­ку­сом оку­ля­ра $F_{\text{ок}}$ (т. н. оп­тич. дли­на ту­бу­са М.), $f'_{\text{об}}$ – фо­кус­ное рас­стоя­ние объ­ек­ти­ва. Уве­ли­че­ние оку­ля­ра $Γ_{\text{ок}}=250/f'_{\text{ок}}$, где $f'_{\text{ок}}$ – фо­кус­ное рас­стоя­ние оку­ля­ра.

Важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой М. яв­ля­ет­ся его раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность, оп­ре­де­ляе­мая как ве­ли­чи­на, об­рат­ная наи­мень­ше­му рас­стоя­нию $δ$, на ко­то­ром два со­сед­них эле­мен­та струк­ту­ры ещё мо­гут быть вид­ны раз­дель­но. Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность М. ог­ра­ни­че­на, что объ­яс­ня­ет­ся ди­фрак­ци­ей све­та. Вслед­ст­вие ди­фрак­ции изо­бра­же­ние бес­ко­неч­но ма­лой све­тя­щей­ся точ­ки, да­вае­мое объ­ек­ти­вом М., 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 ми­ним. рас­стоя­ние $δ_{\text{пр}}$ ме­ж­ду дву­мя точ­ка­ми со­став­ля­ет: $δ_{\text{пр}}=λ/(А+A'_{\text{к}})≈λ/2А$, где $λ$  – дли­на вол­ны све­та, $A'_{\text{к}}=n\sin δ '_{\text{к}}$ – зад­няя чи­сло­вая апер­ту­ра кон­ден­со­ра (на прак­ти­ке обыч­но рав­ная чи­сло­вой апер­ту­ре $A$ объ­ек­ти­ва). Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность 1/$δ$ 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 М. Уве­ли­че­ние М. в пре­де­лах (500–1000)$A$ счи­та­ет­ся по­лез­ным, т. к. при нём раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность М. наи­луч­шим об­ра­зом со­от­но­сит­ся с раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью гла­за на­блю­да­те­ля. При уве­ли­че­ни­ях ме­нее 500$A$ раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти М. не­дос­та­точ­но. При уве­ли­че­ни­ях св. 1000$A$ раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность гла­за не по­зво­ля­ет вы­явить но­вые под­роб­но­сти струк­ту­ры ис­сле­дуе­мо­го объ­ек­та (пре­па­ра­та).

Основные узлы микроскопа

Кро­ме оп­тич. уз­лов (объ­ек­тив, оку­ляр), в М. 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 совр. М. съём­ные; для бы­ст­рой сме­ны они ус­та­нав­ли­ва­ют­ся в ре­воль­вер­ную го­лов­ку. По ис­прав­ле­нию хро­ма­тич. абер­ра­ций объ­ек­ти­вы раз­де­ля­ют­ся на ах­ро­ма­ты, у ко­то­рых ис­прав­ле­на хро­ма­тич. абер­ра­ция толь­ко для двух длин волн, и апо­хро­ма­ты с улуч­шен­ной хро­ма­тич. 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 М. При­спо­соб­ле­ния к М. по­зво­ля­ют улуч­шать ус­ло­вия на­блю­де­ния и рас­ши­рять воз­мож­но­сти ис­сле­до­ва­ний, осу­ще­ст­в­лять раз­ные ви­ды ос­ве­ще­ния пре­па­ра­тов, оп­ре­де­лять раз­ме­ры пред­ме­тов, фо­то­гра­фи­ро­вать че­рез М., по­лу­чать ви­део­изоб­ра­же­ния объ­ек­тов, про­из­во­дить мик­ро­спек­тро­фо­то­мет­ри­ро­ва­ние и т. п.

Типы микроскопов

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

Име­ют­ся так­же спе­циа­ли­зир. М.: мик­ро­ус­та­нов­ки для ки­но- и ви­део­съём­ки бы­ст­рых и мед­лен­ных про­цес­сов (дви­же­ния мик­ро­ор­га­низ­мов, про­цес­сов де­ле­ния кле­ток, рос­та кри­стал­лов и т. п.); М. для изу­че­ния сле­дов ядер­ных час­тиц в фо­то­эмуль­си­ях; вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные М. для ис­сле­до­ва­ния объ­ек­тов, на­гре­тых до 2000 °С; хи­рур­ги­че­ские М. сла­бо­го уве­ли­че­ния, при­ме­няе­мые при хи­рур­гич. опе­ра­ци­ях; ин­тер­фе­рен­ци­он­ные М. для ко­ли­че­ст­вен­ных ис­сле­до­ва­ний. Весь­ма слож­ны­ми при­бо­ра­ми яв­ля­ют­ся мик­ро­спек­тро­фо­то­мет­рич. ус­та­нов­ки для оп­ре­де­ле­ния спек­тров по­гло­ще­ния пре­па­ра­тов и те­ле­ви­зи­он­ные ана­ли­за­то­ры мик­ро­изо­бра­же­ний. Пер­вые пред­став­ля­ют со­бой со­че­та­ние М. со спец. мо­но­хро­ма­то­ра­ми и уст­рой­ст­ва­ми для из­ме­ре­ния све­то­вых по­то­ков; во вто­рых М. ра­бо­та­ет со­вме­ст­но с те­ле­ви­зи­он­ны­ми и элек­трон­ны­ми сис­те­ма­ми, ко­то­рые ав­то­ма­ти­че­ски оп­ре­де­ля­ют гео­мет­рич. ха­рак­те­ри­сти­ки изу­чае­мых струк­тур.

Вернуться к началу