Устройство современного оптического микроскопа

Современный оптический микроскоп является сильно усовершенствованным в течение нескольких веков микроскопом Роберта Гука (рис. 1).

Современный микроскоп Микроскоп Гука

Рисунок 1. Оптические микроскопы

Оптическая система микроскопа состоит из двух основных элементов – объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик. В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микро- винты для настройки резкости, система управления положением конденсора. В зависимости от назначения, в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.

Схематическое изображение устройства микроскопа и ход лучей в нем показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Ход лучей в оптическом микроскопе при наблюдении объекта в отраженном свете. 1 – осветитель с конденсором, 2 – полупрозрачное зеркало, 3 – объектив, 4 – образец, 5 – тубусная линза, 6 – плоскость изображения

Действует микроскоп следующим образом: лучи света от лампы проходят через систему линз конденсора 1, который собирает и направляет их на полупрозрачное зеркало 2, отражающее их на образец 4. Лучи, отраженные от образца проходят через систему линз объектива 3, через полупрозрачное зеркало 2, тубусную линзу 5 и создают в некоторой плоскости 6 действительное перевернутое изображение. Это изображение можно рассматривать с помощью окуляра (не показан), наблюдать на экране или фиксировать непосредственно на фотопластинке, фотопленке или фоточувствительной электронной матрице цифрового фотоаппарата. Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра.

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. 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 раствора собираемого пучка лучей достигает 240°.

Объективы микроскопов отличает расположение в непосредственной близости от объекта. Их фокусные расстояния невелики – от 30-40 мм до 2 мм. К основным оптическим характеристикам объективов микроскопов относятся: числовая апертура , равная , где – преломления показатель среды, в которой находится объект, – половина угла раствора светового пучка, попадающего в объектив из точки объекта, лежащей на оптической оси объектива; линейное увеличение ; инейные размеры поля зрения, резко изображаемого объективом; расстояние от плоскости объекта до плоскости изображения.

Величина определяет как освещённость изображения, прямо пропорциональную , так и линейный предел разрешения микроскопа, т. е. наименьшее различаемое расстояние на объекте, равное для самосветящихся объектов (в предположении, что аберрации отсутствуют) , где – длина волны света. Если объект находится в воздухе ( = 1, “сухой” объектив), то не может превышать 1 (фактически не более 0,95). Помещая объект в сильно преломляющую ( > 1) жидкость, т. н. иммерсию, примыкающую к поверхности первой линзы объектива, добиваются того, что достигает 1,4-1,6. Увеличение современных объективов доходит до 150х.

Объектив микроскопа состоит из нескольких линз, установленных коаксиально. Система линз обеспечивает более или менее полное устранение дефектов изображения (аберраций). Тубусная линза дает дополнительное небольшое увеличение и дополнительную коррекцию аберраций.

Окуляры микроскопов, как и объективы, характеризуются собственным увеличением, а также степенью коррекции изображения. Современные микроскопы снабжаются окулярами с увеличениями от 5 до 20. По роду и степени коррекции различают следующие основные типы окуляров: 1) простые, или окуляры Гюйгенса, используемые обычно при визуальной работе с объективами с низкой или средней апертурой; 2) компенсационные окуляры, специально рассчитанные на исправление остаточных хроматических аберраций объективов и применяемые с этими объективами; 3) фотоокуляры и гомали, которые предназначены для микрофотографирования или проектирования изображения на экран.

Для четкого наблюдения микроструктуры важно создать определенные условия освещения образца. Контрастность изображения возрастает с увеличением интенсивности освещения. Поэтому с учетом сложного пути луча в микроскопе и значительных потерь света применяемые источники света должны обладать достаточной мощностью при сравнительно малых габаритах. Для этих целей в современных микроскопах обычно используют кварцевые лампы с йодным циклом (галогенные лампы), а для получения наибольшей интенсивности – ксеноновые лампы высокого давления. Для уменьшения потерь интенсивности падающего света в некоторых микроскопах вместо полупрозрачной пластинки в ход лучей вводят призму.

Увеличение светопропускания и повышение контрастности изображения достигаются также в результате применения просветленной оптики, обеспечивающей устранение рефлексов от поверхности линз.