Устройство микроскопа

Микроскоп (от греч. mikros - малый и skopeo - рассматриваю) - это оптический прибор, предназначенный для зрительного исследования мелких объектов, невидимых невооруженным глазом. В микробиологии применяют самые разнообразные микроскопы, имеющие различную конструкцию и приспособления, но схожие между собою в своих основных элементах.

Рис. 33. Устройство микроскопа

1 - штатив; 2 - тубус; 3 - головка; 4 - предметный столик; 5 - макровинт; 6 - микровинт;

7 - конденсор; 8 - осветительное устройство; 9 - объектив; 10 - окуляр.

Микроскоп состоит из двух основных частей: механической и оптической (рис. 33). Механическая часть микроскопа включает штатив (1), который состоит из массивного основания и тубусодержателя.

В верхней части тубусодержателя крепится монокулярный или бинокулярный тубус (2) и головка с направляющей типа «ласточкин хвост» (3). На эту направляющую помещают револьвер. Револьвер имеет четыре отверстия с резьбой для ввинчивания объективов и фиксатор для их центрирования. Сферическая часть револьвера вращается на шариках (для быстрой смены объектива) и оснащена шариковым фиксатором.

В средней части тубусодержателя расположен предметный столик (4), который имеет клеммы для фиксирования предметного стекла и боковые винты для продольного и поперечного перемещения. Это значительно облегчает работу с препаратом и позволяет рассматривать объект в различных его точках. В центре предметного столика имеется отверстие для прохождения света. Некоторые исследовательские микроскопы снабжены дополнительными микровинами для микроперемещения объекта.

Тубусодержатель в нижней части несет направляющую с большими ручками (5) грубой фокусировки микроскопа (макрометрический винт или кремальера) и малыми ручками (6) или диском для точной фокусировки микроскопа (микрометрический винт). Вращая кремальеру, производят грубое, видимое глазом, вертикальное перемещение предметного столика или тубуса. С помощью микрометрического винта перемещают предметный столик или тубус вверх - вниз на очень незначительное расстояние, заметное лишь при микроскопировании. Один оборот микрометрического винта дает перемещение на 0,1 мм. Этого достаточно для точной фокусировки объекта. Во избежание поломки микрометрического винта не следует делать им более 1-1,5 оборота.

Оптическая часть микроскопа включает осветительную систему и систему линз.

Осветительная система расположена под предметным столиком и состоит из конденсора (7) и осветительного устройства (8). Конденсор является важнейшей частью микроскопа, от которой зависит успех микробиологических исследований. Он предназначен для собирания рассеянных световых лучей, которые, проходя через линзы конденсора, собираются в фокусе на плоскости рассматриваемого препарата.

Конденсор фиксируется кольцом в оправе, расположенной на кронштейне, и удерживается небольшим болтом. Кроме того, име­ется специальный боковой винт, позволяющий передвигать конден­сор вверх - вниз на 20 мм для изменения освещенности поля зрения. В нижней части конденсора имеется ирисовая диафрагма. Отверстие диафрагмы регулируется специальным рычагом, что дает возможность изменять яркость освещения объекта. В нижней части конденсора располагается подвижная рамка (оправа), в которую помещают светофильтры из матового или синего стекла. Светофильтры служат для ослабления степени освещенности и улучшения четкости изображения.

Световые лучи направляются в конденсор с помощью зеркала или специального электрического осветительного устройства, которое у различных микроскопов имеет свои конструкционные особенности.

Важнейшей частью микроскопа является также система линз, которая создает увеличенное обратное и мнимое изображение объекта. Она состоит из объектива (9), расположенного в нижней части тубуса и направленного на исследуемый объект, и окуляра (10), помещенного в верхней части тубуса.

Объектив представляет собой металлический цилиндр, в ко­тором закреплены линзы. Главная (фронтальная) линза направлена к препарату. Лишь она обеспечивает необходимое увеличение изображаемого объекта, все остальные коррегируют изображение и называются коррекционными. От фронтальной линзы зависит разрешающая способность микроскопа, т.е. наименьшее расстояние, при котором две близко расположенные точки различают отдельно. В современных оптических микроскопах разрешающая способность объективов составляет 0,2 мкм. Чем больше кривизна фронтальной линзы, тем больше степень ее увеличения.

Однако фронтальная линза вызывает и отрицательные, мешающие исследованию, явления, основными из которых является сферическая абберация и хроматическая абберация.

Сферическая абберация связана с тем, что боковые лучи, падающие на края фронтальной линзы, преломляются сильнее остальных и делают изображение объекта расплывчатым, нечетким. Поэтому каждая точка объекта имеет вид кружочка. Для исправле­ния недостатков фронтальной линзы в объективах - ахроматах имеется система коррекционных линз (от 3-4 до 10-12).

Являясь наиболее простыми, ахроматы страдают хроматической абберацией. Хроматическая абберация обусловлена разложением луча белого света, проходящего через фронтальную линзу, на составные части спектра. Изображение объекта получается как бы окруженное радугой. Наиболее сильно стеклянные линзы преломляют сине-фиолетовые лучи и меньше всего - красные.

Устранение сферической и хроматической абберации наиболее полно достигается при использовании апохроматов. Они состо­ят из совокупности линз, имеющих различную кривизну и изготовленных из разных сортов стекла. Это создает условия обеспечения четкости изображения и для более правильной передачи окраски цветных объектов.

В первое время использовались ахроматы, которые позволя­ли устранять хроматическую абберацию в отношении двух наиболее ярких цветов спектра. Поэтому изображение объекта было лишено окраски. В дальнейшем были получены особые сорта стекла, линзы из которых устраняли не только окрашивание объекта., но и давали четкое изображение от лучей разного цвета. Такие объективы получили название апохроматы.

Панахроматы имеют еще более сложную конструкцию и позволяют создавать более четкие контуры объектов во всем поле зрения

Для выбора объективов на их корпусе гравируют обозначения: ахр. - ахромат, апо. - апохромат; пан. - панхромат

Различают объективы сухие и иммерсионные. При использовании сухого объектива между его фронтальной линзой и рассматриваемым объектом находится прослойка воздуха. Световые лучи из воздуха проходят через стекло препарата, затем снова через воздушную прослойку, в результате чего преломляются и рассеи­ваются на границе разнородных сред. После таких переходов через разнородные среды только часть световых лучей проникает в объектив. Чтобы уловить максимальное количество световых лучей, фронтальная линза объективов должна иметь сравнительно большой диаметр, большое фокусное расстояние и малую кривизну. Поэтому сухие объективы имеют небольшую степень увеличения (8^х, 10^х, 20^х, 40^х).

Для достижения большего увеличения необходимо создать однородную оптическую среду между фронтальной линзой объек­тива и препаратом. Это становится возможным при погружении объектива в каплю кедрового масла, которую наносят на препарат. Кедровое масло обладает коэффициентом преломления n = 1,515, близким к коэффициенту преломления стекла препарата (п = 1,52). Поэтому световые лучи, проходящие через иммерсионное масло, не рассеиваются и, не меняя своего направления, попадают в объек­тив, обеспечивая четкую видимость исследуемого объекта. При отсутствии кедрового масла используют заменители: персико­вое масло (n = 1,49); касторовое масло (1,48-1,49); гвоздичное масло (1,53); иммерсиол, в состав которого входят персиковое мас­ло (50 г), канифоль{10 г), нафталин (10 г), салол (1 г); смесь равных объемов касторового (n = 1,47) и укропного (n - 1,52) масел.

Объективы масляной иммерсии имеют маркировку «МИ» черную полосу на цилиндре и утопающую фронтальную линзу, что предохраняет ее от повреждения в случае неосторожного соприкосновения объектива с препаратом. Степень увеличения изобра­жения у масляных иммерсионных объективов может быть 80^х,90^х,95^х,100^х и120^х.

Объективы водной иммерсии имеют степень увеличения изоб­ражения 40Х. Они маркируются буквами «ВИ» и белой полосой на цилиндре. Такие объективы очень чувствительны к изменению толщины покровного стекла, так как коэффициент преломления воды отличается от коэффициента преломления стекла. Наилучшее качество изображения наблюдается при использовании покровных стекол толщиной 0,17 мм.

Большинство микроскопов снабжено тремя типами объективов (10^х, 20^х, 40^х и 90^х), обеспечивающих соответственно малое, среднее и большое увеличение. Наименьшая кратность увеличе­ния объектива - 8^х. При длительной обработке объектива ацетоном или бензином с целью удаления иммерсионного масла, клей, соединяющий линзы, разрушается. Это приводит в негодность оп­тическую систему объектива.

Окуляр находится в верхней части тубуса и увеличивает изображение, данное объективом. Он состоит из двух плоско-выгнутых линз: верхней линзы (глазной) и нижней, обращенной к объекту, собирающей линзы. Глаз исследователя, как бы продолжая оптическую систему микроскопа, преломляет лучи, вышедшие из окуляра и строит увеличенное изображение объекта на сетчатке.

Обе линзы заключены в металлическую оправу. На оправе окуляров гравируется цифра, показывающая, во сколько раз окуляр повышает увеличение объектива. В монокулярном микроскопе используют один объектив, а в бинокулярном микроскопе - два. Соответственно, изображение объекта получается плоским или стереоскопическим. Бинокулярный тубус можно настроить на любые межзрачковые расстояния в диапазоне от 55 до 75 см.

Кратность увеличения окуляра обозначена на металлической оправе глазной линзы (7^х, 10^х или 15^х). Общее увеличение микроскопа равно произведению коэффициента увеличения объектива и коэффициента увеличения окуляра. Таким образом, наименьшее увеличение биологических микроскопов – 56 раз (8 - увеличение объектива, умноженное на 7 – увеличение окуляра), а наибольшее - 1800 (120х15).

Однако увеличенное изображение объекта может четким и нечетким. Четкость изображения определяется разрешающей способностью микроскопа (полезным увеличением) т.е. минимальным расстоянием между двумя точками, когда они еще не сливаются в одну. Чем больше разрешающая способность микроскопа, тем меньший объект можно увидеть.

Показатель разрешающей способности микроскопа зависит от длины волны используемого света и суммы числовых апертур объектива и конденсора:

где α - минимальное расстояние между двумя точками;

А₁ - числовая апертура объектива;

А₂ - числовая апертура конденсора;

λ - длина волны используемого света.

Числовые апертуры объектива и конденсора указаны на их корпусе. Повысить разрешающую способность микроскопа можно, ис­пользуя ультрафиолетовое облучение. Однако ультрафиолетовые микроскопы очень дорогие, что затрудняет их использование. Чаще всего для повышения разрешающей способности микроскопа при­меняют иммерсионную систему.