оптический прибор с одной или несколькими линзами для получения увеличенных изображений объектов, не видимых невооруженным глазом. Микроскопы бывают простые и сложные. Простой микроскоп - это одна система линз. Простым микроскопом можно считать обычную лупу - плосковыпуклую линзу. Сложный микроскоп (который часто называют просто микроскопом) представляет собой комбинацию двух простых.
Сложный микроскоп дает большее увеличение, чем простой, и обладает большей разрешающей способностью. Разрешающая способность - это возможность различения деталей образца. Увеличенное изображение, на котором неразличимы подробности, дает мало полезной информации.
Сложный микроскоп имеет двухступенчатую схему. Одна система линз, называемая объективом, подводится близко к образцу; она создает увеличенное и разрешенное изображение объекта. Изображение далее увеличивается другой системой линз, называемой окуляром и помещающейся ближе к глазу наблюдателя. Эти две системы линз расположены на противоположных концах тубуса.
Работа с микроскопом. На иллюстрации представлен типичный биологический микроскоп. Штативная подставка выполняется в виде тяжелой отливки, обычно подковообразной формы. К ней на шарнире прикреплен тубусодержатель, несущий все остальные части микроскопа. Тубус, в который вмонтированы линзовые системы, позволяет перемещать их относительно образца для фокусировки. Объектив расположен на нижнем конце тубуса. Обычно микроскоп снабжен несколькими объективами разного увеличения на револьверной головке, которая позволяет устанавливать их в рабочее положение на оптической оси. Оператор, исследуя образец, начинает, как правило, с объектива, имеющего наименьшее увеличение и наиболее широкое поле зрения, находит детали, интересующие его, а затем рассматривает их, пользуясь объективом с большим увеличением. Окуляр вмонтирован в конец выдвижного держателя (который позволяет изменять длину тубуса, когда это необходимо). Весь тубус с объективом и окуляром можно передвигать вверх и вниз, наводя микроскоп на резкость.
Образец обычно берется в виде очень тонкого прозрачного слоя или среза; его кладут на прямоугольную стеклянную пластинку, называемую предметным стеклом, и накрывают сверху более тонкой стеклянной пластинкой меньших размеров, называемой покровным стеклом. Образец часто окрашивают химическими веществами, чтобы увеличить контраст. Предметное стекло кладут на предметный столик так, чтобы образец находился над центральным отверстием столика. Столик обычно снабжается механизмом для плавного и точного перемещения образца в поле зрения.
Под предметным столиком находится держатель третьей системы линз - конденсора, который концентрирует свет на образце. Конденсоров может быть несколько, и здесь же располагается ирисовая диафрагма для регулировки апертуры.
Еще ниже расположено осветительное зеркало, устанавливаемое в универсальном шарнире, которое отбрасывает свет лампы на образец, за счет чего вся оптическая система микроскопа и создает видимое изображение. Окуляр можно заменить фотоприставкой, и тогда изображение будет формироваться на фотопленке. Многие исследовательские микроскопы оснащаются специальным осветителем, так что в осветительном зеркале нет необходимости.
Увеличение. Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра. Для типичного исследовательского микроскопа увеличение окуляра равно 10, а увеличение объективов - 10, 45 и 100. Следовательно, увеличение такого микроскопа составляет от 100 до 1000. Увеличение некоторых микроскопов достигает 2000. Повышать увеличение еще больше не имеет смысла, так как разрешающая способность при этом не улучшается; наоборот, качество изображения ухудшается.
Теория. Последовательную теорию микроскопа дал немецкий физик Эрнст Аббе в конце 19 в. Аббе установил, что разрешение (минимально возможное расстояние между двумя точками, которые видны по отдельности) определяется выражением
где R - разрешение в микрометрах (10-6 м), ? - длина волны света (создаваемого осветителем), мкм, n - показатель преломления среды между образцом и объективом, а ? - половина входного угла объектива (угла между крайними лучами конического светового пучка, входящего в объектив). Величину Аббе назвал числовой апертурой (она обозначается символом NA). Из приведенной формулы видно, что разрешаемые детали исследуемого объекта тем меньше, чем больше NA и чем меньше длина волны.
Числовая апертура не только определяет разрешающую способность системы, но и характеризует светосилу объектива: интенсивность света, приходящаяся на единицу площади изображения, приблизительно равна квадрату NA. Для хорошего объектива величина NA составляет примерно 0,95. Микроскоп обычно рассчитывают так, чтобы его полное увеличение составляло ок. 1000 NA.
Объективы. Существуют три основных типа объективов, различающихся степенью исправления оптических искажений - хроматических и сферических аберраций. Хроматические аберрации связаны с тем, что световые волны с разной длиной волны фокусируются в разных точках на оптической оси. В результате изображение оказывается окрашенным. Сферические аберрации обусловлены тем, что свет, проходящий через центр объектива, и свет, идущий через его периферийную часть, фокусируется в разных точках на оси. В результате изображение оказывается нечетким.
Ахроматические объективы в настоящее время являются наиболее распространенными. В них хроматические аберрации подавляются благодаря применению стеклянных элементов с разной дисперсией, обеспечивающих схождение крайних лучей видимого спектра - синих и красных - в одном фокусе. Небольшая окрашенность изображения остается и проявляется иногда в виде слабых зеленых полос вокруг объекта. Сферическая аберрация может быть скорректирована только для одного цвета.
Во флюоритовых объективах используются добавки к стеклу, улучшающие цветовую коррекцию до такой степени, что окрашенность изображения почти полностью устраняется.
Апохроматические объективы - это объективы с самой сложной цветовой коррекцией. В них не только почти полностью устранены хроматические аберрации, но и коррекция сферических аберраций выполнена не для одного, а для двух цветов. Увеличение апохроматов для синего цвета несколько больше, чем для красного, и поэтому для них нужны специальные "компенсирующие" окуляры.
Большинство объективов являются "сухими", т.е. они рассчитаны на работу в таких условиях, когда промежуток между объективом и образцом заполнен воздухом; величина NA для таких объективов не превышает 0,95. Если между объективом и образцом ввести жидкость (масло или, что бывает реже, воду), то получится "иммерсионный" объектив с величиной NA, достигающей 1,4, и с соответствующим улучшением разрешения.
В настоящее время промышленность выпускает и различного рода специальные объективы. К ним относятся объективы с плоским полем для микрофотографирования, объективы без внутренних напряжений (релаксированные) для работы в поляризованном свете и объективы для исследования непрозрачных металлургических образцов, освещаемых сверху.
Конденсоры. Конденсор формирует световой конус, направляемый на образец. Обычно в микроскопе предусматривается ирисовая диафрагма для согласования апертуры светового конуса с апертурой объектива, чем обеспечиваются максимальное разрешение и максимальный контраст изображения. (Контраст в микроскопии имеет столь же важное значение, как и в телевизионной технике.) Самый простой конденсор, вполне подходящий для большинства микроскопов общего назначения, - это двухлинзовый конденсор Аббе. Для объективов с большей апертурой, особенно иммерсионных масляных, нужны более сложные конденсоры с коррекцией. Масляные объективы с максимальной апертурой требуют специального конденсора, имеющего иммерсионный масляный контакт с нижней поверхностью предметного стекла, на котором лежит образец.
Специализированные микроскопы. В связи с различными требованиями науки и техники были разработаны микроскопы многих специальных видов.
Стереоскопический бинокулярный микроскоп, предназначенный для получения трехмерного изображения объекта, состоит из двух отдельных микроскопических систем. Прибор рассчитан на небольшое увеличение (до 100). Обычно применяется для сборки миниатюрных электронных компонентов, технического контроля, хирургических операций.
Поляризационный микроскоп предназначен для исследования взаимодействия образцов с поляризованным светом. Поляризованный свет нередко позволяет выявлять структуру объектов, лежащую за пределами обычного оптического разрешения.
Отражательный микроскоп снабжен вместо линз зеркалами, формирующими изображение. Поскольку изготовить зеркальный объектив затруднительно, полностью отражательных микроскопов очень мало, и зеркала в настоящее время применяются в основном лишь в приставках, например, для микрохирургии отдельных клеток.
Люминесцентный микроскоп - с освещением образца ультрафиолетовым или синим светом. Образец, поглощая это излучение, испускает видимый свет люминесценции. Микроскопы такого типа применяются в биологии, а также в медицине - для диагностики (особенно рака).
Темнопольный микроскоп позволяет обойти трудности, связанные с тем, что живые материалы прозрачны. Образец в нем рассматривается при столь "косом" освещении, что прямой свет не может попасть в объектив. Изображение формируется светом, дифрагированным на объекте, и в результате объект выглядит очень светлым на темном фоне (с очень большим контрастом).
Фазово-контрастный микроскоп применяется для исследования прозрачных объектов, особенно живых клеток. Благодаря специальным устройствам часть света, проходящего через микроскоп, оказывается сдвинутой по фазе на половину длины волны относительно другой части, чем и обусловлен контраст на изображении.
Интерференционный микроскоп - это дальнейшее развитие фазово-контрастного микроскопа. В нем интерферируют два световых луча, один из которых проходит сквозь образец, а другой отражается. При таком методе получаются окрашенные изображения, дающие очень ценную информацию при исследовании живого материала. См. также ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП; ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ; ОПТИКА.