Чем отличается оптический микроскоп от электронного

Чем отличается оптический микроскоп от электронного

Видео: Биология. 11 класс. Различие между оптическим и электронным микроскопом /18.01.2021/

Содержание

Основное отличие — световой микроскоп от электронного микроскопа

Световые микроскопы (оптические микроскопы) и электронные микроскопы используются для наблюдения за очень маленькими объектами. главное отличие между световым микроскопом и электронным микроскопом является то, что световые микроскопы используют световые лучи для освещения объекта на рассмотрении в то время как электронный микроскоп использует пучки электронов для освещения объекта.

Что такое световой микроскоп

Световые микроскопы освещают их образец с помощью видимого света и используют линзы для получения увеличенного изображения. Световые микроскопы бывают двух видов:однообъективную а такжесоединение, В однолинзовых микроскопах для увеличения объекта используется одна линза, тогда как в сложной линзе используются две линзы. Используяобъективнастоящее, перевернутое и увеличенное изображение образца создается внутри микроскопа, а затем с использованием второй линзы, называемойокуляризображение, сформированное объективом, увеличивается еще больше.

Изображение листа мха (Rhizomnium punctatum) под световым микроскопом (х400), Сравните размер этих хлоропластов (зеленых пятен) с более подробной версией (из другого образца), взятой из электронного микроскопа ниже.

Что такое электронный микроскоп

Электронные микроскопы освещают их образец, используя пучок электронов. Магнитные поля используются для изгиба пучков электронов, так же, как оптические линзы используются для изгибания пучков света в световых микроскопах. Широко используются два типа электронных микроскопов:просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) а такжесканирующий электронный микроскоп (СЭМ), В просвечивающих электронных микроскопах электронный пучок проходитчерез образец. Объективная «линза» (которая на самом деле является магнитом) используется для создания вначале изображения, а с помощью проекционной «линзы» можно получить увеличенное изображение на флуоресцентном экране. В сканирующих электронных микроскопах пучок электронов запускается по образцу, что приводит к высвобождению вторичных электронов с поверхности образца. Используя анод, эти поверхностные электроны могут быть собраны, а поверхность может быть «нанесена на карту».

Как правило, разрешение изображений SEM не такое высокое, как у TEM. Однако, поскольку электроны не обязаны проходить через образец в СЭМ, их можно использовать для исследования более толстого образца. Кроме того, изображения, полученные с помощью СЭМ, показывают более глубокие детали поверхности.

ПЭМ-изображение хлоропласта (x12000)

РЭМ-изображение пыльцы разных растений (х500). Обратите внимание на глубину детализации.

разрешение

разрешающая способность изображения описывает способность различать две разные точки на изображении. Изображение с более высоким разрешением более четкое и детальное. Поскольку световые волны подвергаются дифракции, способность различать две точки на объекте тесно связана с длиной волны света, используемой для наблюдения за объектом. Это объясняется вКритерий Рэлея, Волна также не может выявить детали с пространственным разделением, меньшим, чем ее длина волны. Это означает, что чем меньше длина волны, используемая для просмотра объекта, тем четче изображение.

Электронные микроскопы используют волновую природу электронов. длина волны де Брогли (то есть длина волны, связанная с электроном) для электронов, ускоренных до типичных напряжений, используемых в ПЭМ, составляет примерно 0,01 нм, тогда как видимый свет имеет длины волн между 400-700 нм. Очевидно, что электронные лучи способны раскрывать гораздо больше деталей, чем лучи видимого света. В действительности, разрешения ТЭМ имеют тенденцию быть порядка 0,1 нм, а не 0,01 нм из-за воздействия магнитного поля, но разрешение все же примерно в 100 раз лучше, чем разрешение светового микроскопа. Разрешения СЭМ немного ниже, порядка 10 нм.

Разница между световым микроскопом и электронным микроскопом

Источник освещения

Оптический микроскоп использует лучи видимого света (длина волны 400-700 нм) для освещения образца.

Электронный микроскоп использует электронные лучи (длина волны

0,01 нм) для освещения образца.

Лупа Техника

Оптический микроскописпользует оптические линзы, чтобы изгибать лучи света и увеличивать изображения.

Электронный микроскоп использует магниты, чтобы изгибать лучи электронов и увеличивать изображения.

разрешение

Оптический микроскоп имеет более низкое разрешение по сравнению с электронными микроскопами, около 200 нм.

Электронный микроскоп может иметь разрешение порядка 0,1 нм.

увеличение

Световые микроскопы может иметь увеличение около

Электронные микроскопы может иметь увеличение до

операция

Оптический микроскоп не обязательно нужен источник электричества для работы.

Электронный микроскоп требует электричества для ускорения электронов. Это также требует, чтобы образцы были помещены в вакуумы (в противном случае электроны могут рассеиваться от молекул воздуха), в отличие от световых микроскопов.

Оптический микроскоп намного дешевле по сравнению с электронными микроскопами.

Электронный микроскоп сравнительно дороже.

Размер

Световой микроскоп маленький и может быть использован на рабочем столе.

Электронный микроскоп довольно большой, и может быть таким же высоким, как человек.

Рекомендации

Young, H.D. & Freedman, R.A. (2012). Физика Сирса и Земанского: с современной физикой. Addison-Wesley.

Изображение предоставлено

«Punktiertes Wurzelsternmoos (Rhizomnium punctatum), Laminazellen, 400x vergrößert », Кристиан Петерс — Фабелфрох (сфотографировано Кристианом Питерсом) [

Отличия между цифровыми микроскопами и оптическими

Оптический микроскоп, который также называют световой микроскоп, является устройством использующим видимый свет и систему линз для увеличения изображения образцов. Оптические микроскопы являются самым старейшим видом оптических приборов для получения увеличенных изображений объектов, возможно, первые из них были разработаны в 17 веке . Изображение полученное с помощью оптического микроскопа может быть захвачено обычной светочувствительной фотокамерой для создания микрофотографий. Фотокамера может монтироваться вместо штатных окуляров или в отдельный оптический порт. Такие микроскопы именуются тринокулярными.

Цифровой микроскоп

Цифровой микроскоп – это микроскоп оснащенный цифровой камерой позволяющей исследовать образцы через компьютер. Такие микроскопы могут обладать частичным или полным компьютерным управлением с различным уровнем автоматизации. Цифровая микроскопия позволяет выполнять более глубокий анализ увеличенного изображения, например, измерение расстояний и площадей.

Цифровые USB микроскопы малой мощности, в упрощении представляют собой web камеры, подключаемые к компьютеру через USB порт. В таких микроскопах не используется поток проходящего света, а применяются встроенные светодиоды и падающий от них свет. Лучи света отражаются от образца и попадают в фотообъектив, через USB порт увеличенное изображение отображается на мониторе компьютера. Увеличенное таким образом видео и фотоизображение может быть сохранено на компьютере либо обработано в реальном режиме времени. Цифровые USB микроскопы малой мощности с увеличением 200x широко доступны потребителю из-за своей низкой стоимости, от 1190 рублей (Supereyes B005). Кроме микроскопов малой мощности, существуют и более мощные устройства: с возможностью увеличения 300x (Supereyes B010), 500x (Supereyes B008), 1000x (Supereyes T001 2M).

Цифровой USB микроскоп является универсальным инструментом, который поможет при изучении и исследовании плоских объектов, таких как монеты, печатные платы, документы, кожа, разнообразные растения и многое другое.

Преимущества цифровых микроскопов перед оптическими

Цифровые USB микроскопы обладают рядом преимуществ перед оптическими, такими как размер самого микроскопа, возможность проведения фото и видео записи, обработка изображения в реальном времени, выполнение различных измерении и многое другое.

Что лучше: Оптический микроскоп или электронный микроскоп?

И оптические, и электронные микроскопы работают по схожим принципам. Если в качестве параметра оценки взять качество изображения, то электронные микроскопы дают гораздо лучшие изображения, чем оптические.

Наши глаза дают нам зрение, которое служит для связи с окружающим миром. Но в области науки открытие микроскопа дало возможность многим ученым заглянуть в микроскопический мир и сделать несколько замечательных открытий, таких как открытие клетки Робертом Гуком.

Что такое микроскоп?

Термин «микроскоп» происходит от греческих слов «маленький» и «рассматривать». Таким образом, это прибор, с помощью которого мы можем рассматривать маленькие объекты.

Микроскоп бывает двух типов в зависимости от конструкции — простой микроскоп и сложный микроскоп.

В простом микроскопе для получения увеличенного изображения используется только одна линза. В таком микроскопе качество изображения не очень хорошее. По этой причине он не используется для научных исследований.

С другой стороны, составной микроскоп — это одно из таких устройств, в котором для получения увеличенного изображения объекта используется более одного объектива. Он дает изображение объекта с высоким разрешением и поэтому идеально подходит для научных исследований, лабораторных и криминалистических целей, а также для общепромышленного использования.

В составном микроскопе используются два типа объективов: объектив и окуляр. Объектив располагается по направлению к исследуемому объекту, а окуляр — это линза, через которую просматривается изображение. Окуляр также называют окулярной линзой.

Когда свет проходит через объективную линзу от объекта, получается увеличенное, реальное изображение. Это изображение еще больше увеличивается линзой окуляра, и получается виртуальное изображение, которое можно увидеть через окуляр и получить более четкие детали.

Это один из первых составных микроскопов, который дал новое видение современным открытиям.

Микроскопы классифицируются в зависимости от того, какой метод используется для исследования или изучения объекта. Давайте погрузимся в детали!

Что такое оптический микроскоп?

Как следует из названия, оптический микроскоп использует свет в качестве среды для исследования объектов и с помощью системы линз создает увеличенное изображение. Его также называют «световым микроскопом». Это самый распространенный тип микроскопа, который находит применение в различных областях. Они проще в изготовлении и работе.

Поскольку в них обычно используется видимый свет, получаемое изображение может быть непосредственно воспринято человеческим глазом.

В составном оптическом микроскопе количество света на образце может быть увеличено или уменьшено, что в свою очередь увеличивает или уменьшает разрешение получаемого изображения.

Что такое электронный микроскоп?

Электронный микроскоп использует ускоренный пучок электронов в качестве источника освещения образца, что позволяет получить изображение с очень высоким разрешением. Поскольку длина волны электронов чрезвычайно мала, разрешающая способность микроскопа очень высока.

Хотя конструкция этого микроскопа сложна, получаемое изображение очень детализировано, а также не подвержено влиянию атмосферных факторов. Таким образом, этот вид микроскопа используется для изучения внутренней структуры и химического состава материалов.

Трансмиссионный электронный микроскоп (ТЭМ) очень мощный и позволяет получать высококачественные изображения внутренних структур материалов.

Электронный микроскоп подразделяется на два типа — просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) и сканирующий электронный микроскоп (СЭМ). Оба они широко используются в научных и медицинских исследованиях.

Что лучше: Оптический микроскоп или электронный микроскоп?

Оба вида микроскопов имеют свою долю преимуществ и недостатков. Это полностью зависит от их использования и поставленной задачи.

Хотя электронный микроскоп обладает большей разрешающей способностью и создает изображения с лучшим разрешением, чем оптический микроскоп, для его работы требуется вакуум. Кроме того, подготовка образца и получение изображения занимают больше времени, чем у оптического микроскопа. Также существует риск утечки радиации при работе с электронным микроскопом.

Это изображение коронавируса, SARS-CoV-2, Коронавирус 2019 (COVID 19), рассматриваемого под электронным микроскопом.

С другой стороны, оптический микроскоп легче и проще в использовании, но получаемое изображение может не очень подходить для детального изучения внутренних структур. Также велика вероятность искажения изображения из-за воздействия атмосферных факторов.

Выбирать между этими двумя вариантами нужно с умом, помня о задаче, которую необходимо решить.

Будущие разработки в области микроскопии

Ожидается, что в скором времени микроскопы будут оснащены сложными алгоритмами, которые помогут лучше интерпретировать изображения и делать комплексные выводы. Ученые и исследователи смогут полностью осматривать и визуализировать трехмерные модели полученных изображений и получать более глубокие знания.

Разрешение, скорость, точность и чувствительность — вот основные направления развития микроскопии в настоящее время и в ближайшем будущем.

Заключение

Каждый маленький шаг, каждая мысль в направлении более широкого видения делает возможности эволюции лучше. Когда у нас есть желание заглянуть за пределы того, что могут предложить наши физические органы чувств, происходят революционные открытия.

Специализированный конфокальный/мультифотонный микроскоп реального времени Nikon RCM8000 является прекрасным примером последних достижений в области технологий.

Микроскоп — одно из таких открытий, которое дало ученым и исследователям правильный инструмент, открывший закрытые двери в микроскопический мир. С дальнейшим развитием науки и техники неизвестные области микроскопического мира станут еще более доступными для нас.

Поговорим о микроскопах

Помнится, в далеком детстве мне подарили микроскоп «Натуралист» – игрушечный, но таки дающий фиксированное увеличение аж в шестьдесят раз. Состоял он из одной трубки, закрепляемой на пластмассовом футляре, одновременно играющим роль основания. Сколько интересных вещей тогда было пересмотрено через окуляр, подсвеченный тусклым зеркальцем – от листьев водорослей до целого таракана…

Рис. 1. Детский микроскоп «Натуралист» (за неимением лучшего — фото с торговой площадки)

С тех пор прошло более тридцати лет, но о детском увлечении я не забыл. И вот однажды под влиянием приступа ностальгии я решил купить себе такую же игрушку, только чуть посовременнее. Но первый же взгляд на соответствующий раздел Интернет-площадки показал: чего-то я в этой жизни не понимаю. От обилия самый разных устройств, описываемых одним и тем же словом «микроскоп», просто рябило в глазах. И вот вместо пары быстрых щелчков мышкой пришлось плотно сесть и разобраться хотя бы в самых азах современной микроскопии. Результаты ниже.

Предупреждение: обзор не претендует на исчерпывающее описание и рассчитан на энтузиастов-любителей, интересующихся предметом для себя или для детей. Статья не содержит никакой теории, связанной с оптикой, ее в избытке хватает в других материалах.

Типы микроскопов

Существует довольно много самых разных задач, в которых необходимо детально рассмотреть мельчайшие детали объектов – от драгоценных камней и монет до внутренностей живой клетки. От того, что и как нам нужно увидеть, сильно зависят и применяемые методы. Оставим сейчас за кадром самые мелкие объекты типа вирусов или молекулярной структуры вещества и сосредоточимся на более крупных предметах размерами от бактерии и выше. Оптические устройства, применяемые для таких задач, делятся на два больших класса: биологические (компаундные) и стереомикроскопы.

Подробно останавливаться на стереомикроскопах не станем. Замечу только, что, вопреки подсознательным ожиданиям от названия, данный класс устройств предназначен не для создания стереокартинок. Стереомикроскопы используются для обследования сравнительно крупных непрозрачных предметов в отраженном свете: микросхем, камней, насекомых и т.п. Они отличаются сравнительно небольшим оптическим увеличением (40-60-80х, хотя наиболее продвинутые могут иметь даже 200х) и часто снабжены встроенными мониторами либо цифровыми интерфейсами. Источник света находится над образцом. Размеры – от карманных устройств до солидных стационарных установок.

Некоторые стереомикроскопы для промышленных целей даже лишены оптического окуляра и предназначены исключительно для подключения к компьютеру/смартфону через USB/WiFi («цифровые микроскопы»). Такие микроскопы сравнительно дешевы. Если надо как следует рассмотреть таракана, бриллиант или распайку элементов на плате, этот тип устройств для вас. Только помните, что супер-увеличения типа 1600х, которые часто можно встретить в описаниях даже самых дешевых устройств, относятся к цифровому увеличению и даже близко не отражают реальное оптическое. Каково оно? А кто его знает, производители до таких деталей не снисходят.

Рис. 2. Aomekie stereo microscope с увеличением 20х/40х (фото производителя)

Биологические микроскопы

Основной класс устройств, на котором мы сконцентрируемся – то, что называется биологическим микроскопом, в английской терминологии «компаундным» (составным, от compound). Он предназначен для рассматривания тонких прозрачных образцов (срезы тканей, бактерии, микроорганизмы и т.п.) в проходящем свете. Образец подготавливается на предметном стекле, умещаемом на рабочей платформе, источник света – внизу, под образцом.

Следует понимать, что под биологический микроскоп того же таракана засунуть сложно: для мощной оптики, где расстояние между линзой и препаратом составляет буквально десятую долю миллиметра, препарат должен быть очень тонким, плоским и прозрачным, специально подготовленным и, возможно, окрашенным. Обычно это капля или тонкая пленка, размещенная между предметным и покровным стеклом. Под маломощный объектив таракан влезет (фокусное расстояние у них от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров). Однако следует озаботиться хорошим внешним источником света и не стоит рассчитывать на высокую глубину резкости: в каждый момент времени вы сможете отчетливо видеть только определенный слой изображения.

Типовой биологический микроскоп состоит из трех частей: механическая платформа (база, предметный столик, устройства наведения и фокусировки), подсветка и оптическая система.

Рис. 3. Микроскоп Celestron (фото производителя)

Механическая платформа

Механическая часть состоит из основания, на которой монтируются все прочие компоненты, и предметного столика, на котором умещается образец. Очень важной частью механики является система, отвечающая за перемещение предметного столика в трех измерениях – именно так образец подводится в точку фокуса неподвижного объектива. Существуют модели, в которых перемещается объектив, но это редкая экзотика. В устройствах начального уровня механика самая примитивная. Подстройка по высоте (фокусировка) есть только грубая (coarse), перемещение образца в плоскости – пальцами.

В более сложных моделях в дополнение к грубой фокусировке появляется тонкая (fine), а также зажим, перемещающий предметное стекло в горизонтальной плоскости (его подвижная сторона имеет характерный вид полумесяца, ее хорошо видно на изображениях устройств). В наиболее простых микроскопах вертикальное перемещение регулируется разными винтами/рукоятками, в более продвинутых они совмещены на одной оси. В микроскопах без тонкой фокусировки есть реальная опасность раздавить как предметное стекло, так и линзу объектива из-за неловкого движения руки.

Материал корпуса – пластик либо металл. Пластик легче, но и хрупче. Обычно он применяется в мобильных моделях, предназначенных для детей либо полевых лабораторий – там, где важно минимизировать вес. Для стационарных микроскопов используется металл: он не только прочнее, но и менее подвержен вибрациям, которые на высоких увеличениях становятся критичными. Вес металлического микроскопа – 3-4 килограмма.

Исторически база микроскопа состояла из неподвижного основания и подвижного кронштейна, позволяющего менять ориентацию микроскопа относительно вертикали. Это было необходимо не только для комфорта работы, но и для получения качественной подсветки. Однако современные микроскопы имеют монолитное основание с фиксированным углом наклона глазных тубусов, что не всегда удобно. Учтите, что от этого угла прямо зависит комфорт вашей шеи во время работы, так что подбирайте устройство с углом, подходящим именно вам.

Рис. 4. AmScope M500 с простейшим предметным столиком без перемещения в плоскости (фото производителя)

Электрические компоненты

Мало подвести образец в точку фокуса, его надо еще и правильно подсветить. Плохая подсветка приведет к слишком темному или, наоборот, пересвеченному неразборчивому изображению, а также к неоднородному освещению поля.

Исторически для подсветки использовалось вогнутое зеркало, расположенное под отверстием в столике. Однако с его помощью сложно добиться качественного равномерного освещения поля зрения, что критично на высоких увеличениях. Также оно накладывает очень серьезные ограничения по размещению микроскопа относительно источника света, а также на сам источник. Такое зеркало сегодня осталось только в самых примитивных устройствах, обычно в полевых либо детских микроскопах, как в показанном в начале статьи «Натуралисте». Иногда, впрочем, оно может поставляться как дополнительная опция, замещающая основной источник света.

Сегодня для подсветки используются разные виды встроенных в основание ламп. До относительно недавнего времени применялись лампы галогенные или накаливания, но они имели свои проблемы. В первую очередь – из-за того, что свет генерировался тонкой нитью, а проецировать его приходилось на круглое поле, что, опять же, создает проблемы с равномерностью. Однако в современных условиях индустрия широко использует LED-источники света, что проблему сняло.

Запитывается подсветка либо от батареек (такие микроскопы особенно хороши для детей, поскольку их можно повсюду таскать с собой), либо проводом от розетки. Если заказываете проводное устройство за рубежом, помните о переходниках для вилки.

Регулировка подсветки выполняется как интенсивностью лампы, так и световым конденсором под рабочим столиком, имеющим диафрагму и линзу для фокусировки света на образце. В недорогих моделях наиболее распространен конденсор Аббе (Abbe condenser) или его модификации, это название можно часто увидеть в описании микроскопа. Для любительских занятий обычно применяется подсветка вида «светлое поле» (в смысле, прозрачные объекты рассматриваются на ярком белом фоне), хотя есть и другие типы: «темное поле», дающее инвертированное изображение, флуоресцентная подсветка и т.п. Конденсор может быть сменным, позволяя получать в одном и том же микроскопе разные типы подсветки.

Попадаются также модели с дополнительной верхней подсветкой, как на картинке ниже (этакий гибрид биологического и стереомикроскопа), но обычно это удел любительских устройств и малых увеличений: мощные объективы, практически втыкающиеся в покровное стекло, попросту заслоняют верхний свет. На практике уже сорокакратный объектив даже при хорошей внешней подсветке почти ничего не видит, а стократный показывает полный мрак.

Обратите, кстати, внимание: микроскоп на картинке не обладает полноценным конденсором, вместо него – только источник света и диафрагма. На столике присутствуют только самые примитивные зажимы-клипсы для предметного стекла, перемещение препарата в плоскости – пальцами.

Рис. 5. Любительский микроскоп Swift SW150 входного уровня с дополнительной верхней подсветкой (фото производителя)

Оптическая система – объективы

Оптическая система состоит из объективов (смотрят непосредственно на образец) и окуляров (eyepiece, прилегают к глазу).

Объективы, непосредственно рассматривающие образец, монтируются на револьверном диске для быстрой их смены. По нынешним временам они имеют четыре типовых диапазона увеличения: 4-5х (сканирующий объектив, обычно служит для грубой наводки на цель), 10-15х (маломощные линзы), 40-60х (высокомощные) и 90-100х и выше (сверхмощные). Объективы с увеличением выше 100х встречается редко и уж точно не в любительских микроскопах.

Первые три типа («сухие») обычно стандартны для всех моделей, даже для детских. Последний тип объективов встречается в более продвинутых моделях и для получения качественного изображения требует специальной техники использования – иммерсионной. Суть в том, что коэффициенты преломления воздуха и стекла разные для разных длин волн (именно на этом основано разложение белого цвета в спектр). Если между образцом и объективом есть воздух, на стократном увеличении проявляется сильная хроматическая аберрация, снижающая резкость вплоть до полной неразборчивости.

Поэтому для сильных (девяностократных и выше) объективов обычно используется техника погружения (иммерсии) передней линзы объектива в специальное масло, имеющее тот же коэффициент преломления, что и стекло. На покровное стекло наносят каплю масла, в которое непосредственно опускается объектив. После исследования масло с линзы смывается. Такие объективы обычно помечаются словом oil. Могут они использоваться и насухо, но добиться высокой резкости в этом случае невозможно. Масло входит в начальный комплект микроскопа с такими объективами, а также может быть куплено отдельно (из натуральных масел идеально подходит кедровое). Масляную иммерсию нельзя использовать с менее мощными объективами, для которых она не упомянута явно.

Что интересно, еще в середине прошлого века иммерсионными были даже объективы 50х, но с тех пор техника заметно продвинулась вперед. Исторически первой иммерсионной жидкостью являлась обычная вода (техника изобретена еще в начале 19 в.), подходящее масло впервые подобрали ближе к концу того же столетия.

Также стократные объективы могут напрямую упираться в покровное стекло препарата. Защита фронтальной линзы обычно выполняется с помощью специальной пружинящей оправы (слово spring в описании объектива). Несколько раз в описаниях также попадалось слово feather вместо spring, хотя найти определение мне так и не удалось. Для любительских исследований такие объективы избыточны как с точки зрения дополнительной немалой цены, так и с точки зрения затрачиваемых усилий. Особой дополнительной ценности в домашних условиях они не представляют.

Рис. 6. Набор ахроматических объективов фирмы OMAX с типичными мощностями 4х, 10х, 40х и 100х (фото производителя). На стократном объективе хорошо видна пружинящая оправа

Оптическая система – окуляры

Сменные окуляры вставляются в тубусы в верхней части микроскопа и имеют свое собственное фиксированное увеличение, например 10х, 16х, 25х. Чем выше увеличение, тем короче окуляр. Очкарикам типа меня надо держать в уме, что, в отличие от фотоаппарата, работа с окуляром микроскопа в очках крайне затруднена: окуляр должен практически прижиматься к глазу. Вынос зрачка (eye relief) у обычных окуляров составляет 7-13 мм, с очками нужны специальные окуляры с высоким выносом (15-20 мм). Однако это особой проблемы не составляет. В любом случае резкость в микроскопе подстраивается под глаз индивидуально. Даже с самой высокой близорукостью в микроскопе можно видеть резкое изображение. Неудобство только в том, что очки все время приходится снимать и надевать.

Окуляры могут быть широкофокусными (помечаются буквами WF, wide focus). Такой окуляр имеет большую ширину поля зрения, что заметно облегчает работу с широкими препаратами.
Также следует упомянуть линзу Барлоу (Barlow lens). Это дополнительная трехслойная линза, помещаемая в тубус оптического прибора перед окуляром и дающая небольшое дополнительное увеличение. Как правило, в комплекте поставки микроскопа можно встретить линзы Барлоу 2х. Это банальный маркетинговый трюк. Дешевые ахроматические стеклянные (или даже, упаси боже, пластиковые) линзы заметно ухудшают качество изображения, а потому при мощном увеличении бессмысленны. При низких же и средних сочетания объектива и окуляра вполне достаточно.

По количеству окуляров микроскопы делятся на классические монокулярные (один окуляр), бинокулярные (два окуляра, чтобы смотреть обеими глазами) и тринокулярные (третий тубус/порт обычно монтируется вертикально и служит для подсоединения фото- или видеокамеры).

Наиболее прост в использовании монокуляр. К нему очень легко привыкнуть, а проблему он создает единственную – сильную нагрузку на один глаз при расслабленном другом. При долгом использовании это может кончиться неприятными последствиями для зрения.

Бинокулярные микроскопы используются для обоих глаз сразу и создают стереоизображение. Они позволяют регулировать расстояние между окулярами для подгонки под свои зрачки. Также один из тубусов бинокуляра содержит регулировку, позволяющую компенсировать разницу в диоптриях между глазами. Следует держать в уме, однако, что создание цельного изображения при использовании бинокуляра гораздо сложнее, чем с монокуляром, к нему следует привыкать. Кроме того, регулировка имеет свои ограничения по расстоянию между зрачками, так что подстройка под ребенка может оказаться невозможна. Детский микроскоп следует брать монокулярный, да и для эпизодических любительских упражнений бинокуляр особо не пригодится.

Тринокулярные устройства выглядят эффектно и удобно, если речь идет о трансляции изображения наружу одновременно с работой. Однако следует учитывать, что не всегда все три порта могут использоваться одновременно. Встречаются решения, в которых, например, приходится выбирать между одним из глазных тубусов и третьим портом.

Рис. 7. Тринокуляр Omax M837ZL с вертикальным портом для камеры (фото производителя)

Оптическая система – заключение

Суммарная мощность биологического микроскопа вычисляется как произведение увеличений окуляра и объектива. Например, с объективом 40х и окуляром 10х общее увеличение составит 400х. Однако следует учитывать, что для стандартных ахроматических линз добиться четкого изображения на сверхмощном увеличении из-за законов оптики практически невозможно. Начиная с определенного момента, линзы будут только увеличивать уже видимые детали, но не добавлять новые. Максимальное эффективное оптическое увеличение составляет примерно 1500х, а то и меньше, в домашних условиях 1000х – практический потолок. Для более высоких разрешений применяются дорогие апохроматические линзы либо электронные микроскопы, что уже совсем другая песня.

Вообще 1000х – много это или мало? Размер золотистого стафилококка – около 1 мкм (1/1000 мм), амебы – 200-600 мкм, одноклеточной водоросли – около 40 мкм. Тысячекратного увеличения вполне хватит, чтобы разглядеть все это с подробностями. Так что не обращайте особого внимания на маркетинговые цифры максимального увеличения 2500-3000х, получаемого тупым перемножением максимальных мощностей объективов и окуляров. Установить вы его установите, только в результате получится как в песне «Сиреневый туман под линзой проплывает…»

При работе с препаратами также важна правильная установка диафрагмы конденсора. Узкая диафрагма повышает контрастность и резкость, но затемняет изображение. Широкая диафрагма пропускает больше света, но может сделать изображение пересвеченным и малоконтрастным, скрывая детали и даже целые объекты. Подбор диафрагмы для каждого препарата выполняется индивидуально.

На картинке ниже обратите внимание на вращающуюся головку микроскопа, позволяющую ориентировать окуляры в нужном направлении. Такая конструкция удобна при работе нескольких человек. Однако подстраивать резкость под свои глаза каждому все равно придется индивидуально.

Рис 8. Бинокулярный микроскоп Motic BA80 (фото производителя). Под столиком в центре хорошо виден конденсор, на столике – месяцевидный зажим для предметного стекла

Оптическая система – сопряжение микроскопа с компьютером

Подключение микроскопа к внешним устройствам, таким как монитор или компьютер, выполняется за счет установки специальной видеокамеры *вместо* окуляра или в выделенный порт тринокуляра. Следует держать в уме, что в этом случае теряется увеличение, даваемое окуляром, остается только увеличение объектива и нерегулируемых линз камеры. В параметрах камер обычно указывается только емкость ее матрицы (3, 5, 10 и более мегапикселей), оптическое увеличение остается тайной за семью печатями. Кроме того, поле зрения камеры существенно уже, чем у человеческого глаза.

Сама по себе камера может не распознаваться стандартными средствами Windows и приложений (и не надо – без микроскопа она полностью слепа), так что производители прилагают к ней специализированный софт. Он позволяет как делать фотографии, так и записывать видео. На рынке есть разные виды камер – от стареньких с разрешением 640х480 до современных с разрешением аж до 20 мегапикселей. Отличаются они также интерфейсами, что влияет на возможности записи видео в первую очередь (получение видеопотока с высоким FPS и разрешением через USB 2.0 будет затруднительно). Также камеры могут подключаться напрямую к монитору или иному устройству через HDMI, иметь WiFi-интерфейс и т.п.

Многие производители предлагают для своих микроскопов также и камеры, но никто не мешает купить камеру от другого вендора. Следует только учитывать, что диаметр тубуса у разных микроскопов может отличаться, так что следует удостовериться, что данная камера подходит для данного тубуса. Ну, или использовать переходники, которые тоже продаются. Стандартный диаметр для окуляра биологического микроскопа – 23,2 мм, стереомикроскопа – 30 и 30,5 мм.

Существуют также относительно дешевые насадки, позволяющие перенаправлять оптический поток из окуляра в объектив камеры смартфона. Плюс такого устройства – сохранение оригинального увеличения, поскольку монтируются они поверх окуляра. Минус – возможности получения и сохранения изображения ограничиваются невеликими возможностями смартфона. Ну, и поле зрения у такой камеры все равно уже, чем у глаза.

Рис. 9. Цифровая камера для микроскопа Puls Life Science DCM-310 (фото производителя)

Цены и производители

Цены на биомикроскопы можно найти самые разные. Те, что позиционируются для детей, попадаются и за 30-40 евро, однако следует помнить о возможных ограничениях типа фиксированного окуляра 10х, не поддерживающего установку камеры, отсутствия конденсора, а то и вообще подсветки, примитивном предметном столике и т.п. В Европе можно купить монокулярные микроскопы с тремя объективами, рассчитанные на энтузиастов и студентов, их ценовая категория – от 100 евро. Камера для микроскопа – от 50 евро (и далее в космос: двадцатимегапиксельная может стоит и семь сотен). Более профессиональные микроскопы – би- и тринокуляры со стократными объективами – стоят от 250 евро. Наконец, многие вендоры предлагают комплекты, специально рассчитанные на детей, студентов и энтузиастов. В них могут входить монокуляр входного уровня, простенькая видеокамера, базовый набор инструментов и предметных стекол и т.п. Цены на такие комплекты начинаются от полутора сотен евро.

К покупке следует обязательно добавить минимум один набор из предметных и покровных стекол (от 8-10 евро – учтите, это расходный материал), а также, по желанию, набор заранее подготовленных препаратов (крылья, ноги, хвосты, листики и подобные нехитрые препараты для вхождения в тему). Ну, а дальше – скальпели, пинцеты, микротомы, чашки Петри, пробирки, препараторские иглы и так далее, и тому подобное в зависимости от ваших увлечений. Также обязательно купите изопропиловый спирт (чем выше концентрация, тем лучше), кисточки, продувки, салфетки из микрофибры и т.п. – оптика имеет свойство пачкаться и пылиться, а даже отдельные пылинки на линзах микроскопа отобьются пятнами на изображении.

Учитывайте также, что цены на одни и те же товары на американском, английском и немецком Амазонах, не говоря уже про eBay, могут очень существенно различаться, так что после выбора модели стоит порыться на разных площадках в поисках цены пониже. Также можно искать микроскопы на Алиэкспрессе. Однако хотя там цены заметно ниже, чем в Европе, цена на доставку оказывается сопоставима с ценой самого микроскопа, что полностью лишает затею смысла.

Какой бренд выбрать? Поскольку оптика для микроскопов критично важна, на этом рынке отметились крупные мировые производители, связанные с оптикой – Олимпус, Цейс, Лейка, Никон и так далее. Однако цены на их устройства даже входного уровня, мягко говоря, не радуют, да и в розницу они могут просто не работать. Так что любителю стоит приглядеться к более демократичным вендорам, таким как Swift, Bresser, Omax или AmScope. Также можно приобрести отдельные объективы и окуляры, в том числе китайского производства (есть неплохие, судя по отзывам), но в этом случае нужно удостовериться что они совместимы с микроскопом. Европейский стандарт, определяющий резьбу и прочие механические и оптические параметры, называется DIN.

Немного практики. Игрушка в реальности

После месяца мучительных раздумий, в которых детское «хочу!» отчаянно боролось с взрослой скупостью и рационализмом, я остановился на бинокуляре Swift 350B. Почему? Ничего особенного: микроскопы Swift при умеренных ценах имеют качество, подходящее даже для лабораторных условий. Плюс на осенней распродаже на английском Амазоне эта модель продавалась всего за 160 фунтов. Чтобы два раза не вставать, вторым компонентом покупки стала трехмегапиксельная камера Swift стоимостью 80 фунтов.

Выглядит комплект поставки микроскопа примерно так:

Четыре объектива (4х, 10х, 40х и 100х) уже установлены в револьверное кольцо, наборы окуляров (10х и 25х) вложены отдельно. Обратите внимание на пустую вертикальную выемку над головкой и два пустых гнезда – упаковка универсальна и рассчитана в том числе на тринокуляры. Шнур/гнездо питания – C13/C14, блок питания встроен в основание. В комплект входит простенький пластиковый чехол а-ля «мешок мусорный обыкновенный».

В сборе и с подключением к ПК выглядит так (на мониторе – транслируемое с микроскопа изображение пчелиной ноги):

Теперь посмотрим, как выглядят образцы с разным увеличением при трансляции с камеры. Начнем с препарата листа флокса (поперечный срез) из продаваемого набора образцов. Использованы объективы 4х, 10х, 40х и 100х (без масла).

(4х)

(10х)

(40х)

(100х)

Как видно, без иммерсии стократный объектив ничего внятного не показывает. Сорокакратный показывает, но из-за малой глубины резкости приходится выбирать, какой слой препарата рассматривать. Поскольку вместо окуляра использована оптика камеры, финальное оптическое увеличение я определить затрудняюсь. Для сравнения: на снимке ниже то, что видит камера сотового телефона через окуляр 25х и объектив 4х (итоговое увеличение 100х). Снималось с рук, поскольку держатель для телефона я не купил, отсюда обрезанность по бокам.

Можно предположить, что камера дает увеличение 20-25х, но какова его часть оптическая, а какова цифровая, определить сложно.

Второй препарат – сделанный самостоятельно. Просто капля воды из кухонной раковины под покровным стеклом без какой-либо подготовки. Объективы те же: 4х, 10х, 40х.

(4х)

(10х)

(40х)

Обратите внимание на радужную кайму по границе капли (дугообразная черная линия на втором и третьем снимках). Если на 4х аберраций не видно никаких, то на 10х уже появляется слабое искажение цветов на границах объектов. На 40х радуга становится настолько заметной, что отчетливо видна даже на снимке камеры и заметно ухудшает резкость. Именно для ликвидации такого эффекта стократные объективы погружают в масло.

Для сравнения: что видит камера смартфона через окуляр при с комбинацией 4х * 25х:

Напоследок пара слов о стеклах. Препарат, помимо наблюдаемого объекта, состоит из толстого предметного стекла и тонкого покровного. Предметное стекло кладется на столик, покровное обращено к окуляру. Следует быть чрезвычайно осторожным при работе с покровными стеклами: при толщине 0,13-0,17 мм они имеют весьма острые грани, несмотря даже на специальную их обработку. При неаккуратном обращении они могут запросто распластать вам палец, а то и сломаться в ране. Ни в коем случае не позволяйте работать с ними малым детям, да и подростков тоже следует проконтролировать на начальном этапе.

По окончании работы с препаратом следует либо как следует очистить и обезжирить стекла. Остатки жира и масла приведут к тому, что капля будет не растекаться по стеклу, а разбиваться на еще более мелкие капли, затрудняя рассмотрение. В лабораториях применяются разные методы обезжиривания, но они небезопасны и требуют специальных химикатов, зачастую ядовитых, и оборудования типа вытяжек. В домашних условиях наиболее простой способ – изопропиловый спирт либо получасовое кипячение на медленном огне в растворе 2-5% растворе пищевой соды (примерно чайная ложна на 100 мл). Грязное покровное стекло, скорее, проще выбросить – оно слишком хрупкое и легко ломается. Да и за предметные стекла тоже особо держаться не стоит – это дешевый расходный материал. Иммерсионные объективы от масла чистятся так же, как и любая другая оптика: изопропиловым спиртом на микрофибре.

На этом введение в основы оптической микроскопии закончены. Успехов в самостоятельном плавании.