МИКРОСКОП

МИКРОСКОП

Микрофотографирование и м и к р ок
и н о с ъ ё м к а, т.е. получение с помощью М. изображений на светочувствит.
слоях, широко применяется в сочетании со всеми др. методами микроскопич.
исследования. Оптич. система М. при микрофото- и микрокиносъёмке требует
нек-рой перестройки -иной по сравнению с визуальным наблюдением фокусировки
окуляра относительно изображения, даваемого объективом (подробнее об этом
см. в ст. Микропроекция). Мн. совр. М. имеют постоянные (вмонтированные)
устройства для микрофотографии, к-рые позволяют осуществлять такую перестройку
и проектировать изображения препаратов на фотопластинку или плёнку (а большинство
М. может быть с этой целью оснащено дополнит, принадлежностями). Микрофотография
незаменима при документировании исследований, при изучении объектов в невидимых
для глаза УФ и ИК лучах (см. выше), а также объектов со слабой интенсивностью
свечения. Микрокиносъёмка важна при исследовании процессов, развёртывающихся
во времени (жизнедеятельности тканевых клеток и микроорганизмов, роста
кристаллов, протекания простейших хим. реакций и т. п.).



Основные узлы микроскопа. В большинстве
типов М. (за исключением инвертированных, см. ниже) над предметным столиком,
на к-ром закрепляют препарат, располагается устройство для крепления объективов,
а под столиком устанавливается конденсор. Любой М. имеет тубус (трубку),
в к-ром устанавливаются окуляры; обязательной принадлежностью М. являются
также механизмы для грубой и точной фокусировки (осуществляемой путём изменения
относит, положения препарата, объектива и окуляра). Все эти узлы крепятся
на штативе или корпусе М.

Тип применяемого конденсора зависит от
выбора метода наблюдения. Светлопольные конденсоры и конденсоры для наблюдения
по методу фазового или интерференционного контраста представляют собой
сильно отличающиеся одна от другой двух- или трёхлинзовые системы. У светлопольных
конденсоров числовая апертура может достигать 1,4; в их состав входит апертурная
ирисовая
диафрагма, к-рая иногда может смещаться в сторону для получения косого
освещения препарата. Фазово-контрастные конденсоры снабжены кольцевыми
диафрагмами. Сложными системами из линз и зеркал являются темнопольные
конденсоры. Отд. группу составляют эпи-конденсоры - необходимые при наблюдении
по методу тёмного поля в отражённом свете системы кольцеобразных линз и
зеркал, устанавливаемых вокруг объектива. В УФ микроскопии применяются
спец. зеркально-линзовые и линзовые конденсоры, прозрачные для ультрафиолетовых
лучей.

Объективы в большинстве совр. М. сменные
и выбираются в зависимости от конкретных условий наблюдения. Часто неск.
объективов закрепляются в одной вращающейся (т. н. револьверной) головке;
смена объектива в этом случае осуществляется простым поворотом головки.
По степени исправления хроматической аберрации различают микрообъективы
ахроматы
и апохроматы. Первые наиболее просты по устройству; хроматич.
аберрация в них исправлена только для двух длин волн, и изображение при
освещении объекта белым светом остаётся слегка окрашенным. В апохроматах
эта аберрация исправлена для трёх длин волн, и они дают бесцветные изображения.
Плоскость изображения у ахроматов и апохроматов несколько искривлена (см.
Кривизна
поля). Аккомодация глаза и возможность просмотра всего поля зрения
с помощью перефокусировки М. отчасти компенсируют этот недостаток при визуальном
наблюдении, однако он сильно сказывается при микрофотографировании - крайние
участки изображения получаются нерезкими. Поэтому широко используют микрообъективы
с дополнит, исправлением кривизны поля - планахро-маты и планапохроматы.
В сочетании с обычными объективами применяют спец. проекционные системы-г
о м а л и, вставляемые вместо окуляров и исправляющие кривизну поверхности
изображения (для визуального наблюдения они непригодны).

Кроме того, микрообъективы различаются:
а) по спектральным характеристикам - на объективы для видимой области спектра
и для УФ и ИК микроскопии (линзовые или зеркально-линзовые); б) по длине
тубуса, на к-рую они рассчитаны (в зависимости от конструкции М.),- на
объективы для тубуса 160 мм, для тубуса 190 мм и для т. н.
"длины тубуса бесконечность" (последние создают изображение "на бесконечности"
и применяются совместно с дополнит.- т. н. тубусной - линзой, переводящей
изображение в фокальную плоскость окуляра); в) по среде между объективом
и препаратом - на сухие и иммерсионные; г) по методу наблюдения-на обычные,
фазово-контрастные, интерференционные и др.; д) по типу препаратов - для
препаратов с покровным стеклом и без него. Отд. тип представляют собой
эпиобъективы (сочетание обычного объектива с эпиконденсором). Многообразие
объективов обусловлено разнообразием методов микроскопич. наблюдений и
конструкций М., а также различиями в требованиях к исправлению аберраций
в разных условиях работы. Поэтому каждый объектив можно применять только
в тех условиях, для к-рых он рассчитан. Напр., объективом, рассчитанным
для тубуса 160 мм, нельзя пользоваться в М. с длиной тубуса 190
мм,
с объективом для препаратов с покровным стеклом нельзя наблюдать препараты
без покровного стекла. Особенно важно соблюдать расчётные условия при работе
с сухими объективами больших апертур (А > 0,6), к-рые очень чувствительны
ко всяким отклонениям от нормы. Толщина покровных стёкол при работе с этими
объективами должна быть равна 0,17 мм. Иммерсионный объектив можно
использовать только с той иммерсией, для к-рой он рассчитан.

Тип применяемого окуляра при данном методе
наблюдения определяется выбором объектива М. С ахроматами малых и средних
увеличений используют окуляры Гюйгенса, с апохроматами и ахроматами больших
увеличений - т. н. компенсационные окуляры, рассчитываемые так, чтобы их
остаточная хроматич. аберрация была другого знака, чем у объективов, что
улучшает качество изображения. Кроме того, существуют спец. фотоокуляры
и проекционные окуляры, к-рые проектируют изображение на экран или фотопластинку
(сюда же можно отнести упомянутые выше гома-ли). Отд. группу составляют
кварцевые окуляры, прозрачные для УФ лучей.

Разнообразные принадлежности к М. позволяют
улучшить условия наблюдения и расширить возможности исследований. Осветители
различных типов предназначены для создания наилучших условий освещения;
окулярные
микрометры служат для измерения размеров объектов; бинокулярные тубусы
дают возможность наблюдать препарат одновременно двумя глазами; микрофотонасадки
и микрофотоустановки применяются при микрофотографии; рисовальные аппараты
дают возможность зарисовывать изображения. Для количеств, исследований
применяются спец. устройства (напр., микроспектрофотометрич. насадки).



Типы микроскопов. Конструкция М.,
его оснащение и характеристики осн. узлов определяются либо областью применения,
кругом проблем и характером объектов, для исследования к-рых он предназначен,
либо методом (методами) наблюдения, на к-рые он рассчитан, либо же и тем
и другим вместе. Всё это привело к созданию различных типов специализированных
М., позволяющих с высокой точностью изучать строго определённые классы
объектов (или даже только нек-рые определённые их свойства). С др. стороны,
существуют т. н. универсальные М., с помощью к-рых можно различными методами
наблюдать различные объекты.

Биологические М. относятся к числу наиболее
распространённых. Они применяются для ботанич., гистоло-гич., цитологич.,
микробиологич., мед. исследований, а также в областях, не связанных непосредственное
биологией,-для наблюдения прозрачных объектов в химии, физике и т. д. Существует
много моделей биологич. М., отличающихся конструктивным оформлением и дополнит,
принадлежностями, к-рые существенно расширяют круг изучаемых объектов.
К этим принадлежностям относятся: сменные осветители проходящего и отражённого
света; сменные конденсоры для работы по методам светлого и тёмного полей;
фазово-контрастные устройства; окулярные микрометры; микрофотонасадки;
наборы светофильтров и поляризационных устройств, позволяющие в обычном
(неспециализированном) М. применять технику люминесцентной и поляризационной
микроскопии. Во вспомогат. оборудовании для биологич. М. особенно важную
роль играют средства микроскопической техники, предназначенные для
подготовки препаратов и проведения с ними различных операций, в т. ч. и
непосредственно в процессе наблюдения (см. Микроманипулятор, Микротом).

Биологич. исследовательские М. оснащаются
набором сменных объективов для различных условий и методов наблюдения и
типов препаратов, в т. ч. эпиобъ-ективами для отражённого света и зачастую
фазово-контрастными объективами. Набору объективов соответствует комплект
окуляров для визуального наблюдения и микрофотографирования. Обычно такие
М. имеют бинокулярные тубусы для наблюдения двумя глазами.

Кроме М. общего назначения, в биологии
широко используются и различные М., специализированные по методу наблюдения
(см. ниже).

Инвертированные М. отличаются тем, что
объектив в них располагается под наблюдаемым предметом, а конденсор - сверху.
Направление хода лучей, прошедших сверху вниз через объектив, изменяется
системой зеркал, и в глаз наблюдателя они попадают, как обычно, снизу вверх
(рис. 8). М.

Рис. 8. Принципиальная оптическая схема
инвертированного микроскопа.

Зеркала этого типа предназначены для исследования
громоздких объектов, к-рые трудно или невозможно расположить на предметных
столиках обычных М. В биологии с помощью таких М. изучают находящиеся в
питательной среде культуры тканей, к-рые помещают в термоста-тирующую
камеру для поддержания заданной темп-ры. Инвертированные М. применяют также
для исследования хим. реакций, определения точек плавления материалов и
в др. случаях, когда для осуществления наблюдаемых процессов требуется
громоздкое вспомогат. оборудование. Для микрофотографирования и микрокиносъёмки
инвертированные М. снабжают специальными устройствами и камерами.

Особенно удобна схема инвертированного
М. для наблюдения в отражённом свете структур различных поверхностей. Поэтому
она применяется в большинстве металлографических М. В них образец (шлиф
металла, сплава или минерала) устанавливается на столике полированной поверхностью
вниз, а остальная его часть может иметь произвольную форму и не требует
к.-л. обработки. Существуют также металлографические М., в которых объект
располагают снизу, закрепляя его на специальной пластине; взаимное положение
узлов в таких М. то же, что и в обычных (неинвертированных) М. Изучаемая
поверхность часто предварительно протравливается, благодаря чему зёрна
её структуры становятся резко отличимыми друг от друга. В М. этого типа
можно использовать метод светлого поля при прямом и косом освещении, метод
тёмного поля и наблюдение в поляризованном свете. При работе в светлом
поле объектив одновременно служит и конденсором. Для темнопольного освещения
применяются зеркальные парабо-лич. эпиконденсоры. Введение спец. вспомогат.
устройства позволяет осуществить фазовый контраст в метал-лографич. М.
с обычным объективом (рис. 9).

Рис. 9. Микрофотографии нетравленого шлифа
металла, снятые металлографическим микроскопом: а - в светлом поле; б
-
с фазово-контрастным устройством.

Люминесцентные М. оснащаются набором сменных
светофильтров, подбирая к-рые можно выделить в излучении осветителя часть
спектра, возбуждающую люминесценцию конкретного исследуемого объекта. Подбирается
также светофильтр, пропускающий от объекта только свет люминесценции. Свечение
мн. объектов возбуждается УФ лучами или коротковолновой частью видимого
спектра; поэтому источниками света в люминесцентных М. служат дающие именно
такое (и очень яркое) излучение ртутные лампы сверхвысокого давления (см.
Газоразрядные
источники света). Помимо специальных моделей люминесцентных М., имеются
люминесцентные устройства, используемые совместно с обычными М.; они содержат
осветитель с ртутной лампой, набор светофильтров и т. н. опак-иллюминатор
для освещения препаратов сверху.

Ультрафиолетовые и инфракрасные М. служат
для исследований в невидимых для глаза областях спектра. Их принципиальные
оп-тич. схемы аналогичны схеме обычных М. Из-за большой сложности исправления
аберраций в УФ и ИК областях конденсор и объектив в таких М. часто представляют
собой зеркально-линзовые системы, в к-рых существенно уменьшается
или полностью отсутствует хрома-тич. аберрация. Линзы изготовляются из
материалов, прозрачных для УФ (кварц, флюорит) или ИК (кремний, германий,
флюорит, фтористый литий) излучения. Ультрафиолетовые и инфракрасные М.
снабжены фотокамерами, в к-рых фиксируется невидимое изображение; визуальное
наблюдение через окуляр в обычном (видимом) свете служит, когда это возможно,
лишь для предварит, фокусировки и ориентировки объекта в поле зрения М.
Как правило, в этих М. имеются электроннооптич. преобразователи, превращающие
невидимое изображение в видимое.

Поляризационные М. предназначены для изучения
(с помощью оптич. компенсаторов) изменений в поляризации света, прошедшего
через объект или отражённого от него, что открывает возможности количественного
или полуколичественного определения различных характеристик оптически активных
объектов. Узлы таких М. обычно выполняются так, чтобы облегчить точные
измерения: окуляры снабжаются перекрестием , микрометрической шкалой или
сеткой; вращающийся предметный столик - угломерным лимбом для измерения
угла поворота; часто на предметном столике крепится Фёдорова столик,
дающий
возможность произвольно поворачивать и наклонять препарат для нахождения
кристаллографич. и кристаллооптич. осей. Объективы поляризационных М. специально
подбираются так, чтобы в их линзах отсутствовали внутр. напряжения, приводящие
к деполяризации света. В М. этого типа обычно имеется включаемая и выключаемая
вспомогат. линза (т. н. линза Бертрана), используемая при наблюдениях в
проходящем свете; она позволяет рассматривать интерференционные фигуры
(см. Кристаллооптика), образуемые светом в задней фокальной плоскости
объектива после прохождения через исследуемый кристалл.

С помощью интерференционных М. наблюдают
прозрачные объекты по методу интерференционного контраста; мн. из них конструктивно
аналогичны обычным М., отличаясь лишь наличием спец. конденсора, объектива
и измерит, узла. Если наблюдение производится в поляризованном свете, то
такие М. снабжаются поляризатором и анализатором. По области применения
(гл. обр. биологич. исследования) эти М. можно отнести к специализированным
биологич. М. К интерференционным М. часто относят также микроинтерферометры
- М. особого типа, применяемые для изучения микрорельефа поверхностей
обработанных металлич. деталей.

Стереомикроскопы. Бинокулярные тубусы,
используемые в обычных М., при всём удобстве наблюдения двумя глазами не
дают стереоскопич. эффекта: в оба глаза попадают в этом случае под одинаковыми
углами одни и те же лучи, лишь разделяемые на два пучка призменной системой.
Стереомикроскопы, обеспечивающие подлинно объёмное восприятие микрообъекта,
представляют собой фактически два М., выполненных в виде единой конструкции
так, что правый и левый глаза наблюдают объект под разными углами (рис.
10). Наиболее широкое применение такие М. находят там, где требуется производить
к.-л. операции с объектом в ходе наблюдения (биологического исследования,
хирургич. операции на сосудах, мозге, в глазу - микрургия, сборка
миниатюрных устройств, напр, транзисторов), - стереоскопич. восприятие
облегчает эти операции. Удобству ориентировки в поле зрения М. служит и
включение в его оптич. схему призм, играющих роль оборачивающих систем,
изображение
в таких М. прямое, а не перевёрнутое. Так как угол между оптическими осями
объективов в стереомикроскопах обычно < 12°, их числовая апертура, как
правило, не превышает 0,12. Поэтому и полезное увеличение таких М. бывает
не более 120.

Рис. 10. Принципиальная схема стереомикро-скопа,
обеспечивающего объёмное восприятие наблюдаемых объектов.

М. сравнения состоят из двух конструктивно
объединённых обычных М. с единой окулярной системой. Наблюдатель видит
в двух половинах поля зрения такого М. изображения сразу двух объектов,
что позволяет непосредственно сравнить их по цвету, структуре и распределению
элементов и др. характеристикам. М. сравнения широко применяются при оценке
качества обработки поверхностей, определении сортности (сравнение с эталонным
образцом) и т. д. Спец. М. такого типа используют в криминологии, в частности
для идентификации оружия, из к-рого выпущена исследуемая пуля.

В телевизионных М., работающих по схеме
микропроекции, изображение препарата преобразуется в последовательность
электрич. сигналов, к-рые затем воспроизводят это изображение в увеличенном
масштабе на экране влектроннолучевой трубки (кинескопа). В таких
М. можно чисто электронным путём, изменяя параметры электрич. цепи, по
к-рой проходят сигналы, менять контраст изображения и регулировать его
яркость. Электрич. усиление сигналов позволяет проектировать изображения
на большой экран, в то время как обычная микропроекция требует для этого
чрезвычайно сильного освещения, часто вредного для микроскопич. объектов.
Большое достоинство телевизионных М. заключается в том, что с их помощью
можно дистанционно изучать объекты, близость к к-рым опасна для наблюдателя
(напр., радиоактивные).

При мн. исследованиях необходимо вести
счёт микроскопич. частиц (напр., бактерий в колониях, аэрозолей, частиц
в коллоидных растворах, клеток крови и т. д.), определять площади, занимаемые
зёрнами одного и того же рода в шлифах сплава, и производить др. аналогичные
измерения. Преобразование изображения в телевизионных М. в серию электрич.
сигналов (импульсов) дало возможность построить автоматич. счётчики микрочастиц,
регистрирующие их по числу импульсов.

Назначение измерительных М. состоит в точном
измерении линейных и угловых размеров объектов (зачастую совсем не малых).
По способу измерения их можно разделить на два типа. Измерит. М. 1-го типа
применяются только в тех случаях, когда измеряемое расстояние не превышает
линейных размеров поля зрения М. В таких М. непосредственно (с помощью
шкалы или винтового окулярного микрометра) измеряется не сам объект,
а его изображение в фокальной плоскости окуляра, и лишь затем, по известному
значению увеличения объектива, вычисляется измеренное расстояние на объекте.
Часто в этих М. изображения объектов сравниваются с образцовыми профилями,
нанесёнными на пластинки сменных окулярных головок. В измерит. М. 2-го
типа предметный столик с объектом и корпус М. можно с помощью точных механизмов
перемещать друг относительно друга (чаще -столик относительно корпуса);
измеряя это перемещение микрометрич. винтом или шкалой, жёстко скреплённой
с предметным столиком, определяют расстояние между наблюдаемыми элементами
объекта. Существуют измерит. М., у к-рых измерение производится лишь в
одном направлении (однокоординатные М.). Гораздо более распространены М.
с перемещениями предметного столика в двух перпендикулярных направлениях
(пределы перемещений до 200 X 500 мм); для спец. целей применяются
М., в к-рых измерения (а следовательно, и относит, перемещения столика
и корпуса М.) возможны в трёх направлениях, соответствующих трём осям прямоугольных
координат. На нек-рых М. можно проводить измерения в полярных координатах;
для этого предметный столик делают вращающимся и снабжают шкалой и нониусом
для
отсчёта углов поворота.

В наиболее точных измерит. М. 2-го типа
употребляются стеклянные шкалы, а отсчёты на них осуществляются с помощью
вспомогат. (т. н. отсчётного) микроскопа (см. ниже). Точность измерений
в М. 2-го типа значительно выше по сравнению с М. 1-го типа. В лучших моделях
точность линейных измерений обычно порядка 0,001 мм, точность измерения
углов - порядка 1'. Измерит. М. 2-го типа широко применяются в пром-сти
(особенно в машиностроении) для измерения и контроля размеров деталей машин,
инструментов и пр.

В устройствах для особо точных измерений
(напр., геодезич., астрономич. и т. д.) отсчёты на линейных шкалах и разделённых
кругах угломерных инструментов производят с помощью спец. от-счётных М.-
шкаловых М. и М.-микро метро в. В первых имеется вспомогат. стеклянная
шкала. Её изображение регулировкой увеличения объектива М. делают равным
наблюдаемому интервалу между делениями основной шкалы (или круга), после
чего, отсчитывая положение наблюдаемого деления между штрихами вспомогат.
шкалы, можно непосредственно определить его с точностью ок. 0,01 интервала
между делениями. Ещё выше точность отсчётов (порядка 0,0001 мм) в
М.-микрометрах, в окулярной части к-рых помещён нитяной или спиральный
микрометр. Увеличение объектива регулируют так, чтобы перемещению нити
между изображениями штрихов измеряемой шкалы соответствовало целое число
оборотов (или полуоборотов) винта микрометра.

Помимо описанных выше, имеется значит,
число ещё более узко специализированных типов М., напр. М. для подсчёта
и анализа следов элементарных частиц и осколков деления ядер в ядерных
фотографических эмульсиях, высокотемпературные М. для изучения объектов,
нагретых до темп-ры порядка 2000 °С, контактные М. для исследования поверхностей
живых органов животных и человека (объектив в них прижимается вплотную
к изучаемой поверхности, а фокусировка М. производится спец. встроенной
системой).

Часто М. в качестве важной составной части
используются в сложных установках в сочетании с др. приборами. Примерами
могут служить предназначенные для определения спектров поглощения препаратов
микроспектрофотомет-рич. установки (см. Спектрофотометр), в которых
М. объединены со спец. моно-хроматорами и устройствами, измеряющими
световые потоки; ряд приборов, применяемых в офтальмологии; компараторы,
микрофотометры и мн. др.

Лит.: М и х е л ь К., Основы теории
микроскопа, пер. с нем., М., 1955; Р и н н е ф., Б е р е к М., Оптические
исследования при помощи поляризационного микроскопа, пер. с нем., М., 1937;
Микроскопы, под ред. Н. И. Полякова, М., 1969; Т у д о р о в-с к и и А
И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 1 - 2, М.- Л., 1948 - 52; Ф
р а н-сон М., фазово-контрастный и интерференционный микроскопы, пер. с
франц., М., 1960; Федин Л. А., Микроскопы, принадлежности к ним и лупы,
М., 1961; Федин Л. А., Барский И. Я., Микрофотография, Л., 1971; Оптические
приборы для измерения линейных и угловых величин в машиностроении, М.,
1964. Л. А. Федин.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я