Микроскоп

Микроскоп, оптический прибор для рассматривания предметов в увеличенном виде. М. различаются простые и сложные.

Простой М., или лупа, состоит из одной или нескольких линз, образующих собирательную систему. Предмет помещается между главным фокусом системы и ее первой (от предмета) поверхностью т. обр., чтобы увеличенное мнимое изображение предмета было не ближе расстояния ясного зрения (250 миллиметров) от рассматривающего его глаза. Увеличение лупы N (отношение угла, под которым предмет виден в лупу, к тому углу, под которым он виден на расстоянии 250 миллиметров) определяется ф-лой:

Ν=ψ(ί+*), (1)

где F—фокусное расстояние лупы, х—расстояние главного фокуса лупы (со стороны глаза) от зрачка, У —расстояние изображения предмета от зрачка (все выражено в миллиметров). При аккомодации глаза на бесконечность (X=сю), при х=0, или при достаточно малом F (сильная лупа) формула (1) превращается в более простую:

Ν=ψ· (2)

Лупа как оптич. система должна давать резкое, не окрашенное и не искаженное изображение плоского предмета конечных размеров и при больших увеличениях должна обладать достаточно большой апертурой (смотрите). Эти условия весьма близки к требованиям, предъявляемым к фотография. объективу, но по целому ряду соображений конструкция лупы проще.

Простейшую форму лупы представляет собой обыкновенная собирательная линза. В этом случае для получения большего поля с резким изображением выгодно брать плосковыпуклую линзу, обращенную плоской стороной к”глазу. Для ослабления влияния сферической аберрации (смотрите) употребляются лупы из двух плосковыпуклых стекол. Таковы лупы Фраунгофера, Вильсона и др. (фигура 1, виг). Довольно удовлетворительны в смысле резкости изображения по всему полю лупы, представляющие собой сплошную сферу из стекла с диафрагмой в центре—лупы Бюстера, Волластона (фигура 1, а,б). Более совершенной является апланатиче-ская лупа Штейнгейля (фигура 1, д), состоящая из двояковыпуклой кронгласовой линзы, к которой с обеих сторон приклеены вогнутовыпуклые флинтгласовые линзы. Она даёт отчетливое, свободное от окраски изображение при большом поле зрения. Еще лучшими качествами обладает анастигматическая лупа фирмы Цейсс; эта лупа по своей конструкции близка к фотографии еск. объективу. Разновидностью лупы является в ер а н т, служащий для рассматривания фотографии. снимков. Для удобства пользования лупы снабжаются ручкой или специальной оправой для вставления в глазную впадину (лупы ча-. совщиков). Иногда лупы снабжаются штативом с наводкой при помощи кремальеры (препарировочные лупы) и т. д.

В нек-рых случаях важно иметь при определенном уве- ] личении большое расстояние между душой и наблюдаемым объектом. Этому условию удовлетворяют лупы системы Шевалье и Брюке (фигура 1, е), состоящие из положительной (собирательной) системы, обращенной к предмету, и отрицательной (рассеивающей), обращенной к глазу. Другой разновидностью такой лупы является Fernrohrlupe Цейсса, состоящая из призма-тич. зрительной трубки, на объектив^к-рой надевается насадка с ахроматической линзой. К прибору прилагается ряд таких линз различных фокусов. Наблюдаемый предмет помещается в главном фюкусе добавочной линзы и дает изображение на беско- | нечности. Это изображение рассматривает- ^ ся при помощи зри- : тельной трубки. Увеличение Fernrohrlupe

Фигура i.

ι&71 fW

кфы let³*

х_

Фигура 2.

Фигура 3.

равно увеличению добавочной линзы, рассчитанному по формуле (2), умноженному на увеличение зрительной трубки. Лупы с у^тве-личенным свободным расстоянием от объекта являются переходной ступенью меж-жу лупой и сложным микроскопом. Удобство и рельефность зрения обоими глазами привели к устройству бинокулярных лу^гп,

дающих рельефное изображение. Фирма Цейсс строит два типа таких луп: 1) лупы малого (3—4 раза) увеличения (фигура 2); в них лучи, идущие от предмета, отклоняются двумя призмами специальной формы и попадают затем на две линзы, перед к-рыми помещаются глаза наблюдателя; 2) лупы более сильного увеличения—до 13, построенные на принципе Fernrohrlupe. Они состоят из призматического бинокля (фигура 3) с малым расстоянием между объективами (увелич. 3—8 раз). На оба объектива бинокля надеваются насадки с комбинациями ахроматич. линзы и призмы, представляющими как бы части одной ахроматич. линзы с диаметром, равным расстоянию между внешними краями насадок. В обшем фокусе добавочных линз помещается наблюдаемый предмет. Пучки лучей, попадающие в оба глаза, выходят из предмета под некоторым углом, который зависит от расстояния между объективами бинокля и фокуса добавочных линз, что создает стереоскопич. эффект.

Лит.: Хвольсон О., Курс.физики, т. 2, Берлин, 1923; С z а р s k i S. und Eppensteln О., Grundziige d. Theorie d. optischen Instrumente naeh Abbe, 3 Aufl., Lpz., 1924; Rohr M., Die binokularen Instrumente, 2 Aufl., B., 1920; Handb. d. Physik, hrsg. v. H. Geiger u. K.Scheel, B. 18, B., 1927; Ehringhaus F., Das Mikroskop, seine wissenschaftlichen Grundiagen u. seine Anwendung, Lpz.—B., 1921. В. Линии».

Лупа ткацкая является при работах в ткацком производстве необходимым прибором и должна отличаться большой точностью. Лупами пользуются как при определении плотности ткани, то есть числа нитей основы и прокидок утка, приходящихся на известную площадь ткани, например на 1 см², 1 дм.² и тому подобное., так и для определения строения ткани, то есть взаимоотношения между собою основных и уточных нитей. Существует большое разнообразие разного рода конструкций луп, находящихся в зависимости от тех требований, которые предъявляются к лупе той или иной конструкции характером работ с тканью, условиями работ и тому подобное. Наиболее простой и больше всего применяемой для всякого рода ткацких работ является лупа (ткацкий складной глазок), которая изображена на фигуре 4 и представляет собой небольшой прибор, состоящий из трех частей, где верхняя и нижняя части квадратные; в верхней части укреплено круглое увеличительное стекло (увеличение

4—5 раз), а в нижней имеется квадратная прорезь. Размеры этой прорези делаются в Vjj, 1 и 2 см², а также в V₄, Va “ 1 дм². Обе части лупы укреплены на шарнирах к особой боковой стенке (стойке), вследствие чего лупа может быть сложена. С. Молчанов.

Сложный М. Увеличение, даваемое лупой, редко бывает более 20 раз, в исключительных случаях оно доходит до 100—150 раз, но при таких сильных увеличениях лупа не дает вполне хорошего изображения, т. к. этому препятствуют аберрации (смотрите) линз. Поэтому для получения достаточно большого увеличения без заметных искажений употребляется М., представляющий собою сложную систему линз. На фигуре 5 показан ход лучей в сложном М. Лучи света, отраженные зеркалом М, попадают на собирательную систему линз — конденсор (смотрите) С, который сводит эти лучи на рассматриваемом предмете L. Далее лучи, пропущенные предметом, попадают на вторую систему линз— объектив (смотрите) О, который сводит лучи вновь, образуя действительное (объективное) изображение предмета ί. Лучи, пересекающиеся в точках объективного изображения, входят далее в верхнюю систему линз М.—окуляр (смотрите) К, откуда после преломления попадают в глаз N наблюдателя. В окуляр видно мнимое изображение, он действует как лупа, сквозь к-рую наблюдатель рассматривает не самый предмет, а его увеличенное действительное изображение Р₂* Т. к. объективное изображение является обратным по отношению к предмету, а мнимое изображение в окуляре—прямым, то М. в целом даст обратное изображение предмета. Конденсор, объектив и окуляр, изображенные на фигуре 5 в виде простых линз, представляют собою на самом г-я деле более или менее. сложные системы. ¹. Ϊ

Фигура 5. Фигура 6.

Увеличение, даваемое М., как не трудно видеть, равно произведению увеличений объектива и окуляра в.отдельности. Вычисление показывает, что увеличение Μ. N выражается ф-лой:

N=f;^lg> сз)

где Δ—расстояние менаду обращенными друг к другу фокусами объектива и окуляра (интервал), I—расстояние наилучшего зрения наблюдателя, a f и g—фокусные расстояния объектива и окуляра. В современных М. увеличение бывает в среднем от 20 до 3 000 раз.

На фигуре 6 показан общий вид М. (левая часть—в разрезе). Предмет помещается между предметным стеклом и тонким покровным стеклом на предметном столике Т. Объективы 0_1; 0₂ привинчиваются к у R, позволяющему вращательным движением ставить один объектив вместо другого. в свою очередь привинчен к раздвижному тубусу А, в верхнюю часть которого помещается окуляр. Установка М. на ясное зрение достигается перемещением всего тубуса

при помощи зубчатки £; тонкая установка производится движением микрометрии, винта d; устроенного различным образом в М. различных систем.

Окуляр М. в простейшем случае представляет собою т. н. окуляр Гюйгенса, состоящий из двух собирательных линз, заключенных в общую трубку. Лучи, идущие от объектива к объективному изображению, перехватываются нижней линзой этого окуляра,так что объективное изображение получается между обеими окулярными линзами; этим достигается то, что в верхнюю «глазную» линзу окуляра, которая и служит лупой для объективного изображения, попадает больше лучей, вследствие чего увеличивается поле зрения. Внутри окуляра Гюйгенса в том месте, где получается объективное изображение, помещается диафрагма (смотрите).

Наиболее существенной частью М. является объектив. Т. к. окуляр дает увеличенное изображение не самого предмета, а действительного, даваемого объективом изображения, то это последнее должен быть по возможности свободно от недостатков, а потому объектив должен быть сконструирован т. о., чтобы давать возможно совершенное изображение. Чем больше увеличение линз, тем заметнее их аберрации, и потому тем более совершенной должен быть конструкция объектива. Объектив должен быть прежде всего исправлен на хроматическую аберрацию (смотрите). Обычные ахроматические объективы (смотрите Ахроматическая система стекол) исправлены для двух разноцветных лучей, т. и. апохроматы (смотрите)—для трех. В первых исправление хроматической аберрации осуществлено только для одной зоны объектива, во вторых—для всех зон. Промежуточное положение между обоими видами объективов занимают т. н. полуапохроматы. Апохроматы свободны от хроматич. аберрации только в том смысле, что изображения в трех разных цветах совпадают; величина же, этих изображений несколько различна. Этот последний недостаток обычно исправляется особой системой окуляра, т. н. компенсационным окуляром, без которого апохромат не употребляется. ·

Исправление сферической аберрации (смотрите) наиболее полно достигается в апохроматах, менее полно—в ахроматах. Объектив М. должен представлять собою апланатическую систему стекол (смотрите). Условием апланатизма является т. наз. условие синусов: п sin α= V sin β

здесь а—угол между оптической осью и лучом, идущим от точки предмета, расположенной на оси, к некоторой точке объектива; β—угол между осью и сопряженным лучом, идущим к точке изображения; ν—увеличение объектива; п—показатель преломления среды между объективом и покровным стеклом; при обычных условиях вт. н. сухих объективах, когда данная среда есть воздух, п=1,в иммерсионных объективах (смотрите ниже) η > 1. При наилучшем исправлении недостатков объектива один недостаток остается неисправленным, а именно плоскость, перпендикулярная к оптич. оси, изображается не плоскостно, вследствие чего центр поля зрения и его края не бывают одновре менно в фокусе. Наилучшее исправление недостатков объектива достигается при определенной длине выдвигающегося тубуса. Для объективов Цейсса и Рейхерта эта длина должна быть равна 160 лик, для объективов Лейтца—170 миллиметров, для объективов английских фирм—250 миллиметров.

При исправлении сферич. аберрации объектива приходится принимать во внимание и преломление света у верхней поверхности покровного стекла. При этом толщина стекла принимается 0,16—0,18 миллиметров. При другой толщине для достижения наименьшей аберрации несколько изменяется длина тубуса, а в нек-рых специальных объективах меняется расстояние между отдельными линзами (коррекционная оправа).

Яркость объективного изображения пропорциональна пространственному углу того конуса лучей, к-рый сходится к точке изображения "из объектива; если половина отверстия этого конуса есть β, то пространственный угол пропорционален sin²/S, то есть на основании приведенного выше условия синусов, пропорционален ——_а— (а —угол между оптической осью и лучом, идущим от предмета к краю объектива). Выражение А=п sin а есть т. н. апертура объектива. Т. о. яркость изображения пропорциональна квадрату апертуры и обратно пропорциональна квадрату увеличения. Отсюда следует, что яркость тем больше, чем больше и; этим и объясняется выгода иммерсии, то есть помещение между покровным стеклом и нижней (фронтальной) линзой объектива капли жидкости. В качестве такой жидкости берется вода, а еще чаще—кедровое масло. При этом требуется и особый иммерсионный объектив. Кедровое масло как иммерсионная жидкость имеет еще и другое значение. Показатель преломления его путем соответственного приготовления делается равным показателю преломления покровного стекла и фронтальной линзы объектива. Благодаря этому избегается потеря света при отражениях от верхней поверхности покровного стекла и нижней поверхности фронтальной линзы. Такого рода иммерсия называется «гомогенной». Как указано выше, яркость изображения измеряется квадратом отношения апертуры к увеличению объектива. Поэтому при больших увеличениях яркость изображения требует и большей апертуры; для этого конус света, входящий в объектив, должен быть по возможности широким, а это в свою очередь достигается осветительной системой, конденсором, к-рый посылает на освещенную точку также широкий конус света. Другими словами, апертура конденсора должен быть достаточно велика.

Обычно предмет виден в М. потому, что задерживает часть попадающего на него света; это относится к предметам непрозрачным или окрашенным, которые кажутся темнее окружающего их светлого фона. Прозрачный предмет виден благодаря неодинаковому показателю преломления по сравнению с окружающей средой, вследствие чего такой предмет, также выделяется на светлом фоне темными краями. Если же на предмет падает слишком много лучей под большим наклоном к оптич. оси. то предмет сам разбрасывает эти лучи во все стороны (блестит), вследствие чего его контраст со светлым фоном становится слабее и предмет виден хуже. Поэтому слишком широкий конус лучей от конденсора может быть и вреден, тогда его уменьшают, регулируя отверстие диафрагмы, помещаемой под конденсором (обычно т. наз. ирисовой диафрагмы). Понятно, что апертура конденсора не должен быть больше, чем апертура объектива. При слабых объективах с небольшой апертурой для освещения предмета конденсор является излишним, и достаточно вогнутого зеркала. Если наблюдаемый предмет очень мал, то вследствие диффрак-ции (смотрите) света световые волны огибают его и предмет на светлом фоне делается невидимым. Граница видимости определяется т. о. не увеличением М., а величиной диффрак-ции, то есть длиной световой волны. Если же предмет освещен сбоку лучами, непосредственно не попадающими в объектив, то благодаря свету, рассеянному предметом, последний кажется светлым на темном фоне. Такой М. с боковым освещением называется ультрамикроскопом. В простейшем случае боковое освещение достигается таким косым положением зеркала М. или диафрагмы под конденсором, чтобы освещающий пучок света шел мимо объектива. Но это возможно только при объективах небольшой апертуры. В противном случае следует световой пучок направлять не от зеркала, а независимо от него, перпендикулярно к оптич. оси М. Для той же цели наблюдения на темном поле служат ультраконденсоры. На фигуре 7 изображена схема так называемым кардиоид-конденсора Цейс-са, причем стрелками показан ход падающих лучей. Оптическое Действие другого распространенного типа ультраконденсоров, параболоид-конденсора ясно из фигура 8. Апертура таких конденсоров гораздо больше апертуры объектива; при этом средние лучи осветительного конуса загорожены и на предмет не попадают, а попадают на него только крайние лучи конуса, которые настолько наклонены к оптич. оси, что проходят мимо объектива. Эти лучи и рассеиваются предметом, заставляя его блестеть на темном фоне.

Мелкие частицы, наблюдаемые в ультрамикроскоп при темном поле, посылают рассеянный свет в объектив. При этом вследствие диффракции светящиеся точки изображаются в объективном изображении не точкой, а светлым кружком, окруженным более бледными светлыми кольцами. Форма кружка .обусловлена круглой формой отверстия объектива, радиус нее кружка, как показывает вычисление, равен 0,61·«·^, где

что всякую светящуюся точку, видимую под М., надо принимать за кружок радиуса ρ, определяемого по ф-ле:

в —0,61-4-

Отиода следует далее, что всякий мелкий светящийся предмет под М. должен казаться кружком радиуса ρ, а следовательно М. не позволит нам определить его истинную форму и размер. Кроме того, если две частицы находятся между собой на расстоянии меньше 2ρ, диффракционные кружки сливаются между собой и две частицы не кажутся разделенными. Величина ρ называется поэтому величиной разрешающей способности М. Как видно из ф-лы, разрешающая способность зависит не от увеличения М., а от апертуры. Разрешающая способность М. может быть рассчитана и для того случая, когда наблюдаемый предмет виден не благодаря рассеянному им свету, а вследствие того, что он задерживает свет и потому кажется темным на светлом фоне. Если такой предмет обладает тонкой структурой, то в нем происходит диффракция света, подобная той, которая имеет место в диффракционной решетке. При этом вблизи верхнего фокуса объектива образуются диффракционные спектры, форма и расположение которых зависят от формы и размеров структуры предмета. В плоскости объективного изображения, рассматриваемой через окуляр, имеет место интерферещия (смотрите) света, исходящего из всех диффракционных спектров. Теория, данная Аббе, показывает, что положение полос интерференции, получающихся в плоскости объективного изображения, не зависит от длины световой волны, то есть эти полосы при белом освещении должен быть также белыми. Их расположение тем более похоже на рассматриваемую структуру, чем больше диффракционных спектров образовалось в фокальной плоскости объектива. Т. о. видимое в М·. изображение структуры есть интерференционное явление.

Теория Аббе не является исчерпывающей, но приводит к важному практическому следствию. Для того чтобы в М. данная структура была видна, необходимо, чтобы по крайней мере первый диффракционный пучок от структуры попал в объектив, то есть чтобы в фокальной плоскости объектива образовался хотя бы первый диффракционный спектр. При этом если освещающий пучок света направлен вдоль оптич. оси, то первый диффракционный пучок, направляясь в край объектива, должен образовать с осью угол а, определяемый апертурой объектива. Ф-ла диффракционной решетки дает в этом случае для первого спектра

sma=^-,

где <5—размер структуры решетки, длина же световой волны принята равной -, где λ —

длина волны в воздухе, п—показатель преломления среды между объективом и покровным стеклом. Отсюда наименьший видимый размер структуры <5,то есть разрешающая способность М., определяется ф-лой:

- ___а ₌_я.

^_ π S1 Па А ’

где А попрежнему изображает апертуру. Можно показать, что при косом освещении разрешающая способность увеличивается еще в два раза, то есть

Получаемая формула близка к той, которая получена для рассеивающих свет предметов. Предел разрешающей способности определяется величиной апертуры, которая не м. б. больше п, и длиной волны. Для уменьшения λ. а вместе с тем и наименьшего размера видимой структуры <5, прибегают иногда к ультрафиолетовым лучам, заменяя глаз фотографии. аппаратом.

Для специальных целей употребляются гг специальные виды М. Так, для рассматривания непрозрачных предметов, на.пр. структуры металлов (смотрите Металлография), употребляются М. с верхним освещением предмета. При близких расстояниях объектива от предмета освещающий пучок падает на предмет сквозь линзы объектива. При этом требуются особые объективы, рассчитанные для употребления без покровного стекла. Для кристаллографических целей, при необходимости рассматривать предмет в поляризованном свете, употребляется п о-л я р и з а ц и о н н ы и М., снабженный поляризатором и анализатором (смотрите Поляризационные приборы).

Для целей микропроекции и микрофотографии, чтобы получить действительное изображение, пользуются часто микроскопом с одним только объективом без окуляра. Для получения при этом более широкого пучка света из объектива, а потому и большего поля зрения, тубус М. делают более широким. Можно однако получать действительное изображение и через окуляр, если поднять тубус М. настолько, чтобы объективное изображение приходилось ниже фокуса окуляра.

В последнее время входят в употребление т. н. панкратические «карманные» М., в которых изменение увеличения достигается не сменой объективов и окуляров, а изменением длины тубуса. Такие М. дают увеличение до 250 раз и в сложенном виде занимают очень мало места. М. со слабым уве-, личением употребляется для отсчетов деле- ний на кругах астрономич. инструментов и на других измерительных приборах.

Лит.: Хвольеон О. Д., Курс физики, т. 2, Берлин, 1923; Циммерман А., Микроскоп, Руководство к научной микроскопии, СПБ, 1896; М а г-shall С. R. a. G г 1 f f i t h II. D., An Introduction to the Theory and Use oi the Microscope, L., 1928; Scheffer W., Das Mikroskop.Lpz., 1914; E h r i n g-liaus A., Das Mikroskop, seine wissenschaftlichen Grundlagen u. seine Anwendung, Lpz., 1921; M e t z-n e r P., Das Mikroskop, Lpz., 1928 (обширная литература). А. Млодзеевский.