Микроскоп (прибор)

Микроскоп.

1. Схема действия. Микроскоп  (иначе называемый сложным микроскопом, в отличие от простого микроскопа, или лупы, см.) есть оптический прибор, служащий для рассматривания малых предметов и их подробностей в сильно увеличенном виде. Действие микроскопа основано на преломлении света. Всякий микроскоп состоит из двух оптических частей: объектива и окуляра. Обе эти части в действительности представляют более или менее сложные оптические системы, состоящие из нескольких чечевиц; но для того, чтобы понять сущность их действия, достаточно предположить, что объектив представляет собой одну выпуклую (собирательную) чечевицу, и окуляр — точно так же.

Рис. 1. Ход лучей в микроскопе

На рис. 1 ab есть объектив; рассматриваемый предмет rs помещается между фокусом и двойным фокусом объектива; поэтому объектив дает действительное, обратное и увеличенное изображение предмета в SR. Лучи, вышедшие от рассматриваемого предмета, прошедшие через объектив и собравшиеся в  точках действительного изображения SR, распространяются далее так, как если бы SR был светящийся предмет; они попадают далее на окуляр cd, который помещен так, что SR лежит между окуляром и его фокусом; поэтому окуляр действует, как лупа, и дает прямое, мнимое и еще раз увеличенное изображение действительного изображения; это мнимое изображение S'R находится па расстоянии наилучшего зрения глаза, смотрящего в окуляр.

2. Объектив. Наиболее существенная часть микроскопа — его объектив. Он характеризуется двумя признаками: величиной его фокусного расстояния, с которым связано увеличение, и его апертурой (см.), которой определяется «разрешающая сила», т. е. способность объектива различать тонкие детали в строении наблюдаемого предмета; от апертуры зависят также яркость получаемого изображения. Линейное увеличение изменяется обратно пропорционально фокусному расстоянию, разрешающая сила прямо пропорциональна апертуре, яркость изображения прямо пропорциональна квадрату апертуры. Для уменьшения сферической и хроматической аберрации (см.) объектив устраивается в виде системы нескольких (шести, даже десяти) выпуклых и вогнутых чечевиц из разнообразных сортов стекла; эти чечевицы заключаются в общую оправу.

Рис. 2. Ахроматическая объективная система (увелич.).

Рис. 3. Апохромат (увеличено в 3 раза).

На рис. 2 изображена в разрезе т. н. «ахроматическая» объективная система, на рис. 3 — объективная система, которая, начиная с 1886 г., изготовляется знаменитой оптической фирмой Цейса под именем апохромата. Этот последний тип микроскопического объектива можно назвать наиболее совершенным, благодаря почти полному отсутствию аберрации. Из практических соображений обыкновенно различают три категории микроскопических объективов: слабые, средние и сильные. Под слабыми разумеются такие, фокусное расстояние которых превышает 15 мм, и которые имеют апертуру не более 0,30; к средним относятся те, фокусное расстояние которых лежит в пределах от 4 до 15 мм, а апертура — от 0,30 до 0,65; наконец, к сильным принадлежат те, которых фокусное расстояние менее 4 мм, а апертура — более 0,65.

3. Влияние покровного стекла. При рассматривании микроскопических препаратов их большей частью прикрывают покровным стеклышком (толщиной около 0,15 мм). Но как при рассматривании какого-нибудь предмета сквозь плоскопараллельное стекло всегда получается некоторое искажение очертаний предмета, так и здесь покровное стекло вносит свойственную ему аберрацию и тем искажает изображение: лучи, вышедшие из одной точки предмета, после преломления в покровном стекле идут так, что продолжения их уже не сходятся в одной точке. Этот недостаток давал бы себя чувствовать при употреблении объективов средней и большой силы; его обыкновенно исправляют, внося соответствующие изменения в устройство объектива; благодаря этим изменениям, объектив сводит лучи, прошедшие чрез покровное стекло, снова в одной точке. Однако понятно, что подобная поправка возможна лишь для одной определенной толщины (при определенном сорте) покровного стекла; обыкновенно объективы рассчитываются на толщину покровного стекла в 0,15 мм. В противном  случае наблюдателю приходится делать дальнейшие поправки; это достигается или изменением длины трубки микроскопа (при более толстом покровном стекле укорачивают трубку, при слишком тонком — удлиняют), или же тем, что самый объектив несколько удлиняется или укорачивается, причем изменяются расстояния между чечевицами, составляющими его («коррекционный» объектив).

4. Иммерсия. Апертура объектива выражается произведением синуса половины угла между крайними лучами конического светового пучка, идущего от какой-нибудь точки предмета и входящего в объектив (на рис. 1 этому углу соответствует угол аrb), на показатель преломления той среды, через которую идут световые лучи от предмета до объектива. Если эта среда — воздух, для которого показатель преломления равен 1, то мы имеем т. н. сухую объективную систему; здесь увеличением угла можно довести апертуру до значения 0,90. Однако понятно, что мы легко можем еще увеличить апертуру, если заменим воздух средой, более преломляющей. Отсюда проистекает употребление «иммерсионных объективных систем», где между объективом и покровным стеклышком расстилается капля жидкости — воды (показатель преломления n=1,33) или, еще лучше, кедрового масла(n=1,515). Так как показатель преломления обыкновенного стекла равен 1,5, то в последнем случае два стекла, соединенные слоем жидкости, составляют среду, оптически почти однородную, в которой лучи будут идти почти без преломления. Этим сразу устраняется вредное влияние покровного стекла. Оба объектива, изображенные на рис. 2 и 3, принадлежат к иммерсионным. Для второго из них апертура (при употреблении кедрового масла) равна 1,40, фокусное расстояние = 2 мм.

Рис. 4. Общий вид демонстрационного микроскопа.

5. Окуляр. Обыкновенный окуляр, употребляемый в соединении с ахроматическом объективом, состоит из двух собирательных чечевиц, помещенных на некотором расстоянии одна от другой. Со времени появления апохроматов вошел в практику новый, более сложный тип окуляра, т. н. «компенсационный». Значение  его состоит в следующем. Даже у самых совершенных объективов хроматическая погрешность устраняется не вполне; так как фокусные расстояния для красных в синих лучей не вполне одинаковы, то и размер красного и синего изображений не одинаков: второе несколько больше первого, что можно бывает заметить на краях изображений. Эта погрешность называется хроматической разностью увеличения. Ее можно устранить, если наделить окуляр погрешностью в противоположную сторону, так чтобы ею компенсировалась погрешность объектива. Различие обоих типов окуляра легко заметить, смотря сквозь них на белую поверхность: в обыкновенном окуляре края зрительного поля окрашены голубым цветом, в компенсационном окуляре — оранжево-красным.

Существует целый ряд приспособлений, располагаемых внутри окуляров и служащих для специальных наблюдений; так, гониометрические окуляры позволяют измерять углы кристаллов, видимых в микроскоп; микрометрические окуляры (см. микрометр) служат для измерения величины рассматриваемых предметов; поляризационные окуляры дают возможность наблюдать в поляризованном свете; спектральные окуляры позволяют наблюдать спектры поглощения исследуемых микроскопических предметов.

Рис. 5. Осветительный аппарат Аббе.

6. Штатив с принадлежностями. Все части микроскопа собираются на одном штативе (см. рис. 4). На крепкой и устойчивой подставке А имеется ось, около которой вращается собственно микроскоп; его можно закреплять во всех положениях, от вертикального до горизонтального. К верхней стойке Е прикреплена трубка (тубус), в которую с верхней стороны вдвигаются окуляры Н, а с нижней ввинчиваются объективы. Для быстрой замены одного объектива другим применяется т. н. револьвер, в который ввинчиваются 2, 3, даже 4 различных объектива; стоит дать револьверу известный поворот — и замена объектива произведена. При установке микроскопа приближение и удаление трубки к предмету производится сначала грубо с помощью шестерни и зубчатки F, а затем уже точно, с помощью микрометрического винта G (потому что перемещение трубки вдоль ее оси на несколько тысячных долей мм  бывает уже весьма чувствительно). Головка винта бывает снабжена делениями; при помощи указателя можно бывает точно оценить величину произведенного перемещения, а отсюда — высчитать толщину исследуемого предмета. Под объективным револьвером находится столик В — пластинка с отверстием в центре, служащая для закрепления на ней «предметного» стеклышка с исследуемым предметом. Столик устраивается так, чтобы его можно было 1) вращать около оси микроскопа, 2) перемещать поступательно в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Предметное стекло удерживается на столике с помощью зажима С. Под столиком находится приспособление для освещения рассматриваемого предмета. Это приспособлено может состоять только из плоского или вогнутого зеркала J, которое направляет лучи светового источника (рассеянного дневного света, керосиновой или газовой лампы) на исследуемый объект; так  бывает у слабых микроскопов или при пользовании слабыми увеличениями. При более сильных увеличениях между зеркалом и предметной плоскостью включают еще систему чечевиц особой конструкции, называемую конденсором, служащую для сосредоточения на предмете большего количества света. Помощью особой диафрагмы можно направить на предмет любую часть светового пучка и по любому направлению. На рис. 5 изображено осветительное приспособление, построенное Аббе (см.); здесь к—конденсор, i — диафрагма «ирис», регулируемая рычажком р; t, n, z — части, сообщающие ей нужные перемещения; m — зеркало, s — зубчатое колесо, посредством которого все приспособление наводится на фокус. В предыдущем предполагалось, что предмет требует освещения проходящим светом. Для освещения предметов непрозрачных, рассматриваемых в отраженном свете, пользуются особыми осветительными приспособлениями, которые сосредоточивают на предмете свет сверху или сбоку.

Рис. 6. Микроскоп для двух наблюдений.

Рис. 7. Бинокулярный микроскоп.

7. Увеличение и разрешающая сила микроскопа. Общее увеличение микроскопа, слагается из увеличения, даваемого объективом, и увеличения, даваемого окуляром. Оно может быть непосредственно определено посредством приборов, дозволяющих одновременно рассматривать изображение в микроскоп стеклянной скалы с мелкими делениями и какой-нибудь внешний, соответственно расположенный, масштаб; величину делений, видимых в  микроскоп, сравнивают с величиной делений масштаба. Пригодным для этого прибором является, между прочим, камера-люцида (см.), Существуют микроскопы, дающие линейное увеличение до 2 100 раз. Однако употребление слишком сильных увеличений вредно отзывается на ясности изображения. Разрешающая сила микроскопа определяется посредством пробных объектов, т. е. естественных или искусственных предметов, обладающих весьма тонкой, однородной и отчетливой структурой. Сюда относятся стеклянные пластинки с мелкими делениями, крылья бабочки Hipparchia Janira и, для сильнейших микроскопов, диатомеи Navicula и Pleurosigma, на которых имеются тончайшие полосы или линии.  Предел разрешающей силе микроскопа кладется явлением дифракции: в обстановке тел очень малых размеров законы геометрической оптики делаются неверными. Теория показывает, что самое малое расстояние, на котором можно ясно отличить друг от друга два элемента поверхности предмета, рассматриваемого в микроскоп, составляет около 1/6000 мм.

8. Микроскопы  с несколькими трубами. Существуют микроскопы с 2, 3, 4 трубами (рис. 6), позволяющие такому же числу лиц одновременно рассматривать один и тот же предмет. Бинокулярные микроскопы предназначаются для двух глаз одного наблюдателя; с помощью их можно бывает получить стереоскопический эффект (рис. 7).

8. Ультрамикроскоп. Представим себе весьма мелкие частицы, погруженные (не в очень большом количестве) в какую-нибудь прозрачную среду. Размер  частиц может быть гораздо меньше величины 1/6000 мм, указанной выше, как предел микроскопического видения; они могут иметь диаметр всего в 1 миллионную долю миллиметра; тем не менее их можно отличать одну от другой и считать их количество даже без помощи особенно больших увеличений, при условии очень сильного освещения частиц. Это составляет принцип и задачу т. н. ультрамикроскопии, изобретенной Зидентонфом и Зигмонди в 1902 г. При ультрамикроскопическом наблюдении направление, в котором распространяется освещающий пучок лучей, и направление, в котором помещается ось микроскопа, перпендикулярны друг к другу; таким образом, наблюдаемые частицы освещаются не снизу, а сбоку. Поле зрения представляется при этом темным, и на нем выделяются ультрамикроскопические частицы, как звезды на ночном небе. Форма частиц при этом, конечно, совершенно недоступна наблюдению.  

Рис. 8. Ультрамикроскоп Цейса.

На рис. 8 изображен ультрамикроскоп Цейса. Внутри затемненного помещения на оптической скамье устанавливаются   последовательно первый проекционный объектив а, щель b и второй проекционный объектив с. Посредством первого объектива на щель отбрасывается действительное изображение источника света (углей вольтовой дуги или еще лучше, солнца). Второй объектив  дает в фокусной плоскости конденсора d уменьшенное изображение щели b; наконец, конденсор d дает внутри испытуемого тела еще в несколько раз уменьшенное изображение этого изображения. Исследуемое тело помещается под  объективом обыкновенного микроскопа е и через него наблюдается. Мы видим, что осветительная система составляет существеннейшую часть ультрамикроскопического аппарата.   Главное применение ультрамикроскоп имел до сих пор к изучению коллоидальных растворов (для каковой цели он и был впервые построен). Исследования окрасок красящих веществ, белковых растворов, крови, молока, клеток позволяют думать что значение ультрамикроскопа в науке и технике еще сильно  увеличится.

А. Бачинский.

Рис. 9. Микроскоп простейшей системы.

Бритву (изображенную в левом верхнем углу) держат в руке и ведут ее по двум параллельным стеклянным рейкам, между которыми находится объект, замораживаемый на столике с помощью эфира.

Внизу виден микрометрический винт, служащий для размеренного поднятия столика с целью получения срезов желаемой толщины.