Optický nebo světelný mikroskop (z jiného řeckého μικρός „malý“ a σκοπέω „zkoumám“) je optické zařízení pro získávání zvětšených obrazů předmětů (nebo detailů jejich struktury) neviditelných pouhým okem .
Není možné přesně určit, kdo vynalezl mikroskop. Předpokládá se, že nizozemský výrobce brýlí Hans Jansen a jeho syn Zachary Jansen vynalezli první mikroskop v roce 1590 , ale toto bylo tvrzení samotného Zacharyho Jansena v polovině 17. století . Datum samozřejmě není přesné, protože se ukázalo, že Zachariáš se narodil kolem roku 1590. Možnost kombinace dvou čoček tak, aby bylo dosaženo většího nárůstu, poprvé navrhl v roce 1538 slavný lékař z Verony Girolamo Fracastoro . Dalším uchazečem o titul vynálezce mikroskopu byl Galileo Galilei . V roce 1609 vyvinul "occhiolino" ("occhiolino") neboli složený mikroskop s konvexními a konkávními čočkami. Galileo představil svůj mikroskop veřejnosti na Accademia dei Lincei , založené Federicem Cesim v roce 1603. Obraz těchto tří od Francesca Stellatiho včely byly součástí pečeti papeže Urbana VII. a jsou považovány za první publikovaný mikroskopický symbol (viz „Stephen Jay Gould, The Lying stones of Marrakech, 2000“). Deset let po Galileovi Cornelius Drebbel vynalezl nový typ mikroskopu se dvěma konvexními čočkami. Christian Huygens , další Holanďan, vynalezl na konci 16. století jednoduchý dvoučočkový okulárový systém , který byl achromaticky nastavitelný, a proto byl obrovským krokem vpřed v historii optiky (Huygens navrhl okulár dalekohledu). Okuláry Huygens se vyrábí dodnes, ale chybí jim zeměpisná šířka zorného pole a umístění okulárů pod mikroskopem je pro oko nepříjemné ve srovnání s dnešními širokoúhlými okuláry. V roce 1665 Angličan Robert Hooke zkonstruoval svůj vlastní mikroskop a vyzkoušel jej na korku. V důsledku tohoto výzkumu se objevil název "buňky". Anthony van Leeuwenhoek ( 1632 - 1723 ) je považován za prvního, komu se podařilo přitáhnout pozornost biologů k mikroskopu, a to navzdory skutečnosti, že jednoduché zvětšovací čočky se vyráběly již od 16. století a zvětšovací vlastnosti skleněných nádob naplněných vodou byly zmiňovaní již staří Římané ( Seneca ). Ručně vyrobené, Van Leeuwenhoekovy mikroskopy byly relativně malé kousky s jedinou, velmi silnou čočkou. Jejich použití bylo nepohodlné, ale umožňovaly zkoumat snímky velmi podrobně jen proto, že nepřebíraly nedostatky složeného mikroskopu (několik čoček takového mikroskopu zdvojnásobilo vady obrazu). Trvalo asi 150 let vývoje v optice, než byl složený mikroskop schopen poskytovat stejnou kvalitu obrazu jako jednoduché mikroskopy Leeuwenhoek. Takže zatímco Anthony van Leeuwenhoek byl velkým mistrem mikroskopu, nebyl jeho vynálezcem, na rozdíl od všeobecného přesvědčení.
Tým německého vědce Stefana Hella (Stefan Hell) z Institutu pro biofyzikální chemii vědecké komunity Max Planck ( Göttingen ) ve spolupráci s argentinským vědcem Marianem Bossim (Mariano Bossi) v roce 2006 vyvinul optický mikroskop nazvaný Nanoscope , který umožňuje překonat Abbeovu bariéru a pozorovat objekty o velikosti cca 10 nm (a v roce 2010 ještě menší), přičemž setrvává v oblasti viditelného světla a zároveň získává vysoce kvalitní trojrozměrné snímky objektů dříve nepřístupných konvenčním světelná a konfokální mikroskopie [1] [2] .
Probíhají práce na získání krystalů nitridu boru s hexagonální mřížkou (hBN) z 99% čistých izotopů boru. Díky polaritonům vytvořeným na povrchu krystalu umožňuje takový materiál čočky opakovaně snižovat difrakční mez a dosáhnout rozlišení v řádu desítek i dokonce jednotek nanometrů [3] .
Ruští vědci z Tomské státní polytechnické univerzity vylepšili nanoskop tím, že nepoužívají mikročočky jako v klasické konfiguraci, ale speciální difrakční mřížky se zlatými destičkami. Když je obraz získán z takového zařízení, efekt apodizace anomální amplitudy, Fabry-Perotova rezonance a Fano rezonance se spouští současně. Společně pomáhají zvýšit rozlišení ve srovnání s konvenční difrakční mřížkou až na 0,3 λ. [čtyři]
Lidské oko je biologický optický systém vyznačující se určitou rozlišovací schopností, tedy nejmenší vzdáleností mezi prvky pozorovaného objektu (vnímanými jako body nebo čáry), při které je lze ještě od sebe odlišit. U běžného oka při vzdalování se od předmětu tzv. nejlepší vzdálenost vidění (D = 250 mm), průměrné normální rozlišení je 0,176 mm. Velikosti mikroorganismů, většiny rostlinných a živočišných buněk, malých krystalů , detailů mikrostruktury kovů a slitin atd. jsou mnohem menší než tato hodnota. Mikroskopy různých typů jsou určeny k pozorování a studiu takových objektů. Pomocí mikroskopů byl stanoven tvar, velikost, struktura a mnoho dalších charakteristik mikroobjektů. Optický mikroskop ve viditelném světle umožnil rozlišit struktury se vzdáleností mezi prvky do 0,20 μm . Tak tomu bylo před vytvořením nanoskopu optického mikroskopu [5] .
Rozvoj videotechniky měl významný dopad na optické mikroskopy. Kromě zjednodušení dokumentace pozorování umožňuje elektronika automatizovat rutinní operace. A když odmítnete přímé pozorování okem, není potřeba klasický okulár. V nejjednodušším případě je při modernizaci mikroskopu místo okuláru instalována speciální optická konstrukce pro promítání obrazu na matricový fotodetektor. Obraz fotodetektoru je přenášen do počítače a/nebo na displej. Existují také kombinované profesionální mikroskopy vybavené třetím optickým portem pro instalaci fotografické techniky. U některých moderních přístrojů může zcela chybět možnost přímého pozorování okem, což umožňuje vytvoření jednoduchých a snadno ovladatelných přístrojů s kompaktní konstrukcí. Použití víceprvkových fotodetektorů umožňuje provádět pozorování nejen ve viditelné oblasti, ale také v oblastech spektra, které k němu přiléhají.
Optická soustava mikroskopu se skládá z hlavních prvků - objektivu a okuláru. Jsou upevněny v pohyblivé trubce umístěné na kovové základně, na které je umístěn stolek na předměty. Zvětšení optického mikroskopu bez přídavných čoček mezi objektivem a okulárem se rovná součinu jejich zvětšení [6] .
Moderní mikroskop má téměř vždy osvětlovací systém (zejména kondenzor s irisovou clonou), makro- a mikrošrouby pro nastavení ostrosti a systém kontroly polohy kondenzoru.
V závislosti na účelu lze ve specializovaných mikroskopech použít další zařízení a systémy.
Objektiv mikroskopu je složitý optický systém, který tvoří zvětšený obraz předmětu a je hlavní a nejdůležitější částí mikroskopu. Čočka vytváří obraz, který je pozorován okulárem. Protože okuláry mohou poskytnout významné zvětšení, optické zkreslení způsobené čočkou bude také zvětšeno okulárem. To klade mnohem větší požadavky na kvalitu čočky než na okulár.
Objektivy biologických mikroskopů a dalších mikroskopů (kromě stereoskopických) jsou do značné míry jednotné a zaměnitelné. Na zaměnitelnost mají vliv především mechanické (připojovací) parametry objektivu.
Mechanické parametry objektivuSpojovací závit objektivů byl standardizován v roce 1858 Royal Microscopical Society ( RMS , ISO 8038, GOST 3469). Dnes se tento závit používá téměř ve všech mikroskopech kromě stereomikroskopů nebo speciálních. Průměr závitu 4/5" (~20 mm), stoupání 1/36".
Na zaměnitelnost čoček má kromě závitu vliv parfokální vzdálenost - vzdálenost mezi preparátem a sedlem čočky v mikroskopu. Většina moderních mikroskopů je určena pro objektivy s parfokální vzdáleností 45 mm. Dříve byly široce používány 33mm objektivy. Mikroskop ne vždy umožňuje instalovat čočky s abnormální parfokální vzdáleností, protože není dostatečný pohyb stolku s preparátem, aby se rozdíl vyrovnal. Vzhledem k rostoucí složitosti optické konstrukce se objevují velké objektivy s velkými parfokálními vzdálenostmi (například 60 mm a 95 mm) [7] . Volná vzdálenost od čočky ke studovanému objektu se nazývá pracovní vzdálenost čočky. Obvykle je tato vzdálenost tím menší, čím větší je zvětšení čočky. Pracovní vzdálenost objektivu plus délka objektivu se rovná parfokální vzdálenosti objektivu.
Optické parametry objektivuObjektiv mikroskopu se vyznačuje jmenovitým zvětšením (zpravidla z rozsahu 2,5; 3,2; 4; 5; 10; 20; 40; 63; 100; 120). Kromě:
Kromě toho je uvedeno písmeno označení korekce zkreslení:
Písmenné označení vlastností aplikace čoček:
Okulár je část mikroskopu přivrácená k oku, určená k pozorování s určitým zvětšením optického obrazu daného objektivem mikroskopu . Typická zvětšení okulárů pro mikroskopy jsou od 5 do 25 jednotek. Stejně jako čočky se i okuláry liší kvalitou, tedy mírou optického zkreslení způsobeného okulárem. Příspěvek zkreslení čočky však u vyváženého mikroskopu obvykle dominuje vzhledem k tomu, že zkreslení čočky dále zvyšuje okulár, zatímco zkreslení samotného okuláru nikoliv. Proto se okuláry obvykle vyznačují jinými parametry, především pohodlím obsluhy. Zpravidla se touto vymožeností rozumí šířka zorného pole a oční reliéf.
Odstranění zornice - vzdálenost od okuláru k oku. Zpravidla leží v rozmezí 5 až 20 mm. Pokud operátor nosí brýle, pak je prakticky nemožné použít okulár s offsetem 5 mm. Nejpohodlnější vzdálenost je 10..20 mm: s více brýlemi bez menšího počtu skel. Nepohodlný je i příliš velký oční reliéf.
Zorné pole okuláru je úhlová velikost obrazu viděného okulárem. Předpokládá se, že široké zorné pole (velká úhlová velikost obrazu) je pro práci výhodnější než úzké. Širokoúhlé okuláry jsou často označeny písmenem W a vizuálně se odlišují velkou plochou čočky.
V prvních mikroskopech byli výzkumníci nuceni používat přirozené světelné zdroje. Pro zlepšení osvětlení se začalo používat zrcadlo a poté konkávní zrcadlo, kterým na preparát směřovaly paprsky slunce nebo lamp. V moderních mikroskopech je osvětlení řízeno kondenzátorem.
KondenzátorKondenzátor (z lat . condense - zahušťovat, kondenzovat), čočka s krátkým ohniskem nebo čočkový systém používaný v optickém zařízení k osvětlení prohlíženého nebo promítaného předmětu. Kondenzátor shromažďuje a směruje paprsky ze zdroje světla na objekt, včetně těch, které v jeho nepřítomnosti procházejí objektem; v důsledku takového "zahuštění" světelného toku se osvětlení objektu prudce zvýší. Kondenzátory se používají v mikroskopech, ve spektrálních přístrojích, v různých typech projektorů (například diaskopy, epidiaskopy, fotografické lupy atd.). Konstrukce kondenzoru je tím složitější, čím větší je jeho apertura . Pro numerické apertury do 0,1 se používají jednoduché objektivy; při clonách 0,2–0,3 dvoučočkové kondenzory, nad 0,7 tříčočkové kondenzory. Nejběžnější kondenzor se skládá ze dvou identických plankonvexních čoček, které jsou proti sobě otočené sférickými plochami, aby se snížila sférická aberace . Někdy mají povrchy kondenzorových čoček složitější tvar – paraboloidní, elipsoidní atd. Rozlišení mikroskopu roste se zvětšováním apertury jeho kondenzoru, proto jsou kondenzory mikroskopů obvykle složité dvou- nebo tříčočkové systémy. Zrcadlové a zrcadlové kondenzory jsou také široce používány v mikroskopech a filmových promítacích zařízeních, jejichž apertura může být velmi velká - úhel otevření 2u sbíraného svazku paprsků dosahuje 240°. Přítomnost více čoček v kondenzorech je často způsobena nejen snahou zvětšit jejich clonu, ale také potřebou rovnoměrného osvětlení objektu s nerovnoměrnou strukturou světelného zdroje [5] .
Kondenzátor tmavého poleKondenzátory tmavého pole se používají v optické mikroskopii s tmavým polem . Světelné paprsky jsou usměrňovány kondenzorem tak, že nevstupují přímo do vstupu čočky. Obraz je tvořen světlem rozptýleným optickými nehomogenitami vzorku. V některých případech metoda umožňuje studovat strukturu průhledných objektů bez jejich barvení. Byla vyvinuta řada návrhů tmavých kondenzorů s optickým schématem čočky nebo zrcadlové čočky.
Mnoho objektů je pro jejich optické vlastnosti obtížné odlišit na pozadí prostředí. Proto jsou mikroskopy vybaveny nejrůznějšími nástroji, které usnadňují výběr objektu na pozadí prostředí. Nejčastěji se jedná o různé způsoby osvětlení objektu:
Metoda interferenčního kontrastování objektu. Protože světlo je elektromagnetické vlnění, má pojem fáze. Jsou vizualizovány fázové deformace světla na objektu pozorování. K tomu slouží kombinace speciálního kondenzoru a objektivu.
Stolek na předměty funguje jako plocha, na kterou je umístěn mikroskopický preparát. V různých konstrukcích mikroskopů může stolek zajišťovat souřadný pohyb preparátu v zorném poli objektivu, vertikálně i horizontálně, nebo rotaci preparátu v daném úhlu.
Podložní a krycí sklíčkaPrvní pozorování mikroskopem byla prováděna přímo nad nějakým předmětem (ptačí pírko, sněhové vločky, krystaly atd.). Pro usnadnění pozorování v procházejícím světle se preparát začal pokládat na skleněnou desku (sklíčko). Později byl preparát fixován tenkým krycím sklíčkem, což umožnilo vytvářet sbírky vzorků, například histologické sbírky. Pro výzkum metodou závěsné kapky se používají podložní sklíčka s otvorem - Ranvierovy komory .
Počítací komoryPro kvantitativní účtování buněk suspendovaných v kapalině se používají počítací komůrky - sklíčka speciální konstrukce. V lékařství se Goryaevova kamera používá k vyúčtování krevních buněk .
Chrániče čočekBěhem vyhledávání ohniska může nastat situace, kdy se optika čočky opře o stůl nebo vzorek. V mikroskopech existují mechanismy, jak zabránit kontaktu nebo snížit závažnost následků. První obsahuje nastavitelné omezovače pro vertikální pohyb stolu. Druhý zahrnuje odpružené čočky, ve kterých je sestava čoček obklopena přílivem těla a je pohyblivá. Když se čočka dostane do kontaktu s lékem, příliv těla zabrání dopadu na čočku a pohyblivost snižuje sílu nárazu.
Měřicí přípravkyPřítomnost vzorového vzoru (šrafování nebo jiné znaky se známou promítanou velikostí) v optické dráze mikroskopu umožňuje lépe odhadnout velikosti pozorovaných objektů.
Obraz vytvořený čočkou lze přivádět přímo do okuláru nebo rozdělit na několik stejných obrazů. Mikroskopy bez dělení se nazývají monokulární, dívají se jedním okem. Pohodlí pozorování dvěma očima předurčilo široké použití binokulárních mikroskopů se dvěma stejnými okuláry. Mikroskop lze navíc vybavit fotografickou výbavou, kterou lze namontovat buď místo standardních okulárů, nebo do samostatného optického portu. Takové mikroskopy se nazývají trinokulární.
Některé mikroskopy umožňují osvětlit předmět přes čočku mikroskopu. V tomto případě se používá speciální čočka, která také plní funkce světelného kondenzoru. V optické dráze mikroskopu je instalováno průsvitné zrcadlo a port zdroje světla. Nejčastěji se takový mechanismus osvětlení používá ve fluorescenční mikroskopii v ultrafialových paprscích.
Stereomikroskopy jsou určeny pro jemnou práci pod mikroskopem např. v hodinářství, mikroelektronice, mikromodelingu, neurochirurgii apod. Pro takovou práci je nutné správně posoudit polohu pozorovaných objektů pod mikroskopem ve třech souřadnicích, což vyžaduje stereo vidění, velká hloubka ostrosti (hloubka záběru) a značný prostor pod objektivem pro práci. Stereomikroskopy mají malé zvětšení (několik jednotek nebo desítek), velkou pracovní vzdálenost čočky (vzdálenost od optiky k pozorovacímu bodu, obvykle několik centimetrů), nemají nastavitelné stolky a zabudované osvětlovací systémy. Pro pohodlí stereomikroskop „nepřevrací“ obraz. Čočka stereomikroskopu je nejčastěji nevyměnitelná.
Specifikum metalografického výzkumu spočívá v nutnosti sledovat strukturu povrchu neprůhledných těles. Proto je mikroskop postaven podle schématu odraženého světla, kde je na straně objektivu instalován speciální iluminátor. Systém hranolů a zrcadel nasměruje světlo na předmět, poté se světlo odrazí od neprůhledného předmětu a pošle zpět do čočky [5] .
Moderní přímé metalurgické mikroskopy se vyznačují velkou vzdáleností mezi povrchem stolku a objektivy a velkým vertikálním pojezdem stolku, který umožňuje práci s velkými vzorky. Maximální vzdálenost může dosahovat desítek centimetrů [9] . Obvykle se však v materiálové vědě používají inverzní mikroskopy , protože nemají omezení velikosti vzorku (pouze hmotnost) a nevyžadují rovnoběžnost referenčních a pracovních ploch vzorku (v tomto případě se shodují).
Když se světlo odráží od předmětů, může se změnit jeho polarizace . Pro vizuální identifikaci takových objektů jsou osvětleny polarizovaným světlem získaným pomocí speciálního polarizačního filtru . Odražené světlo prochází optickou dráhou polarizačního mikroskopu, ve kterém je instalován druhý polarizační filtr. Touto dvojicí filtrů tedy projde pouze to světlo, které při odrazu od pozorovaného preparátu příslušně změní svou polarizaci. Zbývající části drogy budou ztmaveny.
Některé látky mají luminiscenční vlastnosti , to znamená, že jsou schopny emitovat světlo jedné vlnové délky, když jsou ozářeny jinou. Luminiscenční nebo fluorescenční mikroskopy jsou mikroskopy vybavené iluminátorem řízeným vlnovou délkou pro pozorování záře takových přípravků. Protože záře vychází z osvětlovací strany, je nejúčinnější osvětlení ze strany pozorovatele, tedy přímo přes čočku mikroskopu, což je v takových mikroskopech úspěšně implementováno. Mikroskopy určené pro provoz v ultrafialovém rozsahu jsou navíc vybaveny speciálními čočkami, které propouštějí ultrafialové záření a nemají vlastní parazitní luminiscenci v ultrafialovém záření. Takové čočky jsou označeny FLUOR nebo podobně. Fluorescenční mikroskopy jsou často konfokální , navíc pro ně byly implementovány technologie subdifrakčního rozlišení. Takové mikroskopy jsou široce používány pro biologický výzkum.
K přesnému měření úhlových a lineárních rozměrů pozorovaných objektů slouží měřicí mikroskopy . Pro odhad rozměrů v optické dráze mikroskopu existuje příkladný vzor (šrafování nebo jiné znaky) se známou promítanou velikostí. Používá se v laboratorní praxi, ve strojírenství a strojírenství.
Slovníky a encyklopedie |
|
---|---|
V bibliografických katalozích |