Что такое разрешающая способность микроскопа

Как повысить разрешающую способность микроскопа?

Что такое разрешающая способность микроскопа? Это специальная оптическая величина. Благодаря ей мы получаем максимально качественное изображение. Зависит разрешение от длины световой волны и числовой апертуры (диаметра объектива). Элементы микроскопа, связанные с показателем его разрешения — это конденсор и объектив.

Немного о современных микроскопах

Даже школьные и учебные оптические приборы всё время совершенствуются, а значит повышается и их уровень разрешения. К примеру, сейчас есть объективы с апертурными углами (показателями синуса) близкими к единице, а способность к разрешению у таких моделей уже достигает возможного максимума. В данном случае есть возможность улучшить качество получаемой картинки с целью добиться её контрастности, чтобы различать объект наблюдения до мельчайших деталей. Для этих целей существует несколько приёмов.

Как известно, образование картинки происходит поэтапно. В первом этапе её получения участвует объектив, а на второй стадии окуляр её увеличивает до необходимой величины. Важно иметь в виду, что качество разрешения во многом зависит от работы объектива, а именно от первого этапа.

Как определить качество разрешения?

При покупке микроскопа обращайте внимание на корпус его объектива. Как правило, на корпусе изготовители всегда ставят величину апертуры. Чем больше она будет, тем лучше показатель разрешения.

Предел разрешения и понятие полезного увеличения

Эти два термина тесно связаны друг с другом. Наблюдателю следует ориентироваться на предельный показатель разрешения величиной 0,2 микрона. Такова цифра самого меньшего расстояния от линзы до объекта. При этом показателе можно хорошо различить мельчайшие детали и точки. Что касается полезного увеличения, о нём говорят в том случае, когда люди по максимуму используют способность оптического прибора к разрешению, наблюдая за объектом под определённым углом. Его называют предельно допустимым.

Можно ли повысить разрешение микроскопа?

Повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя путями:

Увеличить показатель разрешения микроскопа можно и в домашних условиях, так как иммерсионное масло продаётся почти во всех магазинах оптики. Покупая себе ту или иную модель, обращайте внимание на качество линз и размер объектива — и тогда разрешение вашего микроскопа точно будет хорошего качества.

Источник

Небывалые клеточные структуры: как работают микроскопы будущего и что в них видно

Качество микроскопов увеличивается от каждого нового способа наблюдения за живыми и неживыми организмами. Последнее прорывное решение — квантовый микроскоп. Ученые утверждают, что в него можно разглядеть ранее недоступные клеточные структуры. Рассказываем подробнее, как работают и меняются микроскопы.

Читайте «Хайтек» в

От чего зависит разрешающая способность микроскопа

Разрешающая способность микроскопа — это способность выдавать чёткое раздельное изображение двух близко расположенных точек объекта. Степень проникновения в микромир, возможности его изучения зависят от разрешающей способности прибора.

Эта характеристика определяется прежде всего длиной волны используемого в микроскопии излучения (видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение). Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излучения.

«Проникнуть глубже» в микромир возможно при применении излучений с меньшими длинами волн.

Как работает микроскоп?

Оптическая система предназначена для пространственного преобразования поля излучения до оптической системы (в «пространстве предметов») в поле после оптической системы (в «пространстве изображений»). Такое разделение «пространств» весьма условно, поскольку эти различные с точки зрения изменения структуры поля «пространства» могут в некоторых случаях (например при использовании зеркал) совпадать в трёхмерном физическом пространстве.

Такая организация и достигается путём использования имеющих определённую форму оптических элементов, действие которых проявляется в явлении преломления, отражения и рассеяния излучения. Физической причиной всех этих явлений является интерференция.

Во многих случаях для объяснения действия оптического элемента вполне достаточно применения понятий о сущности этих явлений, без раскрытия роли интерференции, что позволяет описывать поле излучения его формализованной геометрической моделью, основанной на интуитивно понятном представлении о «луче света» и постулате о бесконечно малости длины волны излучения и оптической однородности среды, заполняющей всё пространство, в котором действуют законы геометрической оптики.

Но в случае, когда оказывается необходимым учитывать волновые свойства излучения и принимать во внимание сравнимость размеров оптического элемента с длиной волны излучения, геометрическая оптика начинает давать ошибки, что носит название дифракции, по сути своей не являющейся самостоятельным явлением, а лишь той же интерференцией.

Какие бывают микроскопы

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличны один от другого.

Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет

0,2 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины.

До середины XX века работали только с видимым оптическим излучением, в диапазоне 400—700 нм, а также с ближним ультрафиолетом (люминесцентный микроскоп). Оптические микроскопы не могли давать разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (диапазон длин волн 0,2—0,7 мкм, или 200—700 нм).

Таким образом, оптический микроскоп способен различать структуры с расстоянием между точками до

0,20 мкм, поэтому максимальное увеличение, которого можно было добиться, составляло

Пучок электронов, которые обладают свойствами не только частицы, но и волны, может быть использован в микроскопии.

Длина волны электрона зависит от его энергии, а энергия электрона равна E = Ve, где V — разность потенциалов, проходимая электроном, e — заряд электрона. Длины волн электронов при прохождении разности потенциалов 200 000 В составляет порядка 0,1 нм.

Электроны легко фокусировать электромагнитными линзами, так как электрон — заряженная частица. Электронное изображение может быть легко переведено в видимое.

Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000—10000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема.

Класс микроскопов, основанных на сканировании поверхности зондом.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) — относительно новый класс микроскопов. На СЗМ изображение получают путём регистрации взаимодействий между зондом и поверхностью.

На данном этапе развития возможно регистрировать взаимодействие зонда с отдельными атомами и молекулами, благодаря чему СЗМ по разрешающей способности сопоставимы с электронными микроскопами, а по некоторым параметрам превосходят их.

Рентгеновский микроскоп — устройство для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Основан на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра.

Рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и оптическими микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на порядок больше разрешающей способности оптического микроскопа (до 150 нанометров). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров.

Это метод исследования путём наблюдения образцов через микроскоп в инфракрасном свете. Метод предназначен для исследования образцов очень небольшого размера (порядка микрометров).

Видимый свет, наблюдаемый экспериментатором, и инфракрасный свет, регистрируемый детектором, проходят через одну общую оптическую систему, поэтому изображение в бинокуляре отвечает участку, который анализируется в ИК-излучении.

ИК-микроскопия используется для анализа образцов в очень малом количестве (от 0,01 до 100 мкг) или малых размеров (от 10 –1 до 10 –3 мм), а также концентрационных флуктуаций и включений.

Какие есть недостатки у изобретенных микроскопов?

Производительность световых микроскопов ограничена уровнем случайного шума, который создают элементарные частицы света — кванты электромагнитного излучения, или фотоны. Дискретность фотонов определяет чувствительность, разрешение и скорость оптических приборов.

Для оптимизации этих параметров разработчики обычно идут по пути увеличение интенсивности света и замены обычных его источников лазерными. Но использование лазерных микроскопов не всегда возможно при исследовании биологических систем, поскольку яркие лазеры могут разрушить живую клетку.

Как наука продвинулась в разработке микроскопов?

Последнее крупное открытие в этой сфере было сделано в начале июня 2021 года. Ученые из Австралии и Германии создали квантовый микроскоп, способный разглядеть невидимые ранее клеточные структуры.

По мнению авторов, это открывает путь для создания новых биотехнологий и практических приложений — от навигации до медицинской визуализации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Исследователи из Университета Квинсленда предположили, что биологическая визуализация может быть улучшена без увеличения интенсивности света, с помощью квантовых фотонных корреляций.

Вместе с немецкими коллегами из Ростокского университета они экспериментально доказали, что с помощью квантовых корреляций можно получить отношение сигнал/шум на 35 процентов выше, чем при обычной микроскопии без фотоповреждения. Значительно выше при такой технологии и скорость обработки изображений.

Как работает квантовый микроскоп?

Создатели квантового микроскопа сделали установку, представляющую из себя когерентный рамановский микроскоп с субволновым разрешением и ярким квантово-коррелированным освещением, позволяющий визуализировать молекулярные связи внутри клетки.

Микроскоп основан на науке о квантовой запутанности — эффекте, который Эйнштейн описал как «жуткие взаимодействия на расстоянии». Это первый в мире датчик на основе запутывания с характеристиками, превосходящими лучшие из существующих технологий. Его создание приведет к появлению различных видов новых технологий — от новейших навигационных систем до более совершенных аппаратов. Квантовая запутанность в нашем микроскопе обеспечивает на 35 процентов улучшенную четкость без разрушения клетки, позволяя видеть мельчайшие биологические структуры, которые в противном случае были бы невидимы.

Уорвика Боуэна, профессор из лаборатории квантовой оптики и Центра передового опыта для инженерных квантовых систем Австралийского исследовательского совета

Главным успехом нового метода авторы считают преодоление так называемого победу над принципами традиционной световой микроскопии, не способной проникнуть внутрь живой клетки.

Источник

Как выбрать микроскоп

Содержание

Содержание

Микроскоп — важнейший прибор, без которого не обойтись при проведении научных исследований. Современная микроскопия богата на различные виды микроскопов, каждый из которых имеет свое предназначение, устройство и особенности работы. Данный гайд не только расскажет вам об основных элементах микроскопа, но и поможет определиться с выбором.

Окуляр

Окуляр представляет из себя систему, состоящую из нескольких линз (обычно 2–3), через которые исследователь будет рассматривать изучаемый объект. Линзы встраиваются в металлический корпус (тубус) и могут быть как фиксированного, так и фокусного увеличения. Самая нижняя линза предназначена для фокусировки на объекте, а верхняя — для наблюдения за ним. Все окуляры дают определенную кратность увеличения — 10x, 20x, 25x и т.д.

Объективы

Самая важная часть микроскопа, благодаря которой строится микроскопическое изображение изучаемого предмета с точной передачей мельчайших деталей, цвета, структуры. Другими словами, пользователь сможет рассмотреть лежащий перед ним объект в деталях, даже если он не виден человеческим глазом. Объектив имеет довольно сложное оптико-механическое устройство, включающее в себя несколько линз и других компонентов. Качество и количество линз зависит от тех задач, для которых создается прибор и может доходить до 14 штук. К таковым относятся сложные и дорогие планапохроматические объективы, применяемые чаще всего в биологии и медицине. Для изучения растений, веществ, тканей подойдут ахроматические объективы, в которых может быть всего 2–3 линзы.

Современные технологии позволяют создавать и выпускать множество типов объективов в зависимости от целевого назначения, устройства и принципа действия. Выделяют устройства с малыми (10х), средними (до 50х) и большими (более 50х) кратностями, а также сверхбольшие объективы кратностью свыше 100х. Микроскоп может быть оснащен одним объективом, но чаще всего имеет два или три с разной кратностью.

Общее увеличение микроскопа высчитывается путем сложения кратности окуляров и объективов. Например, если кратность окуляра составляет 10x, а объектива 90x, то общее увеличение будет иметь кратность 900x.

Подсветка

Это не менее важная часть микроскопа, позволяющая подсветить объект изучения. Чаще всего состоит из двух частей: коллектора и конденсора. Конденсор имеет несколько встроенных линз и предназначен для увеличения количества света, исходящего от осветителя. Коллектор же располагается между объектом изучения и конденсором и помогает регулировать интенсивность освещения.

Источником освещения в подсветке выступают галогенные лампы, светодиоды, зеркала или лампы накаливания. В конструкции микроскопа подсветка может иметь верхнее, нижнее расположение или же быть комбинированной (верхняя и нижняя). Верхняя располагается над предметным столиком и нужна для того, чтобы рассмотреть непрозрачные или полупрозрачные предметы. Нижняя же находится под столиком и нужна для изучения прозрачных объектов, на которые направляется пучок света. Подсветка нуждается в питании от сети, через USB или батареек.

Конденсор, верхняя подсветка, комбинированная подсветка (верхняя и нижняя):

Тип визуальной насадки

Есть монокулярные, бинокулярные и даже тринокулярные насадки. Монокулярная имеет один окуляр, бинокулярная два. Два окуляра будут более предпочтительнее чем один, однако они требуют некоторого навыка. В тринокулярной насадке, помимо двух окуляров, будет дополнительная трубка, на которую можно установить камеру и передавать изображение на монитор компьютера.

Минимальное и максимальное оптическое увеличение

Минимальное оптическое увеличение высчитывается путем сложения кратности окуляров и объективов. Например, если минимальная кратность и у окуляра, и у объектива составляет 10х, то минимальное оптическое увеличение будет составлять 100х. Это дает не совсем четкую картинку, но с широким полем зрения.

Максимальное оптическое увеличение высчитывается таким же образом, как и минимальное. Пример: окуляр кратностью 10х и объектив кратностью 90х, вместе дадут увеличение в 900х. Это позволяет максимально детально рассмотреть предмет изучения, однако если выбрано увеличение намного выше допустимого, для того или иного предмета, то это не выявит каких-либо дополнительных деталей, но может ухудшиться качество и четкость изображения. Соответственно поле зрения также будет намного уже. Например, зерна обычного песка можно рассмотреть при увеличении в 400х, поэтому более высокие значения будут избыточны. При высоких значениях увеличения (800х и более) можно изучать детальную структуру предметов, пыльцу, минералы и многое другое.

Цифровая камера и максимальное цифровое увеличение

Некоторые модели световых микроскопов оснащаются цифровой камерой для фото и видеосъемки. Камера может встраиваться в корпус микроскопа наравне с объективами, но чаще всего это прибор с тринокулярной насадкой, в котором третий окуляр предназначается для специального видеоокуляра. Стоит отметить, что видеоокуляр можно установить и на прибор с монокулярной насадкой. Есть и специальные цифровые микроскопы, в которых объектив как таковой отсутствует и его заменяет цифровая камера. Изображение передается сразу же на компьютер, причем разрешение камеры измеряется в мегапикселях и может быть от 0,3 до 5 Мп. Максимальное цифровое увеличение в данном случае будет относиться именно к возможностям камеры, хотя не стоит отметать и другие факторы: насколько качественен монитор для просмотра и т.д. Увеличение в цифровых моделях может составлять 300х, 1600х и т.д.

Фокусировка

Как правило, фокусировка в микроскопах бывает грубой и точной.

Револьверная головка

Устройство револьверного типа в которое встраиваются объективы. Там может находиться всего лишь один объектив, но чаще головки имеют два, три и четыре объектива. Пользователь при необходимости просто проворачивает головку, выбирая нужный ему объектив.

Межзрачковое расстояние

Расстояние между зрачками измеряемое в миллиметрах. Данная характеристика относится к микроскопам с бинокулярной насадкой. Чтобы создать стереокартинку или единое поле, в котором оба глаза будут видеть предмет изучения, нужно провести несложные настройки. Для этого первоначально необходимо настроить резкость окуляров, а затем свести изображение воедино, поворачивая тубусы, в которые встроены окуляры. Если все сделано правильно, то оба глаза должны видеть единое поле, без затемнения центра или краев изображения.

Советы по выбору

Любитель или профессионал

Для любительских, детских изысканий подойдет недорогое устройство с окулярами 10х или 20х и объективами до 40х. Оптимальными будут приборы с увеличением до 200х или 400х.

Для серьезных исследований нужен уже более мощный прибор с максимальным увеличением в несколько сотен (более 400х) или более 1000 крат. Также стоит обратить внимание на цифровые микроскопы, не требующие особых настроек, навыков работы. В них изображение передается сразу же на монитор.

Визуальная насадка — какая лучше?

Даже если вы приобретаете микроскоп для несложных опытов, любительских исследований или для ребенка, то лучше всего подойдет бинокулярная насадка, так как именно она дает хорошее стереоизображение. Если есть необходимость в получении фото или видео, то лучше взять прибор с тринокулярной насадкой.

Объективы — чем больше, тем лучше

Даже если вы не собираетесь становиться микробиологом, желательно приобрести прибор с двумя или тремя объективами, кратностью 4x, 10x и 40x. Самым оптимальным будет вариант прибора с наличием объектива в 40х. Фокусировку на объект следует проводить, начиная с малого по кратности объектива (например, с 4х).

Объективы — чем выше кратность, тем профессиональнее

Если предстоит выбрать микроскоп для профессиональных исследований, то нужно обращать внимание на приборы, дающие максимальное увеличение не менее 400х. Это нижняя необходимая для эффективной работы граница. Верхней же границы не установлено и можно выбирать прибор с увеличением в несколько тысяч крат, например, в 2000х. Для серьезных исследований обязательно наличие в револьверной головке 100-кратного объектива.

Подсветка — лучше комбинированная

Как уже известно, она может быть нижняя, верхняя и комбинированная. Лучше всего подойдет прибор именно с комбинированной подсветкой, так как с ее помощью возможно изучать как прозрачные объекты, так и непрозрачные (монеты, насекомых, минералы и т.п.). Также желательно приобрести прибор с галогеновой или со светодиодной подсветкой.

Фокусировка — грубо, но точно

Не забываем, что фокусировка бывает грубой и точной. Для любительских исследований вполне подойдет прибор только с грубой фокусировкой, хотя комбинированный вариант (и с грубой, и с точной) будет более предпочтительней. А вот для профессиональных исследований, тонкая фокусировка просто обязательна.

Штатив

Какие-либо особые требования к штативу не предъявляются, но стоит присмотреться к прибору, штатив которого выполнен из металла или же имеет металлические вставки.

Выводы

Современная промышленность предлагает массу вариантов для плодотворного изучения окружающего мира. Для новичков и школьников, для небольших любительских исследований, отлично подойдут микроскопы с максимальным увеличением до 400–640х. Если же планируются серьезные научные изыскания, то будет необходим прибор от 640х и выше, причем верхней границы, в принципе, не существует. Также стоит обращать внимание на комбинированную подсветку, бинокулярную насадку и возможность записи фото и видео.

Источник

Как выбрать микроскоп? Увеличение и разрешающая способность микроскопа.

В данной статье мы постараемся разобраться с таким понятием, как увеличение микроскопа. Выбирая, какой микроскоп купить, многие первым делом обращают внимание на то, каким максимальным увеличением обладает микроскоп, ошибочно считая, что именно увеличение определяет качество получаемого изображения. К сожалению, это очень распространенное заблуждение, что чем больше максимальное увеличение, тем лучше. На практике все же гораздо сложнее.

Действительно, в теории оптический световой микроскоп может давать увеличение до 2000х, и многие производители оптики пользуются незнанием потребителей и предлагают купить биологические микроскопы с максимальным увеличением 1500х, 1600х. С теоретической точки зрения, добиться такого увеличения микроскопа, конечно же, можно, но, что же мы получаем с практической точки зрения при использовании такого увеличения? Так, чтобы не разочароваться в покупке, следует различать такие два понятия, как полезное и бесполезное увеличение микроскопа, тесно связанные с его разрешающей способностью.

Итак, увеличение микроскопа зависит от комбинации используемых объективов и окуляров, и, как известно, рассчитывается по очень простой формуле:

Увеличение микроскопа = Увеличение окуляра x Увеличение объектива

Таким образом, установив 10х окуляр и выбрав 40х объектив, Вы получите увеличение 10*40=400х; 10х окуляр в комбинации с 100х объективом даст увеличение 10*100=1000х; 15х окуляр в комбинации с 100х объективом даст увеличение 15*100=1500х и т.п. И хотя, казалось бы, таким образом можно добиться совершенно произвольного увеличения, с другой же стороны, разумно ожидать, что световой микроскоп как оптический прибор должен иметь предел своих возможностей.

Возможность различать раздельно две точки, находящиеся очень близко друг к другу, и есть разрешающая способность микроскопа. Пределом разрешения называют минимальное расстояние, на котором такие точки все еще видны раздельно. Как известно, максимальная разрешающая способность светового оптического микроскопа равна 0,2мкм. Отметим, что именно разрешающая способность микроскопа определяет качество изображения и его четкость. Разрешающая способность микроскопа зависит от конденсора и объектива, а именно: длины волны освещающего образец света и числовой апертуры объектива. Таким образом, разрешающая способность выше у объективов с большей апертурой. Чтобы вычислить разрешающую способность микроскопа, воспользуйтесь формулой:

D = λ / 2NA

В качестве примера:

Что такое полезное увеличение микроскопа?

Полезным увеличением микроскопа называют такое увеличение, при котором исследуемый объект рассматривается под предельным углом зрения. Как Вы можете заметить, на корпусе всех объективов для микроскопа нанесена определенная маркировка. И одним из указываемых в маркировке параметров является числовая апертура объектива (часто обозначается N.A.). Так вот, полезное увеличение микроскопа, как правило, равно числовой апертуре объектива, увеличенной в 500-1000 раз.

Как известно, числовая апертура сухих объективов не превышает значения 1,0. Поэтому максимальное полезное увеличение микроскопа, на револьверной головке которого расположены лишь сухие объективы, не может быть выше 1000х. Что же касается иммерсионных объективов, то наиболее часто встречающееся значение числовой апертуры для таких объективов 1.25, но иногда числовая апертура может достигать значения 1,40. Таким образом, для большинства биологических лабораторных микроскопов предельное полезное увеличение равно 1250х, в некоторых моделях может достигать 1400х.

И так как числовая апертура для большинства 100х иммерсионных объективов равна 1.25, то максимальное полезное увеличение для этого объектива равно 1250х, а, следовательно, докупать окуляры 15х либо 16х, при которых увеличение микроскопа будет равно 1500х или 1600х соответственно, просто лишено смысла. А если производитель предлагает такие окуляры в базовой комплектации микроскопа, то это не что иное, как хитрая уловка и маркетинговый ход. На практике использование этих окуляров с 100х объективом будет бесполезным. Какой бы мощный и качественный окуляр Вы не купили, при использовании бесполезного увеличения, Вам не удастся обнаружить новых деталей в структуре исследуемого объекта. И даже более того, повышение увеличения окуляра приведет к уменьшению количества света, попадающего в глаз человека, проводящего наблюдения, а также сделает более интенсивными искажения.

Вывод:

Полезное увеличение обычно равно числовой апертуре объектива, увеличенной в 500—1000 раз. Меньшие увеличения не позволят Вам выявить всех элементов структуры, а более высокое увеличение, ни при каких обстоятельствах, не позволит Вам обнаружить новых деталей в строении объекта и является бесполезным. Хотя иногда подобное большое увеличение может использоваться в микрофотографии и при микропроецировании.

Таким образом, мы получаем, что полезное увеличение для большинства лабораторных биологических микроскопов не превосходит 1250х.

Бесполезное увеличение лишь дополнительно увеличит масштаб, что может оказаться полезным при подсчете мелких частиц в поле зрения, но, как уже говорилось выше, не позволит Вам рассмотреть непосредственно саму структуру наблюдаемых частиц. Помните, что при выходе за пределы полезного увеличения возникают дифракция и другие явления, обусловленные волновой природой света, которые незаметны при наблюдении в пределах полезного увеличения, но приводят к оптическим ошибкам при использовании бесполезных увеличений.

Источник