БСЭ1/Микроскоп

← Микросинтез

Микроскоп Большая советская энциклопедия (1-е издание)

Микроскопическая анатомия →

Словник: Мерави — Момоты. Источник: т. XXXIX (1938): Мерави — Момоты, стлб. 361—370

МИКРОСКОП, оптический прибор, позволяющий видеть предметы или детали их, невидимые простым глазом. Различают простой и сложный М. Простой М. иначе называется лупой (см.). В наст. время под словом М. понимают главным образом сложный М.

Исторический обзор. Устройство первого М. приписывают голландскому оптику Захарию Янсену (1590). Однако эти сведения не могут считаться вполне достоверными. В 1612 М. был изготовлен Галилеем. Но и этот М. не обратил на себя внимания. В 1680 голландец Антоний Левенгук значительно усовершенствовал М. Для научных исследований в области биологии М. был впервые применен в 17 в. Мальпиги и Левенгуком; первый исследовал с его помощью строение различных органов животных и разработал анатомию растений; второй, пользуясь более сильными увеличениями, наблюдал и описывал элементарные части животного организма (кровяные тельца, сперматозоиды, волокна мышечные, нервные, соединительные ткани, чешуйки эпидермиса и т. д.), а также разные виды инфузорий, водорослей и даже бактерий. В 1659 голландский физик Гюйгенс сконструировал совершенный окуляр, к-рый применил к микроскопу английский физик Гук (1665). В 1750 Мартин сконструировал ахроматический объектив, однако не вполне совершенный. Первый совершенный ахроматич. объектив построил Фраунгофер в 1811; этот объектив был затем усовершенствован итальянским астрономом Амичи (1816—30).

Амичи указал также очень простой способ уничтожения аберрации в объективе с большой апертурой. В 1840 Амичи, с целью дальнейшего усовершенствования объектива М., предложил иммерсионные системы, при употреблении к-рых между объективом М. и покровным стеклышком вместо воздуха помещается какая-нибудь жидкость. Французский оптик Гартнак осуществил эту идею Амичи, построив первый иммерсионный объектив (1855). Дальнейшие усовершенствования были произведены фирмой Карл Цейс (в Иене), к-рая начала выпускать М. с 1872. Своими успехами эта фирма обязана гл. обр. профессору Аббе, к-рый дал фундаментальную теорию М. (1874). Кроме этого, Аббе принадлежат наиболее совершенные конструкции деталей М., из к-рых можно в первую очередь назвать наиболее совершенный объектив М. — апохромат. На основе своей теории микроскопич. изображений Аббе указал предел разрешающей способности М. К аналогичным выводам пришел Гельмгольц (1874). Теория Аббе базировалась целиком на законах волновой оптики. Свое завершение объектив М. получил в т. н. монохроматах. Применение ультрафиолетовых лучей, как это следовало из теории Аббе, давало возможность значительно отодвинуть предел разрешающей способности М. Впервые такого рода М. сконструировали Келлер и Pop у фирмы К. Цейс. Известный бактериолог Р. Кох начал производить систематич. фотографирование через М., что положило начало микрофотографии (см.). Следующий шаг в использовании увеличения М. сделали в 1901 Зидентопф и Жигмонди на фабрике К. Цейс (в Иене). Они осуществили т. н. ультрамикроскоп, в к-ром предметы рассматривались по методу затемненного поля. Метод в несколько отличной форме применялся Фуко (1858) и Теплером (1864) при исследованиях оптических систем и малых возмущений в прозрачных средах. При помощи ультрамикроскопа стало возможным рассматривать детали в сотни раз более мелкие, нежели в обычном М. Однако форму их уже нельзя при этом рассмотреть. Таким образом, развитие М. было в основном закончено к началу 20 в. Дальнейшие усовершенствования уже не носили принципиального характера, а сводились к чисто практическим усовершенствованиям: улучшение механич. системы, улучшение осветительного устройства, развитие микрофотографии, микрокинематографии и т. д. Совсем недавно появился электронный М., в к-ром для образования изображения используются электронные лучи; в нек-рых случаях удается уже выйти за те пределы, к-рые присущи обычному М. В России до Великой Октябрьской социалистической революции М. не производились, если не считать одной попытки (1888—90). С 1918 начались систематич. работы по изучению М. в Гос. оптич. ин-те (ГОИ). В результате этих работ ГОИ был осуществлен весьма совершенный биологич. М., к-рый отвечает всем требованиям современной техники (1934). В настоящее время этот М., а также и другие конструкции М. освоены заводами ВООМП.

Современный М. и его основные части. Область применения М. очень разнообразна. Он применяется в естествознании, технике, медицине и т. д.; в зависимости от характера применения М. может иметь те или иные особенности. Однако, несмотря на это, принцип действия всех М. один и тот же; поэтому здесь будет подробно рассмотрено устройство обычного биологич. М. На рис. 1a приведен внешний вид современного микроскопа Лейтца, на рис. 1b — микроскоп К. Цейса. Все М. состоят из двух основных частей: оптической и механической. Оптическая часть М. служит для образования изображения предмета, к-рый рассматривается через М. Механическая часть служит для укрепления деталей оптич. части М. с целью придания ей достаточной устойчивости и для наводки оптич. системы на рассматриваемый предмет.

Механическая часть заключает в себе следующие основные детали (см. рис. 1a): 1) ножку 1; 2) тубусодержатель 3 с винтами грубой 4 и тонкой 5 наводки микроскопа;Рис. 1a. 3) предметный столик 8, на к-рый кладется рассматриваемый предмет; 4) тубус 10, несущий в себе главные части оптической части М. Тубусодержатель соединяется с ножкой при помощи винта 2. На нижней части тубуса укрепляется револьвер 12, на к-рый навинчивается сразу несколько объективов. Оптическая часть состоит из след. основных частей: 1) объектива, который ввинчивается в револьвер 12, 2) окуляра, находящегося в верхней части тубуса 11, и 3) осветительного приспособления, к-рое содержит в себе конденсор 9, диафрагму и зеркало.

Ход лучей в М. и образование изображения. На Рис. 2 представлены две схемы хода лучей в сложном микроскопе К. Цейса. Левая сторона схемы дает ход пучка лучей, изображающего точку предмета, лежащую на оптической оси системы.Рис. 1b. Схема справа дает ход лучей от точек объекта $O$, к-рые расположены сбоку от оптич. оси. Объектив М. дает изображение точки $O$ в первой фокальной плоскости окуляра $O^{*}$; поэтому, если бы окуляр был вынут, то первое изображение, даваемое объективом, находилось бы в плоскости $O^{*}$. Если окуляр находится в тубусе М., то действительное изображение, даваемое совокупностью объектива и первой линзы окуляра, находится в плоскости $B$. Вторая линза окуляра дает мнимое увеличенное изображение в плоскости $O^{**}$. Расстояние от глаза до плоскости $O^{**}$ считают равным расстоянию наилучшего зрения (250 мм). На рис. 3 приведена упрощенная схема хода лучей в сложном М. Здесь $S_{1}$ и $S_{2}$ — простые собирательные линзы, заменяющие собой объектив и окуляр М. Предмет $AB$ находится перед объективом на расстоянии, большем фокусного расстояния, но меньшем, чем двойное фокусное расстояние. Действительное и увеличенное изображение предмета получается в плоскости $A'B'$, к-рая находится вблизи первого фокуса $F_{2}$ окуляра. Позади окуляра $S_{2}$ находится зрачок глаза — $O$, и, следовательно, изображение $A'B'$ рассматривается глазом через окуляр, как через лупу. Расстояние между верхней фокальной плоскостью объектива и плоскостью, на которой проектировалось бы даваемое им действительное изображение, называется оптической длиной тубуса и обозначается буквой ${\mathit {\Delta }}$. В этих схемах предполагалось, что как объектив, так и окуляр не обладают недостатками, искажающими резкость изображения. На самом деле это не имеет Рис. 2.места, т. к. все объективы и окуляры обладают недостатками, к числу к-рых принадлежит сферическая и хроматическая аберрация. Устранение этих недостатков представляет в нек-рых случаях очень большие трудности и полностью не может быть достигнуто.

Увеличение М. Увеличением М. называется отношение изображения $A''B''$ (рис. 3), которое глаз видит через окуляр, к величине Рис. 3.предмета $AB$. Это увеличение складывается из увеличения объектива и увеличения окуляра. Легко показать, что увеличение

$\beta _{0}={\frac {A'B'}{AB}}=-{\frac {\mathit {\Delta }}{f'_{1}}}$,     (1)

где ${\mathit {\Delta }}$ — оптич. длина тубуса, $f'_{1}$ — задний главный фокус объектива. Увеличение окуляра, к-рый действует, как лупа, определяется формулой

$N_{0}={\frac {A''B''}{A'B'}}={\frac {\mathit {D}}{f'_{2}}}$,     (2)

где $N_{0}$ — увеличение окуляра, $D$ — расстояние наилучшего зрения, $f'_{2}$ — фокусное расстояние окуляра. Таким образом, полное увеличение сложного М. будет

$N={\frac {A''B''}{AB}}=-{\frac {\mathit {\Delta }}{f'_{1}}}\cdot {\frac {\mathit {D}}{f'_{2}}}$.     (3)

Величина $D$ для нормального человеческого глаза равна 250 мм. Действие сложного М. эквивалентно, т. о., действию лупы с фокусным расстоянием $f'$, определяемым из выражения

${\frac {1}{f'}}=-{\frac {\mathit {\Delta }}{f'_{1}}}\cdot {\frac {\mathit {D}}{f'_{2}}}$.     (4)

Однако лупа не может заменить сложного М., так как при больших увеличениях пришлось бы брать слишком малые радиусы кривизны поверхностей лупы, а следовательно, и малые диаметры их отверстий. Уничтожение аберраций при этом не могло бы быть осуществлено удовлетворительно.

Разрешающая способность М. Из формулы (3) на первый взгляд можно было бы вывести заключение, что для того, чтобы сделать доступным глазу малый предмет,Рис. 4. достаточно подобрать объектив и окуляр с такими фокусными расстояниями, чтобы получить достаточное увеличение. Однако, как это впервые показал Аббе, имеется предел увеличения. Аббе показал, что возможность получить через М. изображение мелких деталей объекта зависит еще от т. н. разрешающей способности М.

Для того чтобы выяснить смысл этого термина, предположим, что через М. рассматривается диффракционная решотка $P_{1}PP_{2}$, освещаемая светом с длиной волны $\lambda$ (рис. 4) и имеющая расстояние между штрихами, равное $d$. Тогда в фокальной плоскости объектива получится ряд диффракционных максимумов $S_{0}S_{1}S_{2}$ и т. д., а в плоскости $P'_{1}P'P'_{2}$, сопряженной с плоскостью решотки $P_{1}PP_{2}$, — изображение решотки. Это Рис. 4. изображение решотки получается как результат интерференции света, исходящего из диффракционных максимумов $S_{0}S_{1}S_{2}$. Угловое расстояние $\alpha$ между $k$-тым и нолевым максимумами определяется по формуле

$\sin \,\alpha ={\frac {k\lambda }{d}}$,     (5)

где $\alpha$ — угол между оптич. осью и прямой, проведенной из центра объектива к точке, где расположен $k$-тый диффракционный максимум. Для простоты положим, что $\sin \,\alpha \approx {\frac {k\delta }{f}}$, где $\delta$ — линейное расстояние между соседними максимумами, $f$ — фокальное расстояние объектива.
Следовательно,

$\delta \approx {\frac {f\lambda }{d}}$,     (6)

Таким образом, диффракционные максимумы, образуют также своего рода диффракционную решотку, и, следовательно, получающиеся изображения $P'_{1}P'P'_{2}$ являются результатом интерференции лучей, выходящих из этой решотки. Положение максимумов определится опять формулой:

$\sin \,\beta ={\frac {k'\lambda }{d}}$

где $\beta$ — угол между оптич. осью и прямой, проведенной из точки, где расположен нолевой максимум $S_{0}$, к выбранной точке изображения $P'_{1}P'P'_{2}$. Так как $\sin \,\beta \approx \beta$, то линейное расстояние между максимумами в изображении $P'_{1}P'P'_{2}$ будет:

$\epsilon ={\frac {x\lambda }{\delta }}$,     (7)

где $x$ — расстояние между плоскостями $S_{0}S_{1}S_{2}$ и $P'_{1}P'P'_{2}$; подставляя значение $\delta$ из формулы (6), получим:

$\epsilon ={\frac {xd}{f}}$,     (8)

т. е. ту самую величину, к-рая должна получиться по законам геометрич. оптики. Если теперь предположим, что каким-либо образом убраны все диффракционные спектры, кроме одного, то изображения в плоскости $P'_{1}P'P'_{2}$ уже не будет, и вместо него будет приблизительно равномерно освещенный фон, образованный светящейся точкой, которую представляет собой этот диффракционный максимум. Таким образом, чтобы получить хотя бы грубое изображение предмета объектив должен иметь такое отверстие, чтобы в фокальной плоскости М. собирались по крайней мере два диффранционных максимума. Так как положение первого диффракционного максимума определяется соотношением $n\sin \,\alpha ={\frac {\lambda }{d}}$, где $n$ — показатель преломления среды, в к-рой происходит диффракция, $\alpha$ — угол диффракции, $d$ — расстояние между штрихами решотки, то первый диффракционный максимум будет еще попадать в объектив, если апертурный угол $u=\alpha$ (рис. 5), т. е. в случае, если

$n\sin \,u={\frac {\lambda }{d}}$,     (9)

таким образом, две соседние линии могут быть еще видны в М., если расстояние между ними $d_{0}$ будет удовлетворять неравенству

$d_{0}\geqslant {\frac {\lambda }{A}}$,     (10)

где $A=n\sin \,u$ называется числовой апертурой объектива. Величина $d_{0}$ называется пределом разрешающей способности М. Рис. 5.Рис. 6.Для того чтобы его уменьшить, нужно брать возможно большую числовую апертуру объектива и более короткую длину волны света. Предел разрешения можно также уменьшить, если воспользоваться боковым освещением (рис. 6). В этом случае, кроме максимума нолевого порядка, в объектов попадает только один максимум 1-го порядка. Возможный угол между ними будет $2u$ и след. предел разрешения $d_{0}={\frac {\lambda }{2A}}$. Эта теория, которая была дана Аббе, справедлива для случая несамосветящихся объектов. Для самосветящихся предметов предел разрешения определяется формулой

$d_{0}={\frac {0,61\lambda }{A}}$.     (11)

Теория Аббе подтверждается па опыте, однако в последнее время в нее внесены нек-рые дополнения, так как даже в случае предмета, освещаемого посторонним светом, предмет может рассматриваться как частично самосветящийся. Таким образом, для того чтобы М. давал возможность рассмотреть мелкие детали, он должен, кроме других качеств, обладать достаточно высокой числовой апертурой. Для повышения последней рассматриваемый объект помещают в иммерсионные жидкости, и также заполняют ею пространство между объективом и рассматриваемым предметом. Чем выше показатель преломления иммерсионной жидкости, тем выше будет разрешающая способность М. В качестве таких жидкостей служат: вода=1,33; кедровое масло=1,51; монобромнафталин=1,66; глицерин=1,58.

Если передняя линза объектива (фронтальная линза) имеет показатель преломления такой, как и иммерсионная жидкость, то иммерсия называется гомогенной (однородной).

Описание отдельных частей М. Оптическая часть. Объектив представляет собой наиболее важную часть М. От него зависит качество изображения, его яркость и разрешающая способность М. Объектив представляет собой систему линз. Передняя линза называется фронтальной. Она определяет увеличение объектива, а остальные линзы служат для исправления недостатков изображения. Объективы современных М. должны удовлетворять целому ряду условий, именно — у них должна быть устранена хроматическая и сферич. аберрация, они должны обладать большой числовой апертурой. По характеруРис. 7. оптич. системы объективы разделяются на: 1) сухие и 2) иммерсионные системы. По характеру исправления недостатков объективы разделяются на: 1) ахроматы, 2) полуахроматы (флюориты), 3) апохроматы, 4) монохроматы. Ахроматами называются объективы, у к-рых исправлена хроматич. аберрация только для двух цветов спектра, вследствие чего у них имеется остаточный хроматизм, называемый «вторичным спектром». У апохроматов соединены в один фокус лучи для трех цветов, т. е. уничтожен почти полностью вторичный спектр. Кроме того, в апохроматах осуществлен принцип Амичи, к-рый позволяет получить апланатическое изображение с помощью фронтальной линзы большой кривизны (полушарие). На рис. 7 изображен апохромат, сконструированный Аббе. Апохроматы являются наиболее совершенными объективами. Монохроматы предназначаются для работы с определенной длиной волны, большей частью для работы в ультрафиолетовом свете. Все объективы рассчитываются на определенную длину тубуса и различаются по степени даваемого ими увеличения.

Окуляр представляет собой сложную лупу, состоящую обычно из двух линз: верхней, «глазной» линзы и нижней, «полевой», назначение к-рой— увеличивать поле зрения в М. Наиболее употребительным в наст. время является окуляр Гюйгенса, схематич. разрез которого изображен на рис. 8. Здесь a — полевая линза, b — глазная (см. также рис. 9).

Осветительная часть М. служит для освещения объекта (рис. 10).Рис. 8. Она состоит из конденсора 1, состоящего из нескольких собирающих линз, и ирисовой диафрагмы, величина отверстия к-рой меняется передвижением рычага 4. Конденсор и диафрагма укреплены на строго определенном расстоянии друг от друга и могут одновременно перемещаться при помощи общей зубчатой рейки вверх или вниз. Кроме конденсора и диафрагмы, осветительное приспособление содержит зеркало 8, которое направляет свет от источника в конденсор. Рис. 9. Разрез окуляра Гюйгенса. В зависимости от назначения конденсоры имеют различное устройство. Чем сильнее объектив М., тем больше должна быть апертура конденсора. На рис. 11 изображен аплапатический конденсор с большой числовой апертурой.

Для наблюдений по методу затемненного поля (ультрамикроскоп) употребляется специальная форма конденсора, изображенная на рис. 12. Действие этого конденсора таково, что в объектив М. проходит только свет, рассеянный объектом, в то время как прямой свет не попадает в объектив. Применяются также сложные конденсоры, дающие окрашенное изображение препарата. Для рассматривания непрозрачных предметов применяются специальные вертикальные осветители, или опакиллюминаторы (рис. 13).

Описание деталей механической части М. Ножка. Большинство современных М. имеет почти одну и ту же форму ножки в виде буквы П или V. Ножка должна иметь достаточно широкую опорную плоскость, чтобы удерживать М. в достаточно устойчивом состоянии, даже в том случае, если М. будет придано горизонтальное положение.

Тубусодержатель представляет собой раму, несущую на себе тубус и предметный столик со всеми принадлежащими ему деталями (рис. 14). Внутри тубусодержателя помещается механизмРис. 10. 1 — конденсор, 2 — оправа конденсора, 3 — винт для закрепления конденсора, 4 — рычаг дли регулировании ирисовой диафрагмы, 5 — шарнир для крепления диафрагмы, 6 —зубчатое колесо и рейка для перемещения диафрагмы, 7 — барабан зубчатки, перемещающей осветитель, 8 — зеркало. для тонкого перемещения тубуса относительно предметного столика. Рукоятка этого механизма выводится наружу. У большинства М. тубусодержатель служит также и ручкой для переноса М. Отверстие $C$ служит для крепления тубусодержателя на кронштейне ножки. Тубусодержатель должен быть достаточно жестким, чтобы обеспечить постоянство в установке микроскопа. Если это нс соблюдено, то могут возникнуть вибрации, которые сделают невозможными наблюдения при сильных увеличениях.

Тубус представляет собой простую или раздвижную трубу,Рис. 11. несущую на себе объектив и окуляр. Раздвижной тубус состоит из двух труб — внешней и внутренней. Внутренний тубус снабжается делениями (рис. 1a, 11) (от 50 мм до 200 мм) через 1 мм и цифрами внизу делений. Длина тубуса устанавливается по тому расстоянию, на котором должны находиться объектив и окуляр. Расстояние $T$ (рис. 2) между упорной поверхностью нарезки до верхнего края (окулярного)Рис. 12.Рис. 13. называется механич. длиной тубуса. В европейском М. эта длина равна 160—170 мм,Рис. 14. у английского и американских — 250 мм. С тубусом соединяются направляющие для грубого перемещения. В нижней части тубуса имеется нарезка для ввинчивания объективов или револьвера.

Механизмы для грубой и тонкой наводки М. Грубая установка микроскопа осуществляется при помощи кремальеры 4 (рис. 1a), на оси которой посажено зубчатое колесо, которое сцепляется с зубчатой рейкой 7 (рис. 1a), скрепленной с тубусом, и при вращении барабана кремальеры заставляет эту рейку, а следовательно, и тубус перемещаться вдоль направляющих тубуса вверх или вниз. Механизм для тонкого перемещения осуществляется различными способами. На рис. 15 показана схема механизма Мейера.Рис. 15. Этот механизм представляет собой систему зубчатых колес, уменьшающих величину перемещения наружной рукоятки и передающих это перемещение зубчатой рейке, которой, оканчивается длинное плечо рычага $A$. На короткое плечо этого рычага опускается конец штифта, в верхней части несет на себе ползун, соединенный с тубусом М. Верхняя спиральная пружинка прижимает всю систему сверху вниз и тем самым уничтожает мертвый ход. Кроме механизма Мейера, наибольшее распространение нашли механизмы: а) рычаг и микрометрич. винт и б) рычаг и червяк. Предметный столик представляет собой квадратную прямоугольную или круглую пластину 8 (рис. 1a), к-рая привинчивается к нижней части тубусодержателя. Предметный столик должен иметь совершенно гладкую плоскость, к-рая должнаРис. 16.Рис. 17. быть ориентирована в точности перпендикулярно оптич. оси М. Поверхность его делается матово-черной для избежания отражения света. В центре столика имеется круглое отверстие (20—35 мм), величина которого регулируетсяРис. 18. Микроскоп для препарировальных работ. диафрагмой. Рассматриваемый объект помещается на столике над этим отверстием (рис. 16) и освещается снизу.Рис. 19.Рис. 20. Микроскоп с окулярным револьвером. Все большие микроскопы снабжаются вращающимися столиками. Если нужно точно фиксировать положение объекта (как, напр., в компараторах), то применяется столик с двумя взаимно-перпендикулярными перемещениями, осуществляемыми при помощи? микрометрических винтов (рис. 17).

Типы М. По характеру применения и допол нительным приспособлениям М. разделяются на: 1) биологические, 2) минералогические (поляризационные), 3) металлографические, 4) отсчетные, 5) проекционные. М. первой группы обслуживают, гл. обр., биологию и медицину и не содержат в себе каких-либо дополнительных, устройств. Вторая группа предназначена для исследований по кристаллографии и аналогичных работ. Эти М. содержат, кроме обычных частей, специальное поляризационное приспособление. Микроскопы третьей группы предназначаются, гл. обр., для металлографии и обычно соединяются с фотографич. установками (см. Микрофотография). Четвертая группа — отсчетные М. — наиболее проста и отличается лишь специальным отсчетным механизмом. Пятая группа М., предназначенных для микропроекции (см.), имеет нек-рые особенности в устройстве штатива. Кроме указанных типов существуют бинокулярные микроскопы, применяемые для препарировальных работ (рис. 18). Совсем недавно выпущен М., у к-рого почти отсутствует тубус (рис. 19), кроме того, окулярному колену придано косое положение, благодаря чему отпадает необходимость давать наклон микроскопа. Это представляет большое удобство для наблюдения. Кроме этого, появилось немало других конструкций микроскопов, имеющих ряд механических и осветительных усовершенствований (см. рис. 20).

Лит.: Тудоровский А. Н., Теория оптических приборов, М. — Л., 1937; Титов Л. Г., Микроскопы, их принадлежности и применение, Л. — М., 1934; Волков Н. А., Краткие основы съемки через микроскоп, Л. — М., 1935; Справочная книга оптико-механика,. под ред. Л. Г. Титова, ч. 1, Ленинград — Москва, 1936, часть 2, 1937.

Ф. Королев.