Какое увеличение у микроскопа считается полезным
Полезное и бесполезное увеличение микроскопа один из принципиальных вопросов для любого микроскописта. Тем более сегодня на рынке представлено великое множество оптических микроскопов, порой с большими увеличениями от 1.000 крат и выше. Насколько эффективно может быть такое увеличение, например, у школьных моделей? Стоит ли гнаться за большими и максимальными увеличениями? В каких случаях это целесообразно. И где больше производители использую маркетинговых уловок?
Разрешающая способность оптического микроскопа (D) зависит от длины волны света (λ), числовой апертуры объектива (a) и здесь работает следующая формула D = λ ÷ a. Исходя из данной формулы можно заметить следующее – чем больше апертура объектива и короче длинна волны используемого для освещения препарат света, тем большая разрешающая способность всей оптической системы, а это значит, можно будет выявить более тонкие структуры у исследуемого образца.
На практике большинство школьных, учебных и лабораторных микроскопов рассчитаны на работу в видимой, средней длиной волны λ = 0.5 мкм, что соответствует разрешению 0.4 мкм для самого “сильного” объектива 100Х (апертура 1.25), например, у микроскопа Микромед Р-1 (лабораторный микроскоп начального уровня) или разрешению 0.8 мкм для школьного микроскопа – объектив 40Х, апертура 0.65 (например, модель Микромед C 12).
Минимальное и максимальное полезное увеличение микроскопа
При стандартной длине тубуса (160 мм) увеличение микроскопа определяется по формуле = (кратность объектива) × (кратность окуляра). Т.е. если Вы в данный момент времени поставили объектив с кратностью 10Х и окуляр с кратностью 16Х, общее увеличение микроскопа составит 160Х.
Рис 1. Обозначения стандартного объектива микроскопа.
Для максимального использования разрешающей способности конкретного объектива Вы должны подобрать такое увеличение, которое будет находится в пределах 500-1000 кратного значения числовой апертуры. Т.е., чтобы определить минимальное полезное увеличение микроскопа при работе с конкретным объективом, Вам нужно 500 умножить на числовую апертуру, указанную на объективе или для определения максимального допустимого увеличения, просто умножьте числовую апертуру на 1000.
Рис 2. Минимальные и максимальные значения увеличений микроскопов при использовании наиболее распространенных объективов.
Работа на увеличениях, меньше указанных значений не позволит реализовать разрешающую способность объектива в полной мере, а использование увеличений больше допустимых нецелесообразно, т.к. не выявит новых деталей объекта (при этом изображение может быть более темных и менее четким и контрастным).
Именно по этой причине будьте внимательны при выборе микроскопа и дополнительных окуляров к ним. Не нужно гнаться за максимальными увеличениями, т.к. положительного эффекта это не приносит – Вы не сможете различить больше новых деталей, а качество изображения при этом снижается. Практически все школьные микроскопы имеют в комплекте 40Х объектив с числовой апертурой 0.65, что соответствуем максимальному полезному увеличению в 650Х, а линза Барлоу, если она идет в комплекте (заявленное увеличение такого микроскопа достигает 1.280Х или 800Х) – бесполезна. Линза Барлоу в школьных микроскопах реально вносит свои аберрации, ухудшающие качество изображения. Мы проводили много раз эксперимент на разных школьных микроскопах с линзой Барлоу – без нее тот же микроскоп показывает четкую картинку со своими родными окулярами, с ней же изображение становиться не таким детализованным, скорее размытым. Т.е. во многих школьных микроскопах производители используют маркетинговых ход – покупатель видит большие цифры и покупает.
В некоторых случаях, при профессиональном применении микроскопа, разумно использовать увеличения, больше предельно допустимого, например, при измерениях и подсчетах.
Используемая литература:
Ромейс Б. – Микроскопическая техника – 1953
Источник
ГлавнаяСтатьиУвеличение и разрешающая способность микроскопа Микроскопы: статьи, обзоры и описания
19.10.2012 Подробное описание таких параметров микроскопа, как увеличение и его разрешающая способность: единицы измерения, алгоритмы расчета, стандартные значения параметров. У микроскопов на оправе объектива через дробь приводят значение увеличения и числовой апертуры NA (наибольшего полезного увеличения, демонстрирующего, какое разрешение имеется у объектива). Порой на объективе также указывают длину тубуса прибора и толщину покровного стекла, служащих для работы объектива со штатным значением увеличения. Увеличение микроскопа Измеряется увеличение микроскопа в кратах (х) и зависит от характеристик системы объектив/окуляр. Параметр рассчитывают путем умножения размера увеличения, даваемого окуляром, на размер увеличения, даваемого объективом. Увеличение микроскопа прямо связано с увеличением объектива. В то же время, увеличение объектива может быть малым — не большим 10х, средним — не большим 50х, большим — превышающим 50х и сверхбольшим — большим, чем 100х. У микроскопов оно способно достигать 2000х. Исследовательские микроскопы имеют увеличение окуляра, равное 10х, а объективы их увеличивают до 4-100х. Конструкция микроскопа тоже может влиять на его увеличение. Ребенку подходят микроскопы с увеличением не более 200х, школьнику или новичку – 400х, а знатоку – с 1500-2000-кратным увеличением. Разрешающая способность Характеристика важная, еще одна, отвечающая за качество и четкость изображения микроскопа — его разрешающая способность. Она зависит от параметров объектива и конденсора, и рассчитывается путём деления длины световой волны на величину 2-х числовых апертур. Чем больше апертура, тем выше разрешение прибора. Предел разрешения наступает при наименьшем расстоянии, когда ещё четко видны все точки. Наибольшее значение разрешающей способности для оптических микроскопов — 0,2 микрона. Имеется также т. н. полезное увеличение микроскопа, когда наблюдение объекта ведется под предельным углом обзора. Величина наибольшего полезного увеличения прямо связана с числовой апертурой объектива, которую увеличивают в 500-1000 раз. Для сухих объективов числовая апертура бывает 1,0, при этом максимально полезное увеличение микроскопа — 1000х. Для иммерсионных объективов числовая апертура бывает 1.25, значит, максимально полезное увеличение микроскопа будет 1250х. Меньшее и большее увеличения микроскопа считают бесполезным, т.к. они не дают четкого изображения, а, напротив, делают его размытым и нечетким.
| Популярные статьи Дополнительный функционал компьютерных мышей: дополнительные кнопки, скроллер, сенсорные клавиши, возможность изменения веса, подсветка кнопок и др. Избранные статьи Все знают что объектив и видоискатель являются неотъемлемыми элементами при работе с видеокамерами. Эта статьи о них. Неисправность объектива – самая распространенная поломка фотоаппарата. Причины поломки объектива. Характеристика неисправностей объектива и ее признаки. |
Источник
Микроскоп предназначен для наблюдения мелких объектов с большим увеличением и с большей разрешающей способностью, чем дает лупа. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей:
объектива и окуляра. Объектив микроскопа образует действительное увеличенное обратное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Окуляр действует как лупа и образует мнимое изображение
на расстоянии наилучшего видения (рис. 6.4). По отношению ко всему микроскопу рассматриваемый предмет располагается в передней фокальной плоскости.
Рис. 6.4. Оптическая схема микроскопа.
6.2.1. Увеличение микроскопа
Действие микрообъектива характеризуют его линейным увеличением:
| , | (6.5) |
где – фокусное расстояние микрообъектива, – расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, называемое оптическим интервалом или оптической длиной тубуса.
Изображение, создаваемое объективом микроскопа в передней фокальной плоскости окуляра рассматривается через окуляр, который действует как лупа с видимым увеличением:
| . | (6.6) |
Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра:
. | (6.7) |
Если известно фокусное расстояние всего микроскопа, то его видимое увеличение можно определить так же, как и у лупы:
| . | (6.8) |
Как правило, увеличение современных объективов микроскопов стандартизованное и составляет ряд чисел: 10, 20, 40, 60, 90, 100 крат. Увеличения окуляров тоже имеют вполне определенные
значения, например 10, 20, 30 крат. Во всех современных микроскопах имеется комплект объективов и окуляров, которые специально рассчитываются и изготавливаются так, что подходят друг к другу, поэтому
их можно комбинировать для получения разных увеличений.
6.2.2. Поле зрения микроскопа
Поле зрения микроскопа зависит от углового поля окуляра , в пределах которого получается изображение достаточно хорошего качества:
| . | (6.9) |
При данном угловом поле окуляра линейное поле микроскопа в пространстве предметов тем меньше, чем больше его видимое увеличение.
6.2.3. Диаметр выходного зрачка
микроскопа
Диаметр выходного зрачка микроскопа вычисляется следующим образом:
| . | (6.10) |
где – передняя апертура микроскопа.
Диаметр выходного зрачка микроскопа обычно немного меньше диаметра зрачка глаза (0.5 – 1 мм).
При наблюдении в микроскоп зрачок глаза нужно совмещать с выходным зрачком микроскопа.
6.2.4. Разрешающая способность
микроскопа
Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность. Согласно дифракционной теории Аббе, линейный предел разрешения микроскопа, то есть минимальное
расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, зависит от длины волны и числовой апертуры микроскопа:
| . | (6.11) |
Предельно достижимую разрешающую способность оптического микроскопа можно сосчитать, исходя из выражения для апертуры микроскопа (). Если учесть, что максимально возможное значение синуса угла – единичное (), то для средней длины волны можно вычислить разрешающую способность микроскопа: .
Из выражения (6.11) следует, что повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая апертуру объектива, либо уменьшая длину волны света, освещающего
препарат.
Иммерсия
Для того чтобы увеличить апертуру объектива, пространство между рассматриваемым предметом и объективом заполняется так называемой иммерсионной жидкостью – прозрачным веществом
с показателем преломления больше единицы. В качестве такой жидкости используют воду (), кедровое масло (), раствор глицерина и другие вещества. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины , тогда предельно достижимая разрешающая способность иммерсионного оптического микроскопа составит .
Применение ультрафиолетовых лучей
Для увеличения разрешающей способности микроскопа вторым способом применяются ультрафиолетовые лучи, длина волны которых меньше, чем у видимых лучей. При этом должна быть
использована специальная оптика, прозрачная для ультрафиолетового света. Поскольку человеческий глаз не воспринимает ультрафиолетовое излучение, необходимо либо прибегнуть к средствам, преобразующим
невидимое ультрафиолетовое изображение в видимое, либо фотографировать изображение в ультрафиолетовых лучах. При длине волны разрешающая способность микроскопа составит .
Кроме повышения разрешающей способности, у метода наблюдения в ультрафиолетовом свете есть и другие преимущества. Обычно живые объекты прозрачны в видимой области спектра, и поэтому перед
наблюдением их предварительно окрашивают. Но некоторые объекты (нуклеиновые кислоты, белки) имеют избирательное поглощение в ультрафиолетовой области спектра, благодаря чему они могут быть «видимы»
в ультрафиолетовом свете без окрашивания.
6.2.5. Полезное увеличение микроскопа
Глаз наблюдателя сможет воспринимать две точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза. Для того чтобы глаз наблюдателя
мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, необходимо иметь соответствующее видимое увеличение.
Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность
микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза.
Если две точки в передней фокальной плоскости микроскопа расположены друг от друга на расстоянии , то угловое расстояние между изображениями этих точек . Из выражений (6.11) и (6.8) можно вывести видимое увеличение микроскопа:
| . | (6.12) |
Поскольку обычно диаметр выходного зрачка микроскопа около 0.5 – 1 мм, угловой предел разрешения глаза 2´ – 4´. Если взять среднюю длину волны в видимой области спектра
(0.5 мкм), то для полезного увеличения микроскопа можно вывести зависимость:
| . | (6.13) |
Микроскоп с видимым увеличением меньше 500А не позволяет различать глазом все тонкости структуры предмета, которые изображаются как раздельные данным объективом (). Использование видимого увеличения больше 1000А нецелесообразно, так как разрешающая способность объектива не позволяет полностью использовать
разрешающую способность глаза ().
Источник
Увеличение системы – важный фактор, в основе которого лежит выбор того или другого микроскопа в зависимости от решения необходимых задач. Все мы привыкли к тому, что проводить контроль полупроводниковых элементов необходимо на инспекционном микроскопе с увеличением 1000 и более крат, изучать насекомых можно, работая с 50 кратным стереомикроскопом, а луковые чешуйки, окрашенные йодом или зеленкой, мы изучали в школе на монокулярном микроскопе, когда понятие увеличения еще не было нам знакомо.
Но как интерпретировать понятие увеличения, когда перед нами находится цифровой или конфокальный микроскоп, а на объективах стоят значения 2000х, 5000х? Что это означает, будет ли 1000 кратное увеличение на оптическом микроскопе давать изображение, аналогичное цифровому 1000 кратному микроскопу? Об этом вы узнаете в этой статье.
Оптическое увеличение системы
Когда мы работаем с лабораторным или стереоскопическим микроскопом, подсчет текущего увеличения системы не составляет труда. Необходимо перемножить увеличение всех оптических компонентов системы. Обычно, в случае стереомикроскопа это объектив, трансфокатор или увеличительный барабан и окуляры.
В случае обычного лабораторного микроскопа дело обстоит еще проще – общее увеличение системы = кратность окуляров умноженная на кратность объектива, установленного в рабочую позицию. Важно помнить, что иногда встречаются специфические модели тубусов микроскопа, имеющие увеличивающий или уменьшающий фактор (особенно распространено для старых моделей микроскопов Leitz). Также, дополнительные оптические компоненты, будь то источник коаксиального освещения в стереомикроскопе или промежуточный адаптер для камеры, располагающийся под тубусом, могут иметь дополнительный фактор увеличения.
Дополнительные оптические компоненты иногда имеют свой фактор увеличения, отличный от 1. В данном случае, коаксиальный осветитель (поз. 2) стереомикроскопа Olympus SZX16 имеет дополнительный увеличивающий фактор 1,5х.
К примеру, стереомикроскоп Olympus SZX-16 с окулярами 10х, объективом 2х, трансфокатором в позиции 8х и блоком коаксиального освещения с фактором 1,5х будет обладать общим оптическим увеличением 10х2х8х1,5 = 240 крат.
Принципиальная схема получения изображения на световом микроскопе. Окуляр увеличивает изображение, построенное объективом и формирует мнимое изображение.
Под оптическим увеличением (Г) в таком случае следует понимать отношение тангенса угла наклона луча, вышедшего из оптической системы в пространство изображений, к тангенсу угла сопряженного ему луча в пространстве предметов. Либо отношение длины, сформированного оптической системой изображения отрезка, перпендикулярного оси оптической системы, к длине самого отрезка
Геометрическое увеличение системы
В случае, когда у системы нет окуляров, а увеличенное изображение формируется камерой на экране монитора, к примеру, как на микроскопе Keyence VHX-5000, следует переходить к термину геометрического увеличения оптической системы.
Геометрическое увеличение микроскопа – отношение линейного размера изображения объекта на мониторе к реальному размеру изучаемого объекта.
Получить значение геометрического увеличения можно перемножив следующие величины: оптическое увеличение объектива, оптическое увеличение адаптера камеры, отношение диагонали монитора к диагонали матрицы камеры.
К примеру, при работе на лабораторном микроскопе с объективом 50х, адаптером камеры 0,5х, камерой 1/2.5” и, выводя изображение на монитор ноутбука 14”, мы получим геометрическое увеличение системы = 50х0,5х(14/0,4) = 875х.
Хотя оптическое увеличение при этом будет равно 500х в случае 10х окуляров.
Цифровые микроскопы, конфокальные профилометры, электронные микроскопы и другие системы, формирующие цифровое изображение объекта на экране монитора оперируют понятием геометрического увеличения. Не стоит путать это понятие с оптическим увеличением.
Разрешение микроскопа
Широко распространено заблуждение, что разрешение микроскопа и его увеличение связаны между собой жесткой связью – чем больше увеличение, тем более мелкие объекты мы сможем в него увидеть. Это не верно. Самым важным фактором всегда остается разрешение оптической системы. Ведь увеличение неразрешенного изображения не даст нам о нем новой информации.
Разрешение микроскопа зависит от числового значения апертуры объектива, а также от длины волны источника освещения. Как вы видите, параметра увеличения системы в этой формуле нет.
где λ – усредненная длина волны источника света, NA – числовая апертура объектива, R – разрешение оптической системы.
При использовании объектива с NA 0,95 на лабораторном микроскопе с галогенным источником (средняя длина волны порядка 500 нм) мы получаем разрешение около 300 нм.
Как видно из принципиальной схемы светового микроскопа, окуляры увеличивают действительное изображение объекта. Если, к примеру, повысить кратность увеличения окуляров в 2 раза (вставить в микроскоп окуляры 20х) – то общее увеличение системы удвоится, но разрешение при этом останется прежним.
Важное замечание
Предположим, что у нас есть два варианта построения простого лабораторного микроскопа. Первый построим, используя объектив 40х NA 0,65 и окуляры 10х. Второй же будет использовать объектив 20х NA 0,4 окуляры 20x.
Увеличение микроскопов в обоих вариантах будет одинаковое = 400х (простое перемножение увеличения объектива и окуляров). А вот разрешение в первом варианте будет выше, чем во втором, так как числовая апертура объектива 40х больше. К тому же не стоит забывать о поле зрения окуляров, у 20х этот параметр на 20-25% ниже.
Источник