Автор: Панов В.А. Скворцов Г.Е. Поляков Н.И. Федин Л.А.
Теги: применение оптики в целом оптика оптические приборы
Год: 1969
Текст
Г. Е. СКВОРЦОВ,
В. А. ПАНОВ,
Н. И. ПОЛЯКОВ,
Л. А. ФЕДИН
МИНРОСНОПЫ
Под редакцией
канд. техн, наук Н. И. ПОЛЯКОВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО ,,МАШИНОСТРОЕНИЕ"
ЛЕНИНГРАД 1969
УДК 535.825
Микроскопы. Скворцов Г. Е., Панов В. А., Поля-
ков И. И., Федин Л. А. Изд-во «Машиностроение», 512стр.,
72 табл., 308 илл., библ. 64 назв.
В книге описаны геометрическая теория микроскопа и вол-
новая теория образования в нем изображения. Приведены прин-
ципиальные оптические схемы различных типов микроскопов,
рекомендации по выбору объектива и окуляра для визуального
наблюдения и микрофотографирования; рассмотрены вопросы
освещенности изображения и потери света в микроскопах, основ-
ные типы источников и приемников излучения, применяемых
в микроскопии. Описано устройство современных микроскопов
различных назначений, а также микрофотографических и микро-
проекционных установок отечественного производства и кон-
струкций вспомогательных принадлежностей к ним. Изложены
общие правила настройки и эксплуатации микроскопов; указаны
оптические материалы, применяемые в микроскопии.
Книга предназначена для широкого круга инженерно-тех-
нических работников различных отраслей народного хозяйства.
Она может быть также полезна преподавателям и студентам
вузов.
Рецензент д-р техн наук проф.
засл. деят. науки и техники РСФСР М. М. РУСИНОВ
3—13—6
82—69
Часть первая
ТЕОРИЯ
И ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ
МИКРОСКОПОВ
Глава I
ЛУПЫ
1. Назначение лупы и ее увеличение
Невооруженный глаз может различать отдельные детали рассматри-
ваемого предмета только в том случае, если угол между лучами, проведен-
ными из центра входного зрачка глаза к соседним деталям, будет не меньше
некоторой определенной величины. Эта величина, называемая остротой
зрения, для нормального глаза при достаточной освещенности предмета
и большой контрастности его деталей доходит до Г. Средняя же острота
зрения при не очень напряженном внимании лежит в пределах
2'^е^4'. (1.1)
Угловая величина детали определенного линейного размера зависит
от расстояния между глазом и предметом; так как это расстояние не может
быть меньше конечной величины, определяющейся аккомодационной спо-
собностью глаза, то невооруженный глаз не может различать детали, раз-
меры которых меньше некоторых предельных значений. В случае нормаль-
ного глаза хорошо освещенные (приблизительно 50 лк) предметы чаще
всего рассматриваются с расстояния так называемого «наилучшего виде-
ния», которое условно принимается равным D = 250 мм. При остроте
зрения е=2' глаз может на этом расстоянии различать детали размером не
меньше 0,15 мм. Это достаточно малая величина при сравнении ее, напри-
мер, с газетным или журнальным клише, у которых размер растра лежит
в пределах 0,2—0,4 мм.
Если требуется наблюдать более мелкие детали, то необходимы сред-
ства для увеличения угла зрения. Такими средствами являются увеличи-
тельные приборы: лупа и микроскоп. Эти приборы дают увеличенные изо-
бражения предметов, находящихся на близких расстояниях от глаза;
причем угловые размеры деталей этих изображений, рассматриваемых
глазом, удовлетворяют выражению (1.1).
Лупой называют положительную линзу или простую оптическую сис-
тему, помещаемую перед глазом, тогда как предмет располагается в ее
передней фокальной плоскости или несколько ближе. В этом случае система
образует прямое увеличенное и мнимое изображение, расстояние от кото-
рого до глаза зависит от расстояния между предметом и передним фокусом
системы.
Увеличительную способность лупы характеризуют угловым увеличе-
нием, т. е. отношением тангенсов углового размера изображения, давае-
мого лупой, и углового размера предмета, наблюдаемого невооруженным
глазом на расстоянии D (рис. 1.1), так как эти величины определяют раз-
меры изображений предмета на сетчатке глаза /' и
Согласно данному определению, увеличение лупы равно
Из рис. 1.1, а ясно, что тангенс углового размера предмета I равен
tg«.=4, <13>
где D — расстояние наилучшего видения.
8
Для глаза безразлично, какая увеличительная система установлена
перед ним: лупа или микроскоп; поэтому на рис. 1.1, б условно показана
не одиночная линза, а первая и последняя поверхности системы, ее главные
плоскости Н и Н', а также положение ее переднего и заднего фокусов F и F’.
Дальнейшее в равной степени относится не только к лупе, но и к микро-
скопу.
Если глаз Гл аккомодирован на конечное расстояние s, то изображе-
ние Г предмета /, рассматриваемого через лупу, должно находиться на та-
ком же расстоянии от глаза. Чтобы обеспечить это условие, предмет следует
поместить на расстоянии х от
переднего фокуса лупы.
Кажущийся размер изо-
бражения /' определяется
углом w' и тангенс углового
размера изображения равен
tgw' = -_-L. (1.4)
Если глаз удален от заднего
фокуса на величину хг, то
расстояние от заднего фокуса
до изображения будет
x' = xa + s. (1.5)
Согласно формуле линейного
увеличения для системы с фо-
кусным расстоянием /'
Рис. 1.1. Схема наблюдения объекта: а — невоору-
женным глазом; б — через лупу
или, подставляя сюда х' из равенства (1.5),
Z' = —-^-(x. + s).
Подстановка этого выражения в формулу (1.4) дает
= (1.6)
Если в формуле (1.2) значения тангенсов заменить из (1.3) и (1.6), то види-
мое увеличение лупы при аккомодированном глазе будет равно
Гак = ^(1+-^). (1.7)
Положение предмета относительно переднего фокуса определяется по
формуле Ньютона
х =------' - —--------.
X Хг + S
(1.8)
Наилучшими условиями работы глаза считаются такие, когда глаз
аккомодирован на бесконечно большое расстояние, так как при этом
9
мышца хрусталика глаза не напряжена. В этом случае s = оо и формула
(1.7) принимает вид
Г = ~, (1.9)
а предмет помещается в передней фокальной плоскости, так как в выраже-
нии (1.8) х становится равным нулю. Кроме того положение глаза относи-
тельно лупы значения не имеет.
Номинальное значение увеличения лупы и микроскопа обычно всегда
характеризуется величиной, подсчитанной по формуле (1.9). Увеличение
лупы, выраженное этой формулой, является чисто условной характеристи-
кой. Нельзя, например, думать, что линза с фокусным расстоянием 250 мм
(Г = 1) не дает увеличения. Любая положительная система, помещенная
между глазом и предметом, дает увеличенное мнимое изображение пред-
мета, если х 0.
Эго становится ясно при анализе формулы (1.7), из которой следует,
что увеличение лупы зависит не только от величины ее фокусного расстоя-
ния, но также от расстояния между глазом и задним фокусом и от акко-
модации глаза (или удаления предмета от переднего фокуса). Если глаз
расположен в заднем фокусе лупы, т. е. хг = 0, то выражение (1.7) прини-
мает вид формулы (1.9). Следовательно, в этом случае увеличение лупы не
зависит от положения предмета и аккомодации глаза и становится тем же
номинальным увеличением, что и при аккомодации глаза на бесконечность.
Если же глаз находится дальше заднего фокуса, то увеличение лупы будет
меньше номинального, если глаз расположен между линзой и задним фоку-
сом, — увеличение больше номинального.
Если принять, что разрешающая способность глаза в линейной мере
(наименьшее расстояние между двумя близкими точками, которые глаз
видит раздельно) равна De, то разрешающая способность, системы лупа—
глаз будет
6 = -^, (1.10)
где D — расстояние наилучшего видения;
8 — острота зрения;
Г — увеличение лупы.
2. Ограничение световых пучков
Ограничение световых пучков в системе лупа—глаз иллюстрируется
рис. 1.2, где для простоты и наглядности зрачок глаза представлен в виде
диафрагмы радиусом ггл, а лупа с оправой диаметром — в виде тонкой
линзы, главные плоскости которой ввиду малости расстояния между ними
совмещены с оправой. Глаз считается неподвижным и аккомодированным
на бесконечность. Диаметр оправы больше диаметра зрачка, как это и
бывает при лупах слабого и среднего увеличения.
В системе лупа—глаз выходным зрачком является зрачок глаза, а поле
зрения ограничивается диаметром оправы лупы, которая служит люком
системы. Эти два отверстия и ограничивают световые пучки. Входной зра-
чок системы — это изображение зрачка глаза через лупу.
10
Все точки той части предмета L, которая ограничена лучами 1—1,
изображаются пучками, заполняющими весь зрачок глаза. Часть изобра-
жения L', ограниченная лучами 2'—2', проектируется пучками, заполняю-
щими не менее половины площади зрачка. И, наконец, лучи 3’—3’ огра-
ничивают ту часть, которая изображается пучками, заполняющими менее
половины зрачка. Последняя пара лучей ограничивает все поле зрения. Так
как люк не совпадает с предметной плоскостью или плоскостью, сопряжен-
ной с ней, то края поля зрения не имеют резкой границы, и наблюдается
виньетирование: по мере перемещения от точки Г к точке 3' освещен-
ность изображения соответст-
вующих участков на сетчатке
глаза постепенно убывает от
максимальной до нуля.
Так как поле зрения лупы не
имеет резкой границы, то оно
условно определяется диамет-
ром той зоны, которая ограни-
чена лучами 2—2, т. е. зоны,
изображаемой пучками, имею-
щими главные лучи. За преде-
лами этой зоны пучки не имеют
главных лучей.
Из треугольников на рисунке
можно найти, что угловой раз-
мер поля зрения равен
16»'=-£-, ('")
а угловые размеры зон, ограни-
ченных лучами 1 и 3,
, ' Da — 2г гл
= ;
tg^3==----2a--’ <IJ2)
где a — расстояние между глазом и лупой.
Линейное поле зрения лупы, согласно рис. 1.2, равно
2/= —2/tg да = 2/'tg (1.13)
Из формулы (1.11) и рисунка следует, что поле зрения зависит от рас-
стояния между лупой и глазом, т. е. увеличивается по мере уменьшения
величины а. Если а = f', то в соответствии с формулами (1.11) и (1.13)
линейное поле зрения равно диаметру лупы: 2/ = Dp, если a^>f, то
2/ <£)л; если а </', то 21 > 13л.
Анализируя выражения (1.12), можно сделать заключение, что при
уменьшении диаметра зрачка глаза сокращается область постепенного
спада освещенности изображения на сетчатке, т. е. уменьшается виньети-
рование, так как углы w[ и да'по своей величине приближаются к углу да'.
Величина зрачка зависит от яркости наблюдаемого предмета. Следова-
тельно, при пользовании лупой рационально наблюдать хорошо освещен-
ные предметы.
1 I
Все эти выводы сделаны исходя, в частности, из предположения, что
глаз неподвижен. Однако на практике это не так. Глаз видит резко не-
большую область пространства, ограниченного конусом с углом при вер-
шине около 2°. Значительное кажущееся увеличение пространства, види-
мого резко, происходит за счет непрерывного вращения глаза вокруг
центра, отстоящего на 13—15 мм от зрачка. В этом случае при рас-
смотрении системы лупа—глаз зрачок глаза следует мысленно отнести
в центр его вращения, т. е. величину а заменить величиной (а + 15).
Тогда поле зрения будет меньше. Однако в действительности из-за малой
величины пространства, видимого резко, поле зрения при подвижном
глазе больше, чем при неподвижном.
Ввиду того, что при наблюдении через лупу зрачком, ограничивающим
пучки, служит зрачок глаза, яркость изображения в зоне Г—Г равна яр-
кости самого предмета, рассматриваемого невооруженным глазом, если
пренебречь потерями света на поглощение и отражение, которые здесь
малы.
Лупы большого увеличения (с фокусным расстоянием менее 10 мм),
которые иногда называют простыми микроскопами, имеют небольшое рас-
пространение, тем не менее здесь следует вкратце сказать о них. Световое
отверстие этих луп меньше зрачка глаза, поэтому оно определяет зрачок
системы. Изменение освещенности изображения аналогично рассмотренно-
му выше, однако яркость изображения даже центральной зоны меньше
яркости предмета, наблюдаемого невооруженным глазом. Поле зрения та-
ких луп мало, поэтому при работе их надо помещать непосредственно перед
глазом. Это создает большие неудобства в работе и затрудняет освещение
наблюдаемого предмета.
3. Глубина резкого изображения
При наблюдении через лупу объемного предмета одновременно резко
видны его детали, расположенные не в одной плоскости, а в пространстве,
имеющем некоторую протяженность по глубине. Эту протяженность на-
зывают глубиной резкого изображения. Она складывается из трех глубин:
аккомодационной, геометрической и волновой. Последняя при работе
с лупой невелика и ею здесь можно пренебречь. Подробно она рассматри-
вается в гл. III.
Аккомодационная глубина. В процессе наблюдения объемного пред-
мета или его изображения аккомодация глаза все время меняется так, что
последовательно просматривается вся глубина пространства. Благодаря
субъективному восприятию результатов этого процесса создается впечат-
ление, что все просматриваемое пространство видно одновременно резким.
Если глаз аккомодирует на расстояние от 250 мм до бесконечности, то
он через лупу будет видеть резкими детали предмета, лежащие в промежут-
ке между передней фокальной плоскостью лупы и плоскостью, удаленной
от фокуса на расстояние х, определяемое по формуле (1.8). Когда глаз
находится в заднем фокусе, аккомодационная глубина будет
Т - - - 250 (I ш
где Г — увеличение лупы.
12
Геометрическая глубина. Если глаз (рис. 1.3), представленный в виде
зрачка Л сфокусирован через лупу на плоскость Р, то всем точкам этой
плоскости соответствуют точки на сетчатке глаза. Конусы световых пучков
ограничиваются входным зрачком Г. Точки плоскостей Рг и Р2 проекти-
руются на сетчатке не в виде точек, а в виде кружков рассеяния. Этим круж-
кам в пространстве предметов соответствует кружок диаметром 8р, огра-
ниченный на плоскости Р конусами лучей, исходящих из точек плоскос-
тей Рг и Р2- Кружок с диаметром 6р будет казаться точкой, если его размер
не превосходит разрешающей способности, определяемой по формуле
(1.10), т. е.
Рис. 1.3. Схема, поясняющая глубину резкого изображения
Если из передней фокальной плоскости посмотреть на зрачок глаза,
то угловой размер радиуса его изображения
= (1.16)
Ввиду того, что 8Р — величина малая, t± и /2 малы по сравнению с р.
Поэтому с большой степенью точности можно считать, что w± = w — w2.
Тогда расстояния между плоскостями Plt Р,Р2, определяющие геометри-
ческую глубину, оказываются равными
t — t —
11 12 2 tg со'
Теперь на основании этого выражения, применив формулы (1.15);
(1.16) и (1.9), можно найти, что геометрическая глубина равна
Т = / -I- t — — D • ₽ • ? — • 25® Н 171
г tl + t2 tg ш U е гГгл ггл р • (1Л7)
Общая глубина резкого изображения представляет собой сумму акко-
модационной (1.14) и геометрической (1.17) глубин:
гр гр । гр 250 , /J8 250 .-г 1 о\
1 — < ак + I г — -р + ~j— • р-- U-lo)
Второе слагаемое отличается от первого множителем £>е/ггл. Если принять
D = 250 мм\ 8 = 2', ггл = 1 мм, то этот множитель становится равным
13
Ог!ггл = 0,15. Таким образом, глубина резкого изображения определяется
в основном аккомодационной глубиной. Например, для лупы Г = 5х
глубина резкого изображения равна: Т — 10 -ф 0,15-10 = 11,5 мм.
4. Оптические схемы и конструкции различных типов луп
Лупы малого увеличения (до 7х) обычно состоят из одной
линзы (рис. 1.4, а). Так как их фокусное расстояние сравнительно велико,
а диаметр зрачка глаза мал, то аберрации, возникающие при широких
пучках лучей, здесь во внимание не принимаются. Астигматизм этих луп
не дает возможности получить резкое изображение всего поля зрения. Кри-
визна изображения и дисторсия хотя и не приводят к размытию изображе-
ния, однако искажают форму краев предмета. Из обеих хроматических
аберраций у слабых луп имеет некоторое значение только хроматическая
Рис. 1.4. Оптические схемы луп: а — однолинзовой; б — дуплетной; в — верантной;
г — апланатической; д—анастигматической; е— бинокулярной
разность увеличений, но обычно она настолько мала, что не мешает на-
блюдению. При пользовании лупами несимметричной формы для умень-
шения величины аберраций их следует располагать так, чтобы плоская
(или менее искривленная) поверхность стекла была обращена к глазу.
У одиночной линзы диаметр поля зрения с удовлетворительным качеством
изображения доходит до х/5 фокусного расстояния.
Большое поле зрения диаметром не менее фокусного расстояния обес-
печивается линзой, у которой одна поверхность сферическая, вторая —
асферическая.
Для уменьшения астигматизма вместо плоско-выпуклых и двояковы-
пуклых линз в качестве лупы применяют астигматические линзы (типа
очковых), имеющие форму выпукло-вогнутых менисков. У этих линз астиг-
матизм исправлен для лучей, проходящих через определенную точку,
с которой должен совпадать центр вращения глаза. Поэтому лупы из таких
линз имеют специальную оправу, обеспечивающую определенное взаимное
расположение линзы и глаза. Оправа выполнена в виде монокля и при
работе удерживается в глазной впадине с помощью мышц лица.
Возможно применение двух одиночных линз в качестве лупы таким
образом, что наблюдение производится или через любую из них, или через
обе сразу. В последнем случае линзы располагаются почти вплотную друг
14
к другу. Такая лупа имеет три сменных увеличения Г1; Г2 и Г3 = + Г2,
где 1\ и Г2 — увеличения первой и второй отдельной линзы.
Лупы среднего и сильного увеличения (свыше 6х) из-за небольшого по
сравнению с размером зрачка фокусного расстояния требуют устранения
также и осевых аберраций: сферической и хроматической. Так как при
одной линзе труднее устранить аберрации, то получение удовлетворитель-
ного качества изображения в сильных лупах достигается применением двух
или более линз.
Примером лупы из двух несклеенных линз может
служить дуплетная лупа (рис. 1.4, б), предложенная Волластоном, со-
стоящая из двух плоско-выпуклых линз. Все аберрации, кроме хромати-
ческой, в большей или меньшей степени устранены, поэтому изображение
достаточно хорошее по всему полю зрения. Увеличение лупы может до-
стигать очень больших значений.
Верантная лупа (рис. 1.4, в) из положительного и отрица-
тельного менисков имеет значительное поле зрения, достигающее 60°.
Лупа свободна от астигматизма, кривизны изображения, дисторсии и
хроматической разности увеличений. Рассчитана для определенного по-
ложения глаза и имеет небольшое увеличение.
Апланатическая лупа по Штейнгелю (рис. 1.4, а) довольно рас-
пространена для увеличения 6—15х. Состоит из трех склеенных линз:
средняя—двояковыпуклая, крайние — симметрично расположенные оди-
наковые отрицательные мениски. В системе благодаря ее симметрии
отсутствуют аберрации наклонных пучков, а также устранены сфериче-
ская аберрация и хроматическая разность увеличений. Все это обеспе-
чивает хорошее качество изображения по всему полю зрения, угловой
размер которого достигает 20°.
Четырех линзовые анастигматические лупы
(рис. 1.4, д') являются наиболее совершенными лупами с большими увели-
чениями (10—40х), у которых устранены все аберрации как осевые, так и
внеосевые. По своим качествам эти лупы приближаются к микрообъективам.
Теоретически возможно изготовить лупы с очень большим увеличением.
Фокусное расстояние таких луп будет мало. Это приведет к значительным
трудностям: диаметры линз станут малыми, а кривизна поверхностей —
большой; сильно уменьшится поле зрения и очень затруднится освещение
объекта.
Бинокулярные лупы обычно состоят из двух одиночных
линз или линз с помещенными перед ними призмами, расположенных
так, что наблюдение через них ведется одновременно двумя глазами. Эти
лупы дают возможность видеть объемное изображение предмета и поэтому
очень удобны для препарировальных и других работ подобного рода. Уве-
личение луп, как правило, не превышает 3х. Две линзы простейшей би-
нокулярной лупы (рис. 1.4, е) представляют собой крайние участки одной
линзы, в фокусе которой помещается предмет О. Таким образом, при на-
блюдении лучи из одной точки предмета попадают в оба глаза. Для выпол-
нения этого условия в случае обыкновенных линз перед ними устанав-
ливаются соответствующие призмы.
Конструкции луп довольно разнообразны, что вызвано раз-
личными условиями их применения. На рис. 1.5 показано по одной лупе
из всех наиболее употребительных типов (исключая бинокулярные).
15.
Складные лупы (рис. 1.5, а) имеют наиболее разнообразное применение
благодаря своей портативности. Лупы заключены в легкую пластмассовую
оправу, которая служит корпусом для сохранности линзы, а при работе
Рис. 1.5. Различные типы луп: а—-складная ЛШ,7Х; б — часовая ЛПК, 456,5Х; в —
штативная ЛПШ-459, 1,5Х; г — просмотровая Л5; д — измерительная ЛИ-З-ЮХ; е — тек-
стильная ЛТ-1-7Х; ж — зерновая ЛПШ-461
выполняет роль ручки. Изготавливаются с увеличениями от 2,5 до 20х и
линейным полем зрения, соответственно от 95 до 6 мм.
Часовые лупы (рис. 1.5, б) применяются для сборки часовых механиз-
мов и других работ с мелкими предметами. Лупы представляют собой
16
тонкую линзу, вмонтированную в легкую пластмассовую оправу, которая
во время работы удерживается в глазной впадине. Увеличение луп бывает
в пределах от 0,7 до 10х при линейном поле зрения от 120 до 10 мм.
Штативные лупы (рис. 1.5, в) предназначаются для рассматривания карт,
фотоснимков, чтения мелкого текста, для сборки и контроля мелких дета-
лей. Их увеличение 1,5х, 3х и 8х, а линейное поле зрения 80 , 60 и 18 мм.
Просмотровая лупа (рис. 1.5, г) имеет увеличение 5х и линейное поле
зрения 45 мм. Лупа служит для просмотра кинопленки шириной 35 мм,
которая вставляется в направляющие, имеющиеся в корпусе. Фокусировка
на пленку осуществляется перемещением оправы лупы в корпусе. Лупа
снабжена пробойником для отметки кадров.
Измерительной лупой (рис. 1.5, д) пользуются для измерения линей-
ных размеров плоских предметов или их деталей. Для этой цели в фокаль-
ной плоскости лупы помещена стеклянная пластинка со шкалой, которая
при измерении накладывается на предмет. Фокусировка на шкалу и пред-
мет производится посредством перемещения оправы с лупой в корпусе.
Шкала имеет длину 15 мм и цену деления 0,1 мм. Увеличение 10х.
Текстильные лупы (рис. 1.5, е) предназначены для обнаружения
различных дефектов тканей и для определения их плотности, т. е. коли-
чества нитей на 1 см. Лупа устанавливается непосредственно на ткань,
наблюдаемая поверхность которой ограничивается окном с размерами 10 X
< 10 мм. Лупы изготавливаются с увеличениями 4х и 7х.
Зерновая лупа (рис. 1.5, ж) служит для определения качества зерна
и пораженности зерна клещами. Увеличение лупы 4х. Диаметр окна
в основании 56 мм, но поле зрения с удовлетворительным качеством изобра-
жения несколько меньше.
5. Телескопическая лупа
и лупа с отрицательным окуляром
Как уже говорилось, недостатком луп большого увеличения является
малое рабочее расстояние (расстояние между лупой и предметом), что
приводит к значительным трудностям в работе. Эти затруднения отсут-
ствуют в телескопических лупах (или телелупах) и лупах с отрицательным
окуляром, которые по своей схеме подобны микроскопам, так как имеют
двухступенное увеличение. К лупам их относят из-за сравнительно не-
большого увеличения.
Теле лупа представляет собой зрительную трубу (обычно одиноч-
ную трубку бинокля), перед объективом которой установлена дополни-
тельная линза (рис. 1.6, а). Объект 1 при наблюдении располагается
в передней фокальной плоскости дополнительной линзы 2. Ход лучей
здесь аналогичен ходу лучей в микроскопе, приведенному на рис. II.2,
а увеличение может быть подсчитано по формуле (11.11)
Г _ D /з
7Г71
где fa, fa и /5 — фокусные расстояния соответственно дополнительной
линзы 2 (рис. 1.6, а), объектива трубы 3 и окуляра 5. Первая дробь в этом
выражении представляет увеличение линзы 2 при работе ее в качестве
2
Г. Е. Скворцов и др.
17
лупы Гл, а вторая — увеличение зрительной трубы Гтр. Таким обра-
зом, увеличение телелупы равно
a)
Рис.
мы:
Г = Гл.Гтр. (1.19)
Призменная оборачивающая система 4 дает возможность получить
прямое изображение, что значительно повышает удобство работы.
Положение и размеры зрачков в телелупе определяются так же, как
и в микроскопе.
Промышленные телелупы комплектуются набором сменных допол-
нительных линз, позволяющих изменять увеличение лупы от 0,4 до 40х.
При этом диаметр поля зрения меняется от
540 до 5 мм, а рабочее расстояние (равное
фокусному расстоянию линзы) — от 4000 до
50 мм. Назначение короткофокусных линз
ясно из предыдущего; длиннофокусные линзы
применяются в тех случаях, когда к наблюдае-
мому предмету нельзя приблизиться по ка-
ким-либо причинам.
Лупа с отрицательным оку-
ляром, иногда называемая лупой Брюкке,
представляет собой несколько видоизменен-
ную систему зрительной трубы Галилея
(рис. 1.6, б). Объектив 1 проектирует изобра-
жение предмета в фокальную плоскость оку-
ляра 2, образующего вторично увеличенное
мнимое изображение. Увеличение такой си-
стемы, как и увеличение лупы, выражается
формулой: r = -j7— -f —фокусное расстояние
системы, определяющееся в геометрической
11.1 d
оптике как ——-----------где Л и
f h h fih
ft—фокусные расстояния объектива и окуля-
ра; d — расстояние между объективом и оку-
ляром.
Так как фокусное расстояние (и увеличе-
ние) такой лупы зависит от расстояния меж-
ду объективом и окуляром, то, меняя это
расстояние, можно плавно изменять увеличе-
ние. Это является достоинством системы,
имеет действительного выходного зрачка
WWW-'
1.6. Принципиальные схе-
а — телелупы; б — лупы
с отрицательным окуляром
Однако лупа Брюкке не
и выходного люка, совмещенного с плоскостью изображения. Это обстоя-
тельство, а также малые по сравнению с телелупой поле зрения и рабочее
расстояние при одном и том же увеличении привели к тому, что лупа
Брюкке не получила большого распространения.
Две параллельные телелупы (бинокль с дополнительными линзами
рис. 1.4, е) или лупы Брюкке являются не чем иным, как бинокулярной
стереоскопической лупой. Роль такой лупы могут выполнять телескопи-
ческие очки, которые дают небольшое увеличение, но зато благодаря
своей конструкции обеспечивают удобство в работе.
18
Глава II
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ МИКРОСКОПА
1. Оптическая система
Микроскоп предназначен для наблюдения мельчайших предметов
(в микроскопии их называют препаратами или объектами) с увеличением
значительно большим, чем дает лупа и соответственно с большей раз-
решающей способностью.
Микроскоп, как это видно из схемы (рис. II. 1, а), где представлен
ход лучей, имеет оптическую систему с двумя ступенями увеличения:
первая осуществляется объективом, вторая — окуляром. Объектив 2
Рис. II.1. Принципиальные схемы микроскопа: а — оптиче-
ская; б — эквивалентная
и окуляр 3 здесь условно показаны в виде одиночных линз, тогда как на
самом деле они представляют собой более или менее сложные системы.
Препарат 1 находится перед объективом на расстоянии несколько большем
фокусного расстояния объектива. Объектив образует действительное
увеличенное и перевернутое изображение Г препарата в плоскости, ле-
жащей вблизи переднего фокуса окуляра 3 на расстоянии немного меньше
фокусного расстояния. Окуляр работает подобно лупе (промежуточное
изображение Г является для него предметом) и образует вторично увели-
ченное мнимое и прямое изображение которое, как условно принято
считать, расположено от глаза наблюдателя 4 на расстоянии наилуч-
шего видения D ~ 250 мм (или больше в зависимости от особенностей
глаза и его аккомодации). В результате микроскоп дает возможность рас-
сматривать изображение препарата под большим углом, чем в случае
невооруженного глаза, но это изображение — перевернутое относительно
препарата.
На эквивалентной схеме (рис. II.1, б) указано взаимное расположение
главных плоскостей и фокусов объектива, окуляра и всего микроскопа.
2* 19
Здесь расстояние от заднего фокуса объектива Foa до переднего фокуса
окуляра F0K, обозначенное А, называют оптической длиной тубуса микро-
скопа. На этом же рисунке даны обозначения величин, входящих-в рас-
сматриваемые ниже формулы.
Согласно формуле, связывающей фокусные расстояния оптической
системы и ее отдельных элементов, заднее фокусное расстояние микро-
скопа равно
/' = —(П.1)
Так как объектив и окуляр микроскопа представляют собой положитель-
ные системы, то f'o6 и f'oK больше нуля; кроме того А > 0. Поэтому f <0,
т. е. заднее фокусное расстояние микроскопа отрицательное. Это значит,
что задний фокус F' всей системы микроскопа расположен впереди ее
задней главной плоскости Н'.
Переднее фокусное расстояние микроскопа в случае расположения
всей системы в воздухе определится соотношением
г р !об!ок !об!ок /119^
1-^—1 — —д “ — д U 1 •“ >
Здесь все величины, входящие в правую часть формулы, положительные,
поэтому f д> 0. Это значит, что передний фокус микроскопа F находится
позади его передней главной плоскости Н.
Расстояние хе- заднего фокуса микроскопа F’ от заднего фокуса оку-
ляра F'oK можно найти, если проследить по схеме ход луча, вошедшего
в систему параллельно ее оптической оси. Такой луч должен пройти через
задний фокус объектива F'oC>, а также через задний фокус всего микро-
скопа F'. Таким образом, оказывается, что точки F'o5 и F' — сопряжен-
ные точки для системы окуляра и, следовательно, расстояния от них
до переднего и заднего фокуса окуляра связаны формулой Ньютона, т. е.
-
f f f'2
_____ 1 ок1 ок 'OK
f ~ A- “
(П.З)
Сделав построение аналогичным образом в обратном ходе лучей, можно
найти
!об!ов !об /ут о/,
Л/- д д • (Н.З)
Если для примера взять средней силы объектив с фокусом /' — 4,32 мм
(расчетная оптическая длина тубуса его А = 173 мм) и окуляр с фокусом
/' = 25 мм, то воспользовавшись формулами (II. 1) и (II.3'), можно под-
считать, что фокусное расстояние микроскопа будет равно /' 0,62 мм,
a 0,1 мм, т. е. фокус микроскопа F практически совпадает с фоку-
сом объектива Fo6.
Величина оптической длины тубуса А для каждого объектива в зави-
симости от его фокусного расстояния имеет свое значение и лежит в пре-
делах 150—200 мм. Чтобы выдержать эту величину, положение объективов
при их установке на приборе фиксируется нижним срезом тубуса микро-
20
скопа, в который упирается оправа объектива, тогда как оправа окуляра
опирается на верхний срез тубуса. Расстояние от нижнего до верхнего
среза тубуса называется механической длиной тубуса. Она выбирается
каждой фирмой по конструктивным соображениям и выдерживается
одинаковой в больших группах микроскопов. В Советском Союзе стан-
дартизованы две длины тубуса: 160 и 190 мм, а зарубежные фирмы выпу-
скают еще приборы с длиной тубуса 170, 215 мм и др. Кроме этого, суще-
ствуют объективы для бесконечно большой оптической длины тубуса,
о которых подробней говорится ниже.
Так как глаз наблюдателя помещается вблизи заднего фокуса микро-
скопа, то благодаря сравнительно большой длине тубуса расстояние от
глаза до предметной плоскости достаточно, чтобы обеспечить удобство
работы.
Свободное расстояние от первой поверхности объектива до препарата,
который помещается несколько дальше переднего фокуса всей системы,
даже у объективов с наименьшим фокусом, достаточно для помещения
покровного стекла, закрывающего препарат.
В ряде случаев в плоскости промежуточного изображения на рас-
стоянии Л от заднего фокуса объектива помещается сетка (например,
шкала или перекрестие, нанесенное на плоскопараллельной стеклянной
пластинке). Сетка служит для измерения размеров препарата, центриро-
вания, фиксирования плоскости фокусировки или других целей. Если
сетка совпадает с передней фокальной плоскостью окуляра, как это сле-
дует из принципиальной схемы микроскопа, то ее изображение можно
наблюдать только нормальным глазом, так как лучи от какой-либо точки
сетки выходят из окуляра параллельным пучком.
Не вдаваясь в подробности, следует сказать, что для близорукого
глаза лучи из окуляра должны выходить расходящимся пучком, для
дальнозоркого — сходящимся. При этих условиях изображение сетки
сможет наблюдать глаз, аккомодационная способность которого отличается
от нормальной. Для обеспечения такой возможности окуляр должен пере-
мещаться вдоль оптической оси. Перемещение окуляра на одну диоптрию
равно
где f'oK — фокусное расстояние окуляра в мм. Обычно окуляры такого
типа могут перемещаться на ±5 диоптрий.
2. Увеличение
Увеличение микроскопа (как и лупы) — величина до некоторой степени
условная. Под увеличением микроскопа принято понимать отношение раз-
мера изображения препарата на сетчатке глаза, образованное при наблю-
дении через микроскоп, к размеру изображения того же препарата, по-
лученному на сетчатке при наблюдении невооруженным глазом. Исходя
из этого определения, часто употребляют выражение «видимое увеличе-
ние микроскопа».
Следует отметить, что результат данного определения будет зависеть
от величины аккомодации глаза при наблюдении в микроскоп и от
21
расстояния от глаза до предмета при наблюдении невооруженным глазом.
Для определенности условлено считать, что окуляр образует мнимое изо-
бражение на бесконечности и глаз рассматривает его без аккомодации,
а в случае наблюдения невооруженным глазом, расстояние от него до
предмета равно расстоянию наилучшего видения D. Тогда по аналогии
с лупой можно воспользоваться формулой (1.9) и записать увеличение
микроскопа в виде
Г = = (II.5)
где /' — фокусное расстояние всей оптической системы микроскопа.
Если в формуле (II.5) f заменить его выражением по формуле (II.1),
то увеличение микроскопа
Г = —-44 = —4-4- (II.6)
1 об1 ОК 1 об I ок
Знак минус указывает на то, что изображение, образованное микро-
скопом, перевернуто по отношению к наблюдаемому предмету.
Возвращаясь к рис. II. 1, а, следует еще раз обратить внимание на то,
что микроскоп — оптическая система с двухступенным увеличением.
Объектив 2 создает промежуточное изображение Г предмета 1, увели-
ченное в роб раз. Применив формулу Ньютона, можно определить, что
увеличение объектива равно:
₽об=--л-. (П.7)
'об
Здесь знак минус имеет тот же смысл, что и в предыдущей формуле,
а вся правая часть представляет собой не что иное, как первый множитель
в формуле (II.6). Так как окуляр микроскопа работает аналогично лупе,
то его увеличение
ГоК=44 (П.8)
' ок
что равно второму множителю в формуле (II.6), которую теперь можно
записать в виде
Г = ₽обГок. (П-9)
Это наиболее употребительное выражение для определения общего уве-
личения микроскопа, которое равно произведению увеличения объектива
на увеличение окуляра. Увеличения объективов и окуляров гравируются
на их оправах и указываются во всех справочниках, поэтому подсчитать
увеличение микроскопа не представляет большого труда.
Некоторые типы объективов, как это подробно будет показано ниже,
рассчитываются и работают таким образом, что промежуточное изобра-
жение, созданное ими, проектируется не в фокальную плоскость окуляра,
а на бесконечно большое расстояние. Оптическая длина тубуса этих объек-
тивов равна, как принято говорить, бесконечности (сю).
В этом случае (рис. II.2) препарат АВ помещается в передней фо-
кальной плоскости Fo6 объектива Об. Из объектива выходит параллель-
ный пучок лучей. Для того чтобы перепроектировать изображение,
22
созданное объективом, из бесконечности в фокальную плоскость FoK оку-
ляра Ок (или в плоскость, близкую к ней, как показано на рисунке),
за объективом помещают тубусную линзу Тл, задняя фокальная плоскость
которой РтЛ находится вблизи плоскости FoK. В плоскости FTJl образуется
промежуточное изображение А'В' препарата, которое рассматривается
обычным образом через окуляр Ок.
Увеличение системы объектив — тубусная линза можно найти из
рассмотрения треугольников АВОГ и Л'В'О2. Так как угол ах равен
углу а, то эти треугольники подобны.
Следовательно,
А В' f j-л fтл
Левая часть формулы характеризует увеличение системы, т. е.
= (П.Ю)
Общее увеличение всей системы микроскопа равно
Г = ₽об.„Гок= (П.Н)
'об Iок
У объективов, рассчитанных на длину тубуса бесконечность, на оп-
равах и в справочниках указывается фокусное расстояние объектива.
Фокусное расстояние тубусной линзы дается в описаниях тех микроскопов,
где такая линза имеется.
Если сравнить формулы (II.7) и (11.10), то очевидно, что у объективов,
рассчитанных на длину тубуса бесконечность, фокусное расстояние
тубусной линзы играет роль оптической длины тубуса. В этом случае меха-
ническая длина тубуса микроскопа определяется фактически величиной f .
Применение двухступенного увеличения в системе микроскопа имеет
ряд достоинств.
1. Разделение оптической системы микроскопа на две самостоятель-
ные части дает возможность варьировать увеличение прибора в больших
пределах, комбинируя различные объективы и окуляры. Существенно
также, что увеличение микроскопа можно изменять, не трогая объектив
и меняя только окуляры. Это имеет особенное значение, например, при
23
работе с иммерсионным объективом, когда для смены объектива требуется
прервать наблюдение, чтобы вычистить препарат.
2. Наличие действительного промежуточного изображения, даваемого
объективом, делает возможным измерения размеров препарата. Осуще-
ствляется это следующим образом.
В предметной плоскости помещается объект-микрометр — препарат,
представляющий собой нанесенную на стекле шкалу с ценой деления
0,01 мм. В фокальной плоскости окуляра устанавливается прозрачная
пластинка, на которой имеется шкала с ценой деления 0,1 мм. Если т
делений изображения объект-микрометра по величине соответствуют п
делениям окулярной шкалы, точное значение увеличения объектива будет
равно роб = 10 п/т.
При измерении препарата или его отдельных частей наблюдают,
в пределах скольких делений п окулярной шкалы располагается изобра-
жение измеряемого элемента, и размер его подсчитывают по формуле:
а 0,1 п/роб.
3. Увеличение микроскопа согласно формуле (II.6) зависит не только
от фокусных расстояний объектива и окуляра, но и от оптической длины
тубуса. Благодаря этому можно получить увеличение микроскопа до 2500 '.
применяя объектив и окуляр с фокусными расстояниями соответственно
не менее 1,5 и 10 мм. Изготовление таких объективов и окуляров вполне
доступно.
4. Система микроскопа позволяет проводить различные операции
со световыми пучками и тем самым расширить возможности микроскопа
(поляризация, фазовый контраст и др.). Разделение системы микроскопа
на объектив и окуляр значительно облегчает аберрационный расчет всей
оптической системы. Подробнее об этом сообщается в следующих главах.
3. Ограничение световых пучков в микроскопе
Увеличение микроскопа, рассмотренное в предыдущем параграфе, —
не единственная главная характеристика микроскопа. Она зависит только
от взаимного расположения препарата, объектива, окуляра и величины
фокусных расстояний, но не связана с диаметрами диафрагм и оправ
линзовых систем. Диаметры оправ и диафрагм определяют другие главные
характеристики микроскопа: светосилу прибора, его разрешающую спо-
собность и поле зрения.
Зрачки микроскопа. Оптическая система микроскопа состоит из неко-
торого количества оптических элементов, размеры которых ограничены.
Вследствие этого в образовании изображения участвует не вся сферическая
волна, выходящая из осевой точки предмета, а только ее некоторая часть,
размер которой определяется наименьшей оправой системы или наимень-
шей диафрагмой, называемой действующей или апертурной диафрагмой.
Значит, из всех лучей, испускаемых препаратом, в систему попадут
только те, которые находятся внутри конуса, опирающегося на наимень-
шую оправу или диафрагму. Половина угла при вершине этого конуса
называется апертурным углом, а совокупность лучей, проходящих внутри
конуса — световым потоком, попадающим в систему и участвующим в об-
разовании изображения (рис. II.3).
24
Если А — предмет, излучающий свет силой I (причем I BSlt
где В — яркость, Sj — площадь излучающего предмета), то на поверх-
ности BCD, согласно законам фотометрии, создается освещенность Е =
- 1'4 гг, причем эта освещенность равномерна по всей поверхности при ус-
ловии, что поверхность и предмет являются частями одной сферы радиуса г.
Площадь поверхности BCD равна S = 2nrh — 2nrBC sin ит = 2nr2r sin2Mni,
где ит — апертурный угол.
Световой поток, проходящий через рассматриваемую поверхность
(и попадающий в оптическую систему, если эта поверхность является,
например, поверхностью линзы), будет равен
Рис. П.З. Световой поток,
входящий в оптическую си-
стему
Рис. II.4. Сравнение, апертурного
угла в воздухе и среде
Следовательно, световой поток пропорционален квадрату синуса апертур-
ного угла, т. е. мерой количества света, могущего пройти через опти-
ческую систему, является не апертурный угол, а его синус.
Если между первой линзой системы 1 (рис. II.4) и предметом 3 на-
ходится среда 2 с показателем преломления п' (левая часть рисунка),
то апертурный угол в среде равен ит, тогда как в воздухе (правая часть
рисунка) он равен ит. Эти углы по закону преломления связаны формулой
п sin ит - ft' sin ит. Ввиду того, что после вхождения в систему обе поло-
вины рисунка симметричны относительно оси, то они энергетически экви-
валентны, т. е. sin ит в воздухе эквивалентно значение п' sin ит в среде
с показателем преломления п'. Аббе назвал эту величину численной апер-
турой:
А = nsinum. (11.13)
Среда, помещаемая между препаратом и оптической системой, назы-
вается иммерсионной жидкостью или иммерсией, а оптическая система —
иммерсионной системой. Из выражения (11.13) вытекает, что благодаря
иммерсии можно повысить численную апертуру, а это, как будет показано
в дальнейшем, имеет большое значение для микроскопа.
25
Численное значение апертуры объективов всегда гравируется на их
оправах и указывается в справочниках.
Теперь для общего случая формулу (11.12) следует переписать в виде
Ф = In (п sin и,,,)2 = 1л А2. (11.14)
Численная апертура во всех случаях однозначно определяет способ-
ность оптической системы воспринимать то или иное количество света.
Кроме того, апертура определяет разрешающую способность прибора,
как это будет показано в гл. III.
Если площадь предмета Sj, то площадь его изображения, созданного
оптической системой с увеличением (V, равна
S2 =•-₽&. (11.15)
В случае безаберранионной системы, свободной от потерь света, весь
световой поток, выходящий из предмета и участвующий в образовании
изображения, т. е. прошедший через систему, должен пройти через со-
ответствующее изображение предмета. Математически это можно выразить
как Ф = Ф' или, используя формулу (11.14) и заменяя I = В5г,
nBSj (n sin ит)2 = nBS2 (п' sin иш)2.
Отсюда с учетом формулы (11.15) можно получить
(п sin ит)2: (n' sin um)2 = S2: S* = р?
или
п sinum : п' sin ит = = const. (11.16)
Полученное выражение в оптике называется условием синусов, а си-
стема, для которой оно имеет место, — апланатической системой. Именно
такими системами являются объективы микроскопа, к которым предъяв-
ляются высокие требования в отношении качества изображения. Формулу
(11.16) можно также записать так:
Л = ₽обЛ', (11.17)
где Л — апертура объектива в пространстве предметов;
А' — апертура в пространстве изображений;
Роб — увеличение объектива.
Изображение апертурной диафрагмы оптической системой в простран-
стве предметов называется входным зрачком. Изображение этой диафрагмы
в пространстве изображений называется выходным зрачком. Те лучи,
которые проходят через центр апертурной диафрагмы, называют главными
лучами.
В микрообъективах выходным зрачком служит обычно оправа одной
из последних линз или диафрагма, находящаяся вблизи заднего фокуса
обектива (рис. II.5). Если выходной зрачок расположен перед задним
фокусом, то входной — за фокусом; если выходной зрачок в фокусе, то
входной — в бесконечности; наконец, если выходной зрачок дальше фо-
куса, то входной — в пространстве предметов.
В микроскопе (рис. II.6) при вынутом окуляре 4 и правильно настроен-
ном освещении выходной зрачок 3 объектива 2 можно наблюдать в виде
равномерно освещенного кружка, расположенного внутри объектива
26
около его последней поверхности. Входной зрачок 3' представляет собой
изображение выходного через объектив и определяет апертурный угол ит
конуса лучей, выходящих из препарата 1 и вступающих в систему. Вы-
ходной зрачок 3" всего микроскопа представляет собой изображение вы-
ходного зрачка объектива, спроектированное окуляром 4.
Так как выходной зрачок
объектива практически совпа-
дает с его задней фокальной
плоскостью, то его радиус будет
равен
г„ых.ой=
Из-за малости апертурного угла
и,п можно считать, что tg ит =
— sin ит = А' и тогда
г _______________ Л 4'
' вых. 00 ' •
Подстановка А' из формулы
(11.17) дает
= (П.18)
а применение формулы (II.7) приводит к выражению
reblx.o6 = AU (11.19)
Ввиду того, что выходной зрачок микроскопа 3" является изобра-
жением выходного зрачка объектива, созданным окуляром, то зная фо-
кусное расстояние окуляра f0K, радиус выходного зрачка микроскопа
можно определить, используя формулу Ньютона
Рис. II.5. Положение входного и выходного
зрачков в микрообъективе:
1 — препарат; 2 — объектив; 3 — выходной зрачок;
3' — входной зрачок
Рис. II.6. Положение зрачков и люков в микроскопе
Замена гвых_ об по формуле (11.18), a f0K по формуле (II.8) приводит
к выражению:
__ АЛ 1 D _ АР
Роб д г да РобГок
27
где знаменатель по формуле (II.9) равен общему увеличению микроскопа.
Окончательно
АР
Г
(11.20)
Так как выходной зрачок объектива практически совпадает с его
задней фокальной плоскостью, то положение выходного зрачка всего ми-
кроскопа относительно окуляра определяется формулой (П.З).
Чтобы представить себе реальные размеры выходного зрачка микро-
скопа и его положение, можно взять для примера объектив |30Й -- 40 х;
А 0,65; fo6 = 4,32 мм и окуляр Гок — 15х. По формуле (II.7) А
^об/об 173 мм.
Из каталога: f0K = 16,9 мм; расстояние заднего фокуса окуляра от
последней поверхности s'F -= 5 мм. Диаметр выходного зрачка микро-
скопа по формуле (П.20)
с 2-0,65.250 пел
2г = - = 0,54 ММ,
40-15 ’
а его удаление от последней поверхности окуляра с учетом формулы (П.З)
16 ч2
S3P = s’fok + xF, = 5 + -р43- 6,7 мм.
При наблюдении в микроскоп зрачок глаза совмещается с выходным
зрачком прибора. Так как диаметр зрачка глаза около двух миллиметров,
то в системе микроскоп—глаз он не ограничивает пучки лучей.
Полевая диафрагма микроскопа. Как уже говорилось, изображение
предмета, образованное микроскопом, — мнимое. Однако при наблюде-
нии этого изображения глазом окончательное изображение на сетчатке —
действительное. Ниже будет рассмотрен случай, когда микроскоп проекти-
рует действительное изображение на экран. Как сетчатка глаза, так и
экран имеют ограниченные размеры. Поэтому сопряженная с этим экра-
ном плоскость в пространстве предметов также ограничена, т. е. прибор
имеет более или менее ограниченное поле зрения. Кроме того, возмож-
ности оптической системы также имеют предел. По этим причинам в си-
стеме микроскопа, в одной из плоскостей, сопряженных с предметной,
устанавливается диафрагма, ограничивающая поле зрения прибора.
Эта диафрагма называется полевой диафрагмой или люком. Помещается
она в передней фокальной плоскости окуляра (поз. 4, рис. II.6),т. е. в пло-
скости промежуточного изображения. Изображение полевой диафрагмы
в пространстве предметов называется входным, люком оптической системы,
а в пространстве изображений — выходным люком. Входной люк совпа-
дает с плоскостью препарата, выходной люк — с плоскостью изобра-
жения.
Линейное поле зрения микроскопа определяется диаметром того круга
в плоскости предмета, изображение которого заполняет диафрагму поля
зрения окуляра, т. е. линейное поле зрения микроскопа равно
^ = адоб) (п.2п
где Dn — диаметр полевой диафрагмы.
28
В приведенном выше примере взяты объектив Роб --= 40х и окуляр
Гок — 15х. Этот окуляр имеет диафрагму, ограничивающую линейное
поле зрения в окуляре размером Dn = 8 мм. Тогда линейное поле зрения
микроскопа по формуле (11.21): с/ 8 : 40 0,2 мм.
Благодаря наличию полевой диафрагмы края изображения в микро-
скопе резко очерчены, а плоскость изображения равномерно освещена,
г. е. отсутствует виньетирование. Последнее имеет место, как уже гово-
рилось, при работе с лупой (см. рис. 1.2).
Кроме разобранных в этом параграфе главных диафрагм микроскопа,
апертурной и полевой, в системе могут применяться диафрагмы, вы-
полняющие другие функции: улучшение качества изображения (в этом слу>
чае диафрагма устраняет пучки, которые имеют большие аберрации)
или повышение контраста изображения (в этом случае диафрагма устра-
няет рассеянный свет и блики). Размеры и положение этих диафрагм в си-
стеме неопределенно, и в каждом индивидуальном случае необходимость
в них выясняется на основании оптического расчета или эксперименталь-
ной проверки системы.
Особо следует остановиться еще на одном свойстве взаимного распо-
ложения зрачков и люков, которое имеет большое практическое значение.
На входной зрачок опирается множество конусов лучей, вершина
каждого из которых лежит в одной из точек препарата, ограниченного
входным люком. Это значит, что световые потоки от всех точек препарата
равномерно распределяются по зрачку и полностью смешиваются в нем.
И наоборот, в каждой точке зрачка лежит вершина конуса лучей, опираю-
щегося на люк. В пространстве изображений картина носит аналогичный
характер. Указанное обстоятельство характеризует тот факт, что в зрачке
совершенно отсутствует какое-либо подобие препарату. По мере переме-
щения от зрачка к плоскости изображения и люка постепенно начинает
формироваться изображение, подобное препарату, и в плоскости люка
оно становится наиболее резким, качественным и контрастным.
4. Микропроекция
Хотя микроскоп появился и применяется в основном как прибор для
визуального наблюдения увеличенных изображений очень малых пред-
метов, тем не менее в настоящее время он часто используется и как система
проекционная. Микропроекция применяется для получения увеличен-
ного изображения предмета на экране (при демонстрации небольшой
группе людей), на фотопластинке или фотопленке (при фотографировании
предмета через микроскоп), на фотокатоде телевизионной передающей
трубки и т. д.
При проекции микроскоп образует действительное изображение пред-
мета и поэтому ход лучей в этом случае отличается от хода лучей в микро-
скопе при визуальном наблюдении, который был рассмотрен в начале
данной главы.
Для того чтобы микроскоп работал как проекционная система
(рис.II.7, а), необходимо его незначительно перефокусировать. Объектив 2
устанавливается относительно препарата 1 так, что увеличенное, дейст-
вительное и перевернутое изображение Г образуется в плоскости,
находящейся перед фокусом F0K окуляра 4, который в этом случае может
29
дать вторично увеличенное действительное и еще раз перевернутое изобра-
жение 1" препарата на экране или фотопластинке 5. Изображение 1" не
перевернуто относительно препарата 1.
Таким образом, при проекции объектив микроскопа работает почти
так же, как и при визуальном наблюдении. Окуляр же здесь работает не как
лупа, а как проекционная система, которую неправильно называют оку-
ляром.
Линейное увеличение или, лучше сказать, масштаб изображения
на экране или фотопластинке отличается от увеличения микроскопа,
так как в этом случае увеличение окуляра, в отличие от визуального
наблюдения, определяется по известной формуле
(11.22)
где х'о — расстояние от заднего фокуса окуляра до плоскости действи-
тельного изображения на экране;
f'oK — фокусное расстояние окуляра.
Рис. II.7. Принципиальная схема микропроектора: а — с положительным окуляром;
б — с отрицательной системой вместо окуляра
Отсюда после подстановки f'oK из формулы (II.8) получается
Хл -.
(V = Г
ОК‘
Так как расстояние х0 обычно значительно больше, чем f0K, то его
можно заменить величиной /< — расстоянием от окуляра до экрана, ко-
торое в микрофотографии называется длиной камеры.
(П.23)
т. е. увеличение окуляра при проекции отличается от его увеличения
при визуальном наблюдении множителем KJD.
Масштаб изображения на экране (так же, как и увеличение окуляра
при проекции) определяется по формуле
(11.24)
30
где х' — расстояние от заднего фокуса всего микроскопа до экрана;
/' — заднее фокусное расстояние всего микроскопа.
Так как задний фокус микроскопа практически совпадает с задним фо-
кусом окуляра, то можно считать, что х' = х0. Тогда из формулы (11.24)
после подстановок по формулам (II.1; II.7; 11.22 и 11.23) можно оконча-
тельно получить выражение для масштаба изображения
<п-25)
Точное значение масштаба изображения измеряется следующим об-
разом. В предметной плоскости устанавливается объект-микрометр, цена
деления шкалы которого равна 0,01 мм. На экране с помощью милли-
метровой линейки определяется, скольким делениям п линейки соответ-
ствует изображение т штрихов объект-микрометра. Масштаб изображения
будет равен: Р = 100 nltn.
Размер изображения, спроектированного на экран, ограничивается
изображением полевой диафрагмы окуляра и подсчитывается по формуле
— Dnf>0K,
которую, воспользовавшись выражением (11.23), можно заменить сле-
дующей:
D^DnT0K^. (11.26)
Большое значение для освещенности изображения имеет величина
апертуры микроскопа в пространстве изображений А ”, характеризуемая
апертурным углом и" конуса, опирающегося на выходной зрачок микро-
скопа 3'. Эта апертура по формуле (11.17) равна
Л" = Л: |3, (11.27)
где А — апертура объектива;
р — увеличение микроскопа при проекции.
Очевидно, что выходная апертура микроскопа незначительна по вели-
чине.
В силу некоторых обстоятельств, которые ниже будут рассмотрены
подробно, иногда при микропроекции вместо положительного окуляра
применяют отрицательную систему, называемую гомалом. В этом случае
ход лучей в микроскопе отличается от только что описанного (рис. II.7, б).
Здесь отсутствует действительное промежуточное изображение, создаваемое
объективом в обычном микроскопе. Изображение Г предмета 1, образуемое
объективом 2, является мнимым предметом для гомала 4, расположен-
ным между гомалом и его передним фокусом Fs. Гомал проектирует пря-
мое увеличенное и действительное изображение /"на экран 5. В результате
изображение на экране перевернуто относительно предмета. Изобра-
жение выходного зрачка объектива 3 через гомал (т. е. выходной зрачок
всей системы <?') — мнимое и расположено между гомалом и его задним
фокусом F
31
Так как выходной зрачок находится внутри системы, то зрачок глаза
не может быть совмещен с ним и поэтому такая система не применяется
для визуального наблюдения.
Масштаб изображения для микроскопа, в котором вместо окуляра
применен гомал, определяется формулой
₽ = ₽обу-’
'г
где х' — расстояние от заднего фокуса гомала до экрана;
— фокусное расстояние гомала.
Так же, как и в случае окуляра, х' можно заменить расстоянием К
от опорной плоскости гомала до экрана. Тогда масштаб изображения будет
(П.28)
•г
Эта формула с достаточной степенью точности верна для сильных гомалов,
фокусное расстояние которых не превышает 40 мм.
5. Осветительная система микроскопа
Препараты, наблюдаемые в микроскоп, в большинстве случаев несамо-
светящиеся, и поэтому для того, чтобы их было видно, они должны быть
освещены посторонним источником. Кроме того, эти препараты могут быть
прозрачными (в большей или меньшей степени) и непрозрачными. Первые
при наблюдении освещаются проходящим через них, вторые — падающим
на них светом.
Прозрачный препарат можно осветить (рис. П.8) с по-
мощью плоского зеркала 1. Свет, прошедший через препарат 3 и объектив 4,
должен заполнить весь выходной зрачок 5 объектива, иначе возможности
системы микроскопа не будут использованы полностью. Из рисунка ясно,
что для этого необходимо иметь весьма протяженный источник света S1S1.
Таким источником может быть лишь небо или большая, хорошо рассеи-
вающая поверхность. Для того чтобы уменьшить размер источника,
можно воспользоваться вогнутым зеркалом 2, которое имеет фокусирую-
щее свойство. Размер источника тогда будет равен S2S2, т. е. вогнутое
зеркало позволяет заполнить апертуру объектива светом от небольшого
источника. Оба эти способа освещения могут применяться лишь при ра-
боте с объективами, апертура которых невелика. При больших апертурах
входной зрачоксистемы будетопределяться невыходнымзрачкомобъектива,
а размерами зеркала и источника света. Кроме того, естественные источники
света, такие, как небо, очень ненадежны: их яркость непостоянна и за-
висит от времени суток, метеорологических и других условий. С другой
стороны, все источники со сравнительно высокой яркостью имеют не-
большие размеры. Эти причины заставляют применять в микроскопии
специальные осветительные системы (рис. II.9).
Элемент 6, называемый конденсором, предназначен для получения
такого большого изображения источника света (или какого-нибудь светя-
щегося отверстия, заменяющего его), которое смогло бы заполнить световым
потоком всю апертуру объектива. Этого можно достигнуть, если поместить
32
источник в плоскости, близкой к фокальной плоскости конденсора, где
находится его входной зрачок. В этой плоскости установлена ирисовая
апертурная диафрагма. 5, с помощью которой изменяют размер освети-
тельной апертуры. Изображение апертурной диафрагмы и источника через
конденсор совпадает с плоскостью входного зрачка микроскопа, которая
изображается объективом в плоскости
Изображение источника, создан-
ное конденсором, должно находиться
сравнительно далеко от препарата.
выходного зрачка этого объектива.
\ V г
1 2 J
Рис. II.9. Принципиальная схема ми-
кроскопа и осветительной системы:
Рис. II.8. Схема освещения пред-
мета с помощью зеркала
Это необходимо для того, чтобы
углы падения главных лучей осве-
тительных конусов на препарат
были малы. При близком располо-
/—источник света; 2— коллектор; 3 —по-
левая диафрагма осветителя; 4—зеркало;
5 — апертурная диафрагма конденсора;
6 — коидеисор; 7 — препарат; 8 — объек-
тив; 9 — выходной зрачок объектива;
10—полевая диафрагма окуляра; //—оку-
ляр; 12 — глаз
жении входного зрачка к препарату только вблизи оси главные лучи
падают на него нормально. Характер изображения, как следует из
дифракционной теории, в значительной мере зависит от угла падения
осветительных лучей, поэтому при близко расположенном входном зрачке
изображение будет неодинаковым по всему полю зрения, что приведет
к неправильному суждению о наблюдаемом препарате.
По конструктивным соображениям, а также из-за того, что реаль-
ный источник света выделяет много тепловой энергии, его нельзя уста-
новить в плоскость апертурной диафрагмы, расположенной очень близко
к линзе конденсора. Чтобы преодолеть это затруднение, вместо источ-
ника 1, здесь помещают его изображение, спроектированное линзой 2,
3 Г. Е. Скворцов и др.
33
называемой коллектором, причем изображение полностью заполняет
апертурную диафрагму.
Источник света и коллектор, образующие вместе осветитель, распола-
гаются, как правило, в стороне от микроскопа, поэтому в ход лучей вво-
дится дополнительное плоское зеркало 4.
Если посмотреть на коллектор из плоскости апертурной диафрагмы,
куда он проектирует источник света, то отверстие коллектора выглядит
как яркий равномерно освещенный круг. Поэтому конденсор устанавли-
вается так, чтобы он проектировал в плоскость препарата отверстие кол-
лектора или, точнее, расположенную в непосредственной близости к
коллектору ирисовую диафрагму 3, называемую полевой диафрагмой.
Таким образом, эта диафрагма оказывается сопряженной с люком
микроскопа, а источник света—с его зрачком. Если вспомнить особенность
взаимодействия зрачка и люка, то становится ясно, что описанная система
позволяет получить равномерное освещение поля зрения от источника,
светящееся тело которого имеет неодинаковую яркость по площади (на-
пример, спираль лампы накаливания).
Кроме того, необходимо устранить в системе излишний свет, который
не участвует в освещении препарата и в образовании его изображения,
потому что такой бесполезный свет приводит к уменьшению контраста
изображения за счет аберраций системы, рассеяния и вредных реф-
лексов.
Так как одна и та же осветительная система (т. е. конденсор и освети-
тель) применяется с различными объективами и окулярами, то для устра-
нения бесполезного света необходимо при смене объектива или окуляра:
а) апертурнуюдиафрагму, изображение которой при вынутом окуляре видно
в плоскости выходного зрачка объектива, открыть так, чтобы ее видимый
диаметр был равен диаметру (чаще несколько меньше) зрачка; б) полевую
диафрагму осветителя, края которой видны в поле зрения окуляра, от-
крыть лишь настолько, чтобы диаметр ее изображения был равен диа-
метру поля зрения, ограниченного диафрагмой окуляра.
Описанный способ освещения был предложен Кёлером и носит его
имя. Способ этот применяется во всех отечественных микроскопах.
Как уже было сказано, световые пучки, освещающие препарат, должны
полностью заполнять зрачок объектива, т. е. выходная апертура конден-
сора Ак должна быть равна апертуре объектива А или апертурный угол
объектива ит должен равняться апертурному углу конденсора итК. В слу-
чае иммерсионного объектива для выполнения этого условия между кон-
денсором и препаратом также должна находиться иммерсия. Аналогично
формуле (11.19) можно определить, что диаметр апертурной диафрагмы
конденсора должен быть равен
DK = 2AKf'K, (П.29)
где fK — фокусное расстояние конденсора.
Расстояние от переднего фокуса конденсора до полевой диафрагмы
осветителя обычно составляет около 300 мм, поэтому диаметр диафрагмы
должен быть равен
D ^Ld, (И.зо)
0 fK
34
где d — линейное поле зрения микроскопа, вычисляемое по формуле
(П.21);
300/Д — увеличение конденсора при проектировании полевой диа-
фрагмы.
Так как коллектор и диафрагмы имеют сравнительно небольшие раз-
меры, то для освещения всего поля зрения при работе с объективами ма-
лых увеличений приходится пользоваться конденсором с большим фокус-
ным расстоянием (и, соответственно, с меньшей апертурой) или вводить
между осветителем и конденсором дополнительную линзу.
Вопрос о размере источника света будет рассмотрен в гл.VII.
Довольно редко, но все же применяются в микроскопии для освеще-
ния наблюдаемого предмета источники с равномерно светящимся телом
накала (например, ленточные или банд-лампы). В этом случае источник
может быть спроектирован непосредственно в поле зрения микроскопа.
Оптическая система, проектирующая источник, и здесь рассчитывается
так, чтобы осветительные пучки заполнили весь зрачок объектива. Такой
способ освещения называется критическим.
Непрозрачный препарат при наблюдении его в микроскоп
освещают с помощью устройства, называемого опак-иллюминатором
(рис. 11.10), падающим светом через объектив микроскопа, который
в этом случае выполняет одновременно и роль конденсора. Способ осве-
щения по Кёлеру осуществляется здесь следующим образом.
Источник света 1 проектируется коллектором 2 в плоскость ирисовой
апертурной диафрагмы 3, которая линзой 6 изображается в плоскости
выходного зрачка 8 объектива 9. Отверстие коллектора 2 проектируется
линзой 4 в плоскость ирисовой полевой диафрагмы 5, а затем линзой 6
и объективом 9 в поле зрения микроскопа на препарат 10. Пластинка 7
имеет полупрозрачное покрытие и выполняет роль зеркала: при освещении
часть светового пучка направляется в объектив; другая часть проходит
через пластинку и теряется. При наблюдении часть пучка из объектива
проходит через пластинку к окуляру, а часть отражается пластинкой
и в работе не участвует.
На рисунке показан только ход лучей в осветительной системе. Ход
лучей в самом микроскопе остается таким же, как и при наблюде-
нии прозрачных предметов.
3
35
6- Оптическая система для наблюдения
выходного зрачка микрообъектива
При некоторых методах исследования объектов под микроскопом
необходимо наблюдать плоскость выходного зрачка объектива. Осуще-
ствляется это путем введения между объективом и окуляром дополни-
тельной линзы (рис. 11.11).
В некоторых микроскопах, например поляризационных, эта линза,
называемая линзой Амичи—Бертрана, предусматривается в конструк-
ции прибора.
В отсутствие линзы 4 препарат 1 изображается объективом 2 в плос-
кости диафрагмы 6 окуляра 7. При введении линзы 4 она проектирует
в плоскость диафрагмы 6 изображение выходного зрачка 3, а изображе-
ние препарата перемещается в плоскость диафрагмы 5, отстоящей от диа-
фрагмы 6 на расстояние z. Таким образом, линза 4 и окуляр 7 образуют
вспомогательный микроскоп. Его увеличение определяется уже извест-
ной формулой
Р _____ 250 _ х.,Р —
1 в. М р' г' -I (?«•
Те. м 'Б
Рис. 11.11. Схема наблюдения выходного зрачка микрообъектива
Отрезки, указанные на рисунке, связаны между собой формулой
Ньютона и соотношениями:
А *2f Б "4“ Хзр Хзр Хп Х^р, (II.31)
2=Хп—Хзр. (11.32)
Выбирая увеличение, с которым линза 4 проектирует зрачок:
В .= _ А?
Рзр >
>Б
или увеличение, с которым линза проектирует изображение препарата
'Б
можно по формулам (II.31) и (II.32) определить фокусное расстояние f5
линзы Амичи—Бертрана, ее положение в системе, а также положение
36
диафрагмы 5. Последняя выполняется в виде диафрагмы постоянного
диаметра или ирисовой.
Наблюдение выходного зрачка объектива в тех микроскопах, где
не имеется линзы Амичи—Бертрана, осуществляется следующим образом.
Линза 4 и окуляр 7 монтируются в самостоятельном тубусе, который
устанавливается в микроскопе вместо окуляра.
7. Глубина резкого изображения
При наблюдении в микроскоп глубина резкого изображения, как и в слу-
чае лупы, представляет сумму трех величин: аккомодационной, геометри-
ческой и волновой глубины. Первые две (применительно к лупе) рассмо-
трены в гл. I, третья — в гл. III.
Аккомодационная глубина для микроскопа определяется по формуле
(1.14), если в формуле величина Г представляет увеличение микроскопа:
= (П-33)
Формулу для геометрической глубины можно получить из выражения
(1.17), заменив в нем радиус зрачка глаза радиусом выходного зрачка
микроскопа, т. е.
= (П.34),
Заменив г по формуле (II.20), можно найти
Тг = л'г' ’ (П'35)
Приняв остроту зрения равной е = 2', формулу для геометриче-
ской глубины часто записывают в виде
Таким образом, если аккомодационная глубина зависит только от
увеличения микроскопа, то геометрическая — и от апертуры.
Как будет показано в гл. III, волновая глубина равна
F = (П-37)
Окончательно глубина резкого изображения
Т = Так + Тг + Тв = -^ + -^ + -АД (11.38)
В приборах, где применяется окуляр с сеткой, аккомодационная глу-
бина равна нулю, так как расстояние, на которое аккомодирован глаз,
фиксируется изображением плоской сетки.
37
Глава III
ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ
ИЗОБРАЖЕНИЯ В МИКРОСКОПЕ
А. ДИФРАКЦИОННАЯ ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ
ИЗОБРАЖЕНИЯ В МИКРОСКОПЕ
Расчет и конструирование оптических систем микроскопа основы-
ваются на законах геометрической (лучевой) оптики и волновой теории
света. Применение основных положений геометрической оптики, рас-
смотренных в гл. II, позволяет в первой стадии разработки микроскопов
предусмотреть такие важные факторы, как, например, оптимальные габа-
риты, художественный вид конструкции, удобство эксплуатации, надеж-
ность прибора и т. п. Однако геометрическая теория микроскопа не может
дать никаких указаний о его разрешающей способности и контрастности
изображения. Более глубокое и всестороннее изучение структуры опти-
ческого изображения, даваемого микроскопом, возможно лишь с точки
зрения волновой природы света. Применение волновой теории света поз-
воляет рассматривать процесс образования изображения на основе дей-
ствия дифракции и интерференции света, возникающих на его пути внутри
оптического прибора.
1. Дифракционное изображение светящейся точки
В реальных оптических системах волновая поверхность претерпе-
вает ограничение своих размеров от оправ линз и специальных диафрагм,
вследствие чего изображение светящейся точки, даваемое даже безабер-
рационной системой, представляет собой
сложную дифракционную фигуру рассеяния.
Пусть от светящейся точки, расположен-
ной на оптической оси объектива на беско-
нечном от него расстоянии, падает на объек-
тив плоская волна. Идеальный объектив эту
волну преобразует в сферическую. На
рис. III. 1. дано РуРР2—сечение плоскостью
рисунка сферической волны, вышедшей из вы-
ходного зрачка 1\Р2 объектива и образую-
п ттт , ,г . щей в заднем фокусе F' изображение светя-
ционного изображения точки щеися точки. М некоторая точка на по-
верхности волны, 2р' — диаметр выходного
зрачка, MF' =OF' = R —радиус сферической волны. Зная фазу и ампли-
туды колебания всех точек на поверхности волны можно на основании
принципа Гюйгенса —Френеля вычислить освещенность в точке Q, нахо-
дящейся в задней фокальной плоскости объектива на расстоянии х' от
точки F'. Искомую амплитуду в точке Q определим, как результат интер-
ференции всех колебаний, пришедших в точку Q из всех точек волновой
поверхности РгОР2. Поскольку точка F' есть центр сферической волно-
вой поверхности, то в нее сходятся колебания с одинаковыми фазами,
38
и поэтому в этой точке амплитуда колебания, а следовательно, и осве-
щенность — наибольшие.
Колебания, приходящие в точку Q, имеют различные фазы, завися-
щие от расстояния точек поверхности волны до точки Q. Вследствие этого
амплитуда колебания в этой точке будет меньше, чем в точке F', и при
некотором удалении точки Q от точки F' суммарная амплитуда в ней
может оказаться равной нулю.
Положим, что световые колебания в точке М на поверхности волны
в момент времени t определяются уравнением
UM = a sin 2л ~,
где а — амплитуда колебания, а Т — его период.
Тогда световое возмущение dUQ в точке Q, вызванное колебаниями,
пришедшими из элемента ds в точке М, можно определить по формуле
где г — расстояние между точками М и Q.
После соответствующей замены величины г, входящей под знаком
синуса, и некоторых преобразований, находим на основании принципа
Гюйгенса—Френеля UQ, как результат сложения всех колебаний, при-
шедших в точку Q из всех точек поверхности волны, ограниченной радиу-
сом р' выходного зрачка системы
UQ - -уто Sin 2л (4---г)
где I! — функция Бесселя первого рода первого порядка, которая может
быть представлена в виде бесконечного ряда
/ /170 __ 1 IFZ (1 ' ' 'Т4 1
1(W) -2 1Г ( 2.4 г 2-4-4-6 2-4.6-4-6-8 ’j’
где
Г . "У . (Ш.2)
Л /у
Величина U7 играет важную роль в исследовании дифракционных картин.
Она выражает отрезок х' в так называемых оптических единицах (без-
размерных):
п'2лх’р' п'2лх' . , ™ /т1т
= —^ = ~%-51ПЫ ==L^’. S.(HI.2)
2Д'
/г'р' , . ,
где = п sin и А — числовая апертура в пространстве изобра-
жений.
Удобство применения оптических единиц заключается в том, что
величина W, выраженная в этих единицах, сохраняет во всех промежуточ-
ных средах данной оптической системы постоянное численное значение
(по инварианту Лагранжа—Гельмгольца).
39
Энергия колебания Е в точке Q пропорциональна квадрату ампли-
туды и определяет величину светового потока через единицу площади
в этой точке:
==-°^[Л(О2.
Для точки F', соответствующей геометрическому изображению, т. е.,
когда х', а следовательно, и IE стремятся к нулю, имеем
р л р и
Принимая в центре дифракционной картины Ео за единицу,
что относительная освещенность Е' в данной точке равна
находим,
Е= = <Ш-3)
Рис. III.2. Распределение освещен-
ности в дифракционном изображе-
нии светящейся точки
Таблица 111.1
Распределение освещенности
в дифракционном изображении точки
W 100Е' W 100Е' Примечание
0,0 100,00 3,3 1,79 —
0,5 93,91 3,5 0,62 —
1,0 77,46 3,83 0,00 Минимум
1,5 55,34 5,14 1,75 Максимум
2,0 33,26 7,02 0,00 Минимум
2,5 15,81 8,42 0,42 Максимум
3,0 5,11 10,17 0,00 Минимум
3,2 2,67 11,62 0,16 Максимум
4 ч
Функция Е' — (IE) представлена сплошной кривой 1 на рис. Ш.2,
где по оси ординат отложены 100Е', а по оси абсцисс — расстояния от
центра дифракционной фигуры рассеяния, выраженные в оптических
единицах W. Ее значения при разных значениях IE даны в табл. Ш.1.
Вычисления по формуле (III.3) показывают, что безаберрационный
объектив изображает светящуюся точку в монохроматическом свете в виде
дифракционной фигуры, состоящей из центрального яркого пятна (кружка
Эри) диаметром в 2x3,83 оптических единиц, в котором освещенность
быстро убывает от центра к периферии, и из ряда светлых концентрических
колец, разделенных темными промежутками, в которых освещенность
падает до нуля.. Распределение освещенности в изображении светящейся
точки было впервые вычислено Эри в 1834 г. Расчеты показали, что в цен-
тральном пятне сконцентрировано около 83,4 % энергии, в первом светлом
кольце — 7,2%, во втором — 2,8%, в третьем 1,4%, в четвертом — 0,9
и в остальных кольцах — 3,9%.
40
2. Предел разрешения двух самосветящихся
и несамосветящихся точек
Известно, что предел разрешения оптической системы в случае изо-
бражения самосветящихся объектов и объектов несамосветящихся, т. е.
освещаемых посторонним светом, различен. При передаче изображения
микроскопической структуры, не обладающей собственным излучением,
разрешающая способность микроскопа существенно меняется в зависи-
мости от характера освещения объекта. Рассмотрим это на примере двух
самосветящихся и несамосветящихся точек.
Предел расширения двух самосветящихся точек. Если две самосветя-
щиеся точки, изображаемые объективом микроскопа, расположены на
очень близком расстоянии одна от другой, то их кружки Эри на плоскости
изображения отчасти наложатся друг на друга и освещенность в каждой
точке фигуры рассеяния, вследствие некогерентного излучения, будет
равна сумме освещенностей, даваемых каждой фигурой в отдельности.
.Может так случиться, что эти дифракционные фигуры рассеяния сольются
в одну и разрешения двух точек не будет.
В практике при оценке разрешающей способности оптического при-
бора часто пользуются критерием Рэлея, согласно которому два изобра-
жения светящихся точек (линий) находятся на пределе разрешения в том
случае, когда центральный дифракционный максимум одной из точек
(линий) совмещен с первым минимумом другой, т. е. если расстояние между
центрами фигур рассеяния равно радиусу кружка Эри, что соответствует
U7 3,83 оптическим единицам (табл. III.I). В этом случае освещенность
посередине между этими точками в изображении будет отличаться на вели-
чину ДЕ" / ~ ' 100 --= 22,5% (рис. III.3).
max
Приняв во внимание, что первое темное кольцо соответствует значению
первого минимума, для которого IE = 3,83, из формулы (III.2') находим
радиус кружка Эри в пространстве изображений:
WK 3,837. 0.61Л. /1Т1 ..
* == w = 6W = • (П1Л)
Поскольку для объектива микроскопа выполнено условие синусов [фор-
мула (111.37)1, то
или
пх sin и == п' х sin и'
хА = х'А',
(Ш.5)
где п — показатель преломления среды, в которой располо-
жен объект;
п sin и = А — числовая апертура объектива со стороны простран-
ства предметов;
п’ sin и’ = А' — числовая апертура со стороны пространства изобра-
жений.
Подставляя в формулу (III.5) значения х' из (III.4), находим величину
радиуса кружка Эри в пространстве предметов:
0,61 А. ,тгт с.
*"Эри д • (III.6)
И
Зная величину радиуса кружка Эри в пространстве предметов, можно
легко найти его величину в пространстве изображений, и наоборот. Для
этого применяя формулу (III.5), находим
Рис. III.3. Распределение осве-
щенности в дифракционном изо-
бражении двух самосветящихся
точек, расположенных на рас-
стоянии, соответствующем усло-
вию Рэлея
наименьшее разрешаемое
' гЛпиЗ
гЭри = ~А,- = гЭр1$, (III.7)
где р — линейное увеличение системы.
Пример. Определить радиус кружка Эри
в пространстве изображения для объектива,
увеличение которого р — 90х и числовая
апертура А = 1, 2, если X 0,6 мкм.
Применяя формулы (III.6) и (III.7), со-
ответственно находим
0,61 Л, 0,61 -0,6 „ о
Гэри = “4 - =-----1;2— = 0,3 мкм;
гэри = гэр„[3 = 0,3 • 90 = 27 мкм.
Следовательно, формула (II 1.6), по кото-
рой вычисляется величина радиуса кружка
Эри, определяет согласно критерию Рэлея
объективом микроскопа расстояние между
двумя светящимися точками (линиями) в пространстве предметов.
Практически установлено, что в большинстве
случаев глаз еще способен различить два изобра-
жения, если падение в освещенности ДЕ между
двумя максимумами будет составлять не менее
5% (рис. II 1.4), что соответствует величине W=3,3.
Предел разрешения телескопического объек-
тива обычно определяется угловой величиной адиф
(рис. III.4), т. е. ад11ф -= Д-. При малой вели-
кой
чине выходной апертуры можно положить, что
sin ит --- —(D —диаметр входного зрачка
2/об
объектива, fo6 — фокусное расстояние объектива),
тогда при IE ~ 3,3 из формулы (III.2') получаем
1,05Х
адиф —
Если Л -= 0,000560 мм, то адиф в секундах дуги
составит
Рис. III.4. Дифракционный
предел разрешения теле-
скопического объектива
точек. Предположим,
__ 120"
адиф л
где D выражается в мм.
Предел разрешения двух несамосветящихся
что две прозрачные точки непрозрачного экрана освещаются точечным
источником, находящимся в бесконечности, т. е. освещение производится
42
одной элементарной плоской волной, фронт которой расположен перпенди-
кулярно к оптической оси объектива. Выходящие из освещаемых точек
элементарные сферические волны между собой когерентны и их колеба-
ния совершаются в одной фазе. Поэтому сложение дифракционных изобра-
жений этих точек следует выполнить с учетом интерференции волн, т. е.
сначала нужно суммировать амплитуды, а затем путем возведения в квад-
рат результирующей амплитуды определить освещенность. На основании
(III.1) представим амплитуду колебания в точке кружка Эри в следую-
щем виде
_ /J1F)
U1 Г '
Амплитуда в центре кружка рассеяния
равна
_ 2лр'-а
а° “ 7.R ’
так как предел
Л (W) i = J_
N W |ц/->о 2 ’
Тогда относительная амплитуда в точке
рассеяния, определяемой расстоянием IP,
, 2/t (Г)
и — .
Рис. III.5. Распределение
освещенности в изображении
двух несамосветящихся то-
чек, освещенных плоской вол-
ной, когда аргумент 117=3,83
Результирующую амплитуду двух когерентных
колебаний можно представить следующим
выражением:
Г MEd .с MEV1
L it7! 1 tt73 J
Если принять освещенность в центре пятна рассеяния за 100%, то
освещенность в соседней точке в процентах выразится формулой
Е' = 400
ГЛ (Ц71) , 4(«7a) I-
L И7! ' tt72 J
В случае светящихся точек, излучающих некогерентный свет, осве-
щенность в данной точке
Е' = 400
( М«Л) \2 , ( Л(^) V]
\ IP, ) • к. J J •
На рис. III.5 приведена кривая распределения освещенности в изо-
бражении двух несамосветящихся точек, освещенных плоской волной,
когда аргумент IP --- 3,83, т. е., если центральный максимум от одной
точки совпадает с первым минимумом другой. Из рис. III.5 видно, что
изображения двух самосветящихся точек сливаются в одно пятно с одним
максимумом и поэтому не могут быть разрешены. Расчет показывает,
что для того чтобы две точки в данном случае могли быть различимы,
расстояние между ними должно быть увеличено примерно на 30—40%.
43
3. Дифракционная теория изображения
в микроскопе по Аббе
Микроскопическую структуру большинства биологических объектов
можно рассматривать как особую дифракционную решетку, состоящую
из совокупности непрозрачных, прозрачных и полупрозрачных мельчай-
ших элементов, разнообразных по форме (точки, линии и т. д.). Размеры
этих элементов могут быть сравнимы с длиной волны. Проходя сквозь
такую микроскопическую структуру, свет сильно рассеивается от краев
этих элементов, т. е. наблюдается явление дифракции. Для упрощения
рассмотрим дифракцию в
случае, если объектом для микроскопа служит
Рис. Ш.6. Дифракция света на
регулярной решетке
регулярная дифракционная решетка с перио-
дом d (рис. III.6). Пусть S —решетка и
SN — ее нормаль. Если на решетку под
углом а к нормали падает пучок параллель-
ных лучей, то, пройдя решетку, он расщеп-
ляется на множество параллельных пучков
SBj,SB2, . . ., SBm, 8ВЛ, . . SB_m образуя
с нормалью решетки соответственно углы аь
a2, . . ., am, —аъ —a2, . . ., —am. На ри-
сунке каждый дифрагированный пучок заме-
нен одним лучом В, проходящим через точ-
ку S на решетке.
Между рассматриваемыми лучами суще-
ствует следующая зависимость:
sina0 — sinam=~-, (III.8)
где tn — номер луча или так называемый порядок спектра и есть целое
число, положительное или отрицательное;
п — показатель преломления среды, в которую погружена решетка;
X — длина волны в воздухе.
На основании (III.8) для двух соседних лучей т-го и т + 1-го спектра
можно написать
А,
nsinam+1 — nsinam =-----. (III.8')
Согласно дифракционной теории решетки направление дифракционных
максимумов определяется тем направлением, по которому разность хода
лучей равна целому числу волн, а направление минимумов — нечетному
числу полуволн.
В случае прямого освещения, т. е. когда угол а0 = 0 и п = 1, из фор-
мулы (III.8) следует (am = фт)
sin ат = sin <р± т = . (III .8")
На рис. III.7 показано геометрическое соотношение между постоянной
решетки d, длиной волны X и углом дифракции <р.
Отклонение отдельных дифракционных спектров (максимумов) от
первоначального направления света, т. е. от направления нулевого макси-
мума, прямо пропорционально длине волны света и обратно пропорцио-
44
нально расстоянию друг от друга соответствующих точек структуры
(периоду решетки), вызывающих дифракцию. Для максимумов первого
порядка sin <р±/ •= ~ ; для максимумов второго порядка sin ср±// = 2-^-;
для максимумов т -го порядка sintp±,„ = —Следовательно, при по-
стоянной длине волны X положение максимумов зависит только от по-
стоянной d решетки.
Если решетка освещена белым светом,
то все дифрагированные пучки лучей,
кроме нулевого, разлагаются в спектры
вследствие того, что углы дифракции, как
видно из формулы (II1.8) зависят от X
явно и, кроме того через величину п, ко-
торая является функцией от X.
L
Рис. III.7. Геометрическое соотношение
между постоянной решеткой d, длиной
волны X и углом дифракции <р
Рис. II 1.8.-Ход лучей в микроскопе
с учетом дифракции на равномер-
ной решетке
Возникновение изображения в микроскопе можно представить следую-
щим образом (рис. III.8).
Коллектор (на рисунке не показан) проектирует источник света в пе-
реднюю фокальную плоскость конденсора FK, который, в свою очередь,
это изображение L отбрасывает на бесконечность. Лучи, выходящие из
каждой точки изображения источника света, даваемого конденсором,
становятся параллельными, проходя объект, дифрагируют, и в результате
интерференции в определенных направлениях возникают максимумы
О, ± /, ± II и т. д. Как показано на рис. III.8, в данном случае в объектив
могут попасть только максимумы нулевого и первого порядков.
Объектив сводит лучи, приходящие от точки изображения источника
света L (или от апертурной диафрагмы конденсора), в точку L', располо-
женную в задней фокальной плоскости Fo6 (в выходном зрачке). Здесь
возникает изображение источника света (апертурной диафрагмы конден-
сора), которое окружено изображениями также источника света L_\,
45
Рис. III.9 Разность хода лу-
чей Д -.Л, -- Д2 при наклон-
ном их падении по отноше-
нию к оптической оси системы
A+i, расположенными в определенном порядке в зависимости от струк-
туры объекта. Эти изображения можно наблюдать непосредственно,
вынув окуляр из тубуса микроскопа или применив вспомогательный
микроскоп. Изображение объекта в плоскости В' возникает благодаря
интерференции лучей, идущих от каждого максимума в каждую точку
плоскости В'. Однако полное подобие между предметом и его изображением
настанет в том случае, когда все дифракционные максимумы, возникшие
от структуры объекта, будут восприниматься объективом и, следовательно,
участвовать в создании изображения. Практически такого явления достиг-
нуть нельзя, так как световое отверстие объектива имеет определенный
предел. Как следует из рис. III.7, наименьшее расстояние d, при котором
еще возможно разрешить, т. е. представить раз-
дельно два соседних штриха решетки, опреде-
X
ляется формулой (III.8") d = , где —
угол между прямопроходящим и дифрагиро-
ванным светом (максимумы +/), который еще
может попасть в объектив. Этот угол, соответ-
ствующий половине угла светового конуса,
воспринимаемого объективом, является как бы
мерой для определения числа дифракционных
максимумов, принимающих участие в создании
изображения, и вместе с этим характеризует
предел разрешения объектива, если принять
угол ф за апертурный угол объектива.
Тогда формулу для определения предела
разрешения, даваемого объективом при прямом
освещении, т. е. когда апертура осветительных
лучей очень мала, можно представить в виде
А - ’
*00
где Аоб — числовая апертура объектива.
В том случае, когда максимум первого порядка не попадает в объек-
тив из-за его малой апертуры, следует изменить направление освещаю-
щего пучка, дав ему наклонное направление к оси. Тогда разность хода
между лучами будет равна (рис. III.9).
Д = Дх -ф Д2 = d (sin а0 sin ф).
(Ш-9)
Положив Л - и
п
которую представим
Ф — аг (т = —1), приходим к формуле (III.8'),
в следующем виде:
d =----.----------;----.
п sm а0 + п sm ai
Тогда разрешающая способность объектива микроскопа будет выражаться
формулой
А к 4“ А об
(III.10)
46
Практически апертура конденсора Ак не превышает апертуру объектива;
если Ак = Аоб, то
^-2^-
4. Особенности когерентного освещения
и метод Мандельштама
В 70-х гг. XIX в. классические работы Аббе по теории образования
изображения в микроскопе основывались на существенном различии
между изображением объекта, освещенного когерентным светом, и изо-
бражением самосветящегося объекта. Такая точка зрения Аббе была
необходима для того, чтобы теоретически доказать значение числовой
апертуры объектива микроскопа. До Аббе влияние числовой апертуры
на предел разрешения в микроскопе было известно микроскопистам только
практически. Аббе пренебрегал самосветящимися объектами, поскольку
они не дают первичных спектров, и считал, что для них теория изображения
должна быть иной, существенно отличной. Рэлей в 1890 г. доказал мате-
матически тождественность результатов когерентного метода освещения
и самосветящихся тел, исходя из метода Аббе (первичные изображения),
а также из принципа Гюйгенса для когерентного освещения. Применение
в обоих случаях принципа Гюйгенса приводит к двойному суммированию
один раз по элементам апертурной диафрагмы, другой раз по элементам
объекта. Порядок суммирования, как известно, не влияет на конечный
результат. Основываясь на теории непрерывного перехода от когерент-
ного освещения к самосвечению, Мандельштам теоретически доказал
и экспериментально подтвердил, что, применяя в качестве самосветя-
щегося объекта решетку из раскаленных проволок, несмотря на отсутствие
первичных спектров в задней фокальной плоскости объектива, с помощью
той же диафрагмы, заслоняющей места предполагаемых изображений
каждого второго спектра, можно получить удваивание числа линий в изо-
бражении. Работы Мандельштама имели важные значения в развитии
теории изображения микроскопа. Академик Д. С. Рождественский дал
строгое определение понятия когерентности освещения, установил поня-
тие относительной некогерентности освещения, выражаемой отношением
апертур освещающих лучей и объектива микроскопа, рассмотрел вопрос
о том, когда и в какой мере можно считать освещение эквивалентным само-
свечению, каким процессом и в какой мере всякое освещение может быть
сведено к освещению самосветящейся плоскостью. В своей классической
работе [34] Рождественский рассмотрел конкретный случай нормально
работающего микроскопа с полной апертурой, без всякого отношения
к первичным спектрам. Рассмотрим кратко некоторые основные положе-
ния, данные Д. С. Рождественским.
5. Когерентность света в изображении конденсора
Применяя конденсор, можно осуществить круговое освещение наблю-
даемого в микроскоп объекта. Согласно принципу Гюйгенса, каждую
точку такого объекта можно рассматривать, как новый источник излучения,
испускающий во все стороны вторичные волны. Процесс образования
47
изображения в объективе микроскопа рассматривается как дифракционный
процесс действия света, распространяющегося от всех точек объекта
и влияющего на каждую точку изображения. Если в объективе микро-
скопа выполнен закон синусов, то для системы, расположенной в воз-
духе (рис. III. 10), имеем
х sin ф = х' -у-,
(III.12)
где х и х' — сопряженные точки объекта и его изображения; коорди-
наты этих точек, отсчитываемые перпендикулярно к опти-
ческой оси, из-за упрощения изложения обозначены теми же
буквами, что и сами точки;
sin <р — апертура объектива для луча, проходящего через апер-
турную диафрагму на высоте р;
f — расстояние от плоскости апертурной диафрагмы до пло-
скости изображения.
Рассмотрим дифракцию, когда точка хх посылает колебания через
объектив в точку х'. Положим, что колебания в точке хА равно sin gt,
тогда в сопряженной точке Xi колебание, пройденное через центральный
элемент диафрагмы 0, будет
a sin [gt — k (xjO) + k (Oxi)],
, 2л
где k =
a — некоторая амплитуда;
(XjO) — оптическая длина хода луча от точки х2 до центральной
точки апертурной диафрагмы О, после которой свет проходит
путь Oxi прямолинейно до точки Хр
Все лучи в изображении точки интерферируют в одной фазе, так как
для каждого луча, проходящего через точку р диафрагмы, разность хода
от Xi до Xi одинакова:
+ (рх'г) = (xiO) + (Ох]) = ОВД)-
В некоторой точке х' фаза будет отличаться для луча, проходящего через р,
на величину k (х — х,) .
Колебание, которое приходит от точки хг в точку х' через все точки
апертуры, определяется суммированием всех колебаний в пределах
всего отверстия объектива
а
j a sin [gt — k (хл) ф- k (x — xt) -y-j dp =
—d
2u sin Igf — k OqXj) I sin k (x — xj
----------L__L_-------------L. (HI. 13)
k (x' ~xl) -J-
48
Если отбросить не имеющую значения общую фазу, то колебания в х'
от хд определяется выражением
sin k (х — лу) ----
k (,v' - *;) -A
Рассматривая объектив как конденсор и предполагая, что колебания
исходят из точки х', а определяется колебание в точке х1; формулу (111.13)
приводим к виду
— л-j sin <р0 1
----------------- sin gt. =
л'1 sin ср„ )
— ф (Xj) Sill gt,
(III.14)
где xy sin (p0 xy -у--условие синусов
для края диафрагмы р.
Конденсор изображает множество точек
источника света, которые действуют на
данную точку х, посылая на нее некоге-
рентные колебания. При этом две точки
объекта, получая световую энергию,
излучают колебания частично некогерент-
ные. Степень некогерентности в рассматри-
ваемых двух точках, например хд и х2,
можно вычислить, если в плоскости, где
они находятся, выделить двумя щелями
Рис. III.10. Изображение в конден-
соре и в объективе микроскопа
элементы при этих точках и заставить выходящие из них волны интер-
ферировать. Для этой цели помножим амплитуду первого и второго
колебания соответственно на аг и а2, введем разность хода Дх и Д2 и
складывая оба колебания
арл (х^ sin (gt — йЛ1) и а2х (х2) sin (gt — £Д2)
как когерентные, получим колебания с квадратом амплитуды
Р\ = а(к (ху)2 + а2х (х2)2 ф- 2в!а2х (ф1) х (х2) cos k (Aj — Д2).
Суммируя квадраты амплитуд всех некогерентных колебаний от разных
точек х' источника света и принимая для удобства пределы интегрирова-
ния ±со, получим
Л11= f Pxdx = -a- [a? + ai + 2a1a2cos^(A1 — Д2) Л(], (III. 15)
— со
где
sin/г (Xi —х2) sin <р0 (III 16)
k (л,, — х2) sin фо ’ ' '
называется множителем некогерентности.
Полная когерентность наступает, когда TV — 1, при N = 0 имеет
место полная некогерентность.
4 Г. Е. Скворцов и др.
Рис. Ш.11. Освещение объек-
та источником большого раз-
6. Когерентность света при освещении
широким источником света без конденсора
Когда объект освещается естественным светом, без конденсора, каждая
точка источника посылает всем точкам объекта одну когерентную плоскую
волну под некоторым углом ср. Одновременно на объект падают под раз-
ными углами ср другие волны, возникающие из различных точек источ-
ника, и поэтому эти волны некогерентны.
На рис. III. 11 даны точки объекта х0, х15 х2, к которым направлены
три луча под углом <р от одной точки z светящейся плоскости, расположен-
ной на таком значительном расстоянии от объекта, что эти лучи можно
считать параллельными между собой.
Если в начальной точке х0 колебание равно-
sin gt, то в точке xt при разности хода At --
= хх sin ср оно будет выражаться формулой
sin (gt — kxy sin ср).
Рассматривая колебания в точках х2 и х,
как когерентные, найдем квадрат амплитуды
при интерференции лучей, падающих под
углом ср к оптической оси системы:
Рч = 4- al + 2а\а2 cos k | (xj —
— х2) sin <p + Ai — Л2] • (111.17)
Совокупность всех некогерентных колебаний в пределах углов от —ср
до 4~<р определяется интегралом
<р
Мг — j PoCoscpdcp, (III.18)
откуда
М2 = 2 sin ср0 [а? al 2ащ2 cos k (Ai — A2) N j. (III. 19)
Это выражение, кроме постоянного множителя, тождественно с выраже-
нием (III. 15). Отсюда следует, что освещение широким источником света
ничем не отличается от освещения с помощью конденсора, если их апертуры
освещения равны.
Рассмотрим колебания от двух элементов апертуры, симметричных
оси при ±р (или ±<р). В случае самосветящихся элементов испытание
на когерентность для двух элементов при ±ср согласно (III. 17) дает
М2 = 2а? 4- 2а? 4- 4aia2 cos k (Ai — A2) cos k (xj — x2) sin <p. (III.20)
Чтобы получить выражение для когерентного колебания от точки х'
в точке х через элемент (или 4~ф) воспользуемся подынтегральным
выражением (III. 13), устранив в нем произвольный множитель а и общую
фазу, и заменив Xj через Ху при помощи (III. 12). Тогда
50
Сложение когерентных колебаний в точкех1 от двух элементов ± р(или±<р),
дает
2 sin gt cos (kx' --kxr sin<p) = 2 sing/ cos (ax' — PJ, (III.21)
где
Аналогичное колебание в точке х2
2 sin gt cos (kx' -Lx2sin<p) =2 sing/cos (ax' — p2). (III.22)
Принимая во внимание когерентность, квадрат амплитуды без множи-
теля 2 будет равен
Pi = а\ cos2 (ax — [ф) + a* cos2 (ax — p2) +
+ 2n1a2 cos (ax' — (I J cos (ax' — p2) cos k (Ax — Д2). (III.23)
Суммируя квадраты амплитуд всех некогерентных колебаний из разных
точек х' в пределах размера L источника света, получим
L
.Wi = J Pi dx’ — a\L + a^L + 2a1a2 Leos k (Aj — Д2)соэ(р1 — |32). (III.24)
— L
В выражении (III.24) все члены, не содержащие L, отброшены, так
как они ничтожны по сравнению с величиной L, которая может безгранично
возрастать. Очевидно, что уравнения (III.24) и (III.20) эквивалентны,
так как они содержат один и тот же множитель когерентности.
Некогерентность двух колебаний характеризуется частой сменой
фазы, непостоянством разности фазы, принимающей систематически оди-
наково часто всевозможные значения. В данном случае фаза Lx' -у- для
двух освещающих элементов апертурной диафрагмы ±р много раз про-
ходит через полный цикл 2л, вследствие чего когерентные колебания ста-
новятся численно эквивалентными некогерентным.
Процесс, выражающийся когерентным интегрированием (III. 13) по
всей апертуре, а затем некогерентным интегрированием (III. 15) по источ-
нику, приводит к эквивалентности с самосвечением отдельных элементов
и позволяет трактовать свет, исходящий от отдельных элементов апер-
туры, как некогерентный.
Отсюда можно утверждать, что множитель N в формуле (III. 15) выра-
жает одинаковую величину частичной когерентности двух точек освещае-
мого объекта при освещении конденсором и в случае освещения непосред-
ственно от источника.
7. Когерентность освещения
при изображении в микроскопе
Ограничимся объектами, которые не вносят разности хода, а изменяют
амплитуду падающего света вследствие поглощения. Такие объекты, обла-
дающие поглощающей способностью, характеризуются множителем f (х).
4
51
Если принять плоскость х за объект, то из формулы (111.15) можно
вычислить распределение освещенности в изображении, даваемом объек-
тивом микроскопа. Для этого следует просуммировать действие всех
точек объекта и найти соответствующие а и А для каждой точки изображе-
ния, заменяя двойную сумму двойным интегралом по dxx и dx2, пределы
которого распространены на все поля зрения объекта (от до Q2). Зна-
чения для а и А находятся так, как указано на стр 48 и 50.
Если в формулах (III.21) и (III.22) обозначить р через Ь (ширину прямо-
угольной диафрагмы), f через Д- (х'—расстояние от оси в плоскости
изображения), то можно получить следующее выражение [34]:
sin/г sin фр (хх — х2)
k sin ф0 (лу — хг) 1 2’
(111.25)
где f (xj и f (х2) — одинаковые функции, отличающиеся лишь обозна-
чением аргумента;
С — постоянный множитель.
Обозначим: sin ф0 = АК — апертура освещения; sin ф0 Аоб — апер-
тура объектива"’микроскопа; с — коэффициент некогерентности;
А об
~^-я---разрешаемая объективом величина; kAo6x12 =-- W12; &Аобх -
*Аоб
О 7
= W; = ei,2; kA06 (Q' - x) = kAo6{Q" - x) -- u"; k - ,
где x, согласно (III. 12), есть точка предмета — геометрическое изображе-
ние точки х', для которой дана освещенность выражением (II 1.25), е12 —
расстояние от точки х, выраженное числом единиц равных числу разре-
шаемых величин, умноженных на число л. Например, если ет = 12, то
расстояние от точки х составляет примерно 4 разрешаемых величины.
Формула (III.25) приводится к виду
=Cj j f (ej f (e2) • sinec ~ 8— rfei de2, (111.26)
U" U" 12 12
где C — новый постоянный множитель;
с — коэффициент некогерентности.
Формулы (III.25) и (III.26) выражают законы образования изображе-
ния в микроскопе с учетом влияния реального освещения. Эти формулы
вносят ясность в понимание плавности перехода от когерентного освеще-
ния к некогерентному и эквивалентности значения всех методов освещения
и характеристики последнего коэффициентом с. Если с = 0, тогда выраже-
ние (III.26) превращается в квадрат суммы амплитуд
Ех. = Сс
J f(e)^d8
и- е
(111.27)
52
Здесь стремящийся к нулю коэффициент с показывает, что освещенность
безгранично убывает (источник света — точка на бесконечности) по мере
перехода к полной когерентности.
Если с == со, из формулы (II 1.26) получаем сумму квадратов амплитуд
U’
Ех- =лС| !/(е)-^--|2 de, (III.28)
U"
что соответствует самосветящемуся объекту.
(Ш.29)
W с2а 4 ’
8. Значение когерентности в изображении
двух близких бесконечно тонких щелей
Освещенность в изображении двух бесконечно тонких щелей можно
вычислить, исходя из (III. 15) или (III.26).
Применяя формулу (III.26), необходимо сохранить два элемента ин-
теграла при 1ЕГ2 — + а, при условии, что определяет расстояние
между щелями в единицах разрешаемой величины.
Формула для вычисления освещенности, как функции W, расстояния
от начала координат, примет вид
Р sin2 (а — W) sin2 (а + IT) . „ sin (а — IE)
— ia — IE)2 г "“(а + IE)2 г 2 a—W~~
Из (III.29) очевидно, что освещенность в изображении одной щели равна
единице, если другая щель расположена от нее далеко. Если, например,
IE — фа и 2а велико, то два последних члена (III.29) обращаются в нуль,
а первый член принимает максимальное значение, равное единице. При
наличии одной щели IE = +а или IE = —а, существовал бы только один
член, или первый, или второй, который дал бы дифракционные полосы
около центрального максимума. В случае двух щелей IE = а и IE = —а
в (III.29) остаются все три члена суммы. Последний член, определяющий
взаимодействие между изображениями щелей, становится максимальным
при с -- 0, т. е. при когерентном освещении. Тогда (Ш.29) переходит
в квадрат суммы амплитуд когерентных колебаний от двух щелей.
г-г .. sin с2а п
При с оо, т. е. при полной некогерентности, множитель —— =0
и освещенность определяется суммой квадратов амплитуд. Важное зна-
чение имеют также два других множителя в последнем члене, так как они
определяют взаимодействие между светом, поступающим из обоих щелей
г- sin с2а ,
в случае некогерентности освещения. Если —— = 1, то все же послед-
ний член (Ш.29) при достаточно большом расстоянии 2а/л будет для всех
точек хмежду щелями меньше некоторой определенной заданной величины,
например, меньше 0,1, т. е. составит 10% от минимальной величины в сере-
дине изображения каждой щели. В этом случае достаточно расстояние,
равное 5 разрешаемым величинам, т. е. = 5. Щели, расстояние между
которыми превышает эту величину, изображаются любым освещением
в пределах указанной точности. Если принять, что — 1, то при любом с
53
освещенность Er — 1 для W = ±а, т. е. в середине каждого изображения
щелей. Следовательно, достаточно вычислить Et при W = 0 для точки
посередине между щелями, что непосредственно определит интенсивность
посередине как условную меру разрешения для разных коэффициентов
некогерентности
£1 = ^(1+~9- (Ш.ЗО)
В случае наклонного падения лучей можно получить формулу, аналогич-
ную (III.29):
Рис. III.12. К объяснению осве-
щенности посередине между изобра-
жениями двух тонких щелей, нахо-
дящихся на грани разрешения по
Рэлею
+ 2Д"Л^'П..2ДД±5.с„5е2<1. (Ш.31)
о .c i. sin а
Здесь коэффициент с = —---, где а —
SIH UqQ
угол падения плоской волны, ио6 — апер-
турный угол объектива.
Как и при нормальном падении, в слу-
чае наклонного падения по формуле
(III.31) при = 1, для середины изобра-
жения каждой щели освещенность Е.2 — 1
независимо от с, а для середины между
щелями
£2-J-(l+СО5СЛ). (III.32)
На рис. III. 12 даны кривые, соответ-
ствующие формулам (Ш.ЗО) и (III.32),
при этом коэффициент с откладывается по
оси абсцисс.
Согласно Рэлею, посередине между
двумя самосветящимися щелями на гра-
2tz ,
нице разрешения —- = 1, освещенность
соответствующую этой величине, прове-
равна-^2-. Через ординату,
дена прямая, параллельная оси абсцисс. К этой прямой стремится кри-
вая при с = оо, колеблясь около нее. Когда с --= 0 (плоская волна падает
нормально к плоскости, в которой расположены обе щели, и освещает их
когерентно), тогда выходящие из щелей лучи, встречаясь в одной фазе
посередине между максимумом в изображении щелей, дают освещенность
вдвое большую по сравнению со случаем, когда колебания на щелях
некогерентны. В соответствии с этим, кривые, характеризующие осве-
щенности и Е2, имеют начало на ординате 2 ~~ , через которую про-
ведена прямая параллельно оси абсцисс. Из анализа этих кривых можно
заключить, что в начале не только нет разрешения — провала интенсивно-
сти в середине, но результирующая кривая освещенности растет и пере-
ходит через ординату, где следовало бы ожидать максимума. С увели-
чением с освещенность в центре уменьшается и пересекает ординату,
равную единице при с 0,8. Если с = 1, т. е. при равенстве апертур
54
объектива и конденсора кривая Ек пересекает горизонталь 8/л2 и тогда
разрешение становится равным разрешению при самосвечении. При даль-
нейшем увеличении с, когда прибавляются лучи как будто бесполезные,
так как они не могут попасть в объектив, разрешающая сила растет
и доходит приблизительно при с = 1,4 до максимального значения, когда
провал освещенности в центре составляет 0,63, т. е. на 20% меньше,
чем = 0,81.
Эта величина небольшая и особого практического значения не имеет,
но она показывает, что дифракция в принципе может увеличить разреше-
ние. При еще большем значении с разрешение снова падает и кривая Ег
начинает колебаться около абсциссы 8/л2.
Если не стремиться к точности больше 20%, то можно считать, что
равенство апертур объектива и конденсора обеспечивает такое же раз-
решение, как и при самосвечении. Кривая Е2, характеризующая осве-
щенность пои наклонном падении лучей, показывает, что освещенность
посередине между щелями изменяется как косинусоида от 0 до 2 —
При нечетном значении с= 1,3, 5 ит. д., когда фаза противоположна,
освещенность посередине равна нулю. Поэтому расстояние между щелями
еще возможно уменьшить и разрешение может повыситься. Так, например,
в безыммерсионной системе при косом освещении можно довести разре-
шение до Л./3.
Характер освещения в микроскопе имеет существенное значение при
оценке предела разрешения. Изменяя угол наклона освещающих когерент-
ных лучей, можно существенно менять пределы разрешения в широких
диапазонах и получить на границах разрешения вместо провала одно слив-
шееся изображение двух щелей или наоборот — полное разрешение, если
создать обратные фазы косым падением лучей.
Апертуры объективов и конденсоров варьируют примерно от 0,2 до
1, 4, т. е. с не превышает величины 7. Обычно считают, что устанавливать
апертуру конденсора больше апертуры объектива, т. е. с 1, не следует,
так как это практически не дает никакого преимущества. Кроме того,
при апертуре конденсора, превышающей апертуру объектива, прибав-
ляется количество рассеянного света от оправ линз объектива микро-
скопа.
9. Передаточная функция оптических систем
За последнее десятилетие в оценке качества изображения получил
развитие метод, заключающийся в фильтрации пространственных частот,
где сама оптическая система является фильтром. Заключение о качестве
оптической системы производится из анализа кривых изменения кон-
траста, построенных в зависимости от пространственных частот. Этот
способ оценки успешно совершенствуется и, по-видимому, в дальнейшем
будет одним из основных критериев качества изображения.
Математическое выражение передаточной функции или функции
контраста представляет собой преобразование Фурье-функции рассеяния
оптической системы, т. е. функции, показывающей распределение осве-
щенности в изображении точечного источника света. Распределение
55
освещенности в изображении одномерного объекта описывается фор-
мулой [24]
00
Е(х'} = f В(х)А (х' — х)dx, (111.33)
— со
где Е(х') — распределение освещенности в изображении;
А (х'—х) — функция рассеяния объектива;
В (х) — распределение яркости на объекте.
Рассматривая процесс образования оптического изображения в ча-
стотном представлении, можно представить уравнение (IP 33) на основа-
нии теоремы Парсеваля [23] в следующем виде:
E(N) = A (N) В (N),
где Ё (N), A (N) и В (N) соответственно преобразования Фурье-функции:
распределения освещенности в изображении, рассеяния объектива, рас-
пределения яркости на предмете.
Функция A (N) является передаточной функцией оптической системы,
которая устанавливает различие между пространством предмета и про-
странством изображения.
В случае применения объекта, в котором яркость изменяется в одном
измерении (например, дифракционная решетка) функцию A (;V) удобно
представить в виде
оо
Л(Л^) = А (х') e~‘"2nNx’ dx'.
или
Л (TV) = | Л (АТ) | {N} = T(A/)e;*('V),
A7 1
где N = -пространственная частота;
2d — период изменения освещенности в изображении^ элемен-
тарного объекта;
Т (N) — модуль и ф (N) — аргумент передаточной функции.
Т (N) и ф (N) зависят от пространственной частоты и представляют со-
ответственно амплитудно-частотную и фазово-частотную характеристики.
Первая из них определяет зависимость коэффициента передачи контраста
от пространственной частоты и называется частотно-контрастной характе-
ристикой (ЧКХ), вторая определяет фазовое изменение изображения,
вызванное аберрацией (например, комой), и называется частотно-фазовой
характеристикой (ЧФХ).
Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) или функция контраста
обладает рядом преимуществ по сравнению с другими существующими
критериями качества изображения. Она дает более полную информацию
для оценки качества оптического изображения в сравнении с разрешаю-
щей способностью. С помощью ЧКХ можно по результатам расчета опти-
ческой системы быстро и точно предсказать, как будет данная система
изображать любой объект периодической структуры и определить падение
контраста в изображении этих структур.
56
Из всех методов вычисления ЧКХ наиболее рациональным и универ-
сальным является метод, предложенный Г. Г. Слюсаревым. Этот метод
позволяет с помощью электронно-вычислительных машин очень быстро
и с большой точностью вычислить ЧКХ оптических систем, в том числе
и объективов микроскопа [42]. В настоящее время для эксперименталь-
ного определения передаточной функции оптических систем разработано
большое количество установок, отличающихся друг от друга тест-объек-
тами и способами выделения синусоидальных составляющих с различ-
ными частотами.
На основе гармонического анализа и преобразования Фурье получили
дальнейшее развитие такие важные вопросы теории, как влияние коге-
рентного, некогерентного и частично когерентного освещения на изобра-
жение контрастных и слабоконтрастных объектов, влияние аберрации
на качество изображения и вытекающие отсюда значения допустимых
аберраций.
В гл. VIII приводятся графики частотно-контрастных характеристик
некоторых планапохроматических объективов и рассматриваются вели-
чины, необходимые для построения этих графиков.
10. Дифракционная глубина изображения
Наличие явления дифракции в микроскопе увеличивает глубину рез-
кости. Дифракционная глубина изображения вычисляется по формуле [28]
Т —
° ~~ kA2 '
где и — показатель преломления иммерсии.
Установление коэффициента k в этой формуле более или менее про-
извольно. По измерениям Берека k = 8, тогда
1 в == 2А2'
Полная глубина может быть получена как сумма глубин [формула (II.38) 1;
по Бсреку она равна
'т' 'г* । 'т' л340 . мА
Т 1 , + Тв = ---— МКМ + -л-т,- .
г । в др 1 2Д2
11. Полезное увеличение микроскопа
Чтобы полностью использовать разрешающую способность микро-
скопа, определяемую формулой (III. 11), необходимо иметь соответствен-
ное увеличение всей системы микроскопа; это увеличение должно быть
настолько большим, чтобы угловая величина изображения d — наимень-
шего разрешаемого микроскопом расстояния — не была меньше предель-
ного угла разрешающей способности глаза наблюдателя. Такое увеличе-
ние микроскопа принято называть полезным увеличением. Как известно,
нормальный глаз при некоторых благоприятных обстоятельствах способен
разделить две точки (линии), составляющие с глазом угловую величину Г.
Однако, принимая во внимание малую контрастность структуры
57
микроскопических объектов, очень малый диаметр выходного зрачка
(обычно он составляет от 0,5 до 1 мм) и ряд других факторов, предел
разрешения глаза практически принимается равным 2—4'.
Если обозначить физиологический предел разрешения глаза & и увели-
чение микроскопа Ги с учетом условного расстояния D = 250 мм, наимень-
шее разрешаемое расстояние между элементами предмета d мм, то отсюда
имеем
dTM = 250tgs или ТЛ1=25(^-. (III.34)
Подставляя в формулу (III.34) значение d — и учитывая, что
tg 8 sin 8 = 8 sin 1', получим
р _ 250- 0,00029еЛ _ еА
о,61 — ’ (Ш.ЗЬ)
где величина е выражена в минутах, X — в миллиметрах.
Полагая е в пределах от 2 до 4', получим
4r<T“<W- (111.35’)
для видимой области спектра
500Л< Гм< 1000Л. (III.35")
Значения Гм, удовлетворяющие неравенствам (III.35') или (III.35"),
называются значениями полезного увеличения микроскопа.
Применение увеличения меньше 500Л не дает возможности различить
все тонкости структуры объекта, которые может дать объектив с данной
апертурой А, так как предел разрешения глаза в этом случае меньше,
чем у микроскопа; увеличение, превышающее 1000Л и получаемое за счет
применения более короткофокусного окуляра, бесполезно, поскольку
нельзя выявить никаких новых деталей предмета в изображении по сравне-
нию с теми, какие различаются при полезном увеличении.
Кроме того, как следует из формулы (11.20), диаметр выходного
зрачка микроскопа при больших увеличениях становится меньше 0,5 мм;
это приводит к уменьшению яркости изображения, которое становится
менее резким вследствие заметной дифракции и энтоптических явлений
из-за неоднородности строения хрусталика и стекловидного тела глаза.
Формула (III.35") не распространяется на микропроекцию на экран
и телевизионную микроскопию, так как в этих случаях отверстие зрачка
глаза наблюдателя не ограничивается выходным зрачком системы. Однако
здесь также следует принять во внимание величину угла, под которым
виден предмет наблюдателю; очевидно, что увеличение в этом случае
, L т
должно быть повышено в отношении , где L — расстояние от экрана
до наблюдателя в метрах. В случае фотографирования также не следует пре-
восходить пределы полезного увеличения, так как помимо потери контраста
изображения, резко возрастает экспозиция. Если фотография предназна-
чается для рассматривания с расстояния, превышающего расстояние
наилучшего зрения, то увеличение должно быть повышено в отношении
58
l\ --- o, где D — расстояние в мм, с которого предполагается рассмат-
ривать фотографию.
Тогда формула (Ш.35") приводится к виду
ПЛ DA
Ю00Х<^Р<^-50бГ'
Б. ПОГРЕШНОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
В МИКРОСКОПЕ (АБЕРРАЦИИ)
12. Гауссова область изображения
Реальная оптическая система за исключением особых случаев изобра-
жает точку предмета с определенными аберрациями, т. е. погрешностями.
Выходящий из точки предмета гомоцентрический пучок лучей после пре-
ломления и отражения на поверхности оптической системы становится
негомоцентрическим, т. е. не все лучи сходятся в сопряженной точке
объекта.
Внутри бесконечно малого пространства, окружающего оптическую
ось системы, в так называемой параксиальной или гауссовой области,
имеет место идеальное схождение лучей и отсутствуют аберрации. Отрезки
s и s', выражающие расстояния от преломляющей (отражающей) поверх-
ности с радиусом кривизны г до точки предмета и ее изображения, и
показатели преломления пип' связаны инвариантом преломления Аббе:
С помощью этого соотношения выводятся общие законы изображения,
формулы для вычисления линз и основных гауссовых элементов оптиче-
ских систем [41]. При конечных значениях угла поля зрения и высот
падения лучей на поверхности линз системы возникают различные по
характеру аберрации.
Ниже дается краткий обзор наиболее важных аберраций, которые сле-
дует принимать во внимание при расчете главным образом объективов
микроскопов.
13. Классификация основных аберраций
При расчете оптических систем микроскопа принято различать основ-
ные аберрации для монохроматического излучения (сферическую аберра-
цию, кому, астигматизм, кривизну изображения и дисторсию) и сложного
по спектральному составу излучения (хроматические аберрации положения
и увеличения). Сферическая аберрация и кома характеризуют аберрации
широкого пучка лучей, а астигматизм, кривизна изображения и дистор-
сия — полевые аберрации. В зависимости от степени разложения коэф-
фициентов продольных аберраций в ряд различают аберрации третьего,
пятого и т. д. порядков.
Аберрации оптической системы могут быть выражены в угловых
и линейных величинах, а также в диоптрийной мере. Обычно погрешности
изображения для точки на оси, даваемые объективом микроскопа,
59
оцениваются в волновой мере, т. е. в долях длин волн, аберрации вне
осевых точек определяются в любых указанных выше величинах. Помимо
оценки качества изображения с точки зрения остаточных аберраций,
объективы микроскопа исследуются па контрастность изображения, вычис-
ляются их частотно-контрастные характеристики и т. д.
Поперечные аберрации оптических систем, рассматриваемые в мери-
диональной и сагиттальной плоскостях, могут быть разложены в ряд по
Уо т' М' ,
степеням малых величин —- , —— и —— , где е —расстояние от плоскости
е е е г
выходного зрачка до плоскости изображения, у0 — координата пересече-
ния луча с плоскостью изображения, tn' и М' — координаты луча на
выходном зрачке системы.
Ограничиваясь аберрациями третьего порядка (область Зейделя), это
разложение приведем к виду [41 ]
8g — tn (tn /И ) Sj tg фд (З/72 -j- M ) Su 4-
tn 1<g8 Wj_ (3Sni + Siv) tg3 ц-'iSy;
6G = M (tn -j~ Л4 ) Sj 2/И M tg ca'pS'ii 7И' tg8 (Sni H~ Siv),
где Si, Sn, Sni, Siv и Sv — коэффициенты аберрации по Зейделю.
В практике расчета оптических систем наряду с поперечными аберра-
циями рассматриваются волновые аберрации, т. е. отступление идеальной
сферической волны от реальной волновой поверхности, отсчитываемой
по нормали к сферической волне. Между волновой и поперечной аберра-
циями существует следующая зависимость:
dN 1 s , dN 1
где у' и z' — координаты точки пересечения луча с волновой поверх-
ностью;
R — радиус кривизны сферической волновой поверхности.
Волновая аберрация N представляет собой функцию от у’ и г', т. е. от
координат точки пересечения луча со сферой S. С целью удобства вычисле-
ния последнюю выбирают так, чтобы R = е'. В этом случае координаты
у' и z' мало отличаются от координат выходного зрачка пг' и М' и могут
быть заменены ими; тогда
-zr~r- = ~o~dg , = ndG . (III.36)
dm R dM R 4
Функция N может быть разложена в ряд по степеням т' и М'. Число
членов в разложении функции в ряд зависит от относительного отверстия
и поля зрения применяемой системы. Чаще всего практически ограничи-
ваются коэффициентами аберрации пятого порядка и реже седьмого
порядка.
Если известно выражение (II 1.36) для проекции поперечной аберрации
8g' и 6G', то волновая аберрация определяется путем интегрирования
системы уравнений (III.36).
60
Для системы, обладающей
аберрация имеет вид
аберрациями третьего порядка, волновая
Л' т - Si 4 (mz2 4- /И'2) tri tg £п 4 1g2 (ЗЗщ 4 SIV) 4
Л4'2
4 -г- tg2 w± (Sm + Sjv) 4 m tg3 u^Sy.
14. Сферическая аберрация
Сферическая аберрация характеризуется деформацией волновой по-
верхности, вышедшей из точки объекта, расположенной на оптической
оси системы. Поскольку лучи ортогональны к поверхности волны, то
в пространстве изображения нарушается гомоцентричность пучка и вместо
точечного изображения лучи пересекаются по некоторой кривой, образуя
каустическую поверхность, симметричную оптической оси. Световая энер-
гия рассеивается, переходя из центрального пятна в дифракционные
кольца, вследствие чего понижается
контрастность изображения.
На рис. III.2 кривая 2 характе-
ризует распределение освещенности
в дифракционном изображении точки
при наличии в системе сферической
аберрации.
На рис. III. 13 схематически пред-
ставлена продольная сферическая
аберрация 6si, 6s2, бхз относительно
параксиального фокуса Fo положи-
тельной линзы для высот падения /г15
/г2 и h3 лучей, параллельных опти-
ческой оси в пространстве предметов.
Рис. III.13. Продольная сферическая
аберрация
Точки пересечения лучей с оптической осью в пространстве изображе-
ния находятся слева от параксиального фокуса Fo и характеризуют абер-
рацию, как недоисправленную. Отрицательная или рассеивающая линза
дает положительную, т. е. переисправленную продольную сферическую
аберрацию, так как рассматриваемые выше точки пересечения лучей с оп-
тической осью расположены справа от параксиального фокуса. Обычно
при расчете микрообъективов продольную сферическую аберрацию рас-
кладывают в ряд по степеням апертурного угла н'2 (если кривая 6s' доста-
точно плавная):
6s — аи 4 bu 4 си 4 * * =z=: 6sni 4 6siv 4 6svi -4 * * *
В таком случае волновая аберрация может быть представлена выражением
А' и'2 ( 1 ,2 , 1 , ,4 , 1 ,6 , X
X — 2Х" \ 2 аи 1 3 + 4 сы +•••)•
Если кривая сферической аберрации достаточно плавная, то доста-
точно ограничиться двумя членами второго и четвертого порядка. В боль-
шинстве случаев вычисляют разность хода не для гауссовой плоскости
61
изображения, а для плоскости наилучшей установки, которой соответ-
ствует новая идеальная волновая поверхность. Наилучшая плоскость
установки подбирается с таким расчетом, чтобы отклонение реальной
волны от новой идеальной волны (сферы сравнения) было наименьшим.
15. Кома
Комой называется аберрация широкого наклонного пучка лучей,
в котором нарушена симметрия. На рис. III. 14 дано меридиональное сече-
ние пучка лучей, выходящих из внеосевой точки объекта и падающих
на линзу. Вследствие того, что условия прохождения этих лучей через
Рис. III. 14. Возникновение комы
систему различны, по выходе из нее
они не пересекаются в одной точке
и световая энергия концентрируется
в пятне рассеяния, имеющем в пло-
скости изображения кометообразную
форму. Наличие комы ухудшает
резкость изображения от центра
к краю поля зрения. Кома возрас-
тает с увеличением относительного
отверстия и поля зрения оптической
системы.
16. Астигматизм и кривизна поверхности изображения
Предположим, что из внеосевой точки В предмета АВ выходит узкий
гомоцентрический пучок лучей и
в
Рис. III. 15. Строение астигматического
пучка лучей
поступает во входной зрачок системы
(рис. III.15). Сточки зрения волновой
оптики это означает, что на систему
падает сферическая волна с центром
кривизны в точке В. При выходе из
системы эта волна становится несфери-
ческой и ее кривизна в меридиональ-
ном и сагиттальном сечениях будет
различна. Нормали к этой волновой
поверхности (световые лучи) пересе-
каются на двух взаимно перпендику-
лярных линиях М'М' и S'S', образуя
Рис. III. 16. Изображение плоской фигуры
астигматическими пучками
в гауссовой плоскости вместо точки пятно в виде эллипса. Сечение пучка
МВМ называется меридиональным, а сечение SBS — сагиттальным. Это
явление, когда вместо точечного изображения имеет место изображение
62
в виде двух взаимно перпендикулярных линий, называется астигматиз-
мом. Расстояние между линиями М'М' и S'S' характеризует величину
астигматизма. На рис. II 1.16 дано изображение плоской фигуры, состоя-
щей из ряда концентрических окружностей с центром на оси и их
радиусов (рис. III. 16, а). Радиальные линии изображаются сагитталь-
ными пучками резко, а концентрические окружности получаются размы-
тыми (рис. III.16, б); меридиональные же пучки дают обратные явления
(рис. III.16, в).
Некоторые системы можно рассчитать таким образом, что вышедшая
из нее световая волна остается сферической, но центр кривизны ее может
не совпадать с гауссовой плоскостью изображения. В этом случае плоский
объект, перпендикулярный к оптической оси, изобразится на некоторой
сфере. Эта аберрация называется кривизной изображения.
17. Дисторсия
В параксиальной области линейное увеличение является величиной
постоянной, что обеспечивает подобие изображения объекту (малый квад-
рат изображается квадратом). Нарушение подобия в геометрической форме
между предметами и его изобра-
жением называется дисторсией
(рис. III.17). Изображение квад-
ратной сетки а, Ь, с, d
(рис. III. 17, а) принимает по-
душкообразный (положительная
дисторсия А/' >0, рис. III. 17, б)
или бочкообразный вид (отри-
цательная дисторсия А/' < О,
рис. III.17, в). Дисторсия не
вызывает нерезкости изображе-
ния.
Рис. III. 17. Изображение квадратной сетки при
наличии дисторсии
18. Закон синусов
При коррекции объектива микроскопа на аберрацию «кома» приобре-
тает особо важное значение выполнение условия синусов, сформулирован-
ное впервые Аббе. Выполнение условия синусов гарантирует резкое изоб-
ражение элементарной площадки, перпендикулярной к оптической оси
и окружающей точки предмета А, которая, находясь на оптической оси
системы, изображается стигматически. Математически выполнение усло-
вия синусов определяется выражением
р = _« sin = const (III.37)
1 п sin и ’ v ’
где [1 — линейное увеличение системы;
п и п’ — показатели преломлений сред в пространстве предметов
и изображений;
и и и’ — апертурные углы в пространстве предметов и изображений.
Невыполнение условия синусов приводит к тому, что изображение
точек, находящихся вблизи от оси системы, сопровождается значитель-
ными поперечными аберрациями. Такое явление имеет место вследствие
63
(III.37')
изменения линейного увеличения в элементарных пучках при переходе
от одной зоны входного зрачка к другой.
Чтобы оценить практически как выполняется условие синусов, сле-
дует из точки предмета, расположенной на оптической оси системы, взять
ряд апертурных лучей, образующих с оптической осью углы u1; и2, и3
и т. д. и путем расчета через оптическую систему определить углы этих
лучей с осью по выходе из системы. Если
п sin и, п sin я, п sin и3 п
-----г = -----Г = ------г = р = const,
я sin и п Sjrl М2 п Sjn
го изображение элементарного отрезка будет резким. Таким образом,
если для сопряженных точек А и А', расположенных на оптической оси,
выполнено условие точечного изображения, т. е. [АА' ] = const, то для
суждения о резкости изображения внеосевой точки элемента плоскости
отпадает необходимость выполнения расчета хода луча из этой неосевой
точки рассматриваемого элемента, а достаточно проверить, соблюдается
ли условие (III.37') для осевых точек А и А'.
Для бесконечно удаленной точки пространства предметов закон синусов
h
выражается условием /' = ——z = const, т. е., чтобы при всех значениях h
sin ZZ
в пределах зрачка системы величина фокусного расстояния была постоян-
ной и равнялась заднему фокусному расстоянию системы f0, вычисленной
по формуле Гаусса |/о = ~^г|. Величина ошибки закона синусов опти-
ческой системы вычисляется по формуле
(111.38)
19. Условие изопланатизма
В объективах микроскопа, обладающих большими числовыми аперту-
рами, не удается полностью исправить сферическую аберрацию для
точки, расположенной на оптической оси системы по всему действующему
зрачку. Если удается исправить сферическую аберрацию на краю, то на
зоне она принимает значительные размеры. Поэтому и изображения точек
малого элемента плоскости, перпендикулярного к оптической оси, не
будут идеальным. Однако можно рассчитать систему таким образом, чтобы
изображения точек малого элемента плоскости около оптической оси
имели такие же недостатки, как и изображение точки, лежащей на оси
системы. Условие это называется условием изопланатизма. Оно было
сформулировано Штебле и Лигоцким (обобщающий закон синусов) и
имеет следующий вид:
с _ J_
^sin р
где
п sin и । ____ ds'
п' sin и' /__/' ’
Й) ‘зр
6sin — выражает отступление от закона синусов;
Р — линейное увеличение в параксиальной области для дан-
ных сопряженных точек;
so — расстояние от последней поверхности системы до гауссо-
вой плоскости изображения;
(111.39)
64
6s' — продольная сферическая аберрация для луча, выходя-
щего из точки предмета на оси под углом и;
tjp — расстояние от последней поверхности системы до выход-
ного зрачка;
So — 1ар — расстояния от выходного зрачка до плоскости изображе-
ния.
Если предмет находится на бесконечности, то условие приводится к виду
б . =_______________1 =______
USin . 1 -- ' '
/osm«- so-t3p
(111.40)
где fo — фокусное расстояние системы в параксиальной области;
5s' — сферическая аберрация для луча, входящего в оптическую
систему на высоте hv
20. Апланатические точки преломляющей поверхности
Пара сопряженных точек, расположенных на оптической оси системы,
для которых устранена сферическая аберрация и соблюдено условие сину-
сов, называется апланатическими точками, а сама оптическая система —
апланатической.
Сферическая преломляющая поверхность может иметь три пары сопря-
женных апланатических точек.
Первая пара: обе точки совпадают с вершиной поверхности s = s' = О,
линейное увеличение р +1.
Вторая пара: обе точки совпадают с центром кривизны, т. е.
Третья пара: сопряженные точки расположены согласно следующим
уравнениям:
il' -И п , п' -к п п .. ( п \ 2
s =-------г; s =-------— г = —s; 6= — .
п п п г \ п J
В объективах микроскопа практически существует одна пара аплана-
тических точек, для которых выполнена коррекция системы. Поэтому
отступление рабочего расстояния от расчетной величины, а следовательно,
и изменение длины тубуса от номинального его значения, может нарушить
условие апланатизма в объективе микроскопа и тем самым испортить его
качество изображения.
21. Формы апланатических менисков
Как известно, имеются четыре формы апланатических менисков,
которые могут дать апланатическое изображение точки на оси при любом
раскрытии пучка.
Первая форма. Передняя поверхность апланатична к положе-
нию предмета, центр второй поверхности совпадает с изображением от
первой поверхности (рис. III.18, а). Мениск действует рассеивающе (вы-
ходная апертура больше входной). Его радиусы:
г — —2_- и = —— а.
1 п + 1 * п
5
Г. Е. Скворцов н др.
65
Фокусное расстояние
г, _ 1 Sj — nd
' п — 1 Sj — d (п -г 1) S1’
Увеличение В = —.
г п
Вторая форма. Концентрический мениск — центры обеих по-
верхностей совпадают с положением предмета (рис. III.18, б).
Третья форма. Обе поверхности действуют апланатическп.
Выходящий пучок смещается параллельно входящему (рис. III.18, я).
Его радиусы:
Фокусное расстояние
р _ п s, — nd
п- — 1 d Sp
Четвертая форма. Центр передней поверх-
ности совпадает с положением предмета, вторая по-
верхность апланатична к предмету (рис. III. 18, г).
Рис. III.18. Формы апланатических менисков
Для первой поверхности
' о п1 1
s = s. = г, и В, = — - = — .
1 1 1 11 п„ п
Для второй поверхности
s3 = sx — d = rx — d; r, = —(Ц — d) = --^(sx — d);
s' = • s„ = ns,-, ₽, = (~2- V = H3.
2 n3 2 2’ 1 - \nj
Линейное увеличение мениска в сопряженных точках А и А' равно
₽ = Р1₽2 = ’А
фокусное расстояние
„ п- s, — d
f = У"-гт • ль7‘5о
66
выходная апертура
Мениск действует собирающе. Так, например, апланатическая линза,
изготовленная из марки стекла ТК-16 (п 1,6126), снижает апертуру
выходного пучка в 1,6126 раза.
Если последовательно установить, например, три апланатические
... . sin и,
линзы одну за другой, то выходная апертура будет равна sm u7 =—.
Однако число применений апланатических линз ограничено тем, что эти
линзы становятся толстыми, а радиусы их поверхностей малыми. Поэтому
практически невыгодно применять последовательно более трех менисков.
Апланатические линзы не дают действительного изображения. Чтобы
получить действительное изображение, необходимо иметь по крайней
мере одну неапланатическую поверхность. Апланатические поверхности
играют большую роль в конструкции сильных микрообъективов, у кото-
рых входная апертура доходит до 0,95 в сухих системах и до 1,5-- 1,6
в иммерсионных. При расчете некоторых сильных объективов имеет место
незначительное отступление от апланатизма фронтальной линзы, что
является благоприятным в отношении увеличения рабочего расстояния,
а также компенсации аберраций высших порядков, которые появляются
на последующих преломляющихся поверхностях.
22. Хроматические аберрации
Дисперсия света. Открытое Ньютоном явление дисперсии света со-
стоит в том, что показатель преломления всякой преломляющей среды
является функцией длины волны проходящего света. Все оптические
стекла обладают нормальной дисперсией, т. е. показатель преломления
возрастает при уменьшении длины волны X, вследствие чего синие и фио-
летовые лучи преломляются сильнее, чем оранжевые и красные. Для опти-
ческих стекол в видимой области спектра показатель преломления при
различных длинах волн обычно вычисляют по формуле Гартмана
п = а 4--tv--;— ,
1 (X — с)а ’
где а, Ь и с — постоянные коэффициенты для данной марки стекла.
Хроматическая аберрация положения. Поскольку фокусные расстоя-
ния отдельных линз, составляющих оптическую систему, зависят от длины
волны, то изображения светящейся точки на оптической оси системы в лу-
чах разных длин волн будут находиться в разных местах. Такое явление
называется хроматической аберрацией положения или, сокращенно, хро-
матизмом положения. В зависимости от приемника лучистой энергии
используются различные спектральные области излучений. Так, напри-
мер, в случае визуального наблюдения, когда приемником световой энер-
гии служит глаз, пользуются видимой частью спектра (360—780 нм).
Чувствительность глаза к различным монохроматическим излучениям
не одинакова. Максимально чувствителен глаз к желто-зеленому цвету
</. 556 нм). К фиолетовому и темно-красному излучению глаз мало
67
чувствителен. При расчете оптических систем, предназначенных для
визуального наблюдения, за основной свет принято считать желтое моно-
хроматическое излучение с длиной волны 589,3 нм, что соответствует
спектральной линии (по Фраунгоферу).
Разность nF—пс (kF -^= 486 нм и лс 656 нм) называется средней
дисперсией', пР—nD и nD—пс — частными дисперсиями, а величина типа
Пр> — Пс „ „ Пр> — 1 . ,
------------относительной ducnepcuew, v —------------------ коэффициен-
пр — пс 1 Пр — ПС
том средней дисперсии или числом Аббе.
В каталоге оптического стекла (ГОСТ 3514 —67) приводятся все эти
значения для каждой марки стекла.
Хроматизм положения является наиболее заметной аберрацией, ее
полное устранение или уменьшение необходимо предусматривать в пер-
вой стадии расчета оптической системы.
Хроматизм положения бесконечно тонкой линзы для крайних значе-
ний длин волн F—С для точки на оси, расположенной на конечном рас-
стоянии sx, равен
А.ТП -С = Sp — Sc = — S/J .
/о'-
Если предмет находится в бесконечности, то s, = <х> и s' f. Тогда
Asf__c = fp — fc = су
Применяя положительные и отрицательные линзы и соответствующие
для них марки стекол (например, крон и флинт) можно устранить хромати-
ческую аберрацию положения, сделав ее практически незаметной. Так,
например, ахроматизация двухлинзового тонкого объектива, линзы кото-
рого расположены бесконечно близко друг от друга, сводится к следую-
щему условию
где <р, и ср2 — оптические силы первой и второй линз;
vi и v2 — коэффициенты Аббе для марки стекол первой и второй линз.
Из (III.41) следует
где
<Р = Ф1 + ф2; Ф1 = («1 — 1) ( Г|---;
ф3 = (и2— 1) ;
и! и и 2 — показатели преломления марок стекол линз;
г — радиусы поверхностей линз.
Вторичный спектр. Если изображения точки для лучей F и С совпа-
дают между собой, но не совпадают с изображением для желтых лучей (О),
такое явление носит название вторичного спектра.
68
Величина вторичного спектра для видимой области спектра при усло-
вии, что sf = Sc вычисляется по формуле
'2
, , S
Sf — So = —
(III.42)
р = пр ~ п°
Величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности
частных относительных дисперсий к разности коэффициентов средней
дисперсии. Вследствие существующей для
большинства оптических стекол линейной
зависимости р = av 4- Ь, величина вторич-
ного спектра является постоянной. Для
большинства существующих двухлинзовых
склеенных объективов из обычных марок
стекол вторичный спектр для лучей С, D
, 2
и F согласно формуле (II 1.42) равен 9500•
и to
Величина вторичного спектра зависит от
того, для каких двух лучей устранен хро-
матизм положения данного объектива.
Так, например, при фотовизуальной кор-
рекции, когда сводятся лучи D и G'
(/.д=~589,3 нм и ХС'-=434,1 ни), величина
вторичного спектра для цвета F достигает
”1300 ~fT ‘ Вторичный спектр для всей ви-
димой области спектра от Л' (А --- 768 нм)
, 2
S
т
t 2
Рис.
зующие
Ш.19. Кривые, характери-
хроматизм положения
в объективах микроскопа
до /г (А --- 404 нм) имеет величину
для обычных сортов стекол.
Из формулы (III.42) очевидно,
стеме вторичный спектр требуется
частные относительные дисперсии были бы пропорциональны или равны.
Для этой цели были разработаны специальные марки стекол — особые
флинты (ОФЗ, ОФ4, ОФ5), которые в сочетании с кристаллами CaF2 и
LiF, сверхтяжелыми кронами и с некоторыми другими марками стекол
дают апохроматическую коррекцию.
На рис. II 1.19 приведены типичные кривые, характеризующие хрома-
тизм положения в объективах-апохроматах, флюоритовых системах и
объективах-ахроматах. По оси ординат отложена шкала длин волн, по оси
абсцисс—глубина резкости изображения. Как видно из рис. III.19,
объективы-апохроматы дают наибольший диапазон спектра резкого изо-
бражения по сравнению с другими системами.
Хроматическая аберрация увеличения. Поскольку фокусные расстоя-
ния системы для света различных длин волн различны, следовательно,
различны и масштабы изображения одного и того же отрезка Гр l'D Д
400
для
того, чтобы устранить в си-
что
применение таких стекол, у которых
69
..Г*Й& - I ' .
у= Гс. Эта аберрация называется хроматической аберрацией увеличения.
Соответствующим положением входного зрачка и подбором марок стекол
можно исправить хроматизм увеличения.
При коррекции оптических систем объективов микроскопа оптик-кон-
структор руководствуется критерием Рэлея, согласно которому волновая
аберрация в плоскости наилучшей установки не должна превышать 0,257. \
Соблюдение критерия Рэлея гарантирует высокое качество изображения,
мало отличающееся от идеально возможного.
Практическая оценка качества изображения, даваемого объективом
микроскопа, проверяется на изображении светящейся точки, различных
тест-объектов и т. п. Особое значение в оценке качества изображения, как
это отмечалось выше, приобретает новый метод, с помощью которого опре-
деляется частотно-контрастная характеристика или передаточная функция
оптической системы.
Г л а в а IV
МЕТОДЫ ОСВЕЩЕНИЯ.
ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
1. Понятие светлого и темного поля
Подавляющее большинство объектов, исследуемых под микроскопом,
являются несамосветящимися; такие объекты следует освещать посторон-
ним источником света. Роль освещения в передаче микроскопической струк-
туры объекта с помощью микроскопа чрезвычайно велика. Как следует
из формулы (III.10), разрешающая способность микроскопа зависит не
только от апертуры объектива, но и от апертуры осветительной системы.
Кроме того, устройство осветительной системы имеет большое практиче-
ское значение для получения контрастных и равномерно освещенных изо-
бражений. В микроскопе подвергаются исследованию главным образом
две основные группы объектов: прозрачные (тонкие срезы, жидкости,
тонкие шлифы минералов и т. п.) и непрозрачные (травленые шлифы ме-
таллов, минералы руды и т. д.). Соответственно этим группам объектов
строятся осветительные устройства для проходящего и отраженного света.
В микроскопических исследованиях широко пользуются освещением
объектов по методу светлого и темного поля.
Освещение объекта по методу светлого поля осуществляется посред-
ством лучей, которые, выйдя из осветительной системы и пройдя прозрач-
ный объект (проходящий свет) или отразившись от поверхности непро-
зрачного объекта (отраженный свет) по закону геометрической оптики,
поступают в отверстие объектива, создавая изображения менее прозрач-
ных элементов объекта в виде темных участков на светлом фоне. В случае
отсутствия объекта поле зрения микроскопа кажется равномерно осве-
щенным.
1 Критерий Рэлея не относится к фотографическим и проекционным объективам,
где волновые аберрации могут достигать нескольких длин волн.
70
Темное поле создается в тех случаях, когда в объектив микроскопа
проходят лишь рассеянные (диффузно отраженные) от объекта лучи или
лучи, отраженные элементами поверхности, имеющими надлежащий на-
клон по отношению к оптической оси объектива; вследствие этого картина
в изображении кажется противоположной
той, какая наблюдается при освещении
на светлом поле: поверхность объекта
представляется более или менее темной
с ярко освещенными определенными дета-
лями на пей.
На рис. IV. 1 показаны схематически
границы освещения объектов по методу
светлого и темного поля в случае приме-
нения в микроскопе падающего и прохо-
дящего света. Как видно из рис. IV. 1,
освещение объектов по методу светлого
поля можно осуществить, направив лучи
в объектив микроскопа непосредственно
снизу (проходящий свет) или сверху (отра-
женный свет). Некоторые принципиальные
схемы осветительных устройств для прохо-
Рис. IV. 1. Границы освещения по
методу светлого и темного поля при
применении объектива микроскопа
Приемы освещения объективов
Одностороннее
Круговое
Прямое
Косое ' ' Одностороннее । j Круговое
Светлое поле Ц Проходящий I I Темное поле
I । свет
Источник
света
- I Падающий свет — >1 Темное поле
Прямое,
пластинка Бека
____________
Косое,
призма Наше
Ограниченный I
: азимут j
Схема IV. 1
71
дящего света, с помощью которых осуществляется освещение объектов по
методу светлого поля, приведены на рис. IV.3—IV.7, а для отраженного
света на рис. IV. 16—IV.22.
По методу темного поля непрозрачные объекты освещаются со стороны
объектива лучами, идущими вне объектива, или лучами, направленными
на прозрачный объект со стороны конденсора; в обоих случаях апертура
освещающих лучей должна быть больше числовой апертуры объектива
микроскопа.
Современные конструкции осветительных устройств позволяют осу-
ществить различные наблюдения объектов, освещая их по методу светлого
и темного поля. На стр. 71 приводится схема IV. 1 возможных приемов,
освещения объектов.
2. Координаты освещения
Рациональное применение того или иного метода освещения зависит
главным образом от характера исследуемого объекта. Одни методы осве-
щения нельзя заменить другими, поскольку они не исключают друг друга,
а только лишь дополняют. В одних случаях большое значение приобретает
наблюдение объектов в светлом поле, в других же - в темном.
Для создания осветительного устройства с требуемым способом осве-
щения необходимо установить
Г1ризонтамная плоскость
(плоскость столика микроскопа)
Рис. IV.2. Координаты освещения
параметры, однозначно характеризующие
световой пучок, освещающий объект.
Для характеристики освещающего пуч-
ка лучей удобно применить условную
систему координат, которой пользуются
в астрономии для определения места поло-
жения звезды или светила относительно
системы горизонта, т. е. определяют их
высоту (или расстояние от зенита) и азимут
(рис. IV.2). Эту относительную систему
измерения можно перенести для характе-
ристики освещения в микроскопию таким
образом, чтобы горизонт располагался
в плоскости стола микроскопа, а направле-
ние в зенит совпадало с нормалью к плос-
кости стола (рис. IV.2). С нормалью
к плоскости стола обычно совпадает оптическая ось объектива микро-
скопа. Если к этому еще добавить, что азимут от наблюдателя в направ-
лении движения часовой стрелки положительный, то может быть уже
однозначно установлено положение оси круговой формы ограничивающего
пучка посредством его азимута ф и угла падения I. Для полной характе-
ристики осветительного пучка определяют еще его числовую апертуру
А = n sin и. Эти три параметра освещения ф, i и А, как показано ниже,
играют важную роль в изображении структуры некоторых объектов.
Зависимость в выявлении рельефа поверхности объекта от азимута
освещения принято называть азимутальным эффектом. Последний может
заметно искажать изображение шлифованной поверхности объекта. Вы-
ступы на этой поверхности могут быть приняты за углубления и наоборот.
Поэтому рекомендуется всегда указывать азимутальное направление осве-
72
щаемого пучка и устанавливать исследуемую поверхность шлифа в опре-
деленном положении по отношению к осветительному пучку. Азимуталь-
ный эффект особенно сильно заметен при наблюдении в темном поле.
Он значительно уменьшается, если увеличить апертуру осветительного
пучка, и полностью пропадает, если вместо одностороннего применить
кольцевое освещение (ф = 360°).
Односторонним освещением принято считать такое освещение, когда
величина азимутального угла ф составляет меньше 360°. Совокупность
нескольких таких односторонних освещений при четком их разделении
дает многостороннее освещение.
3. Основные требования
к освещению объектов в проходящем свете
Ко всем устройствам, служащим для освещения объектов, в особен-
ности по методу светлого поля, предъявляются основные требования:
во-первых, изображение источника света должно полностью заполнить
апертурную диафрагму конденсора и, во-вторых, освещенное поле зрения
не должно быть больше,чем поле зрения применяемого объектива. Из всех
существующих методов освещения наиболее эффективным в отношении
устранения вредных рефлексов и получения наилучшего контраста изо-
бражения является метод освещения, предложенный Кёлером. Сущность
этого метода освещения была описана в гл. II.
При конструировании оптической системы по принципу Кёлера сле-
дует осуществить передачу изображения источника света в плоскость
апертурной диафрагмы конденсора при полном ее заполнении этим изобра-
жением следующими тремя способами:
1. Выбором соответствующего расстояния между конденсором и кол-
лектором. Однако это расстояние ограничивается конструктивно требо-
ваниями и удобством эксплуатации осветительного устройства. Так,
например, для того чтобы работающий на приборе мог одновре-
менно наблюдать в микроскоп и манипулировать освещением, макси-
мальное расстояние коллектора от конденсора не должно превышать
300—400 мм.
2. Уменьшением фокусного расстояния коллектора. Расстояние s1
от источника света до первой поверхности коллектора вычисляется по
формуле
'' - sF + ,
где sF, f и р — соответственно переднее вершинное фокусное расстоя-
ние, фокусное расстояние и линейное увеличение кол-
лектора.
Расстояние sx должно быть таким, чтобы колба применяемой лампы
не упиралась в линзу коллектора при его фокусировке.
3. Применением источника света с соответствующим размером тела
накала. Необходимо при этом учитывать, что с увеличением размеров
светящего тела накала у электроламп неизбежно растет мощность лампы,
увеличивается нагрев механических деталей, что вредно отражается на
эксплуатационных свойствах прибора.
4. Оптические схемы осветительных систем для проходящего света
В микроскопах простых конструкций, применяемых для исследования
объектов в проходящем свете, схема освещения выполняется преимуще-
ственно в виде двух самостоятельных систем, обеспечивающих освещение
по методу Кёлера. На рис. IV.3 приведена схема, выполненная по прин-
ципу Кёлера, для освещения объектов в случае применения объективов
малых увеличений. Коллектор 2 проектирует источник света 1 в плоскость
апертурной диафрагмы 4 двухлинзового конденсора 5 и 6 малой апертуры.
Рис. IV.3. Ход лучей -при кёлеровском принципе освещения
для объективов малых увеличений (светлое поле)
Одновременно конденсор изображает апертурную диафрагму 4 во входном
зрачке объектива 8, а полевую диафрагму 3 в плоскости объекта 7. На
рис. IV.4 показана оптическая схема при применении объективов сред-
них и больших увеличений. Коллектор 2 проектирует источник света 1
в плоскость апертурной диафрагмы 4 конденсора 5, который в свою оче-
Рис. IV.4. Ход лучей при кёлеровском принципе освещения дли
объективов средних и больших увеличений (светлое иоле)
редь изображает диафрагму 4 во входном зрачке объектива 7, а полевую
диафрагму 3 — на объекте 6.
Фотографирование большой площади объектов осуществляется с по-
мощью специальных фотографических объективов, которые в зависимости
от оптической конструкции называются микротарами, микропланарами
и т. д. (см. рис. VI11.24, а, б). В осветительных устройствах, предназначен-
ных для таких объектов, обычно принцип освещения по Кёлеру не выпол-
няется. При фотографировании с применением объективов микроскопа
не требуется точного сопряжения выходного зрачка конденсора с входным
зрачком объектива микроскопа, так как отношение расстояния выходного
зрачка конденсора от плоскости объекта к диаметру поля зрения доста-
точно велико и поэтому виньетирования наклонных пучков лучей не на-
блюдается.
74
Когда же фотографирование производится фотографическими объек-
тивами, сопряжение выходного зрачка конденсора с входным зрачком
проекционного объектива должно быть выполнено как можно точнее.
Несоблюдение этого требования приводит к значительному виньетирова-
нию объективом наклонных пучков лучей. Может случиться так, что, хотя
все поле зрения рассматриваемого объекта освещено, однако его края
мог. г не изобразиться. Такое явление объясняется тем, что лучи, осве-
щающие крайние точки рассматриваемого объекта, выходят из световой
трубки, которую способна пропустить проекционная система.
На рис. IV.5 представлена простейшая конструкция осветительного
устройства для фотографирования. Расположенная вплотную к объекту 4
конденсорная линза 3 изображает совместно с коллектором 2 источник
Рис. IV.5. Принцип освещения при применении проекционных
фотографических объективов
света 1 во входном зрачке объектива 5. Поле зрения фотографируемого
объекта ограничивается световым диаметром оправы линзы 3. Фокусное
расстояние линзы 3 вычисляется в зависимости от расстояния от предмета
до объектива. В случае применения на одном приборе нескольких объекти-
вов, фокусные расстояния которых значительно различаются, необхо-
димо иметь соответствующий набор для них конденсорных линз.
В случае большого поля зрения при малом рабочем расстоянии объек-
тива, конденсорная линза должна иметь большое относительное отверстие,
и поэтому ее толщина по центру становится весьма значительной. Аберра-
ции такой линзы будут недопустимо велики, а освещенность изображе-
ния — неравномерной. Тогда целесообразно вместо одной конденсорной
линзы использовать две плоско-выпуклые линзы, выпуклые поверхности
которых обращены внутрь системы. Такая двухлинзовая система была
применена, например, в приборе ФМН-2 (рис. IV.7). Практически можно
использовать одиночную простую линзу в качестве конденсора с числовой
апертурой не более 0,3. Когда требуется иметь числовую апертуру от 0,3
до 0,5, то целесообразно применять линзу с асферической поверхностью
или две плоско-выпуклые линзы со сферическими поверхностями.
В случае необходимости освещения объекта весьма большого размера,
фотографируемого с помощью объектива «Микротар» с фокусным расстоя-
нием, превышающим 90 мм, перед коллектором в ход лучей включается
рассеивающая линза, которая полностью освещает конденсорную линзу,
расположенную вблизи объекта.
Для правильного фотографирования объекта необходимым условием
является резкое изображение источника света в зрачке проекционного
объектива и равномерное его заполнение. Однако простая линза этого
условия выполнить не может.
75
На рис. IV.6 дана оптическая схема осветительного устройства, по-
зволяющая с помощью минимального числа включающихся и выклю-
чающихся дополнительных линз переходить от освещения объектов на
обычном микроскопе к освещению макрообъектов, фотографируемых с по-
мощью фотографических проекционных объективов.
Схема на рис. IV.6, а применяется для освещения объектов, исследуе-
мых под микроскопом, при использовании объективов 9 средних и больших
увеличений. Источник света 1 проектируется с помощью коллектора 2
и дополнительной линзы 5 на ирисовую диафрагму 6 конденсора 7 микро-
скопа.
Рис. IV.6. Ход лучей в оптической системе осветительного устройства при
применении микрообъективов и фотографических проекционных объективов
Если источник света 1 расположен в передней фокальной плоскости
коллектора, то между коллектором 2 и дополнительной линзой 5 имеется
телецентрический ход лучей, и, следовательно, масштаб изображения
источника света определяется отношением фокусного расстояния линзы 5
к фокусному расстоянию коллектора. Расстояние между коллектором
и линзой 5 должно быть таким, чтобы в это пространство в передней фо-
кальной плоскости линзы 5 можно было поместить ирисовую полевую
диафрагму 4, изображение которой с помощью конденсора совпадало бы
с плоскостью предмета 8. Масштаб величины изображения диафрагмы
поля зрения на предмете равен отношению фокусных расстояний конден-
сора и линзы 5.
На рис. IV.6, б дан ход лучей системы, применяемой с микрообъекти-
вами слабых увеличений или с фотообъективами (микротарами и др.).
К указанной выше схеме применяют вторую дополнительную липз\ 10,
фокусное расстояние которой выбирается таким образом, чтобы изобра-
жение источника света проектировалось на ту же диафрагму 4, а передняя
ее фокальная плоскость совпадала бы с полевой ирисовой диафрагмой 3,
расположенной непосредственно у коллектора. Тогда диафрагма 4 стано-
76
вится апертурной. Так как источник света расположен в передней фокаль-
ной плоскости коллектора, следовательно, масштаб изображения этого
источника в плоскости диафрагмы 4 равен р, = -1,-’ гДе Ь и Ло фокус-
/2
ные расстояния коллектора и второй вспомогательной линзы. Линзы
10 и 5 представляют собой оборачивающую систему и совместно с конден-
сорной линзой 11 изображают полевую диафрагму 3 на предмете. Кон-
денсорная линза расположена вблизи предмета, поэтому масштаб изобра-
жения полевой диафрагмы на предмете равен рз = 1^-. Апертурная
'ю
диафрагма 4 и изображение в ней источника света проектируются с по-
мощью линзы 5 в бесконечность, а затем конденсорной линзой 11 изобра-
жаются во входном зрачке проекционного фотообъектива 12. Диафрагма 4
может быть ирисовой.
В этой системе положения всех линз и диафрагм точно фиксируются
при юстировке. Таким образом, переход от освещения объектов, приме-
няемых с объективами средних и больших увеличений, к освещению
с помощью объективов малых увеличений или фотообъективов осуще-
ствляется включением линзы 10 и заменой конденсора микроскопа про-
стой конденсорной линзой.
На рис. IV.6, в приведена схема освещения объектов очень больших
размеров, которые не могут быть размещены на столике микроскопа.
Вблизи апертурной диафрагмы 4 устанавливается линза 13, которая
совместно с конденсором изображает диафрагму поля зрения 3 на объекте.
В качестве конденсора применяется двухлинзовая система 14 и 15 с боль-
шим фокусным расстоянием. Одна из этих линз расположена вплотную
к объекту.
Линза 13 и конденсорная система проектируют апертурную диаф-
рагму вместе с изображением в ней источника света во входной зра-
чок объектива 16.
При различных масштабах изображения протяженных объектов рас-
стояние между проекционным объективом и объектом существенно ме-
няется. Поэтому для того, чтобы изображение источника света в каждом
случае проектировалось во входной зрачок объектива, следует применять
вместо одной линзы 11 несколько сменных линз с различным фокусным
расстоянием или двухкомпонентную систему, состоящую из неподвижной
и близко расположенной к объекту положительной линзы 15 и подвижной
отрицательной линзы 14.
Эквивалентное фокусное расстояние f3 такой системы равно
д' _ /14/15
/14 + /15
где d — расстояние между задней главной плоскостью линзы 14 и перед-
ней главной плоскостью линзы 15.
При определенных значениях Д4 и Д5 небольшому изменению d соот-
ветствует значительное изменение f3.
Перемещение отрицательной линзы 14 приводит к нерезкости изобра-
жения диафрагмы поля зрения в плоскости предмета. Если выбрать опти-
ческую силу линзы 14 так, чтобы при среднем ее положении изображение
полевой диафрагмы было резким, то расфокусировка последней становится
незначительной.
5. Расчет осветительной системы к установке ФМН-2
для проходящего света
Остановимся кратко на расчете универсальной осветительной системы
для проходящего света, применяемой в установке ФМН-2, выпускаемой
отечественной промышленностью.
Рис. IV.7. Принципиальная оптическая схема осветительного устройства установки
ФМН-2:
1 — источник света (лампа К-30); 2 — апланатический коллектор; 3 — полевая ирисовая диафрагма;
4, 7 и 8 — осветительные линзы; 5, 9 — зеркала; 6 — апертурная ирисовая диафрагма; 10 -- за-
щитное стекло; 11 — подвижная линза малого стола; 12 — осветительные линзы малого стола;
13, 1о — предметные стекла; 14 — подвижная линза большого стола; 15 — осветительные линзы
большого стола
На приборе ФМН-2 можно производить фотографирование объектов
с помощью специальных проекционных фотообъективов, микропланаров
ОП-15, ОП-16, ОП-17 и «Корректар» ОФ-111 (см. рис. VIII.24). Набор фото-
объективов позволяет фотографировать объекты в масштабе от 0,5; до 20 .
Для удовлетворения условия сопряжения изображения источника
света, а вместе с ним и изображения апертурной диафрагмы осветительной
системы с входным зрачком объектива, при различных расстояниях послед-
78
него от объектов, предусмотрено два съемных предметных стола, содержа-
щих подвижные отрицательные линзы. На рис. IV.7 приведена принци-
пиальная оптическая схема осветительной и проекционной части уста-
новки ФМН-2.
Максимальные размеры объектов при фотографировании в проходящем
свете на большом столе составляют до 100 мм, на малом столе — не свыше
50 мм. Объекты размером до 180x240 мм. освещаются только с помощью
софитного устройства. В зависимости от величины объекта и применяемого
типа объектива предусмотрены следующие три варианта установок откид-
ных линз.
1. Установка откидных осветительных линз при работе с объекти-
вами ОП-15, ОП-16 и ОП-17. Максимальный диаметр фотографируемого
объекта — 50 мм, масштаб изображения меняется от 3х до 20х, исполь-
зуется малый предметный стол, осветительная линза 4, включается осве-
тительная линза 8 и выключается линза 7. При этом линза 4 изображает
полевую диафрагму 3 в бесконечности, и совместно с коллектором 2
проектирует источник света на апертурную диафрагму в масштабе 2,8х
(рис. IV.8, а).
Осветительные линзы 8, 11 и 12 изображают апертурную диафрагму 6
на входном зрачке объектива. Эти же линзы совместно с линзой 4 изобра-
жают полевую диафрагму 3 на объекте Р, установленном в задней фокаль-
ной плоскости системы линз 8-\-11\-12; расстояния d2 между линзами
8 и 11, а также d4 между линзами 11 и 12 — переменные, но суммарная
их величина d2-| г/.ц !87 мм.
В табл. IV. 1 даны масштаб изображения апертурной диафрагмы МАг1
и положение заднего вершинного фокусного расстояния sF' (положение
изображения полевой диафрагмы) при различных положениях подвижной
отрицательной линзы И.
Для установки на резкость изображения полевой диафрагмы введено
перемещение предметного стола.
Масштаб изображения полевой диафрагмы в плоскости объекта вы-
числяется по формуле Мпд = где /4 — 169,89 мм, фокусное рас-
Ц
стояние линзы 4, [зк — эквивалентное фокусное расстояние системы (8-1-
- 11- 12).
В табл. IV.2 даны значения f3K и Мпд в зависимости от d4.
2. Установка откидных осветительных линз при работе с объективом
ОФ-111. Максимальный световой диаметр предмета— 100 мм; приме-
няется большой предметный стол, увеличение меняется от Iх до 4х. Исполь-
зуется линза 4, включается линза 7 и выключается линза 8. Осветитель-
ные линзы 7, 14 и 15 изображают апертурную диафрагму в плоскости вход-
ного зрачка объектива «Корректар». Эти же линзы совместно с линзой 4
изображают полевую диафрагму в заднем фокусе системы линз 7~\-14-\-15
(рис. IV.8, б). Воздушные промежутки d2 и dt — переменные, но суммар-
ная их величина d., d4 391 мм.
В табл. IV.3 даны значения масштаба изображения апертурной диа-
фрагмы Л1 Лд и заднего вершинного фокусного расстояния S/.- (положение
изображения полевой диафрагмы) при разных положениях подвижной
линзы 14.
79-
Рис. IV.8. Ход лучей при применении малого (а) и большого (б) предметного стола; графики, характеризующие положе-
ния изображений апертурной (в) и полевой (г) диафрагм относительно осветительной системы
Таблица IV. 1
Таблица IV.2
Таблица IV. 3
Масштаб изображения апертурной диафрагмы и положение Значения /'к и Мпд в зависимости от d4 Значения МАд в зависимости от Sp,
заднего фокусного вершинного расстояния ЭК МПД МАД
1
1 -т Л,-1Д SF' 10 235 1,38
1 10 0,66 -3,5 26,3 242 1,42 16 0,69 1,6
I 26,3 0.50 8 42,5 228 1,34 37,5 0,50 16,5
42,5 0,40 23,6 58,8 199 1,17
58.8 0,34 39,1 59 0,40 34,8
75 0,29 51,7 75 166 0,98
Большой предметный стол укреплен неподвижно и поэтому резкое
изображение полевой диафрагмы получается только для одного какого-
либо положения подвижной линзы.
3. Установка откидных осветительных линз при фотографировании
с помощью микроскопа. В этом случае включается осветительная линза 8
и выключаются линзы 4 и 7. Источник света с помощью линзы 8 и коллек-
Таблица IV. 4
Зависимость положения входного зрачка
объектива «Корректар» (/' =150 мм)
от масштаба изображения
Масштаб снимка Расстоя- ние от предмета до объек- тива (— Si) Удаление входного зрачка объектива от осветительной системы (е) Поле зрения в мм
1х 274 308 100
2х 200 234 75
3х 175 209 50
4 х 163 197 37
Прямая
Р, параллельная
линз 14.
тора 2 проектируется в апертурную диафрагму конденсора микроскопа
(малый и большой столы сняты).
Полевой диафрагмой будет слу-
жить диафрагма 6. Масштаб ее
изображения на объекте МПд
7 7 к
где Д — фокусное расстоя-
ние конденсора микроскопа, /8 ==
— 202,3 мм — фокусное расстоя-
ние линзы 8.
На рис. IV.8, в дана кривая е,
характеризующая зависимость
расстояния изображения апертур-
ной диафрагмы, и кривая sF—
расстояние изображения диафраг-
мы 6 от последней поверхности
линз 15 (по ходу света) при раз-
личных положениях di подвижной
оси ординат, соответствует положению плоскости предмета, находящейся
на расстоянии 12 мм от последней поверхности линз 15, принятой на
рис. IV.8, в за начало координат. Ординаты кривой е определяют с/4 при
различных масштабах изображений предмета, даваемых объективом и
соответствующие им расстояния от входного зрачка объектива до плоскости
предмета (получаемые по оси абсцисс, табл. IV.4). Так, например, если
увеличение объектива равно 2х, то входной зрачок будет находиться на
расстоянии 234 мм от последней поверхности осветительной системы
или 222 мм от предмета, и тогда г/4 = 32.
6 Г. Е. Скворцов и др.
81
На кривой е нанесены точки, соответствующие масштабу изображения
апертурной диафрагмы (МАд = 0,4, 0,5, 0,69), даваемому осветительной
системой (см. табл. IV.3).
Аналогичные кривые для малого стола приведены на рис. IV.8, г.
Кривые е нанесены для плоскости наилучшей установки по меридиональ-
ной кривой х'
6. Косое освещение в проходящем свете
Косое освещение можно осуществить различными приемами, напри-
мер эксцентричной установкой секторной диафрагмы под конденсором
или осветительного зеркала в случае отсутствия конденсора и т. д. На прак-
тике чаще всего косое освещение осуществляется посредством большого
осветительного аппарата Аббе, в котором имеется возможность ирисовую
апертурную диафрагму, находящуюся под конденсором, расположить
эксцентрично с помощью особой градуированной трибки и вращать ее
в установленном месте с тем, чтобы можно было освещать препарат азнм\-
Рис. IV.9 Эксцентрич-
ное положение апер-
турной диафрагмы
в выходном зрачке
объектива
талыю направленным светом. Такое устройство
имеет, например, конденсор ОИ-14.
Рекомендуется величину эксцентричной диа-
фрагмы устанавливать до размера, равного от 1
до Ч3 апертурного отверстия, применяемого объек-
тива. Внешний край отверстия эксцентричной диа-
фрагмы может быть так установлен, что он будет
совпадать с краем действующего отверстия конден-
сора, числовая апертура которого равна числовой
апертуре объектива при прямом освещении. Такое
положение диафрагмы показано на рис. IV.9. DA ~
= 30 мм — общий диаметр апертурной ирисовой диа-
фрагмы конденсора; D2 — 16 мм — диаметр ирисо-
вой диафрагмы конденсора, когда апертура послед-
него равна апертуре объектива; П3 = 8 мм — диа-
метр эксцентричной диафрагмы.
Когда эксцентричная диафрагма расположена
вблизи от оптической оси, то влияние косого осве-
щения оказывается слабее. Если отверстие эксцентричной диафрагмы
начинает переходить через край диаметра D2, то появляется эффект сме-
шанного освещения по методу светлого и темного поля.
Если отверстие эксцентричной диафрагмы установлено в крайнем по-
ложении и касается диаметра Dто возникает эффект темного поля при
одностороннем освещении.
При боковом освещении некоторые элементы протяженной формы
(штрихи, царапины и т. д.) на поверхности объекта могут изобразиться
искаженными и недостаточно резко, если световые лучи падают вдоль
этих элементов. Чтобы избежать такого явления, следует объект освещать
с различных сторон, вращая эксцентрично установленную диафрагму
вокруг оптической оси объектива микроскопа, как это имеет место в боль-
шом осветительном аппарате Аббе. Применяя в центральной части дей-
ствующего отверстия конденсора непрозрачный круглой формы экран,
можно создать всестороннее косое освещение (азимут 360°).
82
7. Наблюдение в темном поле. Ультрамикроскопия
Освещение по методу темного поля дает изображение мелких элемен-
тов объекта светящимися на темном фоне, у более крупных деталей видны
только светлые контуры в их изображении. Благодаря действию контраста
подробности объекта различаются лучше, чем при освещении по методу
светлого поля.
Для наблюдения по методу темного поля особенно подходят, например,
такие объекты, как-то: риски на поверхности металлов, точечные объекты,
размеры которых сравнимы с длиной волны света или меньше ее и т. д.
Разновидностью метода темного поля является метод ультрамикро-
скопии. Он находит широкое применение в химии при изучении коллоид-
ных растворов, микрохимических реакций и т. д.
Ультрамикроскопическое наблюдение было осуществлено в 1903 г.
Зидснтопфом и Зигмонди на разработанном ими щелевом ультрамикро-
скопе. В этом микроскопе узкая горизонтальная щель освещается сильным
источником света (вольтова дуга); микрообъектив осветительной системы
располагается перпендикулярно к оптической оси микроскопа и изобра-
жает эту щель в виде узкой полоски света. Такой боковой способ освеще-
ния позволяет обнаружить присутствие мельчайших частиц, величина
которых составляет несколько нанометров, т. е. значительно меньше раз-
решаемой величины, оцениваемой по формуле Аббе. Всякие ультрамикро-
скопические включения, нарушающие однородность, рассеивают свет по
всем направлениям, благодаря чему становятся видимыми в поле зрения
микроскопа в виде светящихся точек на темном фоне. Поскольку эти точки
представляют собой дифракционное изображение частиц объекта, то они
не дают никакого представления об истинной форме этих частиц.
Дальнейшее усовершенствование методов ультрамикроскопии харак-
теризовалось применением осветительных систем с всесторонним кони-
ческим освещением.
В настоящее время для наблюдения прозрачных объектов в темном
поле применяются линзовые и зеркальные (параболоидальные и кар-
диоидные) конденсоры. Рассмотрим некоторые оптические схемы этих
конденсоров.
Линзовые конденсоры могут состоять из одной, двух и
большего числа линз. На рис. IV. 10 приведена оптическая схема трех-
линзового конденсора, освещающие лучи которого могут иметь апертуру
от 1 до 1,4. Центральная часть осветительного пучка задерживается спе-
циальной диафрагмой В. Такие конденсоры обладают большими хромати-
ческими аберрациями, значительными рефлексами и поэтому применяются
редко.
Пар або лоидконденсоры применяются разных типов.
На рис. IV.11, а приведена оптическая схема параболоидконденсора
фирмы «Бауш и Ломб», представляющего собой сплошное стеклянное тело 2,
с боков ограниченное поверхностью параболоида вращения, а снизу и
сверху имеющее плоские грани. Лучи, идущие параллельно оптической
оси конденсора, после отражения от его параболоидальной поверхности
сходятся в фокусе F, совмещенном с предметной точкой, расположенной
в центре поля зрения объектива между покровным стеклом 5 и предмет-
ным стеклом 4. Между верхней поверхностью конденсора и предметным
6
83
стеклом находится слой иммерсии 3, которая вместе со стеклянным телом
конденсора, покровным и предметным стеклами образуют оптическую
однородную среду.
Расчет параболоидконденсора можно произвести, пользуясь форму-
лой параболы у2 — 4f'x и выражением получаемым из
рис. IV. 11, а, принимая при этом во внимание, что субнормаль параболы
постоянна и равна 2f. Если даны наибольший и наименьший апертурные
углы их и и2, а также d суммарная толщина предметного стекла и слоя
иммерсии, можно определить конструктивные параметры конденсора,
Рис. IV. 10. Трехлинзовый
конденсор с центральной не-
прозрачной диафрагмой В
Рис. IV.11. Оптические схемы параболоидконденсоров
т. е. f — фокусное расстояние, Н — высоту, D t и D2 — диаметры верх-
ней и нижней граней конденсора. Расчет выполняется по следующим фор-
мулам [52]:
sin (и, + и2) sin - («! — и.,)
Н =--------------j-------- ---- s; D2 = 2(s у- Я)1о//,.
sin2 -= U„ cos 7,
2 - 1 j
Можно сконструировать конденсор с небольшой высотой И. Для этого
нужно, чтобы отраженные от параболоидальной поверхности лучи отра-
зились от металлизированной нижней плоской поверхности конденсора,
прежде чем они достигнут фокальной точки F', которая сопряжена с точ-
кой предмета (рис. IV. 11, б). Вычисление тех же конструктивных пара-
метров конденсора производят в следующем порядке:
Мх =
cos2 — и
м = cos «2
2 , 1
cos- „•
s
2M, — ’
Dx = 2M-J' tg Up D2 = 2M2f ly к.,.
84
Параболоидконденсор обеспечивает отсутствие сферической и хрома-
тической аберраций, но не удовлетворяет условию синусов, поэтому он
дает резкое изображение только для осевой точки бесконечно удаленного
источника света и обладает большой разностью увеличения для разных
зон зрачка при изображении внеосевых точек. С помощью центральной
диафрагмы 1 (рис. IV.11, а) можно получить конус осветительных лучей
с апертурой от 1,1 до 1,4.
Кардиоид конденсоры являются наиболее совершенными
зеркальными конденсорами, дающими апланатическое изображение. Впер-
вые кардиоидконденсор был рассчитан
шим комбинацию из двух отражаю-
щих поверхностей. Одна из этих по-
верхностей в меридиональном сечении
представляет собой сферическую
поверхность, другая — кардиоиду.
Позднее В. И. Игнатовский кардио-
идную поверхность заменил ближай-
шей сферой. Эта замена существенно
не отразилась на качестве изображе-
ния, даваемого конденсором, по- -
скольку условие апланатицеского
изображения приближенно остается
выполненным. Такие конденсоры с
двумя отражающими сферическими
поверхностями выпускаются в на-
в 1908 г. Зидентопфом, применив-
стоящее время, однако название кар- Рис. iv.12. Принципиальные схемы
дноидконденсора за НИМИ сохрани- к расчету кардиоидконденсора
лось. Кардиоидконденсор изготов-
ляется из двух деталей одной и той же марки стекла, показатели
преломления которого мало отличаются от показателей преломления
предметного стекла и иммерсии. Склейка этих деталей производится
по поверхности, не служащей для отражения света. Нижняя входная
и верхняя поверхности конденсора изготовляются плоскими. На вход-
ную плоскую поверхность лучи падают нормально, т. е. не испытывают
на ней преломления. Аберрации от выходной поверхности исключаются
применением иммерсии между этой поверхностью и предметным стеклом.
На рис. IV. 12 дана принципиальная схема конденсора для расчета.
При условии масштаба fK0Hg 1 существуют следующие соотношения
между радиусами г± и г2 отражающих поверхностей и расстоянием d между
н ими:
г2 (2 + Г]) == 2 (гх — 2d); г2 = г± ф- k — d.
(IV.2)
Задаваясь одной из величин г1; г2 и d, считая ее постоянной, можно
получить бесконечное число вариантов системы.
Для концентрической апланатической системы существуют соотно-
шения:
* = 0; Г1 = (/5-1)/'; г2 = (У5+1)Г;
d = — 2f; s'= (]/5 ф-2) f; x0 = s' — r2 = f,
где /' — фокусное расстояние системы.
85
Задняя главная плоскость в концентрической системе проходит через
общий центр этих поверхностей. Концентрическая система является
строго апланатической только в зоне Зейделя.
В табл. IV.5 приведены результаты расчетов действительных лучей.
Из таблицы видно, что аберрации высших порядков в конденсоре
с относительным отверстием до 1 : 1 (Л 0,757) очень малы. Сферическая
аберрация и отступление от закона синусов практически равны друг
другу (ds' = 8["), т. е. кома отсутствует. Система с числовой апертурой
в пределах от 1,15 до 1,42 вследствие
Таблица IV.5 большой аберрации не может быть
Зависимость 6s'— 6/' применена без дополнительной кор-
от величины относительного отверстия рекции
Расчет хода действительного л\ча
Относи- Числовая / т\ т 1 _п_ тельное апертура 5s'—6f' (рИС. IV. 12) МОЖНО ВЫПОЛНИТЬ ПО
г отверстие u % ог Г СЛедуЮЩИМ формулам! h.
, sin h = —;
0,1 1 5—0 , Г|
0,125 1 4 — 0,0008 ч = —й; /2==—й; (IV.3)
0,16667 1 3 - 0,0022
0,25 1 2 - °.°096 sinf2=r^——-2-1; (IV.4)
0,3333 1 1,5 0,505 0,0313 г-.
0,5 1 1 0,757 0,1695 ' о/.- .4. ,IW-
0,8776 1,15 1J390 U =2(й-ы), (IV. о)
0,94 1,42 3,517 sin г, ,TWC
Х=ГЧ-.—\ . (IV7.6) “ Sill и v
Положения точек М 1; Л42 и f вычисляются по формулам:
1
Cj — п cos /Л
Л2 = г2 sin (2й — i2)l
t2 = г2соз(2й — i2);
f = —V-
' sin и
(IV.7)
Применяя формулы (IV.3)—(IV.7), определяют величины х, f, с\, с., и /;2.
В 1938 г. В. Н. Чуриловский предложил наиболее простой и удобный
метод расчета кардиоидконденсора. Этот метод основан на следующих
положениях. Известно, что в кардиоидконденсоре используется довольно
узкая часть отверстия; чтобы в этой зоне сферическая аберрация была
минимальной, следует найти такое соотношение между гг, г2 и d, при
котором максимальное значение кривой сферической аберрации находи-
лось примерно на 0,7 от действующей высоты пучка лучей (рис. IV7.13).
Максимальное значение сферической аберрации имеет место при минималь-
ном значении величины х = O2F' (рис. IV. 12), т. е. 0. В основу
расчета положена формула
2k cos 2/i tg й = — h
tg 2 (й — z2) I- 2 tg i., — 2jgjj
tg 2 (Zj — г2) g- 2 1g i., — tg 2i'
(IV.8)
86
Рис. IV. 13. Минимальное
значение кривой сфериче-
ской аберрации в кардио-
идкондеисоре
не более 1,05. Объек-
Пользуясь способом последовательных приближений, можно вычислить
•г любой точностью систему, имеющую минимум х при любом значении h.
В качестве исходной системы рационально принять систему, рассчи-
танную по формулам Зейделя. Затем, задавшись нужным значением h,
вычисляют г, (н) и 1'г, а по (IV.8) определяют новые значения k и осталь-
ные параметры системы. Повторив описанное несколько раз, можно поле-
чить остаточную погрешность не выше 0,005% от фокусного расстояния.
Верхняя граница числовой апертуры конденсора зависит от толщины
предметного стекла, остаточных аберраций конденсора и колеблется
в пределах 1,35—1,45. Нижний предел апертуры
конденсора определяется апертурой применяемого
объектива микроскопа и ограничивается при-
мерно величиной 1 —1,2.
В настоящее время разработано несколько
оптических конструкций кардиоидконденсоров.
В качестве примера может служить конденсор
ОИ-13 с числовой апертурой 1,2, приведенный на
рис. VIII.52.
Зеркальный конденсор требует очень точной
центрировки относительно оптической оси микро-
скопа, так как затененная зона между внешней
границей апертуры объектива и внутренней гра-
ницей апертуры конденсора обычно составляет
небольшую величину. Если апертура осветитель-
ного конуса находится в пределах 1,2—1,33, то
для того, чтобы прямой свет не мог попасть
в объектив, его числовая апертура должна быть
тивы с более высокой апертурой следует диафрагмировать.
Когда свет полностью отражается на границе стекло—воздух, некото-
рое количество световой энергии проникает в очень тонкий воздушный
слой граничащей поверхности. (Слой сравниваемый по толщине с длиной
световой волны). Освещение так называемых «мазковых» препаратов
бацилл по методу темного поля приводит к тому, что микроорганизмы,
прилегающие к поверхности полного внутреннего отражения, оказываются
ярко освещенными.
8. Схемы освещения непрозрачных объектов
по методу светлого поля (отраженный свет)
Положение исследуемой отражающей поверхности объекта относи-
тельно оси объектива существенно влияет на характер ее освещения.
Наклоняя поверхность можно создать в поле зрения микроскопа эффект
юмного поля, светлого поля и смешанного освещения. На рис. IV. 14
показаны схемы возможного освещения по методу светлого поля.
Как видно из рис. IV. 14, а, луч, падающий в точку S объекта, пло-
скость которого расположена наклонно, после отражения попадает в объ-
ектив. Если теперь эту плоскость объекта установить перпендикулярно
к оптической оси объектива, как это показано на рис. IV. 14, б, то, отразив-
шись от объекта в точке 3, луч пройдет мимо отверстия объектива и тогда
в данной точке S светлое поле поменяется на темное.
87
Чтобы однозначно установить, какой вид освещения создает данное
осветительное устройство, для этого следует зеркальную (или по крайней
мере частично зеркальную) поверхность расположить перпендикулярно
к оптической оси проектирующего изображения объектива' и проследить
направление отраженных от нее лучей.
Рис. IV.14 Принципиальные схемы освещения непрозрачных
объектов по методу светлого поля
Рис. IV. 15. Схема к определе-
нию предельного угла падения i
лучей на плоскость объекта
над объективом в тубусе
Темное поле возникает в том случае, когда отраженные от исследуемой
поверхности лучи не попадают в отверстие объектива. На рис. IV. 15
легко определить величину минимального угла падения (zmill) таких лучей
на плоскость объекта, расположенную перпендикулярно оптической оси
объектива:
+ (IV.9)
где w — угол поля зрения объектива,
и — апертурный угол объектива.
Светлое поле в падающем свете можно
создать путем введения между объективом
микроскопа и рассматриваемым объектом от-
ражающей пластинки, поставленной под
углом 45° к оси объектива или отражатель-
ной призмы. Однако объективы средних и
больших увеличений, как правило, имеют
небольшое рабочее расстояние, поэтому по-
местить здесь отражательную пластинку
(рис. IV. 14, в) или какое-либо призменное
устройство для освещения объекта не пред-
ставляется возможным. Тогда такую пластин-
ку или призменное устройство устанавливают
микроскопа (рис. IV. 14, г, д). Здесь объектив
используется одновременно и как конденсор, и как проекционная система.
Оба способа освещения, т. е. освещение с помощью полупрозрачной
плоскопараллельной пластинки и освещение с помощью призмы, имеют
свои преимущества и недостатки. В табл. IV.6 даны основные характери-
стики и свойства указанных двух способов освещения.
В тех случаях, когда рабочее расстояние объектива достаточно велико,
светлое поле в падающем свете можно осуществить, поместив между
88
Таблица IV.6
Основные характеристики и свойства
двух способов освещения
Призма
Плоскопараллельная пластинка
1. Возможно осуществить только косое
одностороннее освещение
2. Параллельно к краю призмы не про-
исходит срезания апертуры объектива.
: В перпендикулярном к нему направлении
i срезание зрачка доходит до половины и
I поэтому предел разрешения в этом направ-
; .тении соответственно снижается
! 3. По величине поперечного сечения
I пучка используется в изображении от
1 50% и более освещаемого пучка лучей
i
4. Отсутствие рефлексов
5. При соответствующем оформлении
призмы не оказывает существенного влия-
ния на линейно-поляризованный свет
6. Существенная зависимость освещения
поля предмета и качества изображения от
положения зрачка относительно призмы
I________________________________________
1. Обеспечивает нормальное прямое
освещение, при необходимости возможно
косое
2. Не происходит ограничение апер-
туры объектива. Предел разрешения во
всех направлениях одинаков
3. Независимо от поперечного сечения
осветительного пучка может быть исполь-
зовано максимально 25% осветительного
пучка при соответствующем полупро-
зрачном покрытии отражательной пла-
стинки
4. Наличие трудно устранимых реф-
лексов
5. Из линейно-поляризованного света
становится эллиптически поляризован-
ным
6. Освещенность по полю и качество
изображения практически зависит от
положения зрачка относительно пло-
скопараллельной пластинки
предметом и объективом наклонную плоскопараллельную пластину
(рис. IV. 16). Коллектор 2 проектирует источник света 1 так, чтобы запол-
нить световое отверстие линзы 3. Оптическая сила линзы 3 рассчитывается
таким образом, чтобы изображение источника света, даваемого коллекто-
ром, проектировалось с помощью этой линзы после отражения от свето-
делительной пластинки 4 и зеркальной поверхности предмета 5 во входной
зрачок объектива 6. Для объективов с различными фокусными расстоя-
ниями должны быть предусмотрены сменные линзы 3. Светоделительная
пластинка не должна иметь клиновидность и натяжение, которые бы пор-
тили качество изображения. Целесообразно сторону пластинки, обращен-
ную к объекту, покрыть отражающим слоем, а противоположную ее сто-
рону просветлить, чтобы уменьшить потери света при отражении.
Помимо плоскопараллельной пластинки в некоторых случаях перед
объективом применяют призму-куб, состоящую из двух прямоугольных
призм, поверхность склейки которых имеет полупрозрачное покрытие.
В некоторых типах микроскопов, не являющихся универсальными
исследовательскими приборами, применяют упрощенный принцип осве-
щения по Кёлеру, не вызывая при этом заметных недостатков в освеще-
нии. Упрощение в основном заключается в том, что апертурную ирисовую
диафрагму осветительной системы располагают как можно ближе к опак-
иллюминатору, например к светоделительной пластинке, как это
89
показано на рис. IV. 17, источник света 1 коллектором 2 и линзой 3 проекти-
руется в соответствующем масштабе на плоскость апертурной диа-
фрагмы АД. Расположенная у коллектора полевая диафрагма ПД совпа-
дает с передней фокальной плоскостью линзы 3 и изображается в бес-
конечности, а затем с помощью светоделительной пластинки 4 и
объектива 5 — на объекте 6.
Рис. IV. 16. Ход лучей для образования светлого поля падающим
светом при большом рабочем расстоянии объектива
Такое расположение апертурной диафрагмы допустимо только в слу-
чае применения слабых объективов, так как выходной зрачок их распо-
лагается вблизи светоделительной пластинки или немного выше над нею;
при работе же с объективами средних и больших увеличений, у которых
выходной зрачок, как правило, находится вблизи последней поверхности
ПА
A7V
Рис. IV. 17. Ход лучей при применении
светоделительной пластинки для объективов
малых увеличений
объектива или внутри его, наблюдается заметное виньетирование наклон-
ных пучков, и следовательно, падение освещенности к краям ноля зрения.
Этот недостаток можно устранить, если источник света спроектировать
при помощи коллектора 2, линзы 3 и светоделительной пластинки 4.
непосредственно в выходной зрачок 5 объектива 6 (рис. IV. 18). Но тогда
исключается возможность с помощью апертурной диафрагмы АД ограни-
чивать размер изображения источника света 1 в плоскости выходного
зрачка 5, диаметр которого у сильных объективов не превышает 1 и
достигает 14 мм у слабых систем.
В случае расчета осветительной системы для диаметра выходного
зрачка объектива малых увеличений изображение источника света будет
90
значительно перекрывать выходной зрачок объективов больших увеличе-
ний. Это обстоятельство может явиться причиной возникновения вредных
рефлексов, снижающих контрастность изображения.
Часто для простых микроскопов применяют упрощенную осветитель-
ную систему, в которой отсутствуют полевая и апертурная диафрагмы.
На рис. IV. 19 изображена одна из таких простых осветительных схем,
слхжащих для освещения по методу светлого поля. Коллектор 2 и свето-
делительная пластинка 3 проектируют источник света 1 непосредственно
в выходной зрачок 4 объектива 5.
Во всех приведенных выше оптических схемах осветительных уст-
ройств .могут быть применены не только светоделительная пластинка, но
также и призма или зеркало.
На рис. IV.20 приведена оптическая схема упрощенного осветитель-
ного устройства в случае применения объектива с тубусом, равным бес-
конечности. В системе отсутствует апертурная диафрагма, а полевая диа-
фрагма 3, находящаяся у коллектора 2, совмещена с передней фокальной
плоскостью ахроматической линзы 4, которая вместе со светоделительной
пластинкой 5 и объективом 6 проектирует диафрагму 3 на плоскость
объекта 7. Одновременно коллектор 2 и линза 4 изображают источник
света / вблизи выходного зрачка объектива 6.
На рис. IV.21 приведена схема оптики осветительного устройства,
выполненная по принципу Кёлера и отличающаяся от описанных выше
схем расположением диафрагм и усложнением конструкции.
Коллектор 2 проектирует источник света 1 на апертурную диа-
фрагму АД, расположенную в передней фокальной плоскости осветитель-
ной линзы 3, которая совместно с линзой 4 проектирует эту диафрагму
и изображение источника Г света на заднюю фокальную плоскость объек-
тива 7, где находится его выходной зрачок 6. Полевая диафрагма ПД,
расположенная в переднем фокусе линзы 4, изображается с помощью
линзы 4, отражательной пластинки 5 объектива 7 на объекте 8. Смещая
апертурную диафрагму осветительной системы с оптической оси, можно
осуществить одностороннее косое освещение.
Устанавливая в центре апертурной диафрагмы непрозрачную круглую
диафрагму соответствующего размера, легко получить всестороннее косое
или коническое освещение. Для достижения равномерного освещения
поля рассматриваемого объекта, рекомендуется в приведенной! схеме
включить в плоскость апертурной диафрагмы матовое стекло.
Если требуется, чтобы принцип Кёлера строго выполнялся для всех
применяемых объективов, у которых выходные зрачки расположены на раз-
ной высоте относительно друг друга, то линза 4 должна иметь подвижку
вместе с диафрагмой поля зрения. При помощи устройства, предусматри-
вающего такое перемещение, можно добиться того, чтобы выходной зра-
чок осветительной системы всегда находился в фокальной плоскости
объектива со стороны изображения и тем самым обеспечивался телецентри-
ческпй ход лучей в пространстве объекта.
Однако с целью упрощения конструкции в большинстве случаев отка-
зываются от перемещения линзы 4 и выходной зрачок осветительного
устройства проектируют в среднее положение, которое занимают по вы-
соте выходные зрачки различных объективов. Такая схема осветительного
устройства приведена на рис. IV.22.
91
о
to
Рис.
при
7
Рис. IV.20. Упрощенный метод освещения
без ирисовой апертурной диафрагмы
IV. 18. Упрощенный метод освещения
применении короткофокусных объек-
тивов
Источник света 1 расположен в переднем фокусе коллектора 2 и проек-
тируется последним в бесконечность, а затем с помощью линз 4 и 5 —
на апертурную диафрагму АД и вместе с ней с помощью линзы 6 в выход-
ной зрачок# определенного объектива или в среднее положение выходных
зрачков, когда применяются несколько объективов. Одновременно диа-
фрагма 3, находящаяся вблизи коллектора, проектируется с помощью
линз 4 и 5 на диафрагму поля зрения, расположенную в передней фокаль-
ной плоскости линзы 6, которая совместно с плоскопараллельной пла-
стинкой 7 и объективом 9 изображает эту диафрагму на объекте 10. Такая
Рис. IV.23. Ход лучей в осветительной системе металлографического
микроскопа: а—светлое поле; б—-темное поле
конструкция оптической системы осветительного устройства имеет суще-
ственный недостаток, так как апертурная и полевая диафрагмы располо-
жены на достаточно близком друг от друга расстоянии и поэтому коллек-
тор и линзы 4 и 5 должны проектировать источник света на плоскость
апертурной диафрагмы с минимальными аберрациями, чтобы избежать
появления неравномерного освещения поля зрения, вызванного неодно-
родностью структуры источника света. Обычно в осветительных
системах применяются простые линзы и в случае требования малых
габаритов системы относительное отверстие этих линз становится очень
большим и поэтому аберрации последних значительно возрастают. Для
устранения неравномерности освещения по полю зрения, вызванной
аберрациями, в этих случаях рекомендуется устанавливать вблизи апер-
турной диафрагмы матовое стекло. Однако матовое стекло не следует
располагать вблизи полевой диафрагмы или в плоскости с ней сопряжен-
ной, так как может оказаться, что дефекты стекла будут видны в плоскости
изображения и помешают наблюдению.
На рис. IV.23 представлена принципиальная оптическая схема освети-
тельного устройства большой модели металлографического микроскопа
с ходом лучей для светлого и темного полей.
93
Источник света 1 изображается с помощью коллектора 1 на апертхр-
ной диафрагме АД, которая расположена вблизи линзы 11. Линзы Ill
и /V действуют как оборачивающая система. Апертурная диафрагма нахо-
дится в передней фокальной плоскости линзы 111 и изображается послед-
ней в бесконечности, а затем линзой IV — в выходном зрачке объектива,
который совпадает с задней фокальной плоскостью объектива в простран-
стве изображений. Линзы 11 и 111 действуют аналогично оборачивающей
системе. Они проектируют оправу 2 коллектора I, находящуюся в перед-
ней фокальной плоскости линзы //, на заднюю фокальную плоскость
линзы III. Здесь расположена диафрагма поля зрения ПД, которая совпа-
дает с передней фокальной плоскостью ахроматической линзы IV и проек-
тируется последней в бесконечность, а затем с помощью плоскопараллель-
ной пластинки V и объектива VI изображается на плоскости предмета 0.
Диаметр полевой диафрагмы ВПд осветительной системы опреде-
ляется по формуле
где D0K — световой диаметр полевой диафрагмы окуляра;
fT — фокусное расстояние тубусной линзы VII.
Конструктивно диаметр нолевой диафрагмы осветительной системы
должен быть несколько больше номинального диаметра поля зрения микро-
скопа. Номинальный размер диаметра полевой диафрагмы осветительной
системы можно также определить через фокусное расстояние объектива
и его допустимого поля зрения 21:
Так как полевая диафрагма с помощью линз II и Ill сопряжена с опра-
вой 2 коллектора 1, то световой диаметр этой оправы должен быть равен:
о, = ол4~-
'III .
Диаметр апертурной диафрагмы ИАд осветительной системы опреде-
ляется по формуле
л ___ г) _£iy
^Ад ^вых. зр >
ЧП
где зр — диаметр выходного зрачка объектива микроскопа.
С другой стороны, так как изображение источника света Г совпадает
с апертурной диафрагмой, то
ц,
где 2/( — диаметр светящегося тела источника света,
Pi п — линейное увеличение изображения источника света, давае-
мого коллектором и линзой II совместно.
Из конструктивных соображений апертурную диафрагму располагают
по возможности ближе, но не менее чем в 5 мм от последней поверхности
94
линзы II. Поэтому линза II проектирует источник света на апертурную
диафрагму в масштабе — 0,8-н0,9х. Таким образом, зная фокусное
расстояние линзы II и расстояние от нее апертурной диафрагмы, легко
вычислить расстояние от линзы //до сопряженной с апертурной диафраг-
мой плоскости, с которой совпадает изображение источника света, давае-
мого коллектором. Фокусное расстояние и числовая апертура коллектора
определяется, исходя из светового диаметра оправы / и масштаба изобра-
жения источника света, даваемого коллектором. Чтобы не предъявлять
особо высоких требований к пузырчатости стекла и чистоте обработки по-
верхности коллектора, диафрагму /, которая в некоторых системах яв-
ляется ирисовой диафрагмой поля зрения осветительной системы, распо-
лагают от коллектора на расстоянии не менее 25 мм. Увеличивать это рас-
стояние не рекомендуется из-за возможности неравномерности освещения
по полю зрения вследствие аберраций, даваемых коллектором.
9. Влияние положения выходных зрачков осветительной системы
и объектива микроскопа на освещение объекта
при применении светоделительной пластинки
При падающем свете всегда нужно стремиться к тому, чтобы выходной
зрачок осветительной системы совпадал с выходным зрачком объектива
микроскопа. Чем больше несовпадение зрачков, тем заметнее становится
неравномерность освещения по полю зрения. На рис. IV.24, а представлен
сличай, когда выходной зрачок / осветительной системы (изображение
апертурной диафрагмы) расположен между отражательной плоскопарал-
лельной пластинкой 3 и апертурной диафрагмой 2 объектива 4. Диафрагма 2
является в то же время и выходным зрачком объектива 4. Для двух точек
а и Ь, расположенных на краю поля зрения, показан в меридиональном
сечении ход лучей; эти лучи освещают указанные точки и после отражения
снова проходят объектив, отверстие /' (изображение выходного зрачка /,
даваемого объективом), плоскопараллельную пластинку и тубусную
линзу 5, создавая светлое поле. Ширина пучков ан b определяется диа-
метром выходного зрачка / осветительной системы. Пучки лучей, соз-
дающие изображение точек а и Ь, ограничиваются световым диаметром
апертурной диафрагмы 2 объектива микроскопа. Кроме правильно отра-
женных лучей (на рис. 24, а эти лучи показаны сплошной линией) в изо-
бражении точек а и b всегда присутствует диффузно рассеянный от них
свет (на рис. 24, а лучи рассеянного света обозначены пунктирной линией).
Рассматриваемые точки а и b освещаются наклонными лучами (ц 0),
и поэтому освещение внеосевых точек предмета получается такое же, как
при косом освещении. Особенно заметным становится влияние косого
освещения при применении объективов с большим полем зрения (план-
объективы). Подобный характер освещения имеет место и в том случае,
когда выходные зрачки осветительной системы и объектива микроскопа
совпадают друг с другом, но не совмещены с задней фокальной плоскостью
объектива микроскопа. Наиболее рациональной конструкцией является та
конструкция, когда выходной зрачок осветительной системы проекти-
руется в заднюю фокальную плоскость объектива, с которой совпадает
выходной зрачок объектива микроскопа, так как при этом, несмотря на
слишком большой размер поля зрения, оно освещается так, что главные
95
лучи осветительных пучков идут параллельно оптической оси, создавая
равномерное освещение всего поля зрения (рис. IV.24, б). Такой ход лучей
принято называть телецентрическим со стороны пространства предметов
и он имеет большое практическое значение в приборах, служащих для изме-
рительных целей.
Рис. IV.24. Взаимное располо-
жение выходных зрачков, осве-
тительной системы и объектива
микроскопа
10. Влияние положения осветительной призмы,
выходного зрачка объектива микроскопа
и осветительной системы на освещение объекта
Взаимное расположение выходных зрачков осветительной системы
и объектива микроскопа, а также отражающей грани осветительной призмы
существенно влияет на освещенность и контрастность изображения раз-
личных точек исследуемого объекта. На рис. IV.25 представлены три слу-
чая расположения указанных элементов относительно задней фокальной
плоскости объектива, с которой совпадает апертурная диафрагма (выход-
ной зрачок) объектива микроскопа.
Рассмотрим основные особенности каждого случая отдельно.
Случай 1. Выходные зрачки осветительной системы (изображение
апертурной диафрагмы осветительной системы) и объектива микроскопа
между собой не сопряжены и расположены ниже ребра / осветительной
призмы (рис. IV.25, а). Апертурная диафрагма осветительного устройства
96
раскрыта и эксцентрично установлена таким образом, что ее изображение
в плоскости Q' смещено с оптической оси объектива. Объектив 2 переносит
изображение Q' в пространство предметов микроскопа и после отражения
•от плоскости 3 объекта, проектирует его в плоскость Q". Здесь симметрич-
ного пучка лучей, создающих изображение точек объекта по всему полю
зрения не получается. Часть пучка, освещающего точку 0г объекта, рас-
положенную слева от оптической оси, срезается апертурной диафрагмой
объектива, так что на указанной стороне освещенность изображения
падает по сравнению с центром поля. Другая часть лучей, отраженных
Рис. IV.25. Три случая взаимного расположения отражающей грани призмы и
выходных зрачков осветительной системы и объектива микроскопа
от объекта в точке Оь пройдет обратно через объектив и будет участвовать
в изображении, создавая характер светлого поля. Иначе обстоит дело
с точкой О._,. Хотя она и освещается всем пучком, но правильно отраженные
от нес лучи задерживаются призмой. Только диффузно рассеянный свет
попадает в плоскость промежуточного изображения и поэтому освещение
в изображении по краю поля носит характер темного поля. Яркость изо-
бражения точек по направлению от Ох и О2 меняется. Характер освещения
постепенно переходит от светлого.поля к темному.
Случай 2. Выходной зрачок Q' осветительной системы совпадает с апер-
турной диафрагмой объектива, но нижнее ребро призмы расположено
выше их. Изображение по направлению к обоим краям поля зрения в отно-
шении распределения освещенности симметрично, но различно по ка-
честву изображения. В направлении Ох поступает значительно больше
рассеянного света, чем в направлении 02 (рис. IV.25, б).
Случай 3. Выходной зрачок осветительной системы и ребро призмы
расположены в плоскости апертурной диафрагмы объектива (рис. IV.25, в).
Изображение совершенно равноценно как в отношении освещения, так и
по качеству изображения.
Г. Е. Скворцов и др.
97
11. Требования к положению выходных зрачков
микрообъективов, предназначенных для работы
в отраженном свете
Объективы, предназначенные для отраженного света, применяемого
в металлографических и других микроскопах, обычно рассчитываются
на длину тубуса, равную бесконечности, т. е. предмет находится в передней
фокальной плоскости объектива. В этом случае за объективом распола-
гается дополнительная (тубусная) ахроматическая линза с фокусным рас-
стоянием fgon = 250 мм. В задней ее фокальной плоскости получается
изображение, даваемое объективом. Иногда по конструктивным соображе-
ниям дополнительная линза имеет fdon = 200 мм или какую-либо другую
величину. Расстояние между объективом и дополнительной линзой должно
быть таким, чтобы в это пространство можно было поместить отражатель-
ную пластинку или призму (см. рис. IV. 14, г).
Чтобы избежать неравномерного освещения по полю зрения, осуще-
ствляется телецентрический ход лучей в пространстве предмета: выходные
зрачки применяемых объективов располагаются на одной высоте от опор-
ной поверхности объективов и в задних фокальных плоскостях последних.
Однако рассчитать комплект таких объективов весьма сложно. Поэтому
практически применяют такие объективы, у которых разброс зрачков
по высоте был бы в допустимых пределах, устанавливаемых в зависимости
от требований к качеству изображения, предъявляемых к прибору. В пер-
воклассных исследовательских микроскопах Лейтца, Оптона и др. раз-
ница по высоте выходных зрачков для слабых и сильных объективов не
превышает 1—2 мм.
12. Схемы освещения непрозрачных объектов
по методу темного поля (отраженный свет)
Как следует из схемы возможных приемов освещения объекюв
(см. стр. 71) в случае применения отраженного света темное поле можно
осуществить при ограниченном азимуте (одностороннем) или при круговом
(всестороннем) освещении. Оба эти приема освещения находят широкое
применение в практике микроскопии.
Одностороннее освещение, как правило, применяется при небольших
увеличениях, когда рабочее расстояние объективов микроскопов не очень
мало. Схема одного из таких устройств представлена на рис. XVI. 1,
XVI.2, где осветитель устанавливается сверху над объективом. Лучи,
испытывающие правильное отражение от объекта, не попадают в объектив,
а лучи, рассеянные отдельными неровностями, царапинами и т. д. (диффуз-
ное рассеяние), дают изображение рассеивающих элементов поверхности
на более или менее темном фоне. Этот же прием одностороннего освещения
с большим успехом применяется для наблюдения препаратов с тонкой
прозрачной структурой (диатомеи, различные элементы тканей животных,,
растительных и т. д.).
Метод кругового освещения объекта осуществляется сверху с помощью
двухкольцевых зеркальных систем, как это показано, например, на
рис. IV.23, б.
Более подробные данные об осветительных устройствах приводятся
при описании конструкций соответствующих микроскопов.
98
Глава V
МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ
ОПТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
В основе действия обычного микроскопа, теория которого изложена
в предыдущих главах, лежит, как правило, способность различных участ-
ков препарата в различной степени абсорбировать свет. В природе многих
объектов имеют место и другие физические явления. Применение их
в микроскопии дает возможность расширить круг исследований и тем са-
мым увеличить объем получаемой информации. Осуществление этой
задачи требует введения в микроскоп дополнительных оптических средств.
5 1- Метод исследования в поляризованном свете
Метод исследования в поляризованном свете применяется для изуче-
ния анизотропных объектов, т. е. объектов, у которых оптические свойства
нс одинаковы по различным направлениям. Анизотропия может быть
естественной и искусственной. Знание анизотропии препарата позволяет
судить о его структуре и физико-химических свойствах. Проявляется
анизотропия в поляризованном свете.
Оптическая анизотропия имеет следующие основные
виды.
1. Если плоскополяризованный луч падает на объект, обладающий
двойным лучепреломлением, то внутри объекта он, в общем случае, раз-
деляется на два луча, поляризованные во взаимно перпендикулярных
направлениях. Показатели преломления для этих лучей не равны друг
другу, поэтому лучи распространяются в анизотропной среде с разными
скоростями. В результате по выходе из объекта они будут иметь некоторую
разность фаз, пропорциональную разности показателей преломления и
толщине препарата. Различают два вида объектов: одноосные и двухосные.
В первых существует одно направление, вдоль которого оба луча распро-
страняются с одинаковыми скоростями; во вторых —два таких направ-
ления. Эти направления называют оптическими осями, а плоскость, про-
ходящую через падающий луч и оптическую ось — главным сечением.
В случае одноосного объекта луч, электрический вектор которого пер-
пендикулярен главному сечению, имеет для всех направлений один и
тот же показатель преломления и подчиняется известному закону пре-
ломления. Это — обыкновенный луч. Для луча с электрическим вектором,
лежащим в плоскости главного сечения, показатель преломления зависит
от направления. Этот луч не подчиняется закону преломления и может
выйти из плоскости падения. Он называется необыкновенным лучом.
В двухосных объектах показатель преломления для обоих лучей зависит
от направления распространения. Максимальная разность показателей
преломления необыкновенного пе и обыкновенного па лучей характери-
зует величину двойного лучепреломления. В зависимости от знака этой
разности одноосные объекты разделяют на положительные и отрица-
тельные.
7*
99
Величина двойного лучепреломления, а также угол между оптическими
осями и их положение в пространстве имеют дисперсию, т. е. изменяются
с длиной волны света.
2. Анизотропия поглощения — плеохроизм — проявляется в том, что
свет, проходящий через среду, поглощается по-разному в зависимости
от ориентации плоскости поляризации и от направления распростране-
ния. Так как плеохроизм имеет дисперсию, то в зависимости от направ-
ления свет различных длин волн поглощается средой в разной степени.
Это влечет за собой изменение окраски плеохроичного объекта с измене-
нием направления.
У оптически активных веществ встречается круговой плеохроизм —
различное поглощение для света, поляризованного по кругу вправо и для
света, поляризованного по кругу влево.
За меру плеохроизма принимают величину т] = (оц—a±)/(ctii «_).
где а। и a± — коэффициенты поглощения света, поляризованного, соот-
ветственно, параллельно и перпендикулярно главному сечению.
3. Некоторые вещества обладают так называемой оптической актив-
ностью, т. е. способностью поворачивать плоскость поляризации прохо-
дящего через них света. Угол поворота плоскости поляризации прямо
пропорционален длине пути и зависит от рода среды, в которой распро-
страняется свет.
Можно считать, что вращение плоскости поляризации — это двойное
круговое лучепреломление, т. е. явление, при котором показатели пре-
ломления для лево- и правополяризованного по кругу света не равны
друг другу. Линейно-поляризованный луч может быть представлен в виде
двух лучей, поляризованных по кругу с противоположными направле-
ниями вращения. В оптически активной среде эти лучи распространяются
по одному направлению, но с различными скоростями, в результате
чего между ними возникает разность фаз. Это равносильно повороту
плоскости поляризации первоначального луча. Оптическая активность,
как и другие анизотропные явления, имеет дисперсию, т. е. величина пово-
рота плоскости поляризации зависит от длины волны света. Дисперсия
оптической активности очень чувствительна к различным изменениям
в молекулярных структурах, к колебаниям внешней температуры и дав-
ления и к другим изменениям.
Исследование анизотропии производится на поляри-
зационном микроскопе. Во многих случаях наблюдаются явления интер-
ференции поляризованных лучей. Если наблюдение объекта производится
через микроскоп, принципиальная оптическая схема которого подобна
обычной, то интерференция поляризованных лучей изучается двумя спосо-
бами. Первый способ называют ортоскопическим наблюдением, второй —
коноскопическим (рис. V. 1).
Получение линейно-поляризованного света осуществляется с помощью
поляризатора 1. Анизотропный препарат 4 в силу своей природы может
внести какие-то изменения в структуру поляризованного света. Исследо-
вания этих изменений производятся с помощью компенсатора 7 и анализа-
тора 8, представляющего собой поляризующий элемент обычного типа.
При ортоскопическом ходе лучей в фокальную плоскость окуляра 11
проектируется изображение препарата. Наблюдаемая при этом интерфе-
ренция поляризованных лучей локализована в плоскости препарата. Для
100
получения качественной картины неооходимо освещать препарат парал-
лельным пучком света. Такое освещение достигается путем уменьшения
диаметра апертурной диафрагмы 2 конденсора 3. Это исключает наклон-
ные лучи, которые могут исказить результаты исследования.
При коноскопическом ходе лучей апертурная диафрагма открывается
и препарат освещается сильно сходящимися пучками лучей. Интерферен-
ция поляризованных лучей при этом локализована в бесконечности и
интерференционная картина возникает в задней фокальной плоскости
объектива 5. Наблюдение интерференционной картины производится с по-
мощью линзы 9, которая проектирует выходной зрачок 6 в фокальную
Рис. V.I. Принципиальная оптическая схема поляризационного микроскопа:
а—для ортоскопического наблюдения; б—для коноскопического наблюдения
плоскость окуляра. Диафрагма 10 ограничивает определенный участок
изображения препарата и тем самым локализует объект исследования.
Поляризационный микроскоп иногда снабжают дополнительным при-
способлением (столиком Федорова), которое дает возможность устанавли-
вать объект под различными углами к оптической оси системы прибора.
Микроскоп, в котором имеются перечисленные выше дополнительные
средства, обеспечивает всесторонние исследования анизотропных объектов.
С помощью поворотного анализатора и компенсаторов различных типов
производятся измерения величины двойного лучепреломления, углов
поворота плоскости поляризации, определение углов погасания и других
характеристик.
Компенсаторами для полуколичественных измерений служат кристал-
лические пластинки и клинья такой толщины, что они обеспечивают
разность хода до четырех длин волн. Для количественных измерений при-
меняют компенсаторы Берека, Солейля, Сенармона, Эрингхаузена и др.
При измерении разности хода, двойного лучепреломления и угла по-
ворота плоскости поляризации манипулируют объектом, компенсатором
и анализатором таким образом, чтобы получить максимальное потемнение
исследуемого участка препарата.
Интерференционная фигура, возникающая при коноскопическом методе
наблюдения, представляет собой систему интерференционных полос —
изогир и изохром. Изогиры — черные полосы, соответствующие тем на-
правлениям, для которых колебания лучей параллельны плоскостям
101
Рис. V.2. Интерференционная фигура
при коноскопировании двухосного кри-
сталла
поляризации поляризаторов. Изохромами называют полосы различной
интерференционной окраски. Каждой полосе соответствует совокупность
направлений, вдоль которых лучи, образовавшиеся за счет двойного лу-
чепреломления, имеют одинаковую разность хода.
Типичная интерференционная фигура, представленная на рис. V.2,
получена при коноскопировании двухосного кристалла, вырезанного пер-
пендикулярно биссектрисе острого угла между оптическими осями. Здесь
изогиры представляют две ветви гиперболы, вершины которой соответ-
ствуют выходам оптических осей кристалла.
Интерференционные фигуры, наблю-
даемые при коноскопировании, дают
возможность определить: одно- или двух-
осный объект, знак двойного лучепре-
ломления (т. е. оптический знак крис-
талла), какова ориентация объекта и
величина угла между оптическими
осями. Кроме того, эти фигуры позво-
ляют диагностировать изучаемые пре-
параты и элементы их структуры.
Изучение дисперсии всех видов
оптической анизотропии и плеохроизма
может производиться только с приме-
нением средств, обеспечивающих выде-
ление отдельных спектральных диапа-
зонов.
Явления анизотропии имеют место
также и при отражении света от многих
непрозрачных объектов. У таких объек-
тов изучают двуотражение, светопроницаемость и другие свойства. Дву-
отражение — явление, подобное двойному лучепреломлению прозрачных
объектов. При исследовании светопроницаемости наблюдают явления
внутренних рефлексов, если рефлекс от наружной поверхности объекта
погашен.
Наибольшее распространение методы поляризационной микроскопии
получили в минералогии, петрографии и кристаллографии, но применяются
также для изучения биологических объектов, в металлографии и т. д.
Поляризационные оптические элементы изго-
тавливаются обычно из кристаллического кварца, кальцита (исландского
шпата) или слюды.
Кварц — одноосный кристалл, обладающий двойным лучепреломле-
нием и оптической активностью. Прозрачен в спектральном диапазоне
от 0,185 до 3,5 мкм. В табл. V. 1 приведены показатели преломления кварца
для обыкновенного п0 и необыкновенного пе лучей, а в табл. V.2 — удель-
ное вращение плоскости поляризации. Величина показателей преломле-
ния кварца зависит от месторождения и для D-линии натрия, например,
может колебаться в пределах 3—4 единиц четвертого знака после запятой.
Кальцит — одноосный кристалл, обладающий значительно большим
двойным лучепреломлением по сравнению с кварцем. Область прозрач-
ности кальцита лежит в пределах длин волн от 0.2 до 2 мкм. В табл. V.1
даны показатели преломления кальцита.
102
Таблица V.l
Наиболее вероятные значения показателей преломления п0 и пе
кварца и кальцита при 18° С для длин волн до 795 нм
и при 20° С для длин волн свыше 795 нм
Кварц Кальцит
Длина волны в нм
"о "e n 0 ne
Cd 231 1,61400±5 1,62560^ 1,80246 1,54556
Cd 257 1,59623±3 1,60713-^22 1.76050 1,53019
Cd 274 1,58753±3 1,59811+1 1,74150 1,52271
Cd 340 l,56743+4 1,57739+, 1,70080 1,50560
< '.d 358 1,56390±3 1,57369+1 — —
Cd 361 1,56347±1 1,57321+1 1,69318 1,50225
Al 394 1,55846±0 1,56805^ 1,68374 1,49810
H 410 1,55649±2 1,56600+, 1,68021 1,49637
H 434 1,55397 ±1 1,56340 1,67552 1,49428
H 486 1,54967 ±3 1,55897±2 1,66786 1,49073
Cd 508 1,54822±0 1,55746^ 1,66527 1,48959
Cd 533 l,54680±0 1,55599 2-g 1,66276 1,48842
Na 589 1,54424+2 1,55335+, 1,65838 1,48641
Cd 643 1,54226±1 l,55131+n 1,65503 1,48691
11 656 1,54189±4 1,55091 ±4 1,65441 1,48460
К 768 1,53904 _L1 1,54797^ 1,64974 1,48258
Rb 795 1,53851 1,54742 1,64886 1,48216
905 1,53649 1,54532 1,64578 1,48098
991 1,53514 1,54392 1,64380 1,48022
1097 1,53366 1,54238 1,64167 1,47948
1229 1,53192 1,54057 1,63926 1,47870
1307 1,53090 1,53951 1,63789 1,47831
1396 1,52977 1,53832 1,63637 1,47789
1497 1,52842 1,53692 1,63457 1,47744
1609 1,52687 1,53529 1,63261 —
1682 1,52583 1,53422 1,63127 —
1761 1,52468 1,53301 1,62974 —
1946 1,52005 1,52823 1,62602 —
2172 1,51799 1,52609 1,62099 —
Существенным недостатком кальцита является его низкая механиче-
ская прочность, а также легкость, с которой кристалл трескается вдоль
плоскостей спайности.
Слюда — двухосный кристалл, прозрачный для ультрафиолетовой и
видимой области спектра. Хорошо расщепляется по плоскостям спайности
на тонкие листы. Это позволяет получать без дополнительной обработки
пластинки, вносящие определенную разность хода. Показатели преломле-
ния слюды и величина ее двойного лучепреломления в большой мере
.зависят от месторождения. Двойное лучепреломление слюды для
103
Таблица V .2 Т а блица V .3
Удельное вращение а0 Характеристики некоторых видов
кварца вдоль оптической оси поляризационных призм
при температуре 2(г С — — —
— Апертур- Otho- ри-у
Длина Длина Вид призмы ный угол призме г/ шение „ •
волны град/мм волны град/мм сторон 1
219,4 220,7 в нм 508,6 29,72 Глана—Томпсона 27°,5 13°, 5 4,15 ! V.3. U:
257,1 143,3 546,1 25,54 Глазебрука 35° 12°,1 4,65 V.3, oj
274,7 121,1 589,3 21,72 Франка—Риттера 19° 17°, 5 3,17 V.3, в
328,6 78,54 656,3 17,32 Аренса 35° 12°,1 2,32 ‘ V .3, а
344,1 70,59 670,8 16,54
372,6 50,86 1040 6,69
404,7 48,93 1450 3,41
435,9 41,54 1770 2,28 (J-линии натрия вдоль направления, периен-
491,6 31,98 2140 1 55 дикулярного плоскости спайности, может
колебаться при( злизител ьно в л ределах от
0,003 до 0,007.
Все перечисленные кристаллы применяются для изготовления различ-
ных компенсаторов, пластинок с заданной разностью хода и поляриза-
ционных призм.
В микроскопии используются поляризационные призмы как одно-.,
так и двухлучевые. Первые дают один плоскополяризованный луч и назы-
ваются поляризаторами. Вторые дают два луча, поляризованные в двух,
взаимно перпендикулярных плоскостях.
Рис. V.3. Поляризационные призмы: а — Глана—Томпсона; б — Глазебрука, в — Фран-
ка—Риттера; г — Аренса
Поляризаторы чаще всего представляют собой две трехгранные призмы
из кальцита, склеенные канадским бальзамом (рис. V.3). Для работы
в ультрафиолетовой области спектра применяют призмы, склеенные гли-
церином, или призмы с воздушным промежутком.
Принцип действия всех призменных поляризаторов ясен из рисунка:
обыкновенный луч отражается от плоскости склейки и уходит в сторону,
а насквозь проходит только необыкновенный луч. При некоторых опре-
деленных углах падения луча на входную грань призмы наступает пол-
104
ное внутреннее отражение необыкновенного луча от плоскости склейки-
или обыкновенный луч перестает испытывать полное внутреннее отраже-
ние, как это показано на рис. V.3, а. Угол 8 между этими крайними направ-
лениями характеризует апертуру, в пределах которой из призмы выходит
поляризованный свет, и зависит от угла а трехгранной призмы и среды,
разделяющей призмы.
В табл. V.3 приведены характеристики некоторых видов призменных
поляризаторов. Раскрой материала наиболее экономичен при изготовлении
призмы Франка—Риттера. Призма Аренса представляет, по существу,
двойную призму Глазебрука и при равных длинах имеет вдвое больший
световой диаметр. Аналогично этому
находит также применение двойная
призма Франка—Риттера. При изготов-
лении последней и призмы Аренса опре-
деленные трудности возникают в полу-
чении минимальной по толщине границы
раздела между тремя составными эле-
ментами, проходящей через середину
входной грани.
Из двухлучевых поляризационных
призм обычно применяют призму Вол-
ластона (рис. V.4, а), так как она дает
симметричное раздвоение падающего
Рис. V.4. Двухлучевые поляризацион-
ные призмы: а — призма Волластона;
б — призма с вынесенной плоскостью
локализации интерференционных по-
лос
луча на два луча, поляризованных во
взаимно перпендикулярных плоско-
стях. Угол между выходящими лучами
равен:
Pi = 2а (пе — По),
(V.1)
где а — угол трехгранной призмы.
Если призму Волластона поместить между скрещенными поляриза-
торами, то при ее определенной ориентации возникает система интерфе-
ренционных полос, локализованная в плоскости склейки. Расстояние
между полосами определяется углом а и величиной двойного лучепреломле-
ния. В ряде случаев выгодно, чтобы плоскость локализации находилась
не внутри призмы, а за ее пределами. Этого можно достигнуть, поместив
одну за другой две призмы Волластона с разными углами и а2. Тогда
угол между выходящими из системы лучами будет равен:
02 = 2 (сс2 — aj (пе — п0), (у.2)
а плоскость локализации интерференционных полос будет отстоять от
задней поверхности второй призмы на расстоянии
d,
(V.3)
s
где d — расстояние между призмами, изменяя которое можно менять
положение плоскости локализации.
Аналогичный эффект имеет место у призмы, показанной на рис. V.4, б.
Поляризационные светофильтры — поляроиды — применяются наряду
с однолучевыми призмами для поляризации света. Их действие основано
105
на явлении плеохроизма: проходят только лучи, поляризованные в одной
плоскости, тогда как лучи с колебаниями в других плоскостях — погло-
щаются. Поляроид представляет собой тонкую пленку, которая не выдер-
живает пребывания во влажной атмосфере и длительного нагрева. С целью
сохранности пленку вклеивают между плоскопараллельными стеклянными
пластинками.
Различные типы поляроидов имеют коэффициент пропускания 25—30%,
апертурный угол поляризации 50—80° и используются в видимой и уль-
трафиолетовой области спектра.
Если анализатором служит поляризационная призма, то для сохране-
ния оптической длины тубуса ее необходимо помещать в параллельном
ходе лучей. Осуществляется это с помощью дополнительных линз, уста-
навливаемых после объектива. Иногда в аналогичных условиях исполь-
зуется также анализатор из поляроида.
Особо следует сказать о стеклянной оптике в поляризационной микро-
скопии. Одно из основных требований к деталям из стекла — отсутствие
деформаций и внутренних натяжений, в результате которых возникает
искусственное двойное лучепреломление.
Отражение и преломление света на оптических поверхностях сопро-
вождается частичной поляризацией или деполяризацией в зависимости
от поляризационной структуры света. Это накладывает серьезные огра-
ничения на пригодность прибора к исследованию объектов с очень малым
двулучепреломлением, какое встречается, например, в биологии. Такие
исследования возможны лишь в случае применения специальных мер
для устранения нежелательных явлений, сопутствующих прохождению
света через поверхность.
2. Метод фазового контраста
Приборы, построенные по схемам и с применением принципов, указан-
ных в предыдущих главах, дают возможность исследовать, в основном,
контрастные объекты. В контрастных прозрачных объектах коэффициенты
пропускания отдельных элементов структуры отличаются друг от друга;
у непрозрачных объектов элементы структуры отличаются по показателю
отражения. Это приводит к соответствующему изменению интенсивности
света, прошедшего (или отраженного) через различные участки объекта,
и, таким образом, дает контрастное изображение. Только изображения,
в которых освещенности отдельных участков не равны друг другу, могут
регистрироваться приемниками излучения: глазом, фоточувствительным
слоем, фотоэлементом и др. Другими словами, приемник излучения вос-
принимает излучение только в том случае, если прошедшая через объект
световая волна приобрела некоторый амплитудный рельеф, соответству-
ющий абсорбционной способности объекта.
В практике часто встречаются бесцветные и прозрачные препараты,
почти невидимые при обычных методах исследования. Отдельные участки
структуры таких препаратов отличаются от окружающей среды по показа-
телю преломления. Вследствие этого проходящий через них свет смещается
по фазе на величину:
6 = (по — пс) h, (V.4)
106
где п0 и пс — показатели преломления объекта и среды;
h — толщина объекта;
Л. — длина волны света.
Таким образом, световая волна, прошедшая сквозь препарат, претер-
певает различные изменения по фазе и приобретает так называемый фазо-
вый рельеф, который приемник излучения не способен воспринять.
Метод фазового контраста дает возможность преобразовать фазовые
изменения в амплитудные и, следовательно, заменить фазовый рельеф
амплитудным рельефом. В результате по-
лучается видимое фазовоконтрастное изо-
бражение препарата, в котором распре-
деление освещенностей до известной сте-
пени соответствует распределению фаз.
Можно представить объект в виде про-
зрачной «фазовой» решетки (рис. V.5), со-
стоящей из большого числа мелких чере-
дующихся выступов и впадин шириной а.
Высота выступов — й; решетка освещается
параллельным пучком света. Участки
волны, прошедшие через выступы, отста-
нут от участков, прошедших через впа-
дины, и разность фаз между ними будет
описываться формулой (V.4).
В соответствии с дифракционной тео-
рией микроскопа, изложенной в гл. III,
плоская световая волна дифрагирует на
решетке, и в задней фокальной плоскости
Рис. V.5. Дифракционное действие
фазовой решетки
объектива образуется система интерференционных максимумов. Можно
показать, что освещенность в фокальной плоскости будет определяться
выражением
Е = 2Л2(1 + cos Q).
(V.5)
Здесь разность фаз между прямым и дифрагированным на угол ср светом
<2= 2л —у б и амплитуда колебаний равна:
. a sin ф
sin 2Лл — —--
Л
a sin ф ’
sin 2л г——
a sin ф
sin л---а—-
А = а---------
а sm <р
" Л
где N — число периодов решетки.
Максимумы будут иметь место, когда член а s‘n <t - будет равен целому
числу.
Анализ формулы (V.5) при разности фаз, например, 6 — 30°, пока-
зывает, что:
1) если принять освещенность нулевого максимума за 100, то в первом
максимуме она равна 2,9; во втором — 0,322; в третьем — 0,107;
2) угол Q для нулевого максимума равен 30°, а для всех других пл [-
— 30 , причем п — целое нечетное число. Так как вторичные элементар-
107
ные волны, распространяющиеся дальше по выходе из максимумов,,
описываются уравнениями вида:
/ q \
Уо, 1, 2.т — ао, 1, 2. . . т + ~2 ) ’ '6)
то очевидно, что волны, выходящие из нулевого максимума, сдвинуты по
фазе относительно волн, выходящих из других максимумов, на 90; (при
объекте, вносящем малую разность фаз).
Имея в виду указанные выводы, можно искусственным путем изменить
фазу и амплитуду волн, выходящих из одного или нескольких максиму-
мов. На это впервые обратил внимание в 1934 г. Цернике, ставший осново-
положником метода фазового контраста.
Принцип метода фазового контраста
можно наглядно представить с помощью
диаграммы на рис. V.6.
Вектор Он4 обозначает световую вол-
ну, падающую на препарат. Длина век-
тора пропорциональна амплитуде, квадрат
которой определяет интенсивность света.
Эта волна присутствует всегда вне зави-
симости от наличия объекта и равномерно
освещает поле зрения, создавая постоян-
ный фон. Если запаздывание фаз откла-
дывать по часовой стрелке, то вектор О ,В
изобразит световую волну, прошедшую
через непоглощающий элемент объекта и
набравшую в нем отставание по фазе, рав-
ное б. Так как длины обоих векторов
равны, то такой элемент не будет виден
Рис. V.6. Векторная диаграмма
к объяснению метода фазового кон-
траста
на общем фоне. Конец вектора для другого элемента объекта, вносящего
разность фаз б', будет находиться в точке В'. Очевидно, что конец вектора
для любого элемента будет лежать на окружности радиуса 0хА, имеющей
центр в точке Ov
Вектор ОГВ можно представить как сумму двух векторов: OtA и АВ,
разность фаз между которыми приблизительно равна л/2. Сопоставление
этого представления с дифракционной теорией и выводами математиче-
ского анализа, изложенными выше, приводит к заключению, что волна,
прошедшая через элемент структуры, есть результат векторного сложения
недифрагированной прямой волны, описываемой вектором 0}А (нулевой
максимум), и дифрагированной волны, характеризуемой вектором АВ
(первый максимум).
Если искусственным путем сдвинуть фазу колебаний нулевого макси-
мума на л/2, то его следует изобразить вектором О1Л1. Именно этот путь
указал Цернике для получения контрастного изображения непоглощаю-
щего объекта. В результате расчетов установлено, что наиболее эффектив-
ный результат имеет место в том случае, когда дополнительно вводимая
разность фаз равна л/2 или, что то же самое, %/4.
Теперь, перенеся вектор дифрагированного света АВ в новое положе-
ние А1В1 и сложив его с вектором О1Л1, получаем вектор изображения
108
объекта О tB Его длина меньше длины вектора прямого света, создаю-
щего общий фон изображения. Таким образом, изменение фазы, вызванное
разностью показателей преломления объекта и среды, превращается в изме-
нение амплитуды. Это означает, что при смещении фазы прямого света
изображение объекта становится видимым из-за уменьшения амплитуды,
полученного описанным искусственным приемом.
Если сделать аналогичные построения для элемента, вносящего раз-
ность фаз 6', то его изображение будет представляться вектором OiBi-
Точки Bi, Bi и концы других векторов, соответствующих элементам струк-
туры различной толщины или с различными показателями преломления,
лежат на одной окружности. Радиус окружности ОАг по величине равен
радиусу первоначальной окружности 0tA.
Векторы, концы которых расположены на дуге А±В3, а начало —
в общей точке 0г, короче вектора OiAi- Из этого следует, что элементы
с показателем преломления большим, чем у окружающей их среды, и
вносящие разность фаз от 0 до л/2, будут видны темными на светлом фоне.
При разности фаз л/2 (точка В3) результирующий вектор OiB3 равен
по величине вектору OjAj и соответствующий ему элемент не будет виден
в поле зрения. Если же разность фаз, вносимая объектом, больше л/2,
то результирующий вектор будет больше вектора OiAj, и тогда объект
станет светлее фона, т. е. наступит инверсия изображения. Это явление
часто называют обращенным контрастом.
В рассмотренном случае недифрагированному свету было дано опере-
жение по фазе на л/2. Этот случай известен как позитивный фазовый
контраст.
Можно представить второй случай: когда недифрагированный свет за-
держивается по фазе на л/2. Тогда вектор ОгЛ следует развернуть и перене-
сти в положение О2Аг. Начало всех векторов, соответствующих различным
элементам, переместится в точку О2, а их концы будут оставаться на той же
окружности с центром в точке О. Длина векторов O2Bi, O2Bi, O-iB'i и т. д.
больше длины вектора О2АХ. Из этого следует, что объекты будут видны
более светлыми, чем фон. В этом случае имеет место негативный фазовый
контраст. Из диаграммы видно, что при негативном контрасте инверсия
изображения появляется для очень больших разностей фаз, а именно
в точке Вг1, соответствующей разности фаз 6 = Зл/2.
Теперь следует вернуться к позитивному контрасту. При малых раз-
ностях фаз 6, что чаще всего встречается на практике, длины векторов
0гВг и OiAj мало отличаются друг от друга и поэтому контраст изобра-
жения хотя и имеется, но невелик. Контраст можно повысить, если начало
векторов из точки О2 перенести в точку О3, так как тогда, очевидно,
разность между длинами векторов О3ВХ и O3At станет больше разности
длин векторов OiAi и Ь^В^ Перенос начала в другую точку соответствует
уменьшению вектора OiAi. Достигается это путем уменьшения амплитуды
прямого неднфрагированного света. Однако в таком случае следует иметь
в виду, что и инверсия изображения наступит при меньшей разности фаз,
.а именно в точке В2, для которой длины векторов OgAj и 03В2 одинаковы.
109
Для того чтобы практически осуществить изменение фазы и амплитуды
нулевого максимума, в месте его нахождения устанавливают так называе-
мую фазовую пластинку, имеющую определенную форму и требуемые
характеристики, т. е. коэффициент пропускания т и сдвиг по фазе 0.
Каким же образом влияет уменьшение амплитуды на изменение кон-
траста изображения?
Можно принять интенсивность недифрагированного света / за еди-
ницу; тогда его амплитуда равна О1А1 =-= 1. Из треугольников видно,
что ОС — cos 6 и A tD — sin б. Следовательно
OJ) = 0^ — Afi = 1 — sin 6;
B.D OAr — ОС = 1 — cos 6.
Отсюда относительная интенсивность света, образующего изображение
объекта, равна
/о = OiBi = OiD2 + B\D2 = 3 — 2 sin 6 — 2 cos 6. (V.7)
Контраст изображения
К = --{ /о- =- 2 sin б + 2 cos б — 2. (V.8)
Для случая, когда недифрагированный свет ослаблен, т. е. ОЛА , =
- oiJ4i можно" аналогично предыдущему найти
/от = О3В2 = 2 ф- т — 2 cos б — 2 ]/т sin б (V.9)
и
/<т = (|zTSin6 + cos6—1). (V.10)
Так как для углов, не превышающих 18°, их тригонометрические
функции с точностью до 2% равны sin б = б и cos б - 1, то применительно
к объекту, вносящему малую разность фаз, формулы (V.7)—(V.10) можно
записать приближенно;
для непоглощающей фазовой пластинки:
/0 = 1 — 26; (V. 11)
К = 26; (V.12)
для поглощающей фазовой пластинки;
/от = т —2]/т6; (V.13)
Кт=-^-. (V.14)
Р т
При сравнении (V.12) и (V.14) видно, что благодаря введению погло-
щения контраст изображения возрастает в 1/]/ т раз. Например, при-
менение фазовой пластинки с коэффициентом пропускания т = 0,01
дает возможность увеличить контраст в десять раз по сравнению с непо-
глощающей пластинкой.
Результаты изложенного представлены графически на pnc.V.7 и V.8.
По оси ординат на рис. V.7 отложена интенсивность света, образующего-
110
изображение объекта, в относительных единицах, причем за единицу
принята интенсивность фона I. Рисунок показывает, что для объектов,
вносящих небольшой сдвиг фазы, контраст сначала растет (так как интен-
сивность 10 падает), достигает максимального значения при 6 = 45°,
а затем падает до нуля при 6 = 90°. Для объектов с большими разностями
фаз наступает инверсия и контраст становится обращенным, достигая
максимальной величины при 6 === 225°.
Семейство кривых на рис. V.8 демонстрирует влияние поглощения
фазовой пластинки на контраст изображения в области необращенного-
Pnc.V.7. Кривая зависимости отно-
сительной интенсивности 10 от сдви-
га фазы б в случае позитивного
фазового контраста для пластинки
с 0 = зт/2
Рис. V.8. Влияние поглощения неди-
фрагированного света на контраст изо-
бражения при позитивном фазовом
контрасте с пластинкой fi =л/2
позитивного фазового контраста. Характер кривых для различных коэф-
фициентов пропускания т один и тот же, но крутизна кривой и максимально
возможный контраст увеличиваются с уменьшением т. Следовательно,
градиент контраста возрастает с уменьшением пропускания фазовой
пластинки, что повышает чувствительность метода. Однако диапазон
необращенного контраста становится меньше, если поглощение фазовой
пластинки увеличивается.
Пунктирная кривая является геометрическим местом точек максималь-
ного контраста для различных поглощений.
Необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство. При
т = 0,25, например, контраст становится равным нулю и инверсия насту-
пает для объектов, вносящих разность фаз 6 — 53°. Изображения объек-
тов с большими разностями фаз становятся светлее фона. Но диапазон,
в пределах которого можно работать, на самом деле вдвое меньше области
необращенного контраста. Это объясняется тем, что одному и тому же
значению контраста соответствуют две разности фаз, т. е. объекты, внес-
шие отличные одна от другой разности фаз, будут видны одинаково
11?
темными, и у наблюдателя возникнет ложное толкование (к примеру, для
кривой т =0,25 контраст 0,5 будет при 6 = 8° 30' и при б=44°30').
Таким образом, с данной фазовой пластинкой можно исследовать объекты,
.для которых возникающая разность фаз не превышает величины, соответ-
ствующей максимальному контрасту. Эту величину можно найти из урав-
нения, полученного путем дифференцирования формулы (V. 10), т. е.
cos 6----L—sin <5 = 0. (V. 15)
И т
Рис. V.9. Векторная диа-
грамма для общего случая
фазового контраста
Выше было сказано, что наилучший результат имеет место тогда, когда
в нулевой максимум вносится дополнительная разность фаз 0 = л/2.
Однако это оптимальное решение не может быть универсальным для
всех случаев. Иногда встречаются объекты, для которых предпочтитель-
ней создавать в нулевом максимуме дополни-
тельный сдвиг по фазе, отличный от л/2.
В общем случае векторная диаграмма имеет
вид, показанный на рис. V.9. Фазовая плас-
тинка вносит сдвиг по фазе 0 и имеет коэффи-
циент пропускания т, поэтому начало всех
векторов, в отличие от рис. V.6, находится
в точке О'. Объект вносит разность фаз 6 и про-
пускает т0 часть света, т. е. описывается векто-
ром OQ. Отсюда следует, что освещенность
фона пропорциональна О Л?, а освещенность
изображения объекта пропорциональна O'Q2.
Путем математических преобразований, аналогичных предыдущему,
можно найти, что контраст изображения для общего случая равен
„ 2J/t0cos6 , 2 cos 0 2 j/40 ... , s, т
Коб = ------г ------------COS 0 Д б) -
т У т у т
-1-. (V.16)
Если положить 0 = л/2 и т0 = 1, то это выражение переходит в фор-
мулу (V.10), выведенную ранее.
Для непоглощающего фазового объекта т0 = 1 и выражение (V.16)
принимает следующий вид:
Лт, е = -|- | ]/t-cos 0 —• ]A>cos(0 Н б) Д- cos6 — 11. (V. 17)
Влияние сдвига фазы 0 в пластинке на контраст изображения можно
оценить по рис. V.10, где представлено семейство кривых для различных 0
в случае непоглощающей фазовой пластинки. Пластинка 0 = 90° дает
наибольший градиент контраста (и, следовательно, наибольшую чувстви-
тельность) для объектов с малыми б. Незначительные отклонения 0 от 90°
почти не влияют на контрастность, которая при малых и больших 0 ста-
новится заметно меньше. Максимальный контраст, равный практически
единице, достигается, когда 0 = 60°, для объектов, вносящих сдвиг
по фазе б = 60°.
Так как область необращенного контраста равна 180 — 0, то оче-
видно, что фазовые пластинки с меньшими разностями фаз дают возмож-
ность исследовать объекты, показатели преломления которых варьируют
;i 12
в более широком диапазоне. Изменение сдвига фазы в сторону увеличения,
г. е. 9 >90 , не дает никакого преимущества. Таким образом, для плас-
тинки предпочтительно выбирать сдвиг по фазе в пределах от 90 до 45“.
Штриховая линия на рисунке представляет геометрическое место точек
максимальных контрастов.
Следует сказать, что изображение объекта, вносящего разность фаз 6,
будет иметь контраст, равный единице, если
T = 4sin2-J и 0 = (V.18)
Увеличение контраста путем изменения фазы и амплитуды недифраги-
рованного света, о чем говорилось до сих пор, называют контрастом
типа А.
В случае контраста типа В
изменения, в отличие от предыду-
щего, вносятся в дифрагирован-
ный свет.
Практическое осуще-
ствление метода фазо-
вого контраста достигается
следующим образом. Как видно из
рис. V.11, где представлена прин-
ципиальная оптическая схема фа-
зовоконтрастного микроскопа,
в передней фокальной плоскости
конденсора 2 вместо обычной ири-
совой апертурной диафрагмы уста-
новлена кольцеобразная диафраг-
ма 1, которая конденсором 2 и
объективом 4 изображается в вы-
ходном зрачке объектива вблизи
заднего фокуса. Здесь-помещена
фазовая пластинка 5 с фазовым
кольцом. Размеры кольца равны
размерам изображения кольцевой
диафрагмы конденсора, так что
Рис. V.10. Влияние сдвига фазы 0 в плас-
тинке на контраст изображения при позитив-
ном фазовом контрасте и т -- 1
фазовое кольцо закрывает весь свет,
прямо прошедший сквозь препарат 3 (сплошные линии).
Выбор кольцевой формы для диафрагмы конденсора и фазовой пла-
стинки объектива обусловлен тем, что в таком случае перекрытие нуле-
вого, первого и других максимумов получается наименьшим и, следова-
тельно, разделение максимумов — довольно хорошим. Это показано на
рис. V.12, где влево и вправо ог яркого центрального кольца, соответ-
ствующего нулевому максимуму, расположены более слабые кольца
первого и второго максимумов. Такая симметричная картина наблюдается,
когда объектом является решетка, состоящая из регулярных линий. Для
реальных же объектов максимум может быть смещен в любую сторону,
но при работе это не имеет значения, так как кольцевая система симме-
трична относительно центра и поэтому действует одинаково по всем ради-
альным направлениям.
8 1 . Е. Скворцов и др.
1 13
Действие фазового кольца двоякое. Во-первых, оно поглощает значи-
тельную часть прямо прошедшего света, для чего в нем нанесена полу-
прозрачная пленка металла. Во-вторых, оно сдвигает фазу световых
колебаний приблизительно на л/2.
Свет, дифрагированный препаратом 3 (штриховые линии на рис. V. 11),
проходит мимо фазового кольца и нс претерпевает ни ослабления, ни
сдвига фазы.
Рис. V. 11. Принципиальная оптическая схема фазовоконтрастного микро-
скопа
Стеклянная фазовая пластинка 5 имеет кольцо в виде выгравирован-
ной или вытравленной канавки, благодаря чему лучи, не отклоненные
объектом, проходят в пластинке несколько меньший слой стекла, чем
дифрагированные лучи. Поэтому фаза прямо прошедшего света опере-
жает фазу дифрагированного. Таким образом осуществляется позитивный
фазовый контраст, и в плоскости 6 получается контрастное изображение,
в котором большим показателям преломления препарата соответствуют
более темные участки.
Рис. V.12. Дифракционный спектр от фазовой решетки
в случае применения кольцевой диафрагмы в осветительной!
системе
Для получения негативного фазового контраста кольцо на пластинке
образовано не вытравливанием, а путем нанесения на поверхность стекла
тонкой кольцеобразной пленки прозрачного вещества. Получается выпук-
лое фазовое кольцо, которое вносит запаздывание в прямо прошедший
свет. В этом случае объекты с показателем преломления большим, чем
у среды, выглядят светлее окружающего фона.
Задний фокус средних и сильных объективов расположен внутри опти-
ческой системы, что заставляет помещать фазовую пластинку между лин-
зами объектива. Поэтому для работы по методу фазового контраста тре-
буется применять специальные объективы, снабженные фазовыми коль-
цами.
] 14
Для того чтобы иметь возможность производить наблюдения по методу
фазового контраста с обычными объективами, используют так называе-
мую схему переноса зрачка. Суть ее заключается в том, что с помощью
дополнительной оптической системы выходной зрачок объектива проекти-
руется в промежуточную плоскость, где и устанавливается фазовая пла-
стинка.
Вариант со специальными объективами проще, тогда как второй более
универсален: он позволяет не только работать с обычными объективами,
но также устанавливать в приборе сменные фазовые пластинки с различ-
ными коэффициентами пропускания и сдвигами фаз. Таким образом удается
осуществить микроскоп с переменным фазовым контрастом, который
позволяет подбирать оптимальные условия для наблюдения объектов
с различными сдвигами фаз.
Рис. V.13. Принципиальная оптическая схема микроскопа с переменным
фазовым контрастом
Примером микроскопа с переменным фазовым контрастом может слу-
жить прибор, принципиальная оптическая схема которого показана на
рис. V.13. Кольцевая диафрагма 1 проектируется конденсором 2 и объек-
тивом 4 в выходной зрачок 5, а затем оборачивающей системой 6 •— на
плоскость фазовой пластинки 7. Оборачивающая система имеет увеличе-
ние — Iх, поэтому препарат 3 проектируется в фокальную плоскость
окуляра 10 с тем увеличением, какое обеспечивается объективом микро-
скопа.
Фазовое кольцо выполнено из поляроида. Это дает возможность с по-
мощью компенсатора 8 вносить переменную разность фаз между дифраги-
рованным и недифрагированным светом, а интенсивность света изменять
путем вращения анализатора 9.
Подобная схема позволяет получать как позитивный, так и негатив-
ный фазовый контраст, в широких пределах варьируя фазы и амплитуды
обеих составляющих света.
Разновидностью негативного фазового контраста является фазово-
темнопольный контраст. В этом случае кольцо фазовой пластинки отли-
чается тем, что пропускает лишь незначительную часть света, около
5 %, тогда как при обычном фазовом контрасте — около 25% и имеет
больший диаметр. Так, если наружные диаметры колец в фазовоконтраст-
ных объективах равны приблизительно 0,3—0,4 диаметра выходного
зрачка, то в фазово-темнопольных объективах они равны 0,8—0,9 диа-
метра зрачка. Фазово-темнопольный контраст по сравнению с обычным
фазовым имеет несколько повышенную чувствительность и применяется,
главным образом, для наблюдения объектов, дающих весьма малые сдвиги
фаз.
8*
115
Достоинства и недостатки метода фазового контраста,
как и любого другого метода, определяются, во-первых, количеством и
качеством информации, которую этот метод может дать, а во-вторых,
доступностью, простотой и надежностью средств, необходимых для его
осуществления.
Большие достоинства метода фазового контраста, благодаря которым
он получил широкое распространение, — это простота и высокая надеж-
ность в работе устройств, позволяющих применить этот метод на прак-
тике. Причем разрешающая способность фазовоконтрастного микроскопа
практически не отличается от разрешающей способности обычного микро-
скопа.
Чувствительность метода фазового контраста достаточно высока.
Так, если считать, что минимально допустимый контраст должен быть
равен 0,1, то с пластинкой 0 л/2 и т 0,25 можно будет наблюдать
объекты, вносящие разность фаз не менее 6 = 0,025 рад, что соответ-
ствует разности хода Х/250.
Недостатки метода фазового контраста проистекают из природы явле-
ния.
Рассмотренная теория применима в полной мере лишь к идеаль-
ному объекту, представляющему собой фазовую решетку. Реальные объ-
екты значительно сложней: отдельные участки их могут отличаться друг
от друга по форме, размерам, толщине и показателю преломления. Так
как .метод фазового контраста основан на разделении прямого и дифраги-
рованного света и их последующей интерференции, то очевидно, что метод
способен выявить участки в объекте, где имеются градиенты показателя
преломления или толщины. При малых градиентах угол дифракции неве-
лик, и это не позволяет произвести достаточно хорошее разделение пря-
мого и дифрагированного света. В результате такого несовершенства
в фазовоконтрастном изображении выявляются лишь мелкие тонкие детали
структуры, а в изображении больших грубых деталей контраст довольно
быстро падает от края изображения к центру. Следовательно, у края
большого объекта существует некоторая зона конечной ширины, в преде-
лах которой контраст хорошо выражен и протяженность которой опре-
деляется отношением ширины фазового кольца к диаметру выходного
зрачка объектива.
Так как объект не поглощает свет, то вся энергия излучения, прохо-
дящая через него, участвует в образовании изображения. Фазовое колыю
лишь перераспределяет энергию между различными участками объекта
(поглощение фазового кольца в данном случае роли не играет, ибо оно
ослабляет свет в равной мере для всех точек поля зрения). Следовательно,
появление темных участков в изображении должно сопровождаться уве-
личением освещенности в соседних участках и наоборот. В результате
при позитивном фазовом контрасте темные изображения элементов струк-
туры окружены светлыми ореолами, при негативном контрасте светлые
изображения сопровождаются темными ореолами.
Этим досадным недостатком в некоторой мере можно управлять: чем
уже фазовое кольцо, тем больше диаметр ореола и, соответственно,
меньше его яркость. Но нельзя забывать, что применение очень узких
колец невыгодно, так как это уменьшает освещенность изображения и
затрудняет работу.
116
3. Метод интерференционного контраста
Метод интерференционного контраста имеет много общего с фазовым.
Фазовый контраст можно рассматривать как разновидность интерферен-
ционного, хотя между ними и имеются существенные различия.
Интерференционный микроскоп в отличие от фазового свободен от
указанных выше недостатков. В интерференционном микроскопе обычно
отсутствуют ореолы, сопровождающие фазовоконтрастное изображение.
В фазовом микроскопе возникает контрастное изображение только
тех участков объекта, в которых имеется большой градиент показателя
преломления или толщины. В отличие от этого метод интерференционного
контраста выявляет участки объекта как с малыми, так и с большими
градиентами, в результате чего распределение освещенности в изобра-
жении зависит только от сдвига фаз, вносимого объектами, и не зависит
от их формы и размеров.
В белом свете интерференционный микроскоп может давать как черно-
белые, так и разноцветные изображения.
Обычные фазовые микроскопы не позволяют измерять разность хода
(произведение толщины объекта на разность показателей преломления
объекта и окружающей среды), возникающую при прохождении светом
микроскопического объекта. Интерференционная микроскопия дает воз-
можность с помощью более или менее сложных устройств производить
такие измерения, на основании которых затем могут быть вычислены,
например, концентрация, вес сухого вещества в объекте и др.
Это и есть, в основном, та существенно новая количественная информа-
ция о микрообъекте, которую предоставляет интерференционная микро-
скопия.
Несмотря на перечисленные несомненные преимущества метода интер-
ференционного контраста, он не может целиком заменитъ фазовый, так
как требует сложных в изготовлении и эксплуатации устройств. По этой
причине интерференционный микроскоп рассматривается, главным обра-
зом, как прибор для измерения разности хода, вносимой объектом, тогда
как фазовоконтрастный микроскоп предназначают для визуального каче-
ственного исследования непоглощающих препаратов.
Принцип действия двухлучевого интерференционного микроскопа.
Принцип основан на разделении светового луча на два и, после прохожде-
ния каждого из этих лучей по своему тракту, воссоединении их снова
в один луч (рис. V. 14). Пучок параллельных лучей разделяется в пло-
скости А на две ветви. Соответствующая ему плоская световая волна W
также расщепляется на две плоские когерентные волны и W2. В ниж-
ней ветви можно поместить исследуемый прозрачный объект О, изменяю-
щий фазу светового колебания. Тогда после прохождения объекта фронт
волны Wz2 изменяется и она превращается в волну Wz2, на поверхности
которой образуется впадина. Ее глубина определяет разность хода А,
вводимую объектом.
А = d (п0 — пс), (V.19)
где d — толщина объекта;
пд и ис — показатели преломления объекта и среды.
Разность хода А и сдвиг фазы б связаны соотношением 6 2лА/Х.
117
В верхней ветви волна Ж, называемая волной сравнения, остается
недеформированной.
В плоскости В волны Wi и Ж вновь соединяются и интерферируют
между собой. Результат интерференции зависит от разности оптических
длин верхней и нижней ветвей или, иначе говоря, от расстояния между
волнами Wi и Ж, которое пропорционально этой разности. Действи-
тельно, если длина пути в верхней ветви меньше, то волна U:'t уйдет
вперед относительно волны Ж-
При сравнительно большом расстоянии ЖЖ интерференция наблю-
дается только в монохроматическом свете. Если расстояние ЖЖ равно
Рис. V.14. Схема, поясняющая принцип действия интер-
ференционного микроскопа
целому числу длин волн, то изображение объекта будет темным на свет-
лом фоне. Если же длина ЖЖ равна нечетному числу световых полу-
волн, то изображение получается светлым на темном фоне. Следует ска-
зать, что эта общая характеристика результата интерференции справедлива
тогда, когда разность хода, вносимая объектом, сама не равна целому
числу волн.
Очевидно, что разные детали объекта, вносящие разные сдвиги фаз
в проходящую через них световую волну, будут проявляться в изображе-
нии с неодинаковым контрастом, т. е. освещенности их изображений
будут неодинаковы. При освещении белым светом изображение объекта
будет разноцветным.
Интерференция в белом свете наблюдается в том случае, когда длина
WiW2 становится меньше 2 мкм, т. е. четырех длин волн.
Так как волны Wr и Ж проходят по независимым друг от друга
путям, то в верхней ветви интерферометра может быть помещен компен-
сатор К, позволяющий медленно и непрерывно изменять оптическую
длину верхней ветви. При этом волна сравнения Ж. естественно, будет
перемещаться относительно волны Ж параллельно самой себе вдоль оси
прибора. На рисунке справа показаны два возможных положения волны
сравнения. В первом положении эта волна соприкасается с дном впа-
дины на волне Ж, а на втором — с недеформированной частью волны Ж-
Моменты соприкосновения волн определяются при наблюдении интерфе-
ренционных цветов. Если компенсатор снабжен приспособлением для
отсчета величины перемещения волны Ж, то разность отсчетов в двух
118
описанных положениях волны сравнения, очевидно, будет равна глубине
впадины Л, т. е. разности хода, вносимой объектом. Таким образом, метод
интерференционной микроскопии может быть приспособлен не только
для получения контрастных изображений прозрачных препаратов, но
и для измерения сдвигов фаз, вносимых деталями этого препарата.
Сущность явления, например, для случая, когда волна сравнения
отстоит от недеформированной части рабочей волны 1Е2 на полволны,
можно наглядно представить, прибегнув к графической интерпретации
происходящего процесса (рис. V.15).
Если колебания луча, соответствующего волне сравнения, описы-
ваются синусоидальной кривой 1, то недеформированный участок рабочей
волны будет представлен ана-
логичной кривой 2, сдвину-
той во времени на л. Так как
амплитуды обоих колебаний!
равны А, то после их интер-
ференции (сложения) осве-
щенность станет равной нулю.
Иная картина имеет место
для участка рабочей волны,
деформированного объектом.
Ввиду запаздывания на вели-
чину 6, этот участок следует
характеризовать синусои-
дой 3 той же амплитуды, что и
Рис. V.15. Схема, поясняющая возникновение изо-
бражения в интерференционном микроскопе
предыдущие кривые. В результате интерференции колебаний, описывае-
мых синусоидами 1 и 3, возникают новые колебания, период которых
остается тем же самым, а амплитуда становится равной а. Очевидно, что
величина амплитуды зависит от сдвига фазы 6, вносимого объектом. При
6 0 амплитуда принимает максимальное значение: а = 2Л; с увеличе-
нием 6 до л амплитуда уменьшается до нуля, а затем снова растет. Так
как освещенность пропорциональна квадрату амплитуды, то с измене-
нием последней будет меняться также и контраст изображения.
Если разность фаз между кривыми 1 и 2 равна целому числу периодов,
то в противоположность предыдущему фон интерференционной картины
-становится светлым, а изображение объекта — темным.
Принципиальные схемы интерференционных микроскопов. Практи-
ческое воплощение принципиальной схемы интерферометра в реальном
микроскопе сопряжено с более или менее серьезными трудностями, так
как требования, предъявляемые к этим приборам, — весьма строгие.
Интерференционный микроскоп должен иметь высокую разрешающую
способность и хорошее качество изображения, что не позволяет вводить
в его систему оптические детали, нарушающие нормальный ход лучей.
Следовательно, любой элемент интерферометра может быть установлен
в микроскопе только тогда, когда он не нарушает условий работы или
когда его присутствие учтено при расчете оптической системы. Нельзя
допустить больших искажений волны сравнения, так как это может
привести к искажениям результатов измерения. Точность измерения раз-
ности хода должна быть не менее 0,02—0,01 длины волны. Интерферен-
ционное изображение должно обладать высоким контрастом. При
119
удовлетворении перечисленных основных требований микроскоп в то же
время должен быть достаточно прост в обращении и надежен в работе.
Здесь, а также в главе XVIII, описаны схемы и конструкции интерфе-
ренционных микроскопов, получивших наибольшее распространение бла-
годаря удачному сочетанию всех необходимых качеств.
Разделение и воссоединение интерферирующих световых пучков обычно
производится одним из трех способов: с помощью зеркальной системы,
оптических элементов из двоякопреломляющих кристаллов или диффереи-
ционным методом.
Рис. V.16. Принципиальная оптическая
схема микроинтерферометра Линника
Рис. V.17. Принципиальная опти-
ческая схема интерференционного
микроскопа фирмы «Лейтц»
Интерференционные микроскопы с зеркальной системой для разделе-
ния пучков строятся на основе одной из известных схем: Майксльсона,
Цендера—Маха и др.
Микроинтерферометр Линника (рис. V.16) предназначен для изуче-
ния непрозрачных объектов, но может быть приспособлен и для исследо-
вания некоторых биологических объектов. Коллиматор 2, снабженный
источником света 1, дает параллельный пучок света, который пластин-
кой 3 разделяется на два пучка равной интенсивности. Пучок сравнения
фокусируется объективом 6 на эталонном зеркале 7. Объектив 8 фокуси-
рует второй пучок на поверхности исследуемого объекта 9. Оба объек-
тива 6 и 8 должны быть совершенно идентичны по своему устройству и
характеристикам. После отражения от зеркала и образца пучки воз-
вращаются обратно по тем же путям, соединяются на пластинке 3 и интер-
ферируют в фокальной плоскости линзы 4. Изображение предмета и ин-
терференционная картина рассматриваются через окуляр 5. Форма
интерференционных полос, наблюдаемых на изображении поверхности,
повторяет профиль этой поверхности, что дает возможность определять
глубину штрихов и канавок, высоту ступенек и т. д.
120
Примером интерференционного микроскопа для изучения прозрачных
объектов может служить микроскоп фирмы «Лейтц» (рис. V.17), в котором
применена схема интерферометра Цендера—Маха. Пучок лучей по выходе
из конденсора 1 расщепляется призмой 2 на два пучка. Один из них про-
ходит через препарат 3, объектив 4 и компенсатор 5; второй (пучок сравне-
ния) — через вспомогательную пластинку 10, объектив 9 и компенсатор 8.
Призма 6 служит для воссоединения пучков в один, который направ-
ляется в окуляр 7. Пластинка 10 предназначена для компенсации раз-
ности хода, вводимой в другой ветви интерферометра предметным и покров-
ным стеклом препарата 3. Оптические элементы обеих ветвей, т. е. призмы
и объективы, должны быть возможно более идентичными. Остаточное не-
большое несоответствие между ними выравнивается с помощью одного
из компенсаторов. Второй компенсатор дает возможность производить
измерения разности хода, вносимой объектом. Фокусирование микроскопа
на резкое изображение препарата производится перемещением элементов
1—3 и 10 относительно элементов 4—9, причем в каждой группе все эле-
менты жестко связаны между собой.
Одним из недостатков интерференционного микроскопа фирмы «Лейтц»
является то, что большое расстояние между конденсором и препаратом
не позволяет осуществить освещение препарата широким конусом лучей
с большой апертурой. Кроме того, микроскоп сложен как в изготовлении,
так и в эксплуатации. Например, затруднителен переход к объективам
других увеличений. Эти недостатки в большой мере компенсируются тем,
что в микроскопе произведено полное разделение пучков. Такое разделе-
ние заслуживает серьезного внимания, так как дает возможность получить
совершенно неискаженную волну сравнения, чего нельзя сказать о более
простых микроскопах, описанных ниже.
Необходимо отметить, что как микроинтерферометр Линника, так и
микроскоп фирмы «Лейтц» принципиально нуждаются в жесткой конструк-
ции, которая обеспечивала бы стабильное положение всех оптических
элементов в течение длительного времени.
Основное отличие интерференционных микроскопов с кристаллической
оптикой заключается в следующем: оба интерферирующих пучка прохо-
дят через одни и те же оптические элементы. Благодаря указанной осо-
бенности микроскопы этого типа явно выигрывают перед другими в про-
стоте устройства и легкости обращения с ними. С другой стороны, совме-
щение обеих ветвей интерферометра в одном оптическом тракте имеет
тот недостаток, что принципиально нельзя получить идеальную волну
сравнения по всему полю зрения. Это приводит к ограничению размеров
изучаемого объекта.
Первым микроскопом этого типа был поляризационный интерферометр
Лебедева, созданный в 1931 г.
В настоящее время существует два вида поляризационно-интерферен-
ционных микроскопов: двухфокусные и ширинг-микроскопы. В первых
интерферирующие пучки разведены вдоль оптической оси, во вторых —
г плоскости, перпендикулярной оптической оси прибора. ! (
В двухфокусном микроскопе (рис. V.18, а) свет от точки Ло источника
(или заменяющей его плоскости) проходит через поляризатор 1 и фоку-
сируется конденсором 3. Кристаллическая пластинка 4, наклеенная на
конденсор, расщепляет световой пучок на два так, что один из них
121
собирается на объекте А в предметной плоскости 6, а второй — в плоско-
сти 5. Плоскость поляризации поляроида / составляет угол 45 с осью кри-
сталлической пластинки 4, поэтому расщепленные пучки поляризованы во
взаимно перпендикулярных направлениях и имеют равные интенсивно-
сти. Кристаллическая пластинка 7, наклеенная на объектив, вновь сое-
диняет пучки. Объектив 8 проектирует изображение объекта в фокальную
плоскость окуляра //. Для того, чтобы лучи могли интерферировать, их
колебания должны лежать в одной плоскости. Достигается это с помощью
анализатора 10, плоскость поляризации которого составляет угол 45'
с осью кристаллических пластинок 4 и 7.
Рис. V.18. Принципиальные оптические схемы поляризационно-интерференци-
онных микроскопов: а—двухфокусный микроскоп; б — ширииг-микроскоп
Так как в точке А собираются обыкновенные лучи, то система микро-
скопа должна быть в первую очередь безаберрациоина для этих лучей,
т. е. в сопряженных точках Ао, А и А' должны иметь место обычные
дифракционные диски Эри. Однако для успешной работы прибора этого
недостаточно. Интерференция может состояться только тогда, когда будет
выполнено условие наложения когерентных колебаний. Для удовлетво-
рения этого требования необходимо, чтобы, во-первых, необыкновенная
волна была также безаберрационной и, во-вторых, дифракционные диски
обеих волн совпадали в плоскости изображения.
Пластинка 7 дает астигматическую необыкновенную волну. Для ликви-
дации астигматизма служит пластинка 4. Пластинки изготавливают из
кристаллов разного знака, поэтому между обыкновенным и необыкновен-
ным лучом нет разности хода.
Если ограничиться только двумя кристаллическими пластинками, то
в выходном зрачке объектива кривизна обыкновенной и необыкновенной
волны будет различна, в результате чего диски Эри разойдутся вдоль
оси. Совмещение дисков Эри достигается с помощью слабой отрицатель-
ной кристаллической линзы 2.
122
Интерференция в белом свете возможна, если равны оптические пути
обыкновенных и необыкновенных лучей. Уравнение производится, напри-
мер, путем подтопки толщины линзы 2.
При скрещенных поляризаторе и анализаторе поле зрения в микро-
скопе будет темным. Обыкновенная волна проходит через объект А,
а подавляющая часть необыкновенной — мимо объекта. Разность хода,
возникшая между волнами, приводит к эллиптической поляризации света
в точке А', где и появится контрастное изображение объекта.
Вносимая объектом разность хода может быть измерена с помощью
обычного компенсатора 9, например, компенсатора Сенармона, состоящего
из пластинки «четверть волны» и поворотного анализатора.
Возможность определения разности хода связана с постоянством
зависимости освещенности изображения микроскопической частицы от
вводимой ею разности хода. Для этого в первую очередь требуется, чтобы
искажения, вносимые частицей в волну сравнения, были минимальными.
Следовательно, необходимо стремиться к возможно большему диаметру
волны сравнения в предметной плоскости (так называемая референтная
область) по сравнению с размером частицы.
Для примера можно указать, что в случае объектива 40 X 0,65 каль-
цитовая пластинка толщиной 0,3 мм дает разведение точек А и В на
21 мкм. Диаметр референтной области при этом составляет около 40
диаметров диска Эри или 40 мкм. При таких данных объект размером даже
10 мкм занимает только около 6% референтной области, т. е. практи-
чески не искажает волну сравнения и не влияет существенно на результат
измерения.
В ширине-микроскопе (рис. V.18, б) раздвоение изображения светя-
щейся точки Ао происходит в плоскости препарата 4 перпендикулярно
оптической оси прибора.
В фокальной плоскости конденсора 3 помещена призма Волластона 2,
которая раздваивает каждый падающий луч. Если угол между плоскостью
поляризации поляроида 1 и кристаллооптическими осями призмы 2 равен
45", то лучи, выходящие из призмы, поляризованы во взаимно перпенди-
кулярных направлениях и имеют равные интенсивности. После конден-
сора 3 лучи каждой пары становятся параллельными друг другу и про-
ходят через препарат 4. Если один из лучей пройдет через элемент струк-
туры А, а второй — мимо этого элемента через точку В окружающей среды,
то первый луч приобретет дополнительный сдвиг фазы.
В задней фокальной плоскости объектива 5 лучи вновь соединяются
при помощи второй призмы Волластона 6. Далее установлен обычный
компенсатор 7. Для примера на рисунке показан компенсатор Бабине—
Солепля, подвижный клин которого перемещается микрометренным
винтом. По барабану винта можно отсчитывать вводимую компенсатором
разность хода и, таким образом, измерять сдвиги фаз, вносимые различ-
ными элементами препарата. Изображение препарата получается в фокаль-
ной плоскости окуляра 8, за которым установлен анализатор 9. Назначение
анализатора такое же, как и в предыдущей схеме: создать предпосылку
для возможной интерференции лучей.
Ширинг-микроскоп дает раздвоенное изображение препарата и больше
пригоден для измерения сдвигов фаз, нежели двухфокусный микроскоп.
На основании этих измерений, в свою очередь, можно рассчитать
123
концентрацию и вес сухого вещества в объекте. Точность измерения раз-
ности хода достигает О,СИЛ, а при особенно благоприятных условиях
даже 0,003Л.
Для того чтобы было возможно производить измерения разности
хода, необходимо иметь такую величину раздвоения изображения, при
которой участки обыкновенной и необыкновенной волны, деформирован-
ные одним и тем же объектом, разошлись бы на достаточно большое рас-
стояние. Это положение поясняется рис. V.19, а. Некоторый объект произ-
вел одинаковую по форме и размерам деформацию обыкновенной о и
необыкновенной е волны. Величина раздвоения а должна быть больше
размера объекта Ь, тогда измерения с этой точки зрения не представляют
трудностей. Такое раздвоение называют полным.
Рис. V.19. Схема, поясняющая величину раздвоения изображения
Если прибор предназначают для наблюдения объекта и не предпола-
гают производить количественные исследования, применяют несколько
иной способ, называемый дифференциальным. В этом случае величина
разведения изображений а выбирается близкой к разрешающей способ-
ности микроскопа, тогда не будет заметно двоение изображения. В то же
время, как видно из рис. V. 19, б, между деформированными объектом
участками обыкновенной о и необыкновенной е волны появляется сдвиг
фаз, что приводит к появлению интерференционных цветов в соответ-
ствующих участках поля зрения.
Величина раздвоения изображения зависит от оптической длины тубуса
микроскопа и угла расщепления лучей, определяемого по формуле (V.1).
Освещение объекта в ширинг-микроскопе можно производить с боль-
шой апертурой, если оптическая длина пути всех лучей в приборе одина-
кова. Для выполнения такого условия необходимо, чтобы углы at и а.
в призмах Волластона были связаны соотношением
fi sin «1 = /2 sin «2,
где fi и f2 - фокусные расстояния конденсора и объектива, и чтобы
поверхности склейки призм находились в фокальных плос-
костях, которые сопряжены.
Необходимо сказать, что в некоторых приборах применяют только
одну призму Волластона (или иную оптическую систему для раздвоения
изображения), помещенную за объективом, что неизбежно требует рез-
кого уменьшения осветительной апертуры, осуществляемого с помощью
узкой щели в передней фокальной плоскости конденсора.
Продольное или поперечное смещение одной из призм весьма чувст-
вительно проявляется в плоскости изображения, поэтому требуется тща-
тельная установка призм в правильном положении.
124
Однако иногда находящуюся за объективом призму Волластона в не-
больших пределах смещают перпендикулярно оптической оси. При этом
в поле зрения наблюдается интерференция более высоких порядков, бла-
годаря чему изображение приобретает окраску чувствительных цветов.
Требование помещать призму в фокальной плоскости объектива огра-
ничивает применение описанной схемы приборами небольшого увеличения,
так как у средних и сильных объективов фокальная плоскость располо-
жена внутри оптической системы. Для таких объективов используют
схемы, о которых сообщается в гл. XVIII.
Интерференционный микроскоп с дифракционным разделением пучков,
принципиальная схема которого показана на рис. ¥.20, действует сле-
дующим образом.
Рис. V.20. Принципиальная оптическая схема интерференционного
микроскопа с дифракционным разделением пучков
В фокальной плоскости конденсора 2 установлена узкая щель 1,
поэтому объект 3 освещается параллельным пучком света. Для наблюде-
ния объекта служат объектив 4 и окуляр 6. В задней фокальной плоскости
объектива помещена стеклянная пластинка 5, покрытая полупрозрачным
слоем алюминия или сажи. На слое прорезана узкая щель, сопряженная
со щелью 1. Плоская световая волна после прохождения препарата при-
обретает рельеф, форма которого в каждой точке зависит от оптической
толщины препарата в этих точках. Приобретенный волной рельеф сохра-
няется и после прохождения ее через объектив. Волна сравнения возни-
кает вследствие дифракции на щели пластинки 5 и не имеет рельефа.
В результате взаимодействия обеих волн в фокальной плоскости окуляра
возникает интерференционно-контрастное изображение 3' объекта 3.
Интерференционный микроскоп, построенный по этой схеме, очень
прост в устройстве, по не имеет приспособлений для количественных
измерений разности хода, вносимой объектом.
Принцип действия многолучевого интерференционного микроскопа.
Принцип основан на том же явлении, которое имеет место в интерферо-
метре Фабри -Перо.
Луч света направляется на две плоские параллельные друг другу
зеркальные поверхности, имеющие высокий коэффициент отражения и
малый коэффициент пропускания. Многократное отражение луча между
поверхностями приводит к появлению большого числа параллельных
лучей, которые интерферируют, будучи собранными в одну точку. Если
зеркала осветить широким конусом монохроматического света, то в фокаль-
ной плоскости линзы, помещенной после них, возникает интерференцион-
ная картина: светлые кольца на темном фоне в прошедшем свете или тем-
ные кольца на светлом фоне в отраженном свете. Следовательно, иояв-
125
Рис. V.21. Распределение интенсивности
в интерференционной картине:
1 — двухлучевая интерференция; 2—многолу-
чевая интерференция при коэффициенте отра-
жения зеркала, равном 0,9
ляются интерференционные полосы равного наклона, локализованные
в бесконечности.
При двухлучевой интерференции полуширина максимума равна поло-
вине порядка, как это видно по кривой 1 на рис. V.21, где представлено
распределение интенсивности в относительных единицах вдоль направ-
ления, перпендикулярного интерференционным полосам.
В случае многолучевой интерфе-
ренции полуширина w кривой 2 зна-
чительно уже, причем она зависит от
коэффициента отражения р зеркаль-
ных поверхностей. Между узкими
максимумами имеется небольшой фон,
интенсивность которого 1ф оцени-
вается в процентах от интенсивности
максимума /1)|ах. Так как интенсив-
ность многократно отраженных лучей
постепенно убывает, то при аналити-
ческих расчетах их количество за-
меняют эквивалентным числом лу-
чей N с постоянной интенсивностью.
В табл. V.4 приведены данные ука-
занных величин при некоторых зна-
чениях коэффициента отражения.
Практически можно получать зеркальные покрытия до р 0,95 при
коэффициенте пропускания т =-- 0,01, что пригодно для работы.
Таблица V.4
Зависимость некоторых характеристик от коэффициента отражения
Коэффициент отраже- 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95
НИЯ р
Полуширина интерфе- ренционного максиму- ма W в долях X 1/9 1/11 1/14 1/19 1/30 1/60
Интенсивность фона 1ф R °п 3,22 2,04 1,23 0,66 0,28 0,06
Число эффективных лу- чей ,V 8,3 10,3 13,3 18,3 28,3 58
Считается, что при измерениях точность установки составляет около
0,1 полуширины интерференционного максимума. Следовательно, если
при двухлучевой интерференции точность измерений равна Х./20, то при
многолучевой она достигает Х/600. Распределение интенсивности в каж-
дой точке поля описывается формулой Эри:
j —____________________________(V ‘>0)
/ _ 4р . , ( 2га/cos 1 1 ’
1 + лт—Ч" sm- л :---. —;
г (1-р)2 1 J
где п — показатель преломления среды между зеркалами;
t — расстояние между зеркалами;
i — угол падения света.
126
Интерферометр Фабри—Перо непригоден для целей микроскопии, так
как полосы локализованы в бесконечности (г — переменно при постоян-
ных п и t). Для изучения микроскопического объекта нужно совместить
с ним интерференционную картину, т. е. необходимо получить интерферен-
ционные полосы равной толщины. Чтобы это сделать, достаточно устано-
вить зеркала иод небольшим углом друг к другу. В таком случае I и п —
постоянные; t — переменная.
Принцип работы многолучевого интерференционного микроскопа можно
пояснить с помощью рис. V.22.
Поверхность изучаемого непрозрачного объекта 2 покрывается тонким
зеркальным металлическим слоем, который повторяет профиль поверх-
ности. Над объектом на расстоянии t помещается стеклянная пластинка 1
Рис. V.22. Принцип действия многолучевого интерференционного микроскопа:
а — в отраженном свете; б — в проходящем свете
с хорошо отражающим зеркальным слоем, который пропускает несколько
процентов света. Между зеркальными поверхностями создается неболь-
шой клин. Полученный таким образом интерференционный узел осве-
щается параллельным пучком монохроматического света, падающего нор-
мально к поверхности. Каждый луч порождает систему слабо расходя-
щихся лучей. Если лучи собраны с помощью линзовой системы в одну
точку, они интерферируют. В тех местах, где толщина клина такова, что
разность хода между двумя соседними лучами равна нечетному числу
полуволн, будут наблюдаться темные интерференционные полосы.
Расстояние е между двумя соседними полосами зависит от длины волны
и угла клина. Последний луч в каждой системе выходит из интерферен-
ционного узла на расстоянии а от первого луча, которое увеличивается
с увеличением угла и толщины клина. Это расстояние возрастает также
при увеличении угла падения первоначального луча.
Отклонения исследуемой поверхности от плоскостности вызывают
смещение интерференционных полос. По величине смещения судят о рель-
ефе поверхности.
Для изучения прозрачного объекта с показателем п:, находящегося
в среде с показателем пс, его помещают между двумя стеклянными пла-
стинками 1. Зеркальные почти непрозрачные поверхности пластинок обра-
зуют клин с небольшим углом. Наблюдения производятся в проходя-
щем свете. Так как п0 пс, то объект вносит дополнительную разность
127
хода, в результате чего интерференционные полосы смещаются. Величина
смещения служит мерой оптической толщины объекта.
Как уже было сказано, точность измерения зависит от полуширины
интерференционного максимума. Приведенные в табл. V.4 теоретические
данные на практике редко достижимы. Объяснением тому являются сле-
дующие причины: несовершенство зеркальных поверхностей; конечная
величина осветительной апертуры; набегающая разность хода между лу-
чами в каждой системе; удаление последнего луча от первого вдоль поверх-
ности. Последние две причины обусловлены углом и толщиной клина.
В табл. V.5 приведены предельно допустимые апертурный угол освеще-
ния i и толщина клина t в зависимости от расстояния между интерферен-
ционными максимумами при длине волны X = 550 нм и числе эффектив-
ных интерферирующих лучей N 60.
'1' а б л и ц a V.5
Взаимосвязь некоторых характеристик при интерференции
Расстояние между интерференци- онными максимумами с в мм 1 10 1 0.3 1
Толщина клина t в мм 1,26 0,012 0,001
Апертурный угол освещения 1° 0,06 0,60 1.9 !
Расстояние между лучами а в мм 0,25 0,025 0,003 j
Величина е выбирается в зависимости or размера поля зрения микро-
скопа. Расстояние а между первым и шестидесятым лучом не должно
превышать разрешающей способности микроскопа.
Из данных табл. V.5 следует, что многолучевой интерференционный
микроскоп может работать только при очень малых толщине клина и осве-
тительной апертуре.
4. Метод исследования в свете люминесценции
В природе существует несколько видов люминесценции, которые за-
ключаются в способности веществ испускать излучение при воздействии
на них внешней энергии, называемой энергией возбуждения. Излучение
люминесценции представляет собой избыток над тепловым излучением
вещества при данной температуре и имеет длительность, значительно пре-
вышающую период световых волн.
Излучение люминесценции характеризуется спектральным распреде-
лением плотности лучистого потока, степенью поляризации, выходом лю-
минесценции (отношение излучаемой энергии к поглощенной) и временем
затухания. На выход люминесценции влияет, в частности, степень туше-
ния — явление, зависящее как от структуры самого вещества, так и от
внешних условий.
Предметом изучения в световой микроскопии является фотолюмине-
сценция, возбуждаемая электромагнитным излучением видимой или ультра-
фиолетовой области спектра. В настоящее время значительное распро-
странение получил метод исследования флюоресценции микрообъектов,
т. е. фотолюминесценции со временем затухания, не превышающим
128
10'8 сек. Но в последние годы начал появляться интерес и к фосфоре-
сценции микрообъектов, которая продолжается более или менее длительное
время после прекращения возбуждения.
Принципиальная схема для обнаружения флюоресценции представлена
на рис. V.23, а, где сплошными линиями показаны коротковолновые лучи
(например, синие), а штриховыми — длинноволновые (например, крас-
ные). Светофильтр 2 выделяет из излучения источника 1 коротковолновую
область. Под действием падающей энергии возбуждения объект 3 флюо-
ресцирует, испуская обычно более длинноволновое излучение. Возбу-
ждающее излучение задерживается светофильтром 4 и объект виден в свете
только его собственной флюоресценции.
Спектры возбуждающего излучения и флюоресценции связаны законом
Стокса — (рис. V.23, б). Кривая 1 характеризует абсорбционную способ-
Рис. V.23. Возникновение флюоресценции и ее спектральный
состав: а — принципиальная схема обнаружения флюоресцен-
ции; б — графическая интерпретация закона Стокса
ность объекта а, а кривая 2 — энергетическую плотность потока флюо-
ресценции. Обе кривые выражены в относительных единицах. Из рисунка
видно, что спектр флюоресценции и его максимум смещены в сторону более
длинных волн относительно спектра поглощения. Следовательно, энергия
кванта, излучаемого флюоресцирующим веществом, меньше энергии кванта
поглощаемого света, возбуждающего свечение. В небольшой области
перекрытия кривых вещество может поглощать и излучать свет одной
и той же длины волны.
Спектр флюоресценции остается неизменным при любой длине волны
возбуждающего излучения. Квантовый выход флюоресценции в соответ-
ствии с законом Вавилова также не зависит в определенном интервале от
длины волны возбуждающего излучения.
Поляризация флюоресценции встречается не только в анизотропных,
но и в изотропных средах, возбуждаемых поляризованным светом.
Люминесцентный анализ — очень чувствительный метод исследования,
позволяющий определять химический состав в отдельных элементах
структуры, и их химические превращения, количество тех или иных ком-
понент, выявлять мелкие загрязнения и т. д. При этом не требуется экстра-
гирование определяемого вещества из препарата. Поляризованная флюо-
ресценция дает возможность изучать строение излучающих систем и их
поведение в окружающей среде.
Различают два вида флюоресценции: собственную (или первичную)
и наведенную (или вторичную). Первая не требует особых пояснений.
Для получения второй препарат предварительно окрашивают специаль-
ными красителями — флюорохромами. Их концентрация настолько
9 Г. Е. Скворцов и др.
129
Рис. V.24. Принципиальная оптическая схема
люминесцентного микроскопа
варьировать интервал времени между
незначительна, что они не влияют на состав или структуру препарата..
Например, флюорохромирование не нарушает жизнедеятельности биоло-
гических объектов.
Флюоресцентную микроскопию применяют в научной и практической
работе в области бактериологии, микробиологии, гематологии, ботаники,
онкологии, медицины, минералогии, физики и т. д.
Принцип действия флюоресцентного микро-
скопа, как это видно из схемы на рис. V.24, с точки зрения геометри-
ческой оптики не отличается от обычного микроскопа. Разница заклю-
чается лишь в том, что осветительная система 1 снабжена светофильтром 4
для выделения возбуждающего излучения, а в наблюдательной системе 3
помещен запирающий свето-
фильтр 5. Таким образом, пре-
парат 2 виден в свете его флю-
оресценции.
Возбуждающее излучение
может направляться на препа-
рат также и через объектив
с помощью опак-иллюмина-
тора.
Для изучения фосфоресцен-
ции в оптическую систему ми-
кроскопа вместо светофильтров
вводятся два вращающихся дис-
ка 6, снабженные отверстиями.
Изменяя скорость вращения и
угол между отверстиями, можно
моментами возбуждения препа-
рата и наблюдения его люминесценции.
Энергетический выход при фотолюминесценции незначителен. По-
этому в данном случае стремятся применять высокоапертурные объективы,
мощные источники света (например, ртутные и ксеноновые лампы сверх-
высокого давления) и, по возможности, оптические системы с минималь-
ными потерями.
Кроме того, к оптической системе флюоресцентного микроскопа предъ-
являются следующие специфические требования:
1) высокая степень скрещенности светофильтров (т. е. отсутствие
света в поле зрения окуляра, если объект не флюоресцирует);
2) отсутствие флюоресценции стекол и склеивающих веществ оптиче-
ской системы, а также иммерсионного масла;
3) в случае применения опак-иллюминатора с пластинкой, имеющей
интерференционное светоделительное покрытие, последнее должно дей-
ствовать как хорошо скрещенные светофильтры.
В микроскопах, предназначенных для наблюдения ультрафиолетовой
флюоресценции, какою обладают, например, многие биологические объ-
екты, применяют оптические элементы, изготовленные из прозрачных для
ультрафиолетового излучения материалов (кварц, флюорит). При иссле-
довании, например, некоторых минералов необходимо коротковолновое
возбуждающее излучение, что также заставляет пользоваться осветитель-
ной системой с кварц-флюоритовой оптикой.
130
Хорошая скрещенность светофильтров в сочетании с оптимальными
условиями наблюдения на флюоресцентном микроскопе обеспечивается
путем комбинирования светофильтров, спектральные характеристики
которых приведены на рис. V.25.
Возможны случаи, когда в препарате флюоресцируют лишь неболь-
шие детали. Тогда может оказаться, что в поле зрения на темном фоне
светятся только некоторые участки структуры и поэтому трудно устано-
вить, какие именно элементы видны. Преодолеть это затруднение можно
Рис. V.25. Спектральные кривые пропускания светофильтров для флюоресцентного микро-
скопа: а — светофильтры для выделения возбуждающего излучения (1—УФС-6; 2—
ФС-1; 3 — СС-4); б — запирающие светофильтры (/—ЖС-3; 2— ЖС-18; 3— ЖС-18 -1-
+ ЖЗС-19)
с помощью комбинированного освещения, один из способов осуществления
которого заключается в следующем. Флюоресценция наблюдается при
направлении возбуждающего излучения на препарат сверху, через объек-
тив; одновременно препарат освещают снизу через конденсор для наблю-
дения по методу фазового контраста.
Измерения степени поляризации флюоресценции производятся по-
средством поляризующих элементов обычного типа.
Аппаратура для спектральных исследований флюоресценции строится
по тем же принципам, что и приборы для микроспектрофотометрии, о ко-
торой сообщается ниже.
5. Метод исследования в спектральных диапазонах
за пределами видимой области
Ультрафиолетовая микроскопия начала разви-
ваться, преследуя две цели:
1) ультрафиолетовый микроскоп должен иметь разрешающую способ-
ность приблизительно вдвое выше, чем обычный, так как длина волны
ультрафиолетовых лучей меньше, чем видимых;
2) многие прозрачные и бесцветные объекты (например, неокрашенные
биологические ткани и клетки) обладают избирательным поглощением
9:
131
в коротковолновой области и поэтому микроскопирование в ультрафиоле-
товых лучах позволяет увидеть их структуру.
Однако ультрафиолетовая микроскопия сталкивается с двумя трудно-
стями: во-первых, необходимо преобразовывать невидимое изображение
в видимое; во-вторых, нет такого разнообразия материалов, используемых
для оптических деталей, как в обычной микроскопии, — здесь применяется
только зеркальная и кварц-флюоритовая оптика.
В настоящее время ультрафиолетовая микроскопия работает в спек-
тральном диапазоне от видимой области до 250 нм.
Преобразование невидимого изображения в видимое с помощью флюо-
ресцирующего экрана затруднительно по следующим соображениям.
Освещенность изображения в ультрафиолетовом микроскопе невелика,
а коэффициент полезного действия экрана довольно низок. Единственный
выход — поместить экран в плоскости, где образуется промежуточное
изображение объекта с небольшим увеличением и, следовательно, со срав-
нительно высокой яркостью. Трансформированное экраном изображение
должно рассматриваться с большим увеличением. Очевидно, что при этом
требуются очень тонкие экраны, что практически трудно осуществимо.
Электронно-оптический преобразователь удобен для трансформации
изображения из невидимого в видимое при визуальном методе исследо-
вания. Для целей микрофотографирования он недостаточно удовлетвори-
телен, так как вносит дополнительные аберрации в систему микроскопа
и ограничивает поле зрения.
Фотография хорошо приспособлена для трансформации изображения,
но ее применение осложнено трудностью фокусирования микроскопа.
Метод цветовой трансформации изображения был предложен
Е. М. Брумбергом как способ расширения возможностей ультрафиолето-
вой микроскопии и заключается в следующем.
Если объект обладает избирательным поглощением в узких участках
коротковолновой области спектра, то можно представить себе, что объектив
создает его как бы «цветное ультрафиолетовое» изображение. Существую-
щие средства позволяют последовательно сфотографировать препарат
в свете трех ультрафиолетовых длин волн, выбрав их соответственно
характерным полосам поглощения. Тогда три полученных негатива будут
отличаться друг от друга контрастом между различными элементами изо-
бражения. Если осветить один из негативов синим, второй — желтым,
третий — красным светом и спроектировать на общий экран, совместив
их изображения, то полученная разноцветная картина условно будет
соответствовать первоначальному «цветному ультрафиолетовому» изобра-
жению.
Ультрафиолетовая микроскопия как средство для наблюдения неокра-
шенных препаратов в биологии не привилась, так как наблюдение без
количественных измерений не удовлетворило исследователей, и кроме того,
оно стало осуществляться более простыми средствами, когда появился
метод фазового контраста. Поэтому метод ультрафиолетовой микроскопии
перерос в метод микроспектрального абсорбционного анализа, о котором
будет сказано ниже.
Инфракрасная микроскопия появилась сравнительно
недавно в связи с необходимостью изучать объекты, имеющие селективное
поглощение в инфракрасной области спектра. Очевидно, что в первую
132
очередь этот метод представляет интерес в исследованиях объектов, совер-
шенно непрозрачных в видимой области, таких, как полупроводниковые
монокристаллы, некоторые биологические препараты, многие минералы
и т. д. Однако метод может быть полезен также и при изучении объектов,
прозрачных в видимой области, если эти объекты в инфракрасной области
имеют более характерные полосы поглощения.
Инфракрасная микроскопия, подобно ультрафиолетовой, имеет те же
трудности: недостаточность оптических средств и сложность преобразо-
вания невидимого изображения.
Так как разрешающая способность микроскопа обратно пропорцио-
нальна длине световой волны, то при работе в инфракрасной области
особенно необходимы высокоапертурные объективы.
Исследования в спектральном диапазоне до 1,2 мкм успешно прово-
дятся с помощью обычной стеклянной оптики, электронно-оптических пре-
образователей, фотографических материалов и ламп накаливания. В более
длинноволновой области все эти средства не пригодны.
Среди негигроскопичных материалов, прозрачных в спектральном
диапазоне до 10 мкм и пригодных для изготовления оптических деталей,
можно отметить флюорит, монокристаллический кремний и германий,
трехсернистый мышьяк, фтористые стронций и барий, окись магния, хло-
ристое серебро и др.
Таким образом, принципиально как ультрафиолетовый, так и инфра-
красный микроскопы отличаются от приборов, работающих в видимой
области, только наличием преобразователей изображения и светофильтров
для выделения соответствующих спектральных диапазонов.
6. Применение спектральных методов исследования
в микроскопии
В связи с развитием в последнее время количественных методов в био-
логии, минералогии и металлографии появился интерес к спектральным
исследованиям микроскопических объектов. В этой области определились
три основные направления: абсорбционный микроспектральный анализ,
микроспектрофлюориметрия и эмиссионный микроспектральный анализ.
Абсорбционная микроспектрофотометрия слу-
жит для измерения количества лучистой энергии, прошедшей (или отра-
женной) через определенный элемент структуры препарата. По результа-
там измерений можно идентифицировать состав элементов и вычислять
их количество или концентрацию.
Спектрофотометрирование микрообъектов может быть выполнено
двумя способами. При первом способе изображение объекта фотографи-
руется, а затем полученный снимок фотометрируется. В этом случае
микроскопирование объекта хотя и сводится фактически к его фотографи-
рованию через микроскоп в свете той длины волны, которая выделяется
спектрографом, тем не менее здесь имеется некоторая специфика, рас-
смотренная ниже. При втором способе исследование объекта произво-
дится на приборах, представляющих собой комбинацию микроскопа со
спектрофотометром, снабженным фотоэлектрическим приемником света.
Такие приборы позволяют применять при изучении микроскопиче-
ских объектов методы абсорбционного анализа, достаточно хорошо
133
разработанные в обычной спектрофотометрии. Однако из-за сложности
оптической системы микроскопа и специфики малых объектов, микроскопы-
спектрофотометры представляют собой специально разработанные уста-
новки, а не простое сочетание этих двух приборов.
Основными частями установок для микроспектрофотометрирования
являются источник света, монохроматор, микроскоп и приемник лучистой
энергии.
Выбор источника света зависит от назначения всего прибора. Для
ближней инфракрасной области применяется ленточная вольфрамовая
лампа, для области 2,5—25 мкм — глобар. В видимой области чаще всего
используются обычные лампы накаливания, а в ультрафиолетовой —
ртутные и ксеноновые дуговые лампы сверхвысокого давления. Однако
последние имеют высокую яркость, поэтому в случае необходимости их
применяют и в видимой области.
Кроме того, выбор источника света зависит от поставленной задачи
исследования, а именно:
для измерения спектрального поглощения (или отражения) в опреде-
ленной точке объекта необходимо применять источник со сплошным спек-
тром излучения;
для измерения распределения оптической плотности (или отражатель-
ной способности) вдоль какого-либо выбранного сечения объекта может
быть применен источник с линейчатым спектром излучения.
В любом случае источник света должен быть достаточно ярким. Это
требование обусловлено тем, что размер фотометрируемой площади на
объекте часто составляет около 1 мкм2. Необходимость в такой маленькой
площади в свою очередь вызвана малыми размерами элементов структуры
объекта.
При измерении оптической плотности вдоль сечения объекта большое
значение имеет постоянство светового потока, так как его колебания во
времени приведут к искажению результатов измерения. Для поддержания
постоянного светового потока источник света должен быть стабилизиро-
ван, что позволяет снизить колебания яркости иногда до 1%. Кроме
того, влияние нестабильности светового потока может быть исключено
с помощью двухлучевой схемы. Ее действие основано на том, что один
из лучей пропускается через препарат, а второй — мимо препарата,
после чего оба луча сравниваются друг с другом.
Для выделения спектральных участков из излучения источника света
применяются светофильтры, призменные монохроматоры и монохроматоры
с дифракционными решетками. Светофильтры применяются при работе
с фотометрическими устройствами, устанавливаемыми на обычных микро-
скопах. Стеклянные светофильтры используют при работе с источниками
света, имеющими линейчатый спектр излучения (например, ртутная лампа).
При работе с источниками сплошного спектра (лампами накаливания)
необходимо применять интерференционные светофильтры, пропускающие
значительно более узкий спектральный участок. В микроспектрофотоме-
трических установках для выделения спектрального участка исполь-
зуются монохроматоры.
Основной оптической частью установок для микроспектрофотометри-
рования и микроспектрографирования является микроскоп, который обра-
зует увеличенное изображение объекта и позволяет выбирать отдельные
134
элементы структуры для измерения. Кроме того, благодаря большой апер-
туре микроскоп создает высокую концентрацию света на объекте. Это
имеет большое значение при малой величине элементов структуры и осо-
бенно важно при таких методах исследования, как флюоресцентная микро-
скопия, где яркость изображения бывает очень низкой.
Если при визуальных наблюдениях качество изображения в микро-
скопе имеет большое значение, то здесь этому вопросу уделяется еще боль-
шее внимание. Аберрации микрообъектива приводят к перераспределению
световой энергии, т. е. изменяют распределение освещенности в изображе-
нии объекта. В результате часть света, прошедшего через фотометрируе-
мый элемент структуры, может уйти в сторону и не попасть на приемник
энергии. И наоборот, на приемник может попасть свет, прошедший через
соседние нефотометрируемые элементы. Естественно, что это приведет
к искажению результатов измерения. Поэтому объективы должны быть
очень хорошего качества. Особое внимание уделяется выбору апертуры
объектива, от которой зависит разрешающая способность и ряд других
факторов. Например, явления дифракции более сильно сказываются при
малых апертурах, а при больших апертурах увеличивается количество
рассеянного света.
Для видимой области спектра применяются обычные линзовые объек-
тивы. Для инфракрасной и ультрафиолетовой областей полезны зеркальные
объективы. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, зеркальный
объектив принципиально не имеет хроматической аберрации, поэтому при
спектральных исследованиях изображение препарата будет всегда резким
при переходе от одного участка спектра к другому. Во-вторых, зеркальный
объектив может работать в очень широком диапазоне длин волн от ультра-
фиолетового до инфракрасного.
Приемниками лучистой энергии в ультрафиолетовой и видимой обла-
сти спектра обычно служат фотоэлектронные умножители, а для инфра-
красной области применяются тепловые приемники и фотосопротивления.
Сигналы с приемника лучистой энергии поступают на регистрирующее
устройство, которое вычерчивает график пропускания образца.
Принципиальные схемы микроспектрофотометров могут быть двух ти-
пов. В первом типе микроскоп образует увеличенное изображение объекта
на щели спектрофотометра, с помощью которого анализируется свет,
прошедший через исследуемый элемент структуры. Во втором типе моно-
хроматор помещен перед микроскопом, и, таким образом, через объект про-
ходит свет только узкого спектрального участка. Такая схема выгодней
первой, так как объект подвергается менее интенсивному облучению,
что является немаловажным обстоятельством при некоторых видах работ
(например, при изучении биологических препаратов в ультрафиолетовом
свете).
Обычно образцы для спектрофотометрирования изготовляются в виде
плоскопараллельных пластинок. Микроскопические объекты имеют, как
правило, более сложную форму. Поэтому точность абсорбционных измере-
ний микрообъектов меньше точности, достигаемой в обычной спектрофото-
метрии. Кроме того, из-за большой апертуры объектива свет проходит
сквозь микрообъект не параллельным пучком, а в виде конуса. В резуль-
тате длина пути света в препарате меняется от t (толщина препарата для
осевого луча) до //cos и для крайнего луча, идущего в препарате под
135
апертурным углом и к оси. Поэтому при обработке результатов измерений
в качестве эффективной толщины препарата необходимо принимать какую-
то среднюю величину между этими двумя значениями. Это вносит опре-
деленные трудности и сказывается на точности измерений. Величина оши-
бок, однако, зависит от конкретных условий и может быть в значительной
мере учтена.
Микроспектрофлюориметрия по существу нуждается
в аппаратуре, подобной той, которая применяется для целей абсорбцион-
ной микроспектрофотометрии. Следует отметить только то, что микро-
спектрофлюориметрия — более чувствительный и точный метод, при
котором не требуется измерять толщину препарата.
Эмиссионный микроспектральный анализ малых
количеств вещества или отдельных микрозерен в объекте производится
путем возбуждения пробы в предметной плоскости объектива с помощью,
например, электрической искры. Разряд проектируется микроскопом на
щель спектрографа обычного типа. Подробнее об этом виде анализа ска-
зано в гл. XX.
Глава VI
МИКРОСКОП-ПЕРЕДАТЧИК СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ
1. Основные сведения из фотометрии
Если некоторая материальная среда при переходе из состояния с боль-
шей энергией в состояние с меньшей энергией испускает электромагнитные
волны, то энергия, переносимая этими волнами, называется энергией излу-
чения и измеряется в джоулях.
Средняя мощность излучения за время, значительно большее, чем пе-
риод колебаний, называется потоком излучения-.
<D3 = JLem>| (VI. 1)
где W — энергия в дж;
t — время в сек.
Всякое излучение характеризуется мощностью и длиной волны или
диапазоном длин волн, т. е. спектральным интервалом. Спектральный
диапазон оптического излучения простирается от 10 нм до 340 мкм,
причем в области длин волн от 10 до 380 нм находятся ультрафиоле-
товые, от 380 до 770 нм — видимые, от 0,77 до 340 мкм — инфракрасные
излучения.
Излучение определенной длины волны X называется монохроматиче-
ским.
Излучение большинства источников содержит ряд монохроматических
излучений и имеет сложную спектральную структуру. Для таких источ-
ников общий поток излучений равен сумме составляющих его монохро-
матических потоков. Вообще излучение состоит либо из конечного числа
монохроматических излучений (линейчатый спектр), либо из непрерыв-
ного ряда монохроматических излучений (непрерывный спектр) и харак-
136
теризуется не только общей мощностью излучения, но также и распреде-
лением излучения по длинам волн. Для непрерывного спектра (рис. VI. 1)
монохроматическим излучением с длиной волны X считается излучение,
содержащее некоторый малый диапазон длин волн от X до X + d'K.
Поток излучения приходящийся на малый спектральный интер-
вал dK, называется спектральной плотностью потока излучения:
I ,
—п = у-. втсм.
dK |Л-,о
Отсюда
с?Ф3х = У}/ГК, (VI.2)
а энергетический поток излучения в спектральном диапазоне от Z.J до Л2.
равен
А-2 ^2
Ф,л,-а2 = j dФA = | y}.dK. (VI.3)
М Л,
На рис. VI. 1 этой величине равна пло-
щадь, ограниченная кривой ук = /(X),
осью абсцисс и ординатами \ и Z..,.
Поверхностная плотности потока
излучения характеризуется отношением
величины потока к площади поверхно-
сти. Различают два вида поверхностной
ность и энергетическую освещенность. '
к площади источника, во втором—к
падает поток. Энергетическая светность
Рис. VI.1. График спектральной плот-
ности потока излучения
плотности: энергетическую свет-
I первом случае поток относят
(лощади приемника, на который
равна
1К,
йФ3 , „
—— вт см-,
US
(VI.4)
где йФэ — поток, испускаемый площадкой ds.
Если излучение имеет непрерывный спектр, то при малом диапа-
зоне длин волн dK энергетическая светность данного монохроматического
излучения равна
R3,,= rKdK, (VI.5)
где Г) — спектральная плотность энергетической светности.
Для спектрального интервала К1—К2 энергетическая светность будет
/?э>.1-х2 = \ r-,.dK. (VI.6)
71
В случае абсолютно черного тела спектральная плотность энергети-
ческой светности определяется формулой Планка:
2л1гс 1 /т тт
ГкЧ = -^--~^г---------> (VI.7)
е к>'! ' - 1
где К — длина волны;
Т — температура в град-,
с — скорость света в вакууме;
h - 6,62 • 10-34 вт-сек2 — постоянная Планка;
k == 1,38-10~23 вт-сек!град — постоянная Больцмана.
137
Интегральная энергетическая светность абсолютно черного тела, под-
считанная по формуле (VI.6) и (VI.7) для диапазона длин волн от — О
до = оо, приводит к формуле Стефана—Больцмана:
(VI.8)
где е = 5,67 10~12 вт-см~2-град"1 — постоянная Стефана—Больцмана.
Если произвести расчеты по формуле (VI.7) и на основании полученных
данных построить графики, как это сделано на рис. VI.2, то становится
очевидным, что для каждого температурного состояния абсолютно черного
тела при определенной длине волны
спектральная плотность энергетиче-
ской светности имеет максимальное зна-
чение. Величина этой длины волны к"1
и соответствующая ей спектральная
плотность определяются законом
смещения Вина:
Я, да
Рис. VI.2. Зависимость спектральной
плотности энергетической светности от
длины волны для абсолютно черного
тела при различных температурах
-2у— мкм; (VI.9)
f).m= 1,301 10~12rj вт/см:1.
Таким образом, можно рассчитать
распределение энергии по спектру и
спектральную плотность энергетической
светности для абсолютно черного тела.
На практике излучение какого-либо
источника оценивается путем сравнения
с излучением абсолютно черного тела,
которое принимается за эталон.
Энергетическая освещенность равна величине светового потока б/Ф,,
отнесенной к площади da поверхности, на которую он падает, т. е.
Еэ = вт/см2.
(VI. 10)
Можно сказать, что энергетическая освещенность равна количеству лучи-
стой энергии, падающей за одну секунду на единицу площади освещаемой
поверхности.
Количество энергии, полученное единицей площади поверхности при
длительном освещении, называется энергетическим количеством освещения
и равно
Я, = E3t вт • сек/см2. (VI. 11)
Поток излучения имеет не только поверхностную плотность, но и про-
странственную. Если поток йФэ распространяется в телесном угле do
(рис. VI.3), то его пространственная плотность, называемая энергетиче-
ской силой света, равна
г <1Фэ .
] э - вт/стер.
(VI. 12)
138
На практике часто предпочтительней пользоваться плоскими углами.
Плоский угол и и телесный со, представляющий собой тело вращения угла и
вокруг одной из его сторон, связаны соотношением
со = 2л(1—сози). (VI.13)
Это выражение можно получить из формулы для телесного угла, который
согласно определению равен
с/со= J-, (VI. 14)
где ds — элементарная площадка на сфере радиуса R, вырезаемая эле-
ментарным телесным углом da, вершина которого лежит
в центре сферы.
Наконец, последняя основная характеристика излучения связана
с направлением его распространения. Отношение энергетической силы
света элелгента излучающей по- а/ш - _
верхности к площади проекции
этого элемента на плоскость, и
перпендикулярную иаправле-
нию распространения излуче-
ния, называется энергетической i
яркостью. Согласно этому onpe- d:; ( ___________1______________
делению она равна
d dig , „ - Рис. VI.3. Схема, поясняющая определение
°' discosl (1т‘СМ~ ’ C!l’.ep (VI. 10) силы света, телесного угла, яркости
или. применяя (VI.12),
В, ---- (VI. 16)
J (Rd ds cos l ’ K
где i — угол между нормалью к поверхности ds и осью телесного угла da,
в котором распространяется поток йФд.
Таким образом, энергетическая яркость в общем случае зависит от угла
направления излучения. Особенно сильно она меняется с изменением угла
у глянцевых поверхностей. Для хорошо рассеивающих поверхностей зна-
чение энергетической яркости изменяется мало при изменении направле-
ния излучения.
.Матовые рассеивающие поверхности, у которых энергетическая яркость
постоянна по всем направлениям, называются идеально рассеивающими
поверхностями Ламберта. Для таких поверхностей существует следующая
зависимость между энергетической яркостью и энергетической светностыо:
/г,'• (VL17>
Свойством рассеивающей поверхности Ламберта обладает, в частности,
абсолютно черное тело.
Если на идеально рассеивающую поверхность падает поток излуче-
ния Ф,, то некоторая часть этого потока поглощается, а остальная рассеи-
вается поверхностью в полусферу. Таким образом, возникает отраженный
поток излучения Фэ, который связан с падающим потоком соотношением
Ф; = РФэ, (VI. 18)
139
где р — коэффициент отражения поверхности.
Согласно (VI.4) энергетическая светности этой поверхности равна
• (VI.19)
Воспользовавшись формулой (VI. 10), можно записать
R, = рЕэ. (VI.20)
Подстановка полученного значения энергетической светности в фор-
мулу (VI.17) приводит к выражению для энергетической яркости идеально
рассеивающей отражающей поверхности
В5О = р4’~- (VI.21)
К глянцевым поверхностям, имеющим направленное отражение, эта
формула неприменима.
2. Прохождение потока излучения через светофильтр
Если поток излучения Ф,, проходя через некоторую среду, претерпе-
вает качественные или количественные изменения, такая среда называется
светофильтром. Выходящий из светофильтра поток излучения Ф, связан
с потоком Ф, коэффициентом светопропускания светофильтра т:
ф', = тФэ. (VI.22)
Светофильтр с неселективным светопропусканием, т. е. с одинаковым
коэффициентом пропускания для всех монохроматических излучений
в определенном диапазоне спектра, называется нейтральным. Такой свето-
фильтр изменяет проходящий через него поток только количественно,
и поэтому относительное распределение энергии по длинам волн сохра-
няется неизменным.
У светофильтров с селективным светопропусканием коэффициент про-
пускания зависит от длины волны и, следовательно, проходящий через
светофильтр поток излучения изменяется качественно. В этом случае
Жх = тЛ с1Фл. (VI.23)
Воспользовавшись формулами (VI.2) и (VI.3), можно записать
= (VI.24)
а также выражение для потока излучения в диапазоне длин волн >4—Х2
Фк-Ьз = f % dk. (VI.25)
к
Если известны распределение спектральной плотности потока излу-
чения ук = [ (Л) и функция т? f (Л), которая обычно приводится в спра-
140
войной литературе, то коэффициент пропускания светофильтра в диапазоне
длин волн Xj—Z2 можно определить следующим образом:
Ф-. .
О., Л '/., /• Z.,------ . (VI.26)
1
Для примера на рис. VI.4, а и б даны графики функций ук — f (Z) и т?_ =
f (Л). По этим данным на рис. VI.4, в построен график функции
= т?//Л. Заштрихованные площади на
рис. VI.4, б и в представляют собой соответ-
ственно интегральные выражения в знамена-
теле и числителе формулы (VI.26). Таким об-
разом, определив графически эти площади,
можно вычислить коэффициент пропускания
Т/ , - лг.
Доля потока излучения, задерживаемая
светофильтром, зависит от способности по-
верхностей светофильтра отражать лучистую
энергию и от степени поглощения этой энергии
веществом, из которого сделан светофильтр.
Очевидно, что количество поглощенной энер-
гии зависит от толщины светофильтра.
Потери на отражение у полированной по-
верхности определяются законом Френеля,
приведенном ниже. Коэффициент пропуска-
ния поверхности равен
тр = 1 “ !»,
где р — коэффициент отражения поверхности.
Рис. VI.4. Графическое опреде-
ление коэффициента пропуска-
ния светофильтра в диапазоне
длин воли от Л, до Х2
Если коэффициент пропускания единич-
ного слоя вещества равен т;(, то через слой
толщиной d пройдет (тх)^ часть потока излу-
чения.
Коэффициент пропускания всего светофильтра будет равен произведе-
нию коэффициентов пропускания поверхностей и слоя вещества, т. е.
Та - т() (т!)" ТР = (1 - р)2 (т!/. (VI.27)
На практике часто пользуются величиной оптической плотности, кото-
рая связана с коэффициентом пропускания соотношением: D-, —1g ту-
В этом случае формулу (VI.27) следует записать следующим образом:
7?х —2 lg(l — р) — <7 1gт).. (VI.28)
Эту формулу можно представить в виде:
Dr = Do + kKd, (VI.29)
где —21g (1 — р); /е?. = —1g т).. Величина k-h является показате-
лем поглощения вещества для монохроматического света с длиной волны л
и приводится обычно в справочной литературе.
141
3. Потери света в оптической системе
При прохождении потока излучения через реальную оптическую си-
стему всегда имеют место потери лучистой энергии, которые определяются,
в основном, тремя факторами.
1. Потери из-за рассеяния или дифракции. Неизбежные неоднородно-
сти оптических сред (свили, пузырьки), а также всегда имеющиеся на
поверхностях оптических деталей мельчайшие пылинки и дефекты самих
поверхностей дифрагируют (отклоняют) попадающий на них поток. Этот
поток не участвует в образовании изображения. Потери из-за рассеяния
невелики по сравнению с другими видами потерь и нежелательны глав-
ным образо.м потому, что они приводят к уменьшению контраста изобра-
жения.
2. Потери вследствие поглощения. Они обычно невелики, так как для
оптических деталей применяются среды, наиболее прозрачные в исполь-
зуемом спектральном диапазоне. Наиболее разнообразен выбор мало
поглощающих материалов для видимой области спектра. В случае работы
в ультрафиолетовом или инфракрасном спектральном интервале потери
от поглощения могут быть значительными. Подсчет их может быть произ-
веден по формулам (VI.26) и (VI.28).
Коэффициент светопоглощения одного сантиметра оптического стекла
в видимой области спектра колеблется обычно от 0,4 до 1,5%, но иногда
достигает 5%. Если принять коэффициент светопоглощения равным 0,01,
то коэффициент пропускания оптической системы, в которой поток излу-
чения проходит толщину стекла d, будет равен:
= 0,99d. (VI.30)
3. Потери света на отражение. Каждая поверхность, которая разде-
ляет две оптически различные среды, отражает часть падающего на нее
потока излучения. Эта часть не участвует в образовании изображения
и составляет наибольшую долю рассеянного в приборе света. Таким обра-
зом, из-за потерь на отражение не только уменьшается полезный поток,
но и ухудшается качество изображения. Последнее проявляется в том,
что изображение покрывается общей вуалью, значительно снижающей
контраст.
Величина потока, отраженного преломляющей поверхностью, опре-
деляется коэффициентом отражения, который согласно формуле Френеля
равен
0 - - X г -hiy iэ м а - гм (VI зп
Р< “ ф3 ' 2 L sin2 (i + i') 1 tO + <')r IV . 1)
где углы i и i' связаны законом преломления п sin i = п' sin i'. Коэффи-
циент отражения увеличивается при увеличении разности показателей
преломления п и п' и при увеличении угла падения i. Так, например,
отражение от склеенных поверхностей линз столь мало, что им .можно
пренебречь в практических расчетах.
При изменении угла падения от 0 до 45° коэффициент отражения возра-
стает приблизительно только на 15%. Так как в приборах угол падения
редко бывает больше 45°, то это позволяет полагать при практических
142
расчетах, что коэффициент отражения р, равен р0 для угла падения i — О'.
В этом случае формула (VI.31) упрощается и принимает вид
Если принять для легких кроновых стекол п' — 1,5, а для тяжелых флин-
тов п' — 1,65, то коэффициент отражения поверхности, разделяющей
воздух и стекло, будет соответственно равен рк = 0,04 и рф = 0,06.
Коэффициент пропускания оптической системы, имеющей NK кроновых
поверхностей, граничащих с воздухом, и 1\1ф флинтовых, можно подсчи-
тать по формуле:
т0(1 - Рк)Л'«(1 - Рф)ХФ. (У^З)
Общий коэффициент пропускания оптической системы равен произве-
дению коэффициентов пропускания, обусловленных поглощением т„
и отражением т0:
т = Т„то. (VI.34).
Для системы из оптических стекол согласно формулам (VI.30) и (VI.33)
можно получить:
т = (1 — рк)Л«(1 — pf//^-0,99^0,96'v«-0,94'v^-0,99d. (VI.35)
Для примера можно подсчитать коэффициент пропускания микроскопа,
принципиальная оптическая схема которого приведена на рис. II.9 и эле-
менты которого имеют характеристики, указанные в табл. VI. 1. Коэффи-
циент пропускания микроскопа по формуле (VI.35) равен:
т = 0,9616-0,944-0,994'6 = 0,37.
Таким образом, через микроскоп пройдет только одна треть потока излу-
чения.
Таблица VI. 1
Характеристики оптической системы микроскопа,
необходимые для определения потерь света
Элемент Линзы Толщина стекла в мм Количество поверхностей, граничащих с воздухом
кроновых флинтовых
Коллектив 2 одиночные 10,3 2 2
Зеркало 2 2
Конденсор 2 одиночные 21 4
Объектив 1 одиночная 7,3 4 2
40X0,65 2 пары склеенных
Окуляр 7* 2 одиночные 5,5 4 2
Итого 46,1 16 4
143
Особенно вреден поток, отраженный какой-либо поверхностью, тогда,
когда он другой поверхностью или частью оптической системы фокуси-
руется в поле зрения микроскопа. Тогда в поле зрения наблюдается более
или менее четко очерченное светлое пятно, занимающее только часть поля.
Это не дает возможности получить равномерное освещение. Устранить
такой неприятный дефект можно лишь путем соответствующего расчета
оптической системы или применением просветляющих покрытий.
Просветляющие покрытия представляют собой тонкие
интерференционные пленки, нанесенные на преломляющую стеклянную
поверхность. Толщина пленок и их показатель преломления подбираются
в зависимости от показателя преломления стекла, на которое они наносятся.
Просветляющие покрытия уменьшают коэффициент отражения прелом-
ляющей поверхности в 3—8 раз. Это позволяет значительно уменьшить
потери на отражение.
4. Оптическая система микроскопа—световая трубка
конечных размеров
Во всех фотометрических соотношениях, приведенных в начале этой
главы, не учитывается среда, в которой распространяется поток излучения,
т. е. отсутствует показатель преломления среды п. Очевидно, что введение
величины п необходимо для того, чтобы характеризовать прохождение
потока через оптическую систему.
Рис. VI.5. Световая трубка и ее преломление
В геометрической оптике пользуются понятием о световом луче, счи-
тая, что луч — это направление распространения энергии излучения.
С точки зрения физики луч не может быть носителем энергии, так как она
может распространяться только в объеме конечных размеров. Этот объем
части пространства с элементарным поперечным сечением, расположенный
вдоль луча, называют элементарной световой трубкой.
Если поток излучения, прошедший через элементарную площадку dS1
(рис. VI.5), проходит затем через площадку dS, причем размеры площадок
бесконечно малы по сравнению с расстоянием между ними, то поверх-
ность, опирающаяся на контуры этих площадок, ограничивает световую
трубку, через которую проходит поток. Ось 0г0 трубки является лучом
в представлении геометрической оптики.
1.44
Рис. VI.6. Графическое представление те-
лесного угла в сферических координатах
(VI.38)
Соединив лучами каждую точку площадки dS1 с каждой точкой пло-
щадки dS, можно убедиться в основном свойстве световой трубки: ни один
луч, проведенный таким образом, не выйдет за пределы световой трубки.
Телесные углы, согласно формуле (VI. 14) и рисунку, равны:
(ZW1 = -S-c90si-. dm . (VI.36)
Rl ’ Rl
Отсюда можно получить выражение
dm dS cos i = dm± dS± cos ij, (VI.37)
где i и 0 — углы между осью световой трубки и нормалями к площад-
кам dS и dSl, соответственно. При этом предполагается, что среда, в кото-
рой расположена световая трубка,
оптически однородна.
Пусть площадка dS является эле-
ментом преломляющей поверхности,
разделяющей оптические среды с по-
казателями преломления п и п'.
Тогда световая трубка преломится
так, что поток излучения, распростра-
няющийся по ней, пройдет через пло-
щадку dS2. Преломленная световая
трубка будет ограничена поверхно-
стью, опирающейся на контуры пло-
щадок dS и dS2. Углы падения и
преломления трубки обозначены со-
ответственно i и Нормаль к пло-
щадке dS2 составляет с осью трубки
угол й. Телесные углы в преломлен-
ной трубке аналогично сказанному
выше будут равны:
, , dS., cos i,
dm' = ——г-;
где R., — расстояние между площадками dS и dS2.
Отсюда
dm' dS cos Г = dm., dS2 cos i2. (VI.39)
Выражение для телесного угла в сферических координатах можно полу-
чить, рассмотрев рис. VI.6. Элементарный телесный угол dm ограничен
четырьмя гранями пирамиды, образованной при пересечении четырех
следующих плоскостей. Меридиональные плоскости ZOM1n ZOM2 пересе-
каются по оси г и имеют долготу соответственно ср и ср сйр. Плоскости
Р\ОР2 и Q]OQ2 проходят через центр О сферы радиуса R под полярными
углами соответственно i и i + di. Таким образом, двугранные углы при
вершине пирамиды, образующей телесный угол dm, равны dcp и di. Осно-
ванием угла dm на поверхности сферы является элементарная площадка dS,
которую ввиду малости дуг можно считать прямоугольником. Тогда ее
площадь будет равна произведению R sin i dtp на Rdi, а телесный угол
определится следующим образом:
dm = P'S- = sin i di dcp. (VI.40)
i\
10 Г. E. Скворцов и др.
Формулы (VI.36) и (VI.40) определяют один и тот же телесный угол da.
Для телесного угла da' после преломления можно по аналогии записать:
da' = sin i di' dtp'. (VI.41)
Так как падающий и преломленный луч лежат в одной плоскости, то при
преломлении долгота не меняется и поэтому углы dtp и dtp' равны.
Теперь можно установить соотношение между углами da и da’, кото-
рое, естественно, должно быть основано на законе преломления:
п sin i = ri sin i'. (VI.42)
Дифференцирование этого уравнения и перемножение соответствующих
частей его и полученного выражения дает следующий результат:
/г2 sin i cos i di == n'2 sin i' cos i' di'. (VI.43)
Если теперь умножить обе части полученного выражения на dtp и сделать
подстановку из формул (VI.40) и (VI.41), то уравнение примет вид:
/rcosZ da = n'2cost' da. (VI.44)
Таким образом связаны телесные углы da и da' до и после преломления
световой трубки.
В случае отражения световой трубки п /г'; i = i’ и тогда da =- da'.
При умножении обеих частей уравнения (VI.44) па dS получается
n2 dS cos i da = n'2 dS cos i' da'. (VI.45)
Сопоставление этого выражения с формулами (VI.37) и (VI.39) показывает,
что
n2dS cos i da = n2 dS± cos it da± = n'2 dS cos i’ da’ = n’2 dS., cos da.,. (VI.46)
Таким образом, произведение квадрата показателя преломления, пло-
щади нормального сечения элементарной световой трубки и элементар-
ного телесного угла, вершина которого лежит в плоскости этого сечения,
остается постоянным для любого сечения световой трубки как до, так и
после ее преломления. При этом имеется в виду, что через каждую точку
сечения, в котором лежит вершина телесного угла, проходят лучи от каж-
дой точки сечения, на контур которого опирается этот угол. Очевидно, что
формула (VI.46) справедлива для любого числа преломлений световой
трубки, т. е.:
п2 dScost da — const. (VI.47)
Эта формула называется теоремой или инвариантом. Штраубеля и харак-
теризует основное свойство световой трубки: величина потока излучения,
проходящего через трубку, не изменяется на всем ее протяжении, если
считать, что отсутствуют потери потока на отражение, поглощение и рас-
сеяние средами, в которых эта трубка образована.
До сих пор речь шла об элементарной световой трубке, поперечное
сечение которой бесконечно мало. Поэтому проходящий по ней поток излу-
чения также очень мал.
Для того чтобы обеспечить прохождение потока заданной мощности,
световая трубка должна иметь конечные размеры. Кроме того, широкие
146
пучки лучей в световой трубке нигде не должны экранироваться и не
должны также попадать в трубку пучки лучей от посторонних источников.
Это значит, что закон сохранения энергии должен выполняться для любого
сечения световой трубки. Если в оптической системе соблюдены перечис-
ленные условия, то она может рассматриваться как световая трубка ко-
нечных размеров. Микроскоп, построенный по принципиальной схеме
рис. II.9, является такой световой трубкой.
В общем случае световая трубка конечных размеров должна иметь
следующую структуру (рис. VI.7). В среде с показателем преломления п
находится конечная площадка S, в среде с показателем п' — площадка S'.
Из каждой точки, являющейся центром элемента dS поверхности S, выхо-
Рис. VI.7. Световая трубка конечного размера
лит пучок лучей, проходящий через все точки поверхности S', распро-
страняясь при этом в пределах конечного телесного угла со, величина
которого определяется расстоянием от излучающей точки до преломляю-
щей поверхности Р и ее площадью. Отсюда следует, что в каждой точке,
являющейся центром элемента dS' поверхности S', будут сходиться пучки
лучей от всех точек поверхности S, заполняющие телесный угол оз'.
Таким образом, световая трубка ограничена поверхностью, опирающейся
на контуры площадок S и S'. Каждый луч можно считать осью элементар-
ного телесного угла dm и dm', определяющего элементарную световую
трубку, к которой применима теорема Штраубеля.
Если площадки dS и dS' образуют элементарную световую трубку,
то согласно (VI.47) можно записать
n2 dS cos i dm = п'2 dS' cos i' dm . (VI .48)
Совокупность всех элементарных углов dm, вершины которых лежат
в центре площадки dS, заполняет весь телесный угол <о, а совокупность
элементов dS заполняет площадь S. Это справедливо также и для правой
части рисунка. Следовательно, формула для световой трубки конечного
размера получается интегрированием выражения (VI.48), т. е.
n2\dS\ cos i dm = n'2 j dS' ( cos i' dm'.
S co S' io'
В микроскопе обычно площадки S и S' малы по сравнению с длиной
световой трубки и расположены перпендикулярно к оси трубки, которая
имеет аксиально-симметричную структуру. Поэтому для микроскопа
в результате интегрирования получается
n2S sin2u = п'2S' sin2w', (VI.49)
НУ
147
где и и и' — углы между осью телесных углов со и «>' и образующими
конических поверхностей, ограничивающих эти телесные
углы.
Если площадки S и S' имеют диаметры соответственно d nd', то фор-
мулу (VI.49) можно записать в виде
nd sinu = п d’ sin и'. (VI.50)
Для сопряженных плоскостей d'/d - р, поэтому
Все сказанное выше относилось к идеальным световым трубкам, в ко-
торых отсутствуют какие-либо потери лучистой энергии. Если теперь
вернуться к рис. VI.5, то для потоков излучения, распространяющихся
по световой трубке до преломления йФэ и после преломления dQ', на осно-
вании формул (VI. 16), (VI.37) и (VI.39) можно записать:
йФэ = B3dScosidw, йФэ = B3dS cos i da> , (VI.52)
причем йФэ = xms dcD3, где xnoe — коэффициент пропускания преломляю-
щей поверхности. Отсюда получается:
Вэ =^повВэ---• (\I.53)
э пае э cos \ >
Отношение косинусов и телесных углов можно заменить из уравнения
(VI.44) отношением квадратов показателей преломления. Тогда
п'2
Вэ = ~гхпоеВэ. (VI.54)
Применяя полученную формулу к последовательным преломлениям све-
товой трубки на нескольких поверхностях, можно показать, что формула
эта справедлива для всей оптической системы в целом.
Если п = п' = 1, как это имеет место в микроскопе, то яркость выхо-
дящего из прибора пучка зависит только от яркости входящего пучка
и коэффициента пропускания оптической системы, т. е.
Вэ = хВэ, (VI.55)
где х — коэффициент пропускания оптической системы, учитывающий
потери на отражение, поглощение и рассеяние в системе.
5. Световые единицы
Для характеристики излучений и их проявлений в видимой области
спектра от 0,38 до 0,77 мкм, т. е. тех излучений, которые воспринимаются
глазом, введены световые единицы, аналогичные фотометрическим едини-
цам, рассмотренным в начале этой главы.
Ниже приводятся основные световые единицы, установленные Между-
народной системой единиц измерения (СИ).
В качестве основной единицы принята единица силы света, называе-
мая свечой. Эталоном силы света служит полный излучатель, создающий
148
(VI.59)
поток излучения по законам абсолютно черного тела при температуре
затвердевания платины, находящейся внутри этого излучателя. Его
светящаяся площадка размером в 1 см2 имеет силу света вдоль нормали,
равную 60 св.
Световой поток F в телесном угле ® равен:
F = /со, (VI.56)
где / — сила света.
Единицей измерения светового потока служит люмен'. 1 лм = 1 св х
1 стер.
Освещенность поверхности площадью S, на которую падает равно-
мерно распределенный по площади световой поток F, определяется выра-
жением
(у1-57>
Если F -- 1 лм\ S 1 м'-, то Е - 1 лк (люкс). Количество освещения равно
произведению освещенности на время освещения:
Н == Et. (VI.58)
Световая яркость
о di
dS cos i
где di — сила света, излучаемого площадкой dS в направлении, состав-
ляющем угол i с нормалью к этой площадке.
Единица яркости — нит (нт) — яркость источника, который дает
с 1 м~ плоской поверхности силу света 1 св в направлении, перпендикуляр-
ном к этой поверхности.
Остальные световые единицы определяются в соответствии с форму-
лами. приведенными в п. 1 данной главы, но не имеют специальных назва-
ний единиц измерения.
6. Освещенность изображения,
образованного микроскопом при проекции
Вывод формулы для определения освещенности на экране или фото-
пластинке при микропроекции упрощается, если принять во внимание,
что плоскости зрачков и люков в микроскопе расположены перпендику-
лярно оптической оси.
Освещенность экрана, представленного на рис. VI.8 меридиональной
плоскостью LL, создается пучками лучей, выходящими из зрачка микро-
скопа S. Зрачок S можно рассматривать как источник света, яркость
которого равна В'.
Элементарный поток излучения с площадки dS на площадку do0,
расположенную в центре экрана, по направлению, образующему угол
и) с осью 00, согласно формулам (VI. 16) и (VI.37) будет равен
dF0 = B do0 cos и3 dm , (VI.60)
где dm' — элементарный телесный угол, вырезающий площадку dS.
149
Если его заменить через сферические координаты по формуле (VI.40),
то выражение для потока примет вид
dFo = В do0 cos н3 sinu3 du dtp. (VI.61)
Полный световой поток со всего зрачка S при постоянной по всем напра-
влениям яркости будет равен
2 л и'
Fo= В do0 rfcp \ cos иэ s\n иэ du . (VI.62)
о 6
Интегрирование этого выражения дает:
F'0 = hB' do0smu. (VI.63)
Освещенность на площадке do0 в центре экрана согласно (VI. 10)
равна
Еп = 4-- = лВ' sin2Hz, (VI.64)
0 da0
где sin и' представляет собой выходную апертуру микроскопа А', связан-
ную со входной апертурой, которую обычно применяют для характери-
стики прибора соотношением (VI.51).
Кроме того, если яркость зрачка заменить из выражения (VI.55) яр-
костью источника света, то формула (VI.64) примет вид
Еп = тлВ sin2и' = тлВ , (VI.65)
О
где А — апертура объектива;
Р — масштаб изображения на экране.
Ввиду того, что выходная апертура микроскопа мала, значение синуса
в формуле (VI.64) можно заменить тангенсом, который в соответствии
с рисунком равен tg и' ---- r/R0. Тогда:
Е = В' = г /!S . (VI.66)
150
Но так как согласно (VI. 15) сила света равна I = BS, то
= (VI.67)
Относительная ошибка определения освещенности по этой формуле
меньше 1%%, если расстояние R0 больше 100 радиусов зрачка г, что
всегда имеет место в микроскопе.
Исходя из этой предпосылки, можно определить освещенность во
внеосевой точке экрана. Световой поток из зрачка на элементарную пло-
щадку do по формуле (VI. 16) равен
dF’ = B'S cost dm, (VI.68)
где i — угол между нормалью к поверхности S и осью элементарного
телесного угла dm, опирающегося на площадку do.
Подстановка угла dm из формулы (VI. 14) дает:
, j-., г,/ S cos i do cos i л 'T \
dF- B -------------, (VI.69)
где do cos i — проекция площадки do на плоскость, перпендикулярную
оси телесного угла dm.
Заменяя R — , можно получить
COS I J
dF' = В' . (VI.70)
Ro
Освещенность площадки do определится по формуле (VI. 10):
Сравнивая полученное выражение с уравнением (VI.66), можно записать,
что:
£ —£0cos4i. (VI.71)
Таким образом, освещенность к краю экрана убывает пропорционально
четвертой степени косинуса угла направления светового потока.
Угол i, т. е. половина углового размера изображения на экране, при
наблюдении его из зрачка микроскопа, обычно равен 10—20°, но иногда
достигает 25:. При I - 20 освещенность на краю экрана будет на одну
треть меньше освещенности в центре.
Из формулы (VI.65) следует, что освещенность на экране зависит от
коэффициента пропускания микроскопа, яркости источника, апертуры
объектива и масштаба изображения. При заданных апертуре и увеличении
освещенность можно повысить только путем уменьшения потерь света
в приборе или увеличением яркости источника. Нельзя, например, повы-
сить освещенность, увеличивая апертуру коллектора и, тем самым, уве-
личивая световой поток, «отбираемый» коллектором из всего излучения
светящегося тела. В этом случае не будет выполнено условие инварианта
(VI.49), что приведет к экранированию света в приборе.
Для того чтобы характеризовать зависимость освещенности изобра-
жения только от свойств оптического прибора иногда пользуются
151
понятием, называемым светосилой. Светосила прибора — это отношение
освещенности изображения, образованного этим прибором, к яркости
источника. С учетом формулы (VI.65) светосила равна:
р
Н = -g- = тл sin2 u . (VI.72)
Таким образом, светосила прибора зависит только от его коэффициента
пропускания и выходной апертуры.
7. Субъективная яркость изображения
при визуальном наблюдении через микроскоп
Суждение о яркости наблюдаемого предмета основывается на освещен-
ности изображения этого предмета, образованного на сетчатке глаза.
Естественно, что это суждение субъективное, поэтому и яркость в этом
случае называют субъективной яркостью.
При наблюдении невооруженным глазом освещенность (на сетчатке
глаза) изображения S' площадки S
Рис. VI.9. Схема, поясняющая субъективную
яркость изображения
имеющей яркость В, определяется
в соответствии с формулами
(VI.54) и (VI.64) и рис. VI.9, а
при п = 1 следующим образом:
Егд = лп'2 т,,В sin2 и', (VI.73)
где тгД — коэффициент пропуска-
ния глаза.
Очевидно, что освещенность
изображения данного предмета за-
висит только от площади зрачка
глаза 1. Так как радиус зрачка ггя
на порядок меньше расстояния s',
то формулу (VI.73) можно заме-
нить в соответствии с уравнением
(VI.66) следующей:
Егл = п'2тй!лВ . (VI.74)
При наблюдении через микроскоп, представленный на рис. VI.9, б
условно первой Qj и последней Q2 преломляющими поверхностями,
освещенность изображения на сетчатке будет определяться площадью
выходного зрачка 2 микроскопа, так как он меньше зрачка глаза. Эта
освещенность по аналогии с предыдущим равна
Ем = п'\глхлВ^, (VI.75)
где г — радиус выходного зрачка микроскопа;
т — коэффициент пропускания прибора.
Отношение освещенностей из формул (VI.74) и (VI.75) равно
-|- = т-^-<1. (VI.76)
Ьгл Ггл
152
Это отношение. не может быть равным единице, так как т < 1. Значит
освещенность изображения на сетчатке при наблюдении предмета через
оптический прибор всегда меньше, чем при наблюдении его невооруженным
глазом. Субъективная яркость изображения при визуальном наблюдении
через микроскоп достигает наибольшей возможной величины тогда, когда
отношение (VI.76) примет наибольшее значение. Это будет при одинаковых
размерах выходного зрачка прибора и зрачка глаза, т. е. при г = гг,.
Если воспользоваться формулой (11.20), то можно записать для увеличения
микроскопа
Т=---—. (VI.77)
г гл
Полученная формула определяет так называемое нормальное увеличение
микроскопа. Если, например, диаметр зрачка глаза равен 2 мм, то по
формуле (VI.77) Г - 250 А, что вдвое меньше нижнего предела полезного
увеличения микроскопа. Поэтому выходной зрачок микроскопа всегда
.меньше зрачка глаза.
8. Освещенность изображения в микроскопе
при различных методах исследования
Практически почти никогда микроскоп не работает в таких условиях,
при которых освещенность изображения Е может быть вычислена по фор-
мулам (VI.65) или (VI.66). Объясняется это при каждом методе исследова-
ния (см. описание методов в гл. IV и V) своими причинами.
Метод светлого поля. Апертурную диафрагму конденсора
обычно открывают настолько, чтобы диаметр ее изображения в плоскости
выходного зрачка объектива 61,1л равен двум третям диаметра зрачка.
Реальная освещенность будет тогда равна Ер = —Е.
Метод косого освещения. Недифрагированный свет за-
полняет пе весь выходной зрачок объектива. Если площадь зрачка 51;
а площадь освещенного участка зрачка S2, то реальная освещенность
равна Ер Е. Например, при исследовании непрозрачных объектов
с применением призмы Наше, занимающей половину зрачка, будет иметь
место Ер 0,5Е.
М е т о д т е м н о го по л я. Реальная освещенность зависит не
только от яркости источника В, но и от свойства препарата рассеивать
падающий на него свет. Количество светового потока, дифрагировавшего
на элементах микроструктуры препарата в данном направлении, зависит
от длины волны света, размеров отдельных частиц или толщины границ
раздела между элементами препарата, угла между освещающим пучком
и направлением наблюдения и от других причин. Лишь в некоторых
частных случаях можно теоретически подсчитать яркость объекта, которую
следует подставлять в формулу для определения освещенности.
Метод фазового контраста. Размер и форма выходного
зрачка микроскопа определяются не выходным зрачком объектива,
а кольцевой диафрагмой конденсора и фазовым кольцом в объективе.
Реальную освещенность можно вычислить по формуле Ер — (р2 — q2) Е,
где р и q — коэффициенты, характеризующие, какую часть радиуса
153
зрачка составляют соответственно наружный и внутренний радиусы фазо-
вого кольца. Величина (р2 — ф2) для слабых объективов приблизительно
равна 0,17, а для средних и сильных — 0,07.
Метод интерференционного контраста. При определении
коэффициента пропускания микроскопа, в котором использована интер-
ференция поляризованных лучей, необходимо учитывать коэффициент
пропускания двух поляроидов, равный приблизительно 0,252. Кроме того,
следует иметь в виду, что в этих микроскопах, а также в интерференцион-
ных микроскопах других типов, площадь выходного зрачка прибора опре-
деляется не зрачком объектива, а величиной осветительной апертуры. По-
следняя приблизительно вдвое меньше апертуры объектива. Поэтому реаль-
ная освещенность в микроскопах с кристаллооптикой равна Ер - 0,25
ХО,252Е, а в интерференционных микроскопах других типов Ер -0,25Е.
Метод исследования в поляризованном свете.
В случае, когда оси поляризаторов параллельны, их коэффициент пропу-
скания приблизительно равен 0,252, что необходимо учитывать при вычис-
лении коэффициента пропускания всего микроскопа. Если же оси поля-
ризаторов скрещены, то величина светового потока, прошедшего через
прибор, будет определяться не только коэффициентом пропускания, но
и свойствами исследуемого анизотропного объекта и его ориентацией
относительно осей поляризаторов. Это не дает возможности получить
единую аналитическую формулу для определения реальной освещенности.
Следует напомнить, что исследование в ортоскопическом ходе лучей
требует освещения препарата параллельным пучком света. Достигается
это путем закрытия апертурной диафрагмы конденсора. Поэтому выход-
ной зрачок микроскопа будет ограничен не изображением зрачка объектива,
а изображением диафрагмы конденсора, которое надо использовать при
расчете реальной освещенности.
Метод исследования в свете люминесценции.
Яркость свечения препарата зависит не только от яркости источника,
примененного для освещения, но и от физико-химических свойств самого
препарата. Кроме того, не весь препарат (по площади) люминесцирует
с одинаковой интенсивностью. По этим причинам здесь также нельзя полу-
чить для определения реальной освещенности единую аналитическую фор-
мулу, которой можно было бы характеризовать энергетические свойства
только самого прибора.
Глава VII
ИСТОЧНИКИ СВЕТА И ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
1. Требования к источникам света
Для микроскопии наиболее существенное значение имеют следующие
основные характеристики источников света.
1) яркость светящегося тела;
2) коэффициент полезного действия, который применительно к источ-
никам света называют световой отдачей и характеризуют величиной свето-
вого потока, отнесенной к потребляемой электрической мощности;
154
3) спектральный состав излучения;
4) срок службы;
5) форма и размеры светящегося тела.
На последних параметрах здесь следует остановиться подробно.
На рис. VII. 1 приведена схема микроскопа, где оптические элементы
представлены главными плоскостями. Положение изображений спирали
лампы определено с помощью двух лучей. Для простоты показаны изобра-
жения только сечения а, т. е. тех участков витков спирали, которые рас-
положены ближе к коллектору.
Можно считать, что полевая диафрагма осветителя практически совпа-
дает с задней фокальной плоскостью коллектора 1. Следовательно, изо-
бражение точки F[ через конденсор 2 и объектив 3 совпадает с передним
фокусом Ft окуляра 4. Входящий в коллектор луч, параллельный опти-
ческой оси, пройдет через задний фокус коллектора Е' и через сопряжен-
ный с ним передний фокус окуляра Ft. Это значит, что задний фокус си-
стемы коллектор—конденсор—объектив находится в точке Fi. Из этого
вытекает, что для некоторого положения спирали лампы можно найти в
пространстве изображений плоскость, в которой находится изображение
спирали, как это сделано на рисунке. Размер этого изображения d'. Если
теперь перемещать спираль вдоль оптической оси, то ее изображение также
будет перемещаться вдоль оси, а размер изображения будет ограничен
конусом, который определяется лучом, проходящим через крайнюю точку
изображения а' и точку Е4.
Расстояние между сечениями а и b спирали лампы, т. е. диаметр спи-
рали, может быть определено из следующих соображений (рис. VII.2).
Когда изображение источника света расположено в плоскости зрачка
объектива 1 и равно по величине его диаметру, тогда поле зрения, огра-
ниченное диафрагмой 2, освещено равномерно. Если же изображение
источника не совпадает со зрачком, то имеет место, во-первых, виньетиро-
вание, а, во-вторых, появление нерезкого изображения структуры источ-
ника в поле зрения (гл. II). В результате нарушается равномерность осве-
щения в поле зрения.
Можно допустить виньетирование на краю поля по диаметру 50% (по
площади это будет соответствовать виньетированию 60%). Тогда в соответ-
ствии с рисунком изображение спирали а' будет находиться в плоскости,
155
расстояние которой от заднего фокуса объектива F'3 определится выраже-
нием
х'а, = Д — - , (VII. 1)
' эр ' ЛОЛ.
где гпол следует взять со знаком «минус», как это принято в гсометриче-
ской оптике. (Здесь, а также в последующих формулах, все величины
соответствуют обозначениям на рис. VII. 1 и VII.2).
Положение изображения Ь' сечения спирали также определяется выра-
жением (VII.1) при гпол > 0.
Рис. VII.2. Схема, поясняющая определение диаметра
спирали лампы
Следует оговорить, что при перемещении изображения источника
влево от зрачка вплоть до бесконечности виньетирования не будет, если
размер изображения ограничен пунктирной линией, проведенной парал-
лельно линии, соединяющей противоположные края полевой диафрагмы
и зрачка. Именно такой размер имеет изображение источника при слабом
объективе. Следовательно, можно принять x'Se, — —оо. Для этого же раз-
мера изображения источника 50-процентное виньетирование на краю поля
зрения будет в случае, если расстояние от заднего фокуса объектива до
плоскости изображения равно
vi,,- ^4-^.1 1 ,Д- У :• (VII.2)
\ *“ лол зр /
Возвращаясь к рис. VII. 1 и воспользовавшись формулой Ньютона,
можно найти выражение для определения расстояний от переднего фо-
куса коллектора до сечений спирали:
Наиболее жесткие требования к диаметру спирали предъявляются
при работе микроскопа со слабым объективом 3,7x0,11. Тогда исходные
данные для расчета будут следующие: /' - 17,3; /' -- 32; /3 33,1;
156
Л, =275; До - 12,5; Д ~ 123,8; хар =- —144,6; гар =- 4,2; гпол = 10.
Расчет по формулам (VII.2) и (VII.3) приводит к такому результату:
xllt - —0,53; х1в = —1,56, т. е. диаметр спирали должен быть не больше
абсолютного значения величины хи — х1а 1 мм.
Вопрос о допустимой величине диаметра спирали с точки зрения воз-
можного проявления ее структуры в поле зрения можно также решить,
исходя из следующих соображений.
Зрачок глаза при наблюдении через микроскоп совмещается с выходным
зрачком прибора зр'. Структура спирали совершенно не видна, если рас-
стояние от изображения а" до зрачка не превышает некоторой величины.
Считается, что допустимый предел этого расстояния равен: z = ±30 мм.
На основании рис. VII. 1 и формулы Ньютона величины z и х.' связаны
соотношением:
„,9
х3 = Л + . (VII.4)
~гхэр
Положение изображения а' находится при г , 0, а изображения Ь' — при
г <0. Для серийного пятикратного окуляра /' = 49,6 и тогда х'а, =
70,8; х'в, -320. Подстановка этих значений в формулу (VII.3) дает:
Ди —0,48 и xi3 - - —1,89. Следовательно, диаметр спирали должен быть
равен 1,4 мм.
Полученные теоретические значения диаметра спирали на практике
должны быть уменьшены из-за аберраций оптической системы, особенно
коллектора и конденсора.
Размеры спирали лампы в плоскости, перпендикулярной оптической
оси, должны быть такими, чтобы изображение спирали заполняло весь
выходной зрачок любого объектива. Определять эти размеры следует
применительно к наиболее сильному объективу.
Радиус полевой диафрагмы осветителя равен:
_____ГПОЛ __ ГПОЛ^1
РобРконд В ,
г об' конд
Выходная апертура коллектора с достаточной степенью точности
КОЛ
Мконд
и входная апертура
Рог/конд^кол
__ Г Н0Л^\
Роб^ конд!кол
В соответствии с инвариантом (VI.50) диаметр спирали лампы должен
быть
__ 2ГполА' __ пол =4[W конд!КОЛ 2 А! конд! кол (VII 5)
Робг пол^г
Для микроскопа с сильным объективом А =- 1,3и/ю й — 15. Диаметр
спирали лампы, вычисленный по формуле (VI 1.5) при этих данных, дол-
жен быть не меньше 2,4 мм.
157
Полученная величина практически вдвое превышает тот предельный
размер диаметра спирали, который вычислен выше. Оба эти требования
могут быть удовлетворены только тогда, когда спираль лампы сплющена
в направлении оптической оси. В противном случае необходимо при исполь-
зовании слабых объективов помещать в осветительной системе матовую
поверхность.
Здесь следует также отметить, что стабильность светового потока или
яркость источника в процессе работы имеет в некоторых случаях очень
большое значение. Световой поток электрических источников излучения,
питающихся от сети переменного тока, модулируется с частотой 100 гц.
У ламп накаливания сравнительно небольшой мощности глубина модуля-
ции потока составляет около 25%; она уменьшается с увеличением мощно-
сти лампы. Газоразрядные источники света дают поток, промодулирован-
ный практически на 100%. Этому обстоятельству необходимо уделять
серьезное внимание в таких областях, как телевизионная микроскопия,
микрокиносъемка с нормальной и повышенной частотой, измерение моду-
лированных сигналов и т. п. Особенно опасны те случаи, когда частота
регистрации изображения или сигнала близка к 100 гц. Для исключения
модуляции светового потока лампу питают постоянным током.
2. Лампы накаливания
Как было указано в предыдущей главе, все параметры излучения абсо-
лютно черного тела однозначно определяются его температурой.
Металлы являются селективными излучателями, причем с увеличением
температуры селективность излучения уменьшается и оно приближается
к излучению черного тела.
Материалом для изготовления тела накала электрических ламп обычно
служит вольфрам, потому, в частности, что он является наиболее туго-
плавким металлом. Это дает возможность доводить тело накала до высокой
температуры и, таким образом, получать большую яркость.
Вольфрам имеет меньшую яркость по сравнению с абсолютно черным
телом при той же температуре, а максимум излучения вольфрама прихо-
дится на меньшую длину волны, чем у черного тела, т. е. цвет излучения
первого менее красен, чем второго. При некоторых определенных темпе-
ратурах черное тело будет иметь такую же яркость или цветность, как
вольфрам при данной температуре. Эти температуры черного тела назы-
вают соответственно яркостной и цветовой температурой вольфрама, так
как они характеризуют его цветность и яркость. Например, вольфрамовый
излучатель при температуре 2800° К имеет такую же яркость, как черное
тело с температурой 2516° К, и цветность, соответствующую цветности
черного тела с температурой 2878° К.
Газополные лампы и недавно появившиеся лампы с йодным циклом
позволяют доводить тело накала до более высоких температур и тем самым
получать большую яркость, чем пустотные лампы.
Излучение ламп накаливания имеет максимум в более длинноволновой
области спектра по сравнению с дневным светом от солнца или неба, как
это показано на рис. VII.3, где относительное спектральное распределение
энергии в излучении ламп накаливания представлено в виде предельных
кривых. За единицу энергии для всех кривых принята энергия излучения
158
Рис. VI 1.3. Спектральное рас-
пределение энергии в излучении
некоторых источников:
/ -пусклпая вольфрамовая лампа;
J — газополная вольфрамовая лам-
па; 3 - солнце; 4 — голубое небо
при длине волны л — 555 нм, соответствующей максимальной спектраль-
ной чувствительности глаза. Лампы дают излучение также в ближних
ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра вплоть до границы
пропускания света стеклом, из кото-
/ \ рого сделана колба.
I \ Световые, электрические и коиструк-
I I тивные характеристики ламп накалива-
Рис. VII.5. Конструкция патрона для лампы КИМ-9-75
ния, применяемых в микроскопах, приведены в табл. VI 1.1, а общий
Рис. VII.6. Зависимость мощно-
сти Р, светового потока F и срока
службы / лампы накаливания от из-
менения напряжения питающей сети
Все эти лампы имеют стандартные цоколи.
Исключение составляет иодная лампа
КИМ-9-75. Ее установка в приборе может
быть осуществлена с помощью вилки-па-
трона, конструкция которого показана на
рис. VII.5. С помощью двух винтов, за-
жимающих токовыводы лампы, она мон-
тируется в патроне. Металлические штыри
служат как для закрепления патрона
в осветителе, так и для подвода питания
к лампе. Корпус патрона выполнен из
фторопласта.
Световые и электрические параметры
ламп накаливания взаимозависимы, и из-
менение одного из них вызывает соответ-
ствующее изменение других. Наибольший
практический интерес представляет зави-
симость светового потока (а следовательно,
и яркости), срока службы и мощности
лампы от изменения напряжения сети пи-
тания. Характер этих зависимостей пока-
зан на рис. VII.6.
Вопрос о количественной оценке пере-
численных зависимостей возникает либо
160
при желании получить бо-
лее яркий источник, либо
когда необходимо иметь
стабильный световой по-
ток. В первом случаелампа
работает при повышенном
напряжении с перекалом;
во втором — требуется ста-
билизировать с той или
иной точностью напряже-
ние питающей сети.
Изменение параметров
нормальных осветитель-
ных ламп накаливания,
возникающее при измене-
нии напряжения питающей
сети, с достаточной сте-
пенью точности можно
определить по уравнению
7 / J / \
. ’ (VII.6)
о \ ‘-'о /
где z и г0—значения опре-
деляемого пара-
метра при дан-
ном и номиналь-
ном режиме ра-
боты;
U и Uо — соответствующие
напряжения;
тг — показатель сте-
пени, значения
которого приве-
дены в табл.
VII.2, причем
индексы Р, F и t
при показателе
обозначают со-
ответственно
мощность, све-
товой поток и
срок службы.
Можно отметить также,
что отклонение напряже-
ния сети питания на 1%
от номинального вызывает
изменение светового по-
тока на ±3%, мощности
на ±1,5% и срока службы
на ±13%.
11 Г. Е. Скворцов и др.
СЗ
ЕЗ
ю
СЗ
н
иинэс!оз Hdu ЭИНЭЖО1ГОЦ KIfOMOTl ПИХ h 0 1Ч9ЖАЕЭ мос1э нинйэс1э ww a q (ьвгп -MITOQHEH) BIT -эх иоохэТлих -эяэ Bxooiqg WM Я V (ВВШ -qifOQHBH) bit -эх иэохэ'ткх -эяэ внис1иш Любое Вертикальное i Вертикальное I цоколем вниз | Любое 1 » ' Вертикальное । ' Примечание. Яркость ленточной лампы СИ6-100 определена, исходя из температуры тела накала. 5^pкocти остальных лампиз- | мерены относительно яркости лампы СИ6-100.
ю £ °? « 3 - О О О f? Ш § 2 е 5
ООО о о о о ю см Й ю о о — см со
О СО Г- ю L-Q СМ См" ’Ф см' — оо о"
00 О LQ LO ' См" См" о ю" ~ см" см"
ww a // Ed -iHati ojoaoi -эяэ Biooiqg 42 23 60 35 Не норми- руется 75±3 НО
wvt a 7 (KBmqiroQ -ИВН) BHHIftf О L-O ю гг СО ю о Ю LO QC СО ю —
w a Q (ииш -Ч1ГО9ИВН) - СМ Н- — 00 ю LQ СМ —< СМ 1_о — -Ф оо
u/wjy a qxoondis BBHJ-HdBgBj
Ю О LQ о — г» СО о о" со" оо" аГ
wv a moi. -OU ЦОЯО1ЭЯЗ S ООО <->. cj Ю 1 СМ о О0 он* СМ L-О К О) см 33 >, о Ф Q- Е—1 X
гиэ a qxooHtnoyv о ю о о о о о см г- г- о о о — —‘ — см
9 a 9HH0>KKdUBH оо О Г- СМ 00 О оо ~ й?
iquwBir иих К* о 2 о о °? 1 о о —ч _ см о — см < О —, О0 1 « 2 с а- и Й О <-> о о
161
Зависимость светового потока от напряжения сети питания не одина- кова для различных длин волн. Относительное изменение светового по- Таблица VII.2 тока 7", связано с относитель- „ _ иым изменением напряжения Величина показателя степени т? 1 в формуле (V11.6) соотношением:
Тип ламп /Пр "Ч = (VII 7)
Пустотные при Тц = 2450° К Газополные при Тц = 2800° К Газополные при Тц = 2950° К 1,58 1,53 1,54 3,51 3,67 3,47 — 13,5 —14,8 —13,9 где X — длина волны в ю; Т — температура в °К- Формула справедлива для диапазона температур от 2000 до 3655° К и диапазона длин волн от 0,2 до 0,7 мкм.
3. Газоразрядные лампы
Излучение газоразрядных ламп — это излучение газов или паров
металла, возникающее под действием проходящего через них электриче-
ского тока.
Газоразрядные лампы отличаются от ламп накаливания двумя особен-
ностями: во-первых, они имеют значительно более высокий энергетиче-
ский к. п. д., что позволяет получать большую яркость при той же мощ-
ности; во-вторых, в отличие от теплового излучения твердых тел,
имеющего непрерывный спектр, газовый разряд дает обычно излучение
преимущественно с линейчатым спектром, характерным для того газа или
пара, в котором происходит разряд. Отдельные виды газового разряда
могут давать излучение с непрерывным спектром. Распределение энер-
гии по спектру зависит от рода газа или пара, наполняющего лампу,
а также от силы тока, давления газа или пара и других условий разряда.
Комбинируя газ или пар, можно менять спектральный состав излучения.
В микроскопах применяются ртутно-кварцевые и ксеноновые лампы
сверхвысокого давления, основные характеристики которых приведены
в табл. VII.3, а общий вид — на рис. VII.7. Оба вида этих ламп имеют
очень высокую яркость. Энергия излучения ртутных ламп преимуще-
ственно сосредоточена в ультрафиолетовой и сине-фиолетовой области
спектра, а ксеноновых — в видимой и инфракрасной области.
На рис. VII.8 приведен график распределения энергии в спектре излу-
чения ртутно-кварцевой лампы СВД-120А. В спектре имеется слабый
непрерывный фон. В лампах ДРШ давление в несколько раз выше, чем
в лампе СВД-120А, и достигает десятков атмосфер. Поэтому их спектр
хотя и линейчатый, но имеет сильно выраженный непрерывный фон.
Спектральные линии значительно расширены. Излучение короче 280 нм
практически отсутствует. В табл. VII.4 приводятся яркости ртутно-квар-
цевых ламп для различных длин волн в единицах яркости лампы ПРК-4
(т. е. яркости последней приняты за единицу). В первой строчке таблицы
указаны энергетические освещенности, создаваемые лампой ПРК-4 на
площадке, расположенной на расстоянии 1 м от нее. Время разгорания
ламп составляет от 2 до 5 мин.
162
Табл и ц а VI 1.3
Основные электрические, световые параметры и размеры некоторых газоразрядных ламп
Тип лампы i i Минималь- ное напряже- ние питания в в Напряжение на лампе в в 1 Мощность 1 в вт Рабочий ток , в а ' Световой по- । ТОК В ЛМ 1 I . е i i s Длина (наи- большая) L в мм Расстояние : между элек- [ тродами в мм | 1 Срок служ- | бы В Ч I Размеры све- тящегося те- ла (прибли- женно) в ММ | Положен ие при горении
Яркость в центре раз- ряда в Мн/ Диаметр ко бы (иаибол ший) I) в ль
ДРШ-100-2 —60—120 20 100 5 1000 12 85 1 100 0,3X0,3 Вертикальное
ДР Ш-250 ~ 127 72 250 4,5 12 500 100 25,5 145 3,9 250 1,5X3 »
СВД-120А 220 125 120 1,2 4 200 — 97 140 30 250 2X30 Любое ’
ДКсШ-130 = 150 23 130 5,5 2 000 50 27 135 2 100 — Вертикальное 1
ДКсШ-200 = 70 22 200 — 90 26 149 2—2,5 500 — 8
Т а б л и ц а VII.4
Энергетическая освещенность от лампы ПРК-4 и относительные яркости ртутно-кварцевых ламп
Параметр Тип лампы Длина волны в нм
248 254 265 270 275 280 289 207 303 313 334 365 405 433
Энергети- ческая освещен-
ность на расстоянии 1 м в мквт/см2 ПРК-4 7,2 18 16,2 2,9 2,2 7,1 3,5 10 22,5 47,7 4,6 70,2 25,2 43,2
ПРК-4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
СВД-120А 2,3 2,0 2,2 2,7 3,0 2,0 2,2 2,4 2,2 2,1 2,8 2,5 2,9 2,7
Относительная яркость при токе 1,2 а СВД-120А при токе 2,0 а 4,7 4,2 3,9 5,3 0,0 4,4 4,4 4,5 4,1 3,9 5,4 4,6 5,0 5,0
ДРШ-100 70 0 5 30 75 40 130 55 40 30 120 45 120 90
ДРШ-250 16 0 0 0 0 0,5 8 17 15 16 90 30 80 60
СВД-120А
Рис. VI1.7. Общий вид некоторых ртутно-кварцевых и ксеноновых ламп сверхвысокого
давления
Рис. VII.8. Распределение энергии в спектре излучения ртутно-квар-
цевой лампы СВД-120А.
Рис. VII.9. Принципиаль-
ная схема включения ламп
ДРШ и ДКсШ в элек-
трическую сеть постоян-
ного тока: а—для тре.х-
электродной лампы;
б — для двухэлектродной
лампы:
/ — балластное сопротивле-
ние; 2 — лампа; 3 -- ампер-
метр; 4 - - зажигающее уст-
ройство
164
Ртутные лампы включаются в электрическую сеть только последова-
тельно с балластным сопротивлением, ограничивающим силу тока в цепи.
При работе на постоянном токе сопротивлением служит реостат, а при
переменном токе — дроссель. Зажигание ламп типа ДРШ осуществляется
с помощью кратковременного импульса высокого напряжения высокой
частоты, подаваемого на зажигающий электрод лампы или на один из рабо-
чих электродов, если зажигающего не имеется. Для получения такого
импульса служит высокочастот-
ный преобразователь с транс-
форматором. Принципиальная
схема включения и зажига-
ния лампы ДРШ показана на
рис. VII.9.
Так как давление в ртутно-
кварцевых лампах достигает не-
скольких десятков атмосфер,
а температура колбы доходит до
950 С, то при работе лампа дол-
ила быть надежно закрыта ко-
жухом. Кроме того, кожух дол-
жен предохранять глаза обслу-
живающего персонала от попа-
дания прямого или рассеянного
излучения, богатого ультрафио-
летовыми лучами, которые
Рис. VII.10. Распределение энергии в спектре
ксеноновой лампы типа ДКсШ
вредны для глаз.
В отличие от ртутных ламп
газовый разряд в ксеноновых
лампах сверхвысокого давления при больших плотностях тока дает
излучение с непрерывным спектром (рис. VII. 10), причем длины волн ин-
тенсивных линий в ближней инфракрасной области спектра определяются
ксеноном. Давление в лампах достигает нескольких десятков атмосфер.
Ксеноновые лампы включаются в сеть и зажигаются аналогично ртутным
лампам сверхвысокого давления.
4. Источники инфракрасного излучения
Освещение объектов светом ближней инфракрасной области до длины
волны 1,2—1,3 мкм производится с помощью лампы накаливания или ксе-
ноновой газоразрядной лампы. Для получения более длинноволнового
излучения применяют глобар.
Глобар представляет собой стержень из спрессованного порошкооб-
разного карбида кремния. При прохождении через стержень электриче-
ского тока он нагревается до температуры около 1200° С и начинает давать
интенсивное инфракрасное излучение.
5. Реакция приемника лучистой энергии
на падающий поток излучения
Приемники лучистой энергии служат для обнаружения и измерения
потока излучения. Если одинаковые по мощности различные монохромати-
ческие излучения вызывают одинаковые реакции приемника, то такой
165
Рис. VII. 11. Графический способ
определения реакции приемника
приемник является неселективным-, у селективного приемника эти реак-
ции неодинаковы.
Чувствительность приемника определяют отношением реакции dW
приемника на падающий поток излучения к величине этого потока йФэ,
т. е.
= <VIL8)
Размерность реакции приемника зависит от рода самого приемника.
Наименьший поток излучения ФЭП11П, который может быть обнаружен
приемником, определяет пороговую чувствительность этого приемника.
Если чувствительность приемника посто-
янна для любого значения потока излуче-
ния, то реакция приемника на поток имеет
линейную зависимость.
Если чувствительность неселективного
приемника определяется выражением (VI 1.8),
то селективный приемник характеризуется
интегральной чувствительностью примени-
тельно к данному потоку излучения Фэ:
V,mn == ,'р' (VII.9)
и спектральной чувствительностью для опре-
деленной длины волны:
Величина зависит от длины волны и при
определенном значении А,о становится наиболь-
шей и равной Vo- Относительная спектраль-
ная чувствительность приемника равна
A'z У; • (VII. И)
арактеризуется кривой относительной спект-
ральной чувствительности kK = f (k). Если известны эта функция и соот-
ношение Vo = dWjJdQ),^, то реакция приемника на сложное излучение
в диапазоне спектра от А-! до %2 определится формулой
I^-^VofKA (VII. 12)
Xi
которая с учетом выражения (VI.2) примет вид:
А-2
lVM_x2 = vo f Kythd-k. (VII. 13)
Селективность приемника
Реакцию приемника можно определить графическим способом, если
даны кривая относительной спектральной чувствительности приемника
(рис. VII.11, а) и распределение спектральной плотности потока излучения
166
(рис. VII. 11, б). Совокупность произведений ординат этих кривых пред-
ставляет собой кривую на рис. VII.11, в.
Так как поток излучения равен
^2
Фл-хИйА (VII.14)
X,
то чувствительность приемника к излучению данного спектрального диа-
пазона равна
г,
f К.КУк<&
= Vo 4-------• (VII.15)
j Ук<&
Xi
Отношение интегралов в полученной формуле равно отношению заштри-
хованных площадей на рисунке, т. е.
УЛ1_Х2 = Vo • (VII-16)
Следовательно, реакция приемника равна
Ж,_Л2 = i/a|^au-z2. (VII. 17)
В заключение следует отметить, что пороговая чувствительность селек-
тивных приемников различна для разных участков спектра.
6. Глаз как приемник излучения
Наглядное представление об устройстве глаза человека можно полу-
чить из рис. VII. 12. Характеристики глаза имеют следующие средние
значения.
Диаметр отверстия посередине радужной оболочки (зрачка) изменяется
от 1,5 до 8 мм в зависимости от яркости наблюдаемых предметов. Хру-
сталик образует изображение предметов на сетчатой оболочке. Показатель
преломления хрусталика в разных его частях меняется от 1,38 до 1,41.
Центр хрусталика расположен на расстоянии 5 мм от вершины роговицы.
Переднее фокусное расстояние глаза в спокойном состоянии равно / =
-- —17,1 мм; заднее фокусное расстояние — /' = 22,8 мм.
При наблюдении очень удаленных предметов передний фокус нахо-
дится перед глазом на расстоянии 15,7 мм, а задний совпадает с сетчатой
оболочкой. В этом случае кольцевая мышца расслаблена, и говорят, что
глаз аккомодирован на бесконечность. При аккомодации на конечное рас-
стояние кольцевая мышца изменяет форму хрусталика и его фокус так,
что на сетчатку проектируется изображение близко расположенных пред-
метов. В молодом возрасте глаз способен видеть предметы, расположенные
на расстоянии не ближе 10 см, к старости эта величина возрастает до 2 м.
Считается, что без большого утомления нормальный глаз может длительно
наблюдать предметы на расстоянии D = 250 мм, называемом расстоя-
нием наилучшего видения. Для близорукого или дальнозоркого глаза
167
вводится соответствующая коррекция, о которой применительно к оку-
лярам микроскопа сообщается в гл. II. Показатель преломления сте-
кловидного тела п = 1,336.
Поле резкого видения определяется центральной ямкой в середине
желтого пятна и равно 2°. Поле, в пределах которого возможно опозна-
вание предметов без различения мелких деталей, составляет около 30;
по горизонтали и 22° по вертикали. Остальная часть поля зрения хотя
и велика, но служит лишь для ориентировки. Обозрение пространства
осуществляется путем вращения глаза
Рис. VII. 12. Схематический горизонтальный раз-
рез правого глаза:
7 — роговица; 2 — радужная оболочка; 3 — хруста-
лик; 4 — кольцеобразная мышца; 5 — стекловидное
тело; 6 — сетчатая оболочка; 7 — центральная ямка
на желтом пятне; 8 — зрительный нерв
водит к ухудшению остроты более чем
ность глаза зависит также от цвета
вокруг точки, находящейся на
расстоянии 14 мм от передней
поверхности роговицы.
Разрешающая способность
глаза или острота зрения ха-
рактеризуется угловым разме-
ром наблюдаемого предмета и
определяется структурой сетча-
той оболочки, а также условия-
ми наблюдения, а именно: ярко-
стью, контрастом и видом объек-
та. При достаточной освещен-
ности предмета (~50 лк) и
высоком контрасте острота зре-
ния лежит в пределах 2' Г .. г : д
4', но может достигать вели-
чины 8 -• Г. С уменьшением
освещенности в 20 раз острота
падает приблизительно в 6 раз.
Если для фона с яркостью 1 нт
при контрасте 0,93 острота зре-
ния равна 8 = 1,2', то умень-
шение контраста в 10 раз при-
в 5 раз. Разрешающая способ-
объекта и его цветового кон-
траста.
Глаз реагирует на поток излучения в спектральном диапазоне от 0,38
до 0,77 мкм, причем монохроматические излучения, имеющие равные
мощности, вызывают световые ощущения, которые различаются не только
по цвету, но и по силе. Следовательно, глаз — приемник селективный и для
него справедлива теория предыдущего параграфа.
Наиболее чувствителен глаз к монохроматическому излучению с дли-
ной волны 555 нм. Один ватт такого потока излучения дает 683 световых
люмена, т. е. спектральная чувствительность глаза к монохроматическому
потоку излучения с X = 555 нм равна:
V656 = i'o = = 683 лм!вт.
(VII.18)
Спектральную чувствительность при любой другой длине волны можно
определить по формуле (VII. 11). Необходимые для этого значения относи-
тельной спектральной чувствительности (относительной видности) глаза
168
приведены в табл. VI 1.5. Световой поток сложного излучения со сплошным
спектром в соответствии с формулой (VII. 13) равен:
Л--770
F = 683 [ K^y^dF.
X Т.380
(VII. 19)
За пределами видимой области спектра 0 и, следовательно, световой
поток равен пулю.
Таблица VII.5
Относительная видность Кк для дневного света
Длина волны । Длина волны в нм (спектральная линия) Длина волны в нм (спектральная линия)
в нм (спектральная । линия) I Н/.
380 0,00004 510 0,503 640 0,175
390 0,00012 520 0,710 650 0,107
400 0,0004 530 0,862 656 (С) 0,080
404 (It) 0,0008 540 0,954 660 0,061
410 0,0012 546 (е) 0,995 670 0,032
420 0,0040 550 0,995 680 0,017
430 0,0116 555 1,000 690 0,0082
436 (G) 0,0170 560 0,995 700 0,0041
440 0,023 570 0,952 710 0,0021
450 0,038 580 0,870 720 0,00105
460 0,060 589 (D) 0,760 730 0,00052
470 0,091 590 0,757 740 0,00025
480 0,139 600 0,631 750 0,00012
486 (/•) 0,170 610 0,503 760 0,00006
490 | 0,208 620 0,381 770 0,00003
500 0,323 630 0,265
Пороговая чувствительность глаза зависит от степени его адаптации
и при длительном нахождении в темноте уменьшается до некоторой конеч-
ной величины, называемой абсолютным порогом зрительного ощущения.
Восприятие глазом источника излучения с угловым размером до 20' воз-
можно, если он создает на зрачке освещенность не менее 5 • 10 ~!| лк; на
протяженный объект глаз реагирует при условии, что его яркость будет
не ниже Иг7 нт. Яркость, превышающая 0,1 Мнт, вызывает ослепление
глаза.
Для сравнительной оценки указанных величин можно привести
следующие данные. Если освещенность листа белой бумаги (коэффициент
отражения р -- 0,8) равна Е — 50 лк, то его яркость будет: В = рЕ/л =&
13 нт. Тот же лист, освещенный солнцем, имеет яркость 13 кнт.
Кроме того, при наблюдении глазом предмет может быть обнаружен
на некотором фоне, если его контраст будет не ниже некоторой величины,
169
называемой пороговой контрастной чувствительностью глаза. Контраст
объекта на фоне определяется выражением:
k = , (VII.20)
Пф Вф
Рис. VII.13. Схема стереоскопиче-
ского зрения
на расстояние между зрачками
где В — яркость предмета;
Вф — яркость фона. Контрастная чувствительность 'глаза зависит от
яркости и достигает максимального значения 0,02 при яркостях
80—320 нт.
Здесь следует также сказать о стереоскопическом зрении, т. е. о способ-
ности видеть предметы объемными при наблюдении их двумя глазами.
Вообще пространственное зрение обуслов-
лено не только возможностью видеть двумя
глазами но также и другими факторами.
Пространственному восприятию способ-
ствуют, например, частичное наложение
на сетчатке изображения близкого пред-
мета на изображение далекого и физиоло-
гическая оценка усилия аккомодации.
Однако стереоскопическое зрение позво-
ляет наиболее точно оценить глубину
объекта или его изображения.
При наблюдении точки А (рис. VII. 13)
двумя глазами их оси пересекаются в этой
точке (конвергируют), а глаза аккомоди-
руются на расстояние s. Точка В удалена
по глубине от точки А на расстояние As.
Изображения этих точек на сетчатках ле-
вого и правого глаза удалены друг от друга
на разные расстояния, т. е. угловые раз-
меры между точками А и В для левого Wj
и правого ®2 глаза не равны. Психологи-
ческое восприятие неравных угловых раз-
меров приводит к оценке разноудаленно-
сти точек А и В. Углы параллакса а, и а2
с вершинами в этих точках, опирающиеся
глаз, называемое базой Ь, также не равны
друг другу. Из треугольников АООг и В00.2 следует, что Асо = <о2 —
— co, = ai — а2 — Аа.
Опытным путем установлено, что при благоприятных условиях средний
наблюдатель чувствует разноудаленность точек А и В, если разность угло-
вых расстояний между ними (или разность углов параллакса) будет не
менее 10". Эту величину называют порогом стереоскопического зрения.
Так как $ значительно больше Ь, то можно считать, что углы парал-
лакса равны
b ь
а, = --- и а2 = ——,
1 s J s + As ’
а их разность
. b b b\s
Да = а. — а, =----------—т- =
1 s s + As s- -р- sAs
170
Величина sAs много меньше, чем s2, поэтому можно записать
или As = -^-Aa (VII.21)
или As = -J А®. (VII.22)
По полученным формулам можно определить наименьшее расстояние
по глубине между двумя точками, которые воспринимаются разноудален-
ными.
7. Приемники излучения для регистрации изображения
Слой фотоэмульсии — наиболее распространенный приемник излуче-
ния, предназначенный для регистрации изображения. Сведения о фотома-
териалах даются в гл. XXIV.
Электронно-оптический преобразователь
(ЭОП) применяется в микроскопах для трансформации невидимого ультра-
Рис. VII.14. Схематическое устройство преобразователей изображения:
а — электронно-оптический преобразователь; б — эвапорограф
фиолетового или инфракрасного изображения в видимое. ЭОП
(рис. VII. 14, а) представляет собой стеклянный баллон 2, в котором смонти-
рованы фотокатод /, электроды 3 и люминесцирующий экран 4. Изображе-
ние проектируется на фотокатод, эмигрирующий электроны под действием
падающего излучения, причем количество электронов пропорционально
лучистому потоку. Под действием электрического поля электронный пучок
ускоряется и фокусируется на экран, где вызывает свечение люминофора.
Яркость экрана пропорциональна интенсивности пучка электронов.
Таким образом, на экране возникает видимое изображение, яркость кото-
рого пропорциональна освещенности изображения на фотокатоде. Не-
сколько описанных систем, смонтированных последовательно в одном бал-
лоне, образуют многокамерный ЭОП. Подобие обоих изображений обуслов-
лено степенью исправления аберраций электронной оптики ЭОПа.
Спектральный состав излучения экрана зависит от рода люминофора.
Обычно для визуальных наблюдений подбирается люминофор с желто-
зеленым свечением, а для фотографирования — с синим. Способность
ЭОПа воспринимать изображение в том или ином диапазоне длин
волн определяется материалом фотокатода и прозрачностью баллона.
171
Существующие ЭОПы для ультрафиолетовой области спектра имеют ко-
ротковолновую границу чувствительности около 250 нм, а ЭОПы для
инфракрасной области работают в пределах до 1,3 мкм.
Разрешающая способность ЭОПа ограничивается аберрациями элек-
тронно-оптической системы, структурой экрана и др. Однокамерный ЭОП
с электростатической фокусировкой разрешает в центре экрана 50 ли-
ний! мм, но к краю экрана эта величина падает до 3—4 линий!мм. В систе-
мах с магнитной фокусировкой разрешающая способность по полю почти
не изменяется.
Коэффициент усиления лучистого потока у однокамерного ЭОПа
достигает нескольких десятков.
Для работы в инфракрасной области спектра до 8—10 мкм применяют
эвапорограф (рис. VII. 14, б). В вакуумной камере 1 находится
тонкая мембрана 3, покрытая слоем черни, хорошо поглощающей тепло-
вые лучи. Оптическая система проектирует инфракрасное изображение 2
на мембрану, на обратной стороне которой сконденсирован тонкий слой 4
летучей жидкости. Скорость испарения жидкости с каждой точки мембраны
зависит от температуры, пропорциональной, в свою очередь, лучистом)
потоку, упавшему на эту точку. Образующийся таким образом на слое
жидкости рельеф повторяет структуру изображения. Этот рельеф можно
наблюдать в интерференционных цветах, возникающих при специальной
подсветке. Рельеф формируется за время от долей секунды до минуты и
сохраняется в течение примерно 10 мин. Современный эвапорограф обна-
руживает минимальную разность энергетической освещенности 10“5 вт см-
и имеет разрешающую способность около 10 штрихов!мм.
Передающие телевизионные трубки представляют собой
приемники излучения, преобразующие световое изображение в после-
довательные электрические сигналы. Фотокатод, действие которого в за-
висимости от типа трубки основано на внутреннем или внешнем фотоэф-
фекте, превращает спроектированное на него оптическое изображение
в электронное. С помощью отклоняющей системы фотокатод прямо или
косвенно сканируется электронным лучом. При этом на выходе трубки
образуется видеосигнал.
Величина последнего в каждый данный момент зависит от осве-
щенности той точки фотокатода, через которую в этот момент пробегает
электронный луч.
Наибольшее распространение получили передающие телевизионные
трубки типа видикон и суперортикон.
При работе с видиконом видеосигнал прямо пропорционален освещен-
ности фотокатода в пределах от 10 до 100 лк, тогда как максимальное зна-
чение освещенности может достигать 1000 лк. В случае очень ярких объек-
тов вокруг их изображения на экране кинескопа появляются темные
ореолы, а также наблюдаются вторичные смещенные слабые изображения.
Спектральная область чувствительности зависит от материала фотока-
тода и прозрачности окна, через которое свет поступает в трубку. Разре-
шающая способность при 625-строчной развертке составляет около 300 ли-
ний на кадр.
Суперортикон по сравнению с видиконом менее инерционен и требует
на порядок меньшую освещенность фотокатода. Однако суперортикон
значительно более сложен по устройству и в эксплуатации.
172
Оптическим приемником излучения, используемым в микроскопах для
преобразования невидимого ультрафиолетового изображения в видимое,
является люминесцирующий экран. Действие его основано на
способности некоторых веществ под действием коротковолнового излуче-
ния испускать длинноволновое.
При работе микроскопа с тем или иным приемником излучения необ-
ходимо, чтобы наименьший разрешаемый приемником интервал 7? был не
более разрешающей способности микроскопа в плоскости изображения,
спроектированного на фэтокатод. Следовательно, масштаб изображения
должен быть:
(VII. 23)
где А — апертура объектива;
л — длина волны света.
8. Приемники излучения
для измерения лучистого потока
Для измерения энергии лучистого потока в микроскопии применяют
фотоэлектрические и тепловые приемники излучения. Первые превращают
энергию лучистого потока в электрическую, вторые — в тепловую. Дей-
ствие фотоэлектрических приемников основано на вентильном, внешнем
или внутреннем фотоэффекте.
Фотоэлементы с запирающим слоем генерируют
э. д. с. под действием падающего на них лучистого потока и поэтому не
требуют для работы внешнего источника напряжения. Представителем
этого типа приемников является селеновый фотоэлемент, имеющий инте-
гральную чувствительность 600 мка/лм. Его пороговая чувствительность
10'4 лм. Ток в цепи при малом нагрузочном сопротивлении пропорцио-
нален падающему потоку в пределах до 1 лм. При больших сопротивле-
ниях или потоках пропорциональность нарушается. Если освещенность
достигает нескольких тысяч люкс, то чувствительность фотоэлемента
падает на несколько десятков процентов. Инерционность фотоэлемента —
10" 3 сек. Замечательная особенность селенового фотоэлемента заключается
в том, что спектральные характеристики глаза и фотоэлемента (в сочета-
нии со светофильтром ЗС-8 + ЖЗС-18) подобны друг другу.
В микроскопии обычно требуется измерять потоки излучения неболь-
шой мощности. Наиболее подходят для этой цели фотоэлектрон-
ные умножители (ФЭУ), представляющие собой комбинацию
фотоэлемента с внешним фотоэффектом и электронного умножителя. Вся
система монтируется в одном вакуумном объеме (рис. VII. 15). Фотокатод К
под действием падающего лучистого потока эмиттирует электроны, кото-
рые собираются электронно-оптической системой входа Э и фокусируются
на первый динод Dx. В результате вторичной электронной эмиссии с ди-
нода О, вылетает большее количество электронов, направляемых на ди-
нод D.,. Последовательное умножение потока электронов на всех динодах
приводит к увеличению фототока, снимаемого с анода А, до 109 раз.
Напряжение питания между электродами распределяется с помощью
делителя, состоящего из набора сопротивлений R.
173
Характеристики ФЭУ, применяемых в микроскопах, приведены в
табл. VII.6. Оптический вход у всех этих ФЭУ — торцевой.
Интегральная чувствительность измеряется для излучения источника
с температурой тела накала Тц = 2854° К. Чувствительность фотокатода
в различных его точках различна. Это заставляет помещать ФЭУ в пло-
скости, сопряженной со зрачком микроскопа, где световой поток
усредняется по всей площади.
Рис. VII. 15. Схема фотоэлектронного умножителя
Спектральная чувствительность ФЭУ зависит от материала фотокатода
и прозрачности светового окна. Фотокатоды бывают сурьмяно-цезиевые,
кислородно-серебряно-цезиевые, висмуто-серебряно-цезиевые, много-
щелочные, цезий-теллуровые. Спектральные характеристики различных
Таблица VII.6
Характеристики фотоумножителей
Тип ФЭУ Область спектральной чувствитель- ности в нм Область мак- симальной спектральной чувствитель- ности в нм * 5 я S g Я * Ч о Я Л QJ л ч н о s X « SA «• ф сх м с- S I- h д s ф о f- о * ± f- м О X- £ Я >>о и X X ЕГ X « к ф , я ° е Ф - га S ье s и о о X S st« Наибольший темновой ток в на Наибольший постоянный ток на вы- ходе в мка Диаметр ра- бочей пло- щади фото- катода в мм Наибольшая длина в мм 11а ибольший диаметр в мм
ФЭУ-27 ФЭУ-31 ФЭУ-38 ФЭУ-39 ФЭУ-64 ФЭУ-71 ФЭУ-795 330—780 330—600 330—830 180—600 330—600 180—600 330—830 480—520 380—420 400—440 380—420 380—420 420—460 400—440 30 20 60 25 25 30 60 2000 3 1400 2 2900 4 1700 3 1500 4 1300 4 2000 4 5 1 500 2 5000 4 300 3 50 4 500 4 50 4 50 400 100 100 50 100 25 18 34 34 5 16 6 105 79 200 178 175 120 178 29.5 22.5 48,5 48.5 48,5 34 48,5 ’
1 При анодной чувствительности 1 а/лм. 2 При анодной чувствительности 10 а/лм. 3 При анодной чувствительности 100 а/лм. 4 При анодной чувствительности 1000 а/лм. 6 Данные ориентировочные. i
174
образцов однотипных ФЭУ могут отличаться одна от другой на несколько
десятков нанометров.
Пороговая чувствительность ФЭУ определяется темновым током, кото-
рый растет с увеличением напряжения питания. Уменьшить темновой ток
и тем самым повысить пороговую чувствительность можно путем охлажде-
ния ФЭУ.
Анодный ток ФЭУ прямо пропорционален величине потока излучения.
Инерционность системы очень мала и доходит до долей микросекунды.
В последнее время получили распространение полупроводниковые
приемники излучения: фотосопротивления и фотодиоды. Действие первых
основано на внутреннем фотоэффекте, вторых — на вентильном. Как те,
так и другие обычно применяются в микроскопах для работы в релейном
режиме, но они могут быть использованы и для измерения энергии лучи-
стого потока в видимой и инфракрасной области спектра.
Фотосопротивления типа ФСА из PbS чувствительны к из-
лучению вплоть до длины волны X = 2,7 мкм. Их интегральная чувстви-
тельность составляет около 8 ма/лм. Недостаток: сопротивление меняется
не пропорционально измеряемому потоку излучения. Длинноволновая
граница спектральной чувствительности фотосопротивлений из PbSe
достигает 5,5 мкм, а германиевых —. 15 мкм. Серьезным недостатком
фотосопротивлений является зависимость их чувствительности от темпе-
ратуры.
В отличие от фотосопротивлений фотодиоды имеют линейную
световую характеристику, т. е. ток, протекающий в пепи, пропорционален
лучистому потоку. Однако спектральная чувствительность фотодиода,
например ФДК-1, ограничивается длиной волны 1,8 мкм, а интегральная
чувствительность не превышает 3 ма!лм.
Все фотоэлектрические приемники излучения •— селективные при-
емники. Этого недостатка лишены тепловые приемники, которые приме-
няются, преимущественно, для измерения энергии лучистого потока в ин-
фракрасной области спектра.
Термоэлемент представляет собой два соединенных по концам
проводника, например, из висмута и олова. Нагревание одного из спаев
за счет поглощения падающего на него потока приводит к появлению в цепи
электродвижущей силы, пропорциональной потоку излучения. Последо-
вательное соединение нескольких элементов образует термостолбик. Чув-
ствительность такого приемника составляет 7 мкв/мквт при инерцион-
ности 1/25 сек. Размер рабочей площадки 4 мм2; пороговая чувствитель-
ность 10'8 вт.
Болометр — прибор, чувствительным элементом которого служит
очень тонкая металлическая или полупроводниковая пластинка, покры-
тая слоем черни. Лучистый поток, поглощенный чернью, превращается
в тепловую энергию, что приводит к нагреву пластинки. В результате
сопротивление пластинки изменяется пропорционально падающему на нее
потоку. Пластинка включена в одно из плеч моста Уотсона, с помощью
которого производятся измерения. Чувствительность современных боло-
метров с металлической пластинкой достигает 25 в/вт. Их пороговая чув-
ствительность равна 10_8—10~10 вт, а инерционность около 10 мсек.
Болометры с полупроводниковой пластинкой имеют чувствительность до
5 кв!вт.
175
Глава VIII
ОБЪЕКТИВЫ, ОКУЛЯРЫ, КОЛЛЕКТОРЫ
И КОНДЕНСОРЫ МИКРОСКОПОВ
Большое разнообразие микроскопов, применяемых в пауке и технике,
вызывает необходимость комплектации их различными объективами, оку-
лярами и осветительными устройствами. Современнные оптические кон-
струкции микрообъективов достигли высокой степени совершенства;
числовая апертура их близка к предельной, разрешающая способность
в центре поля зрения мало отличается от теоретической. Однако еще не-
полностью исчерпаны возможности получения в широкоугольных высоко-
апертурных микрообъективах по всему полю зрения такого же четкого и
контрастного изображения, какое получается в центре поля; поэтому
продолжаются разработки более совершенных специальных линзовых и
зеркально-линзовых объективов с использованием новых марок стекол,
кристаллов и асферических поверхностей.
Современные достижения вычислительной техники дают возможность
быстро и достаточно подробно исследовать оптическую систему; автома-
тические электронные вычислительные машины позволяют путем расчета
хода лучей представить геометрическую картину изображения и рас-
пределение в ней энергии. Особое значение приобретает оценка качества
изображения, даваемого микроскопом в связи с использованием последнего
совместно с различными приемниками лучистой энергии (ЭОП, эвапоро-
граф и т. д.).
В настоящей главе рассматриваются некоторые конструкции объекти-
вов, окуляров, коллекторов и конденсоров, которые находят практическое
применение.
Объектив микроскопа представляет собой сложную оптическую систему,
дающую увеличенное изображение предмета, и является основной и наи-
более ответственной частью микроскопа. Микрообъективы могут отли-
та б л и ц а VIII.1
Три группы объективов
Труп- па Объективы Числовая апертура Увели- чение в крат
I Малых увели- чений и апертур Д<0,2 р<ю
II Средних увели- чений и апертур Д<0,65 Р^40
III Больших уве- личений и апер- тур Д>0,65 Р>40
чаться оптическими характеристи-
ками и конструкцией.
Существует ряд типовых кон-
струкций объективов, характери-
зуемых:
1) по степени совершенства
исправлений аберраций:ахроматы,
пол у апохроматы (флюоритовые),
апохроматы, монохроматы, объек-
тивы с исправленной кривизной
поверхности изображения (план-
монохроматы, планахроматы и
планапохроматы);
2) по длине тубуса микроскопа:
а) 160 мм для проходящего
света (прозрачные объективы, на-
ходящиеся под защитным стеклом
толщиной 0,17 мм и более);
176
б) 190 мм — для отраженного света (непрозрачные объективы без
покровного стекла);
в) тубус бесконечность для проходящего и отраженного света (про-
зрачных и непрозрачных объектов);
3) по свойствам иммерсии:
а) безыммерспонные (сухие системы);
б) иммерсионные системы (масляная, водная, глицериновая, вазели-
новая, монобромнафталиновая, органическая, специальные для исследо-
вания толстослойных желатиновых эмульсий, для инфракрасной области
спектра и др.);
4) по особенностям оптических устройств и назначению: линзовые,
зеркальные и зеркально-линзовые;
5) по конструктивному оформлению оптики объективов: в нормаль-
ной оправе, узкой оправе, короткой оправе, с коррекционной оправой,
в пружинящей оправе.
Объективы микроскопа в зависимости от числовой апертуры и уве-
личения можно условно разбить на три группы (табл. VIII. 1).
Рассмотрим основные отличительные свойства наиболее распростра-
ненных типов объективов микроскопов.
А. ЛИНЗОВЫЕ ОБЪЕКТИВЫ
1 Объективы-ахроматы
В рассматриваемом типе объективов соблюдено условие апланатизма
(см. гл. III), т. е. для точки на оси в пределах всей апертуры исправлена
сферическая аберрация и удовлетворено условие синусов, а также уничто-
жен хроматизм положения для двух цветов. Астигматизм внеосевых точек
поля зрения не превышает допустимой величины (—4 дптр). В объекти-
вах-ахроматах остается неисправленным вторичный спектр и недостаточно
хороню корригирована сферохроматическая аберрация.
В объективах малых увеличений хроматизм увеличения практически
отсутствует. В объективах средних увеличений для видимой области
спектра он не превышает 0,5—0,7%. Особенно заметно выступают сферо-
хроматическая аберрация и кривизна изображения в объективах больших
увеличений. Хроматизм увеличения в этих объективах для видимой области
спектра составляет 1 —1,8%, а кривизна изображения при наблюдении
с окулярами малых увеличений доходит до 20 мм и более на краю поля
зрения.
Объективы с числовой апертурой до 0,1—0,15 и фокусным расстоянием
не менее 25 мм, применяемые для тубуса бесконечность, обычно состоят
из одного ахроматического компонента, склеенного из двух линз. В них
хорошо исправляются сферическая аберрация, кома и хроматизм поло-
жения при свободном выборе марок стекол.
При длине тубуса 160 и 190 мм двухлинзовый объектив не устанавли-
вается в револьвере микроскопа, так как в соответствии с рабочим расстоя-
нием его следовало бы поместить внутри тубуса микроскопа; кроме того,
чтобы сфокусировать микроскоп на объект, требуется стол микроскопа
опустить вниз на значительную величину. Чтобы обеспечить возможность
использования слабых объективов, например, с увеличением |3 = —1
и полем зрения до 20—24 мм, их оптическая система выполняется по типу
12 Г. Е. Скворцов и др.
177
Рис. VIII. 1. Объективы-ахроматы: а — 1X0,03; б — 8X0,20; в—10x0,30
иг — 90х 1,25 масляной иммерсии
178
N3
*
*6ZI
Аберрации
Точка на осн
Зона D ASC ASy? Asg
Wu' s' 6s' n%
0 0 152,58 0 0 0,79 —0,25 1,10
—0,2 ^1/2 1,76 151,70 —0,88 0,02 —0,36 —0,38 1,72
—0,2 2,48 152,26 —0,32 0,05 —0,09 1.17 4,21
Длина тубуса 160мм Толщина покровного стекла 0,17мм
Волновая аберрация в Хр
Зона D c F G'
—0,2 /1/4 —0,04 —0,14 —0,04 —0,23
—0,2 /1/2 —0,02 —0,20 —0,05 —0,49
—0,2 /374 0,01 —0,23 —0,11 —0,88
—0.2 0,00 —0,28 —0,28 —1,50
np Парка стекла С8.а
r, = nj dr 1,0 1,6975 ТФ 1 5.8
гг =8,95 dr 3.0 1,5181 КФ 9 6,3
r3 =-8,93 dr 13,73 1,0 6.3
Tr 199,9 dr 1,0 1,6975 ТФ 1 7.5
r5= 13,67 d5^,0 1,5181 КФ 9 7,6
r =-13,81 7,6
Фокусное расстояние объектива 18 мм
Действующее отверстие на последней поверхности
/А. -ю s в
-0,7
159 155 s
Точка вне оси
lD 1с lF й’ lF ~ lC 1 C ~ lD
1D lD
4,5 4,449 4,447 4,448 0,000 —0,001
9,0 8,999 8,995 8,986 0,000 —0,001
Предмет на поверхности
Пецваля
Зона I’ =9,0
102a' | I’
+0,2 /1 —3,40 8,97
+0,2 /172 —4,13 8,97
0 -5,90 9,00
—0,2 /172 —7,64 9,02
-0,2 /Т —8,32 8,98
-3
-О
-5
~6
-7
~8
-9
Ри<?. VIH.2. Конструктивные элементы и графики аберраций объектива-ахромата 8X0.20
«перевернутого» телеобъектива. Конструкция такого объектива ОМ-ЗО
дана на рис. VII 1.1, а.
Объективы-ахроматы с увеличением свыше пяти, но не больше десяти,
обычно состоят из двух двойных склеенных линз, расположенных на конеч-
ном расстоянии одна
Рис. VIII.3. Схема распо-
ложения объективов отно-
сительно тубуса микро-
скопа: А — верхний срез
тубуса; В — плоскость
изображения (с нею сов-
мещается фокальная плос-
кость окуляра); С—диа-
фрагма в оправе объек-
тива; D—нижний срез
тубуса; Е— вершина пос-
ледней поверхности объек-
тива; F — вершина первой
поверхности объектива;
g — предмет; Н—верхняя
поверхность покровного
стекла (толщина покров-
ного стекла d ~ 0,17 мм)
от другой (объективы дублеты). Числовая апертура
этих объективов не превышает0,20. На рис.VIII. 1, б
дан объектив 8x0,20 (М-42); линзы объектива
в оправах установлены в общий корпус и за-
креплены зажимным кольцом. Конструктив-
ные элементы и графики остаточных аберраций
объектива 8x0,20 приведены на рис. VIII.2.
Оптика объектива 8x0,20 применяется в объек-
тиве 9x0,20 (тубус 190 мм ОМ-13П, см. приложе-
ние). Схема расположения обоих объективов отно-
сительно тубуса микроскопа дана на рис. VIП.З.
8 X 0,20 9 X 0,20 8 > С 0,20 9 X 0,20
AD 160 190 Bg- 179,91 201,4
АВ = 13,0 ВН = 179,74 —
ВС= 151,13 173 CD = 3,87 —
EF 19,7 DE = 4,13 4
Fg -- 9,08 8,7 CF -= 27,7 —
FH 8.91 — DF =-- 23,83 15,7
Для увеличения апертуры до 0,30 к двум двой-
ным склеенным линзам обычно прибавляется
плоско-выпуклая фронтальная линза. Такую опти-
ческую конструкцию из пяти линз имеют, на-
пример, объективы 10x0,30 (ОМ-5, ОЗ-10ИК,
рис. VIII.1, в), 20X0,40 и 40X0,65 и др. На
рис. VIII.4 и VIII.5 приведены конструктивные
элементы и графики аберрации соответственно
объективам 20x0,40; 40x0,65.
В большинстве случаев в объективах средних
и больших апертур радиус кривизны второй (вы-
пуклой) поверхности фронтальной линзы опреде-
ляется из условия, чтобы изображение, даваемое
первой плоской поверхностью, находилось вблизи
апланатической точки второй (выпуклой) поверх-
ности; отрицательная сферическая аберрация,
возникающая в результате преломления лучей че-
рез плоскую поверхность, устраняется последую-
щими компонентами системы. В объективах с боль-
шой апертурой такая первая плоская поверхность
дает большую отрицательную сферическую и сферохроматическую абер-
рации высших порядков, полностью устранить которые остальной частью
системы в большинстве случаев не представляется возможным. Замена
плоской поверхности вогнутой в значительной степени уменьшает эти
остаточные аберрации.
180
Аберрации
Точка на оси
Точка вне оси
Предмет на поверхности
Зона D Asc As^ Asp >
Ю’и' s' 6s' 11%
0 -0,4 1/2 1,44 161,70 157,93 —3,77 0,02 1,38 —3,15 —0,49 —2,43 1,81 1,71
-0,4 2,03 160,86 —0,84 0,03 —1,07 3,10 10,25
Волновая аберрация в Лр
Зона D с F G'
—0,4 —0,06 —0,21 —0,09 —0,21
—0,4 JX1/2 —0,02 —0,21 -0,10 —0,41
—0,4 Кз/4 0,05 —0,17 —0,19 —0,72
—0,4 0,0 —0,21 —0,51 —1,25
Алика тубуса 160 мм. Толщина покровноео стекла 0,17мм
Фокусное расстояние объекта6а 8,9мм
Действующее отверстие на последней поверхности
г^ста dm2,0
г2’‘~9,00 d2‘1,2
r3=<~m> di‘1,5
т,=6,50 5^1,6
г^-7,97 d}-7,9
rs=53,28 dr 1,0
r7~8,55 d7=1,8
rs =-10,51
1,5197
1,6975
1,5197
1,6975
1,5197
Парка
стекла
БК2
Св.0
Пецваля
Зона I' == 4,5 Г = 9,0 I
102o' Z' 102(j' Z'
-0,4 —4,76 4,49 —7,45 8,89
—0,4 [/’1/2 —4,52 4,54 —6,94 8,97
0 —2,78 4,50 —5,56 9,00
0,4 1 1/2 —1,03 4,47 —4,17 9,03
0,4 —0,7n 4,52 —3,63 9,11
ТФ1
БК2
ТФ1
БК2
2,7
3,7
9,9
5,1
6,3
6,5
lD lC lF 1 1 I , , I. \ lF~ lC \ !G' ~~lD i ! z' " 1 ld
О i 0,007 I 0,007
0,007 | 0,007
o jo Io .
&.0j 8,980 9,041 9,066'
10гб
9,0
О
9,9 V V I
10 5
0,7
0,б1
0,5
160 165 s'Suw
9,5
-1
-2
~3
О
Ч
-5
10z5'
Л
-5 -
-6
-7
8,9 9,0 Of I
Рис. VIII.4. Конструктивные элементы и графики аберраций объектива-ахромата 20X0.40
CO
to
Зона Аберраций Точка на оси
D ЛТ
Ю2и' 1 s' I 6s' П%
I ° 0,0 168,221 00 00 —2,84
^0,65 JXI72 1,21 160,311 -7,91 —0,54 —6,16
—0,65 1,63 168,64 | 0,42 —0,63| 0,53
Длина тубуса 160 нм Толщина покровного стекла 0,17ин
Фокусное расстояние объектива 6,5нм
Действующее отверстие на последней поверхности
определяет ‘-листовую апертуру объектива
волновая аберрация в
Зона £> с F °'
-0,65 У1/4 -0,65 1/2 —0,04 —0,03 -0,13 —0,20 -0,02 —0,01 —0,20 —0,40
—0,65 1 3/4 0,01 —0,23 —0,02 —0,69
—0,6b 0,0 —0,29 -0,11 —1,04
ггЧ,85
mm cue
rf-~5,60
rs=26,53
r-r5,59
rr-'l,98
Парка стекла Св.а>
d=1,72 1,5100 КЗ 1,6
d=0,22 3
d-1,3 1,6725 T<P2 3,5
(M,5 1,5100 КЗ 3,8
d=3,52 3,8
d=/,0 1,6185 Ф2 5,3
d=1,8 1,5100 КЗ 5,8
5,8
Ws'Su„
Точка вне осй
Предмет на поверхности
Зона Р = 4,5 1' ~ 9,0
102п' Г 1 102<т' 1г
—0,65 —0,65 /'172 —4,35 —4,09 4,68 4,58 —7,26 —6,45 9,70 9,02
0 —2,68 4,50 —5,35 9 00
0,65 JV1/2 —1,14 4,35 —4,04 8,77
0,65 —1,02 4,54 —3,65 8,98
0,0
8,976
0,008
0,008
Рис. VIII.5. Конструк-
тивные элементы и гра-
фики аберраций объек-
тива-ахромата 40.Х 0,65
Аберрации
Точка на осн
Зона I 102 + _ ° 1 , I “с As + As,,/
s' 1 6s' ч%
1 0 170,77 0 0 3,91 0,41 —,81
—1,25 J/1/2 | 1,01 ; 165,42 —5,35 0,1:- 49 —2,23. 10,68
—1,25 ! 1,41 i 168.13; —2,64 0,08, —0,09 2,70.1 20,58
Волновая аберрация в Хр
3 о н а О С + G'
-1,25 ]/'1Д —0,06; —0.21', —0,11| —0,53
— 1,25 ’/1/2 -0.0.3 —0,30 —0,17 —1,08
—1,25 у 3/4 । 0,02' —0,37 —0,281 —1,76
—1,25 1 0,00’ —0,501—0,50, —2,66
Точка вне оси
Предмет на поверхности
Пецваля
Зона /' = 4,5 /'=9,0
102а' | Z' | Ю’о' | Z'
Длина тубуса 160мм .толщина покровного стекла 0,17мм
У Марка стекла 66.0
r,-rv dу 0,92 1,5263 К20 1,0
г2=-0,78 d2=0,05 1,55
г3=-7,88 dу-1,00 1,5110 К 5 2.5
Гу-2,00 dy0,20 3,0
г5—39,015 dу 1.00 1,6975 ТФ? 3,9
гв= 5,29 d6- 1,75 1,5009 К2
г-,-9,0 2 d у 1,99 9,9
гв-101,8 d8 =1,00 1,7398 ТФ9 9,6
гу5,66 ds=1,50 1,5110 К 5
г1О-7Д9 9,8
+ 1,25 J/3/4! —1,38 4,49 8,96
+1,25 К1/2; ! —4,23
+1,25 4 1/4 —1,92 4,48
0 —2,64 4,50 —5,26 9,00
—1,25 J/”1/2 —3,60 4,55 —6,12 8,95
-1,25 Кз/4 —3,76 4,48
lD 1с 1Е lG' lF ~ 1С lG' ~ lD
lD lD
0 9,0 00 8,947 00 9,121 00 9,212 0,019 0,019 0,024 0,024
Фокусное расстояние объектива 1,96мм
Действующее отверстие на последней поверхности
определяет числовую апертуру объектива
\10ги
2Д
-5 0 5 6s’
-1 0 1ii,% -I.OXd -ОДДц О 0,5ЛЛ
9,9 6,5 9,6 I
Рис. VIII.6. Кон-
структивные эле-
менты и графики
аберраций объекти-
ва-ахромата
90X 1,25 масляной
иммерсии
Применение перед фронтальной линзой однородной иммерсии с опти-
ческими константами, равными константам покровного стекла и фронталь-
ной линзы, устраняет в этой части объектива указанные выше аберрации,
так как препарат находится в прозрачной однородной среде и лучи до вто-
рой поверхности фронтальной линзы не испытывают преломления. В этом
случае может быть легко выполнено условие апланатизма, если точку
предмета, расположенную на оптической оси, поместить в одну из аплана-
тических точек второй поверхности фронтальной линзы.
Иммерсионные объективы-ахроматы больших увеличение! преимуще-
ственно состоят из четырех компонентов: фронтальной линзы, затем
мениска, по форме близкого к апланатическому, и двух двухлпнзовых
компонентов. На рис. VIII.1, г приведен объектив 90X1,25 (М-101)
масляной иммерсии, а на рис. VIII.6 его конструктивные элементы и оста-
точные аберрации. В конструкции, приведенной на рис. VIII.1, г, линзы
объектива центрируются по автоколлимации с оправами и устанавли-
ваются в общий корпус. Для устранения погрешностей изготовления дета-
лей и сборки оправа второй фронтальной линзы посажена в корпус с ра-
диальным зазором. Перемещением этой линзы в плоскости, перпендику-
лярной оптической оси объектива, добиваются требуемого качества
изображения. Такая система юстировки применяется во всех сильных
микрообъективах. Наряду с объективами, рассчитанными для примене-
ния с масляной иммерсией, применяются также объективы с водной им-
мерсией для наблюдения живых микроорганизмов в воде. В объективах для
водной иммерсии с целью улучшения коррекции аберрации соприка-
сающейся с водой первой фронтальной поверхности придается преимуще-
ственно вогнутая форма (например, апохромат 70X 1,23, рис. VIII.9, в).
2. Объективы-апохроматы
В этих системах практически отсутствует вторичный спектр, выпол-
нено условие синусов по меньшей мере для двух цветов, исправлена сферо-
хроматическая аберрация. Объективы-апохроматы дают совершенно бес-
цветное изображение. Аналогично объективам-ахроматам больших увели-
чений апохроматы обладают большой кривизной поверхности изображения
и хроматизмом увеличения. Весьма совершенное исправление хромати-
ческих аберраций для точки на оси достигается применением особых марок
стекол и кристаллов.
Объективы-апохроматы с числовой апертурой до 0,3 состоят из трех
компонентов. К таким конструкциям относятся объективы 6x0,15 (ОС-6),
10x0,30 (ОМ-18), 15x0,30 (ОС-16) (рис. VIII.7, а) и др. Положитель-
ные линзы второго и третьего компонента рассчитаны из флюорита.
В табл. VIII.2 и VIII.3 приведены конструктивные элементы и остаточ-
ные аберрации объективов 6x0,15 и 10x0,30.
На рис. VIII.7, б и VIII.7, в даны конструкции двух сухих объективов
больших апертур 20x0,65 (ОМ-21) и 40X0,95 (ОМ-16). На рис. VIII.8
приведены конструктивные элементы и остаточные аберрации объектива
20x0,65; объектив ОМ-16 имеет предельную числовую апертуру 0,95 и
поэтому он снабжен коррекционной оправой, при вращении которой про-
исходит изменение второго воздушного промежутка между компонентами,
чем производится компенсация аберраций, вызванных покровным стеклом
184
в случае его отступления от расчетной толщины d = 0,17 мм. Фронталь-
ный компонент имеет форму мениска. Первая его преломляющая поверх-
ность — вогнутая.
Рис. УШ.7. Объективы-апохроматы: а — малого увеличения; б и в — больших апертур
(20X0,65 и 40X0,95)
Таблица УШ.2
Конструктивные элементы н аберрации
объектива-апохромата 6X0,15 (ОС-6)
Радиусы в мм Толщины и расстоя- ния между линзами в мм Марки стекол
; Л‘2 /’а = —14.19 dx = 3,05 БКЮ
-= 127,396 Щ = 20,5
= 19,97 d3 = 2,25 K8
Г:, - 22.08 dt = 2,25 Флюорит
Гц -- 40,46 dh = 2,7
г- = 20,51 dfl = 2,25 БФ27
rg = —20,51 rf7 4,0 Флюорит
= —40,46 d8 = 2,25 БФ17
Точка на оси
Зон а D Asc Asf Asg' |
S' <5s' 11%
0 146,003 0,051 —0,050 0,221 i
1 1,77 146,000 —0,003 0,016 0,014 0,011 0,344 |
1 2,50 146,084 0,081 0,030 0,074 0,185 0,555 I
185
Продолжение табл. VII 1.2
Волновая аберрация в
Зона D с F G'
0 0 0 0 0
Г У 0,00 —0,01 0,01 —0,07
1 —0,01 —0,02 0,00 —0,18
Точка вне оси
Предмет на поверхности Пецваля
Зона Г = 4,5 Z'=9,0
102а' Г 102а' 1'
1 —5.57 4,506 —8,63 9,022
1 112 —4,85 4,505 —7,90 9,014
0 —3,08 4,500 —6,16 9,000
— р/2 — 1,31 4,500 —4,39 8,994
—1 —0,58 4,503 —3,65 8,997
Хроматизм увеличения по всему полю зрения
/ Р ~~ I Q I г “ t f—\
---------- 100 = 0,8; ----------, юо = 0,5.
lD lD
Г
4,5 9,0 —0,52
Таблица VIII.3
Конструктивные элементы и аберрации
объектива-апохромата 10X0,30 (ОМ-18)
Толщины и расстоя-
Радиусы в .им ния между линзами Марки стекол
в мм
н = со dY = 2,0 ЛФ1 i
^2 = —8,00 У = 7,5
Гз <х> У == 1.5 К8
г* == 13,57 У = 1,5 Флюорит
Г 5 — 13,57 У = 10,4
Г» 31,00 d.Q == 1,5 ЛФ11
- --- 12,40 d7 = 2,0 Флюорит
— 12,40 ds = 1,5 ЛФ11
Г-, = —21,38
186
Точка на оси
1 i Зона D As С As р Ч' As, 'MOO Asa Л360
102и' S' 6s' Л%
0 0 146,91 0,34 —0,75 —0,99 —0,95 —0,21
1 р 2,18 145,99 —0,92 0,02 —0,69 — 1,36 — 1,41 — 1,16 —0,07
~ 1 3,07 146,42 —0,49 0,06 0,38 —0,70 —0,52 —0,09 1,28
Волновая аберрация в
Зона D с F G' ^4 0 0 ^3 <10
0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
I ‘-4 —0,07 —0,13 0,05 0,09 0,08 —0,09
ГР —0,06 —0,17 0,18 0,24 0,18 —0,19
ГР —0,01 —0,16 0,30 0,36 0,24 —0,36
; 1 0,00 —0,19 0,36 0,39 0,20 —0,66
Точка вне оси
Предмет на поверхности Пецваля
Зона V =4,5 /'=9
102с' | 1' 102о' Z'
1 —6,11 4,53 —9,13 2,06
1 р —5,22 4,52 —8,26 9,04
0 —3,06 4,50 —6,12 9,00
- 1 1 2 —0,87 4,48 —3,94 8,98
1 0,03 4,49 —3,04 9,00
Хроматизм увеличения по всему полю зрения
Р l(-~ lG, Ip
——;------- 100=1,2; ---------,---100=1,5.
2 —= — 0,0826
г
lD ч
4,5 —0,84
9,0 —3,35
На рис. VI11.9, а, б, в приведены иммерсионные объективы-апохро-
маты 60 X 1,0 = 0,7 (ОМ-15) и 90x 1,30 (ОМ-20) масляной иммерсии и
70 < 1,23 (ОМ-25) водной иммерсии. На рис. VIII. 10 даны конструктивные
элементы и аберрации объектива 60x1,0. Объективы ОМ-15 и ОМ-20
имеют аналогичные оптические схемы. Первая фронтальная линза — плос-
ко-выпуклая, толщина ее по центру составляет больше полусферы; вторая
линза — апланатическая. Положительные линзы третьего и четвертого
компонентов выполнены из флюорита, а средняя двояковогнутая линза
четвертого компонента — из квасцов. В объективе ОМ-15 между третьим
и четвертым компонентами размещена ирисовая апертурная диафрагма,
€ помощью которой осуществляется регулировка числовой апертуры и
187
00
00
Аберрации
Точка на оси
Зона
°'0
—0,65 У
—0,65 j/1/2
—0,65 /3/4
—0,65
102/Z s' 6s' л % asc
0,0 153,99 00 0,0 —0,27
1,67 152,79 —1,20 —0,05 1,00
2,37 152,27 —1,72 —0,07 1,50
2,90 152,66 —1,33 —0,07 1,14
3,31 154,41 0,42 —0,03 0,73
—1,45
—1.87
—1,54
—0,42
Волновая аберрация в /.£,
Зона D с F G'
—0,65 К174 —0,10 —0,16 —0,04 —0,18
—0,65 ]/ 1/2 —0,01 —0,04 0,10 —0,22
—0,65 К3/4 0,13 —0,02 0,26 —0.24
—0,65 0,00 —0,19 0,23 -0,40
Марка
стекла
СвФ
Точка вне осп
Предмет на поверхности
Пецваля
Зона 1' — 4,5 Г = 9,0
102а' Г 10га' 1’
0,44 4,54 —2,44 9,04
— 1 1/2 —0,51 4,45 —3,42 8,94 j
0 -2,92 4,50 —5,84 9,00
|/1/2 —5,24 4,54 —8,07 9,04
1 —6,16 4,55 —9,01 9,20 ।
d,= ^,no 1,56'38 ТК1
r2=~3,80 d2 = 0,56
r3^-32,0 d3=2,50 ',5696 БК9
’-8,58 (Lf-Z^O 1,53385 Флюорит
rs‘-7,l8 ds=7,50
re=70,00 d^ = 2,00 1,5163 88
r7 = ~13,15 d7-0,50
r„ = 76,25 dg-1,00 1,5332 8Ф8
rs‘9,18 d3=3,60 1,9-3385 Флюорит
Гю-9,18 d„~-1,O0 1,5153 8Ф1
r,,=-69.10
Длина myiyca 160нн. Толщина покровного отекла 0,17нм
Фокусное расстояние овъектива 8,93мм
Действующее отверстие на послеЗней поверхности
опоеОеляет числовую апертуру объектива
т2,,’ 1 I
3,0
5,0
7,0
7,7
1.7
Н.О
11,0
Т.0
10,3
10,3
10,3
102б’
9,9 9,5
,}0
10гб’
9,0 9,1 9,2 l'
Рис. VIII.8. Конструк-
тивные элементы и
графики аберраций
объектива-апохромата
20 \ 0.65
уменьшение последней до 0,7, что позволяет применять объектив для
наблюдения объектов в темном поле. За последней поверхностью линзы
этого объектива установлены две постоянные диафрагмы: одна на рас-
стоянии 1,5 мм, диаметром 6 мм, другая — на расстоянии 15 мм, диа-
метром 8 мм. Обе диафрагмы ограничивают ширину наклонных пучков,
улучшая тем самым качество изображения по полю. Оптическая схема
объектива-апохромата водной иммерсии 70x1,23 (ОМ-25) соответствует
схеме безылшсрсионного объектива-апохромата ОМ-16. Первая поверх-
рис. VIII.9. Объективы-апохроматы: а — 60X1,0—0,7 масляной иммерсии; б — 90X1,30
масляной иммерсии; в — 70X 1,23 водной иммерсии
ность фронтального мениска имеет вогнутую форму, радиус ее гл =
----- —4,5 мм. За последней поверхностью объектива на расстоянии 26,5 мм
находится ограничивающая ширину наклонных пучков диафрагма, свето-
вой диаметр которой равен 9 мм.
Ахроматы и апохроматы старой конструкции, предназначенные для
работы в проходящем свете, имеют высоту 33 мм (расстояние от объекта
до опорной плоскости объектива).
Несмотря на появление в последнее десятилетие планапохроматов
как в СССР, так и за рубежом, продолжается производство новых апохро-
матов для универсальных биологических и металлографических и других
микроскопов. Так, например, фирма «К. Цейсс» (г. Иена) разработала
комплект апохроматов (табл. VIII.4) для работы в проходящем свете;
высота этих апохроматов равна 45 мм. Этой же фирмой разработаны но-
вые ахроматы и планапохроматы с высотой 45 мм для биологических
микроскопов с длиной тубуса 160 мм. Равенство высот всех трех типов
объективов дает возможность их использовать в зависимости от потреб-
ности на одном и том же револьвере и тем самым избежать повреждения
объекта при переходе от одного объектива к другому, высота которых
ранее была различной.
189
Ирисовая
Длина туоуса 160 мм. Толщина покровного стекла 0,17мм
пл Марка стекла С60
а, = 1,30 1,515 Кедровое масло 1,7
г2=-1,087 d2=0,057 1,5262 К20 2,2
г3=-11,092 d3 = 1,376 3,1
г.<,=-2,759 dy=0,25 1,5098 КЗ 3,7
rs=^ d5 =0,908 7,5
ге = 6,80 d6 = 2,8 1,6052 БФ27 7,7
г7=-5,808 d7=1,1 1,73385 Флюорит 5,0
rs= (У) da=2,35 5,0
г9 = -5,008 dg=1,1 1Д3385 Флюорит 5,2
гк= 5,680 d„ = 2,6 1,5511 ЛФ1 5,5
г„ = - 12,82 d„=0,02 1,73385 Флюорит 5,7
г,г=<^> 5,2 = 2,03 1,5339 К15 5,7
г ,3-7,029 d,3 = 1,2 1Д562 Квасцы 6,2
гп= 7,929 d^ = 2,5 1,5183 КФ4 6,2
г,5=-112,98 6,5
,югв' ,Д0гб'
V 4,5 4;g l’ 8,8 8,9 90 9,1 9,21
° Срезается Оищррагмой А ' ' 'Срезается
-1 ' ' диафрагмой А
Рис. VIII.10. Конструктивные элементы и графики аберраций объектива-апохромата 60X1,0—0,7
Аберрации
Точка на оси
Зона D Asy? Asg-
102и' s' 6s'
0,0 0,00 161,84 0,00 0,00 —0,14 —0,84 —1,53
—0,60 /175 0,86 160,20 —1,60 0,03 —1,89 —1,95 —2,28
-0,60 /172 1,22 159,59 —2,25 0,06 —2,73 —2,26 —2,26
—0,60 /3/4 1,49 159,87 —1,97 0,12 —2,59 —1,66 —1,35
-0,60 1,70 161,24 —0,45 0,20 -1,12 -0,04 0,45
Волновая аберрация в
Зона D c (j'
- 0,60/174 -0,04 -0,03 —0,01 0,02
—0,60 /172 —0,03 0,01 0,02 0,05
-0,60/з75 0,00 0,08 0,03 0,06
—0,60 -0,03 0,09 —0,01 0,00
Точка вне оси
Предмет на поверхности
Пецваля
Зона Г = 4,5 Z' = 9,0
102o' Z' 102a' Z'
-0,60 —0,89 4,56 —3,49 9,10
-0,60 /3/4 —1,08 4,47 —3,63 8,90
-0,60/172 -1,34 4,43 —3,88 8,83
-o,6o/i75 —1,72 4,44 -4,27 8,85
0 —2,60 4,49 —5,20 8,97
0,60 /Т75 —3,45 4,52 -6,05 9,08
0,60/1/2 —3,80 4,54 —6,38 9,11
0,60/з75 —4,07 4,56 —6,61 9,12
0,60 —4,27 4,56 —6,78 9,07
Предмет на поверхности Пецваля Предмет в плоскости Г аусса
i'd 4 lF ‘G’ lp — lc ‘D lG'~lD lD х т xs xs xm
в мм В %
4,486 8,976 4,461 8,922 4,541 9,084 4,583 9,170 0,018 0,018 0,022 0,022 —3,29 —12,69 —0,96 —4,53 —2,33 —8,16 0,010 0,079 0,25 0,89
'Г а б л п и а VIII.-'.
Увеличения, получаемые с помощью
объективов-апохроматов фирмы «К. Цейсс»
Окуляры РК 6,3х 40 8х 50 10х 63 12,5х 80 16х 100 20 х 125 25 ' 160 32 х 200
Апохромат 6,3/0.20 160/—
Апохромат 16/0,40 160/0,17 100 125 170 200 250 320 ! J 00 500
Апохромат 40/0,95 160/0,17 250 320 400 500 600 800 1000 1250
Апохромат 63/0,95 160/0,17 400 500 630 800 1000 1250 16011 2000
Апохромат HI 100/1,32 160/0,17 630 800 1000 1250 1600 2000 2506 3200
Апохромат Ш 100/1.40 160/0.17 630 800 1000 1250 1600 2000 25’6) 3200
Апохромат 16/0,40 имеет очень хорошую коррекцию и уменьшенную
кривизну изображения.
Апохроматы 40x0,95 и 63x0,95 снабжены коррекционными оправами
для компенсации аберрации вследствие различия в толщинах покровных
стекол. Объектив НПООх 1,40 вследствие наличия большой апертуры тре-
бует особой осторожности в работе. Если нет необходимости работать
при максимальном разрешении, то целесообразнее применять объектив
100X 1,32. В этих объективах была достигнута удовлетворительная сте-
пень коррекции кривизны поля изображения. Разрешающая способность
этих объективов лучше разрешающей способности старых иммерсионных
объективов. Для компенсации хроматизма увеличения с новыми апохро-
матами рекомендуется применять окуляры типа РК, увеличение которых
лежит в диапазоне от 6,3х до 32х. Апохроматы с увеличением от 40 :
до 100х изготовляются в пружинящих оправах.
3. Объективы с исправленной кривизной
поверхности изображения (планобъективы)
Планахроматы. Устранение кривизны изображения в объективах
микроскопа шло по следующим двум основным направлениям.
Первое из них — применение отрицательных линзовых компонентов,
систем типа телеобъектива, триплета и некоторых других комбинаций
оптических систем.
На рис. VIII.11, а приведена оптическая схема микрообъектива,
предложенного Зоннефельдом. За объективом обычной конструкции
(гх — г7) в почти параллельном ходе лучей размещен триплет (Д — гХ5),
у которого третий компонент выполнен из двух одиночных положитель-
ных линз. Коэффициент Пецваля триплета имеет противоположный знак
по сравнению с предшествующей системой. С объективом Зоннефельда
были достигнуты хорошие результаты. Brisch предложил несколько кор-
рекционных средств, практически устраняющих кривизну изображения.
Рассмотрим три из них, представляющих наибольший интерес.
1. За объективом малых увеличений применяется положительный ком-
понент и на значительном от него расстоянии — другой, сильно рассеи-
вающий компонент. Эти системы по конструкции аналогичны галилеевым
192
системам, которые могут использоваться в параллельных и слабосходя-
щихся пучках лучей.
2. Вместо одной простой фронтальной линзы применяются два ме-
ниска, причем первый — положительный, а второй — отрицательный
(рис. VIII.11, б). Мениски расположены на конечном расстоянии друг
от друга. Положительный мениск имеет более высокий показатель пре-
ломления по сравнению с отрицательным мениском. К наилучшим ва-
риантам следует отнести случаи, когда эти линзы являются апланати-
ческими.
3. В объективе применяется по меньшей мере пара практически апла-
натических поверхностей, из которых одна положительная, а другая
отрицательная. Каждая из этих поверхностей с другой стороны ограни-
Рис. VIII.11. Объективы-планахроматы: а — объектив Зоннефельда; б—-объектив с пер-
вым положительным и вторым отрицательным мениском ив — объектив с двумя апланати-
ческими поверхностями
чена плоскими поверхностями. На рис. VIII.11, в приведен объектив
с двумя апланатическими поверхностями г6 и г9, между которыми распо-
ложены две плоские поверхности г7 и г8.
Второй способ устранения кривизны изображения — применение тол-
стых менисков.
Ввиду того, что отдельные линзы микрообъективов не могут считаться
тонкими, то оптическая сила таких линз вычисляется по формуле
4- = (и _ 1) (J— ±.\ +11=121 d. (VIII.1)
Для двояковыпуклой положительной линзы последний член этой
формулы — отрицательный, а следовательно, и оптическая сила такой
линзы будет меньше бесконечно тонкой линзы с теми же радиусами кри-
визны. Чтобы получить оптическую силу такую же, как и у бесконечно
тонкой линзы, нужно увеличить кривизну поверхностей толстой линзы.
Но с уменьшением радиусов кривизны пецвалева сумма возрастает.
Например, если /д — —г2 -“= 3,5 мм, d = 2 мм и п = 1,5, то кривизна
возрастает на 10% по сравнению с тонкой линзой (d = 0). Особенно ве-
лика пецвалева сумма у сильных объективов вследствие малых величин
радиусов кривизны фронтальных линз. Так, например, в объективе
ОЭ-ЗТ (90 X 1,0) радиус кривизны второй поверхности фронтальной линзы
г, -= —1,147 мм, в объективе ОК-58 (58x0,60) радиус г2 = —1,05 мм,
в объективе ОМ-43 (85 X 1,20) он составляет всего лишь — 0,75 мм.
Однако с помощью менисков (г1 и г2 имеют один и тот же знак) имеется
возможность уменьшить пецвалеву сумму и тем самым уменьшить кри-
визну изображения. Из формулы (VIII. 1) видно, что можно получить раз-
ность----------отрицательной и достаточно большой, в то время как
\ Г1 Г2 /
13 г. Е. Скворцов и др.
193
фокусное расстояние остается положительным и линза будет действовать
как собирательная. Для этого должно быть выполнено неравенство
(VIII.2)
Рис. VIII. 12. Объективы-планахроматы
фирмы «К-Цейсе»: а — 3,5X0,1;
<5 —9X0,20; в —20X0,40 и г —40X0,65
В 1938 г. фирма «К. Цейсс» выпустила набор планахроматов. Автору
оптических систем этих микрообъективов Богегольду удалось уменьшить
кривизну изображения и астигматизм с помощью толстых менисковых
компенсаторов. На рис. VIII. 12, а приведена конструкция планахромата
3,5X0,1, рассчитанного для тубуса 160 мм и толщины покровного стекла
d =0,17 мм. В этом объективе компенсатор расположен перед объектом,
благодаря чему передний отрезок объектива несколько уменьшен, так
194
как главные плоскости объектива смещены в сторону пространства
изображений. На рис. VIII.12, б приведен планахромат 9X0,20 (ОМ-2),
который отличается от обычного ахромата 8x0,20 (М-42) тем, что после
склеенных компонентов он имеет менисковый компенсатор.
При конструировании слабых объективов применение такого добавоч-
ного мениска после склеенных компонентов позволяет полностью испра-
вить кривизну изображения и существенно увеличить рабочее расстояние
объектива. Однако для более сильных объективов необходимо приме-
нение более вогнутых менисков, чтобы существенно снизить у них пецва-
леву сумму. Мениски с крутыми радиусами из-за малых их диаметров не
могут быть помещены после объектива, так как сечение световых лучей
становится значительным. Увеличение же световых диаметров мениска
приводит к появлению недопустимой сферической аберрации высших по-
рядков. В этих случаях такой мениск с большой кривизной используется
как фронтальная линза, причем ее вогнутые поверхности обращены
в сторону объекта. Применение менискового компенсатора во фронталь-
ной части объектива уменьшает его рабочее расстояние. На рис. VIII. 12, в
приведена конструкция объектива 20x0,40 (ОМ-31), у которого вместо
обычной плоско-выпуклой линзы (объектива ОМ-27), применен менисковый
компенсатор. Кривизна изображения для I' = 9 мм равна 0,8 мм (6,7 мм
у соответствующего ахромата ОМ-27), рабочее расстояние уменьшилось
с 1,8 мм до 0,35 мм.
Однако ограничиться одним таким фронтальным мениском в объекти-
вах больших увеличений оказывается недостаточно. Кроме того, толстый
фронтальный мениск вносит значительный астигматизм. Применение за
объективом такой же формы мениска с вогнутыми поверхностями, обра-
щенными в сторону окуляра, в значительной мере уменьшает астигматизм
и кривизну поля.
На рис. VIII. 12, г изображена конструкция планахромата 40x0,65
(ОМ-29), содержащего пару таких менисков (линзы первая и седьмая).
В табл. VIII.5, VIII.6 и VIII.7 приведены конструктивные элементы
и аберрации объективов 3,5 X 0,1; 9x0,20 и 20x0,40.
Из-за отсутствия в первой половине двадцатого века сверхтяжелых
кронов, обладающих большим показателем преломления и малой диспер-
сией (по =1,7 и v = 50 = 60), не представлялось возможным удовлетво-
рительно разрешить проблему осуществления планахроматов. В разра-
ботанных Богегольдом высокоапертурных планахроматах для биоло-
гических микроскопов с длиной тубуса 160 мм фронтальные менисковые
компенсаторы кривизны изображения изготовлялись из тяжелых флинтов;
вследствие этого объективы обладали большим хроматизмом увеличения
и сферохроматической аберрацией, превышающей в несколько раз кри-
терий Рэлея. К каждому такому объективу рассчитывались особые компен-
сационные окуляры, исправляющие не только хроматизм увеличения, но и
астигматизм объектива. В качестве примера может служить объектив
ОМ-29, в котором фронтальный компенсатор выполнен из стекла марки
/д -- Iq
ТФ1; хроматизм увеличения объектива
lD
= 2,53%;
к этому объек-
тиву рассчитан специальный компенсационный окуляр Г = 7х (АМ-7),
исправляющий одновременно и астигматизм объектива.
13:
195
Таблица VIII.5
Конструктивные элементы и аберрации
объектива-планахромата 3,5 <0,1 (ОМ-3)
Радиусы в мм Толщины и расстояния между линзами в мм Марки стекол
Г1 = —5,035
г., = —6,397 dt = 1,8 К8
г3 = 424,60 d2 = 6,4
г4 = 16,827 </3 = 1,2 ТФЗ
г5 = 18,621 dt = 0,33
гв -= —14,125 - 2,3 ТК4
Точка на оси
Зона D As р As',,
102и' s' 6s' n%
0 0 143,00 0 0 0,56 —0,20 0,75
-0,1 УУ 2,02 142,27 —0,73 0,03 —0,29 —0,58 0,75
—0,1 2,84 142,80 —0,20 0,02 0,07 0,39 2,21
Волновая аберрация в У>
Зона D С F G'
—o.i yy —0,04 —0,13 —0,02 —0,20
-o,i У у —0,03 —0,20 —0,01 —0,40
—0,1 К3/4 0,01 —0,23 —0,02 —0.69
—0,1 0 —0,29 —0,11 — 1,04
Точка вне оси в плоскости Гаусса
1 Зона 1' = 4,5 1’ = 9,0
102сг' Г 102(7' 1'
—0,1 —0,31 4,498 —3,44 9.014
—0,1 У У — 1,13 4,490 —4,26 8.999
0 —3,15 4,5 —6,29 9.0
о,1 У У —5,17 4,510 —8,31 8.976
0,1 —5,99 4.480 —9,11 8,875
196
Продолжение табл. VII 1.5
Г г х т Ч -Г1 100 lF~lC 100 lD 100 lD
4.5 0 —0,04 0,06 —0,09 —0,10
9.0 0 -0,13 0,35 —0,37 —0,43 —0,17 —0,23
| — ~ 0,0090
Таблица VIII.6
Конструктивные элементы и аберрации
объектива-плаиахромата 9X0,20 (ОМ-2)
Радиусы в мм I Толщины и расстояния между линзами в мм Марки стекол
1 п о:. dx -- 1,2 Ф1
г., - 29,04 d, =- 3,0 ТК6
- 23,55 </) 6,05
ч 25.94 dl ~ 0,95 ТФ2
3.241 d; - 2,90 К8
---21,04 de - 0,2
г- 7.586 d- --4,13 БФ17
Г, - 6,081
Точка на оси
Зона W-u' О Asc Ч'
<Ч' 4%
1 0 0 147,00 0 0 1,59 0,92 1,05
ОПГр/г 1,59 144,56 —2,44 0,06 — 1,52 — 1,55 2,23
0.2 Р;4 1,95 144,81 —2,19 0,07
0,2 2,23 146,31 —0,69 0,03 —0,57 2,67 9,24
197
Продолжение табл. VII 1.6
Точка вне оси
хт •*S &х'р л/, 100 го 1р ,1р 100 lD 1 С,' ~~ 1D 100 lD
0 ’ 4,5 —0,21 —0,26 0,28 0,05 0,43 0,43 0,48 0,48 ;
0 j 9,0 —0,98 —0,98 1,13 0,21 0.43 0,48
-У Al =0,028 Z—! Г
Г = 4,5 1’ =0.0
Зона 102О' Г 102а' Г
—0,2 —0,83 4,465 —3,88 8,952
—0,2 KV? — 1,47 4,466 —4,54 8,969
0 —3,06 4,500 —6,11 9,000
0,2 /т; —4,66 4,545 —7,71 9,056
0,2 —5,27 4,494 —8,31 8,973 i
Таблица VIII.7
Конструктивные элементы и аберрации
объектива-планахромата 20X0,40 (ОМ-31)
Радиусы в мм Толщины и расстояния между линзами в мм Марки стекол
г7 = —1,838
2,87 ткб
/•.,= —2,603
d„ = 0,08
-'-82,27
</3 - 1,29 ТФ5
15,795
d4 --= 2,88 К8
г5 -= —5,221
d5 -= 15,47
ге = —57,958
dr> -= 1,08 ТФ2
г7 = 11,033
d7 = 2,17 ЛК2
г8= -11,931
198
Продолжение табл. VIII.7
Точка на оси
л^на D AsC Asg,
103//' s' 6s' 11%
0 153,59 0 0 0,78 0,33 3,02
--"4 | > 2 1,47 152,77 —0,82 0,01 —0,25 0,19 3,61
--(U 2,07 153,29 —0,30 0,02 0,04 1,44 5,72
Волновая аберрация в
Зона D с F G’
-0,4 р?? —0,03 —0,11 —0,08 —0,34
—0,4 [ —0,02 —0,16 —0,14 —0,69
-ол । v; 0,0 —0,21 —0,23 —1,12
—0,4 0,0 —0,26 —0,38 — 1,62
Точка вне оси
Зона I' = 4,5 Z' = 9,0
102o' Г 102o' Z'
—0,40 —0,87 4,486 —3,87 8,960
—0.4 J 4 — 1,47 4,483 —4,46 8,975
0 —2,93 4,5 —5,85 9,000
0.4 J V.2 4,37 4,510 —7,19 8,973
\4 - 4,95 4,506 —7,73 8,939
•’ C 1 '' xs xm 4 ~ 100 lF~lC 100 lD WO lD
0 4.5 —0,23 —0,20 —0,20 0,59 1,43 1.71
0 9,0 —0,66 0,75 —0,80 2,34 1,48 1,77
199
Отсутствие в то время подходящих комбинаций стекол с пропорцио-
нальными частными дисперсиями не позволяло получить объективы
с хорошо исправленным вторичным спектром.
В случае иммерсионных объективов пецвалеву сумму можно пред-
ставить следующим образом:
Siv-Siv,i+Siv,2 + Siv,3 f Пфр
k—tn
-fl—(Vin.3)
\ Пфр J г2 г v
k^m
где Siv, з = — — —обычная сумма от 2-й до последней линзы.
з
Первые два члена (VIII.3) относятся к фрон-
тальному мениску;
пФр — показатель преломления фронтальной линзы;
м„А! — показатель преломления иммерсионной
жидкости.
Если первая поверхность является плоской, то Sjv.i не зависит от
иммерсии и равна нулю; тогда
sIV2 = -fi—4-’-=^-,
IV, 2 \ Пфр у Пфр
т. е. фронтальная линза прибавляет к пецвалевой сумме ту же положи-
тельную величину, что и тонкая собирательная линза равной силы. При
пим = 1 и отрицательных значениях радиусов Siv, i станет отрицатель-
ным и при достаточно большой толщине можно получить — >-----г
при этом фокусное расстояние f'^p фронтального мениска будет положи-
тельным.
Если положить = пфр, то Siv, 1 опять становится равным нулю, а
Siv, 2 Дает положительную величину пецвалевой суммы. Следовательно,
нужно пЛп брать значительно больше, чем пим. Так как —------------------
J Пфр п11М
значительно меньше 1---------. поэтому, чтобы существенным образом
Пфр
уравнять первые два члена в формуле (VIII.3), радиус кривизны первой
поверхности должен быть значительно меньше радиуса г2, т- е----------'
1 ]
(v-----; это опять приводит к тому, что толщина мениска должна быть
Г2
еще больше, чем в других случаях, при условии, что оставалось поло-
жительным. Такой толстый мениск имеет свое преимущество. Его можно
сделать апланатическим или близким к апланатическому, и следовательно,
он не даст большой сферической аберрации.
Применение в иммерсионных объективах фронтального компонента
с вогнутой первой поверхностью вызывает затруднение при работе, так
как помимо неудобства чистки вогнутой поверхности в пространство,
заполненное иммерсией, проникает воздух и образуются воздушные
200
пузырьки, от которых очень трудно избавиться. Во избежание указанных
выше недостатков в иммерсионных планобъективах применяют фронталь-
ную линзу, склеенную из двух различных марок стекол, причем первую
поверхность изготовляют плоской из марки стекла, мало отличающегося,
по константам от иммерсии.
Если первая поверхность плоская = оо и пим = дц (показатель,
преломления первой линзы), то, располагая предмет А в центре кривизны
второй поверхности, имеем (рис. VIII. 13)
г2 = sx — d.
Третью преломляющую поверхность примем
для нее выполняется условие
3 -г 1 ’
s3 = sx — dx — d.,,
где dj и d2 — толщины первой и второй линз;
п., — показатель преломления второй
линзы.
Коэффициент Пецваля примет
V, — V,
апланатической, причем.
Рис. VIII.13.
фронтальный
мерсионного
Двухлинзовый
компонент им-
планобъектива
вид
S
где V = — .
п
Толщина
второй линзы равна
, Siv(si — Ji)2 E («1
т
1
Конструктивные элементы фронтальной линзы вычисляются по задан-
ным значениям sx, dly Sjy, пх и п2.
Первая плоская поверхность не вносит аберрации, так как показатели
преломления и дисперсии первой линзы и иммерсии соответственно равны.
Для второй поверхности r2 =-= s2, т. е. вторая поверхность не вносит сфе-
рической аберрации и комы, но вносит астигматизм. Третья поверхность
в области аберрации третьего порядка не вносит указанные аберрации.
Хроматизм положения вычисляется по формуле
dsAp = n2 (nF — пс) (sj — dt — d2).
Увеличение фронтальной линзы равно
Р = пимп2 = nLn2.
Следовательно, числовая апертура после фронтальной линзы умень-
шается в пхпг раз. Из последних двух формул следует, что для второй
линзы выгодно применять марки стекол с большими v и мал°й
дисперсией (пР — пс)2, т. е. сверхтяжелые кроны или тяжелые баритовые
флинты.
На рис. VIII.14 приведена оптическая схема отечественного план-
ахромата f' -- 2,6 мм, А =- 1.25, масляной иммерсии, длина тубуса—
201
бесконечность, область ахроматизации 526—566 нм. Объектив предназначен
для исследования ядерных частиц в желатиновых эмульсиях толщиной
до 0,5 мм. Рабочее расстояние объектива равно 0,65 мм. Фронтальная
часть содержит склеенный из двух линз компенсатор и два апланатических
мениска. Общее увеличение фронтальной части рфр = 8,2 V Последующая
за фронтальной частью оптическая система выполнена из двух одинаковых
тройных склеенных линз и простой отрицательной линзы.
Фронтальная чисть
Рис. VIII. 14. Объектив-планахромат масляной иммерсии
{' = 2,6 мм, А = 1,25
В Советском Союзе выпускается комплект сухих и иммерсионных
планахроматов (ОПХ) для металлографических микроскопов ММР-2 и
др. (гл. XIII).
Передовые зарубежные фирмы также выпускают планобъектпвы к
исследовательским биологическим, металлографическим и другим микро-
Таблица VIII.8
План ахроматы
фирмы «К. Цейсс»
Системы Увеличение в крат Числовая апертура Фокусное расстояние Б мм Свободное расстояние Б ММ
2,5 0,07 30,0 8,6
Сухие 4 0,11 29,0 5,3
6,3 0,16 23,0 5,0
системы 16 0,32 10,0 2,8
40 0,65 4,4 0,9
Масляная 100 1,25 1,7 0,03
иммерсия
скопам. В табл. VIII.8 приведен ком-
плект планахроматов, выпускаемый
фирмой «К. Цейсс» (г. Иена) для биоло-
гических микроскопов. Объективы этой
фирмы применяются с двумя типами
окуляров: один тип — для диаметра
тубуса 23,2 мм с обозначением РК
(планкомпенсационные), второй — для
диаметра 30 мм со значком PK7W (ши-
рокоугольный); характеристики окуля-
ров приведены в табл. VIII.30.
В табл. VIII.9 приведены планахро-
маты фирмы «Оптон». Особенностью
этих планахроматов является постоян-
ное значение хроматизма увеличения
= 1.5%, и ^поэтому они могут
Ч>
применяться с обычными компенсацион-
ными окулярами.
Исследовательские микроскопы этой фирмы снабжаются комплектом
планахроматов, которые используются с бинокулярной насадкой, компен-
сационными окулярами и системой переменного увеличения.
Из приведенного комплекта (табл. VIII.9) объективы 2,5x0,08, 10,,
ХО,22, 16x0,32, 40x0,63 и 100 X 1,25 применяются в микроскопе «Ультра-
фот И». Планахроматы фирмы «Оптон» имеют незначительную кривизну
изображения, которая для диаметра поля зрения окуляра 18 мм лежит
202
Таблица VIII.9
Планахроматы фирмы «Оптон»
Увеличение и апертура Длина тубуса и толщина покров- ного стекла Рабочее расстояние в мм Примечание
1/0,04 160/— 25 —
2.5/0,08 160/— 9,6 —
6,3/0,16 160/— 24 —
10/0,22 160/— 1,1 В пружинящей оправе
16/0,32 160/0,17 0,8 То же
25/0,45 160/0,17 0,5 »
40/0,63 160/0,17 0,2 »
63/0,90 160/0,12—0,20 0,1 В пружинящей оправе и с коррекционным кольцом
100/1,25 160/— 0,1 Масляная иммерсия В пружинящей оправе и с ирисовой диафрагмой
Таблица VIII.11
Планахроматы фирмы «Лейтц»
Маркировка объектива Рабочее расстоя- ние в мм Длина объектива в мм
Р1 4/0,10; 170/— 15 45
Р1 10/0,25; 170/— 7,5 45
Р1 40/0,65; 170/0,17 0,58 45
Pl AOel 100/1,32; 170/0,17 0,27 45
Таблица VIII.10
Планахроматы
фирмы «Рейхерт»
N ь сли- чение 1 в крат \ Апер- тура Фокусное расстоя- ние в мм Рабочее расстоя- ние в мм
4 0,10 29 11
10 0,20 15 7,2
40 0,65 4,1 0,3
: бз 1 0,75 2,9 0,15
।
в пределе глубины резкости фокусировки. Кривизна изображения плана-
хроматов 10x0,22; 16x0,32 и 40x0,63 составляет 0,5 мм, а для объектива
100 1,25 — приблизительно 2—3 мм. У всех объективов величина хро-
матизма увеличения примерно одинакова и соответствует обычным апохро-
матам. Поэтому хроматизм увеличения планахроматов исправляется при-
менением обычных компенсационных окуляров.
В табл. VIII. 10 приведены планобъективы фирмы «К. Рейхерт», приме-
няемые с планокулярами 5, 8 и 12х в биологическом микроскопе «Неоцет».
Фирма «Рейхерт» выпускает также объективы планахроматы и для
отраженного света (для металлографических микроскопов).
Фирма «Лейтц» также выпускает планобъективы (табл. VIII. 11).
Например, микроскоп «Лаборлюкс» снабжается следующими планобъек-
тивами.
В комплекте не имеется сильного безыммерсионного объектива с чис-
ловой апертурой 0,9.
203
Хроматизм увеличения планобъективов такой же, как у обычных апо-
хроматов, и они могут применяться с обычными компенсационными оку-
лярами. Кроме того, для этих объективов выпущен комплект широко-
угольных «перипланатических» окуляров.
Планапохроматы. После второй мировой войны с появлением сверх-
тяжелых кронов и особых флинтов стало возможным создание высокока-
чественных планапохроматических объективов, пригодных как для визу-
ального наблюдения при наиболее ответственных работах, так и цветной,
фотографии.
Больших успехов разработке методики расчетов и конструировании
первоклассных планапохроматических объективов достигли советские
специалисты за последнее десятилетие.
Рассмотрим некоторые конструкции
отечественных планапохроматов.
На рис. VIII. 15 приведена принци-
пиальная оптическая схема планапо-
хроматов, состоящая из трех компо-
нентов [3, 4].
Первый компонент содержит менис-
ковый компенсатор и в зависимости от
Рис. VIII.15. Принципиальная опти-
ческая схема планапохроматов
числовой апертуры объектива один пли
два апланатических мениска. Второй компонент состоит из двух двойных
или тройных склеенных линз. Третий компонент представляет собой отри-
цательный менисковый компенсатор либо в виде одиночной линзы, либо
склеенный из двух стекол различных марок. Фронтальный компенсатор
рассчитан из стекла марки СТК9. Это позволяет значительно снизить
числовую апертуру последующей части объектива, не внося при этом
больших хроматических аберраций.
Во втором склеенном компоненте положительные линзы выполнены из
флюорита, а отрицательные — из особых флинтов ОФЗ, ОФ4, ОФ5, сверх-
тяжелого крона СТК9 и других марок стекла, имеющих близкие значения
частных относительных дисперсий к флюориту.
Сочетание сверхтяжелого крона с особым флинтом дает наименьшее
значение сферохроматической аберрации и сферической аберрации выс-
шего порядка.
Третий компонент представляет собой отрицательный мениск сравни-
тельно небольшой силы. Его назначение такое же, как и в вышеуказанных
системах: исправление, главным образом, астигматизма, даваемого фрон-
тальной частью, и частично хроматизма увеличения. В тех случаях, когда
хроматизм увеличения фронтальной части невелик, этот мениск приме-
няется в виде одиночной линзы. Обычно в сильных объективах третий
компонент состоит из двух линз, склеенных из стекол с близкими nD,
но различными vD — п°~~ п~’ позволяющими применить хроматическую
поверхность.
На рис. VIII. 16, а, б, в, г и д приведены конструкции объективов-
планапохроматов (ОПА-1, ОПА-2, ОПА-3, ОПА-4, ОПА-5), рассчитанных
для длины тубуса 160 мм к биологическому микроскопу МБИ-15 (гл. X).
На рис. VIII. 17 приведены графики остаточных аберраций объектива
ОПА-3, а на рис. VIII. 18—его частотно-контрастная характеристика ЧКХ.
204
Плоскость npeSnema
Рис. VIII. 16. Объективы-планапохроматы
205
По оси абсцисс отложена частота косинусоидальной решетки в про.
странстве изображений, а по оси ординат — модуль ЧКХ Е - .
Здесь k — контраст решетки, помещенной в плоскости предмета, k' —
контраст в изображении косинусоидальной решетки, определяемой выра'
жением k’ - , где Н' и
1 н гпах
77 max "Т- '•'min
шее значения освещенности в плоскости
изображения.
На рис. VIII. 18, а кривая / соответ-
ствует распределению модуля ЧКХ
у безаберрационной системы, кривая
2 — распределению
модуля ЧКХ
для
Н' .
min
— наибольшее
наймешь-
I и
б'С о
^-1,0?
F
12,0
Xs X
? ?
I = 12,86
102tyb W2tg6r
2,0
-6,0
^0,5
/
/
-0,0 0 0,0 А
EezLsl - 2 о/
= 0,000
3,0 I
I
6,0
3,0
-0,1
-7,0
г -8,0
0,1 Лб'
-3,0
72,7 ^72,3 Ь'
-10,0
Рис. VIII.17.
-1,0 О 1,02,0 x's,x'm
Графики остаточных аберраций
объектива-планапохромата ОПА-3
а) ЧКХ
б) ЧКХ
Рис. VIII. 18. Частотно-контрастная
характеристика объектива ОПА-3
кривая <3 показывает изменение
точки на оси основной длины волны,
ЧКХ для точки вне оси в случае, когда штрихи косинусоидальной
решетки совпадают с направлением оси ординат, а кривая 4 дает измене-
ния ЧКХ, когда штрихи решетки перпендикулярны оси ординат.
Рис. VIII. 18, б, в, г иллюстрируют распределение ЧКХ рассчитан-
ной системы для точки на оси при различных длинах волн (кривые 2);
кривые 1 также соответствуют безаберрационным системам. Из сравнения
графиков распределения ЧКХ и волновой аберрации видно, что если вол-
новые аберрации системы не превышают 0,25 длины волны, кривые рас-
пределения ЧКХ мало отличаются от соответствующих кривых безаберра-
ционной системы. Линейное поле зрения в пространстве изображения
равно 25 мм, коррекция аберрации для точки на оси выполнена хорошо,
изображения внеосевых точек предмета достаточно резкие и располагаются
по плоской поверхности. Хроматизм увеличения всех объективов состав-
ляет по всему полю зрения около 2%, что позволяет к одному н тому же
объективу использовать специальные компенсационные окуляры разных
увеличений.
В настоящее время линзовые планахроматы и планапохроматы с вы-
сотой 45 мм выпускаются в Советском Союзе. Применение такой высоты
объективов вызвано, с одной стороны, сложностью их оптической системы
206
(наличием большого числа линз и расположением толстых менисковых
компенсаторов), с другой стороны, тем, что создается большое удобство
в работе при использовании объективов на револьвере, так как отпадает
необходимость опускать или поднимать предметный столик при работе
с различными объективами. Одновременно с апохроматами для биологи-
ческих микроскопов в Советском Союзе выпускается полный комплект
отечественных планапохроматов и окуляров к ним для отраженного света
к металлографическому универсальному микроскопу МИМ-9 (гл. XIII).
Хроматизм увеличения у всех объективов по всему полю зрения состав-
ляет 2 %.
Передовые зарубежные фирмы также производят планапохроматы для
исследования непрозрачных объектов. В табл. VIII. 12 приведен комплект
планапохроматов и окуляров к ним фирмы «К. Цейсс» (г. Иена), предна-
значенный для микроскопа «Неофот». Эти планапохроматы имеют хоро-
шее качество хроматической коррекции и позволяют получить фото-
снимки на формате 13X18 см, что раньше при применении комбинации
из апохроматов и гомалов было достигнуто не при всех увеличениях.
Т а б л и ц а VIII.12
Увеличения, получаемые с помощью планапохроматов
и окуляров фирмы «К. Цейсс»
Окуляры РК 6,3х 8х 10х 12,5х 16х 20 х 25х 32 х
Планапохромат 10Х0,30оо/0 63 80 100 125 160 200 250 320
Планапохромат 25Х0,65оо/0 160 200 250 320 400 500 630 800
Планапохромат 63X0,90 оо/О 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000
Планапохромат HI 100.<1,35 со/0 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200
4. Объективы-монохроматы
для ультрафиолетовой области спектра
Как следует из формулы (III. 11) Аббе, наименьшее различимое рас-
стояние d между двумя элементами объекта обратно пропорционально
числовой апертуре и пропорционально длине световой волны. В 1889 г.
Чапский сконструировал объектив с монобромнафталиновой иммерсией
с апертурой 1,6, дающей возможность при л = 550 нм раздельно видеть
детали размером 0,17 мкм, что является наибольшим пределом, достигну-
тым в настоящее время для видимой области спектра.
Возможность повысить предел разрешения за счет уменьшения длины
волны света, освещающего объект, сдвигает область наблюдения в сторону
ультрафиолетовой части спектра и создает известные трудности как в спо-
собе наблюдения, так и в конструкции объектива.
Известно, что оптические стекла (ГОСТ 3514—67) имеют большой коэф-
фициент светопоглощения в ультрафиолетовой области спектра и поэтому
практически не пригодны для систем, работающих в диапазоне длин волн
/. < 300 нм. Выбор подходящих материалов, пригодных в качестве пре-
ломляющих компонентов, для ахроматизации системы в ультрафиолетовой
области спектра весьма ограничен. В сущности только кварц (плавленый
207
Рис. VIII. 19. Кварцевые объективы-монохро-
маты и объективы-ахроматы: а — 25X0,25;
6 — 90X1,25; в— 100X 1,20; г — 40 X 0,65;
0—60X0,90; е—10X0,20; ж —48X0,65 и
з — 58.Х 0,80
Т а б л и ц а VIII.13
Характеристика объективов-монохроматов
№ рисунка Увели- чение -э Числовая апертура А Область исправления в нм Иммерсия Примечание
19, а 25 0,25 257 Сухая Толщина покровного стекла 0,2 мм
19, б 90 1,25 257 26% воды, 74% глицерина Толщина покровного стекла 0,2 мм
19, в 100 1,20 248, 265, 270 Вазелиновая Коррекция аберра- ции достигается изме- нением последнего воз- душного промежутка
19, г 40 0,65 250, 265, 280 Сухая Свободное расстояние 1 мм, планмонохромат Siv~—0,003. Требуется перефокусировка
19, д 60 0,90 241, 265, 280 Вазелиновая Коррекция аберра- ций достигается изме- нением последнего воз- душного промежутка
'208
и кристаллический), флюорит и отчасти фтористый литий могут успешно
применяться для ультрафиолетовых объективов. Одним из путей преодо-
ления указанного затруднения послужило изобретение М. Рором и
А. Кёлером в 1904 г. специального объектива-монохромата с кварцевой
оптикой.
Применение монохроматического света упрощает расчет объектива
микроскопа, сводя его главным образом к использованию ряда апланати-
ческих менисков и линз, обладающих минимумом сферической аберрации.
Кварцевый монохромат Рора имеет апертуру 1,30 и дает возможность
при л --= 276 нм отчетливо фотографировать детали размером до 0,1 мкм.
Монохроматические объективы корригируют обычно на какую-либо
одну длину волны, например 275, 257 (линия кадмия) или 213,7 нм
(линия ртути). При больших увеличениях резкость изображения резко
ухудшается, если длина волны отличается от расчетной более чем на 20 нм.
На рис. VIII. 19, а, б, в, г, д приведены схемы оптики кварцевых моно-
хроматических объективов (тубус 160 мм, толщина кварцевого покровного
•стекла d = 0,30). Характеристика этих объективов дана в табл. VIII. 13.
5. Объективы-ахроматы
для ультрафиолетовой области спектра
Помимо увеличения предела разрешения при применении ультра-
фиолетового излучения было обнаружено, что некоторые составные части
живых клеток избирательно поглощают ультрафиолетовый свет. Это об-
стоятельство сыграло важную роль в развитии ультрафиолетовой микро-
скопии, которая предоставляет специалистам в области цитологии
много ценных данных.
Чтобы избежать перефокусировки объектива, при исследовании объек-
тивов в различных длинах волн применяются ахроматические объективы.
Наличие клея прозрачного в ультрафиолетовой области спектра (до % =
242,9 нм) дает возможность использовать в объективах склеенные ком-
поненты.
На рис. VIII. 19, е, ж, з приведены оптические схемы кварцфлюори-
товых отечественных объективов 10x0,20 (ОК-Ю-З), 48x0,65 (ОК-50)
и 58, 0,80 (ОК-58 водной иммерсии). К объекту ОК-58 применяется до-
полнительная коррекционная система, при включении которой можно
объектив, не меняя перефокусировки, использовать в длинах волн от
365 до 546 нм.
6. Объективы для инфракрасной области спектра
При некоторых работах ограничиваются спектральной областью иссле-
дования в пределах от 0,7 до 1—1,2 мкм. В этом случае можно при-
менять линзовые объективы, изготовленные из обычных марок стекол, так
как последние еще достаточно прозрачны в этой области спектра. Опти-
ческая схема объектива должна быть несложной, состоять из минималь-
ного числа линз, обладающих максимально большим коэффициентом
светопропускания. С этой точки зрения во многих случаях предпочти-
тельны зеркально-линзовые системы. Для области спектра от 1,2 мкм
и более требуется применение специальных марок стекол и кристаллов
14 Г. Е. Скворцов и др.
209
(кварц, CaF2, LiF, MgO и др.). Объективы, содержащие кварцевое стекло.,,
могут быть использованы для волн не более 4 мкм, так как в более длинно-
волновой части спектра кварцевое стекло становится непрозрачным.
На рис. VIII.1, в приведена конструкция безыммерсионного ахромати-
ческого объектива 10x0,30, (ОЗ—10ИК), применяемого для исследования
неоднородности и других дефектов в монокристаллах кремния, бескисло-
родных стеклах, морблитах и других материалах в инфракрасном излу-
чении в диапазоне длин волн от 1 до 2,5 мкм. Объектив позволяет
оценивать качество наружных поверхностей указанных материалов и про-
сматривать в них последовательно различные слои по глубине до 12 мм,
передавая изображение на электронно-оптический преобразователь или
эвапарограф. Последовательный просмотр среды по глубине выполняется
при помощи перемещения фронтальной одиночной линзы в коррекционной
оправе вдоль оптической оси объектива. При перефокусировке на внеш-
нюю поверхность исследуемой среды первый воздушный промежуток
составляет около 9 мм, а при фокусировке на глубину 12 мм он равен
около 3,5 мм, т. е. первый воздушный промежуток меняется в пределах
от 0,25 до 0,6 фокусного расстояния объектива, при этом расстояние от
плоскости изображения, даваемого объективом, до последней поверхно-
сти объектива остается практически постоянным (табл. VIII. 14).
Таблица VIII.14
Изменение внешних параметров объектива
|в зависимости от толщины объекта
Толщина объекта в мм Первый воздушный промежуток dx в мм Передний отрезок b Б ММ i величение объектива -6 Фокусное расстояние f' в мм „ [ Расстояние | от изображения ( до последней поверхности : объектива в мм ।
0 8,8 3,86 9,82 18,44 143,6
3,48 7,3 3,20 10,67 16,71 145,6 :
7,0 5,8 2,49 11,52 15,28 146,9 1
12,0 3,6 1,3 12,8 13,8 148.0 j
Аналогичная оптическая конструкция объектива 10x0,20 рассчитана
для области длин волн от 1 до 6 мкм. Третья и пятая линзы объектива,
выполнены из MgO.
7. Безрефлексные объективы
для рудных и петрографических микроскопов
Безрефлексные иммерсионные микрообъективы малых, средних и
больших увеличений совершенно необходимы для изучения слабоотра-
жающих минералогических шлифов, в особенности для изучения углей.
Тонкая структура аншлифов углей при наблюдении с обычными объекти-
вами совершенно не выявляется. Кроме того, наличие на исследуемых
поверхностях тонкой прозрачной пленки окислов, от которой отражается
210
около 7% падающего на нее света, снижает тем самым контрастность изо-
бражения. Применение йод-метиленовой иммерсии с показателем прелом-
ления nD -= 1,7413, близким к показателю преломления пленки окислов,
в значительной степени повышает контраст изображения. Кроме того,
наличие значительного количества рассеянного света и рефлексов от по-
верхностей линз также снижает четкость изображения. Хотя все линзы
-бьективов имеют двухслойное покрытие 44Р-43Р, однако этого бывает
недостаточно, чтобы наблюдать структуру некоторых погод углей с малым
коэффициентом отражения — повышение контраста изображения в этих
случаях достигается путем гашения рефлексов о-i поверхности линз
с помощью поляризации света. С этой целью на плоскую поверхность фрон-
тальной линзы наклеивается кварцевая пластинка с разностью хода между
обыкновенным и необыкновенным лучом, равной Х/4. Эта пластинка служит
в качестве анализатора. При помощи поляроида, встроенного в освети-
тельную систему, создается плоскополяризованный свет, которым осве-
щается объект. При установке плоскости поляризации анализатора под
углом 90е к плоскости поляризации лучей, отразившихся от поверхностей
линз, достигается практически полное гашение рефлексов.
В приложении приведены характеристики объективов (ОХ-16П,
ОХ-18П, ОХ-20П, ОХ-22П) йод-метиленовой иммерсии с кварцевой пла-
стинкой ?./4, предназначенные для исследования углей. Конструкция
оправы позволяет вращать нижнюю часть объектива относительно его
оптической оси и устанавливать тем самым наилучший контраст изобра-
жения. Аналогичные объективы (ОХ-15П, ОХ-17П, ОХ-19П, ОХ-21П)
с йод-метиловой иммерсией, но без пластинки А./4 применяются для иссле-
дования различных минералов.
Фирма «Лейтц» выпустила комплект объективов для углепетрографии
4,3X0,12; 8x0,18 и 16x0,40. Эти объективы снабжены специальными
колпачками. Дном каждого такого колпачка является сама кварцевая
пластинка л/4. Иммерсионная среда находится внутри колпачка, а также
заполняет пространство между поверхностью объектива и наружной
поверхностью пластинки.
Фирма «Ратенау» вводит в комплект большого поляризационного
микроскопа «Полядун VI» набор из шести иммерсионных объективов для
углепетрографии.
8. Объективы для изучения следов элементарных частиц
в желатиновых эмульсиях
Известно, что элементарная частица, пролетая сквозь стопу желати-
новых пластин, сталкивается с имеющимися в них фоточувствительными
зернами и оставляет прерывистый след в виде почерневших зерен. Изучение
и измерение таких следов позволяет получить данные о скорости частицы,
ее массе и т. п. Для просмотра подобных следов требуются специальные
микрообъективы, так как они должны быть рассчитаны для просмотра
толстых слоев эмульсии на всей ее глубине.
В последние годы наметились существенные изменения в конструкции
объективов для ядерных микроскопов. Создание планмонохроматов с уве-
личенным рабочим расстоянием позволило значительно увеличить изме-
ряемое поле зрения за счет исправления кривизны изображения.
14
211
Применение в этих системах специальной иммерсии с оптическими кон-
стантами, мало отличающимися от констант желатина, позволило уве-
личить контрастность изображения, отпала необходимость в использо-
вании коррекционной оправы. К таким системам относится объектив
ОБМЖ-1,6, применяемый в микроскопах МПЭ-1 и др. (см. приложение).
Фирма «Лейтц» выпускает объективы масляной иммерсии для ядер-
ных микроскопов 22x0,65; 53x0,95; 100X1,32, рабочие расстояния кото-
рых равны соответственно 2,2; 1,0 и 0,37 мм.
Фирма «К. Цейсс» (г. Иена) поставляет к ядерным микроскопам безым-
мерсионный объектив 12x0,30, служащий для обзорных целей, моно-
хромат 50X1,30 масляной иммерсии с рабочим расстоянием 0,6 мм и для
использования особо толстых эмульсий объектив 50X1,0 с рабочим рас-
стоянием более 1,0 мм.
9. Объективы для фазового контраста
Фазовые объективы отличаются от обычных объективов тем, что в пло-
скости их выходного зрачка помещено фазовое кольцо, назначение
которого — изменить фазу нулевого максимума на 90° и уменьшить его
интенсивность. Фазовые объективы применяются для исследования про-
зрачных малоконтрастных объектов.
Кольца на объективах должны соответствовать размерам изображения
колец диафрагмы конденсора. Не допускается, чтобы контуры изобра-
жения кольцевой диафрагмы конденсора выходили за пределы контуров
фазового кольца объектива. Некоторые передовые иностранные фирмы
выпускают специальные микрообъективы, в которых фазовые кольца рас-
положены в задней фокальной плоскости, преимущественно на склеивае-
мой поверхности линз вблизи фокальной плоскости объектива. При ис-
пользовании обычных конструкций микрообъективов фазовые кольца
не всегда удается нанести в задней фокальной плоскости объектива, так
как последняя может оказаться где-то между линзами. Практически
в объективах малых увеличений невозможно нанести фазовые кольца
на склеиваемой поверхности, которая совпадала бы с задней фокальной
плоскостью объектива, поскольку эта плоскость находится на значитель-
ном расстоянии за объективом. В тех случаях, когда фокальная плоскость
объектива располагается в воздухе между линзами или за объективом,
применяют две плоскопараллельные пластинки, между склеенными по-
верхностями которых находится фазовое кольцо. Чтобы не применять
специальный комплект объективов, содержащих фазовые кольца, в неко-
торых конструкциях предусмотрена система, с помощью которой выход-
ной зрачок объектива переносится в такую плоскость, где можно было бы
установить сменные фазовые кольца (например, КФЗ).
10. Контактные объективы
Контактные объективы применяются для непосредственного исследо-
вания живой ткани и клеток в свете люминесценции. Особенностью этих
объективов является наличие выпуклой формы первой поверхности фрон-
тальной линзы. Радиус кривизны первой поверхности равен радиусу кри-
212
визны Пецваля всего объектива,
вследствие чего изображение, давае-
мое такими объективами, становится
плоским.
При работе на микроскопе пер-
вая поверхность фронтальной линзы
приводится в соприкосновение с ис-
следуемой поверхностью объекта.
В результате контакта поверхность
объекта принимает форму, соответ-
ствующую форме первой поверхности
линзы. Освещение объекта произво-
дится через объектив, а просмотр его
по глубине осуществляется с помощью
перефокусировки окуляра. Для устра-
нения рефлексов от преломляющих
поверхностей линз объектива и полу-
чения более контрастного изображе-
ния освещение объектива произво-
дится лучами сине-фиолетовой обла-
сти спектра, а наблюдение — в интер-
вале от зеленой до красной части
спектра. На рис. VIII.20 приведена
оптическая схема планахромата
10x0,40 (ОД-ЮЛК).
Рис. VIII.20. Контактный объектпв-
планахромат 10Х 0,40
11. Объективы для интерференционных
биологических микроскопов
Интерференционные микроскопы с двоякопреломляющими элементами
в отличие от фазовых позволяют измерить разность хода, возникающую
при прохождении света через микрообъект и мимо него. По данным изме-
рений вычисляют вес сухого вещества и его концентрацию в объекте.
Двоякопреломляющими элементами чаще всего являются плоско-
параллельные пластинки из кальцита, которые располагаются в оптиче-
ских схемах объектива и конденсора.
Микроскопы под шифром МБИН-4 комплектуются объективами
10 0,30 и 40/0,65 и соответствующими конденсорами.
12. Объективы с большим рабочим расстоянием
для высокотемпературных установок
Исследования структурных превращений и других свойств металлов
и сплавов, находящихся под нагрузкой и нагретых до высоких температур
порядка 1000—3000° С в вакуумной камере, требуют применения объекти-
вов с большим рабочим расстоянием, например от 60 до 15 мм, и числовой
апертурой 0,2—0,65.
Используемые для этой цели объективы от столика Федорова (см.
приложение) несовершенны и по оптическим характеристикам не удовле-
творяют требованиям.
213
На рис. VIII.21, а и б приведены оптические схемы ахрома-
тических объективов f = 24,4 мм, А = 0,5 и f = 45,2 мм, А = 0,27
(МИМ-13СО), рассчитанных для тубуса бесконечность с применением
защитных кварцевых стекол толщиной 2 и 7 мм.
Рис. VIII.21. Объективы с большим рабо-
чим расстоянием: а — f' = 24,4; Л = 0,5;
б — f' = 45,2, А = 0,27
13. Эпиобъективы
Эпиобъективы используются для работы в отраженном свете. Кон-
структивно эпиобъектив состоит из микрообъектива и металлического
параболоидального зеркала, служащего для освещения предмета по ме-
тоду темного поля. Световые лучи проходят объектив с внешней стороны
его оправы и освещают предмет со всех сторон. На рис. VIII.22 приведена
конструкция эпиобъектива ОЭ-23 (f = 23,2 мм, А = 0,17). Чтобы избе-
жать значительного срезания осветительных лучей при применении эпи-
объективов в микроскопах типа ММУ-3, ММР-2 и др., наружный диаметр
оправ объективов не должен превышать 15 мм. Для получения более рав-
номерного освещения предмета в этом объективе установлена в ходе осве-
тительных лучей плоскопараллельная пластинка с одной матированной
поверхностью.
Эпиобъективы ОЭ-23, ОЭ-24, ОЭ-8, ОЭ-6 и ОЭ-ЗТ отличаются соответ-
ственно от объективов ОХ-23, ОХ-14, ОХ-8, ОХ-6 и ОХ-ЗТ размерами
оправ и зеркал. Конструкции зеркал и их основные размеры приведены
на рис. VIII.56 и VIII.57 и в табл. VIII.33 и VIII.34.
14. Объективы для столика Федорова
Для целей коноскопирования на столике Федорова применяются спе-
циальные объективы с увеличенным рабочим расстоянием, позволяющим
применять сегменты-полушары из стекол различных марок. В табл. VIII. 15
даны увеличения и апертуры объективов-ахроматов к столику Федорова
(СТФ-1). При применении сегментов увеличение и апертура объективов
214
Таблица VIII.15
Увеличение и апертура
объективов-ахроматов к столику Федорова (СТФ-1)
Длина тубуса микроскопа 160 мм
С сегментом
Шифр объективов Свобод- ное рас- стоя - ине —Si 'Без -₽ ' сегмента К8, ЛФ10, Пр = 1,548 БФ26, nD = 1,650 ТФ12, Пр = 1,785
':D = 1,5163 А
А Г -Р -3 А -з А -3 А
ОСФ26П 16.15 26 0,19 6,0 39,4 0,29 40,2 0,29 42,8 0,31 45,5 0,33
ОСФ14П 14,23 14,47 0,22 11,6 21,9 0,33 22,4 0,34 23,9 0,36 25,3 0,38
ОСФПП 14,4 10,6 0,40 14,75 16 0,60 16,4 0,62 17,5 0,66 18,6 0,70
ОСФ6П 14,3 6,8 0,17 21,6 10,3 0,26 10,5 0,26 11,2 0,28 11,9 0,30
ОСФ5 27,5 3,8 0,11 33,16 5,8 0,17 5,9 0,17 6,3 0,18 6,6 0,19
увеличиваются в п раз, где п — показатель преломления сегмента. Объек-
тивы, а также сегменты не должны иметь натяжений в любом направле-
нии. Это требование обусловливается назначением и точностью измерений
в поляризованном свете, осуществляемых с помощью столика Федорова.
Указанную в табл. VIII. 15 числовую апертуру объектива ОСФ-ИП
рекомендуется полностью использовать только при коноскопическом
.наблюдении. При ортоскопическом наблюдении числовая апертура с по-
мощью ирисовой диафрагмы, расположенной за объективом, должна быть
уменьшена до 0,3, так как иначе из-за большой сферической аберрации
в этом объективе качество изображения становится неудовлетворительным.
15. Объективы в коротких оправах
При наблюдении непрозрачных объектов в отраженном свете в светлом
поле для устранения бликов и уменьшения рассеянного света некоторые
фирмы («Лейтц» и др.)
объективы в короткой оправе. Такие
объективы с щипцовым устройством уста-
навливаются на специальном опак-иллю-
мпнаторе. Благодаря тому, что осветитель-
ная призма находится в непосредственной
близости от последней поверхности линзы
объектива, световые лучи, выходящие из
этой призмы, проходят лишь левую поло-
вину объектива, не пересекая его оптиче-
скую ось (рис. VIII.23, а), поэтому отра-
женные от поверхностей линз световые
лучи задерживаются призмой и не посту-
пают в тубус микроскопа.
На рис. VI11.23, б дан ход осветитель-
:ных лучей в случае применения объектива
применяют вместе с призмой косого освещения
Рис. VIII.23. Ход лучей в объекти-
вах: а — в короткой оправе;
б — в нормальной оправе
гв нормальной оправе. Здесь
отраженные от некоторых поверхностей линз лучи попадают в поле зрения
микроскопа и накладываются на изображение, снижая его контрастность.
215
16. Объективы в узких оправах
Для специальных исследовательских работ в области микробиологии
применяются объективы в узкой оправе, рассчитанные для длины тубуса
160 мм. К ним относятся безыммерсионный объектив О = 40 (40 У 0,60)
и иммерсионные (физиологический раствор) объективы ОАВ-65 (65 У 1.1)
и ОАВ-60 (60X1,0). Эти объективы отличаются тем, что фронтальная их
часть выполнена в виде конуса, что создает значительные удобства в работе.
17. Фотографические проекционные объективы
Для передачи изображения на фотопластинку 12x18 см применяются
специальные проекционные объективы. На рис. VIII.24, а приведена кон-
струкция объектива «Корректар» ОФ-111 с фокусным расстоянием 150л/л
и относительным отверстием 1 : 6,3, применяемого для фотографирования
объектов в масштабе от 0,5х до 1,0х.
Рис. VIII.24. Фотографические проекционные объективы
ным расстоянием соответственно 40, 65 и 100 мм и относительным отвер-
стием 1 : 4,5. Объективы снабжены ирисовыми апертурными диафрагмами.
В табл. VIII. 16 даны пределы разрешения объективов, установленные
экспериментальным путем.
Таблица VIII. 16
Предел разрешения объективов ОП-15, ОП-16, ОП-1 7
Шифр прибора Фокусное расстояние f' в мм В центре На краю поля ' ;
в сек в штр/мм при расстоянии от центра в мм в штр мм Увеличение | объектива । -|3 1 i
ОП-15 40 и 420 7,5 230 го :
ОП-16 65 и 410 15 230 10
ОП-17 100 6 330 60 150 3 1 1
216
Б. ЗЕРКАЛЬНЫЕ И ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЕ ОБЪЕКТИВЫ
18. Объективы для ультрафиолетовой
и видимой областей спектра
Применение отражательных поверхностей в области микроскопии
началось с того времени, когда уже были изготовлены линзовые микро-
объективы.
В 1672 г. Ньютон изобрел зеркальный объектив. Он предложил поста-
вить в качестве объектива для микроскопа вогнутое зеркало. Над этим
усовершенствованием работал Амичи; однако его работы не были завер-
шены. Первые зеркальные объективы микроскопа были скопированы
с различных классических зеркальных телескопов. Так, например,
Ньютон, описывая свой собственный телескоп, высказал мысль о том,
что последний может быть легко переконструирован в микрообъектив
с большим фокальным отрезком. Придерживаясь этой точки зрения, он
изготовил объектив микроскопа, состоящий из параболического вогнутого
зеркала и вспомогательного диагонального плоского зеркала. Следуя
примеру Ньютона, исследователи Баркер (1736 г.) и Мартин (1759 г.),
используя телескоп Грегори, сконструировали микрообъективы с малыми
апертурами. Почти в то же самое время Смит описал несколько конструк-
ций микрообъективов, в том числе двухзеркальные типа Кассегрена с чис-
ловой апертурой А - 0,05 -г 0,1, которая в то время вполне отвечала
требованиям, предъявляемым к объективам телескопа. Объективы Смита
находились в эксплуатации до начала второй четверти XIX в., а затем
были вытеснены более светосильными (А — 0,2) эллипсоидальными зер-
кальными системами Амичи.
В начале XIX в. оптики-конструкторы пошли по пути увеличения
в оптических системах числовой апертуры, влияние которой на разре-
шающую силу было позднее теоретически доказано Аббе.
В 1905 г. в своей классической работе Шварцшильд развил общую
теорию апланатической пары зеркал.
Примерно в это время микроскоп стал применяться для ультрафиоле-
товой области спектра. Только в 1930 г. ультрафиолетовый микроскоп
был оценен как прибор, который мог быть использован в сочетании со
спектрометром или монохроматором для изучения химических составов
клеточных тканей с помощью абсорбционного анализа. Созданные для
этой цели кварцевые монохроматические линзовые объективы внедрялись
очень медленно и с большими трудностями, так как они нуждались в пере-
фокусировке в процессе микроспектрометрических измерений, произво-
дившихся в более широкой ультрафиолетовой области спектра, чем это
допускала хроматическая коррекция оптических систем. Требования ах-
роматизации и выполнения условия синусов в системах с высокой числовой
апертурой как для ультрафиолетовой, так и для видимой области спектра,
а также необходимость совпадения плоскостей наилучшей установки при
фотографировании в указанных длинах волн побудили конструкторов
разрешить поставленную перед ними проблему с помощью зеркальных
систем. Это явилось одной из основных причин новой фазы развития зер-
кальных микрообъективов. Большое значение в развитии зеркально-лин-
зовых объективов сыграли менисковые системы Максутова.
217
Конструкций менисковых систем можно придумать очень много; они
могут быть выполнены из кварца или обычного оптического стекла. Их
можно конструировать «сухими» с числовой апертурой до 0,4; иммерсион-
ными, повышающими числовую апертуру до 0,6, с малыми пли большими
рабочими расстояниями для любой длины тубуса микроскопа. Одна из
схем микрообъективов с числовой апертурой 0,4 дана на рис. VIII.25, а.
Система представляет собой усовершенствованный объектив Кассегрена,
толстый менисковый компонент, на котором наклеено выпуклое зеркало,
заменяет асферическую пластинку Шмидта. Центральное экранирование
по диаметру зрачка составляет более 50%.
В 1932 г. Д. Д. Максутов предложил
новые оригинальные конструкции отража-
тельных объективов микроскопов из одного
куска стекла, аналогичные кардиоидкон-
денсору.
Рис. VIII.25. Зеркально-линзовые объективы Максутова и40X0,50 ГОИ
На рис. VIII.25, б приведен один из вариантов схем микрообъективов
Максутова с числовой апертурой 0,85 и увеличением 604. В этой системе
объект расположен в центре кривизны поверхности /; поверхность 2
алюминирована и слегка ретуширована. Лучи, отраженные от алюми-
нированных концентрических (или по форме близких к концентрическим)
поверхностей 2 и 3, встречают поверхность 4, не испытывая на ней прелом-
ления. Такой микрообъектив в виде «сухой» системы абсолютно ахрома-
тичен; визуальные наблюдения и фотографирования в любой области
спектра производятся без перефокусировки.
Развитие зеркальных микрообъективов проходило, главным образом, по
линии ультрафиолетовой микроскопии. Так, например, в 1934 г. Джонсон
разработал свой первый ультрафиолетовый микроскоп, в котором сфери-
ческое вогнутое зеркало представляло собой кварцевую менискообразную
линзу, алюминированную с внутренней стороны (зеркало типа Манжена).
Первые апланатические моноцентрические микрообъективы, состоящие
из двух сферических зеркал с числовой апертурой 0,5, были разработаны
С. А. Гершгориным, Е. М. Брумбергом и П. Д. Радченко для изучения
биологических препаратов, а также металлографических исследований
в ультрафиолетовых лучах с помощью цветной трансформации. В 1943 г.
в ГОИ был разработан объектив 40 х0,5, исправленный в промежутке
волн от 210 до 800 нм (рис. VIII.25, в, О К-40); объектив имеет две сфери-
ческие концентрические поверхности 2 и 3 и коррекционные линзы /, 4 и 5.
Выпуклое зеркало 3 приклеено к линзе 1. Центральное экранирование
.218
зрачка составляет 46% по диаметру. Концентрическая зеркальная система,
состоящая из двух сферических зеркал, дает хорошее исправление сфери-
ческой аберрации и комы до числовой апертуры 0,5. В объективах с апер-
турой более 0,5 вследствие большой комы поле зрения не превышает
нескольких микрон. Кроме того, концентрические объективы обладают
большим центральным экранированием, равным примерно 47% по диа-
метру зрачка. Центральное экранирование зрачка уменьшается, если от-
ступить от условия концентрической системы, но при этом возникают кома
! астигматизм, которые резко снижают полезную величину поля зрения.
Комбинируя зеркальные и линзовые сферические компоненты, можно
получить микрообъективы с небольшим центральным экранированием
зрачка п достаточно совершенным
качеством изображения.
В зависимости от способа ис-
правления аберраций зеркальные
и зеркально-линзовые объективы
микроскопа могут быть разбиты
на следующие три группы:
1) объективы, содержащие два
или больше корригирующих друг
друга зеркал;
2) зеркально-линзовые объек-
тивы, у которых остаточные абер-
Рис. VIII.26. Зеркально-линзовый объек-
тив Русинова
рации двух зеркал компенсируются одной или несколькими линзами;
3) зеркально-линзовые системы, у которых остаточные аберрации двух
зеркал взаимно компенсируются и числовая апертура увеличивается лин-
зовыми компонентами.
Объективы первой группы с хорошими характеристиками получены
в ГОИ, а также Норрисом и Уилкинсом, Беннетом и Кавано, Стиллом.
Объективы второй группы сконструированы в ГОИ, а также Линфутом,
Джонсоном, Боуерсом, Греем и Ли и т. д.
Заслуживает внимания ряд объективов Боуерса, относящихся
к третьей группе. В основу этих объективов положена концентрическая
система, мало отличающаяся от системы Максутова. Все компоненты
склеены и представляют конструкцию, как бы изготовленную из одного
куска стекла. Такой тип объектива имеет несколько преимуществ. Так,
например, центральная часть сферической поверхности может быть алю-
минирована и поэтому не требуется устройства специальной оправы для
малого вогнутого зеркала, экранирующего свет, как это имеет место
в объективах Берча, Норриса и Уилкинса и др. Чтобы избежать большого
центрального экранирования зрачка, Боуерс подобно Джонсону и Дайсону
использовал полуотражающие поверхности, предполагая, что микроскоп
имеет небольшое поле зрения и что в нем имеется большой избыток света.
В объективах Боуерса можно снизить центральное экранирование до
4% по площади зрачка, использовать преимущества концентрической
системы и получить вполне удовлетворительную коррекцию системы до
числовой апертуры А — 1,4.
В 1954 г. в ЛИТМО под руководством М. М. Русинова разработана
•серия безыммерсионных и иммерсионных зеркально-линзовых объективов.
На рис. VIII.26 представлена принципиальная схема одного из вариантов
219
-/0-5 0
-0,50 ^,“/о
Рис. VIII.27. Оптические схемы и графики остаточных аберраций зеркально-
линзовых объективов для ультрафиолетовой и видимой областей спектра —
а — 75X0,65; б — 115x0,7; в — 75Х 1,0 иг —125X1,1
220
Таблица VI11.17
Область ахромагизации и хроматизм увеличения объективов. Длина тубуса микроскопа 160 мм
Тип объектива Ш ифр объектива УвелИ’ чение п аперту- ра Иммерсия Область ахромати- зации в нм Область ахроматизации и хроматизм увеличения в % Г — 7 мм
О К-40 40x0,5 211—800 —0,01 1,2 1,46 2,11 2,89 Хо Хо 0,04 1,87 2,24
ОНЗ-75А 75x0,65 Безыммерсион- ный 242,9—600 ^250 ~ X
Зеркально- ОНЗ-115 115x0,7 242,9—600
линзовые ‘зоо /' \ЗС0
ОК-75 75 X 1,0 Глицерин—74%, вода — 26% 242,9—600 3,16
ОНЗ-125 125x1,! 242,9—600 4,26
Линзовые ок-ю 10x0,20 Безыммерсион- ный 250—330 X) ‘280 f ,22 Хо ~~ X ),35
X) Хо
ОК-50 50X0,65 250-313 Хо ~ Хо ,09 Хо —’ ^313 ,57
Хо ^280
ОК-58 58X0,80 Водная 248—280 Xs Хо ,5 X ^280 >0
Хо X
планахроматических объективов М. М. Русинова. Объектив имеет число-
вую апертуру 0,65 и увеличение 20. Линейное поле зрения 1,3 мм и цен-
тральное экранирование не превышает 20% по диаметру выходного зрачка.
Зеркальная часть 1 объектива из-
готовлена из сплошного куска стекла;
дополнительная система 2 состоит из
четырех линз. Покровное стекло при-
жимается к поверхности объектива.
В последующих вариантах систе-
ма 2 была заменена триплетом. К этой
системе разработан специальный шта-
тив с переменной длиной тубуса и
широкоугольный окуляр 5х, обеспе-
чивающий хорошее качество изобра-
жения всей системы.
Приведенные на рис. VIII.27 кон-
струкции зеркально-линзовых объек-
тивов 75 x0,65 (ОНЗ-75А), 115 /0.7
(ОНЗ-115),75 х 1,0 (ОК-75) и 125 > 1,1
(ОНЗ-125) имеют центральное экра-
нирование 9% по площади зрачка
и высокую степень коррекции. При-
Рис. VIII.28. Зеркально-линзовые объективы для ин-
фракрасной области спектра: а—безыммерсионный;
б — иммерсионный
менение этих объективов
в ультрафиолетовых ми-
кроскопах МУФ-5 и МУФ-6
дает возможность получить
более точные результаты
микроспектроскопического
анализа, микроспектрофо-
тометрических количест-
венных измерений, а также
наблюдение и фотографи-
рование без перефокуси-
ровки в области длин
волн от 242,9 до 700 нм.
Это свойство объективов
позволяет автоматизиро-
вать процесс исследования
клеток живых организмов.
В табл. VIII. 17 даны об-
ласть ахроматизации и
хроматизм увеличения
объективов.
19. Объективы для инфракрасной области спектра
Большое практическое значение приобретают зеркально-линзовые
объективы в связи с развитием новых методов исследования в инфракрас-
ной области спектра с применением специальных приемников (ФЭУ,
эвапорографов и т. д.).
222
На рис. VIII.28, а приведена типовая конструкция безыммерсионных
объективов 75 х0,65 (ОР-75 ИК) и 40 х0,70 (ОР-40), рассчитанных для
длины тубуса 160 мм и толщины покровного стекла d = 0,17 мм. Цен-
тральное экранирование зрачка составляет 30% по диаметру; область
ахроматизации — от 0,589 до 5,5 мкм.
На базе микрообъектива ОК-75 (рис. VIII.27, в) разработан объектив
75 х 1,0 (ОРМ-75 ИК, рис. VIII.28, б) с областью ахроматизации от
0,8 до 1,6 мкм. Объектив применяется в микроскопе МИК-4.
20. Объективы с большим рабочим расстоянием
для высокотемпературных установок
За последнее десятилетие в различных областях науки и техники
возросла потребность в объективах с большим рабочим расстоянием для
исследования в видимой области спектра.
Зеркально-линзовые объективы позволяют решать ряд конструктив-
ных задач и создавать малогабаритные микроскопы для электронно-
лучевых установок, высокотемпературных установок, для приборов
микроспектралыгого локального анализа и т. д. Они выгодно отличаются
от линзовых объективов тем, что передний отрезок у них может превы-
шать фокусное расстояние более чем в четыре раза. Исследования пока-
зали, что в высокоапертурных линзовых объективах с тубусом бесконеч-
ность практически трудно получить передний отрезок, превышающий
фокусное расстояние. Так, например, в приведенном на рис. VIII.21, а
объективе рабочее расстояние равно 17 мм при фокусном расстоянии
f — 24,4 мм. Если далее предположить, что полезное увеличение микро-
скопа при числовой апертуре объектива 0,5 должно быть равно 500х,
то, приняв увеличение окуляра 15х, найдем, что собственное увеличение
объектива должно составлять 33х, а фокусное расстояние дополнительной
тубусной линзы — 805 мм. Отсюда следует, что габаритные размеры
визуального тубуса микроскопа становятся очень большими. Кроме того,
если принять во внимание, что диаметр выходного зрачка объектива
составляетDeblx. „р 2Af06 = 24,4 мм, то и размеры осветительного устрой-
ства, созданного по принципу Кёлера для отраженного света, также будут
велики.
Ниже приводятся некоторые наиболее оригинальные конструкции
зеркальных и зеркалыю-лиизовых объективов с большим рабочим рас-
стоянием, которые нашли практическое применение.
В 1950 г. в ГОИ были разработаны несколько объективов, названных
микронасадками. Принципиальные схемы некоторых микронасадок даны
на рис. VIII.29. Система, приведенная на рис. VIII.29, а, состоит из
собственного объектива микроскопа 40 х0,65 и зеркально-линзовой
насадки (компоненты / и //) с рабочим расстоянием 30 мм и увеличением
Iх, дающей промежуточное изображение О'. Поверхность 3 линзы /
алюминирована с коэффициентом отражения, равным коэффициенту
пропускания. Первая поверхность линзы является асферической и тща-
тельно просветлена. Чтобы исключить вредное влияние прямой засветки
на центральной части линзы / нанесен непрозрачный экран. Принципиаль-
ная схема оптики насадки, приведенной на рис. VIII.29, б, идентична
223
предыдущей насадке, но отличается от нее тем, что компоненты I и //
склеены в один общий блок.
В 1949 г. появилось несколько конструкций микрообъектпвов с боль-
шим рабочим расстоянием, обративших на себя внимание металлургов,
заинтересованных в исследовании поверхностей металлов в нагретом
состоянии. Один из этих объективов с числовой апертурой А - 0,5 и
Рис. VIII.29. Зеркально-линзовые насадки к объективам микроскопа,
выполненные из двух отдельных компонентов (а) и компонентов, склеенных
в общий блок (б)
увеличением Iх, разработанных Дайсоном, показан на рис. VIII.30.
Заслуживает внимания попытка Дайсона использовать то обстоятельство,
что изображение в центре кривизны сферического зеркала является апла-
натическим. Выходящие из объекта О лучи проходят полупрозрачную
защитную пластинку I и после отражения от сферического зеркала II
снова возвращаются на пластинку I, которая направляет часть из них
в плоскость а—а промежуточного изображения О'. Далее это изобра-
Рис. VIII.30. Зеркально-линзовый объектив
Дайсона
Рис. VIII.31. Зеркально-лин-
зовый объектив Номарского
жение О' проектируется с помощью обычного объектива III микро-
скопа в плоскость О", которая может быть сопряжена с фокальной пло-
скостью окуляра или каким-либо другим приемником излучения.
На рис. VIII.31 приведен объектив Номарского 40 ><0,52 с рабочим
расстоянием 8 мм, применяемый фирмой «Рейхерт» в высокотемператур-
ном микроскопе. В этом объективе выпуклым зеркалом служит централь-
ная металлизированная часть концентрического мениска.
Практическое применение нашла установка М. Олсона, Б. Б. Брикс-
пера и М. А. Смита, оптическая схема которой показана на рис. VIII.32.
224
На это11 установке исследуются образцы металлов, нагретые до 2500° С.
В оптической схеме применен зеркальный объектив из одного зеркала
с числовой апертурой 0,47 и рабочим расстоянием 101,6 мм. Отражающая
вогнутая поверхность зеркала 1 имеет форму эллипсоида, малая и большая
полуоси которого соответственно равны 653 и 1578 мм. Вертикальная
ось камеры 3 является осью симметрии сегмента зеркала. Испытуемый
образец 2 помещается в фокусе /Ц эллипса и освещается ярким источником.
Изображение образца в масштабе 30х передается в фокус Р2 эллипса
/ход лучей показан сплошными линиями со стрелками). В фокусе F.,,
находящемся за пределами камеры, распо-
лагается окуляр 4. К недостаткам такой
установки относится сильное ограничение
Рис. VIII.32. Зеркальный объектив
Олсона
Рис. VIII.33. Зеркально-линзовый объек-
тив фирмы «К- Цейсс» (г. Иена)
поля зрения вследствие больших полевых аберраций, свойственных эллип-
тическим зеркалам и недостаточная четкость изображения из-за трудности
изготовления эллиптического зеркала с высококачественной поверх-
ностью.
На рис. VIII.33 приведена оптическая схема объектива, разработан-
ного фирмой «К. Цейсс» (г. Иена). Объектив имеет/'=^6,25 .юи (тубус беско-
нечность), А - 0,5 и передний отрезок 18,8 мм с учетом защитного стекла
толщиной 2 мм. Центральное экранирование составляет 30% по диаметру
зрачка. Фронтальный компонент выполнен из двух линз, склеенных
плоскими поверхностями, причем центральная часть второй линзы пере-
ходит в сферическую форму и служит выпуклым зеркалом. Вторая линза
фронтального компонента имеет три преломляющих и одну отражающую
поверхности. Конструкция фронтального компонента требует высокой
точности центрировки всех четырех поверхностей второй линзы и ком-
понента в целом. Объектив используется также в металлографических
микроскопах и в микроспектральных локальных установках с лазерным
излучением.
На рис. VIII.34, а дана конструкция объектива С фокусным расстоя-
нием f 9,9 мм (тубус бесконечность), А — 0,4; расстояние от предмета
до первой поверхности объектива с учетом толщины покровного стекла
d = 2 мм равно 40,6 мм, центральное экранирование 30% по диаметру
зрачка. Фронтальный компонент выполнен из простой линзы с тремя
преломляющими сферическими поверхностями, из которых центральная
15
Г. Е. Скворцов и др.
225
часть первой преломляющей поверхности металлизирована и служит’
малым зеркалом (выпуклым), т. е. радиус кривизны преломляющей по-
верхности и ее отражающей зеркальной части один и тот же. Такая кон-
струкция фронтального мениска позволяет получить передний отрезок
объектива, превышающий в четыре раза его фокусное расстояние. Объек-
тив рассчитан для поля зрения, равного 18 мм в пространстве изображе-
ния. Хроматизм увеличения составляет 1,3%, поэтому к этому объек-
тиву рассчитан специальный компенсационный окуляр.
На рис. VIII.34, б показан безыммерсионный зеркально-линзовый
объектив с числовой апертурой 0,65, фокусным расстоянием f -6,1 мм-
Плоскость
предмета
Рис. VIII.34. Зеркально-линзовые объективы с большим рабочим расстоянием
и центральным экранированием 32% по диаметру зрачка. Объектив со-
держит положительный мениск 1 с жестко закрепленным на нем выпук-
лым сферическим зеркалом 2, вогнутое сферическое зеркало 3 и двух-
линзовый расклеенный компенсатор 4 и 5. Передний отрезок объектива при
толщине защитного стекла d = 2 мм превышает в 3,5 раза фокусное рас-
стояние объектива. Волновые аберрации для видимой области спектра
находятся в пределах критерия Рэлея, а аберрации в широких наклонных
пучках исправлены вполне удовлетворительно для поля зрения, равного
18 мм в пространстве изображений. Хроматизм увеличения составляет'
1,3%, и поэтому объектив может применяться с обычными компенсацион-
ными окулярами. Размеры зеркальных и зеркально-линзовых систем
зависят от величины центрального экранирования их зрачка. Чем
меньше в системе центральное экранирование зрачка, тем большими
становятся ее габариты и сложнее конструкция. В связи с этим суще-
ственное практическое значение приобретает допустимая величина цен-
трального экранирования зрачка, при которой еще незаметно ухудшение
качества изображения. Установлено, что центральное экранирование
может составлять не более 9—10% всей площади зрачка. Проблема созда-
ния высокоапертурных зеркальных микрообъективов-апланатов с чис-
226
ловой апертурой А ~=0,6 и центральным экранированием, не превышающим
30% по диаметру, приводит к применению (асферических поверхностей.
Самое рациональное и эффективное решение задачи создания опти-
мальных систем сводится к использованию асферических поверхностей,
к которым применима теория апланатических систем с двумя зеркалами.
Большой интерес представляют новые типы чисто зеркальных объективов,
в которых основными оптическими элементами являются сферические
зеркала, а для компенсации их аберраций применяются планоидные
отражающие поверхности, предложенные В. Н. Чуриловским. Такие
системы открывают возможность создания высокоапертурных микро-
объективов, имеющих апланатическую коррекцию. Однако и здесь практи-
ческое осуществление этой задачи требует решения некоторых проблем.
21. Условные обозначения объективов
На корпусах объективов микроскопа отечественного производства
наносятся следующие обозначения: ОХ — ахромат; АПО — апохромат;
ОПХ — планахромат; ОПА — планапохромат; ОМХ — монохромат;
ОК — кварцфлюоритовый; ОР — зеркальный или зеркально-линзовый;
ОЭ — эпиобъектив.
К этим обозначениям добавляются буквы: П — поляризационный;
Л — люминесцентный; Ф — фазовый; ФА — фазовый темнопольный; Ж —
желатиновый; ЛК — люминесцентный контактный; ФЛ — фазовый лю-
минесцентный.
По окружности корпуса объектива наносятся цветные кольцевые
канавки, характеризующие применяемые иммерсии к данному объективу,
например: черная канавка — масляная иммерсия; белая канавка — вод-
ная иммерсия; желтая — глицериновая иммерсия; красная — йодмети-
леновая иммерсия.
Для соединения с тубусом микроскопа применяются два вида сопря-
жений: на резьбе и на гладком центрирующем пояске (для микроскопов
с верхним расположением предметного столика). Размеры сопряжений
предусмотрены ГОСТом 11200—65.
В. ОКУЛЯРЫ
При визуальном наблюдении окуляр служит для рассматривания уве-
личенного изображения предмета, даваемого объективом. В этом случае
он выполняет роль лупы.
Для нормального глаза изображение, образованное объективом, сов-
мещается с передней фокальной плоскостью окуляра и тогда лучи выходят
из окуляра параллельными пучками, давая изображение предмета на
бесконечности. Соответствующей перефокусировкой всего микроскопа
можно получить изображение за окуляром на расстоянии наилучшего
зрения. Для аметропического глаза это расстояние должно соответство-
вать состоянию его рефракции. Чтобы избежать при смене окуляра пере-
фокусировки всего микроскопа, опорная плоскость у всех окуляров на-
ходится выше от переднего их фокуса на одном и том же расстоянии,
равном 13 мм. Окуляры широко применяются в качестве проекционных
систем при микрофотографии, передаче действительного изображения
на экран или какой-либо другой приемник изучения.
15*
227
Поскольку диаметр выходного зрачка микроскопа в пределах полез-
ного увеличения составляет от 0,5 до 1 мм, то в окулярах должна быть
исправлена прежде всего аберрация в наклонных пучках, т. е. кома,
астигматизм, кривизна поля, дисторсия, а также хроматизм увеличения,
величина которого определяется выбором объектива.
22. Положение зрачков окуляра
Световые диаметры линз окуляра зависят от положения его входного
зрачка. Если между объективом и окуляром отсутствуют какие-либо
добавочные компоненты с оптической силой, не равной нулю, то за вход-
ной зрачок окуляра можно принять выходной зрачок объектива. Этим
зрачком может служить изображение апертурной диафрагмы конденсора
в задней фокальной плоскости объектива или последняя линза объек-
тива. В некоторых конструкциях объективов выходным зрачком служит
изображение специальной ирисовой диафрагмы, установленной в одном
из промежутков между компонентами объектива (объектив ОМ-15 и др.).
В тех случаях, когда между объективом и окуляром находятся допол-
нительные линзовые или зеркальные компоненты (тубусные линзы, си-
стемы фазовых колец и т. д.), входным зрачком окуляра следует считать
изображение выходного зрачка объектива, даваемое этими компонентами.
Выходной зрачок у окуляров большого увеличения находится прак-
тически вблизи его заднего фокуса. Когда выходной зрачок объектива
микроскопа расположен в его задней фокальной плоскости, то расстоя-
ние х' от выходного зрачка микроскопа до заднего фокуса окуляра можно
вычислить по формуле Ньютона
где А„ — оптический интервал.
Выходной зрачок микроскопа должен иметь достаточное удаление от
последней поверхности окуляра, чтобы обеспечить удобное положение
глаза наблюдателя. Во всех металлографических и в некоторых универ-
сальных биологических и поляризационных микроскопах применяются
тубусные ахроматические линзы с объективами, рассчитанными для бес-
конечно удаленного изображения. Эти тубусные линзы дают мнимое и
увеличенное изображение выходного зрачка объектива на расстоянии
около 400 мм от окуляра. В некоторых микроскопах бинокулярные на-
садки со сменными системами Галилея дают изображение выходного зрачка
объектива на бесконечность. Для таких микроскопов требуются окуляры
с удаленным расположением входного зрачка, а применение окуляров,
рассчитанных для длины тубуса микроскопов 160 мм или 190 мм, неже-
лательно. Такие окуляры срезают поле зрения объектива, так как выход-
ной зрачок микроскопа располагается очень близко от последней поверх-
ности окуляра и совместить с ним входной зрачок глаза наблюдателя
становится невозможным. Применение того или иного типа окуляра опре-
деляется типом объектива и характером исправлений аберраций. Вели-
чина поля зрения микроскопа определяется размером диафрагмы поля
зрения, помещенной в передней фокальной плоскости окуляра.
228
23. Типы окуляров
По оптической конструкции окуляры, применяемые в микроскопии,
можно разделить на следующие типы: окуляры Гюйгенса, Кельнера, ком-
пенсационные (усложненный тип окуляра Гюйгенса и др.), ортоскопиче-
ские. симметричные, панкратические, Кербера, интерференционные, спе-
циальные и окуляры отрицательные (гомалы).
24. Окуляры Гюйгенса
Окуляры этого типа применяются для объективов-ахроматов. Они
состоят из двух двояковыпуклых линз — коллективной и глазной, обра-
щенных выпуклыми поверхностями к объективу (рис. VIII.35, а). Перед-
ний фокус F всей системы окуляра располагается между линзами, что
составляет особенность окуляра этого типа. Действительное изображе-
ние АВ - I предмета, даваемое объективом, находится в переднем фо-
кусе F окуляра и является мнимым предметом для коллективной линзы I.
Коллективная линза / дает действительное изо-
Рис. VIII.35. Окуляры Гюйгенса: а — без шкалы; б — со шкалой
изображает Г на бесконечность. В передней фокальной плоскости глазной
линзы находится диафрагма поля зрения окуляра. Линейное поле зрения
окмляоа оавно 21ок где Dn — световой диаметр полевой диа-
ркод
фрагмы, рк„.; — линейное увеличение, с которым коллективная линза
создает промежуточное изображение, даваемое объективом. Обычно это
увеличение бывает меньше единицы.
При расчете окуляра Гюйгенса пользуются тремя конструктивными
параметрами: двумя радиусами выпуклых поверхностей и расстоянием
между линзами. При заданном увеличении окуляра, т. е. при заданном
его фокусном расстоянии, остаются два параметра, с помощью которых
может быть исправлен хроматизм увеличения и одна из аберраций —
астигматизм или кома. В целях наилучшего изображения вне централь-
ных точек поля обе последние аберрации полностью не устраняются,
а остаются в допустимых пределах. Так как окуляр дает изображение при
посредстве узких пучков, то сферическая аберрация и хроматизм поло-
жения, остающиеся неисправленными, не влияют на качество изображе-
ния всей системы микроскопа.
229
Если линзы изготовляются из различных марок стекол, то расстояние d
между линзами, при котором исправляется хроматизм увеличения, вы-
числяется по формуле
где Vj, v2 — коэффициенты средней дисперсии коллективной и глазной
линз.
Окуляры с увеличением до 10х рассчитываются из одной марки стекла,
чаще всего из К8. При увеличении 15х и больше коллективная линза
изготовляется из тяжелого флинта, а глазная — из баритового крона.
Применение двух различных марок стекол для обеих линз значительно
уменьшает хроматизм окуляра. В передней фокальной плоскости глазной
линзы (в плоскости, совпадающей с диафрагмой поля зрения) может по-
мещаться сетка окуляра. В этом случае глазная линза имеет самостоятель-
ную оправу, перемещающуюся внутри общей оправы окуляра для фоку-
сировки на шкалу, причем расстояние коллектива и шкалы от опорной
плоскости окуляра при этом перемещении не меняется. Шкала наносится
прямым шрифтом на сторону пластинки, обращенной к глазной линзе.
Применение окуляра Гюйгенса приводит к меньшей общей длине
визуального тубуса прибора по сравнению с окулярами, у которых фо-
кальная плоскость расположена перед коллективной линзой (окуляр
Кельнера и др.).
Как видно из хода лучей (рис. VIII.35, а), диаметры линз окуляра
Гюйгенса могут иметь размеры значительно меньшие по сравнению с изоб-
ражением, даваемым объективом. Это преимущество окуляра Гюйгенса
становится особенно заметным при малых увеличениях порядка 3—4Z'.
У окуляра Гюйгенса 15х выходной зрачок расположен от глазной линзы
на расстоянии 6,5 мм. Поэтому окуляры Гюйгенса с увеличением больше
15х для наблюдения не применяются. Угловое поле зрения не превышает
30°. Очень выгодно применять для наблюдения окуляры Гюйгенса слабого
увеличения в микроскопах с длиной тубуса 160 и 190 мм, так как выходной
зрачок микроскопа будет находиться от главной линзы на расстоянии
12—15 мм. На рис. VIII.35, а приведена принципиальная конструкция
окуляров Гюйгенса без сетки (АМ-6, AM-31, М-7, М-10 и М-11). Коллек-
тивная линза окуляра крепится в оправе с помощью зажимного кольца
на резьбе. Окуляры, предназначенные для бинокулярных насадок типа
АУ-12, АУ-13, АУ-21, должны быть центрированы. Требуемая точность
центрировки достигается путем подбора сборок 1 и 2. Окуляр АМ-6,
снабженный измерительной шкалой, имеет шифр АМ-4, глазная линза
фокусируется иа±5дптр. Окуляр М-7 с измерительной сеткой имеет
шифр АМ-11. Окуляр М-10, снабженный перекрестием, имеет шифр АМ-10.
В табл. VIII. 18 приведены аберрации окуляра АМ-6.
На рис. VIII.35, б дана конструкция окуляра Гюйгенса Г = 8х с пе-
рекрестием (АМ-8). Для установки перекрестия оправа окуляра имеет
хомутик 1, который располагается на корпусе детали 2 таким образом,
чтобы боковые его стороны были параллельны штриху перекрестия с точ-
ностью до 30', и стопорится винтом 3. Глазная линза с оправой 4 имеет
фокусировку ±5 дптр для резкого наведения на шкалу.
230
Т а б л и ц а VIII. 18
Аберрации окуляра Гюйгенса (АМ-6, Г = 4Х)
в обратном ходе лучей
С'1 {эр {зр Г xs хт — 100 zo lF ~ lC 7 100 lD
-7° 46' — 11,74 120,2 8,49 —0,94 —0,45 0,09 0,19
— 1()-' 54' —9,99 120,2 12,0 — 1,99 — 1,02 0,32 0,49
tn = —7° 46' tn £14== — 10° 54'
s' 102o' Z' s' 102a' I'
2,5 51,36 9,12 8,334 2,5 65,99 11,17 11,866
0 120,22 5,29 8,485 0 120,22 7,49 12,0
—2,5 541,30 1,48 8,594 —2,5 274,42 3,87 12,164
В табл. VIII. 19 и в приложении даны соответственно конструктивные
элементы и оптические характеристики окуляров Гюйгенса.
Таблица VIII.19
Конструктивные элементы окуляров Гюйгенса
Шифр окуляра Увели- чение в крат Г 2 — Г 4 d-2 Марка стекла CB0
1 2 1 2
АМ-6 4 25,39 ОС 17,76 4 53,6 2,5 К14 К14 20 8
AM-30 4 46,35 сю 23,77 4,5 67,0 3,0 К8 К8 19 И
AM-1 4 25,39 сю 17,76 4 53,6 2,5 К14 К14 20 8
AM-5 5 25,39 сю 45,42 5 47,4 2 К.8 К8 20 10
AM-11 7 22,80 сю 11,484 3,2 37,4 2,5 К8 К8 20 7,0
AM-31 7 22,91 сю 16,218 4 34,3 3,5 К8 68 20 6,4
M-7 7 22,80 сю 11,484 3 37,4 2,5 К8 К8 16,5 7
6M-8 8 22,96 сю 11,86 5 31,6 2 К8 К8 20 10
M-10 К) 24,07 сю 10,18 3 25,9 2,5 Ф1 К14 15 8
AM-10 10 24,07 сю 10,18 3 25,9 2,5 Ф1 К14 15 8
M-11 15 18,66 сю 7,47 3 16,8 1,5 ТФ1 К14 9 5
25. Окуляры Кельнера
Окуляр Кельнера состоит из простой коллективной линзы и глазной,
склеенной из двух различных марок стекол (рис. VIII.36). Угловое поле
зрения окуляра колеблется от 40 до 50°. В этих пределах аберрации могут
быть исправлены достаточно хорошо. Диафрагма поля зрения находится
.в передней фокальной плоскости окуляра, которая расположена впереди
231
коллективной линзы на расстоянии примерно 0,3fOK. Задняя фокальная
плоскость окуляра расположена от глазной линзы примерно на расстоя-
нии 0,4/ок. Общая длина окуляра У d приблизительно составляет 1,25/га.
Как видно из конструкции, коллективная линза окуляра Кельнера имеет
значительно больший световой диаметр по сравнению с окуляром Гюй-
генса. Диаметр оправы у окуляров Кельнера слабых увеличений превы-
шает внутренний посадочный диаметр тубусной гильзы микроскопа
D — 23,2 мм (ГОСТ 11200—65). Окуляры Кель-
нера применяются в бинокулярных стереоско-
пических микроскопах МБС-1, МБС-2 и МБС-3,
в которых внутренний диаметр посадочного от-
верстия составляет/)—30 лъи (ГОСТ 11200—65).
С целью сокращения поперечных размеров
окуляра Кельнера последний рассчитывается
таким образом, чтобы передняя его фокальная
плоскость, а следовательно, диафрагма поля
зрения находились непосредственно перед кол-
лективной линзой (окуляры АТ-18, АШ-8,
АШ-12,5и др.). Такое расположение диафрагмы
поля зрения определяет повышенные требова-
ния к чистоте и пузырности в коллективной.
Рис. VIII.36. Окуляр Кель- линз,е окуляра.
лера Линейное поле зрения объектива микроскопа
при применении окуляра Кельнера и окуляров,
у которых диафрагма поля зрения расположена перед линзовыми ком-
понентами, равно отношению светового отверстия этой диафрагмы к ли-
нейному увеличению применяемого объектива:
9/ _ _dLo_ _ ^рк
06 ~ Роб ~ Роб ’
где Dg. „ = 2/ок— световой диаметр диафрагмы поля зрения окуляра;
роб — линейное увеличение объектива микроскопа.
В табл. VIII.20 даны конструктивные элементы и аберрации окуляра
7 х (АТ-18).
Конструктивные элементы
Св. 0
г, = 64,71 ф = 7,2 К8 ; 20,4
г2 = — 57,91 1
d„ = 27,0
гз = 23,01 15.6
Л = 7,2 ТК2
г4 = — 14,52 14,2
Щ = 1,8 Ф1
г5 = 483,10 У d = 43,2 13,0
Таблица VIII.20'
Окуляр Кельнера (АТ-18, Г = 7 с)
Оптические характеристики
1 ок = 36,0 Гкол 60,42 46,91
SF = — 11,64 21=18 Од 9,0
SF, - 12,53 2ц', = 29°
232
Продолжение табл. VIII.20
Аберрации в обратном ходе лучей
^'1 'эр 'зр /' Xs х 1/1 l'- zo 100 'о 'f — 1с у 100 lD
- 10' 09' —20,21 171,64 6,36 —0,12 —0,41 —0,92 —0,19
— 14° 18' -19,85 171,64 9,0 —0,32 —0,72 — 1,03 —0,28
Ji = — 10° 09' = — 14° 18'
т s' 102o' I' s' 10so' Г
1,44 91,84 1,89 6,34 107,15 9,40 9,01
0 171,64 3,98 6,36 171,64 5,62 9.0
— 1,44 15 152,2 0,04 6,36 516,02 1,78 8.98
26. Окуляры симметричные
Симметричные окуляры имеют по две одинаковых симметрично рас-
положенных склеенных линзы. Воздушный промежуток между линзами
составляет 0,1—0,2 мм. Аберрации для точки на оси и в пределах поля
зрения 40° исправлены достаточно хорошо. Уда-
ление выходного зрачка больше, чем в окуляре
Кельнера. Значительной величины вершинное
фокусное расстояние — sf = sf- — 0,75/о« со-
здает большое удобство для наблюдения с этими
окулярами при малых их фокусных расстоя-
ниях, т. е. при больших увеличениях. Как и
окуляры Кельнера, симметричные окуляры
малых увеличений из-за больших поперечных
размеров для визуального наблюдения приме-
няются редко, но зато успешно используются
при микрофотографии. На рис. VIII.37 приве-
дена конструкция симметричного измеритель-
ного окуляра АТ-38, который без измеритель-
ной сетки имеет шифр АТ-36. В табл. VIII.21
даны конструктивные элементы и аберрации
окуляра.
Рис. VIII.37. Окуляр сим-
метричный
233
Таблица VIII.21
Окуляр симметричный (АТ-36, f — 15х)
Конструктивные элементы Оптические характеристики
Св.0
гг = 103,75 14 fM=17,0
<4 = 1,8 ТФ1 s/- = —11,6 2/=12 Од = 12,5
г 2 = 16,22 s'F, = 11,6 2ffi)j----41°
cl2 -= 5,4 К8
г3=- — 16,22
<4 = 1,3 14,5 1
= 16,22 1
<4 = 5,4 К8
г5 = — 16,22 (
<4 - 1,8 ТФ1 1
г6 = —103,75 £</= 15,7 14 1
Аберрации в обратном ходе лучей
1 I I j 4/> 1зр Г X'S x'm i-TSoo '' — 100 lD \
i —14° 25' — 12,68 171,64 4,24 0,43 —0,14 - 2,86 -0,04
i —20° 32' — 11,84 171,64 6,0 1,24 —0,21 —5,7! - -0.03
Wi = — 14° 25' a,! — 20° 32'
s' 103(J' Г s' 102o'
0,68 76.07 6,60 4,26 90,69 7,65 6,06
0,0 171.64 2,65 4,24 171,64 3,75 6,0
—0,68 —303.66 —1,34 4,23 —2419,7 —0,25 '.5,96
234
27. Окуляры ортоскопические
Ортоскопические окуляры употребляются в соединении с объекти-
вами-ахроматами средних апертур в тех случаях, когда желательно иметь
большое окулярное увеличение и угловое поле зрения до 50°. Передний
фокус у этих окуляров находится перед лин-
зами. Система хорошо исправлена в отношении
хроматизма увеличения, астигматизма и дис-
торсии. Ортоскопические окуляры малых и сред-
них увеличений не отличаются по конструкции
от окуляра Кельнера. На рис. VIII.38 приве-
ден ортоскопический окуляр Г = 28х (АМ-20),
оптическая схема которого аналогична ком-
пенсационным окулярам больших увеличений.
В табл. VIII.22, VIII.23 и VIII.24 даны кон-
структивные элементы и аберрации окуляров.
Рис. VIII.38. Окуляр орто-
скопический
Таблица VI 11.22
Окуляр ортоскопический (АМ-18, Г = 12,5х)
Конструктивные элементы Оптические характеристики
Св. 0
Г ОО /ок = 20,1 21=16 Од = 16
d, -- 4,5 К8
г. = — 17,5 18 8р— —5,3
d2 = 15,8
г3 = 14,9 0'7,2 2^ = 45°
__ 4,0 ТКЗ 10
г4 — — 11,05
d4 =- 1,0 Ф1
г5 = оо У d — 25,8
Аберрации в обратном ходе лучей
-1 1зР Г 'vs х'т ; 100 ;о ^ЛСюо lD
-20 10' —6,81 1 165,30 i —7,36 —0,52 0,88 —3 5 —0,40
-24- 52' —4,76 165,30 i —9,16 —0,83 1,39 —5,4 -0,30
। тп W1 = — 24° 52'
s' j 10=o' Z'
\ 0,6 107,83 1 8,61 9,20
i 0 165,30 1 5,93 9,16
—0,6 275,29 I 3,25 9,13
235
Таблица VI11.23
Окуляр ортоскопический (АМ-19, Г = 17 )
Конструктивные элементы
I Св. 0
! П=оо |
; dt—3,5 К8 15
r.2- -15.30 I
d2 = 10
г3—11,40 i
d3 = 3,5 ТКЗ I qn
r4 = - 9,47 I 910
d4=l,0 Ф1 I
Оптические характеристики
L = 15
i sr-—5,3 2013,6 Од
j sp> - - 7,0 2Ш] --- 50°
У d= 18
Аберрации в обратном ходе лучей
Ср Ср Z' AS 1 х т 1 1'-° j ^/7 — ''r; I 1 1U( j 'о
— 18° 14' —7,37 165,35 4,94 —0,39 0,13 -3,4 - 4),50
—25° 45' —5,96 165,35 7,23 —0,65 0,85 —6,7 -0.40
= — 25°
т s' 102о' 1'
0,45 0 —0,45 99,10 165,35 454,83 6,91 4,22 1,48 6,86 6,80 6,74
Таблица VIII.24
Окуляр ортоскопический (АМ-20, Г ==28')
Конструктивные элементы Оптические характеристики
Л = 11,86 dj = 3,0 К8 л, -- —5,76 d2 = l,0 Ф1 rs = 5,76 d3 = 3,0 К 8 г4 - — 11,86 d4 = 0,4 О = 8,10 d5 = 2,0 ? ткз гв = оо d — 9,4 Св. 0 7,0 7,0 С = 8,9 С = 19,6 sp — 4,4 21 — 6,5 1)д = 6.5 s' 6,3 2-Ц', 40“ Г ’ 4.
236
Продолжение табл. VI11.24
Аберрации в обратном ходе лучей
Z3p VS хт !'-zo ; 100 lo lF ~ lC 100 lD
!4- 01' —6,68 164,43 2,21 —0,18 —0,07 —2,3 —0,30
20 12' - 6.75 142,90 3,26 —0,33 0,06 —4,3 —0,22
! I m I tc1! — — 20°
s' I'
0.5 46,82 7,34 3,120
0 I 143,10 2,25 3,119
- 0.5 -100.14 —2,98 3,116
28. Окуляры компенсационные
Компенсационные окуляры применяются в соединении с объективами-
апохроматами, планобъективами и объективами-ахроматами больших
увеличений. Эти окуляры компенсируют хроматизм увеличения приме-
няемых с ними объективов.
Приведенные на рис. VIII.39, а компенсационные окуляры АМ-12,
А.М-13, АМ-24 и АМ-26 являются по своей оптической конструкции услож-
ненным!: окулярами Гюйгенса. Коллективная линза — плоско-выпуклая,
Рис. VIII.39. Компенсацион-
ные окуляры: а —без шкалы;
б - со шкалой; в — окуляр
ЛМ-7 к объективу ОМ-29
237
Таблица VI11.25
Окуляр компенсационный (AM-I3, Г = 7" )
Конструктивные элементы Оптические характеристики
Св. 0
/у = 28,5 21,8 /ок - 35,8
d± = 4,0 Ф13
Г 2 СЮ 21,3 s/г = 29,7 2/ --=18 Пд - 12,
d.2 = 37,7 sp, = 1,3 2ш == 28°
/'з = 11,05 8,7
^з — 4,0 ТК2
г4 = - 7,06 7,9
d4= 1,0 Ф13
=- сю 7,1
Аберрации в обратном ходе лучей
V xs х т. 1 ~~ ‘о - —,— 100 ‘о !f~1c , — — 1O|) lD
— 10° 12' —9,03 130,25 6,44 —0,55 0,30 -1,1 1 1,40
— 14° 16' —8,72 130,25 9,10 —0,91 1,57 - -1,4 1.38
т &У! = — 14°
s' 102о' 1'
l.o 79,97 8,22 9,04
0 130,25 5,62 9,00
— 1,0 273,47 2,96 8,97
иногда двояковыпуклая; глазная линза — двойная, склеенная из поло-
жительной кроновой линзы и отрицательной флинтовой. Передний
фокус находится между линзами; диафрагма поля зрения расположена
перед глазной линзой в ее передней фокальной плоскости. На рис. VIII.39,б
приведена конструкция окуляра АМ-26 со шкалой. В табл. VIII.25 даны
конструктивные элементы и аберрации окуляра Г - 7х (АМ-13).
Некоторые компенсационные окуляры больших увеличений имеют
такую же конструкцию, как и ортоскопические окуляры. К числу таких
окуляров относятся окуляры AM-16, AM-17, АМ-27, АМ-27ф и др.
(рис. VIII.38). Эти окуляры отличаются друг от друга конструкцией
оправы. На рис. VIII.39, в приведена конструкция компенсационного
238
окуляра АМ-7, рассчитанного специально для объектива-планахромата
ОМ-29. В этом окуляре перед фокальной плоскостью расположен трех-
линзовый склеенный компонент, компенсирующий хроматическую раз-
ность увеличения объектива, равную 2,5% в видимой области спектра.
Такой линзовый компенсатор способен устранить хроматизм увеличения
до 5% и более.
29. Окуляры для ультрафиолетовой области спектра-.
Окуляры для ультрафиолетовой области спектра применяются сов-
местно с объективами для фотографирования объектов в ультрафиолетовых
лучах. В зависимости от области ахроматизации
применяемых объективов и имеющегося у них
хроматизма увеличения эти окуляры также под-
разделяются на компенсационные и некомпенса-
ционные. Так, например, к последним относятся
окуляры АМК.-3 и АМК-2, рассчитанные для зер-
кально-линзового объектива ОК-40 и окуляр
АМК-6 — для линзового объектива ОК-10. В ка-
честве оптических материалов в окулярах при-
менены кварц и флюорит.
В табл. VIII.26, VIII.27 и VIII.28 приведены
хроматизм увеличения окуляров и остаточный
хроматизм увеличения объектива совместно с оку-
ляром. В табл. VIII.29 дан астигматизм трех
окуляров Г 6х в обратном ходе лучей. На
рис. VIII.40 приведена конструкция окуляров
АМК-2 и АМК-5.
Рис. VIII.40. Компенсационный окуляр
для ультрафиолетовой области спектра
Таблица VIII.26
Хроматизм увеличения окуляров (Г = 8Х, f0K = 30 мм)
и остаточный хроматизм увеличения объектива вместе с окуляром
Шифр объектива Шифр окуляра Хроматизм увеличения окуляра в % Остаточный хроматизм увеличения объектива вместе С окуляром Б %
ОК-40 АМК-З Z250 ^300 __ Z300 = 0,05 Z300 — Z589 _ ‘зоо = — 0,04 Z250 J300 _ Z250 = 0,06 Z300 __{б89 _ Z300 = 0,08
ОНЗ-125 АМК-2 Z250 УД^ЗОО . . о у Z300 Z250 Z589 ,. е Z300 Z250 hoo _ Q Z300 Z250 - J89 = од Z300
ОК-38 АМК-5 Z248 ~ Z260 _ ^‘248 = 1,55 Z260 — Z280 Z260 . 1,95 Z248 Z26O _ Z248 = 0,05 ^260 Z280 _ Z260 = 0,05
239’
Таблица VI11.27
Хроматизм увеличения окуляров (Г = 3х, f0K — 80 жж) и остаточный хроматизм увеличения объектива вместе с окуляром
Шифр объектива ! । I Шифр ’ окуляра Область ахроматизации и хроматизм увеличения окуляров в % (в обратном ходе лучей) Остаточный хроматизм увеличения объектива вместе с окуляром в %
। 0,24 1,32 *250 ~ *300 J 1 99 0,29 2,06. *300 *58 Э ) 9 0,25 0,12 *250 ~ *300 п । 4 { 0,25 0,19 *300 -*580 __| 018
ОК-40 ' АМК-7
ОНЗ-75А АМК-Ю
OH3-1I5 АМК-Ю
Г *300 2,12 1 2,76 *300 3,18 4,30 *?00 0,01 1 0,23 *300 0,02 1 0,04
ОК-75 АМК-9
ОНЗ-125 АМК-8
ОК-Ю АМК-6 *250 ~ *280 ___ 0 26 *280 J280-7 Z“° _ Q,26 *280 1ж> 7 0>04 *280 Z280 ~ *300 = 0 09 1 ’ 1280
0К-5С) АМК-8 ~ 12“ - 1 74 <» ~ *280 ~~ *313 । *280 0,35 *280 о,2б *28 1
ОК-58 АМК-8 о,83 *260 1 1 ^7^1. ],о8 *2t,0 2^7_±о .. о,67 *2, 0 7rO^T28'L _ () т
Таблица VIII.28
Хроматизм увеличения окуляров (Г = 6х, f'0K = 37 ,и.и)
и остаточный хроматизм увеличения объектива вместе с окуляром
Шифр об ьекч и во Ш ифр окуляра Хроматизм увеличения окуляра в % Остаточный хроматизм увеличения
объектива вместе с окуляром в %
ФйО- Фоо Z300 Z30() — Z589 Z300 Z250 ~~ Z300 Z250 Z300 — Z589
Z300
О! I3-75A лмк-13 1,32 1,78 —0,12 0,09
ОНЗ-115 ЛМК-13 1,32 1,78 0,14 0,45
ОК.-75 AM К-12 2,06 3,30 0,05 —0,14
ОН 3-125 АМК-11 2,63 4,21 0,26 0,05
Таблица VIII.29
Астигматизм окуляров Г = 6х в обратном ходе лучей
Шифр окуляра Л в нм | -1, (С'1 Фр Фр xs хт 7 - хт
250 18,7 4° 45' 8,2 118,8 —0,31 0,34 —0,65
26,3 6“ 41' 8,2 118,8 —0,14 1,77 — 1,91
АМК-12 300 19,1 4J 52' 9,1 118,8 —0,17 0,10 —0,27
26.9 6° 50' 9,0 118,8 —0,16 1,14 — 1,30
i 589 19,6 5J 62' 10,2 118,8 0,11 —0,37 0,48
27,8 7° 06' 10,2 118.8 —0,23 0,26 0,03
250 26,3 6:23' 4,8 132.8 0,15 1,53 — 1,38
\MK-11 300 27,1 6° 35' 5,6 132,8 0,07 1,44 — 1,37
589 28,3 6° 55' 6,9 132.8 0,12 1,03 —0.91
УМКЛЗ 300 11,0 3 00' 16.8 144,0 —0,02 0,08 —0,10
1 22,0 6 00' 16,9 141,9 —0,05 0,54 0,59
30. Широкоугольные окуляры
Широкоугольные окуляры применяются преимущественно для бино-
кулярных стереоскопических микроскопов и некоторых микроскопов
специального назначения. Оптические схемы широкоугольных окуляров
соответствуют окулярам Кельнера, Эрфле и др. На рис. VIII.41 приведена
оптическая схема и графики аберрации широкоугольного окуляра, при-
меняемого в измерительном микроскопе ПСС-2. В табл. VIII.30 дана
характеристика окуляров для планобъективов фирмы «К. Цейсс» (г. Иена).
16 Г. Е. Скворцов и др.
241
Mui)K l]
г, -=-/2,906 r!n Cmeh/ui Cfi <£'
?2 - 32,58 а ,-2.0 ',7398 /9,0
Г7 = -21,53 0,40.0 'K!6 ?3,0
= ОО d.,-0.23 KO '28.2
7у=- -ЛЦ18 А,г 5.3 1.6/26 Th fS '2b.8
Г6 = зо,88 0..-0J3 KO / - /
г7 ~ Оо tit,-5.3 1,6126 T8 7^? /у
Г9 = 16,928 d,--0,!3 KO Z >7. Z
г9 " -267,3 ds-8,0 1,6126 TK /9 Л.0
7\?- 77,906 d,~?,3 !, /398 TV 9 /8.9
F',5
Рис. VIII.41. Широкоугольный окуляр
Аберрации в обратном ходе лучей
Точка на оси
/11 102tgu' e D F r-„
s' 6s' дГ 11% s' As' s' 2S-
0 0 7,481 0 0 0 7,483 0,002 7,488 0,007 U,UO5
0,37 /172 1,57 7,476 —0,0043 —0,0014 —0,010 7,479 —0,002 7,481 0,003 0,1.05
0,37 2,22 7,472 —0,C087 —0,0029 —0,021 7,474 0,007 7,479 0,002 0 6,5
Точка вне оси
— Wi *зр I' *s x'm X —X s m z'-/0 D
102 tg o' / 1 F~ lD
в MM В %
0 21°38'49w —12,612 —12,590 237,33 237,41 4,5 —0,115 —0,023 —0,093 —0,092 —2,00 2,00 1 4,50 | —0,91 j
29°56'04" —12,965 237,60 9,0 —0,323 0,581 —0,904 —0,593 —6,18 4,13 8,99 [ 0.02
w, = — 21°38'49" Wi — — 29°56'04"
m i 102 tg o' l' k и D m i 102 tgo' I' k и D
0,37 4,06 4,499 k = —0,002 0,37 5,56 9,005 k -- -0.00’-
0,37 /1/2 3,45 4,499 k^O 0,37 1'1/2 5,08 9,005 k =. —0,002
0 1,96 4,501 0 3,91 9,000
-0,37 /1/2 0,47 4,503 D = —0,004 —0,37 /1/2 2,74 8,991 D = 0,014
—0,37 —0,15 4,499 D — 0 —0,37 2,26 8,986 D = 0,019
242
Таблица VIII. 30
Характеристика окуляров фирмы «К. Цейсс»
Компенсационные окуляры РК для планобъективов Компенсационные широкоугольные окуляры РК/ЪГ для планобъективов (диаметр оправы 30 мм)
Ур.РЛ meiiiic Фокусное расстояние в мм Поле зрения в мм Увеличение Фокусное расстояние в мм Поле зрения в мм !
РК 6.3 40 26.5 РК 6,3/IV 40 26,5
РК 3 31,5 18,4 РК 8/IV 31,5 25
РК 10 25 15.5 РК 10/IV 25 20
РК 12,5 20 16 РК 12/IV 20 16 I
, РК 16 15.8 12 РК 16/IV 15,8 12 ।
РК 25 10 7 РК 20/IV 12,5 10 1
31. Окуляры Кербера
В качестве сильных окуляров Г > 20х применяются окуляры Кербера.
Первоначальная конструкция окуляра Кербера состояла из трех простых
линз, причем первая линза — отрицательная относительно большой
оптической силы, две остальные линзы — положительные. Линзы рас-
положены на значительном расстоянии друг от друга. Диафрагма поля
зрения находится между положительными линзами. Полевые аберрации
незначительные, сумма Пе-
цваля и дисторсия достаточно
малы, хроматические аберра-
ции могут быть исправлены
в широких пределах. Выход-
ной зрачок расположен на
значительно большем расстоя-
нии и может даже превышать
фокусное расстояние окуля-
ра. Окуляры Кербера малых
Рис. VIII.42. Окуляр Кербера
увеличений не применяются,
так как их длина и поперечные размеры становятся очень велики. Фо-
кусные расстояния сильных окуляров имеют величину того же порядка,
что и микрообъективы средних увеличений.
На рис. VIII.42 приведена схема оптики окуляра Г --- 50х с некото-
рыми конструктивными размерами. Она состоит из отрицательной ахро-
матической линзы и компенсационного окуляра Г = 30х. В табл. VIII.31
даны конструктивные элементы отрицательной линзы I и оптические
характеристики окуляра. В табл. VIII.32 приведены аберрации окуляра.
Масштаб изображения, даваемого ахроматической отрицательной лин-
зой, равен 1,7х. Для уменьшения количества рассеянного света перед
окуляром на расстоянии 8,0 мм от первой поверхности помещена диаф-
рагма, световой диаметр которой равен 5 мм.
Применение отрицательного компонента перед окуляром увеличивает
его заднее вершинное фокусное расстояние до 6,6 мм, что делает этот оку-
ляр удобным для наблюдения.
16
243
Таблица VIII.31
Конструктивные элементы отрицательной линзы
и оптические характеристики окуляра
Конструктивные отрицательной элементы линзы Оптические ха] актер! Сти КП
= — 36,14 Св. 0 L - 4,97
dx 1 БК8 4
Г 2 = 21,98 s.. ----- 23,7 Г 21 - 3,6
d2 = 2 Ф4 4 Од 6
= 109,14 s'p, -- 6,6 2w 40°
Таблица VIII. 32
Аберрации в обратном ходе лучей
*зр 5-Ф As х т /'-/0 — 100 ; 100 'о
— 14° 31' —7.03 136,32 1,27 —0,09 —0,10 — 1,17 1.21
—18° 29' —7,37 136,32 1,56 —0,14 — 0,12 —0,82 1,51
— 19° 50' —7,97 136,32 1.80 —0,20 —0,17 + 0,58 1,89
т = — 19° 50'
S1 102а' 1 Г
0,15 -8,39 3,25 1,794
0,075 —8,18 2,18 1,798
0 —7,97 1,12 1,80
—0,075 —7,76 0,08 1,801
—0,15 -7,56 —0,96 1,801
Аналогичная конструкция окуляра с увеличением 100 ' имеет отри-
цательную линзу с оптической силой (р = —7,4 дптр и компенсационный
окуляр Г = 30х. Фокусное расстояние всего окуляра ]'ок 2,52 >илг.
линейное поле зрения 2/ - - 1,65 мм, угловое поле зрения 2iv 37 .
Расстояние выходного зрачка от последней поверхности окуляра
— 8 мм. Масштаб изображения, даваемого ахроматической отрицатель-
ной линзой, р — 3,3х.
32. Гомалы (отрицательные окуляры)
Гомалами называются отрицательные оптические системы, применяе-
мые на микроскопах вместо окуляров с целью компенсации кривизны
изображения и хроматической разности увеличения, даваемых апохрома-
244
тическими микрообъективами. Гомалы можно также применять и с объек-
тивами-ахроматами больших увеличений. Выходной зрачок гомалов
расположен внутри прибора и поэтому они применяются главным обра-
зом для фотографирования. Линейное поле зрения гомалов не превышает
8—15 мм.
Кривизна поля зрения у различных объективов различна, поэтому
разработаны несколько типов гомалов, которые исправляют эту кривизну
Рис. VIII.43. Гомалы: а — ОН-6, /' ~ —70,5 лл; б — OH-8, f' — —37,6 л.и; в —
ОН-7, /' - —20,8 мм
в различной мере слабее или сильнее. Гомалы вставляются с помощью
специальных переходных втулок до упора на место обычных окуляров.
Исключение представляет гомал ОН-6, установка которого в переходной
втулке должна производиться довольно точно из-за большого его фокус-
ного расстояния. Для этой цели широкая часть оправы гомала снабжена
Таблица VIII.33
Характеристики применяемых гомалов
| Фокусное Шифр расстояние 1 в л/м Поле зрения в мм Посадочный диаметр Рекомендуемые объективы
Длина тубуса в мм Увеличение в крат
ОН-6 - 70,5 15 27Х3 160 и 190 5—20
ОО 11—30
ОН-8 — 37,6 13 27 Х3 160 и 190 5—20
ОО 11—30
ОН-7 - 20,8 8 Т1Х3 160 и 190 60—90
ОО 90
245
шкалой, штрихи которой оцифрованы соответственно даваемому увели-
чению. При сборке гомала ОН-6 воздушный промежуток 9 ± 0,1 выдер-
живается путем подрезки торца а втулки /.В табл. VIII.33 приведены
некоторые характеристики применяемых гомалов. На рис. VIII.43, а, б, в
даны конструкции гомалов ОН-6, ОН-8 и ОН-7.
Линейное поле зрения и увеличение вновь выпускаемых окуляров
должны соответствовать ряду 7?а10 (ГОСТ 6636—60 «Нормальные линейные
размеры»). Так, например, значения увеличений окуляров в соответствии
с рядом должны быть следующие: Г =2,5; 4; 5; 6; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25 и 32' .
Окуляры, предназначенные для специальных работ, могут не соответ-
ствовать по увеличению ряда ГОСТ 6636—60 (кварцевые окуляры и др.).
Г. КОЛЛЕКТОРЫ
Коллектором называется оптическая система, которая расположена
непосредственно у источника света. Основное назначение коллектора —
передать изображение источника света в увеличенном масштабе, как
правило, в плоскость апертурной диафрагмы конденсора (проходящий
свет) пли в плоскость, сопряженную с выходным зрачком объектива микро-
скопа (отраженный свет). Способность микроскопа передавать микро-
структуру объекта в значительной степени зависит от совершенства осве-
тительной системы и в первую очередь от коллектора. Коллектор позволяет
расположить источник света на достаточно большом расстоянии от сто-
лика микроскопа и его подвижных частей, благодаря чему последние мало
подвергаются температурному воздействию.
Коллектор вместе с источником света располагается в кожухе фонаря,
конструкция которого во многом зависит от габаритных размеров колбы
лампы, а также от энергетических характеристик применяемого источника
излучения. Коллектор характеризуется числовой апертурой и фокусным
расстоянием.
33. Коллекторы со сферическими поверхностями
Конструкция оптической системы коллектора определяется числовой
апертурой и требованиями, предъявляемыми к исправлению аберрации.
Коллекторы с числовой апертурой до 0,15—0,20применяются из одной
простой линзы, рассчитанной, на минимум сферической аберрации.
При числовой апертуре до 0,4 хорошо себя оправдывают коллекторы,
состоящие из двух плоско-выпуклых линз, плоские поверхности которых
обращены наружу. Коллекторы с числовой апертурой 0,5—0,55 могут
быть рассчитаны из двух линз: апланатической, расположенной к источ-
нику света, и последующей за ней линзы, рассчитанной на минимум
сферической аберрации.
^Коллекторы с числовой апертурой 0,6 и выше должны состоять не
меньше чем из трех линз, содержащих сферические поверхности. Однако
к некоторым упрощенным моделям микроскопов применяют двухлинзовые
коллекторы с числовой апертурой 0,67, изображающие источник света
на бесконечности. Указанная апертура достигнута за счет применения
в качестве материала линз баритовых флинтов (БФ13, п = 1,6395). К та-
ким системам относится коллектор, применяемый в осветителе ОИ-19.
246
Рис. VIII.44. Апланатический ахро-
матический коллектор
Коллектор, обладающий большой сферической аберрацией и значи-
тельным отступлением от условия синусов, не дает в микроскопе равно-
мерно освещенного поля. Если бы коллектор не имел указанных аберра-
ции, то изображение источника должно было бы находиться в фокальной
плоскости конденсора, где обычно устанавливается ирисовая апертурная
диафрагма. В свою очередь, конденсор спроектирует это изображение ис-
точника в бесконечность, т. е. во входной зрачок объектива микроскопа.
Тогда равномерность освещения поля зрения микроскопа не будет зави-
сеть от структуры источника света. Наличие в коллекторе аберраций
нарипает принцип Кёлера, и поэтому изображения источника света,
даваемого различными зонами коллек-
тора, будут находиться в разных плос-
костях и с переменным масштабом изо-
бражения. Это явление приводит к то-
му, что конденсор изображает источник
света некоторыми лучами в плоскости
объекта и вблизи от объекта. Затягивая
диафрагму конденсора, можно наблюдать
в микроскопе слабое очертание самого
источника света.
Особенно вредно на качество изобра-
жения влияют хроматизм положения и
сферохроматическая аберрация, так как
в этом случае в плоскости объекта появ-
ляется неравномерная цветная окраска
изображения структуры нити лампы на-
каливания при различной величине от-
крытия полевой диафрагмы осветитель-
ного устройства. В универсальных микроскопах, предназначенных для
ответственных исследовательских работ, требования к коррекции кол-
лектора должны быть повышены.
Во многих конструкциях микроскопов различного назначения при-
меняются коллекторы, составленные из положительных линз. Они имеют
значительный продольный хроматизм и сферохроматическую аберрацию.
С целью устранения этого недостатка применяются коллекторы, облада-
ющие апланатической и хроматической коррекцией. На рис. VIII.44
приведен один из таких коллекторов с фокусным расстоянием f = 56 мм
и числовой апертурой А = 0,5, используемый в поляризационных микро-
скопах.
В табл. VIII.34 даны аберрации коллектора. Коллектор состоит из
трех линз, из которых первая и третья — положительные и рассчитаны
из марки стекла ЛК с малым коэффициентом линейного расширения,
а средняя — отрицательная, из стекла марки ТФ. Первые две линзы
изображают источник света в масштабе Iх и компенсируют хроматические
аберрации третьей линзы. Преимущество такой системы заключается
в том, что в качестве третьего компонента могут применяться обычные
однолинзовые коллекторы с параболоидальной поверхностью. Рассма-
триваемый коллектор имеет достаточно большое переднее вершинное фо-
kvchoc расстояние для того, чтобы можно было установить перед ним
лампы СЦ61, ОП12-ЮО, КИМ75 и др.
247
Таблица VI11.34
Аберрации коллектора f' ~ 56 мм, А 0,5
в обратном ходе лучей (у - —480 мм)
sin Ui D
sin и' s' 6s' Л %
0 0 31,436 0,035 0.016
0,03535 0,283 32,803 1,367 —0,0041 1.379 1,451
0,05 0,414 32,103 0,667 —0,0245 0,681 0.751
0,0575 0,497 30,091 — 1,345 —0,0519 — 1,302 — 1.324
34. Коллекторы с параболоидальной поверхностью
Применение асферической поверхности в коллекторе улучшает коррек-
цию системы и уменьшает число линзовых компонентов. Так, например,
коллектор с числовой апертурой 0,5—0,55 с параболоидальной поверх-
ностью обычно выполняется из одной линзы; коллекторы с числовой апер-
турой 0,6—0,7 состоят из двух линз. В табл. VIII.35 приведены схемы
оптики, конструктивные элементы и основные оптические характеристики
применяемых в микроскопах коллекторов с одной параболоидальной по-
верхностью.
Таблица V111.35
Коллекторы с параболоидальной поверхностью
Схема Увеличе- ние в крат Число- вая апертура Радиус поверхности в мм Марка стекла Фокусное расстоя- ние в мм
J 82X 24 F'Sr 2 0,27 /у =-- 22,91 * г2 = —167,49 Кварц
. 48 r 1 3,8
J/Z-86,72X 56,58~J63,n Г 1 г г { у ЖП 4,53 0,33 г, - 236 г., 43,36 * ТК2 65.36
248
Продолжение табл. VIII.35
Схема Увеличе- ние в крат Число- вая апертура Радиус поверхности l Марка в мм । стекла Фокусное расстоя- ние в мм
у2_-80,3 X 50,33 [58,03 0,45 fj - 197,7 ТК2 59,99
д
^s’
х/ 1
—•-! 17.3 ! 1Д тг U, Z
22J3 И у^З1, Л ”5,2/ ~'s' 7,4 0,47 rt 69,82 ЛК5 30,17
i ’Й’Л Н—- Л Д /3 ^з50.
23,3 3 , у[39 '37,83 233Х
i ojl" 2\ f's’ 7,7 0,5 г, - 101,39 л, 21.617 * К8 40,56
1 'съ1 4S 1
33,6, 2j_ 20 \з50
35,7 У 52, ,35,3 ззх
toT I o's' 9,2 0,52 Н ’ : 112,77 Кварц 48,86
=5i % # «сь \ Г.> - —ZO, I / ‘
.vf 1
~23~ -J
1 Ч)Г - Г=37, 33, "7 Q'4 с< а, V— & vz s'_ 8,4 0,54 г, =87.10 г2 = —20,89 * ЛК5 37,64
,Л2,
12,5 S и '0.0 i 2 's' — 0,61 г, = 82,79 г., , - 13 * БФ13 18,35
249’
Продолжение табл. VIII.35
Схема j Увеличе- н не в крат Число- вая апертура Радиус поверхности в мм Марка сто к ла Фокусное расстоя- ние в мм
20,7 i! /г= 60,962 29,6 ib ' > St Я । 2,5 0,61 1\ -= со г2 - —30,48 * г3 -- 49,51 г4 со гх = —43,65 = -20,42 г.л -- со г4 - —29 * ЛК2 К8 38,54
15,2 be. 3; С 6,5 0,67 ТК2 28,28
79,3 3 У^ 70,5 ‘L. -10,5 0,675 rY -107,65 гг --- —27,54 ’г - °°35 25 ^ /4 - — O.),zu ЛК5 К8 1 38,13
Ь 1 30,
0,5
Примечание. Звездочкой отмечены радиусы при вершит- параболоидальной
поверхности.
250
Д. КОНДЕНСОРЫ
Конденсоры служат для освещения препаратов, исследуемых под
микроскопом. В некотором приближении они могут быть сравнимы с пере-
вернутым объективом. Передняя фокальная плоскость высокоапертурных
конденсоров должна быть расположена в плоскости объекта или в не-
посредственной близости от нее. Это условие легко осуществляется бла-
годаря перемещению конденсора по высоте с помощью зубчатой передачи,
трибок или просто в специальной подвижной гильзе. Аналогично объек-
тивам микроскопа конденсоры рассчитываются на определенную апертуру,
и ее величина наносится на оправе.
Конденсор, обладающий большой числовой апертурой, должен иметь
такое рабочее расстояние, при котором можно использовать предметное
стекло толщиной 1,2—1,4 мм. Это требование накладывает определенные
трудности в конструировании иммерсионных систем, поскольку расстоя-
ние от объекта до первой поверхности фронтальной линзы конденсора
должно быть выдержано в заданном интервале с учетом толщины иммер-
сионного слоя. Причем полевая диафрагма осветительного устройства
должна достаточно резко изображаться в плоскости объекта. При расчете
большинства конденсоров для проходящего света при использовании не-
встроенных осветителей в биологических микроскопах принято расстоя-
ние от полевой диафрагмы до конденсора 300 мм. Если это расстояние
слишком велико, то следует под конденсором вблизи апертурной диафрагмы
установить рассеивающую линзу с оптической силой около 3 дптр.
С целью регулировки осветительной апертуры конденсоров последние
снабжаются ирисовой апертурной диафрагмой. Эта диафрагма разме-
щается под конденсором или между отдельными конденсорными линзами,
и в случае необходимости создания косого освещения она может пере-
мещаться в направлении, перпендикулярном к оптической оси. В про-
стейших конденсорах эксцентричное устройство отсутствует. Обычно
под конденсором расположены оправы с матовым стеклом и свето-
фильтром.
Правильность установки освещения по Кёлеру можно контролировать,
наблюдая изображение действующего отверстия конденсорной диафрагмы
в выходном зрачке объектива микроскопа при вынутом из тубуса микро-
скопа окуляре. Конденсор высокой апертуры (например, А = 1,2) не
следует применять с объективами малых и средних увеличений, так как
в этом случае будет освещена лишь только центральная часть поля
зрения.
Чтобы осветить все поле зрения указанных объективов, в некоторых
конструкциях фронтальная линза конденсора вывинчивается или выклю-
чается из хода лучей с помощью рычага. Оставшаяся нижняя часть кон-
денсора работает с небольшой апертурой порядка 0,3—0,35 и может
применяться самостоятельно как конденсор с большим фокусным расстоя-
нием и полностью освещать поле зрения этих объективов. Иногда исполь-
зуются специальные насадные линзы, с помощью которых конденсор
может быть использован для более слабых объективов.
Световые диаметры и фокусные расстояния коллектора, а также
конденсора зависят от числовых апертур этих систем, от размера светя-
щегося источника света и поля зрения объектива микроскопа. Эти
251
величины должны соответствующим образом друг с другом согласовы-
ваться и удовлетворять условию
[ А — / А
vrxKOH.d'>
где L и I — размер источника света и размер поля зрения объектива
микроскопа;
Акол — числовая апертура коллектора;
Аконд — числовая апертура конденсора.
35. Конденсор с числовой апертурой Л = 1,2
На рис. VIII.45 приведена конструкция двухлинзового конденсора
с числовой апертурой А —
‘fM33xO,75(crw)
Рис. VIII.45. Конденсор А -- 1,2
1,2. Фокусное расстояние конденсора
— 11 мм. Конденсор рассчитан на при-
менение предметного стекла толщиной
1,2 мм. Предполагая, что последняя по-
верхность предметного стекла совпадает
с узким местом каустики пучка лучей,
параллельных оптической осп, слой одно-
родной иммерсии (/! 1,5150) между кон-
денсором и предметным стеклом должен
составлять 0,84 мм, и в случае водной
иммерсии—0,62 мм. Фронтальная линза
конденсора — съемная. Нижняя линза мо-
жет применяться отдельно как самостоя-
тельный конденсор с числовой апертурой
0,3 и фокусным расстоянием 32 мм. В та-
ком случае расстояние от линзы до предметного столика должно состав-
лять около 27 мм. Конденсор снабжен ирисовой диафрагмой.
36. Апланатический ахроматический конденсор
На рис. VIII.46 представлена
апланатического конденсора с чис-
ловой апертурой 1,4 и фокусным
расстоянием 9,5 мм. Расстояние
от последней поверхности конден-
сора до полевой диафрагмы осве-
тительного устройства составляет
300 мм. Ирисовая апертурная диа-
фрагма 2 расположена внутри кон-
денсора. Расстояние от фронталь-
ной линзы до плоскости объекта 1
равно 1,4 мм, а до опорной плос-
кости 3 конденсора — 35 мм.
оптическая схема ахроматического
Рис. VHI-46. Апланатический ахроматиче-
ский конденсор
37. Апланатический конденсор ОИ-14
Конденсор ОИ-14 предназначен для прямого и косого освещения объек-
тов в проходящем свете преимущественно на биологических микроскопах.
Косое освещение объектов осуществляется перемещением апертурной
252
диафрагмы в направлении, перпендикулярном к оптической оси конден-
сора на величину ±10 мм и разворотом ее в пределах 150°. Оптическая
система конденсора состоит из двух линз (поз. 5, рис. VIII.50) с фокус-
ным расстоянием [' 15 мм. Нижняя линза — асферическая.
При использовании масляной иммерсии конденсор имеет числовую
апертуру А 1,4. Внешний вид конденсора приведен на рис. VIII.47, б.
Конденсор состоит из двух взаимно вращающихся частей 1 и 3, из
которых первая часть 1 содержит оптическую систему, а вторая часть 3 —
Рис. VIII.47. Внешний вид конденсоров: а — ОИ-Юсветлого
и темного поля; б — ОИ-14—прямого и косого освещения;
' в — кронштейна
передвижную ирисовую апертурную диафрагму. Смещение ирисовой
диафрагмы осуществляется вращением винта 4. На вращающейся части
конденсора расположены индекс и шкала. На шкале нанесено в обе сто-
роны от нуля по 10 делений; каждое деление равно 1 мм. При совмещении
индекса с нулевым штрихом шкалы ось диафрагмы совмещается с опти-
ческой осью конденсора, что необходимо для получения нормального
прямого освещения. Для закрывания и открывания ирисовой диафрагмы
служит рукоятка 2. Снизу конденсора укреплена поворотная оправа
с гнездом для установки светофильтра. Конденсор устанавливается в крон-
штейне (рис. VIII.47, в).
38. Конденсор ОИ-22
Конденсор ОИ-22 служит для прямого освещения объектов в проходя-
щем свете и отличается от осветителя ОИ-14 механической конструкцией.
На рпс. VIII.48 приведен поперечный разрез конденсора ОИ-22. Оправа /
фронтальной линзы и оправа '2 нижней линзы с асферической поверхностью
выполнены свинчивающимися. При снятии фронтальной линзы конденсор
имеет числовую апертуру 0,4. Конденсор снабжен ирисовой апертурной
диафрагмой, величина раскрытия которой осуществляется при помощи
рычага 4. Снизу под ирисовой диафрагмой находится оправа 3 для свето-
фильтров.
Рис. VIII.49. Конденсор к инвентирован-
ным микроскопам
Рис. VIII.50. Нанкратический
конденсор
Рис. VIII.51 Кварцфлюоритовый
конденсор КУФ-3
Рис. VIII.52. Внешний вид конденсора
темного поля ОИ-13
254
39. Конденсор к инвертированным микроскопам
Конденсоры, предназначенные для инвертированных микроскопов,
с помощью которых осуществляется изучение живых тканей в процессе
их роста, имеют увеличенное рабочее расстояние. На рис. VIII.49 при-
ведена конструкция такого конденсора для биологического микроскопа
МБИ-14. Его рабочее расстояние 14,1 мм, числовая апертура 0,64, фокус-
ное расстояние около 27 мм. Конденсор ахроматизован для видимой об-
ласти спектра. Он состоит из четырех линз; поверхность первой линзы,
обращенная к источнику света, — параболоидальная. Линзовые компо-
ненты находятся в одной оправе, ирисовая диафрагма имеет максимальное
раскрытие 35 мм.
Конденсоры с большим рабочим расстоянием выпускают фирмы
«Лейтц», «Бильд» и др. Некоторые зарубежные фирмы выпускают универ-
сальные конденсоры, с помощью которых осуществляется освещение по
методу светлого и темного поля, методу фазового контраста и др. К таким
конденсорам следует отнести конденсор Гейне фирмы «Лейтц», конден-
сор «Полифос» фирмы «Рейхерт». Фирма «Рейхерт» выпустила специаль-
ный конденсор для комбинированного фазовоконтрастного и люмине-
сцентного микроскопа.
40. Панкратический конденсор ПК-2
Конденсор ПК-2 посредством панкратической -системы 1, 2 и 3
(рис. VIII.50) позволяет плавно изменять и устанавливать освещение
препарата в точном соответствии с апертурой применяемого объектива
в пределах от 0,16 до 1,4. Поворотом апертурной шкалы 4 производится
перемещение с одинаковой скоростью линзовых компонентов 1 и 3, бла-
годаря чему световой поток, поступающий в конденсор, не срезается,
как это имеет место при смене конденсоров, а преобразуется в более узкий
пли более широкий пучок лучей. Одновременно с изменением апертуры
изменяется и величина освещаемого поля объекта. Конденсор применяется
в микроскопах МБИ-6, МБИ-15 и др.
41. Кварцфлюоритовый конденсор КУФ-3
Ахроматический конденсор КУФ-3 применяется в ультрафиолетовом
микроспектрофотометре МУФ-5, микроскопе МУФ-6 и др. На рис. VIII.51
приведена оптическая система конденсора в оправе. Ахроматизации вы-
полнена для длин волн % равных 589,3; 300 и 250 нм; фокусные расстоя-
ния для указанных длин волн соответственно равны 5,36; 5,13; 4,93 мм
и числовые апертуры 1,06; 1,11; 1,14. Толщина предметного кварцевого
стекла составляет 1 мм, толщина слоя иммерсии — 0,58 мм. Конденсор
состоит из трех компонентов, из которых верхние два — простые линзы,
третий — склеенный из трех линз. Средняя линза сложного компонента
рассчитана из флюорита, остальные четыре линзы — из кварца. Обе
верхние одиночные линзы — съемные. При удалении фронтальной линзы
оставшаяся часть системы применяется как самостоятельный конденсор
с числовой апертурой 0,42 и фокусным расстоянием 13,08 мм для Z =
300 нм. Расстояние от плоскости предмета до верхней поверхности
255
конденсора равно 27 мм. При удалении обеих верхних линз оставшийся
трехлинзовый склеенный компонент используется как конденсор с число-
вой апертурой 0,26 и фокусным расстоянием 20,89 мм для X 300 нм.
Расстояние от плоскости предмета до верхней поверхности линзы — 36 мм.
При расчете конденсора принято, что диафрагма поля зрения (или выход-
ной люк) осветительного устройства расположена в бесконечности и проек-
тируется конденсором на плоскость объекта.
42. Конденсор темного поля ОИ-13
Конденсор ОИ-13 с апертурой А -= 1,2 является принадлежностью
биологического микроскопа. Внешний вид конденсора приведен на
рис. VIII.52, конденсор состоит из наружного кольца 5, внутри которого
находится другое кольцо с цилиндром 2; на этом цилиндре крепится
оптическая часть конденсора 1. С помощью двух регулировочных винтов 4
и пружинного устройства 6, упирающихся во внутреннее кольцо 3, осу-
ществляется центровка конденсора относительно оси микроскопа. Свобод-
ное расстояние конденсора составляет 1,25—1,40 мм (в стекле); поэтому
толщина предметного стекла не должна быть более 1,2 мм. На рис. VIII.53
даны конструктивные размеры конденсора.
43. Сменный конденсор ОИ-Ю
Сменный конденсор применяется для целей препарирования с микро-
манипулятором и имеет обычно числовую апертуру около 0,7. Он состоит
из безыммерсионного конденсора темного поля (для объективов малых
и средних увеличений с числовой апертурой до 0,65) с выключающимся
устройством для получения освещения по методу светлого поля с помощью
линзы с асферической поверхностью, дающей апертуру 0,6.
На рис. VIII.54 дан поперечный разрез конденсора ОИ-Ю, а на
рис. VIII.47, а — его внешний вид.
44. Конденсор с большим рабочим расстоянием
В поляризационных микроскопопах (например, МИН-4) применяются
при работе со столиком Федорова конденсоры с большим рабочим рас-
стоянием.
На рис. VIII.55 приведены принципиальные конструкции конденсоров
с числовой апертурой 0,35 и 0,22.
45. Параболоидальные отражатели (эпизеркала)
Отечественной промышленностью выпускаются большие и малые
параболоидальные отражатели (эпизеркала) для наблюдения объектов
в отраженном свете по методу темного поля. На рис. VIII.56 приведена
одна из трех (А, В, С) конструкций больших отражателей, применяемых
в универсальных металлографических микроскопах МИМ-8М и МИМ-9.
В табл. VIII.36 даны некоторые их характеристики и применяемые к ним
объективы. Для регулировки эпизеркала могут перемещаться вдоль
256
. Скворцов и др.
Рис. VIII.53. Оптическая схема кардиоид-
конденсора
Рис. VIII.54. Сменныйрсонденсор 014-10
Рис. VIII.55. Конден-
соры с большим рабо-
чим расстоянием
Рис. VIII.56. Парабо-
лоидальное зеркало
большой группы В
оптической оси, в результате чего расстояние $х от предмета до верхнего
среза параболоида меняется в зависимости от применяемых объективов.
Внутренний световой диаметр Dr — 26 мм и наружный D 38 мм
определяются размерами плоского кольцевого зеркала опак-иллюмина-
тора. Вершина конуса осветительного пучка лучей, отраженных от пара-
болоидальной поверхности, должна находиться строго на оптической
оси объектива микроскопа. Асимметрия каустической поверхности, обра-
зуемой освещающими лучами, не допускается.
Таблица VI! 1.36
Характеристика параболоидальных отражателей и их применение
Тип осве- тителя Апертура объектива (не свыше) Апертура освещающих лучей Расстояние от предмета до среза параболоида в мм Парак- сиаль- ный фокус в мм Уравнение параболоида Шифр при- меняемых объективов
А 0,30 0,61—0,81 7-11 3,2 У2 = — 12,8х ОХ-23. ОХ-14
В 0,65 0,74—0,94 2,3—6,3 4,3 у2--= —17,2л: ОХ-6; ОС-8; ОС-16
с 0,65 и 1,0 (иммерсия) 0,89—0,99 0,1—4,1 6,0 у-=- 24х ОС-31'
Cn.M28xO.75
ф25±0,15 ' |
Рис. VIII.57. Параболоидальное зеркало малое
Для обеспечения равномерности освещения ио всему полю зрения
микроскопа требуется, чтобы биение резьбы Сп.М42 ><0,75 относительно
оси параболоида не превышало 0,2 мм для осветителя типа А и 0,06 мм
для осветителя типа В. Непараллельность оси параболоида к резьбе
Сп.М42хО,75 допускается не
более 0,1 мм на длину 12 .v.v
для осветителя А и не более
0,05 мм на длине 8 мм для осве-
тителя В. Особенно высокие
требования по центровке предъ-
являются к осветителю типа С,
применяемому не только с су-
хими, но и с иммерсионными
объективами с числовой аперту-
рой не свыше единицы. Так, на-
пример, биение оси параболоида
вращения относительно диамет-
ра 41С3 не должно превышать 0,03 мм и непараллельность осп парабо-
лоида к этому диаметру должна составлять не более 0,02 мм на длине
3,5 мм.
Аналогичной конструкции эпизеркала другого типа, но с меньшими
световыми диаметрами (рис. VIII.57 и табл. VIII.37) применяются в микро-
скопах ММУ-3, ММР-2 и др.
Внутренний световой диаметр 15 мм ограничивается размерами
оправ микрообъектива, наружный D2 23 мм определяется действующим
258
отверстием коллектора и размерами опакиллюминатора. Биение резьбы
Сп. М28 х 0,75 относительно параболоидальной поверхности составляет
не более 0,1 мм (обеспечивается технологически). В приборах ОЭ-ЗТ
и ОЭ-8 применяется резьба Сп.М28 х0,75с. Кривую параболоидальной
поверхности и высоту Н эпизеркала можно вычислить, исходя из
известных параметров Р1, D2, и и2 [и2 — угол, удовлетворяющий
условию tmln (IV.9)). Принимая во внимание рис. IV. 11 и формулы (IV. 1),
находим:
:х':
. , 1
и,
----------s
cos ux
Таблица V111.37
Конструктивные размеры параболоидальных
отражательных осветителей для наблюдения в темном поле
Шифр прибора Ура г,пение параболы н W1 а0 £>1 ^гспр Расстояние фокуса параболы от плоскости в мм
ОЭ-14 03-23 ОЗ-9 Л у-^= — i,4 х 10,5С4 6,5С5 30 23А4 14,7 5,4+0,7
ОЭ-21Л -10.2.x 6,5С5 6.5Q 60 22,5Л4 12,8 1,6+0,5
V 3 (S У1- - 10,2.v 8С5 6Cf 45 23Л5 14,5 2,6+0,5
i19-ЗТ у--- — 13,6.x 7С4 5С5 45 24,5Л5 15 0,8+0,1
ОЭ-6 у- = -13,6х 8С4 5С5 45 25,5Л4 15 0,6+0,3
ОЭ-40Л 09-95 У~~~ —13,6х 6,7С4 5,5С6 60 24,2.4 4 14,9 0,8± 0,1
С целью унифицирования конденсоров составлен типаж в соответствии
с ГОСТом 6636—60. За основной параметр в этом типаже принята число-
вая апертура.
Для объективов с апертурой 0,11—0,40 значения апертур кон-
денсоров соответствуют нормальному ряду 7?а10, т. е. 0,1; 0,2; 0,25;
0,32; 0,40. Для объективов с числовой апертурой от 0,4 и выше — соответ-
ствуют ряду R 40, т. е. 0,45; 0,50; 0,60; 0,65; 0,7; 0,80; 0,85; 0,90; 0,95;
1,0; 1,1; 1,15; 1,20; 1,30; 1,40.
17*
259
Глава IX
МЕХАНИЧЕСКИЕ УЗЛЫ МИКРОСКОПОВ
1. Штативы микроскопов
Штатив микроскопа является основной конструкцией, несущей опти-
ческую часть микроскопа. От конструкции штатива в значительной
степени зависит качество всего микроскопа, плавность и стабильность
фокусировки, удобство эксплуатации, возможность установки на нем
дополнительных принадлежностей и использование различных методов
наблюдения.
Классическая конструкция штатива биологического микроскопа сло-
жилась к концу XIX века и сохранилась в некоторых моделях до настоя-
щего времени. Микроскоп для металлографических исследований перво-
начально развивался на базе биологического микроскопа, но необходи-
мость устанавливать исследуемый объект перпендикулярно к оси микро-
скопа привела к созданию специальной конструкции штатива металло-
графического микроскопа с верхним расположением предметного столика
по Ле-Шателье, автоматически обеспечивающего перпендикулярное по-
ложение плоского предмета по отношению к оси микроскопа. Это обстоя-
тельство привело к созданию специальных штативов металлографических
микроскопов, отличающихся от биологических расположением предмет-
ного столика по отношению к объективу микроскопа.
Требования, предъявляемые к штативам. Из назначения микроскопа —
исследовать различные микрообъекты при больших увеличениях до
1500х с предельно возможными апертурами объективов — вытекают
основные требования, предъявляемые к конструкции штативов микро-
скопов и к точности выполнения его механизмов.
Небольшая глубина изображения микроскопа определяет требования
к жесткости штатива микроскопа в направлении оптической оси, чувстви-
тельности и точности фокусировочных микромеханизмов, перпендикуляр-
ности плоскости предмета к оси микроскопа.
Малое поле зрения микроскопа, при больших увеличениях не превы-
шающее 0,18 мм, предельно малые размеры исследуемых объектов, ве-
личиной около 1 мкм, ставят определенные требования к точности и плав-
ности хода механизмов перемещения предметного столика, к точности
центрировки объективов и револьверов микроскопа и к жесткости его
штатива в плоскости, перпендикулярной оси. Точность и плавность хода
механизмов, жесткость штатива должны обеспечить установку столь
малых объектов в центре поля зрения микроскопа.
Ввиду высокой апертуры и небольшого поля зрения объективов и кон-
денсоров микроскопов необходимы точная центрировка оси тубуса микро-
скопа и конденсора, а также параллельность перемещения тубуса или
столика микроскопа и осветительной системы относительно оси тубуса.
Ниже приводятся основные требования к штативу микроскопа, выте-
кающие из условий его эксплуатации.
Как известно, глубина изображения микроскопа зависит от апертуры
применяемого объектива и от общего увеличения микроскопа. Так, на-
пример, глубина изображения микроскопа при наблюдении с объекти-
260
вом 90 ><1,30 и с окуляром 7х равна Т = 0,33 мкм, а с окуляром 15х —
Т = 0,24 мкм. Жесткость штатива микроскопа и его предметного столика
должна быть такова, чтобы после производства последней операции, т. е.
точной фокусировки и снятия усилий с рукояток фокусировки, резкость
изображения не нарушалась. Усилие, прикладываемое к рукоятке точной
фокусировки, не превышает 100 Г. Следовательно, жесткость системы
объектов — предметный столик по оси микроскопа должна быть не меньше
100 : 0,24 — 400 кПмм. Исходя из глубины изображения определяется
и кинематическая чувствительность механизма точной фокусировки. Она
будет равна глубине изображения микроскопа, разделенной на предель-
ный угловой поворот маховичка микромеханизма, равный одному градусу,
который еще может быть установлен наблюдателем. Таким образом, ки-
нематическая чувствительность микромеханизма должна быть равной
0,24 мкм на один градус поворота маховичка микромеханизма.
Из предельной глубины изображения и диаметра поля зрения микро-
скопа вытекает также требование перпендикулярности плоскости предмет-
ного столика (плоскости объекта) к оси микроскопа и перпендикулярности
опорных торцов тубуса, которые должны обеспечить резкое изображение
по всему полю зрения микроскопа, что особенно важно при современных
планобъективах, имеющих незначительную кривизну изображения по
всему полю.
Очевидно, допустимая величина неперпендикулярности предметного
столика к оси микроскопа определяется объективом с наименьшей глуби-
ной и наибольшим полем зрения. Как показывают расчеты, наименьшая
допустимая погрешность будет иметь место при объективе 90х и оку-
ляре 7х, при этом допустимая величина неперпендикулярности будет
равна 5'. Неперпендикулярность предметного столика к оси тубуса микро-
скопа при работе с обычными объективами-ахроматами и апохроматами
вследствие большой кривизны изображения, присущей этим типам объек-
тивов, может быть допущена и в больших пределах.
Неперпендикулярность опорного торца тубуса к его оси должна быть
определена не из условия резкости изображения по всему полю зрения
микроскопа, а из условия сохранения изображения в поле зрения микро-
скопа при смене объективов от наиболее слабого к наиболее сильному,
так как допустимое отклонение от перпендикулярности торцов револьвера
г, этом случае значительно меньше и не должно превышать 1—2'
(см. стр. 282).
При больших увеличениях поле зрения микроскопа не превышает
0,12 мм в плоскости объекта. Отсюда требования к плавности и чувстви-
тельности механизмов перемещения столика микроскопа. Если принять,
что ошибка приведения предмета к центру поля зрения не должна пре-
вышать 0,1 радиуса поля зрения микроскопа, то кинематическая чувстви-
тельность механизмов перемещения столика не должна превышать
0,006 мм!град (считая, что наблюдатель уверенно может чувствовать по-
ворот рукоятки на 1°).
Жесткость системы объектив — предметный столик в плоскости,
перпендикулярной к оптической оси микроскопа, определяется из условия,
чтобы смещение изображения после последней операции (подводки изоб-
ражения в поле зрения) не превышало 0,1 радиуса поля зрения, т. е.
0,006 мм (при визуальном наблюдении).
261
Рис. IX.I. Штатив микро-
скопа С-образной формы ти-
па М-9
Таким образом, жесткость С штатива при визуальном наблюдении
в плоскости, перпендикулярной к оси микроскопа, должна быть не
меньше С = 166 кПмм. При точных измерениях она должна быть значи-
тельно больше.
Малое поле зрения микроскопа требует высокой точности центрировки
гнезд револьвера микроскопа и объективов, которая должна обеспечить
постоянное нахождение предмета наблюдения в поле зрения при перемене
увеличения микроскопа. Как будет показано дальше, точность центри-
ровки гнезд револьвера не должна быть хуже, чем 0,01 мм.
Из условия видимости изображения в поле зрения микроскопа опре-
деляются допуски на отклонение в размере длины тубуса микроскопа
и положение упорных торцов гнезд револьвера
(см. стр. 281).
Допуски на непараллельность перемещения
тубуса или столика микроскопа при грубой и
точной фокусировке устанавливаются из сле-
дующих соображений. Обычно величина пере-
мещения механизма точной фокусировки не пре-
вышает 2 мм\ в этих пределах перемещения
грубой и точной фокусировки должны быть
параллельны с точностью, обеспечивающей тре-
буемую центрировку оси тубуса микроскопа и
оси конденсора микроскопа. Ошибка в центри-
ровке не должна превышать хотя бы 0,1 радиуса
поля зрения, т. е. 0,006 мм при сильном объек-
тиве, и при перемещении 2 мм непараллель-
ность хода грубой и точной подачи не
л * 1П, К 0,006 \
быть более IO (tglO
Как следует из приведенных цифр,
микроскопа должен обладать большой
стью, высокой точностью изготовления меха-
низмов и хорошей плавностью их ходов.
Типы штативов. В 1925 г. фирма «К. Цейсс» (г. Иена) выпустила шта-
тив микроскопа типа Е, который определил на длительное время конструк-
цию штативов современных микроскопов. Форма штатива, предложенная
фирмой, сохраняется до настоящего времени. Биологический микроскоп
со штативом этого типа впервые у нас был освоен в крупносерийном про-
изводстве в 1936 г. Модификации этого штатива микроскопа выпускаются
до настоящего времени.
Отличительной особенностью конструкции этого штатива является
С-образная форма тубусодержателя, в верхней части которого смонти-
рованы микромеханизмы, направляющие грубого и точного перемещения,
несущие тубус, а в нижней части — кронштейн, несущий столик и меха-
низм перемещения осветительной системы. С-образный тубусодержатель
в нижней части закреплен при помощи шарнира на выступе башмака-
основания и может принимать различные положения от вертикального
до горизонтального. Конструкция штатива изображена на рис. IX.I.
Нормальное положение штатива — вертикальное, при этом плоскость
предметного столика расположена горизонтально. В таком положении
должна
штатив
жестко-
262
штатива наблюдение в микроскоп длительное время утомительно. Для
удобства наблюдения тубусодержатель микроскопа может быть повернут
вокруг шарнира на некоторый угол в зависимости от роста наблюдателя,
однако при этом плоскость предметного столика наклоняется и исключается
возможность наблюдения жидких препаратов. В горизонтальном поло-
/кенпи тубус микроскопа используется для проекции исследуемых объектов
на экране. Одним из недостатков конструкции штатива С-образного типа
является высокое расположение рукоятки механизма точной фокусировки.
Наблюдатель вынужден держать руки высоко над плоскостью стола, что
вызывает утомление.
В 1935 г. фирмой «К. Цейсс» был выпущен новый тип штатива с Г-об-
разной формой тубусодержателя. В Советском Союзе эта форма штатива
освоена в серийном производстве в 1947 г. под шифром МБИ-1 и в настоя-
щее время является основной формой штатива микроскопа. Тубусодер-
жатель Г-образной формы крепится на направляющих грубого переме-
щения, смонтированных в коробке микромеханизма на башмаке-основа-
нии микроскопа. В верхней части тубусодержателя крепится держатель
с наклонным тубусом, ось которого расположена под углом 45° к гори-
зонтальной плоскости. Конструкция штатива представлена на рис. Х.2.
Г-образная конструкция штатива имеет ряд преимуществ перед фор-
мой штатива микроскопа в форме буквы С. В этой форме штатива плоскость
предметного столика расположена всегда горизонтально, а наклонный
тубус обеспечивает удобство наблюдения. Низко расположенные рукоятки
грубой и тонкой фокусировки позволяют удобно расположить руки
наблюдателя на рабочем столе, что не вызывает утомления при длительной
работе с микроскопом. В случае необходимости наклонный тубус микро-
скопа может быть заменен бинокулярным или прямым. Недостатком этой
формы является потеря в жесткости штатива по сравнению со штативом
С-образной формы.
Появление в последнее время фотографических насадок, тринокуля-
ров, насадок для фотометрических работ и для других целей, обладаю-
щих весом в несколько килограммов и крепящихся на тубусе микроскопа,
потребовали ужесточения конструкции штатива и увеличения стабиль-
ности фокусировки, которая под действием нагрузки насадок нарушалась
вследствие перемещения тубуса на направляющих грубой и точной фо-
кусировки.
Указанные причины потребовали разработки повой конструкции шта-
тива микроскопа с более жестким тубусодержателем. Такая конструкция
была осуществлена на базе Г-образного штатива. Тубусодержатель
Г-образной формы крепится непосредственно на основании микроскопа
и несет на себе направляющие грубой и точной фокусировки, на которых
укрепляется предметный столик. Так как в большинстве случаев исследуе-
мые объекты представляют собой препараты небольшого веса, помещен-
ные на предметном столике и закрытые покровным стеклом, такое изме-
нение конструкции оправдано. Примером Г-образной конструкции шта-
тива с неподвижным тубусом является разработанный в 1957 г. штатив
микроскопов МИН-8 и МББ-1А, представленных соответственно на
рис. XIV.2 и Х.З. Помимо увеличенной жесткости тубусодержателя и всей
конструкции, этот штатив отличается также конструкцией основания,
которая несет осветительную систему микроскопа с вмонтированным
263
в нем источником света. Нужно отметить, что впервые источники света,
встроенные в основание штатива биологического микроскопа, появились
в конструкции штатива с Г-образным подвижным тубусодержателем
в 1939 г. в микроскопе «Люмипан» фирмы «К. Цейсс» (г. Иена). В настоя-
щее время этот тип штатива все чаще и чаще встречается в конструкциях
новых микроскопов, выпускаемых многими иностранными фирмами.
Иногда недостаточна даже жесткость штатива с Г-образным неподвиж-
ным тубусодержателем, особенно в тех случаях, когда надо обеспечить
стабильное положение объектива относительно оси микроскопа. Такие
требования к штативам возникают, например, при точных измерениях
координат следов частиц высоких энергий в толстослойных «ядерных»
эмульсиях. Этим требованиям удовлетворяет мостовая конструкция туб\-
содержателя микроскопа, изображенного на рис. XXI.6.
Жесткость штативов различной конструкции, по данным Р. М. Рагу-
зина, колеблется в значительных пределах и приведена в табл. IX.1.
Таблица IX. 1
Жесткость тубусодержателя штативов серийных микроскопов
Конструктивные особенности Шифр микроскопа Жесткость в кГ/мм
X У Z
Подвижный Г-образ- МБР-1, МБР-3, 21,3 178 26.8
ной формы МБИ-3
Неподвижный Г-об- разной формы МИН-8, МББ-1 1045 530 96
Мостовой неподвиж- ный МИРЭ-3, МПЭ-1 1225 6400 1000
Примечание. Направление координатных осей: X — перпендикулярно оси
симметрии штатива, У — по оси симметрии, Z — по оптической оси объектива.
Как видно из приведенных цифр,жесткость серийных штативов первого
типа ниже теоретической (см. стр. 261—262), и лишь штатив мостовой
конструкции отвечает необходимым требованиям.
2. Основные узлы штатива микроскопа
Основными узлами штатива микроскопа являются:
1) основание (башмак), которое служит опорой всего микроскопа и
несет всю конструкцию штатива;
2) тубусодержатель, несущий наблюдательный тубус микроскопа;
3) механизм грубого перемещения тубуса или столика микроскопа;
4) механизм точной фокусировки столика или тубуса микроскопа;
5) тубус микроскопа с револьвером для крепления объективов, окуля-
рами и объективами;
6) предметный столик микроскопа;
7) осветительная система.
264
Рис. IX.2. Основание микроскопа подковообразной
формы
В зависимости от назначения и конструкции микроскопа механизм
грхбого и точного перемещения может воздействовать или непосредственно
на тубус микроскопа, или на предметный столик. В первом случае меха-
низмы могут быть расположены непосредственно в тубусодержателе (шта-
тив С-образной формы) и воздействовать на тубус микроскопа или в спе-
циальной коробке, укрепленной непосредственно на основании, и пере-
мещать тубусодержатель вместе с тубусом микроскопа (штатив Г-образной
формы). Во втором случае тубусодержатель жестко закреплен на осно-
вании, а механизм перемещения смонтирован на тубусодержателе и воз-
действует на предметный сто-
лик микроскопа.
Основание. Основание,
или башмак, микроскопа —
основная деталь, несущая всю
конструкцию микроскопа.
Основание должно обеспечить
устойчивое положение шта-
тива микроскопа на рабочем
столе, иметь достаточную
жесткость и вес.
Основание микроскопа
имеет подковообразную фор-
му (рис. IX. 2) ив крупно-
серийном производстве отли-
вается литьем под давлением
из силумина. На нижней сто-
роне основание имеет шесть
площадок, причем три край-
ние площадки лежат в одной
плоскости и служат для при-
дания устойчивого положения штативу на рабочем столе; две средних
площадки служат для предохранения микроскопа от опрокидывания. На
верхней стороне основания выполнен прилив для крепления тубусодер-
жателя С-образной формы или сделана площадка для крепления в одних
случаях коробки микромеханизма с подвижным Г-образным тубусодер-
жателем, в других — самого Г-образного тубусодержателя.
В связи с новыми эстетическими требованиями за последнее время про-
изошли изменения в конструкции основания простых микроскопов. Новые
модели микроскопов японских фирмы «Олимпус» и немецких фирмы
«К. Цейсс» выполнены с основанием прямоугольной формы, в центре
которого имеется отверстие для крепления простейшего накладного осве-
тителя.
Основания более сложных микроскопов с неподвижно закрепленным
тубусодержателем имеют прямоугольную форму и несут встроенный источ-
ник света и смонтированную внутри основания осветительную систему
по Кёлеру. В этом случае должна быть предусмотрена возможность регу-
лировки перемещения лампочки вдоль оси, центрировки ее относительно
оси, а также регулировки отверстия полевой диафрагмы и центрировки
ее относительно поля зрения микроскопа. Конструкция основания с осве-
тительной системой приведена на рис. IX.3. Регулировка положения
265
диафрагмы поля зрения производится винтами 1, качающими зеркало или
осветительную призму.
Тубусодержатель. Как показывает само название, назначение тубусо-
держателя — нести тубус микроскопа. Тубусодержатель С-образной формы
(рис. IX. 1) в нижней части крепится на основании микроскопа с помощью
оси шарнира, служащего для установки тубуса в одно из положений от
вертикального до горизонтального. Поскольку тубус и предметный сто-
лик закреплены на тубусодержателе, шарнирное соединение с основанием
на жесткость системы тубус — предметный столик влияния не оказывает.
Во внутренней полости верхней части тубусодержателя С-образной формы
расположен микромеханизм с рукоятками управления, закрепленными на
Рис. IX.3. Основание микроскопа с встроенной осветительной
системой
оси, подшипники которого привернуты к боковым плоскостям тубусодержа-
теля. По направляющим типа ласточкина хвоста, находящимся в верхней
части тубусодержателя, под воздействием микромеханизма движется
прямоугольная колодка с такими же направляющими с наружной стороны,
в которых перемещается тубус микроскопа. В колодке укреплена ось
с трибкой, сцепленной с рейкой, привернутой к тубусу. Этот механизм
служит для грубой фокусировки. В нижней части тубусодержателя кре-
пится кронштейн предметного столика и направляющие движения освети-
тельной системы, также имеющие форму ласточкина хвоста.
Тубусодержатель Г-образной формы может быть выполнен в двух
вариантах: в варианте подвижного тубусодержателя, перемещающегося
для фокусировки тубуса вместе с ним, и в варианте неподвижного, жестко
закрепленного на основании.
В отечественных штативах типа МБР и МБИ-3, а также на штативах
фирмы «К. Цейсс» типа L применяется тубусодержатель Г-образной формы,
выполненной в подвижном варианте. Он представляет силуминовую от-
ливку в виде буквы Г, в нижней части которой привернута внешняя часть
направляющих в виде ласточкина хвоста грубого перемещения. Тут же
в подшипниках, на боковых сторонах тубусодержателя, закреплена ось
с трибкой грубой фокусировки. Тубусодержатель перемещается по прямо-
угольной колодке, на которой закреплена рейка, сцепленная с трибкой.
В свою очередь, колодка под воздействием микромеханизма, помещенного
в коробке в форме прямоугольного параллелепипеда, может передвигаться
вместе с тубусодержателем в таких же направляющих, выполненных
в коробке с обратной стороны.
266
В верхней части тубусодержателя закреплено кольцо для крепления
сверху наклонного (монокулярного или бинокулярного) или прямого
тубуса и снизу револьверного устройства смены микрообъективов. Кольцо
тубусодержателя вверху с левой стороны имеет два выступа, а с правой —
винт с коническим концом и барашком. Это устройство служит для за-
крепления тубуса, имеющего внизу коническое кольцо, вершина конуса
которого направлена вверх. Коническое кольцо тубуса вводится сверху
в кольцо тубусодержателя так, что с одной стороны конус оказывается
Б
Рис. IX.4. Тубусодержатель Г-образной формы
под двумя выступами в кольце, а с другой — прижимается коническим
кольцом винта. Таким образом осуществляется крепление тубуса к тубу-
содержателю (рис. IX.4).
Конструкция крепления тубуса в кольце с непосредственным упором
конического конца винта в коническую поверхность кольца тубуса имеет
тот недостаток, что при зажиме винта на конической поверхности тубуса
остаются вмятины, несмотря на то, что углы конусов кольца и винта
согласованы. Более предпочтительна конструкция, в которой зажимной
винт действует не непосредственно на коническую поверхность тубуса,
а перемещает сухарик, который имеет скос на наружной поверхности,
соответствующий углу конуса тубуса, и зажимает его по всей поверх-
ности, не оставляя следов на ней.
Г-образный тубусодержатель, выполненный в неподвижном варианте,
применяется в микроскопах типа МВБ, в поляризационном микроскопе
МИН-8 и в цейссовских микроскопах типа X. В этом случае тубусодержа-
тель прочно прикреплен к основанию микроскопа, фокусировочные дви-
жения перенесены на предметный столик. Верхняя часть тубусодержателя
по своему конструктивному выполнению не отличается от конструкции
267
подвижного тубусодержателя. Неподвижный Г-образный тубусодержа-
тель имеет ряд преимуществ по сравнению с двумя предыдущими, так как
вследствие отсутствия направляющих обладает большой жесткостью
и может быть нагружен различными принадлежностями, имеющими до-
вольно большую массу, причем в этом случае не будет нарушаться фокуси-
ровка вследствие скольжения под влиянием нагрузки механизмов грубой
п точной фокусировки.
Неподвижный Г-образный тубусодержатель применяется и в более
сложных конструкциях микроскопов, особенно в штативах для наблюде-
ния в проходящем и отраженном свете, например в штативах МБИ-11,
в люминесцентном микроскопе МЛ-2 и в последней модели цейссовского
микроскопа «Ампливаль». В этом случае конструкция тубусодержателя
выполняется полой для установки в ней осветительной системы отражен-
ного света.
Механизм грубого перемещения. Механизм грубого перемещения может
воздействовать либо на тубус микроскопа или тубусодержателя, либо
на предметный столик микроскопа. Его принципиальная конструкция
при этом не меняется. Основными элементами механизма грубого переме-
щения являются направляющие и привод. Конструкция механизма гру-
бого перемещения должна обеспечить плавное безлюфтовое перемещение
тубуса, тубусодержателя или предметного столика, достаточную жесткость
конструкции, легкий ход. Усилие, приложенное к барашку грубого пере-
мещения, должно быть малым, т. е. не превышать 1 кГ. Под действием
такой нагрузки на тубус или на предметный столик микроскопа в течение
некоторого времени не должно наблюдаться нарушение фокусировки. При
вращении барашков грубой подачи в направлении от наблюдателя тубус
микроскопа должен опускаться. В случае, если механизм грубой фокуси-
ровки воздействует на предметный столик микроскопа, он должен под-
ниматься при вращении барашка грубой фокусировки в направлении
«от себя». В некоторых конструкциях микроскопов это положение нару-
шается, что может привести к поломке объектива или препарата, так как
у большинства микроскопов при вращении рукояток «от себя» объектив
и предмет сближаются, при вращении «на себя» расстояние между пред-
метом и объективом увеличивается.
Конструкция механизма грубого перемещения должна допускать регу-
лировку момента вращения барашка привода.
Величина перемещения тубуса или столика микроскопа механизмом
при грубой фокусировке должна быть выбрана такой, чтобы обеспечить
установку на тубусе микроскопа опак-иллюминаторов для наблюдения
в отраженном свете, а также установку на столик микроскопа (главным
образом при наблюдении в отраженном свете) толстых предметов. Высота
опак-иллюминаторов обычно равна 30 мм, поэтому величина перемещения
тубуса от механизма грубого перемещения должна быть не меньше 30 мм.
Следует отметить, что конструкция некоторых последних отечественных
опак-иллюминаторов, например ОИ-21, не требует дополнительного пере-
мещения грубой подачи благодаря установке их сверху на кольце тубусо-
держателя.
Обычно направляющие механизма грубого перемещения выполняются
в виде ласточкина хвоста, наружная обойма которого находится в тубусо-
держателе, сам «ласточкин хвост» выполняется отдельно и привертывается
268
к планке микромеханизма винтами. По оси симметрии ласточкина хвоста
в специальном углублении помещается зубчатая рейка грубой подачи.
Обычно направляющие и рейка изготовляются из латуни, что обеспечи-
вает плавный ход и большую износоустойчивость механизма. В некоторых
отечественных микроскопах направляющие представляют собой пару
силумин—латунь, причем силуминовыми (литье под давлением) изготов-
ляются наружные направляющие. Такое сочетание материалов также обес-
печивает достаточную износоустойчивость направляющих, но меньшую,
чем в паре латунь—латунь, и поэтому оно применяется только в простых
рабочих микроскопах.
Механизмом привода служит трибка и косозубая рейка. Трибка вы-
полняется из стали, рейка — из латуни. Для обеспечения принятого на-
правления перемещения механизм привода может иметь паразитную ци-
линдрическую шестерню. Передаточное отношение ось — рейка равно
0,05 мм!град. Конструкция механизма грубого перемещения штатива типа
МБР представлена на рис. IX.4. Для удобства работы ось привода меха-
низма грубого перемещения выведена на обе стороны тубусодержателя,
что дает возможность работать и правой и левой рукой. На концах оси
закрепляются барашки, один из которых укрепляется неподвижно на
оси. другой крепится при помощи конического зажимного устройства,
позволяющего регулировать момент вращения механизма. Придерживая
неподвижно закрепленный барашек одной рукой и вращая в ту или иную
сторону второй барашек, можно регулировать величину момента вращения
путем затягивания конуса на оси.
Механизм точной фокусировки. Механизм точной фокусировки, как
показывает само название, служит для точной установки объектива на
резкость изображения наблюдаемого объектива. Этот механизм необ-
ходим во всех микроскопах, предназначенных для работы с большими
увеличениями, когда глубина изображения микроскопа становится меньше
кинематической чувствительности механизма грубой фокусировки. Микро-
скопы, предназначенные для наблюдения с малыми увеличениями, когда
кинематическая чувствительность механизма грубой фокусировки соизме-
рима с глубиной изображения, могут работать без микромеханизма. Вели-
чина точного перемещения тубуса или предметного столика обычно не
превышает 2 мм.
В некоторых случаях микромеханизм используется для глубинных
измерений путем последовательной фокусировки микроскопа на два
объекта, лежащих в разных плоскостях по оси микроскопа. Величина
этого перемещения отсчитывается по специальной шкале, расположенной
на барабанчиках привода. Поскольку глубинные измерения производятся
путем последовательных фокусировок на два объекта, точность этих изме-
рений зависит, в частности, от точности двух последовательных наводок,
которая, в свою очередь, зависит от глубины Т резкости изображения
микроскопа, определяемой, как было указано выше, выражением
т __ I 1000
~ 24* + 7дг ‘
Найдем вероятную погрешность измерения вследствие указанных
ошибок. Приняв Г--= 1000Л, получим: при X = 550нм ошибка глубинных
269
измерений будет Az = мкм. Отсюда следует, что для глубинных изме-
рений с ошибкой, не превышающей 1 мкм, нужно брать объективы с аперту-
рой не ниже 0,75, в противном случае погрешность измерения сильно
возрастает.
Очевидно, что глубинные измерения можно производить только в пре-
делах свободного расстояния применяемых микрообъективов. Если рас-
смотреть каталог выпускаемых в серийном производстве микрообъективов,
то можно установить определенную связь между свободным расстоянием
объектива и его апертурой. Эта зависимость может быть выражена эмпери-
ческой формулой для обычных объективов ахроматов и апохроматов:
0 4
s = -jy, где s — свободное расстояние объектива. Если принять А 0,75,
/1“
то из формулы следует, что свободное расстояние этих объективов не пре-
вышает 0,75 мм, отсюда ясно, что величина перемещения тубуса от меха-
низма точной фокусировки может быть ограничена в пределах 0,75 мм.
Механизм точной фокусировки, как и механизм грубой фокусировки,
может воздействовать либо на тубус или тубусодержатель микроскопа,
либо на предметный столик. И в том, и в другом случае должно быть соблю-
дено правило: при вращении барашков механизма в направлении от наблю-
дателя объектив должен сближаться с предметом, расположенным на сто-
лике микроскопа.
Основными элементами механизма точной фокусировки являются на-
правляющие и собственно механизм, расположенный либо в тубусодержа-
теле, как, например, в случае тубусодержателя С-образной формы, либо
в специальной коробке, закрепленной на основании, как в конструкции
микроскопов типа МБР и МБИ; либо в основании микроскопа, как, на-
пример, в микроскопах типа МВБ и МИН-8.
Во всех современных микроскопах принято соотношение, при котором
перемещению тубуса или столика на 0,1 мм соответствует полный оборот
рукоятки микромеханизма. Отсюда определяется кинематическая чувстви-
тельность микромеханизма, равная 0,0003 мм/град, что обеспечивает не-
обходимую точность фокусировки в пределах глубины изображения самого
высокоапертурного микрообъектива.
Конструкция направляющих в значительной степени определяет точ-
ность работы микромеханизма. Поскольку он является точным механиз-
мом, его нельзя сильно нагружать, и, следовательно, направляющие
должны обеспечить легкий плавный ход. С другой стороны, направляю-
щие должны обеспечить безлюфтовое перемещение подвижных элементов
и обладать необходимой жесткостью. Под влиянием нагрузки на тубу-
содержатель или столик до 1 кГ, а в некоторых случаях и выше конструк-
ция микромеханизма должна обеспечивать стабильную фокусировку.
Наиболее распространенными являются направляющие скольжения
типа ласточкина хвоста, конструкция которых аналогична конструкции
направляющих грубой фокусировки. Материалом для изготовления на-
правляющих служит латунь.
В микроскопах, в которых нужно обеспечить более точную работу
микромеханизма и повышенную нагрузку на него, применяются направ-
ляющие, выполненные на шариках или на роликах. Конструкция направ-
ляющих на роликах представлена на рис. IX.5. В этом случае детали на-
270
правляющих изготовляются из стали с последующей термической обра-
боткой и закалкой. Ролики 2 устанавливаются на сферические подпят-
ники 3, которые автоматически при их затягивании гайкой 5 и контр-
гайкой 4 устраняют ошибки в изготовлении углов клипа 6 и обоймы /;
одновременно обеспечивается плавный безлюфтовый ход. Естественно,
для обеспечения безлюфтового хода на всем диапазоне перемещения на-
Рис. IX.5. Направляю-
щие с микромехаиизмом
системы Мейера
правляющих микромеханизма призматические детали клина и обоймы не
должны иметь пирамидальное™, допустимая величина которой опреде-
ляется заданной величиной люфта и величиной перемещения направ-
ляющих.
В тех случаях, когда требуется обеспечить высокую точность микро-
механизма при отсутствии мертвого хода, применяются направляющие
с плоскими пружинами. Пружинные направляющие выполняются в виде
одинарного или двойного параллелограмма. Пружинные направляющие
в виде одинарного параллелограмма проще по конструкции, но имеют
тот недостаток, что вызывают смещения предметного столика или объек-
тива с оси микроскопа. Причем траектория точки, расположенной на
271
ведомом звене (столике или объективе), близка к окружности с радиусом,
равным примерно 3/4 длины пружины. Если нужно обеспечить строго
прямолинейное перемещение ведомого звена (например, в ядерных микро-
скопах), применяется конструкция с пружинными направляющими в виде
двойного параллелограмма (рис. IX.6). В этом случае смещение, вызван-
ное работой одного параллелограмма, компенсируется смещением, вызван-
ным работой второго параллелограмма. Для точной работы этих направ-
ляющих второй параллелограмм необходимо принудительно перемещать
в два раза медленнее, чем первый. В качестве материала для изготовления
пружинных направляющих применяется ленточная сталь 70С2ХА тол-
щиной 0,2 мм и шириной 20 мм. Для увеличения жесткости системы на
пружинные направляющие при-
вертываются накладки. Свободный
участок пружинной ленты между
накладкой и опорой должен быть
8—10 мм.
Конструкция собственно меха-
низма для передачи точного дви-
жения направляющим может быть
довольно разнообразна. В отече-
ственных микроскопах применя-
ются различные системы микроме-
ханизмов: зубчато-рычажные, ры-
чажно-винтовые и винтовые. В оте-
Рис. IX.6. Пружинные направляющие чественных биологических микро-
скопах широкое применение нашли
зубчато-рычажные микромеханизмы Мейера. Этот же тип микромеханизма
до последнего времени широко применялся в конструкциях микроскопов
фирмы «К- Цейсс» (г. Иена).
На рис. IX.5 представлена конструкция микромеханизма системы
Мейера. На стальной каленой призме 7 качается рычаг 8, на конце которого
нарезан зубчатый сектор с числом зубцов по окружности z - 173. С зуб-
чатым сектором сцеплена система зубчатых колес 9, 10, 11, 12 с числом
зубцов 10, 50, 10, 50, 10. Ось последнего зубчатого колеса z — 10 служит
приводом микромеханизма, на ее концах укреплены барабанчики и от-
счетная шкала микромеханизма. Передаточное отношение от оси привода
. , . 10-10-10 10
к зубчатому сектору будет соответственно равно i - 5Q •
Благодаря такому большому передаточному отношению, механизм поз-
воляет осуществлять точное перемещение тубуса или столика микроскопа.
Размеры зубчатого рычага выбираются таким образом, чтобы одному
обороту барашка микромеханизма соответствовало бы перемещение на-
правляющих на 0,1 мм. Отсчетный барабанчик микрометренного меха-
низма разделен на 50 частей, и, таким образом, поворот барабанчика на
одно деление соответствует перемещению направляющих на 0,002 мм.
Механизм рассчитан на 25 оборотов барашка, т. е. обеспечивает пере-
мещение направляющих на 2,5 мм. Ограничение числа оборотов рукоятки
осуществляется упорами, укрепленными на шайбе, сидящей на одной оси
с шестерней. В лунку на зубчатом рычаге вставляется штифт 13 с кониче-
скими концами, его верхний конец упирается в направляющую микро-
272
механизма и передает ей поступательное движение, вызванное поворотом
зубчатого рычага. Вследствие наклона штифта 13 при повороте зубчатого
сектора и синусной зависимости между углом поворота сектора и верти-
кальным перемещением упора штифта, закон движения механизма Мейера
не линейный. Поэтому равным углам поворота шкалы микромеханизма
соответствуют неравные перемещения направляющих, следовательно, при
глубинных измерениях с помощью системы механизма Мейера неизбежна
теоретическая ошибка. Величина и характер этой ошибки зависят от
величины перемещения микромеханизма и от начального положения зуб-
чатого сектора. В зависимости от регулировки микромеханизма его на-
копленная ошибка может колебаться от 50 до 90 мкм при перемещении
направляющих микромеханизма на 2 мм.
Мертвый ход в механизме устраняется пружиной, которая через на-
правляющую и штифт прижимает зубчатый сектор к призме. Вследствие
того что передаточное отношение между зубчатым сектором и первой
шестерней достаточно велико, мертвый ход между зубцами последующих
цилиндрических колес не имеет существенного значения и может быть
допущен в довольно значительных пределах. Конструктивное оформление
этого механизма в микроскопе МБИ-6 представлено на рис. IX.5. В этом
микроскопе движение передается предметному столику микроскопа.
Ось 14 привода микромеханизма укрепляется в тубусодержателе с помощью
подшипников скольжения или в коробке микромеханизма. На оси закреп-
лены с двух сторон барашки 15 микромеханизма, а с одной из сторон,
обычно слева, имеется шкала 16, разделенная на 50 делений. Барашек
микромеханизма составной, его накатанная часть свободно сидит на оси
и в своем теле имеет отверстие, в котором помещается пружина 19, при-
жимающая шарик 18 к гайке 17, неподвижно сидящей на оси микромеха-
низма. В случае, если момент вращения превзойдет некоторое значение,
барашек с накаткой будет свободно проворачиваться на оси. Величина
момента зависит от величины трения, создаваемого давлением шарика
на гайку.
Такое устройство рукоятки микромеханизма предохраняет препарат
п объектив от разрушения, так как, если объектив достигнет препарата,
барашек микромеханизма будет проворачиваться на оси, и дальнейшее
перемещение столика или тубуса прекратится.
Механизм системы Мейера может применяться только при небольших
нагрузках на направляющие, не превышающих 1—2 кГ. При больших
нагрузках в механизме возникает мертвый ход, вследствие перемещения
зубчатого сектора на упорной призме и скручивания осей. Мертвый ход
возникает также при увеличении трения в направляющих микромеханизма
вследствие приложения нагрузки к ним не по линии их действия.
Как показали исследования, при нагрузке даже 0,3 кГ на столик или
тубус (в зависимости от конструкции штатива) с течением времени наблю-
дается сползание механизма Мейера и нарушение фокусировки на микрон.
В конструкции металлографического микроскопа МИМ-7 и микро-
интерферометрах типа МИИ, а также в конструкциях иностранных био-
логических микроскопов, например японской фирмы «Олимпус», при-
меняются винто-рычажные микромеханизмы, закон движения которых
линейный и выражается формулой h — ~ I, где h и Н перемещения
18 Г. Е. Скворцов и др.
273
направляющих и винта: А и I — длины большого и малого рычагов. Этот
микромеханизм не имеет теоретической ошибки, погрешности в его ра-
боте могут происходить только за счет регулировки длин рычагов и
ошибки в шаге винта. Схема винторычажного механизма представлена на
рис. IX.7. Этот тип микромеханизма наиболее перспективен, так как может
выдерживать довольно большие нагрузки и, как показали исследования,
достаточно стабилен и не дает расфокусировки под действием нагрузки
в течение длительного времени.
В отечественных биологических микроскопах типа МВБ и поляри-
зационных микроскопах типа МИН-8 применяется винторычажный диф-
ференциальный механизм, схема которого представлена на рис. IX.8.
Рис. IX.7. Винторычажный
микромеханизм
Рис. IX.8. Дифференциальный винторычажный микро-
механизм
По существу он представляет собой два отдельных винторычажных меха-
низма. При работе одного из механизмов опорой рычага служит толка-
тель другого микромеханизма. Толкатель направляющих расположен
посередине рычага. При производстве глубинных измерений с помощью
такого механизма нужно пользоваться только одним барашком и шкалой.
При вращении второго барашка величина перемещения направляющих
микромеханизма зависит от перемещения обоих барашков и шкал меха-
низма.
Стремление упростить управление микроскопом, сосредоточить ру-
коятки управления в одном месте привело к созданию коаксиальной си-
стемы грубой и точной фокусировки, при которой оба барабана вращаются
вокруг одной оси. Конструкция такой коаксиальной системы представ-
лена на рис. IX. 9. Внутри втулки 6 вращается ось 7 механизма точной
фокусировки с трибкой, которая через прорезь во втулке 6 соединяется
с зубчатым сектором 5, передающим перемещение на корпус 4 по направ-
ляющим 10. На оси 7 с двух сторон закреплены барашки 1 микромеханиз-
мов с фрикционным устройством и с одной стороны — шкала 13 микро-
механизма. На втулке 6 с той же стороны, где и шкала, закреплена шайба
с индексом, а с обеих сторон насажены втулки 3 с грибками, которые
сцеплены с рейками 12, закрепленными на направляющих 11. На концах
втулок 3 закреплены барашки 8 грубой фокусировки, при вращении кото-
рых перемещается весь механизм со столиком микроскопа. Втулки 3 вра-
щаются в подшипниках 2, укрепленных на корпусе 4 микромеханизма.
В правом подшипнике закреплен разрезной конус 9, с помощью которого
274
регулируется момент вращения механизма грубой подачи. Механизм
такой конструкции применяется в микроскопах МЛ-2 и МБИ-11.
Коаксиальные механизмы с одной направляющей. Усовершенствование
микроскопов, стремление повысить жесткость штатива привели к созда-
нию совмещенной системы механизмов грубой и точной фокусировки
и к использованию одной направляющей для грубого и точного переме-
щения. Впервые микроскоп с одной направляющей для грубой и точной
фокусировки был выпущен фирмой «Лейтц» (ФРГ), затем фирмой «К. Цейсс»
(г. Иена). Несколько отличный механизм с одной направляющей нашел
применение в последних штативах отечественной конструкции.
Рис. IX.9. Коаксиальный привод механизмов точной и грубой фокусировки
Механизм системы Лейтц представляет собой червячный дифферен-
циал (рис. IX. 10), в котором с червячным колесом 1 жестко связана прямо-
зубая цилиндрическая шестерня 2, связанная с рейкой 3, закрепленной
на направляющих механизма. На оси 4, укрепленной в подшипниках на
корпусе, свободно посажен червяк 5 и жестко закреплен кулачок 6, ра-
бочий профиль которого представляет собой наклонную плоскость. Кула-
чок 6 через шарик прижимается к червячку 5. На оси 4 жестко закреплены
рукоятки 7 и запрессован штифт 8. На червяке 5 жестко запрессованы
два штифта 9. При вращении рукояток 7 в пределах поворота штифта 8
от одного штифта 9 упора в другой штифт 9 червяк 5 не вращается,
а перемещается вдоль оси под действием кулачка 6 и поворачивает червяч-
ную шестерню с жестко закрепленной цилиндрической шестерней 2,
которая передает движение рейки 3 и, следовательно, направляющей
механизма. Так осуществляется точная фокусировка. При касании штиф-
тов 8 и 9 червяк 5 начинает вращаться и поворачивает шестерню 2, пере-
давая движение на рейку и направляющую механизма. Так осуществляется
грубая подача. Этот механизм использует одну направляющую для точ-
ной и грубой фокусировки и один барашек для обоих движений. Переход
от грубой к точной фокусировке может происходить при смене направ-
ления движения барашка механизма в пределах меньше оборота (от упора
до упора), затем снова включается в работу грубая подача. Диапазон
точной фокусировки 0,1 мм в любом положении механизма грубой
фокусировки.
18'
275
Работа с таким микромеханизмом требует определенных навыков.
При фокусировке грубой подачей следует немного перейти плоскость рез-
кой фокусировки и затем вращением барашка в обратную сторону вклю-
чить механизм точной фокусировки и произвести точную фокусировку.
При этом следует помнить, что предел точной фокусировки ограничен
и по достижении упора в штифт 9 автоматически включается механизм
грубой фокусировки.
Исследования подобного механизма показали, что он обладает пере-
менным мертвым ходом, который колеблется в пределах от 2 до 6 мкм
в зависимости от положения грубой подачи. Указанные значения мертвого
Рис. IX. 10. Микромеханизм системы Лейтц
хода практически неизменны при увеличении нагрузки до 500 Г. Произ-
вольное сползание микромеханизма также нерегулярно и зависит от поло-
жения механизма грубой подачи.
Из сказанного следует, что рекомендовать конструкцию такой системы
микромеханизма для исследовательских микроскопов нецелесообразно.
В последних моделях отечественных микроскопов применен коаксиаль-
ный механизм с одной направляющей, предложенный Р. М. Рагузиным.
Этот механизм более сложен, чем механизм системы Лейтц, но не имеет
недостатков, присущих последнему. В качестве механизма точной фоку-
сировки применен винторычажный механизм. Конструкция механизма
представлена на рис. IX.11. В подшипниках скольжения 2 корпуса 9
вращается втулка 3, на которой с двух концов закреплены барашки 1
грубой фокусировки, а в середине укреплена спиральная шестерня 8,
сцепленная со второй спиральной шестерней 4 ходового винта 15.
По винту 15 перемещается гайка 16, несущая шарик 17, входящий в приз-
матическую направляющую 18, перемещающуюся на шариках 19 в обойме.
Таким образом осуществляется грубая фокусировка.
Внутри втулки 3 вращается ходовой винт 10 микромеханизма, на
концах которого закреплены барашки 11 микромеханизма с фрикционным
устройством. С одной стороны винта закреплена шкала 14 микромеханизма.
Индекс шкалы закреплен на барашке грубой фокусировки. Ходовой
винт 10 перемещает гайку 6, удерживаемую от проворота шпонкой 7
в пазу втулки 3. Гайка 6 перемещает по втулке 3 диск 5, который упп-
276
А-А
А
Рис. IX.11. Микромеханизм с одной направляющей
277
рается в конец рычага 13. Рычаг 13 поворачивается вокруг оси 12 и другим
своим концом толкает штифт 20 и перемещает ходовой винт 15 с гайкой 16,
передающей движение направляющей. Мертвый ход выбирается пружи-
ной. Таким образом осуществляется точная фокусировка. В этой кон-
струкции точная фокусировка производится независимо от грубой в любом
положении механизма.
3. Тубус микроскопа
Тубус микроскопа представляет собой механическую трубу, несущую
в верхней части патрубок для окуляра и в нижней — устройство для
крепления объектива. В зависимости от конструкции штатива микроскопа
меняется и конструкция тубуса. Так, в конструкции штатива С-образной
формы тубус представляет собой прямую трубу с направляющей в виде
ласточкина хвоста для крепления в направляющих грубой подачи; в кон-
струкции штатива Г-образной формы тубус, как правило, состоит из двух
частей: окулярной насадки и револьверного устройства, которые крепятся
соответственно с верхней и нижней стороны кольца тубусодержателя.
Окулярная насадка в этом случае может быть прямая или наклонная
с призмой, изменяющей направление оси. Прямые тубусы бывают про-
стые и с выдвижным внутренним тубусом. Механическая длина тубуса,
т. е. расстояние от верхнего среза тубуса, несущего окуляр, до нижнего
среза, несущего объектив, во всех микроскопах величина постоянная
и равняется 160 ±1 мм. В случае наклонного тубуса с призмой механи-
ческая длина тубуса — это длина хода луча от нижнего среза упорного
торца револьвера до верхнего среза тубуса с учетом хода луча в призме;
это расстояние также должно равняться 160 мм.
Верхний патрубок тубуса должен иметь нормальный внутренний диа-
метр, обеспечивающий посадку любого окуляра и равный 23,2 0,14 мм.
Наружный диаметр должен быть 25—0,14 мм для обычных окуляров.
30 и 35 мм для широкоугольных окуляров. Эти диаметры определены
ГОСТом 3361—46. Длина верхнего патрубка не нормируется, но она
должна обеспечить применение наиболее длинного окуляра, входящего
в комплект микроскопа.
В нижней части тубус микроскопа несет устройство для крепления
объектива. Таким устройством могут являться втулка со стандартной
объективной резьбой, если не предусматривается возможность быстрой
смены микрообъектива, револьверное или щипцовое устройство для бы-
строй смены микрообъектива.
В конструкции микроскопов С-образной формы, как было сказано выше,
тубус представляет собой единую конструкцию и непосредственно в нижней
части несет устройство для крепления объектива. Конструкция такого
тубуса представлена на рис. IX. 1.
Верхняя часть тубуса штатива Г-образной формы выполнена в виде
прямой или наклонной насадки (рис. IX. 12, IX. 13) и крепится в кольце
тубусодержателя с помощью кольцевой конической оправки. Револьвер,
представляющий собой нижнюю часть тубуса, крепится на салазках
к кольцу тубусодержателя.
Резьба для крепления объектива специальная стандартизированная
и имеет угол профиля 55°, диаметр 4/6" и шаг 1/з6". Допустимое колебание
278
среднего диаметра резьбы в гайке (револьвере) по ГОСТу 11900—66
от 19,825 до 19,909 мм.
Для обычных работ целесообразно иметь неподвижный тубус с постоян-
ной механической длиной. Прямой тубус с выдвижным внутренним тубу-
сом (рис. IX. 13) применяется в тех случаях, когда необходимо менять
длину тубуса. Тубус с переменной длиной применяется в двух случаях:
1) для коррекции толщины покровного стекла препарата с целью
получения наилучшего качества изображения;
2) при линейных измерениях под микроскопом с окулярным микро-
метром для получения кратного масштаба увеличения.
Рис. IX. 12 Наклонный тубус
Рис. IX. 13. Прямой вы-
движной тубус
Следует помнить, что отклонение длины тубуса от номинальной при
смене микрообъективов неизбежно вызывает расфокусировку и ухудше-
ние качества изображения вследствие увеличения сферической и хрома-
тической аберраций. Допустимое отклонение в механической длине тубуса
от расчетного с точки зрения ухудшения качества изображения зависит
от характера коррекции микрообъектива. При применении ахроматиче-
ских объективов это отклонение без заметного ухудшения качества изоб-
ражения может быть допущено большим, чем при применении апохрома-
тических объективов; так, например, допустимое отклонение в длине
тубуса для объектива-ахромата равно ±7 мм, а для апохромата 90 X 1,3—
только ±2 мм.
Внутренний выдвижной тубус имеет деления в миллиметрах, которые
непосредственно указывают длину установленного тубуса в пределах
от 140 до 210 мм. Нормальной длине тубуса 160 мм соответствует круго-
вая риска, нанесенная по всей образующей выдвижного тубуса.
279
Рабочее расстояние объектива изменяется пропорционально изменению
длины тубуса и обратно пропорционально квадрату увеличения микро-
объектива, причем с увеличением длины тубуса рабочее расстояние микро-
объектива уменьшается.
Классическим устройством для быстрой смены увеличения микро-
скопа путем смены объектива является револьвер микроскопа. Он пред-
ставляет собой шаровой сегмент, коническая ось вращения которого сов-
падает с осью симметрии сегмента и расположена под углом к оси тубуса
микроскопа (рис. IX.14). Основными частями револьвера являются кор-
пус 1 с осью 3 и сферическая чашка 2, в которой для крепления микро-
8
3 4
Рис. IX. 14. Револьвер микроскопа
объективов имеются резьбовые отверстия 6 с кольцевыми опорными
площадками, служащие для фиксации микрообъективов. В современных
микроскопах число отверстий в револьвере различно и колеблется в за-
висимости от типа и назначения микроскопа от трех до пяти. В отече-
ственных рабочих микроскопах число отверстий в револьвере принято
равным четырем.
Угол наклона оси вращения револьвера к оси тубуса микроскопа
выбран таким образом, чтобы при повороте чашки револьвера ось ее резь-
бового отверстия совпала с осью тубуса микроскопа. Совладение осей
тубуса микроскопа и гнезда револьвера фиксируется плоской пружиной
и соответствующим штифтом (на рисунке не показаны), запрессованным
в чашке револьвера против соответствующего гнезда резьбового отвер-
стия. Корпус 1 револьвера крепится на салазках 9, которые укрепляются
на кольце тубусодержателя 8 и фиксируются относительно оси тубуса
юстировочным винтом 7. Съемная конструкция револьвера выполнена
для установки различных приспособлений (опак-иллюминатор и др.)
вместо револьвера на штативе микроскопа.
Чашка револьвера вращается на конусе с углом 9 ’, укрепленном на
корпусе револьвера, и прижимается к нему через шайбу 4 винтом 5. Та-
ким образом, жесткость револьвера зависит от точности подгонки чашки
на конусе.
280
В конструкции револьверов, к которым предъявляются жесткие
требования, посадка чашки выполнена на цилиндрической оси с минималь-
ным зазором и с упором по наружному торцу чашки, что обеспечивает
большую устойчивость и точность работы револьвера. Некоторые ино-
странные фирмы для обеспечения хода чашки револьвера и получения
большей жесткости выполняют опору торцов чашки револьвера на
шариках.
Револьвер микроскопа совместно с микрообъективами, ввернутыми
в его гнездо, предназначены для быстрой смены увеличения микроскопа,
при этом выбранная точка объекта с объективом слабого увеличения
должна оставаться в поле зрения микроскопа и быть достаточно резко
видимой при включении любого объектива более сильного увеличения.
Очевидно, для того чтобы обеспечить резкость изображения при лю-
бом объективе, допустимая фокусировка не должна превышать глубины
изображения микроскопа при самом сильном объективе. Как следует
из гл. III, глубина изображения микроскопа зависит от апертуры
применяемого объектива и в стандартном наборе объективов колеб-
лется от 13 мкм при объективе 8x0,20 до 0,4 мкм при объекти-
ве 90 X1,25.
Отсюда следует, что при переходе от объектива 8x0,20 к объективу
более сильного увеличения теоретически невозможно обеспечить резкость
изображения, так как при фокусировке микроскопа с объективом 8x0,20
можно допустить ошибку в фокусировке, равную глубине изображения,
т. е. 13 мкм, которая в 32 раза превышает глубину изображения микро-
скопа с объективом 90x1,25. При обратном переходе от более сильных
увеличений к более слабым сохранение резкости увеличения теоретически
возможно, однако этот случай не имеет практического значения. Тем не
менее ГОСТом 8284—67 допускается расфокусировка микроскопа при
смене объективов не свыше 0,05 мм в плоскости предметов, что обеспечи-
вает наблюдение и контроль выбранного объекта и определение направле-
ния фокусировки микроскопа для получения резкого изображения. Есте-
ственно, этот допуск должен быть распределен согласно коэффициентам
влияния между ошибками, влияющими на расфокусировку, т. е. между
длиной тубуса микроскопа, положением опорных торцов револьвера микро-
скопа при смене увеличения и отклонением в высоте микрообъективов.
Последние две ошибки влияют на величину расфокусировки с коэффициен-
том равным единице, а изменение длины тубуса — с коэффициентом мень-
шим единицы. Отклонение длины тубуса микроскопа от номинальной
вызывает смещение предметной точки микроскопа, обратно пропорцио-
нальное квадрату линейного увеличения объектива; поэтому одной и той же
ошибке в длине тубуса будет соответствовать различное смещение пред-
метной точки. Разность этих смещений будет вызывать расфокусировку,
равную
As = Д врах^^ип,
PmaxPmin
где А — отклонение в длине тубуса;
Pmill — увеличение наиболее слабого объектива в комплекте;
0,„.|Ч — увеличение наиболее сильного объектива в комплекте.
281
В номенклатуре объективов микроскопа наиболее слабый объектив
имеет увеличение 8х, наиболее сильный сухой объектив — 60х. (Наиболее
сильный иммерсионный объектив не должен приниматься во внимание,
так как его высота по конструктивным соображениям на 0,1 мм меньше
высоты сухих объективов.) В этом случае As = т. е. отклонение в длине
тубуса в 1 мм вызовет расфокусировку при смене объективов 0,014 мм.
Оставшийся допуск должен быть распределен между ошибками
револьвера и ошибками в высоте микрообъективов, и, следовательно,
изменение положения опорной поверхности гнезд чашки револьвера от
любого произвольно выбранного положения при переключении не должно
превышать 0,009 мм.
Для обеспечения наблюдения изображения в поле зрения микроско-
па при смене увеличения ось гнезд револьвера и их упорный торец должны
устанавливаться в строго определенное положение с большой точностью.
с 0, 0о
^0°-------о----о—
Рис. IX. 15. Влияние смещения узловых
точек микрообъективов на положение
изображения
Рис. IX. 16. Влияние перекоса упорного
торца микрообъектива на положение изобра-
жения
Необходимо обеспечить установку центра гнезда чашки револьвера
на оси тубуса и перпендикулярность опорного торца той же оси. Разброс
положения центров гнезд вызовет при переключении увеличения смещение
изображения. На рис. IX. 15 схематически представлено положение сопря-
женных точек So и S', расстояние между которыми постоянно и для биоло-
гических микроскопов равно 180 мм. В идеальном случае точки So, S' и
эквивалентные узловые точки О0, О± двух последовательно включенных
в систему объективов лежат на одной прямой и, следовательно, при смене
объективов изображение всегда будет неподвижно в поле зрения. Таким
образом, необходимое условие неизменности положения изображения
в поле зрения микроскопа при смене объективов — расположение эквива-
лентных узловых точек всех объективов в комплекте на одной прямой
с центром поля зрения S' микроскопа. Уход узловой точки какого-либо
объектива с этой прямой вызовет соответствующее смещение изображения
в поле зрения микроскопа, равное SjSq на рис. IX.15. Здесь точки So и S;
являются изображением центра диафрагмы поля зрения через объективы
с узловыми точками О0 и О±. Если SjS' — оптическая ось микроскопа
с более сильным объективом, то точка So будет видна в поле зрения лишь
тогда, когда отрезок SoSj не превосходит радиуса г диафрагмы поля зре-
ния, деленного на линейное увеличение более сильного объектива, т. е.
-Е —^ISoSJ. Ошибка I SUSх1 векторная, поэтому для обеспе-
max
282
чения видимости объективов в поле зрения микроскопа при переходе от сла-
бого к самому сильному объективу нужно, чтобы абсолютная величина
этой ошибки для любого объектива не превышала половины указанной
величины, т. е. Аг/ = ?— или 0,025 мм для объектива 90х и оку-
фтах
ляра 15х.
В случае перекоса опорных поверхностей гнезд револьвера также про-
изойдет смещение узловых точек соответствующих объективов с оси, что
вызовет смещение изображения. Этот случай представлен на рис. IX.16.
Здесь So, S] и S' — положения сопряженных точек при перекосе торца и
при его отсутствии; О0 и О, — соответствующие положения узловых точек;
h — расстояние от опорного торца до узловой точки, а — угол наклона
опорного торца; Н — высота микрообъектива; Т — центр гнезда револь-
вера; — расстояние от опорного
торца до центра диафрагмы поля
зрения, равное 147 мм.
Из рисунка следует, что сме-
щение точки So в плоскости пред-
метов
Ау = | h tg а.
Рис. IX. 17. Влияние смещения центра поля
зрения полевой диафрагмы на положение
изображения
Эта величина для объектива 90х
будет равна Аг/ -32,8 tga, а допу-
стимый перекос торцов /если имеется только одна эта ошибка) не должен
превосходить tga = ---; при работе с окуляром 15х а<
vD,4pniax
Кроме перечисленных ошибок, на положение изображения
увеличения может влиять децентрировка Аг центров осей гнезда объектива
5'.
при смене
и центра диафрагмы поля зрения. Влияние этой ошибки определяется из
рис. IX. 17, на котором Si—положение центра диафрагмы поля зрения,
вызванное расцентрировкой; и О2 — положения соответствующих узло-
вых точек наиболее слабого и наиболее сильного объектива; Sj и S2 —
соответствующие положения сопряженной точки S'.
Смещение изображения при смене объективов
Ау — S0S2 — Ar ( V
\ pmm pinax /
Для биологических микроскопов ₽И1ах = 90х, Pmln = 8х и Аг/ = 0,1 Аг,
т. е. смещение изображения вследствие расцентрировки оси гнезда револь-
вера и окулярного патрубка в 10 раз меньше величины децентрировки.
Допуск на величину смещения изображения должен быть распределен
между ошибками децентрировки и перекосов опорных торцов как гнезд
револьвера, так и микрообъективов. Отсюда следует, что револьвер должен
изготовляться с высокой степенью точности.
В случае необходимости обеспечить более высокую точность центри-
ровки объективов, как, например, у поляризационных микроскопов, где
необходимо сохранять при быстрой смене объективов неизменное поло-
жение визирной линии микроскопа с точностью до 0,005 мм, револь-
верное устройство обычной конструкции неприемлемо и применяется
щипцовое устройство. Объектив ввертывается в специальную оправку 1
283
(рис. IX. 18) с двумя центрировочными винтами, на верхнем опорном
торце которой находятся три опорные точки 3, определяющие положе-
ние оправки по отношению к опорной плоскости корпуса щипцового
устройства. Симметрично между центрировочными винтами 2 в справке
под углом к оси запрессован штифт 4. В этот штифт упирается ролик 6
щипцового устройства (рис. IX. 19) и прижимает оправку 1 с объективом
к опорному торцу и обратной стороне корпуса 2, который вверты-
вается в нижнюю часть тубуса. Под влиянием пружины 4 подвижная
часть 5 щипцового устройства своим роликом 6 упирается в штифт
оправки 1 и обеспечивает ее стабильное поло-
жение.
Центрировка объектива осуществляется
центрировочными винтами 2 (рис. IX.18). Смена
объективов производится с помощью поворота
устройства 5 (рис. IX.19) вокруг оси 3, вслед-
Рис. IX.18. Промежуточ-
ная оправка к щипцовому
устройству
Рис. IX. 19. Щипцовое устройство для крепления
микрообъективов
ствие чего штифт оправки / освобождается и она может быть поверн\та
на 180° и снята с щипцового устройства. Щипцовое устройство обеспечи-
вает стабильную центрировку с точностью до 3 мкм.
В последних конструкциях как зарубежных, так и отечественных
поляризационных микроскопов применяется револьверное устройство
с центрирующимися гнездами в чашке револьвера для крепления объек-
тивов. В этом случае объектив ввертывается в оправу, которая с помощью
двух винтов и пружины центрируется в своем гнезде.
Конструкция такого револьвера представлена на рис. IX.20 и не тре-
бует объяснения.
Для сохранения центрировки объективы должны оставаться в гнездах
револьвера.
4. Предметные столики
Предметный столик микроскопов служит для размещения на нем
объекта наблюдения и перемещения его относительно оси микроскопа.
Объекты наблюдения и исследования под микроскопом обычно представ-
ляют собой тонкие срезы и шлифы, помещенные на предметном стекле и
покрытые покровным стеклом.
284
Рис. IX.20. Револьвер микроскопа с центрируемыми гнездами
285
Для предметных стекол установлены основные размеры 46У26 и
76x26 мм при толщине стекла 1 ± 0,1 мм (ГОСТ 9284- 59) и для покров-
ных стекол— 19X18 и 24X24 мм и при толщине 0,171^05 мм (ГОСТ
6672—59). Исходя из установленных ГОСТом размеров предметных и по-
кровных стекол определяются размеры предметного стола и пределы его
перемещения. Естественно, что для просмотра всего объекта, помещенного
под покровным стеклом, необходимо обеспечить перемещение столика
на величину несколько большую наибольшего размера покровного стекла,
а размеры поверхности стола должны обеспечить размещение предметного
стекла и его перемещение в установленных пределах.
Поверхность столика микроскопа должна обеспечивать устойчивое
положение предмета, следовательно, она должна быть плоской; допускается
вогнутость установочной поверхности столика со стрелкой до 0,05 мм.
выпуклость поверхности не допускается. Установленные таким образом
допуски на плоскостность установочной поверхности столика обеспечи-
вают устойчивое положение объекта.
В зависимости от назначения микроскопа к его столику предъявляются
те или иные требования. При работе с малыми увеличениями не требуется
точного перемещения предмета для приведения его в поле зрения микро-
скопа, в то время как для фотометрических работ, например с фотометри-
ческой насадкой ФМНЭ, требуется совместить мелкие детали исследуемого
объекта с зондом диаметром до 1 мкм, при этом установочные механизмы
столика должны обеспечить установку выбранной точки объекта хотя бы
с точностью до 1/2 диаметра зонда.
При работе в поляризованном свете с анизотропными объектами столик
должен обеспечить вращение объекта вокруг оси микроскопа на 36СЕ
и отсчет угла поворота с точностью до 6'.
Как показали исследования, для точного совмещения изображения
объекта с точкой, выбранной в поле зрения окуляра, недостаточно обеспе-
чить высокую кинематическую чувствительность — необходимо в первую
очередь обеспечить достаточную жесткость столика.
Кинематическая чувствительность установочных механизмов столика
может быть выше 0,5 мкм!град, если механизмы обладают хорошей плав-
ностью хода, т. е. постоянным моментом вращения рукояток на всем диапа-
зоне перемещения столика, который достигается рациональной конструк-
цией, технологией изготовления деталей и сборкой механизмов переме-
щения столиков.
Последние исследования показали, что для качества предметных столи-
ков решающее значение имеет не кинематическая чувствительность и мо-
мент вращения на рукоятках, а плавность хода механизма. Изменение
момента вращения не должно быть больше 10%. При этом условии обеспе-
чивается возможность наведения объекта с высокой точностью с одной
установки.
В зависимости от назначения микроскопа применяется та или иная
конструкция предметного столика. Столики крепятся на Г-образном крон-
штейне, укрепленном на тубусодержателе или коробке механизмов фоку-
сировки. В некоторых конструкциях микроскопов с целью исследования
больших объектов кронштейн столика выполнен с пазом в виде ласточкина
хвоста; он может перемещаться по направляющей, закрепленной на непо-
286
движной части микроскопа, и может быть зафиксирован в любом положе-
нии в зависимости от высоты исследуемого объекта.
Простейшим столиком является прямоугольный плоский столик,
применяемый в конструкциях простых биологических микроскопов,
работающих с сравнительно небольшими увеличениями, в комплект кото-
рых не входят иммерсионные микрообъективы.
Столик может быть пластмассовый или металлический. В середине он
имеет отверстия для освещения объекта через конденсор снизу. На поверх-
ности столика имеются четыре цилиндрических отверстия для установки
зажимных клемм предметного стекла.
Объект, помещенный на предметном
стекле, перемещается по поверхности
столика от руки и при известном на-
выке может быть приведен в подозре-
ния микроскопа достаточно быстро.
Рис. IX.22. Круглый вращающийся сто-
лик биологических микроскопов
Рис. IX.21. Расположение кре-
пежных отверстий на поверхности
столика микроскопа по ГОСТу
8211—56
Кроме отверстий под клеммы на поверхности столика дополнительно вы-
полнены два цилиндрических отверстия и одно резьбовое, предназначен-
ные для установки нрепаратоводителя, применяемого при необходимости
более точной установки препарата относительно оси микроскопа. Прямо-
угольный предметный столик с препаратоводителем применяется также
в дорожных биологических микроскопах. Расположение отверстий норма-
лизовано и регламентировано ГОСТом 8211—56 (рис. IX.21).
Клеммы для крепления препарата (рис. IX.22) представляют собой
плоскую изогнутую пружину/, один конец которой заделан в цилиндриче-
ской кнопке 6. Верхний конец кнопки оканчивается головкой с накаткой,
а нижний — цилиндром диаметром 4 мм, разрезанным вдоль оси для обес-
печения плотной посадки в отверстии предметного столика. Под свободный
конец плоской пружины клеммы, установленной в отверстии предметного
столика, помещается предметное стекло и плотно прижимается к поверх-
ности столика.
287
Наиболее распространен круглый вращающийся столик микроскопа
с верхней поворотной частью, которая может перемещаться двумя винтами,
установленными в неподвижной части столика.
Вращающийся столик применяется в наиболее распространенных
рабочих микроскопах. Конструкция такого столика представлена на
рис. IX.22. В основании 1 столика, отлитого литьем под давлением из силу-
мина, расположены три резьбовых отверстия под углом 120' друг к другу.
В одно из отверстий ввернута пиноль 10 с цилиндрической пружиной
внутри, действующей на полый цилиндр с конусом, в два других отверстия
ввернуты регулировочные винты 2. Пиноль своим коническим концом
упирается в прорезь на стальном кольце 4 подвижной части столика. На
кольце 4 под углом 120" закреплены два каленых стальных вкладыша
со скосом, в которые упираются регулировочные винты 2. Пружина, рас-
положенная в пиноле, все время поджимает кольцо к винтам, которые вме-
сте с пинолью прижимают его к поверхности основания и осуществляют
перемещение подвижной части столика. Круглый столик 5, выполненный
из пластмассы с армированным к ней стальным кольцом 8, может вращаться
в подвижном кольце 4 и удерживаться в нем гайкой 9. Для зажима вра-
щающейся части столика в кольце 4 предусмотрен стопорный винт 3.
В центре круглого столика выполнено отверстие, через которое осуще-
ствляется освещение препарата с помощью конденсора. Конструкция
столика должна обеспечить установку конденсора под его поверхностью
и необходимые пределы перемещения столика.
В исследовательских микроскопах применяются более сложные кон-
струкции предметных столиков, которые могут перемещаться по двум
взаимно перпендикулярным направлениям (отсчет величины перемеще-
ния производится с точностью до 0,1 мм) и поворачиваться вокруг верти-
кальной оси на 360 . Конструкция такого столика КС-2 представлена на
рис. IX.23.
Столик состоит из неподвижного основания, на котором установлена
поворотная часть 4, поворот которой может быть зафиксирован стопорным
винтом. Верхняя часть 7 столика скользит по направляющей в виде ласточ-
кина хвоста и приводится в движение вращением барашков 1. На полой оси
барашков закреплены шестерни 2, сцепленные с рейками 3, укрепленными
на поворотной части 4. На подвижной части 7 закреплена шкала 9 в милли-
метрах, а на поворотной части укреплен нониус 10 для отсчета продоль-
ных перемещений. Барашек 8 укреплен на оси 14 с мпогозаходным винтом,
приводящей в движение гайку, которая соединена с направляющей в виде
ласточкина хвоста препаратоводителя для поперечного перемещения.
Одна из лапок 13 препаратоводителя несет поворачивающийся дугооб-
разный рычаг 12, который упирается в угол предметного стекла и прижи-
мает его ко второй лапке 11, имеющей опорные плоскости, выполненные
под прямым углом. Обе лапки могут устанавливаться и закрепляться вин-
том в пазе механизма поперечного перемещения в зависимости от размеров
предметного стекла. Продольное перемещение может быть отсчитано по
шкалам 6 и нониусу 5. Чтобы отличать отсчеты под двум координатам,
шкала продольных перемещений оцифрована от 0 до 40 мм, а поперечных —
от 50 до 90 мм.
В последнее время получили распространение большие крестообразные
предметные столики с коаксиальной подачей, расположенной под столиком
288
Скворцов ц др.
Рис. IX.23. Большой крестообразный столик
Рис. IX.24. Крестообразный столик с. нижним
расположением рукояток управления
перпендикулярно его поверхности. Большие крестообразные столики вы-
пускаются фирмами «Лейтц», «Рейхерт» и др. Последние модели этих сто-
ликов имеют большую плоскую поверхность для установки предмета и
расход стола, увеличенный до 76x50 мм.
Для установки больших предметов препаратоводитель может быть снят
со столика. Большие крестообразные столики не имеют механизма пово-
рота. Конструкция большого крестообразного стола подобного типа оте-
чественного производства показана на рис. IX.24.
Преимуществами новой конструкции предметного стола перед старыми
являются большая установочная поверхность, плоский препаратоводи-
тель и удобно расположенные коаксиальные рукоятки управления.
Передача движения от рукояток к подвижным частям столика осуще-
ствляется при помощи цилиндрических шестерен и реек.
Для работы с большими объектами, требующими сравнительно неболь-
ших (до 600х) увеличений, применяется скользящий столик с молекуляр-
ным трением (рис. IX.25). Скользящий столик имеет плоские направляю-
щие скольжения, притертые друг к другу. Верхний диск столика обычно
изготовляется из латуни, нижний — из латуни или чугуна. Между на-
правляющими помещается специальная смазка, состоящая из двух компо-
нентов — жидкого масла и густой смазки. Верхний диск прижимается
к нижнему атмосферным давлением. Консистенция смазки подбирается
таким образом, чтобы обеспечить тугой ход, позволяющий получить необ-
ходимую чувствительность перемещения. Прекращение движения не
должно вызывать смещения столика в направлении, противоположном
движению. Верхний диск скользящего столика перемещается вручную,
он может перемещаться в любом направлении перпендикулярно оси микро-
скопа. Большое значение для хорошей работы столика имеет правильно
подобранная смазка направляющих.
Особые требования предъявляются к предметным столикам поляриза-
ционных микроскопов: они должны обеспечить точное вращение исследуе-
мого объекта вокруг оси микроскопа. При приложении момента вращения
к столику микроскопа и после его снятия центрировка оси вращения не
должна нарушаться. Момент вращения столика должен быть минималь-
ным, чтобы обеспечить его легкое вращение и наименьшее смещение объекта
при приложении момента вращения к столику. Центрировку осей столика
и микроскопа необходимо выполнить с высокой точностью, ошибка для
исследовательских микроскопов допускается до 0,003 мм. При вращении
столика не допускается расфокусировка предмета. Поворот столика должен
отсчитываться с точностью до 6' и в исследовательских микроскопах фикси-
роваться через 45°. Требование к легкости вращения столика определяет
конструкцию его направляющих на трении качения. Наличие в конструк-
ции шариков, которые перемещаются на направляющих столика в два
раза медленнее, чем его верхний диск, вызывает необходимость проверять
центрировку оси столика в пределах двух его оборотов.
Конструкция столика поляризационного микроскопа представлена на
рис. IX.26. На верхнем диске столика, как и на столиках биологических
микроскопов, имеются отверстия для установки зажимных клемм и пре-
паратоводителя.
290
№
со
1
Рис. IX.25. Скользящий предметный столик
Рис. IX.26. Вра-
щающийся столик
поляризационных
микроскопов
Рис. IX.27. Осветительный столик
5. Механизмы осветительной системы
Механизмы осветительной системы располагаются непосредственно
под столиком микроскопа на тубусодержателе в штативах С-образной
формы или на коробке микромеханизма в штативах Г-образной формы и
служат для фокусировки конденсора. Механизм осветительного устрой-
ства обеспечивает перемещение гильзы для крепления конденсора по на-
правляющим типа ласточкина хвоста при помощи трибки и рейки.
Конденсор того или иного типа может быть установлен в гильзе осветитель-
ного столика и закреплен в нем стопорным винтом. Конструкция механизма
представлена на рис. IX.27.
Под гильзой осветительного столика в коробке микромеханизма нахо-
дится отверстие для крепления осветительного зеркала. Это зеркало
с одной стороны плоское и с другой — вогнутое, закатывается с двух сто-
рон в цилиндрическую оправу с двумя отверстиями, расположенными под
углом 180° друг к другу. Этими отверстиями зеркало на конусах дугооб-
разной пружины крепится со штифтом для крепления в отверстии штатива.
Вместо зеркала может быть установлен специальный осветитель.
В исследовательских микроскопах осветительная система выпол-
няется по Кёлеру и монтируется в основании штатива.
Часть вторая
УСТРОЙСТВО
И ПРИМЕНЕНИЕ
МИНРОСНОПОВ
Глава X
БИОЛОГИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ
Биологические микроскопы представляют собой наиболее распро-
страненную группу приборов как по количеству разнообразных моделей,
так и по массовости промышленного выпуска. Область применения этих
микроскопов давно вышла за рамки биологии и продолжает расширяться.
Биологические микроскопы применяются в биологических, медицинских,
физических, химических, ботанических и других лабораториях. В зависи-
мости от назначения микроскопы отличаются друг от друга по конструк-
ции, комплекту оптики и принадлежностей.
Все биологические микроскопы условно можно разделить на следующие
группы.
1. Микроскопы биологические упрощенные
с прямым и наклонным тубусом; у них могут отсутствовать револьвер для
объективов, конденсор, механизм точной фокусировки. Эти микроскопы
служат для простейших исследований и учебных целей в школах и техни-
кумах и т. д.
2. Микроскопы биологические рабочие имеют ме-
ханизм грубой и точной фокусировки, револьвер для объективов, конден-
сор и устройство для перемещения препарата в горизонтальной плоскости
при помощи предметного столика и препаратоводителя. Они предназна-
чаются в основном для стандартных исследований.
3. Микроскопы биологические исследователь-
ские имеют штатив жесткой конструкции, встроенный осветитель, меха-
низм грубой и точной фокусировки, предметный столик с механизмом для
двухкоординатного перемещения препарата, револьвер для объективов и
бинокулярный тубус. Эти микроскопы комплектуются большим набором
принадлежностей, что обеспечивает возможность исследования объектов
не только в светлом поле, но и в темном поле, методом фазового контраста
и т. д. Микроскопы применяются для научно-исследовательских работ.
К этой же группе можно отнести инвертированные биологические
микроскопы для исследования объектов в специальных кюветах.
1. Биологические рабочие микроскопы
Микроскоп МБР-1 является наиболее распространенной мо-
делью рабочего биологического микроскопа и предназначен для наблюде-
ния прозрачных препаратов в проходящем свете в светлом поле.
На рис. Х.1 приведен внешний вид микроскопа. На основании 2 шта-
тива смонтирована коробка 1 с микромеханизмом. С одной стороны ко-
робка несет направляющие для кронштейна конденсора 3, а с другой —
направляющие для тубусодержателя 7. К коробке прикреплены поворот-
ное зеркало и поворотный предметный столик 4. На тубусодержателе уста-
навливаются револьвер 5 с объективами и монокулярный тубус 6. Микро-
скоп снабжается тремя объективами: планахроматом 9x0,20 (ОМ-2),
ахроматами 40x0,65 (МЩ), 90Х 1,25 (М-101) и окулярами Гюйгенса
7х (М-7), 10* (М-10) и 15х (М-11).
Микромеханизм перемещает тубусодержатель вместе с механизмом
грубой фокусировки. Для точной фокусировки служит рукоятка 9, для
294
грубой — рукоятка S. При настройке освещения конденсор можно пере-
мещать по вертикали. Конструкция микроскопа позволяет использовать
конденсор темного поля, фазовоконтрастное устройство, препаратоводи-
тель, микрофотонасадки и другие принадлежности. Освещение объектов
обычно производится с помощью осветителя ОИ-19 (рис. XXIII.2). В по-
следних моделях микроскопов МБР-2 и МБР-1А1 предусмотрено устрой-
ство для конденсора с встроенным осветителем ОИ-31 (рис. XXIII. 1).
Рис. Х.1. Микроскоп МБР-1
Биологический рабочий микроскоп МБР-3 отли-
чается от микроскопа МБР-1 более массивным штативом /, наличием бино-
кулярного тубуса 2 и предметного столика 3 с механизмом для двухкоор-
динатного перемещения препарата (рис. Х.2).
Дорожный биологический микроскоп МБД-1
представляет собой по существу микроскоп МБР-1 с уменьшенными по раз-
мерам предметным столиком и основанием. Для целей транспортировки
микроскоп укладывается в специальный металлический чемодан.
2. Исследовательские биологические микроскопы
Большой биологический микроскоп МББ-1А пред-
ставляет собой наиболее простую модель исследовательского микроскопа
и применяется для исследования объектов в проходящем свете в светлом
1 МБР-1А отличается от МБР-1 комплектацией объективов и окуляров.
295
и темном поле, а также в поляризованном свете. Для наблюдения по методу
фазового контраста в комплекте МББ-1А имеется фазовоконтрастное
устройство КФ-4 (см. гл. XVIII).
Осветительная система микроскопа выполнена по принципу Кёлера и
состоит из фонаря, зеркала и конденсора прямого и косого освещения.
В фонаре размещены лампа накаливания СЦ-61 (8 в, 20 вт) и апланатиче-
ский коллектор.
Микроскоп имеет съемный бинокулярный тубус АУ-26 (см. гл. XXIII)
и прямой выдвижной тубус, который применяется при фотографировании
Рис. Х.З. Общий вид микроскопа МББ-1А
или при визуальном наблюдении с объективами, длина которых отличается
от 160 мм. Набор объективов и окуляров позволяет получить увеличения
от 27 до 2475х.
В комплект микроскопа МББ-1А входят следующие устройства:
а) объективы, рассчитанные для длины тубуса 160 мм и толщины по-
кровного стекла 0,17 мм: планахромат 3,5 X0,1, ахромат 40x0,65 водной
иммерсии, апохроматы 10x0,30, 20x0,65, 40x0,90, 60 X (1 н-0,7),
70X1,23 водной иммерсии, 90x1,30 масляной иммерсии;
б) компенсационные окуляры К7Х (AM-13), К7Х (АМ-26) со шкалой
и КЮХ (АМ-14);
в) апланатический конденсор (А = 1,4 и А — 0,3);
г) конденсор темного поля (А = 1,2);
д) фазовоконтрастное устройство КФ-4.
Для фотографирования объектов под микроскопом рекомендуется
применять микрофотонасадки типа МФН, а для исследования непрозрач-
ных объектов — осветитель ОИ-21 (см. гл. XXIII).
296
Тубусодержатель 8 микроскопа (рис. Х.З) жестко укреплен на осно-
вании 1. Фонарь 10 монтируется на задней стенке основания. В нижней
части тубусодержателя имеются направляющие рукоятки 9, служащие
для грубой фокусировки. В верхней части тубусодержателя расположены
головка с направляющими типа «ласточкин хвост» для установки револь-
вера 6 с объективами 5 и гнездо для крепления бинокулярного тубуса 7
с окулярами. Кронштейн с конденсором 2 может перемещаться в верти-
кальном направлении на 20 мм. Микромеханизм, находящийся в осно-
вании микроскопа, выполнен из системы рычагов и приводится в действие
вращением рукояток 11, расположенных с правой и левой стороны осно-
вания микроскопа. Микромеханизм перемещает столик 3 вместе с меха-
низмом грубой фокусировки. Предметный столик имеет устройство для
двухкоординатного перемещения препарата. Перемещение осуществляется
рукояткой 4.
Микроскоп МБИ-11 — исследовательский микроскоп, пред-
назначенный для изучения препаратов как в проходящем, так и в отра-
женном свете в светлом и темном полях, методом фазового контраста,
а также при смешанном освещении, т. е. при одновременном освещении
снизу и сверху. Конструкция микроскопа позволяет в отраженном свете
исследовать предметы высотой до 90 мм. Микроскоп снабжен съемным
бинокулярным тубусом АУ-26.
Оптическая схема микроскопа представлена на рис. Х.4, а. При ра-
боте в проходящем свете апланатический коллектор 2 с помощью зеркала 8
проектирует источник света 1 в плоскость апертурной диафрагмы апла-
натического конденсора 9 (ОИ-14), который изображает ирисовую полевую
диафрагму 4 на объекте Вместо конденсора ОИ-14 может быть установлен
конденсор 7 темного поля ОН-13 или конденсор фазовоконтрастного
устройства.
Длина тубуса микроскопа равна 190 мм. При применении объективов,
рассчитанных для тубуса 160 мм, в ход лучей вводится ахроматическая
линза 11, которая повышает увеличение микроскопа в 1,2 раза. Изобра-
жение объекта рассматривается с помощью бинокулярной насадки 14.
При исследовании объектов в отраженном свете в светлом поле в ход лу-
чей включаются непрозрачное зеркало 5 и светоделительная пластинка 12.
Коллектор 2 и линза 22 проектируют источник света в апертурную
диафрагму 21, которая призмой 20 и линзами 19, 17, 16 изображается
в выходном зрачке объективов 10. Полевая диафрагма 18 посредством
линз 16 и 17 сопряжена с плоскостью изображения объекта, даваемого
объективами 10. Для создания темного поля вместо светоделительной
пластинки 12 включаются кольцевое зеркало 13 и кольцевая диафрагма 15.
При исследовании небольших полупрозрачных и прозрачных объек-
тов (мелких насекомых, кристаллов, зерен и т. п.) с помощью объективов
слабых и средних увеличений можно использовать смешанное освещение.
В этом случае разделение светового пучка, выходящего из коллектора 2,
происходит при помощи светоделительной пластинки 6. Для повышения
контрастности изображения служат съемные светофильтры 3.
Общий вид микроскопа приведен на рис. Х.4, б. Микроскоп имеет
следующие основные части:
1. Основание 23 с осветителем 28 (источник света — лампа накали-
вания ОП12-ЮО; 12 в, 100 вт).
297
2. Штатив микроскопа 27 с револьвером для объективов и механизмом
фокусировки. Грубая и микрометренная фокусировка микроскопа осу-
ществляется путем перемещения предметного столика с помощью рукоя-
ток, расположенных на одной оси.
Рис. Х.4. Оптическая схема микроскопа МБИ-11 («) и его
общий вид (б)
3. Предметный столик 25. Столик центрируется и имеет механизм для
перемещения препарата в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Пределы перемещения 55x40 мм с точностью отсчета 0,1 мм. Столик
может поворачиваться на 270э 4.
4. Подвижный кронштейн 24 с конденсором.
298
5. Трансформатор с вольтметром 26.
В комплект микроскопа входят: а) апохроматические объективы для
проходящего света 10x0,30 (ОМ-18), 20x0,65 (ОМ-21), 40x0,95 (ОМ-16),
60 1,0 (ОМ-15), 70x 1,23 (ОМ-25), 90x 1,30 (ОМ-20); б) ахроматические
эпиобъективы для отраженного света 9x0,20 (ОЭ-9), 21X0,40 (ОЭ-21),
40, ,0,65 (ОЭ-40), 95x1,0 (ОЭ-95); в) окуляры компенсационные
К7' (AM-13), К7Х (АМ-26), КЮХ (АМ-14) и Гюйгенса 7х (М-7).
Биологический микроскоп МБИ-15 является универ-
сальной исследовательской моделью и позволяет производить визуальное
наблюдение и фотографирование объектов, используя все существующие
методы исследования. Освещение объектов проходящим светом осуще-
ствляется по методу светлого (прямое и косое освещение) и темного поля,
методами фазового и интерференционного контрастов, а также в поляри-
зованном свете. При освещении объектов отраженным светом исследования
могут производиться в светлом и темном поле, при смешанном освещении,
а также в свете собственной флюоресценции объектов, возбуждаемой
коротковолновым излучением в области длин волн 360—450 нм.
Фотографирование под микроскопом производится пленочной камерой
с размерами кадра 24x36 мн или пластиночной камерой с размерами
снимка 9x12 см.
В комплект микроскопа входят: а) планахромат 3,5X0,1 (ОМ-3);
б) ахромат 90x0,6-ъ 1,25 (О6М-90); в) планапохроматы 10x0,30 (ОПА-1),
16 о.40 (ОПА-2), 40X0,65 (ОПА-3), 60x0,85 (ОПА-4), 100Х 1,25 (ОПА-5);
г) ахроматы для люминесценции 10x0,40 (ОМ-ЗЗЛ), 30x0,90 (О5В-30Л),
40 (075 (ОМ-23Л), 70x 1,23 (ОМ-25Л); д) ахроматы для фазового кон-
траста 10x0,30 (ФОМ-5Л), 20X0,40 (ФОМ-27), 40x0,65 (ФМЩ-Л);
е) окуляры: Гюйгенса 8х (АМ-8), компенсационный КЮХ (АМ-14), широ-
коугольные компенсационные 8х (АКШ-8) и 16х (АКШ-16).
Набор объективов и окуляров позволяет получать увеличения: при
наблюдении от 28 до 2000х, при фотографировании на пленку от 18 до
1500 и на пластинку — от 52 до 3000х.
На рис. Х.5, а приведена оптическая схема микроскопа. Осветитель-
ная система выполнена по принципу Кёлера. При исследовании объекти-
вов в проходящем свете применяется лампа ОП12-ЮО (12 в, 100 вт). Кол-
лектор 3 совместно с осветительными линзами 10, 12, 14 и призмой 13
проектирует источник света 1 в плоскость апертурной ирисовой диа-
фрагмы 15. Полевая ирисовая диафрагма 11 с помощью компонентов 12,
13. 14 и панкратического конденсора 17 (ПК-3) проектируется в плоскость
объекта 20. Вместо панкратического конденсора могут быть применены
конденсор темного поля 47 (ОИ-13) и конденсор 19 (А = 1,2 и Л — 0,3).
При смене конденсора ПК-3 апертурная диафрагма 15 вместе с линзой 14
выключается и на их место устанавливается телесистема 16.
Оптическая длина тубуса микроскопа равна 190 мм. Поэтому при
использовании объективов 2<, рассчитанных на длину тубуса 160 мм,
применяется ахроматическая линза 22, которая увеличивает общий мас-
штаб изображения в 1,2 раза.
При исследовании объектов в отраженном свете в светлом поле в ход
лучей осветительной системы включаются зеркало 8 и светоделительная
пластинка 25. Тогда источник света 1 проектируется коллектором 3,
зеркалом 8 и линзой 49 в плоскость ирисовой апертурной диафрагмы 48,
299
Оптическая схема микроскопа MISII-15 О') п его общий вид (б)
300
изображение которой зеркалом 45, бифокальной линзой 43 и пластинкой 25
проектируется в выходной зрачок эпиобъектива 46. Одновременно бифо-
кальная линза 43, пластинка 25 и эпиобъектив 46 изображают полевую
диафрагму 44 в плоскости объекта 20. В случае работы в темном поле
в ход лучей включаются кольцевая диафрагма 42 и кольцевое зеркало 24,
а пластинка 25 выводится из хода лучей.
При исследовании полупрозрачных и прозрачных объектов при не-
больших увеличениях применяется смешанное освещение, т. е. одновре-
менное освещение объекта сверху через объектив и снизу через конден-
сор. В этом случае разделение светового пучка осуществляется с помощью
светоделительной пластинки 9 с интерференционным покрытием.
Исследование объектов в свете их флюоресценции проводится с ртут-
ной лампой 2 (ДРШ-250), интенсивно излучающей свет в коротковолно-
вой части спектра, при включенном коллекторе 4. Для выделения опре-
деленных участков спектра из общего излучения источника применяются
светофильтры 5.
Возбуждение люминесценции может быть получено при смешанном
освещении объекта, т. е. когда возбуждение люминесценции достигается
верхним светом при одновременном освещении объекта снизу. При осве-
щении объекта снизу, через конденсор, используются светофильтры 18
для возбуждения люминесценции и «запирающий» светофильтр 26; для
освещения объекта сверху, через объектив, при работе в светлом поле
применяется светоделительная пластинка 23 со специальным покрытием,
отражающим световые лучи в пределах длин волн 440—700 нм. Свето-
фильтры 18, служащие для возбуждения люминесценции, устанавливаются
перед осветительной линзой 49. Свет флюоресценции объекта проходит
в визуальный тубус через эпиобъектив 46 и светоделительную пластинку 23.
В визуальной части микроскопа находится блок переключающихся
призм: призма 32 направляет весь свет в бинокулярный тубус 28, содер-
жащий окуляры 31; призма 29 часть света направляет в тот же бинокуляр-
ный тубус, а другую часть — к призме 30. Отразившийся здесь свет по-
падает в фотоокуляр 37, который проектирует изображение объекта или
на фотопластинку 35 или через зеркало 34 — на фотопластинку 33.
Призма-куб 38 со светоделительным слоем часть света (около 15%) про-
пускает к зеркалу 39 и к линзе 40, которые фокусируют изображение
объекта на катод фотоэлектронного умножителя 41. В зависимости от
освещенности изображения фотоэлектронный умножитель с соответст-
вующим блоком автоматически открывает фотозатвор 36 на необходимое
время экспозиции. При фотографировании с импульсным источником
света 50 (лампа ИФТ-200) в ход лучей дополнительно включаются свето-
делительная пластинка 7 и коллектор 51. В этом случае часть лучей от
источника света 1 (лампа накаливания ОП12-100) или 2 (лампа ДРШ-250)
попадает в систему и освещает объект в интервалах между вспышками
импульсной лампы.
Перед призменным блоком применяются сменные системы 27 («опто-
вар»), увеличивающие масштаб изображения, даваемый микроскопом,
в 1,0, 1,6 и 2,5х. Дополнительная система «оптовар» обеспечивает наблю-
дение выходного зрачка объектива, необходимое при настройке освеще-
ния. При работе с ртутной лампой в ход лучей осветительной системы
могут быть включены светофильтры 5 и теплопоглотительная кювета 6,
301
наполненные дистиллированной водой или 4-процентным раствором мед-
ного купороса.
Общий вид микроскопа приведен на рис. Х.5, б. В микроскоп входят
следующие основные узлы: основание 52, штатив 57 с револьвером для
объективов и механизмом фокусировки микроскопа, предметный столик 53,
бинокулярный тубус 55, фотокамера 56, осветительное устройство 58.
Осветительная система для проходящего света встроена в основание микро-
скопа, а для отраженного света — внутрь штатива. Рукоятки грубой
Рис. Х.6. Электрическая схема микроскопа МБИ-15
и микрометрической подачи расположены на одной оси. Под бинокулярной
насадкой расположен диск 54, вращением которого фиксируется включе-
ние в ход лучей системы переменного увеличения 27 (рис. Х.5, а). Элек-
трическая система прибора служит для автоматической отработки вре-
мени экспозиции при фотографировании в пределах от 1/25 сек до 7 мин
и для обеспечения постоянного или импульсного освещения объекта.
Электрическая блок-схема прибора представлена на рис. Х.6.
3. Инвентированные биологические микроскопы
Культивирование тканей в научных исследованиях в онкологии,
цитологии, гематологии, вирусологии, гистологии и в других областях
биологии занимает важное место. Наблюдение за растущими вне орга-
302
низма здоровыми тканями и клетками, а также за тканями и клетками,
пораженными вирусами и заболеваниями, позволяет глубже понять и изу-
чить природу заболевания. Для проведения таких исследований служат
инвентированные микроскопы. В этих микроскопах объектив расположен
под предметным столиком.
.Микроскоп МБИ-13 позволяет производить визуальное наблю-
дение, фотографирование и киносъемку культур тканей и других объек-
тов, находящихся в питательной среде в специальной кювете при любой
заданной температуре от 25 до 42° С. Это обеспечивается термостатирую-
щей камерой. Исследования под микроскопом производятся в проходя-
щем свете в светлом и темном поле, в поляризованных лучах и с примене-
нием метода фазового контраста. Фотографирование осуществляется
пленочной камерой, а микросъемка — 35-миллиметровой кинокамерой
КСР-1М или 16-миллиметровой 16СП, которые могут работать как от
собственных приводов, так и от механизма непрерывной и покадровой
съемки.
Микроскоп снабжен объективами 3,5X0,1 (ОМ-3), 9x0,20 (ОМ-2),
20x0,40 (ОМ-27), 40x0,65 (МЩ) и 60x0,85 (02-60), рассчитанными на
длину тубуса 160 мм и толщину покровного стекла 0,17 мм.
В комплект прибора входят окуляры: а) для визуального наблюде-
ния — окуляры Гюйгенса 4х, 7х и 10х, компенсационный измеритель-
ный 7х, симметричный измерительный 15х; б) для фотографирования —
Кельнера 7х, компенсационные 10х и 20х; в) для киносъемки — компен-
сационные 5х, 7х и 20 х.
Окуляры Гюйгенса 7х и 10х — центрированные, парные для биноку-
лярного тубуса. Измерительные окуляры имеют сменные сетки в виде
рамок, ограничивающих поле зрения при фотографировании и киносъемке.
Увеличения микроскопа при визуальном наблюдении находятся в преде-
лах 14—900х, при фотографировании — 10—380х, при киносъемке —
2—150х (с камерой 16СП) и 5—310х (с камерой КСР-1М). Механизм не-
прерывной и покадровой съемки обеспечивает скорость съемки от 6 кадров
в секунду до 1 кадра за 15 мин.
Оптическая система микроскопа (рис. Х.7, а) позволяет производить
фотографирование и киносъемку при одновременном визуальном наблю-
дении объектов с монокулярным или бинокулярным тубусом. Осветитель-
ное устройство работает по принципу Кёлера. Коллектор 2 и наклонное
плоское зеркало 4 проектируют источник света 1 (лампа 12 в, 100 вт)
в плоскость апертурной ирисовой диафрагмы конденсора 8 (конденсор
ОН-10), где расположены съемные кольцевые диафрагмы 7 для наблюде-
ния по методу фазового контраста. Полевая ирисовая диафрагма 3 проек-
тируется конденсором 8 на объект, находящийся в стеклянной кювете 9.
Изображения объекта и полевой диафрагмы с помощью объектива 10
и системы линз 11 передаются в фокальную плоскость окуляров тубуса 15.
При включенной в ход лучей призме 14 обеспечивается только визуальное
наблюдение объекта. Когда включена призма 13, то изображение одно-
временно проектируется как на фотопленку 24 при выключенном зеркале 16,
так и на кинопленку 21 при включенном зеркале 16. В первом случае
изображение получается с помощью фотоокуляра 22 и зеркала 23, во
втором — с помощью системы линз 17, киноокуляра 18 и объектива 19
(при работе с кинокамерой КСР-1М) или объектива 20 (при работе
303
с кинокамерой 16СП). Фазовые кольца 12 включаются в ход лучей при ис-
следовании объектов по методу фазового контраста. Кольцевые диафрагмы 7
с помощью конденсора и сменных объективов проектируются сначала
в выходные зрачки этих объективов, а затем с помощью линзовых ком-
понентов 11 — в плоскость фазовых колец 12. При наблюдении в поляри-
зованном свете вместо диафрагмы 7 и кольца 12 включаются поляриза-
торы. Для предохранения исследуемых объектов от тепловых лучей,
присутствующих в излучении источника, за сменными светофильтрами 5
установлены теплозащитные стекла 6 марки СЗС24. Температура втермоста-
тирующей камере регулируется с помощью установки релейного типа.
Общий вид микроскопа МБИ-13 показан на рис. Х.7, б, а без верхней
части термокамеры — на рис. Х.7, в. Микроскоп расположен на прямо-
угольной плите 33, жестко связанной с основанием 32. Предметный
столик 35 снабжен препаратоводителем для двухкоординатного переме-
щения препарата, рукоятка 31 служит для дистанционного управления
препаратоводителем. Над гнездом для визуальных тубусов 26 расположен
револьвер 27 с фазовыми кольцами. Термостатирующая камера имеет
двойную стенку с термоизоляционной прокладкой. На верхней и перед-
ней стенках камеры расположены смотровые окна. Термокамера состоит
из двух частей — нижней части 30, жестко соединенной с микроскопом,
и верхней съемной части 29 с двумя боковыми отверстиями, через которые
возможен доступ к предметному столику в процессе работы. Эти отверстия
закрываются крышками 28.
Рис. Х.7. Оптическая схема микроскопа МБИ-13 (а)
304
и_его общий вид с термокамерой (б) и без верхней части термокамеры (в)
20 г. Е. Скворцов и др.
305
Грубая фокусировка на объект осуществляется вертикальным пере-
мещением предметного столика, точная — путем перемещения револьвера
с объективами 34 вдоль оптической оси. Перемещение револьвера отсчи-
тывается по шкале 36. На кронштейне 37 устанавливается конденсор 39
(ОИ-Ю), который перемещается вертикально при помощи рукоятки 38.
Объективы 19 и 20, применяемые для киносъемки, снабжены светозащит-
ными шторками, закрывающими щель между объективом и кинотубусом.
Посадочное место объективов соответствует гнездам турели кинокамеры.
При работе с проекционным окуляром 20х для получения резкого изобра-
жения одновременно на пленке кинокамеры и в визуальном тубусе микро-
скопа следует пользоваться измерительным окуляром 15х и сеткой с бук-
вой К (при работе с обеими камерами). Кинокамера закрепляется с по-
мощью устройства 25.
Микроскоп МБП-14 — более простая модель инвентированного
микроскопа. Наряду с исследованием культур тканей при стабильной
температуре около 37° С, большой интерес представляет изучение планк-
тонов, инфузорий, культур тканей различных эмбрионов и других объек-
тов, помещаемых в специальные кюветы-флаконы (чашки Петри, чашки
Карреля и т. п.) без поддержания стабильного температурного режима.
Для проведения таких исследований применяется инвентированный микро-
скоп МБН-14. Оптическая система микроскопа позволяет вести фотогра-
фирование и киносъемку объектов при одновременном визуальном наблю-
дении с помощью бинокулярного или монокулярного тубуса. Исследова-
ние объектов можно производить в проходящем свете в светлом и темном
поле, в поляризованном свете и с применением метода фазового контраста.
Фотографирование исследуемых под микроскопом объектов произво-
дится с помощью пленочной фотокамеры. Микрокиносъемка процессов,
протекающих в объекте, осуществляется кинокамерами КСР-1М или
16СП непосредственно от их приводов.
На рис. Х.8, а приведена оптическая схема микроскопа с бинокуляр-
ным тубусом 13 (АУ-12) и переходной головкой для работы с кинокамерой
и монокулярным тубусом. Оптическая система микроскопа имеет дву.х-
компонентную линзовую телескопическую систему 9, с помощью которой
выходные зрачки микрообъективов 8 проектируются в масштабе, равном
единице, в промежуточную плоскость А'А', где и устанавливают пла-
стинки с фазовыми кольцами. Поскольку выходные зрачки микрообъек-
тивов расположены на разных расстояниях от опорных плоскостей объек-
тивов, то плоскость А'А' для всех этих объективов не находится в одном
и том же месте. Поэтому каждая пластинка с фазовыми кольцами, соот-
ветствующая определенному объективу, вставляется в свое гнездо. В ка-
честве источника света используется лампа ОП12-ЮО (12 в, 100 вт), вклю-
чаемая в сеть переменного тока через понижающий трансформатор.
Наблюдение объективов ведется через стекло толщиной 0,17 л/.и, закры-
вающее специальное отверстие в нижней стенке кюветы.
В микроскопе применяются следующие объективы, рассчитанные на
длину тубуса 160 мм: ахроматы 20x0,40 (ОМ-27), 40x0,65 (МЩ), плана-
хроматы 3,5X0,1 (ОМ-3), 9x0,20 (ОМ-2). Для просмотра объекта на
большую глубину служит объектив 2x0,05. Расстояние от опорной пло-
скости этого объектива до плоскости предмета в отличие от других объек-
тивов составляет 80 мм. При наблюдении культур тканей, растущих на
306
Аля китъемок
"б)
Рис. Х.8. Оптическая схема микроскопа
МБИ-14 (а) и его общий вид (б)
со
о
боковой стенке матрацев, применяется объектив 10x0,30 с переменным
рабочим расстоянием, обеспечивающим просмотр культуры при толщине
стекла до 3 мм.
Окуляры микроскопа: а) для визуального наблюдения — окуляры
Гюйгенса АМ-6 (Г = 4х), М-7 (Г = 7х), М-10 (Г—10х), компенсационный
измерительный АМ-26 (Г = 7х), симметричный АТ-36 (Г-=15х); б) для
фотографирования — окуляры Гюйгенса 10х и 15х; в) для киносъемки —
окуляры Гюйгенса 4х, 7х и 15х.
Окуляры Гюйгенса 4х, 7х и 10х и компенсационный К7Х отцентриро-
ваны попарно для установки в бинокулярный тубус. Общие увеличения
микроскопа такие же, как и в микроскопе МБИ-13.
Оптическая система осветительного устройства (рис. Х.8, а) рассчи-
тана по принципу Кёлера. Коллектор 2 и зеркало 4 проектируют нить
лампы накаливания 1 в плоскость ирисовой апертурной диафрагмы 5
конденсора 6. При работе по методу фазового контраста здесь распола-
гаются кольцевые диафрагмы А А. Конденсор 6 и зеркало 4 изображают
полевую диафрагму 3 в плоскости объекта 7. Объектив 8 и дополнительная
телескопическая система 9 с зеркалом 10 проектируют объект в фокаль-
ную плоскость окуляров бинокулярного тубуса 13, а вместе с конденсо-
ром 6 — кольцевые диафрагмы АА в плоскость А' А' фазовых колец И.
Светоделительная призма /2 обеспечивает визуальное наблюдение
изображения объекта при его фотографировании. Изображение объекта
проектируется на пленку 18 фотокамеры с помощью зеркал 14, 15, 17
и одного из двух сменных фотоокуляров 16.
При киносъемке зеркало 19 со светоделительным покрытием отклоняет
в направление кинопленки около 70% света, а остальная часть света
поступает в монокулярный тубус 21, через который ведется визуальное
наблюдение за объектом. Изображение объекта проектируется на пленку
с помощью киноокуляра 20 и специального объектива 23 (при съемке
35-миллиметровой камерой КСР-1М) или объектива 22 (при съемке 16-мил-
лиметровой камерой 16СП). Компенсационный измерительный окуляр
К7Х и симметричный измерительный окуляр 15х снабжены сменными
сетками, соответствующими по размерам кадровому окну кинокамеры
и кадру фотоаппарата.
На рис. Х.8, б приведен общий вид микроскопа МБИ-14. На основа-
нии 24 расположены корпус 41 с механизмом микрометрической фокуси-
ровки и стойка 37 с осветителем 36. С корпусом 41 жестко связан блок 27,
несущий револьвер 29 для объективов, визуальный бинокулярный тубус 28
и фотокамеру 26. В стойке 38 размещен механизм грубой подачи «плава-
ющего» предметного столика 30. Столик перемещается в вертикальном
направлении с помощью механизма грубой фокусировки на величину до
60 мм, а с помощью механизма микроподачи — на 4 мм. Столик повора-
чивается на угол 360° и перемещается в горизонтальной плоскости на 10 мм.
Для удобства перемещения столик снабжен кольцевым пояском, имеющим
накатку. Над предметным столиком 30 установлен кронштейн 31 с кон-
денсором. Центрировка осветительной системы микроскопа осуществ-
ляется с помощью винтов 34 патрона с лампой и винтов 32, служащих
для приведения полевой диафрагмы 3 в центр поля зрения. Рукоятка 33
предназначена для изменения диаметра полевой диафрагмы, рукоятки 35 —
308
для перемещения коллектора 2 вдоль оптической оси. С помощью ру-
коятки 25 производится перемещение салазок, на которых установлены
сменные фотоокуляры 16. Грубая фокусировка микроскопа на объект
осуществляется с помощью рукояток 39, а точная фокусировка — с по-
мощью рукояток 40.
При переходе к киносъемке бинокулярный тубус заменяют кинотубу-
сом с монокулярным тубусом, снабженными соответствующими опти-
ческими элементами.
Ведущие зарубежные фирмы выпускают различные конструкции
инвеитированных биологических микроскопов для планктонов и для
прижизненного наблюдения культур тканей. К этим микроскопам при-
лагается большой выбор принадлежностей, таких, как фазовоконтрастное
устройство, специальные объективы с увеличенным рабочим расстоя-
нием, длиннофокусные конденсоры, микрокинопринадлежности, термо-
статы и т. д.
Глава XI
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МИКРОСКОПЫ
Флюоресцентная микроскопия за последние годы находит все более
широкое применение во многих отраслях науки и техники. Чрезвычайно
высокая чувствительность метода флюоресцентной микроскопии делает его
особенно перспективным в микробиологии, цитологии, медицине и т. д.
Развитие флюоресцентных экспрессметодов диагностики различных инфек-
ционных и других заболеваний подтверждает важность и необходимость
совершенствования аппаратуры для флюоресцентной микроскопии. Со-
временные люминесцентные микроскопы и установки с применением новых
источников и приемников излучения позволяют осуществить флюоресцент-
но-микроскопические количественный и качественный анализы.
Большую роль в развитии флюоресцентной микроскопии сыграл раз-
работанный в 1948 г. Е. М. Брумбергом и С. А. Гершгориным опак-иллю-
минатор, с помощью которого стало возможным осуществлять возбуждение
флюоресценции объектов в падающем свете через объектив микроскопа.
Применение в опак-иллюминаторе пластинки с многослойным интерферен-
ционным покрытием (Е. М. Брумберг и Т. Н. Крылова) позволило
максимально использовать яркость источников света и получить большую
яркость освещения флюоресцирующих объектов. Этот принцип освещения
положен в основу конструкций многих современных люминесцентных
микроскопов.
В последнее время особое значение приобретают методы изучения био-
логических объектов в прижизненном состоянии. Для этих целей
Е. М. Брумбергом предложены контактные объективы, существенно
расширяющие возможности изучения биологических объектов, особенно
с диагностическими целями, так как при этом возможны исследования
морфологических структур целых живых органов. Такой микрообъектив
вплотную подводят к исследуемому живому органу и, слегка нажимая
на него, выравнивают и стабилизируют рассматриваемый участок органа.
309
Благодаря этому становится возможным наблюдать и фотографировать
четкую картину микроструктуры живого объекта. В последних конструк-
циях микрообъективов первой поверхности фронтальной линзы придана
сферическая форма с радиусом кривизны, равным радиусу Пецваля, что
позволяет существенно увеличить поле зрения и улучшить качество
изображения, даваемого объективом.
Отечественная оптико-механическая промышленное ь выпускает лю-
минесцентные микроскопы МЛ-3, МЛД-1, МЛ-2, контактный люминес-
центный микроскоп МЛК-1,а также осветители для флюоресцентной
микроскопии ОИ-17, ОИ-18, ОСЛ-1, ОИ-28, ОИ-ЗО.
Для количественных измерений объектов в лучах их флюоресценции
разработаны фотометрическая насадка к люминесцентным микроскопам
ФМЭЛ-1, позволяющая измерять интенсивность флюоресценции микро-
структур объекта в определенных участках спектра его флюоресценции,
а также микроспектрофлюориметр МЛИ-1, позволяющий регистрировать
интенсивность, спектры флюоресценции и спектры возбуждения флюо-
ресценции микроструктур объектов в ультрафиолетовой и видимой обла-
стях спектра.
Исследование ультрафиолетовой флюоресценции биологических объек-
тов, как показано в работах Е. М. Брумберга и его сотрудников, пред-
ставляет большой интерес, так как параметры ультрафиолетовой флюо-
ресценции биологических объектов чувствительно изменяются при изме-
нении их функционального состояния.
Ниже приведено описание люминесцентных микроскопов МЛ-3 и
МЛ-2 (микроскоп МЛД-1 по оптической схеме и конструкции аналогичен
микроскопу МЛ-3), контактно-люминесцентного микроскопа МЛК-1,
а также фотометрической насадки ФМЭЛ-1 и микроспектрофлюориметра
МЛИ-1.
Описание осветителей ОИ-18, ОСЛ-1 и ОИ-ЗО приведено в гл. XXIII.
Основные сведения о явлении флюоресценции приведены в гл. V.
1. Люминесцентные микроскопы обычного типа
Люминесцентный микроскоп МЛ-3 служит для на-
блюдения и фотографирования объектов в свете их видимой флюоресцен-
ции. Спектральный диапазон возбуждения флюоресценции объектов
360—450 нм, а исследования флюоресценции — 400—650 нм. Объект
освещается сверху через объектив микроскопа.
На рис. XI. 1, а приведена схема оптики микроскопа. Источник света 1
коллектором 2 проектируется в плоскость апертурной диафрагмы 5,
которая линзами 6 и 8 и светоделительной пластинкой 9 с интерференцион-
ным покрытием изображается вблизи опорной плоскости 15 объектива,
где располагается выходной зрачок последнего. Полевая диафрагма 7
линзой 8, светоделительной пластинкой 9 и объективом микроскопа проек-
тируется в плоскость объекта 16. Свет флюоресценции объекта проходит
в визуальную монокулярную насадку (окуляр устанавливается на опор-
ную плоскость 14) через микрообъектив и светоделительную пластинку 9
(при включенном зеркале 11, отклоняющем для удобства наблюдения лучи
на 70° от вертикальной оси). При фотографировании зеркало 11 выклю-
чается из хода лучей и изображение объекта, даваемое объективом, с по-
310
Рис. XI.I. Оптическая схема микроскопа МЛ-3 (а) и его общий вид (6)
311
мощью проекционной системы 12, передается на фотопленку 13. Для
возбуждения флюоресценции ультрафиолетовыми лучами (максимум про-
пускания X = 365 нм) и сине-фиолетовыми (максимум пропускания к —•
= 400 нм) применяются специальные светофильтры 4. Устранение возбуж-
дающих лучей, вызвавших свечение, осуществляется с помощью «запи-
рающих» светофильтров 10, устанавливаемых на салазках. Для предо-
хранения возбуждающих светофильтров от нагрева ртутной лампой
в осветительной системе предусмотрена кювета 3, наполняемая 2—5-про-
центным раствором медного купороса.
Внешний вид прибора показан на рис. XI. 1, б.
В комплект микроскопа входят ахроматические объективы 10 0,40
(ОМ-ЗЗЛ); 40x0,65 (МЩ-Л); 90X1,25 (ОМ-41Л); гомалы 3х и 5х; фото-
окуляр 1,7х; пленочная камера с размерами кадра 24 с 36 мм, моноку-
лярный тубус, окуляры для визуального наблюдения.
Увеличение при наблюдении составляет от 50 до 1350х, при фотогра-
фировании— от 17 до 450х.
Люминесцентный микроскоп МЛ-2 предназначается
для изучения биологических, гистологических, минералогических и дру-
гих объектов в свете флюоресценции, возбуждаемой сине-фиолетовой
частью спектра, а также ультрафиолетовыми лучами с длиной волны
365 нм. Под микроскопом можно производить исследование объектов
в свете их флюоресценции при возбуждении флюоресценции как в падаю-
щем свете при освещении через опак-иллюминатор и объектив, так и в про-
ходящем свете через конденсор. При освещении объектов сверху (для
возбуждения флюоресценции) одновременно допускается освещать объекты
снизу, используя конденсор темного поля ОИ-13 или фазовоконтрастное
устройство КФ-4 или КФ-5. Микроскоп позволяет производить исследова-
ние объектов в видимой области спектра в проходящем и отраженном
свете в темном поле. Фотографирование рассматриваемых объектов на
пленку с размером кадра 24x36 мм осуществляется с помощью фото-
насадки МФН-10. В микроскопе применяются следующие объективы:
а) ахроматы для проходящего и отраженного света (длина тубуса 160 мм,
толщина покровного стекла 0,17 мм) 10x0,40 (ОМ-ЗЗЛ); 20х0,40(ОМ-27Л);
40X0,65 (МЩ-Л); 90x1,25 (ОМ-41Л); 40x0,75 (ОМ-23Л) и апохромат
70X1,23 (ОМ-25Л); б) ахромат для освещения сверху (длина тубуса
190 мм, без покровного стекла) 95x1,25 (ОМ-ЮЛ) и эпиобъективы
9X0,21 (ОЭ-9Л); 21 ХО,4О (ОЭ-21Л) и 40x0,65 (ОЭ-40Л); в) ахроматы для
фазового контраста (длина тубуса 160 мм, толщина покровного стекла
0,17 мм) 10X0,30 (ФОМ-5Л); 40x0,65 (ФМЩ-Л); 90x 1,25 (ФОМ-41).
С этими объективами в определенном сочетании используются окуляры
Гюйгенса 4х (АМ-6), 7х (М-7), 10х (М-10), компенсационный окуляр
5х (АМ-12), фотоокуляр 1,7х с линзой и гомалы 3х и 5х.
При работе с объективами, предназначенными для длины тубуса 160 мм,
в ход лучей вводится дополнительная ахроматическая линза, повышающая
общее увеличение системы в 1,2 раза. Микроскоп снабжен предметным
столиком КС-2, который имеет пределы перемещения в горизонтальной
плоскости 60x40 мм, пределы угла поворота 180°. Наибольшая высота
предмета при работе в отраженном свете не должна превышать 90 мм.
Оптическая схема микроскопа приведена на рис. XI.2, а, осветитель-
ная система выполнена по принципу Кёлера. При наблюдении флюорес-
312
a)
Рис. XI.2. Оптическая схема микроскопа МЛ-2 (а) и его общий вид (б)
313
ценции объектов в проходящем свете коллектор 2 и зеркало 8 проекти-
руют источник света 1 (ртутная лампа ДРШ-250) в плоскость ирисовой
апертурной диафрагмы конденсора. Конденсор 9 проектирует полевую
диафрагму 5 в плоскость объекта 10 и одновременно апертурную диаф-
рагму во входной зрачок объектива. Для выделения сине-фиолетового
и ультрафиолетового участка спектра при наблюдении флюоресценции при-
меняются светофильтры возбуждения 4; для устранения излишнего света
на револьвере 15 установлены запирающие светофильтры. При освещении
объектов сверху через опак-иллюминатор в ход лучей включается зеркало/,
которое направляет лучи на линзу 24, проектирующую изображение источ-
ника света, даваемое коллектором, в плоскость ирисовой диафрагмы 23:
призма 22, линзы 21, 19, 18 и светоделительная пластинка 13 со специаль-
ным покрытием изображают диафрагму 23 в выходном зрачке объектива.
Одновременно полевая диафрагма 20 линзами 19 и 18, светоделительной
пластинкой 13 и объективом 11 проектируется на объект 10. Свет флюо-
ресценции объекта проходит через объектив 11, дополнительную линзу 12
(выключается при работе с объективами, рассчитанными для длины ту-
буса 190 мм), светоделительную пластинку 13 и поступает в визуальную
насадку 16 (АУ-26) или монокулярную насадку. Чтобы получить темное
поле при работе в падающем свете, следует выключить светоделительную
пластинку 13 и включить кольцевое зеркало 14, диафрагму 17 и полностью
открыть диафрагмы 23 и 20.
Оптическая система позволяет также с помощью светоделительной
пластинки 6 производить исследование при смешанном освещении двух
видов:
1) при сочетании освещения препаратов сверху светом, возбуждающим
флюоресценцию препарата, с одновременным освещением снизу по методу
темного поля или фазового контраста;
2) при сочетании освещения объекта обычным проходящим и отра-
женным светом.
Выбор типа освещения производится в зависимости от характера
объекта. Микроскоп снабжается комплектом светофильтров, выделяю-
щих определенные участки спектра. Для предохранения светофильтров 4
от нагрева ртутной лампой за коллектором устанавливается кювета 3
с дистиллированной водой или раствором медного купороса.
На рис. XI.2, б приведен общий вид микроскопа МЛ-2. Его основными
частями являются: основание 25 с осветителем; тубусодержатель 28
с револьвером для объективов и механизмом вертикального перемещения
препарата; предметный столик 27; кронштейн 26 с конденсором.
2. Люминесцентный микроскоп
для прижизненных исследований
Контактный люминесцентный микроскоп МЛ К-1
предназначен для наблюдения и фотографирования микроструктур тканей
органов человека и экспериментальных животных в свете видимой флюо-
ресценции. Исследуемый объект освещается с помощью опак-иллюмина-
тора сверху, через объектив. Источником света служит малогабаритная
кварцевая лампа накаливания с йодным циклом.
314
Спектральный диапазон возбуждаемой флюоресценции объектов состав-
ляет 400—450 нм, а исследуемой флюоресценции объектов — 440—650 нм.
.Микроскоп изготовляется со штативом, объективом 11X0,65, окуля-
рами 8 ' и 15х, фотокамерой «Зоркий-4», набором светофильтров и пуль-
том питания лампы.
Увеличение микроскопа при наблюдении — 90 и 170х, при фотогра-
фировании — 33х. Поле зрения микроскопа в пространстве объектов при
увеличении 90х равно 1,8 мм, при увеличении 170х составляет 1,6 мм.
Объектив микроскопа собран в хромированной оправе, которую можно
подвергать холодной стерилизации формалином, спиртом и другими де-
зинфицирующими растворами. Между фронтальной линзой и корпусом
объектива расположен слой герметики, предохраняющий объектив от
попадания в него влаги.
На рис. XI.3, а приведена оптическая схема микроскопа. Осветитель-
ная система состоит из источников света 1 и Г (лампа накаливания с йод-
ным циклом КИМ9-75 и лампа ИФТ-200), коллектора 2 и осветительной
линзы 6. Источник света с помощью линз осветительной системы изобра-
жается в выходном зрачке объектива 7. За коллективом расположены
теплозащитный светофильтр 3 и светофильтр 4 из стекла ФС-1, который
выделяет синие и фиолетовые лучи для возбуждения флюоресценции.
Отраженные от зеркала 5 лучи падают на интерференционную светодели-
тельную пластинку опак-иллюминатора 11, проходят через линзу обо-
рачивающей системы 10, коллектив 8, объектив 7 и возбуждают флюорес-
ценцию поверхности объекта, предварительно смоченного раствором флюо-
рохрома. Свет флюоресценции от объекта поступает в объектив микроскопа,
затем проходит через коллектив 8, линзу 10 и попадает на пластинку 11,
обладающую высоким коэффициентом отражения для синих и фиолето-
вых лучей, но пропускающую около 90% зеленых, желтых и оранжевых
лучей, т. е. свет флюоресценции объекта. Изображение объекта в лучах
флюоресценции рассматривается с помощью окуляра 15, снабженного
«запирающим» светофильтром 17, склеенным из стекол ЖЗС19 и ЖС18.
Фокусировка на исследуемый слой ткани живого органа осуществ-
ляется путем перемещения второго компонента оборачивающей системы 10.
Вблизи коллектива расположена полевая диафрагма 9, изображение
которой передается оборачивающей системой в масштабе —Iх в плоскость
сетки 14 визуального окуляра или при включенном зеркале 13 — на
фотопленку 16, перед которой установлены светофильтр 17 и гомал 18.
.Между компонентами оборачивающей системы размещена действующая
апертурная диафрагма 12, сопряженная с изображением выходного зрачка
объектива, даваемым коллективом 8 и первым компонентом 10 оборачи-
вающей системы.
Общий вид прибора приведен на рис. XI.3, б. Микроскоп 19 уста-
навливается на горизонтальной стойке 31 и закрепляется посредст-
вом рукоятки 22. Стойка 31 перемещается в корпусе 24 и зажимается
в нем при помощи рукоятки 20. Корпус 24 вместе с горизонтальной стой-
кой перемещается по вертикальной колонке 29 и закрепляется вин-
том 30. Для удобства перемещения корпуса служат два выступа 23, рас-
положенные симметрично на верхней части корпуса. Вращением рукоят-
ки 21 осуществляется наклон микроскопа на угол ±45° относительно
315
CO
О)
Рис. XI.3. Оптическая схема микро-
скопа МЛК-1 (а) и его общий вид (б, в)
горизонтальной плоскости. Штатив 27 с основанием 28 перемещается по
полу на колесиках и посредством педали 26 (тормоза) устанавливается
в требуемом месте. Лампа накаливания питается через трансформатор 25.
На рис. XI.3, в приведен общий вид микроскопа. На корпусе 36 смон-
тированы осветитель 33, тубус 34 с объективом 35; лампа с патроном 44
перемещается по направляющей корпуса осветителя и центрируется
винтами 32. Грубая фокусировка осуществляется перемещением микро-
скопа по направляющим 43 посредством вращения рукоятки 42, распо-
ложенной под насадкой 38, к которой крепится фотокамера 39. Рукоятка 37
служит для ввода в ход лучей зеркала 13. Окуляр 40 устанавливается во
фланце корпуса микроскопа и крепится винтом 41.
3. Приборы для количественных исследований
люминесценции микрообъектов
Фотометрическая насадка ФМЭЛ-1 в сочетании с обыч-
ным люминесцентным микроскопом служит для измерения интенсивности
флюоресценции в видимой области спектра (400—650 нм). Минимальный
размер фотометрируемого участка препарата — 1,5 мкм.
Оптическая схема насадка приведена на рис. XI.4, а. Лучи света
флюоресценции, пройдя объектив микроскопа, попадают на дополни-
тельную линзу 4, которая включается в ход лучей при работе с микро-
скопами МЛ-3 и МЛД-1. Линза 4 переносит изображение объекта, давае-
мое объективом микроскопа, на одно из трех вогнутых сменных зеркал 5
в масштабе 2,8х. Величина радиуса кривизны зеркала 5 подобрана таким
образом, чтобы изображение выходного зрачка объектива микроскопа
было совмещено с линзой 10. В центре каждого зеркала имеется прозрач-
ное неметаллизированное отверстие (зонд) диаметром 0,1; 0,5 и 1 мм.
Свет флюоресценции, пройдя это отверстие насквозь, попадает с помощью
отрицательной линзы 7 на фотокатод фотоэлектронного умножителя 8
(ФЭУ-15), где он преобразуется в электрический сигнал, который посту-
пает в усилитель постояного тока (VI-2) и затем регистрируется. Не-
прозрачный кружок на зеркале 5 вместе с изображением объекта проек-
тируется с помощью зеркала 9 объектива 10 в фокальную плоскость оку-
ляра 11 в масштабе Iх. При совмещении любого участка изображения
исследуемого объекта с темным кружком зеркала на светоприемник по-
ступает световое излучение, соответствующее этому участку изображения.
Перед линзой 7 расположены сменные интерференционные светофильтры 6,
с помощью которых можно проводить спектральные исследования флюо-
ресценции. Опорная плоскость 3 насадки МФЭЛ-1 расположена на рас-
стоянии 71,5 мм от опорной плоскости 2 объективов приборов МЛ-3
и МЛД-1 и на расстоянии 107,5 мм от опорной плоскости 1 объективов
прибора МЛ-2.
На рис. Х1.4, б показан общий вид насадки ФМЭЛ-1. Насадка уста-
навливается на головке микроскопа МЛ-2 вместо бинокулярной насадки
АУ-26 или фотонасадки МФН-10 с помощью переходной втулки 12. В слу-
чае применения насадки ФМЭЛ-1 на микроскопах МЛ-3 и МЛД-1 исполь-
зуется переходная втулка 13 с линзой. Насадка на втулке закрепляется
винтом 17. Включение в ход лучей зеркала с зондом нужного диаметра
производится вращением диска 16 до тех пор, пока в центре окна насадки
317
не установится цифра (0,1; 0,5 или 1), соответствующая диаметру прозрач-
ного отверстия, расположенного в центре зеркала. Нужный интерферен-
ционный светофильтр устанавливается поворотом диска 14 или 15. Каждый
диск имеет десять фиксированных положений. На цилиндрической части
диска 14 нанесены цифры 1—9 и 0. На цилиндрической части диска 15
нанесены цифры 10—18 и 0.
Каждому из восемнадцати светофильтров присвоен порядковый номер.
Совмещение определенных цифр светофильтров от обоих дисков обеспе-
Рис. XI.4. Оптическая схема насадки ФМЭЛ-1 (о) и ее общий вид (б)
чивает нужное их сочетание в ходе лучей оптической системы. Питание
фотоумножителя производится от высоковольтного стабилизированного
выпрямителя ВС-22. В качестве усилителя фототока применен усилитель
постоянного тока VI-2.
Микрофлюориметр МЛИ-1 предназначается для исследова-
ния ультрафиолетовой и видимой флюоресценции объектов при освещении
их сверху, через опак-иллюминатор и объектив.
МЛИ-1 позволяет изучать структуру объектов методами визуального
наблюдения и фотографирования, а также регистрировать как интенсив-
ность флюоресценции, так и спектры флюоресценции и возбуждения флюо-
ресценции.
Спектральный диапазон возбуждения флюоресценции составляет 250—
450 нм, наблюдения и фотографирования в видимом свете 400—700 нм,
318
эегпстрацпп интенсивности и спектров флюоресценции 300—700 нм и
регистрации спектров возбуждения 250—450 нм. Обратные линейные
дисперсии двойного монохроматора для возбуждения флюоресценции
и монохроматора для разложения флюоресценции в спектр равны 36 А.
В приборе применяются следующие объективы: а) для ультрафиолето-
вой области спектра 10 X 0,20 (ОК-10-3); 50 X 0,65 (ОК-50); 58x0,80 (ОК-58);
б) для ультрафиолетовой и видимой областей спектра 75X1,0 (ОК-75);
125x1,1 (ОНЗ-125); в) для видимой области спектра 10x0,40 (ОД-10ЛК);
30x0,90 (О5В-30Л); 90X 1,25 . (ОМ-ЮЛ); 21x0,40 (ОЭ-21Л); 40x0,65
(ОЭ-40Л); 90X1,25 (ОМ-41 Л); г) для фазовоконтрастного метода
40X0,65 (ФМЩ-Л); 90x1,25 (ФОМ-41 Л).
Для визуального наблюдения и фотографирования применяются оку-
ляры Кельнера 7х, симметричный окуляр 15х и компенсационный 15х.
Рассмотрим принцип действия прибора. Для фотометрических измере-
ний в приборе применена двухлучевая схема (рис. XI.5, а) с оптической
компенсацией разности световых потоков. Приемником излучения служит
фотоэлектронный умножитель 6 (ФЭУ-39А или ФЭУ-64), который рабо-
тает в модулированном двухлучевом световом потоке с частотой модуля-
ции 400 гц и сдвигом по фазе на 180°. Модуляция светового потока дости-
гается с помощью вращающегося зеркального диска-модулятора 33
с отверстиями, который направляет световой поток попеременно то в рабо-
чую ветвь (в которой установлен исследуемый объект), то в ветвь срав-
нения (в которой установлен флюоресцирующий эталон). Величины элек-
, трических сигналов, снимаемые с фотоумножителя, пропорциональны
' световым потокам в ветвях. При равенстве световых потоков в обеих
ветвях (в случае равенства интенсивностей флюоресценции исследуемого
объекта и эталона сравнения) на фотокатод ФЭУ поступают попеременно
одинаковые световые потоки и переменное напряжение на входе усили-
тельного тракта при этом отсутствует. В случае появления разности све-
товых потоков на входе усилительного тракта возникает сигнал с частотой,
соответствующей частоте модуляции, на которую настроен предваритель-
ный усилитель ФЭУ. После усиления и преобразования сигнал подается
на обмотку синхронного реверсионного электродвигателя 27, который
перемещает фотометрический измерительный клин 28 для уменьшения до
нуля возникшей разности в световых потоках. Фотометрический клин
связан с пером электронного самописца через потенциометр, механически
связанный с клином. Перо самописца, перемещаясь, отмечает на бумаж-
ной ленте пройденное клином расстояние, которое пропорционально опти-
ческой плотности, соответствующей возникшей разности световых потоков.
Градуировка шкалы электронного самопишущего потенциометра в едини-
цах оптической плотности выполнена с помощью набора платиновых осла-
бителей с известной оптической плотностью.
Визуальное наблюдение объектов и фотографирование их в свете ви-
димой флюоресценции осуществляется следующим образом (рис. XI.5, а).
Коллектор 2, линза 43. зеркало 29 и светоделительные пластинки 22, 37
проектируют источник света 1 (ртутная лампа ДРШ-250) в выходные
зрачки объективов 25 и 39 рабочей ветви и ветви сравнения. Одновре-
менно линза 43, зеркало 29, светоделительные пластинки 22, 37 и объек-
тивы 25, 39 изображают ирисовую полевую диафрагму 3 в плоскости объек-
тов 26 и 38. При применении объективов с длиной тубуса 160 мм в ход
319
Рис. XI.5. Оптическая схема микроскопа МЛИ-1 (а) и его
общий вид (б)
320
тучей включаются линзы 24 и 40. На пластинки 22 и 37 нанесено покры-
тие, которое отражает преимущественно лучи в диапазоне длин волн
360 —440 нм и пропускает лучи в пределах 440—700 нм. При выделении
из общего излучения света определенной длины волны для возбуждения
флюоресценции объекта применяются сменные светофильтры 5. Кювета 4,
наполненная раствором медного купороса, предохраняет объекты от
излишнего нагрева. Световой поток от источника света 1 после объекти-
вов поступает на объект и эталон и вызывает их флюоресценцию; свет
флюоресценции, пройдя объективы 25 и 39 и светоделительные пластинки 22
и 37, направляется поворотными призмами 19 и 42 на разделительную
призму 32 п затем на фотонасадку 31 с визуальным тубусом.
Возбуждение флюоресценции ультрафиолетовыми лучами с макси-
>[' лы пропускания л 365 нм осуществляется с помощью светофильтров
Х’ФСб. толщина которых составляет 3 или 5 мм. В качестве запирающего
свете фильтра в этом случае применяется светофильтр ЖСЗ. Выделение
во;б\ждающих флюоресценцию сине-фиолетовых лучей проводится свето-
фильтрами ФС1 толщиной I и 4 мм. В качестве запирающего светофиль-
тра применяется светофильтр, состоящий из стекол ЖС18 и ЖЗС19.
Нескольку светофильтры, служащие для возбуждения флюоресценции
г'шкм,!, пропускают красные* и инфракрасные лучи, то для предохране-
ния он гики мпкооскопа и исследуемых объектов от нагревания рекомен-
дуется применять эти светофильтры совместно со светофильтрами СЗС14
с СЗС7 или с кюветой, наполненной 4-процентным раствором медного
купороса. Чтобы предохранить объекты от выцветания при облучении их
ут-щрафиолгтовым светом, применяется светофильтр БС8, который про-
пускает видимую область спектра и срезает его ультрафиолетовую часть
Общее снижение яркости возбуждающего света достигается с помощью
нейтовявного светофильтра НС10.
Рассмотрим оптическую схему для регистрации интенсивности флюо-
рсс leiinnti объектов и спектров возбуждения флюоресценции (рис. XI.5, а).
Коллектор 11 проектирует источник света 12 в плоскость входной щели 10
дв<,Дггогю монохроматора, состоящего из двух дифракционных решеток 13,
18 и вогнутых зеркал 7 и 14. Сменные светоделительные пластинки 20,
2’. .2. 35. 35, 37 и объективы 25 и 39 изображают щель 15 и выходную
щель 30 монохроматора (щель-зонд) в плоскости объекта и эталона. За
выходной щелью монохроматора расположен вращающийся зеркальный
ччек-мэ -y.i'iTOp 33, который направляет весь световой поток попеременно
то в рабочую ветвь прибора, то в ветвь сравнения. За диском-модулятором
в ветви сравнения установлен фотометрический клин 28, в рабочей ветви —
компенсационный клин 34, служащий для предварительного выравнива-
ния световых потоков в двух ветвях. Свет флюоресценции объектов направ-
ляется объективами 25 и 39, светоделительными пластинками 22 и 37
и поворотными призмами 19 и 42 попеременно то из рабочей ветви, то из
ветви сравнения на фотокатод фотоэлектронного умножителя 6.
Ограничение площади фотометрируемого участка объекта обеспечи-
вается набором диафрагм-зондов, которые могут быть установлены в ходе
лучей в плоскости выходной щели 30.
На сменные светоделительные пластинки попарно нанесены разнород-
ные покрытия, что дает возможность производить исследование объектов
в различных областях спектра (табл. XI.1).
21
Г. Е. Скворцов и др.
321
Оптическая схема для регистрации спектров флюоресценции выполнена
следующим образом (рис. XI.5, а). Коллектор 11 проектирует светящееся
тело лампы 12 в плоскость входной щели монохроматора. Зеркала 23, 41
и объективы 25 и 39 проектируют выходную щель 30 монохроматора в пло-
скость объекта и эталона 26 и 38. Свет флюоресценции от исследуемого
объекта и эталона с помощью тех же зеркал 23 и 41 поступает на щель’ЗС
монохроматора, которая в данном случае является входной щелью моно-
хроматора регистрации люминесценции. Далее с помощью дифракционной
решетки 18 свет флюоресценции раскладывается в спектр и зеркалами 9
Таблица XI.1
Области пропускания
и отражения пластинок
ОТ Я ~
2 2
'5 к
Оао
20 и 35
21 и 36
22 и 37
240—290
300—380
360—440
310—370
380—460
440—700
и 16, перемещающимися в плоскости спектра,
и линзами 8 и 17 подается на фотокатод фо-
тоэлектронного умножителя 6.
В электрическую схему прибора входят
приемник излучения, преобразующий свето-
вой сигнал в электрический, с блоком пита-
ния; усилительно-регистрирующая часть
с блоком питания; блок питания осветителей;
схема автоматизации фотометрирования;
электронный самопишущий потенциометр
ЭПП-О9МЗ.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-39А
или ФЭУ-64) питается от выпрямителя БС-22
со стабилизированным регулируемым выход-
ным напряжением в пределах 600—2000 в.
Для уменьшения шумов на выходе усили-
теля в цепи обратной связи применены Т-образные мосты, сужающие
полосу пропускания в усилитель до 10—20 гц. С предварительного усили-
теля сигнал поступает на оконечный усилитель, нагрузкой которого
является отрабатывающий двигатель ДГ-2ТА следящей системы. В око-
нечном усилителе применены синхронный детектор, модулятор и усили-
тель низкой частоты, улучшающие соотношения величин сигнала и шума.
В схеме автоматизации фотометрирования предусмотрены блокировки,
гарантирующие от неправильных включений. В качестве источников света
в различных режимах освещения объекта применяются лампы ДРШ-250,
СВД-120А, ДКСШ-120 и СЦ61. При работе по методу фазового контраста
для освещения объекта используется лампа СЦ61. Конструктивно все
схемы питания размещены в пульте управления. На переднюю панель
пульта выведены ручки регулировки режимов работы ламп, тумблеры
включений и лампы, сигнализирующие о включениях, а также приборы.
по которым контролируется работа ламп.
На рис. XI.5, б приведен общий вид прибора. Прибор в основном
состоит из оптической двухлучевой микроустановки 52, смонтированной
на специальном столе 53, электронного автоматического потенциометра 45
и пульта управления 44. В корпусе 52 размещены все оптические элементы
микроскопа. Осветитель, применяемый при фотометрических работах,
расположен за крышкой 51. Раскрытие входной, средней и выходной щели
(зонда) монохроматора осуществляется вращением барабанов 48 и 49.
Величина раскрытия щелей оценивается по шкалам с точностью до 0,1 мм.
Предметные столики 50 имеют грубую и микрометренную подачу в верти-
кальном направлении и координатные перемещения в горизонтальной
322
плоскости. Применяемые на салазках объективы устанавливаются каждый
на свое место, для чего на салазки объективов, предназначенных для левой
(рабочей) ветви, нанесена красная точка.
Визуальное наблюдение осуществляется с помощью насадки 47, а фото-
графирование производится планочной камерой 46.
Глава XII
УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ И ИНФРАКРАСНЫЕ МИКРОСКОПЫ
1. Ультрафиолетовые микроскопы
После второй мировой войны ультрафиолетовая микроскопия прочно
завоевала себе важное место в области биологии и медицины. Причиной
этому послужил большой интерес к решению жизненно важных проблем,
связанных с процессами, происходящими в живой клетке. Известно, что
основные вещества клеток имеют максимум поглощения в ультрафиоле-
товой области спектра; так, например, нуклеиновые кислоты имеют мак-
симум поглощения при длине волны Z, — 260 нм, тогда как в видимой
области спектра они полностью прозрачны. Благодаря этому с помощью
абсорбционной фотометрии в ультрафиолетовой области спектра возможно
получение количественной информации о неокрашенных препаратах.
Применяя микроспектрофотометрический метод сканирования живой
клетки, можно изучить распределение и концентрацию нуклеиновой
кислоты, имеющей большое значение в жизнедеятельности клетки.
За последнее десятилетие наибольшее распространение получили два
метода — метод сканирования по объекту, предложенный Касперсоном
(1950 г.), и двухволновой метод Мендельсона (1958 г.). Оба метода позво-
ляют свести к минимуму ошибки, возникающие из-за неравномерности
распределения веществ в структурах биологических негомогенных объек-
тов. Однако двухволновой метод получил широкое распространение только
при исследовании окрашенных объектов в видимой области, в то время
как метод сканирования не ограничивается определенной спектральной
областью. В настоящее время микроспектрофотометрический метод иссле-
дования биологических препаратов привлекает все большее внимание
исследователей (биологов, биофизиков, врачей, физиков-химиков и т. д.),
поскольку он является новым и наиболее перспективным.
Успешному развитию новых прогрессивных методов исследования
в ультрафиолетовой микроскопии способствовали следующие факторы:
применение достижений электроники, автоматики и других совре-
менных средств;
использование более эффективных источников и приемников излучения
(электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножите-
лей с кварцевыми входными окнами, дифракционных решеток, специаль-
ных светофильтров и т. д.);
применение зеркальной и зеркально-линзовой оптики, обладающей
высокой степенью ахроматизации в ультрафиолетовой и видимой областях
спектра.
21*
323
Основой всех методов абсорбционного анализа нуклеиновых кислот
в клетках является закон Ламберта—Бэра—Брера, согласно которому
оптическая плотность вещества D равняется произведению некоторого
коэффициента k, зависящего от длины волны света, на концентрацию
вещества а и толщину d исследуемого объекта. Таким образом, измерив
оптическую плотность и толщину препарата, можно вычислить концен-
трацию вещества в исследуемой клетке.
Для микроспектрофотометрических работ в ультрафиолетовой области
спектра разработаны два прибора: МУФ-6, основанный па фотографиче-
ском методе, заключающемся в определении плотности изображения на
заснятых фотопластинках, и МУФ-5, основанный па фотоэлектрическом
методе.
Микроскоп исследовательский ул ь т р a ip и о -
л е т о в ы й МУФ-6 предназначается для исследования биологических
препаратов в проходящем и падающем свете. При использовании в микро-
скопе проходящего света производятся следующие работы.
1. Фотографирование при освещении препаратов отдельными участками
ультрафиолетового и видимого спектра в диапазоне длин волн от 25л
до 700 нм с последующим применением метода цветной трансформашш
по Брумбергу.
2. Фотографическая регистрация оптической плотности и спектров
поглощения различных участков препаратов при освещении их моно-
хроматическим светом в интервале длин волн от 250 до 700 нм с послед ю-
щей обработкой фотопластинок или пленок’ на микрофотометрах М<£>-2.
МФ-4 в др. Для повышения точности регистрации оптической плотности
и спектров поглощения применяется ступенчатый ослабитель. Фотогра-
фирование ослабителя на пленку одновременно с изображением препарата
позволяет учитывать ошибки, возникающие при изменении световое
потока во воемя фотографирования. Часть светового потока, выходящего
из монохроматора, поступает в ветвь сравнения, где в непосредственной
близости от светочувствительного фотографического слоя находится сту-
пенчатый ослабитель. Путем раскрытия апертурной диафрагмы, распо-
ложенной в ветви сравнения, при фотографировании ступенчатого ослаби-
теля подбирают необходимую экспозицию по формуле Н £7, где Е -
освещенность, t — время экспозиции. В зависимости от препарата ц вида
освещения при постоянном t освещенность будет пропорциональна :пи-
щади раскрытия действующего отверстия апертурной диафрагмы.
Микроскоп МУФ-6 позволяет также производить фотографирование
биологических препаратов в свете их ультрафиолетовой и видимой флюо-
ресценции при освещении их падающим светом через опак-иллюминатор
с последующим применением метода цветной трансформации на .хгюмо-
скопе МУФ-2Х.
Препараты наблюдаются на экране электронно-оптического преобра-
зователя при освещении их ультрафиолетовыми лучами в области длин
волн 250—400 нм.
В микроскопе применяются следующие объективы: а) для ультра-
фиолетовой области спектра — линзовые системы 10x0,20 (ОК-10-3);
50x0,65 (ОК-50); 58x0,80 (ОК-58); б) для ультрафиолетовой и видимой
областей спектра — зеокально-линзовые системы 40x0,5 (ОК-40): 75
ХО,65 (ОНЗ-75А); 75x1,0 (ОК-75); 115x0,7 (ОНЗ-115) и 125 1.1
324
(ОНЗ-125); в) для видимой области спектра — линзовые системы 10 с
0,40 (ОМ-33); 30x0,90 (О5В-30Л); 40x0,75Л (ОМ-23); 90x1,25Л
(ОМ-41 Л).
В микроскопе используются следующие окуляры: а) для фотографи-
рования — проекционные кварцевые окуляры Г = 8х (АМК-2, АМК-3,
АМК-5); Г - 3х (АМК-6, АМК-7, АМК-8, АМК-9, АМК-10); окуляр
проекционный для видимой области спектра Г 10х (АМ-14Ф); б) для
визуального наблюдения — окуляры Гюйгенса Г — 4х (АМ-4); Г -
--7х (АМ-11); Г- 10х (М-Ю); Г == 15х (М-11).
Комплект объективов и окуляров обеспечивает следующие увеличе-
ния: а) при визуальном наблюдении в ультрафиолетовых лучах на экране
ЭОПа 30—1000х, в видимой области спектра 40—1350х и в свете видимой
флюоресценции 40—-630х; б) при фотографировании в ультрафиолетовой
флюоресценции 30- 375х.
На рис. XII.1, а приведена принципиальная оптическая схема микро-
скопа. Коллектор 2 совместно о зеркалом 4 и линзой 5 проектирует источ-
ник света 1 в плоскость входной июли 6 монохроматора, которая распо-
ложена в фокусе вогнутого сферического зеркала 7. Отразившись от
зеркала 7, свет падает на дифракционную решетку 8 и разлагается ею
в спектр. Разложенный свет фокусируется сферическим зеркалом У и
направляется в осветительную систему микроскопа и в систему ступен-
чатого ослабителя. Изображение входной шел и 6 монохроматора разделено
по высоте на две части; нижняя часть изображается с помощью зеркала 12
и линзы 13 в плоскости апертурной диафрагмы 14 системы ступенчатого
ослабителя, верхняя при помощи зеркала 32—в плоскости апертурной
диафрагмы 31 конденсора 30 микроскопа при выключенном из хода лучей
зеркале 33 или в плоскости апертурной диафрашы 35 системы отражен-
ного света при включенном зеркале 33.
Для повышения монохроматизаиии света, возбуждающею ультра-
фиолетовую флюоресценцию, применяются светофильтр-кювета 10
с хлор—бромом и светофильтр 11. Объектив 28 и призма 27 изображают
препарат, с которым совпадает изображение ирисовой полевой диафрагмы 3,
в фокальной плоскости окуляра 26 при наблюдении в видимом свете или
в плоскости диафрагмы фотоокуляра 25 при выключенных из хода лучей
светоделительной пластинке 36 и призме 27 при освещении ультрафиоле-
товыми лучами.
Фокусировка па резкость изображения при фотографировании дости-
гается с помощью ЭОПа 23 и лупы 24, которая служит для рассмотрения
изображения на экране ЭОПа. При фотографировании зеркало 21 выклю-
чается и изображение препарата проектируется в плоскость фотопла-
стинки или пленки 20; вблизи плоскости фотопластинки или пленки рас-
положен ступенчатый ослабитель 18, освежаемый оптической снстемД'|,
состоящей из линз 13, 17, 19 и плоских зеркал 12, 15, 22. При этом половая
диафрагма 16, с которой совпадает изображение волевой диафрагмы 3,
выполнена в виде щели.
В свете видимой и ультрафиолетовой флюоресценции препараты иссле-
дуются при освещении падающим светом через опак-иллюминатор. Опти-
ческая система для отраженного света содержит зеркала 33, 37, линзы 34,
325
co
ND
О
Рис. XII. 1. Оптическая схема микроскопа МУФ-6 (а) и его общий вид (б)
39, ирисовую апертурную диафрагму 35, ирисовую полевую диафрагму 38,
светоделительную пластинку 36. Зеркало 33 и линза 34 совместно с зерка-
лами 7 и 9 и дифракционной решеткой 8 проектируют часть входной щели
в плоскость апертурной диафрагмы 35. Эта же система совместно с линзой 5
изображает полевую диафрагму 3 в плоскости диафрагмы 38. Линза 39
проектирует апертурную диафрагму 35 в плоскость выходного зрачка
объектива 28, а полевую диафрагму совместно с объективом 28 — на
препарат 29.
Светоделительные пластинки 36 дают максимально возможные коэффи-
циенты отражения в пределах длин волн 250—280 нм или 365—440 нм
и соответственно максимальные коэффициенты светопропускания в пре-
делах длин волн 300—400 нм или 550—650 нм.
На рис. XI 1.1, б представлен общий вид прибора. К основным частям
прибора относятся микроскоп и монохроматор. Фонари ламп СИ8-200
и СВД-120А устанавливаются на общей каретке, перемещающейся по
направляющей, укрепленной на основании 56 прибора с помощью крон-
штейна. Монохроматор закрыт крышкой 52. Корпус 50 микроскопа жестко
соединен с головкой 42 и корпусом 49 ЭОПа. На корпусе 50 расположены
предметный столик 41 с механизмом 57 грубой и микрометрической по-
дачи, кронштейн 40 конденсора и рукоятка 51 поворота дифракционной
решетки с кольцом.
ЭОП потребляет от блока питания напряжение порядка 18 кв. Пита-
ние к разъему 46 подводится высоковольтным кабелем 47. На головке 42
микроскопа расположены направляющие для установки сменных объек-
тивов в салазках и укреплен тубус 43 для визуального наблюдения.
Призма 27 (рис. XII.1, а) выключается из хода лучей, и тогда можно
изображение препарата наблюдать на экране ЭОПа с помощью вспомо-
гательной трубки 45, а также фотографировать его трехпольной камерой 48
или фотокамерой «Зоркий-4».
В пяти гнездах барабана 54 размещены светофильтры, из которых
светофильтр, находящийся в пятом гнезде, — сменный. При установке
барабана на цифры 1, 2, 3 или 4 в ход лучей вводятся соответственно
светофильтры длин волн 436, 405, 365 и 313 нм. При повороте рукоятки 55
против часовой стрелки до упора включается зеркало 33 и препарат осве-
щается сверху через объектив; при повороте рукоятки почасовой стрелке
зеркало 33 выключается и освещение препарата происходит снизу, через
конденсор. Рукоятка 53 служит для включения и выключения кюветы 10
из хода лучей. Между корпусом ЭОПа и головкой микроскопа расположен
фотозатвор со спусковым тросиком 44.
Микрофотометрическая ультрафиолетовая
установка МУФ-5 предназначается для исследования биологиче-
ских препаратов в проходящих ультрафиолетовых и видимых лучах
в диапазоне длин волн от 250 до 650 нм.
Установка позволяет производить запись спектров поглощения вы-
бранного участка препарата, а также запись изменения оптической плот-
ности малых участков препарата вдоль выбранного направления в задан-
ном спектральном интервале с помощью сканирующего предметного
столика. Получаемые данные регистрируются на ленте электронного
самопишущего потенциометра. Количество вещества, содержащегося в
отдельных структурных составляющих клетки, определяется по величине
327
средней оптической плотности, а химический состав вещества — по
кривым поглощения.
Предварительное изучение малоконтрастных объектов производится
по методу фазового контраста в видимом проходящем свете или на эьиане
люминесцентного преобразователя при освещении лучами в узких спек-
тральных интервалах длин волн X, равных 254, 265, 280, 313 нм,
ствующих линиям спектра излучения.
Высокая точность фотометрических измерений в установке УЛ Ф-"
обеспечивается благодаря применению двухлучевой схемы с оптинес! не
компенсатором — фотометрическим клином. Выравнивание световых по-
токов производится автоматически с помощью следящей системы, рабо-
тающей по сигналу ошибки. Принципиальная блок-схема verm овк?
приведена на рис. XII.2.
Рис. XII.2. Принципиальная блок-схема установки МУФ-5:
I — осветитель: 2 — выходная щель монохроматора; 3 — зеркала; 4 -- днск-модуля < пр еде: ч - >
потока; I — блок питания ФЭУ; II — предварительный усилитель; ill --- фазовый дегс./гов • < :
лятор; IИ — усилитель следящей системы; V — усилитель напряжения возбужденья; 1'7 -
пи та н и я ус или тел е й
Применение двухлучевой схемы позволяет исключить из .дты
измерений влияния нестабильной работы источников света. Освсш- .-ис
препаратов при фотометрических измерениях производится по меюд\
светового зонда — сверху через объектив микроскопа. Градд ир-лью.
шкалы электронного самопишущего потенциометра в единицах ор~< шн-
екой плотности производится с помощью набора ослабителей с известной
оптической плотностью.
Установка МУФ-5 позволяет фотографировать препараты при ос.-пче-
нии узкими спектральными участками в видимой и ультрафиолетовой
областях спектра, а также фотографировать ультрафиолетовую люю-
ресценцию объектов. Фотографирование исследуемых преиаргтсь щючз-
водится на пластиночную трехпольную фотокамеру пли пленочную
меру с размерами кадра 24,4 36 мм. При наблюдении и фотограф!:;':'; .ши;:
освещение препаратов производится снизу через конденсор микрегке.. з
Для освещения препаратов применяются два монохроматора с реи щ.":?;;:
плоских дифракционных решеток 1200 штр'мм с концентрацией млюлю
в ультрафиолетовой области спектра.
Приемниками излучения служат фотоэлектронные \мн'"Щ:тг.п.
ФЭУ-15А и ФЭУ-39А, установленные в модулированной! двух’р. че- -м
световом потоке. Частота модуляции 400 гц\ сдвиг световых потоке;
фазе на 180° производится с помощью диска, снабженного прорезям’..
328
Источниками света при микроснектрофотометрических работах служат
сменные лампы СВД-120А, СИ8-200 и ДУ-1, рабочая область излучения
которых определяется интервалами соответственно 250—700, 380—700
и 250—400 нм. Для визуальных исследований и фотографирования при-
меняется лампа ДРШ-100-2. Освещение объектов при наблюдении методом
фазового контраста производится с помощью лампы накаливания СЦ61.
Установка МУФ-5 оснащена большим комплектом разнообразных
еб..сктнвов к окуляров, обеспечивающих все методы исследования, зало-
женные 1, прпбопе. Исследование в ультрафиолетовой области спектра
пDoi!3i;<vi" Iс я с помощью линзовых кварц-флюоргтсвых объективов
I; o,2'l (ОК-10-3); 50X0,65 (ОК-50); 58> 0,80 (ОК-58); исследование
в видимой п ультрафиолетовой областях спектра — с помощью зеркально-
линзовых ' бт.сктивов 40x0,5 (ОНЗ-40); 75x0,65 (ОНЗ-75А); 115 > 0,7
(ОНЗ-115); 75 ;1,0 (ОК-75); 125X1,1 (ОНЗ-125). Исследование объектов
в видимой области спектра производится с линзовыми объективами
У 0,40 (ОМ-ЗИЛ); 30X0,90 (О5В-30Л); 60x0,85 (02-60); 60x0,7-ь 1,0
(О6-А.Ш60); 90x1,25 (ОМ-41 Л).
Для фотографирования применяются кварц-флюортовые фотооку-
ляры с увеличением 3 и 8' , фотоокуляр компенсационный 10х и оку-
ляры 4, 7, 10 и 15х
При освещении препаратов снизу применяются кварц-флюоритовыс
’•.( н,;( нсоры с числовой апертурой А, равной 1,1; 0,42; 0,27; 0,2. С ука-
танным выше комплектом объективов и окуляров при наблюдении в уль-
трафиолетовых лучах с помощью люминесцентного преобразователя
можно получить увеличения от 80 до 1000х; при наблюдении в видимом
свете — 80—2700х и при фотографировании — 30—1000х. Используемый
снек тральный диапазон при наблюдении на экране люминесцентного
преобразователя составляет 250—313 нм, при наблюдении в видимом
свете 400— 650 нм, при фотографировании 250—700 нм и при регистрации
оптической плотности объектов 250—650 нм.
Наибольшая величина фотометрируемого участка (зонда) — 0,02 мм,
наименьшая - 0,001 мм. Время записи спектра ст 240 до 720 нм наиболь-
шее-- 12 я нн, наименьшее — 1,5 мин. Пределы регистрируемой оптиче-
с!-.'.,й глотьостт! в ультрафиолетовой части спектра 0,1 — 0,85 единицы
плотности, г, видимой области спектра 0,05—0,95 единицы плотности.
Точность абсорбционных измерений вс превышает 3%. Диапазон пере-
?:сщ< ш:>. предметного столика при сканировании составляет от 0 до 0,1 мм.
Сщтическая схема для низ; ального наблюдения в проходящих ультра-
фиолетовых- лучах, видимом свете и в свете флюоресценции дана на
рис X 1 ’а.
Коллектор 2 с помощью плоского зеркала 3 и призмы 4 изображает
источник света 1 (ртутная лампа СВД-120А или ДРШ-100-2) в плоскости
ь.'щдпоп щели 5 нижнего монохроматора. Затем последовательно внеосевое
п;.раб< лпчсское зеркало 6, реплика 7 плоской дифракционной решетки,
внеосевое параболическое зеркало 8 и призма 9 проектируют входную
июль 5 вместе с изображением источника света 1 в плоскость апертурной
диафрагмы 19 конденсора 12. Призма 9 и конденсор 12 изображают поле-
вую лпафрагму 11 осветительной системы в плоскости препарата 13,
который с помощью микрообъектива 14 проектируется на поверхность
329
330
Рис. XII.3. Оптическая схема МУФ-5 для визуального наблюдения в проходящих ультрафиолетовых лучах (а), для микроспектро-
фотометрических измерений (б), для визуального наблюдения с фазовоконтрастным устройством (в) и общий вид прибора (г)
вогнутого зеркала 15. Затем призма 16 и ахроматический кварц-флк?<>ри-
товый объектив 17 переносят с поверхности зеркала 15 изображение пре-
парата, освещенного лучами ультрафиолетового участка спектра, на лю-
минесцнрующий экран 18, где происходит преобразование ультрафиоле-
тового излучения в видимый свет. Полученное на люминеецпру ющем
экране изображение препарата рассматривается при помощи оптической
системы, состоящей из обтюктива 19 и окуляра 20. При работе в прохотя-
щем видимом свете и в свете флюоресценции объектив 17, экран 18 и ;.щкро-
объектив 19 выключаются и вместо них включается микрообъекит
При фотографировании препаратов вместо вогнутого зеркале 15
включается фотоокуляр 22, который переносит изображение препар'1.;з
в плоскость фотопластинки 24 (или фотопленки). Для выделения значепий
длин волн X, равных 313, 365, 436 и 546 их, применяются запирающие
светофильтры, которые помещаются г, поворотнем диске 23, раеположеп-
.чом между окуляром 22 и фотопластинкой.
Оптическая схема дл>1 микроспектрофотометрпческих измерений "ша
на рис. XII.3, б. Препарат освещается сверху через объектив микром- ,:а.
Зеркала 26 и 27 изображают источник света 25 (лампа накалшмпшя
СИ8-200, дейтериевая лампа ДУ-1) во входной щели 28 верхнего м- но-
хрематора. Плоское зеркало 29, внеосевое параболическое зеркале 30
и реплика 31 плоской дифракционной решетки проектируют входную
щель 28 в выходную щель 32 монохроматора. Изображение выхе '.той
щели 32 с помощью парных зеркал 33 и 34 раздваивается и призмами 35
переносится на отверстия в слое алюминия вогнутых зеркал 15 и 36,
принадлежащих соответственно рабочей ветви и ветви сравнения. Микро-
объектив 14 рабочей ветви изображает на препарате 13 в уменьшенном
масштабе освещенное прозрачное отверстие зеркала 15. Аналогию ый
объектив 14 ветви сравнения изображает освещенное отверстие зеркала 36
на предметном стекле 40. Между парными зеркалами 33 и 34 и призмами 35
установлен диск-модулятор 37, за которым в рабочей ветви располагай то
фотометрический клин 38, а в ветви сравнения аналогичный ему клин 39
Конденсор 12 и призма 9 направляют свет от препарата в рабочей глтош
на фотокатод фотоэлектронною умножителя 41. Конденсором 42 и приз-
мой 43 свет направляется через предметное стекло в ветви сравнения на
тот же участок фотскатода фотоэлектронною умножителя 41. При враще-
нии диска-модулятора 37 световой поток попадает на фотокатод электрон-
ного умножителя попеременно: то из рабочей ветви, то из ветви срагто нш:.
С помощью фотометрического клина 38 производится уравнивание < .д-
товых потоков в обеих ветвях перед началом измерения; фотометричее.шй
клин 39 является рабочим клипом, он служит для автоматического урав-
нивания световых потоков. При работе с лампой СВД-120А источник
света 1 проектируется во входную шель 28 с помощью зеркал 44 и 45.
Оптическая схема для работ с фазовоконтрастным устройством дана
на рис. XII.3, е. Коллектор 47 совместно с первой оборачивающей си-
стемой 48 проектирует источник света 46 (лампа накаливания (!161>
на сменную кольцевую диафрагму 49, которая с помощью призмы 50. вто-
рой оборачивающей системы 51 п призмы 9 (в этой схеме развернута па
на 180° по отношению к положению, указанному на рис. XII.3, о, б)
проектируется в переднюю фокальную плоскость конденсора 12 п зато
переносится при помощи конденсора 12, объектива 14, зеркал;. 15
332
и призмы 16 в плоскость сменных фазовых пластинок 52. Изображение
препарата, даваемое объективом 14 на зеркало 15, рассматривается через
наблюдательный тубус микроскопа, состоящий из объектива 21 и оку-
ляра 20. Размер освещаемого препарата определяется раскрытием отвер-
стия ирисовой полевой диафрагмы 53, проектируемой оборачивающими си-
стемами 48, 51, призмами 50, 9 и конденсором 12 в плоскость препарата 13.
При работе с фазовокоптрастпым устройством необходимо пользоваться
одним из трех объективов: 50 .<0,65; 75x1,0 или 125X1,1.
Общий вид установки МУФ-5 приведем на рис. ХП.З, г. На основа-
ны! 67 прибора установлены фонари с лампами, фазовоконтрастное устрой-
шво верхний и нижний монохроматоры под кожухом 59. Рабочая ветвь
и ветвь сравнения оптической системы находятся под кожухом 58. Фото-
электронный \ множитель закрыт кожухом 68.
11а панели 60, остановленной па передней стенке кожуха 59, распо-
ложены: барабан 65 с делениями, с помощью которого осуществляется
[лучную поворот реплики дифракционной реплетки нижнего монохро-
матора; круговая шкала 63, вращающаяся синхронно с поворотом реплики
. .' раакционном речи .••;и верхнего монохроматора; лампа подсветки
ini а пл; барашек 61 для одновременного открытия входной щели 28
:рвс. ХП.З, б) и выходной щели 32 верхнего монохроматора; барашек 64
регулировки ширины входной щели 5 (рис. ХП.З, а) нижнего монохро-
чагори; бапашек 66 для регулировки диаметва полевой диафрагмы 11
ipnc. ХП.З, о); ручка 62 для изменения скорости поворота реплики
дифракционной решетки верхнего монохроматора. Положение ручки 62
на цифре 1 соответствует повороту реплики дифракционной решетки от
узора до упора за 12 мин, на цифре 2 — за 3 мин, на цифре 3 — за
1,5 мин.
Поворот реплики дифракционной решетки верхнего монохроматора
про::шопятся с помощью электродвигателя, который после достижения
маг-чматьного угла поворота (20') автоматически выключается. Деления
на круговой шка те 63 соответствуют углам поворота реплики дифрак-
ционной решетки верхнего монохроматора. Переводделений шкалы в длины
вою: производится по специальной таблице. Под предметным столиком 69
гут.. ХП.З, а) находится поворотная призма 9 (рис. ХП.З, о), имеющая
три Фиксированных положения, при которых осуществляется или визуаль-
ное наблюдение и фотографирование, или фотометрирование, или наблю-
ден,:? :• фазовокоптрастпым устройством.
Поперечное перемещение столика осуществляется автоматически от
редуктора, расположенного под кожухом 58, с возвратом в исходное
положение в течение 7 сек. При возвратном движении столика заго-
рается сигнальная лампа на боковой стенке пульта. Горячая лампа сиг-
нализирует но только о возвратном движении столика, но и о включен-
ном электродвигателе клина. Перо электронного самопишущего потенцио-
метра в этом случае прочеркивает прямую линию. При таком положении
столика нельзя производить фотометрирование ко спектру.
Режим поперечного перемещения столика изменяется вращением
рукоятки, расположенной на левой боковой стенке корпуса столика и
закрытой хромированным колпачком 55, который при установке величины
перемещения столика следует отвернуть. Рукоятка снабжена делениями
от Одо 10, соответствующими величине перемещения от Одо 0,1 м.м.
333
Продольное перемещение предметного столика производится враще-
нием барабанчика. Цена деления барабанчика соответствует величине
перемещения столика на 0,0005 мм. Над столиком устанавливают салазки
56 с объективом. Каждый объектив из комплекта вставлен в салазки,
которые имеют центрировочное устройство. Барашком 56 осуществляют
перемещение фотометрического клина.
На передней панели кожуха 58 расположена рукоятка 57, враще-
нием которой можно включить в рабочую ветвь оптической системы одно
из сменных вогнутых зеркал 15 (рис. XII.3, а) со световым отверстием
диаметром 0,07, 0,2 или 1 мм (в зависимости от размера объекта) или
фотоокуляр 22 (рис. XII.3, а).
Использование трехпольной фотокамеры совместно с хромоскопом
МУФ-2Х, входящим в комплект установки МУФ-5, позволяет применить
метод цветной трансформации по Брумбергу. Этот метод представляет
интерес при фотографировании ультрафиолетовой флюоресценции, для
изучения которой в дополнение к монохроматору в приборе предусмотрен
набор специальных светофильтров. Последние модели МУФ-5 снабжаются
интегрирующим устройством.
2. Инфракрасные микроскопы и насадки
Применение инфракрасных лучей открывает новые возможности иссле-
дования органических и неорганических микрообъектов. Многие палеон-
тологические образцы, например окаменевшие насекомые в янтарной массе,
бактерии в коралловых отложениях и др., могут быть успешно исследованы
в инфракрасном свете без нарушения их целостности.
Известно, что рудные минералы (молибденит, эрагонит, антимонит,
блеклые руды, сульфоантимонит свинца, буланжерит, джемсонит и др.)
непрозрачны в видимой области спектра, но пропускают ближнее инфра-
красное излучение. Это дает возможность вести диагностику и определять
в таких минералах соосность, спайность, углы оптических осей, пока-
затели преломления, особенности внутреннего строения (зоны роста,
двойники и т. п.), а также ряд других индивидуальных кристаллических
и оптических признаков.
Электрические свойства монокристаллов кремния существенно зависят
от наличия в них различных включений и прочих дефектов. Наблюдение
в инфракрасном свете позволяет выявить эти дефекты. Аналогичным обра-
зом можно обнаружить дефекты в сульфидных и селенидных бескислород-
ных темных стеклах, граница пропускания которых находится в пределах
длин волн от 800 до 1200 нм.
Для исследования объектов в области длин волн от 750 до 1200 нм
применяют как инфракрасные микроскопы, так и инфракрасные насадки
к обычным микроскопам.
Микроскоп инфракрасный МИК-4 предназначен для
исследования полупроводников, минералов, темных стекол, зоологиче-
ских, палеонтологических и других объектов в инфракрасных лучах
спектральной области 0,75—1,2 мкм.
Основное преимущество микроскопа МИК-4 перед ранее выпускав-
шейся моделью заключается в возможности исследования объектов в поля-
ризованном свете и применения метода коноскопирования. Применяя сто-
334
лик Федорова, под микроскопом можно производить измерения оптических
констант в инфракрасном поляризованном свете.
Под микроскопом можно производить визуальное наблюдение и
фотографирование в инфракрасных проходящих и отраженных неполя-
ризованных лучах в светлом и темном поле; в проходящих поляризован-
ных инфракрасных лучах при ортоскопическом и коноскопическом ходе
лучей; в видимом проходящем и отраженном неполяризованном свете
в светлом и темном поле; в видимом проходящем поляризованном свете
при ортоскопическом ходе лучей.
Преобразование инфракрасного изображения в видимое достигается
с помощью ЭОПа типа П-4.
Фотографирование изображения объекта на пленку размером 24 х
X 36 мм производится с помощью микрофотонасадки МФН-12 с камерой
«Зоркий-4» и на фотопластинку размером 6,5x9 см.
Для работы в проходящем свете в видимой и инфракрасной областях
спектра применяются объективы для длины тубуса 160 мм: а) в поля-
ризованном и неполяризованном свете 3,5x0,10 (ОМ-ЗП); 9 X 0,20
(ОМ-2П); 60 X 0,85 (О2-60П); б) в неполяризованном свете 10 X 0,30
(ОМ-5); 20 х 0,8 (ОС-20).
В неполяризованных лучах инфракрасной области спектра приме-
няется зеркально-линзовый объектив масляной иммерсии 75 X 1,0
(ОРМ-75ИК).
Для работы в отраженном свете в видимой и инфракрасной областях
спектра применяются объективы, рассчитанные на длину тубуса 190 мм:
9X0,20; 21X0,40; 40x0,65; 95x1,0.
Окуляры для визуального наблюдения: Гюйгенса 5х, 8х; компенса-
ционные 7х, 15х; ортоскопический 28х.
В табл. XII.1 приведены увеличения микроскопа.
Таблица XII. 1
Увеличения микроскопа МИК-4 в крат
1 1 Способ приема энергии i Проходящий свет Отраженный свет
инфра- красный видимый инфра- красный видимый
! Визуальное наблюдение 44-—5260 20—1080 94—5520
I Фотографирование с насадкой ! МФН-12 20—657 10—250 46—648 22—315
Фотографирование без насадки 12—261 16—540 26—275 36—712
П римс ч а и и с. Увеличение при фотографировании с насадкой МФН-12 с эк-
! X X
। рапа ЭОПа 3—-1х . Увеличение системы при наблюдении экрана ЭОПа 6—33,6 .
__ _
В комплект прибора входят конденсоры с числовой апертурой 1,2
и ОИ-Ю для исследования в неполяризованных видимых и инфракрасных
лучах и конденсоры с апертурами 0,22 и 0,85 для исследования в поля-
ризованном свете.
335
При работе с объективами 3,5х0,1; 9x0,20 и 10x0,30 и конденсором,
имеющим числовую апертуру А = 1,2, с конденсора свинчивается фрон-
тальная линза и его апертура становится равной 0,3.
Освещение объекта в проходящих лучах осуществляется следующим
образом (рис. XII.4, а). Коллектор 2 при выключенном .зеркале 6 с по-
мощью зеркала 23 изображает источник света 1 (йодная лампа КИМ-10 X 90)
в плоскости апертурной ирисовой диафрагмы 21 сменного конденсора 17
в масштабе 15х. Одновременно конденсор 17 изображает нолевую диа-
фрагму 5 на исследуемом объекте, а ирисовую диафрагму конденсора —
во входном зрачке объектива. При наблюдении объектов з проходящих
лучах применяются сменные конденсоры 18, 19 и 22.
При освещении объекта сверху, т. е. когда наблюдение ведется в отра-
женном свете, в ход лучей включается зеркало 6', которое направляет
лучи света на осветительную линзу 7. Линза 7 проектирует даваемое кол-
лектором 2 изображение источника света 1 в плоскость ирисовой диа-
фрагмы 8, а полевую диафрагму 5 с помощью призмы 9 -на оправу
линзы 10, которую в случае создания светлого поля бифокальная линза 11
совместно с объективом 16 (при выключенной пластинке 12 :t включенной
светоделительной пластинке 14) проектирует на объект. Фокусное расстоя-
ние линзы 7 выбрано такой величины, чтобы источник света 1 одновременно
изобразился в плоскости ирисовой диафрагмы конденсора 17 ч с помощью
линзы 7 — в плоскости диафрагмы 8, не производя персф жуспроскн к>''.'-
лектора.
Обе линзы бифокального компонента 11, линза 10 и светоделчтельная
пластинка 14 проектируют апертурную диафрагму и изображение в ней
источника света при выключенной пластинке 12 в плоскость выходного
зрачка эпиобьек'1 ива 16.
Чтобы осуществить освещение по методу темного поля при падающем
свете, линза 10 рассчитана таким образом, что опа дает мнимое изображе-
ние диафрагмы 8 в фокальной плоскости большой линзы бифокального
компонента 11.
Пучок параллельных лучей, вышедших из кольцевой части прозрачной
диафрагмы 12 после отражения от кольцевого зеркала 13 и параболи-
ческого зеркала эпиобъектива, концентрируется па предмете. При этом
диафрагма 8 должна быть полностью открыта.
При исследовании в видимой области спектра и проходящем свете
объектив 16 и зеркало 26 проектируют изображение объекта в фокальную
плоскость окуляра 25 монокулярного тубуса микроскопа. При исследова-
нии в инфракрасном излучении зеркало 26 выключается и изображение
объекта с помощью проекционного окуляра 31 и зеркала 32 передается
на фотокатод электронно-оптического преобразователя 29. Далее изобра-
жение объекта на экране преобразователя проектируется зеркалом 28
и объективом 27 с увеличением 1,2х в фокальную плоскость окуляра 25.
Включая в ход лучей находящийся под конденсором 18 соответствующий
поляризатор 20 и анализатор 24 над объективом, можно вести наблюде-
ние в поляризованном инфракрасном или в видимом свете. Для коноско-
пического исследования вместо окуляра 31 в ход лучей включается проек-
ционная оптическая система 30, передающая изображение выходного зрач-
ка объектива на фотокатод электронно-оптического преобразователя 29
в масштабе 3х.
336
. Скворцов
s
Рис. XII.4. Оптическая схема микроскопа МИК-4 (а) и его общий вид (б)
7
Рис.
г
XII.5. Оптическая схема
насадки НИК-1
Длина тубуса микроскопа равна 190 мм. Чтобы использовать микро-
объективы, рассчитанные на длину тубуса 160 мм, при исследовании
объектов в проходящем свете, одновременно с объективами 16 в ход лучей
включается ахроматическая отрицательная линза, перебрасывающая изо-
бражение объекта, даваемое этими объективами в масштабе 1,1х, в ту же
плоскость, в которую проектируется изображение объекта, передаваемое
объективами, рассчитанными на длину тубуса 190 мм. Следовательно,
при исследовании объекта в отраженном свете, когда применяются объек-
тивы, рассчитанные на длину тубуса 190 мм,
ахроматическая линза 15 должна быть вы-
ключена.
Бифокальная линза 11 склеена из двух
простых плоско-выпуклых линз, из которых
малая линза имеет наружный диаметр 14.им,
а большая линза — световой диаметр 22 мм.
Обе линзы взаимно отцентрированы. Падая
на такую бифокальную линзу, пучок лучей
расчленяется на две части. Центральная
часть пучка, прошедшая через малую линзе,
используется для создания освещения объек-
та по методу светлого поля. Наружная же
часть пучка, вышедшая из большой линзы
в виде полого цилиндра со световым сече-
нием, равным 4 мм, используется для обра-
зования темного поля; центральная часть
пучка, как вредная для контраста изобра-
жения, задерживается непрозрачным экра-
ном кольцевой диафрагмы 12, которая вклю-
чается в ход лучей для создания эффекта
темного поля и выключается при настройке
освещения по методу светлого поля.
При фотографировании на фотопленку
24;.-'36.и.и или фотопластинку 6,5x9 см. как
в неполяризованных лучах в инфракрасной и
в поляризованных, так и
видимой областях спектра зеркала 32 и 13 выключаются и изображение
объекта окуляром 31 или системой 30 проектируется на пленку или пла-
стинку 33.
При фотографировании изображения с экрана электронно-оптического
преобразователя или в видимом свете применяется микрофотонасадка
МФН-12, закрепляемая на монокулярной насадке. В этом случае фото-
графирование производится с фотоокулярами 7х и 10 , которые устанав-
ливаются в монокулярную насадку.
Для повышения контрастности изображения служат съемные свето-
фильтры 4. Непосредственно за коллектором 2 расположен теплофильтр 3.
предохраняющий микроскоп от теплового воздействия источника света.
На рис. XII.4, б приведен общий вид микроскопа. В микроскоп вхо-
дят следующие основные части: основание 34 с осветителем, корпус 38
с устройством для установки электронно-оптического преобразователя и
механизмами грубой и микрометрической подачи; тубус 37; предметный
столик 35 на кронштейне; корпус 40 с механизмом перемещения конден-
338
соров; фотокамера 36 (6,5X9 см); блок 39 питания лампы КИМ-10Х90
и электронно-оптического преобразователя.
Микроскоп снабжен двумя столиками. Столик 35 круглый, имеет вра-
щение на 360 и применяется для работы в поляризованном свете, другой
столик — с двухкоординатным перемещением.
В настоящее время разработаны две насадки к биологическим и поля-
ризационным микроскопам. Первая из них НИК-1—упрощенная — при-
Рис. XI 1.6. Насадка НИК-1 с комплектом поляризационных
принадлежностей и блоком питания
меняется для визуального просмотра. Вторая насадка НИК-3 — универ-
сальная — предназначена главным образом для исследования оптических
кристаллов.
Преобразование инфракрасного изображения в видимое в насадках
осуществляется с помощью электронно-оптического преобразователя
типа П-4.
На рис. XI 1.5 приведена оптическая схема насадки НИК-1- Изобра-
жение объекта объективом 1 микроскопа после отражения от зеркала 3
проектируется на фотокатод ЭОПа 4. Видимое изображение на экране
ЭОПа рассматривается с помощью сменных луп 5 и 6 с увеличением соот-
ветственно 4 х и 8х. Инфракрасный светофильтр 2 из стекла ИКС2 уста-
навливается между объективом и ЭОПом. Для наблюдения объектов
в инфракрасных поляризованных лучах применяются специальные поля-
ризационные фильтры.
Насадка НИК-1 с комплектом поляризационных принадлежностей
для инфракрасных лучей и блоком питания показана на рис. XII.6.
В корпусе насадки 13 сверху винтами крепится узел 1 для установки
преобразователя. Наблюдение за экраном производится с помощью смен-
ных луп 2. Заслонка 12 предохраняет фотокатод ЭОПа от постороннего
света. Инфракрасный светофильтр устанавливается в оправе 9. Поляри-
затор 3 и анализатор 4 применяются при исследованиях в поляризованных
инфракрасных лучах на биологических микроскопах МБР-1, МБР-3,
МББ-1 и МБИ-11. Поляризатор 5 и анализатор 10 применяются при
22*
339
10
Рис. XI 1.7. Оптическая схема насадки НИК-3
Опорная п/шжсть насадки
(мин-8, мдд-1, мди -11)
работе с поляризационным микроскопом МИН-8. Анализатор имеет пово-
рот на 90° и шкалу с отчетом через 5°. Поляризатор 6 для инфракрасных
лучей ставится на микроскопы МИН-8 и МИН-10 вместо обычного поляри-
затора. Он может также поворачиваться на 360°. Отсчет снимается по угло-
вой шкале с ценой деления 5°. Поляризатор 7 применяется с дорожным
поляризационным микроскопом МПД-1, а анализатор 11 с микроскопами
МПД-1 и МБН-10. Блок 8
служит для питания преоб-
разователя высоковольтным
напряжением от сети 220 в.
На рис. XII.7 представ-
лена схема оптики насадки
НИК-3. Насадка применяет-
ся с микроскопами МИН-8.
МББ-1,МБИ-11 и др. Ахро-
матическая линза 1 в верх-
нем положении работает с
микроскопами МББ-1 и
МБИ-11. Линза 8 коноскопи-
ческой системы работает с
микроскопом МИН-8, собст-
венное увеличение коноско-
пической системы для МИН-8
составляет 1,5Л. Линза 6 ко-
носкопической системы имеет
фокусировку вдоль оптичес-
кой оси в пределах ±0,5 мм
относительно исходного поло-
жения диафрагмы 7, которая
вместе с изображением вы-
ходного зрачка объектива
проектируется при помощи
линзы 8 и зеркала 9 на фото-
катод преобразователя 11.
При ортоскопическом наблю-
дении в инфракрасном изл\-
и 8 в ход лучей могут вклю-
чаться проекционные окуляры А К-3 и др.
Если зеркало 9 выключить, то изображение можно сфотографировать
на фотопластинку 10. Экран ЭОПа рассматривается с помощью дополни-
тельной оптической системы, состоящей из зеркала 12, объектива 13.
имеющего увеличение 1,2х, и визуального окуляра 5х. Пользуясь
светоделительной пластинкой 4 и окуляром 5, можно производить наблю-
дения непосредственно в видимой области спектра.
При исследовании в поляризованном свете в ход лучей включается
анализатор 3. Для повышения контрастности наблюдения применяются
светофильтры 2.
ания
чении вместо системы
340
Глава XIII
МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ
Металлографические микроскопы предназначены для контроля каче-
ства металлов и сплавов и исследования их структуры. Так как металлы
являются непрозрачными объектами, в отличие от биологических, в боль-
шинстве своем прозрачных объектов, то и конструкция металлографиче-
ских микроскопов существенно отличается от конструкции биологических
микроскопов.
Металлографические микроскопы применяются главным образом
в металлургической промышленности и в машиностроении. Если в метал-
лургической промышленности исследуются в основном шлифы, вырезан-
ные соответствующим образом из отобранных слитков, то в машинострое-
нии структура металла исследуется также непосредственно на деталях.
Качество металла в металлургической промышленности оценивается
двумя способами: 1) по величине зерна структурных составляющих, при
этом определяются склонность его к росту, кинетика роста, величина
фактического зерна после горячей деформации или любой термической
обработки; 2) по количеству загрязнений путем определения размеров
включений и их количества на квадратный миллиметр. Загрязнения
в металле могут быть различного происхождения, в том числе и неметалли-
ческие.
Оценка качества металлов производится по так называемым балльным
шкалам путем сравнения изображения шлифа металла с серией микрофото-
графий стандартных образцов.
Размер структурных зерен и включений (загрязнений) может коле-
баться в значительных пределах. Определенной величине зерна присваи-
вается номер. Так, например, номер зерна 14 по ГОСТу 5639—65 соот-
ветствует диаметру зерна 2,7 мкм, номер 0—0,352 мм, а номер 3—1 мм.
.Минимальный размер загрязнения, подлежащий учету, составляет
0,5 мкм.
Колебания размеров зерен и включений требуют применения различ-
ных увеличений металлографического микроскопа. Альбомы балльных
шкал составлены для определенного ряда увеличений, обычно при диа-
метре поля изображения 80 мм, поэтому увеличение металлографических
микроскопов должно соответствовать стандартным увеличениям, при
которых выполнены балльные шкалы, т. е. 100, 200, 300, 500, 600, 800
и 1000х. Для определения величины крупных зерен номеров 3—Отребуются
увеличения 25 и 50х.
Специфические особенности металлографических шлифов предъявляют
определенные требования к конструкции металлографических микроско-
пов. Так как шлиф непрозрачен и обладает мелкой структурой, то для
обнаружения ее необходимы микрообъективы с большим увеличением,
т. е. с малым фокусным расстоянием и, следовательно, с небольшим рабо-
чим расстоянием. Небольшое рабочее расстояние микрообъектива не позво-
ляет осветить объект с необходимой апертурой освещающего пучка, иду-
щего с внешней стороны объектива. Для освещения объекта через микро-
объектив необходимо специальное устройство — опак-иллюминатор,
341
в котором в ход лучей микроскопа вводится светоделительная пластинка,
отражающая свет от источника света в объектив и пропускающая свет,
отраженный от объекта. При этом теряется значительная часть света и
в окуляр может пройти не больше 25% падающего от источника света
потока при его 100-процентном отражении от объекта. Обычно металли-
ческие шлифы отражают значительно меньше света и в окуляр попадает
лишь незначительная часть светового потока, падающего на шлиф. Боль-
шие потери света в осветительной системе микроскопа и небольшой коэф-
фициент отражения рассматриваемого объекта требуют введения в осве-
тительную систему мощного источника света, особенно если необходимо
обеспечить микрофотографирование.
При исследовании шлифов с малым коэффициентом отражения доля
рассеянного света от осветительной пластинки линз объектива может
быть значительной по отношению к прошедшему полезному пучку, поэтому
для уменьшения рассеянного света линзы объектива должны быть просвет-
лены.
Объективы, предназначенные для работы с металлографическими
микроскопами, в отличие от объективов для биологического микроскопа,
должны быть рассчитаны без покровного стекла. Для уменьшения рассеян-
ного света стенка корпуса иллюминатора, расположенная за светодели-
тельной пластинкой, должна быть наклонена к оси иллюминатора, чтобы
отраженный от нее свет не попадал в окуляр микроскопа.
Так как на столик микроскопа могут устанавливаться довольно тяже-
лые объекты, в конструкции металлографических микроскопов механизм
точной фокусировки с целью его разгрузки действует не на перемещение
столика, а на перемещение объектива.
Грубое перемещение фокусировки микроскопа достигается подъемом
предметного столика. Чтобы при фокусировке микрообъектива не изме-
нялась длина тубуса микроскопа, объектив металлографических микро-
скопов рассчитывается на длину тубуса, равную бесконечности. Для рас-
сматривания изображения в конструкцию микроскопа вводится тубусная
линза, которая переносит изображение в свой задний фокус. Фокусное
расстояние тубусной линзы металлографических микроскопов выбирается
исходя из конструктивных соображений и стандартных увеличений. Обыч-
но в металлографических микроскопах принято фокусное расстояние тубус-
ной линзы 200 и 250.иж.
Большинство работ с металлографическим микроскопом ведется в свет-
лом поле, однако в некоторых случаях, как, например, для определения
границ зерен, обнаружения мелких включений, коэффициент отражения
которых близок к отражению основного материала, весьма полезно вести
наблюдение в темном поле. Для обнаружения неметаллических включе-
ний, многие из которых обладают анизотропией, необходимо предусмо-
треть в конструкции микроскопа возможность наблюдения в поляризо-
ванном свете.
Кинетика зерен, структурных приращений требует введения в кон-
струкцию металлографического микроскопа фотографической камеры.
Для обнаружения под микроскопом на микрошлифах структурных
составляющих, обладающих ферромагнетизмом, применяются два метода
магнитной металлографии—метод магнитного коллоида и метод магнитной
пасты. При этом на поверхность шлифа наносится слой либо магнитного
342
коллоида, приготовленного по специальному рецепту, либо магнитной
пасты; в обоих случаях поверхность шлифа должна быть строго гори-
зонтальна и не должна соприкасаться с поверхностью столика микроскопа.
Для этой цели обычные металлографические микроскопы непригодны
и требуются микроскопы с нижним расположением предметного столика
и объективом, расположенным над столиком.
Для серийного контроля изделий из сталей и сплавов в металлурги-
ческой промышленности требуются металлографические рабочие микро-
скопы с верхним расположением предметного столика, фотокамерой раз-
мером 9x12 см и просмотровым столиком, которые должны обеспечивать
максимальное удобство наблюдателю и не вызывать его утомления при
длительной работе в течение всей смены; те же микроскопы, предназна-
ченные для работы в машиностроении, не требуют механизации просмо-
трового столика. Для всесторонних исследований металлов как в металлур-
гической промышленности, так и в машиностроении требуются универсаль-
ные исследовательские металлографические микроскопы, позволяющие
весги исследования всеми существующими методами.
Для контроля и исследования больших деталей, а также для быстрых
прикидочных поверок могут быть использованы упрощенные металлогра-
фические микроскопы с нижним расположением столика и без фотокамеры.
Конструкция основания упрощенного микроскопа должна позволять
устанавливать его непосредственно на детали. Эти типы микроскопов пред-
назначены для обычных повседневных контрольных и исследовательских
работ.
В связи с интенсивным развитием ракетостроения и космической
техники большой интерес представляет изучение свойств металлов и спла-
вов при высоких температурах и весьма малом атмосферном давлении под
воздействием различных нагрузок. Решение этой сложной задачи связано
с необходимостью создания соответствующей аппаратуры и наблюдатель-
ных оптических систем. Большие работы по созданию установки для иссле-
дования металлов при высоких температурах в вакууме под воздействием
растягивающих, сжимающих и изгибающих нагрузок проводятся в Инсти-
туте машиноведения под руководством М. Г. Лозинского. Разработанная
им установка для этой цели под шифром ИМАШ выпускается в серийном
производстве [201.
Вторым новым направлением металлографического микроскопострое-
ния является сознание микроскопов с дистанционным управлением для
изучения влияния у-излучения на ряд физико-механических свойств мате-
риалов и особенно металлов. Эти микроскопы должны позволять произ-
водить комплекс металлографических исследований образцов в условиях
надежной защиты наблюдателя от действия радиоактивности.
Особые требования, предъявляемые к таким микроскопам в отноше-
нии предохранения исследователя от у-излучения, приводит к необходимо-
сти создания дистанционного управления всеми операциями, производи-
мыми на приборе, с применением автоматики и телемеханики. Наблюда-
тельная часть и органы управления таких приборов размещаются в спе-
циальном помещении, защищенном от радиации объектов. С другой сто-
роны, орган дистанционного управления должен быть снабжен системой
автоблокировочных устройств с четкой фиксацией функциональной дея-
тельности включенного в работу конкретного механизма прибора.
343
Дистанционное управление, рабочими движениями стола, механизмами фо-
кусировки, переключения увеличений и другими подвижными элементами
прибора должно осуществляться с большой точностью и отличаться надеж-
ностью и стабильностью. Особенно высокие требования предъявляются
к механизму точной фокусировки, который должен обеспечивать плавность
движения и возможность остановки в заданном положении в пределах
глубины резкости высокоапертурных микрообъективов с точностью до
десятых долей микрометра. К наиболее оригинальным приборам, решаю-
щим ряд сложных задач, следует отнести универсальный исследователь-
ский микроскоп МИМ-14-1 и микротвердомер ПМТ-4, обладающий высо-
кими метрологическими свойствами. Конструкция таких микроскопов-
должна предусматривать возможность дезактивации.
1. Металлографические микроскопы для обычных работ
Упрощенный микроскоп ММУ-3 с нижним расположе-
нием столика предназначен для визуального наблюдения непрозрачных
объектов в светлом и темном поле и в поляризованном свете. При исследова-
нии больших плоских или цилиндрических деталей микроскоп может
устанавливаться непосредственно на их поверхности и закрепляться с по-
мощью приспособлений, вставляемых в Т-образные пазы, имеющиеся
в основании прибора. В этом случае предметный столик снимается с микро-
скопа. В микроскопе применяются эпиобъективы ОЭ-4, ОЭ-2 и ОЭ-1 и
окуляры Гюйгенса 10х (с сеткой и шкалой), ортоскопический окуляр
12,5х и компенсационный 16х.
На рис. XIII.1, а приведена схема оптики микроскопа. Осветительная
система имеет упрощенную конструкцию. При работе в светлом поле источ-
ник света 1 (лампа накаливания СЦ61) с помощью коллектора 2 изобра-
жается на бесконечности, а затем линзой 4 и светоделительной пластинкой
10 — в плоскости выходного зрачка эпиобъектива 11 в масштабе 6Х
Световые лучи, пройдя объектив, концентрируются в плоскости объекта 12.
Отразившись от поверхности объекта, лучи снова проходят объектив,
светоделительную пластинку 10, тубусную линзу 8 и дают изображение'
объекта в фокальной плоскости окуляров 7 бинокулярной насадки. Ири-
совая диафрагма 5 выполняет функцию апертурной диафрагмы. При работе
в темном поле включается пластинка 6 и на место линзы 4 и диафрагмы 5
устанавливается диафрагма 14, центральная зона которой непрозрачна.
В этом случае свет, пройдя кольцевую диафрагму 14, отражается от
кольцевого зеркала бив виде полого цилиндра направляется на парабо-
лический отражатель 13, который концентрирует пучок лучей на объекте.
При установленном в качестве объекта шлифе лучи, диффузно отражен-
ные на границах структурных составляющих, попадают в эпиобъектив
и в поле зрения микроскопа они изображаются светлыми на общем темном
фоне. Для работы в поляризованном свете в ход лучей вводятся поляри-
зационные светофильтры—поляризатор 15 и анализатор 9. Установленный
в осветительной системе теплофильтр 3 предохраняет микроскоп от нагрева,
а светофильтры 16 повышают контрастность исследуемого объекта.
Общий вид микроскопа приведен на рис. XIII.1, б.
Пределы перемещения предметного столика в продольном направле-
нии составляют 40 мм, в поперечном направлении — 20 мм. Величина
344
Рис. XIII. 1. Оптическая схема микроскопа ММУ-3 (а) и его общий вид (б)
перемещения столика отсчитывается по шкалам и нониусам с точностью до
0,1 мм. Пределы перемещения корпуса микроскопа в вертикальном направ-
лении с помощью механизма грубой подачи составляют 30 мм и механизма
микрометрической фокусировки — 2,5 мм. Цена деления шкалы бара-
бана механизма микрометрической фокусировки равна 0,002 мм. Макси-
мальная высота объекта 45 мм.
Микроскоп может применяться также для исследования магнитной
фазы. При необходимости фотографирования может быть применена обыч-
ная микрофотонасадка типа МФН.
Микроскоп ММР-2 является рабочей моделью с верхним распо-
ложением сменного столика. Он предназначается для серийного контроля
и фотографирования микроструктуры шлифов, металлов и сплавов в свет-
лом поле при прямом и косом освещении, в темном поле и в поляризован-
ном свете. Комплект оптики позволяет получить стандартные увеличения
микроскопа при визуальном наблюдении в бинокулярную насадку, при
рассматривании изображения на демонстрационном экране и при фото-
графировании объектов на светочувствительную пластинку 9 12 см или
пленку 24 X 36 мм.
В табл. XII 1.1 и XIII.2 даны шифры применяемых объективов и оку-
ляров, а также увеличения микроскопа при визуальном наблюдении и
фотографировании с тубусной ахроматической линзой, фокусное расстоя-
ние которой f = 200 мм.
Оптическая схема микроскопа показана на рис. XIII.2, а. Освети-
тельная система выполнена по принципу Кёлера. В случае освещения по
методу светлого поля коллектор 2 и призма 4 проектируют источник
света 1 (ОП12-ЮО) в плоскость апертурной ирисовой диафрагмы 6, кото-
рая линзами 7, 10, зеркалом 8 и светоделительной пластинкой 17 изобра-
жается в масштабе 5х вблизи опорной плоскости объективов 13, где
располагаются выходные зрачки этих объективов. Одновременно линза 7,
зеркало 8 и пластинка 17 изображают оправу коллектора в плоскости
ирисовой диафрагмы поля зрения 9 в масштабе 0,3х. Эта диафрагма 9
расположена в переднем фокусе ахроматической линзы 10 и, следова-
тельно, проектируется последней на бесконечность, а затем с помощью
светоделительной пластинки 17 и объектива 13, выполняющего в данном
случае роль конденсора, — на исследуемый объект 14. Отразившись от
объекта, лучи вновь проходят через объектив микроскопа и выходят из
него параллельными пучками. Пройдя светоделительную пластинку 17,
лучи попадают на тубусную линзу 20, которая сводит их с помощью
зеркала 22 и системы призм бинокулярной насадки 21 в фокальную пло-
скость окуляров. Косое освещение достигается смещением с оптической
оси апертурной диафрагмы 6.
В случае освещения по методу темного поля ахроматическая линза 10
выключается из хода лучей и вместо нее включается линза 12, на централь-
ной части которой нанесен круглый непрозрачный экран диаметром 14 ,м.и.
Линза 12 рассчитана таким образом, что ее передняя фокальная плоскость
совмещена с мнимым изображением апертурной диафрагмы, даваемым
линзой 7. Выходя из прозрачного кольца линзы 12, параллельные пучки
лучей попадают на кольцевое зеркало темного поля 16 и, отразившись
от него, направляются на параболический отражатель 15, который кон-
центрирует пучки лучей в плоскости объекта. При наблюдении объектов
346
Таблица X III. 1
Увеличения и поля зрения микроскопа ММР-2
при визуальном наблюдении
Об? ек! ивы Увеличение с тубусной линзой /' 2и0 .ил в крат Окуляры
АКШ-Ю АКШ-12.5 АКШ-16 АКШ-20
or _ I j invdx я Хи — | эинэыигэя^ Диаметр по- ' ля зрения , 21 — 18 мм в мм | 1 ! 11 21 — 15 мм 1! И-Ц В 11 Диаметр по- 1 ля зрения j 21 — 9 мм в мм
Увел ичение в крат aS g g - M s к Увеличение в крат Диаметр по- ля зрения в мм Увеличение в крат
ОПХ-1 8 80 2,3 100 2 148 1,5 160 1,12
1 )Э-7 12,5 125 1,4 156 1,2 200 0,96 250 0,72
(ГХ5 31.75 318 0,5 397 0,47 508 0,38 635 0,28
‘.'11X11 50 500 0,36 625 0,3 800 0,24 1000 0,18
Таблица XIII.2
Увеличения на фотопластинке 9X12 см и пленке 24X36 см
Объективы Ок уляры Смещение опорной плоскости окуляра в мм Собствен- ное уве- личение окуляра в крат Увеличе- ние на пластин- ке в крат Размер изобра- жения на плас- тинке в мм Увеличе- ние линзы в крат Увеличе- ние на пленке в крат
ОПХ-11 .4 = 0,25 АКШ-16 — 1.2 13,1 105 157 0,46 48
()Э-7 16; 4 0.3 Г 20 х —0,8 16,7 209 150 0,46 96
ОЭ-5 / -6,3; .4 -0.65 Г 12,5х —2,3 9,3 295 140 0,46 136
АКШ-16 — 1,2 13,1 416 157 0,46 191
ОПА-11 /' -4; .4 -0,85 Г -= 12,5х -2,3 9,3 470 140 0,46 216
АКШ-25 —0,5 21,7 1085 170 0,46 500
347
Рис. XIII.2 Оптическая
схема микроскопа ММР-2 (а).
348
в темпом поле выходящие из объектива дифрагированные лучи проходят
через свободное отверстие кольцевого зеркала 18 и далее следуют по тому
же направлению, как и лучи, создающие изображение объекта в светлом
поле. При наблюдении в поляризованном свете в ход лучей вводятся поля-
ризатор 11 и анализатор 19.
Для предохранения от чрезмерного нагрева оптики прибора за коллек-
тором располагается теплофильтр 3. Светофильтры 5, служащие для повы-
шения контрастности изображения, смонтированы на общей планке.
При наблюдении изображения объектива на экране 25 тубусная линза
и зеркало 22 выключается и в ход лучей вводится телеобъектив 23,
его кинематическая схема (б) и общий вид (в, г)
349
направляющий лучи в фотоокуляры 24, которые укреплены на револьвере.
Включенный в систему фотоокуляр 24 проектирует с помощью зеркал 21
и 26 изображение объекта на экран 25. При фотографировании в ход лучей
вместо зеркала 27 включается призма 28, которая направляет лучи на
пластинку 31 фотокамеры 9x12 см или с помощью проекционного объек-
тива 29 передается на пленку 30 фотокамеры «Зоркий-4».
На рис. XIII.2, б дана кинематическая схема прибора. Она обеспечи-
вает перемещение предметного столика с автоматическим и полуавтомати-
ческим управлением в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Реверсивный двигатель 32 вращает диск 33 с постоянной скоростью
8,8 об/мин. Вращение диска 33 через фрикционную пару — шарики 34
и валик 35 — и косозубчатую цилиндрическую пару 36 передается на
фрикционный релаг 37 с заданной скоростью, устанавливаемой переме-
щением шариков 34 по диску 33. Фрикционный релаг обеспечивает пере-
мещение предметного столика по координатам X и Y.
При перемещении столика по координате X движение передается через
цилиндрическую зубчатую пару 38, винт 41, кардан 42 с фрикционной
муфтой 43, коническую зубчатую пару 45, кардан 42, коническую зубча-
тую пару 46 и винт 47. При автоматическом управлении столиком можно
прервать его движение по координате X в любой точке.
При перемещении столика по координате Y движение передается через
цилиндрическую пару 58, винт 55, кардан 54, косозубчатую цилиндриче-
скую пару 53, коническую зубчатую пару 51, кардан 50, зубчатую пару 49
и винт 48.
При автоматическом перемещении предметного столика по коорди-
нате X в крайнем его положении гайка 40 через один из концевых выключа-
телей 39 размыкает цепь. При этом система автоматического регулирова-
ния переключает фрикционный релаг 37 на перемещение столика ио коорди-
нате Y на один шаг (1,2 мм), после чего кулачок 59 через концевой выклю-
чатель 60 прерывает движение столика по оси Y. Система автоматического
регулирования снова переводит фрикционный релаг 37 на перемещение
столика по оси X, но в обратном направлении. Пройдя 30 мм по коорди-
нате X, предметный столик снова переместится по координате Y на одна
шаг и т. д. Так будет продолжаться до тех пор, пока гайка 56 с помощью
одного из концевых выключателей 57 не прервет движение столика. Соот-
ветствующим переключением на пульте управления осуществляется пере-
мещение столика в обратном направлении по координате Y или переме-
щение его в полуавтоматическом режиме. Перемещение столика вручную
в двух взаимно перпендикулярных направлениях достигается вращением
барабанов 44 и 52 при отключенных карданах.
На рис. XIII.2, в, где приведен общий вид прибора, 61 — микроскоп;
62 — предметный столик с автоматическим и полуавтоматическим управле-
нием; 70 — пульт, который соединяется с микроскопом карданами 54.
Микроскоп (рис. XIII.2, г) состоит из основания 86, корпуса 85,
головки 83, осветительного устройства 89 с рукояткой 78 для фоку-
суровки коллектора и бинокулярной насадки 84. В корпусе 85 раз-
мещены микрометрический механизм и диск 76 (рис. XII 1.2, в) со
сменными фотоокулярами. Сверху на корпусе 87 расположен фотозат-
вор 80, обеспечивающий выдержки от 1 до 1/250 сек и выдержку, уста-
навливаемую от руки. На корпусе затвора и апертурной диафрагмы
350
имеются кольцо 81 установки выдержек, кольцо 79 установки диаметров
апертурной диафрагмы и индекс, который служит для установки выдержек
и диафрагмы. Предметный столик 82 с ручным управлением перемещается
в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Величина перемещения
отсчитывается по шкалам и нониусам столика. Пределы перемещения
в продольном направлении составляют 0—30 мм, в поперечном направле-
нии — 0—20 мм\ точность отсчета 0,1 мм. Углы поворотов столика отсчи-
тываются по лимбу в пределах 0—360° с точностью 2,5°. Перемещение
столика по высоте осуществляется с помощью рукоятки 63 (рис. XIII.2, в),
а его фиксация — с помощью рукоятки 88. Предметный столик 62 (рис.
XIII.2, в) с автоматическим и полуавтоматическим управлением не может
поворачиваться вокруг вертикальной оси, поэтому при исследовании
объектов в поляризованном свете не применяется. Пределом перемещения
столика по координате X является 30 мм, по координате Y — 20 мм,
точность отсчета составляет 0,1 мм. Автоматическое перемещение столика
в двух взаимно перпендикулярных направлениях может осуществляться
на нормальной и замедленной скорости. При замедленной скорости пере-
мещения столика точка объекта перемещается от одного края поля зре-
ния до другого за 7—8 сек, при нормальной скорости — за 3—4 сек.
Предметный столик с автоматическим и полуавтоматическим управле-
нием устанавливается на кронштейне вместо столика с ручным управле-
нием. Автоматическое управление столиком 62 (рис. XIII.2, в) осуще-
ствляется с пульта 70 через карданы 54, барабан 44, муфту 75, зубчатую
карданную передачу. Перемещение предметного столика 62 вручную
может осуществляться вращением барабанов 44 и 52 при отключенных
карданах 54. На пульте 70 расположены все элементы для автоматиче-
ского управления предметным столиком. Сверху корпус пульта закрыт
панелью, на которую выведены рукоятки управления.
На панели расположены переключатель 66, который в зависимости
от выбранного увеличения микроскопа устанавливается в пять положе-
ний; при этом перемещение столика по координате Z осуществляется со
скоростями 36, 24, 15, 9,5 мм/мин, которым соответствуют увеличения
микроскопа 100, 200, 300, 500 и 1000х; тумблер 65 с гравировкой «сеть»,
предназначенный для пуска двигателя; тумблер 64, устанавливаемый
в положение «авт» при автоматическом управлении столиком или в поло-
жение «ручн» при полуавтоматическом управлении; переключатель 74
остановки движения столика по оси при автоматическом управлении;
тумблер 72 для переключения направления движения столика по осп
с прямого на обратный ход; лампы 73 и 71, сигнализирующие об оконча-
нии соответственно прямого и обратного просмотра; рукоятка 69 и тумб-
лер 67, служащие для полуавтоматического управления столиком; кноп-
ка 68 для замедления движения столика. Питание прибора при работе
с автоматическим предметным столиком производится от сети переменного
тока 220 в, 50 гц. Потребляемая мощность 130 вт.
Микроскоп ММР-2 выпускается как автоматический для серийного
контроля в металлургии и с ручным управлением для применения в маши-
ностроении.
.Металлографический исследовательский
м и к р о с к о п МИМ-8М предназначен для наблюдения и фотографиро-
вания микроструктуры металлов и других непрозрачных объектов.
351
Исследование объектов можно производить в светлом поле при прямом
и косом освещении, в темном поле, а также в поляризованном свете и мето-
дом фазового констраста.
На рис. XIII.3, а дана оптическая схема микроскопа. Для исследова-
ния объектов в светлом поле осветительная система выполнена по принципу
Кёлера (см. гл. IV). Коллектор 2 при выключенной линзе 4 изображает
источник света / (лампа накаливания К-30 мощностью 170 вт) в плоскости
ирисовой апертурной диафрагмы 6. Линзы 8, 9 и 12 и светоделительная
пластинка 18 проектируют апертурную диафрагму и изображение в ней
источника света в плоскость выходного зрачка сменного объектива 16.
Полевая диафрагма 10, с которой сопряжена оправа коллектора, располо-
жена в фокальной плоскости склеенного компонента 12 и проектируется
последним на бесконечность и затем с помощью объектива 16 — в плоскость
объекта 14. Объектив 16 работает в данном случае как конденсор. Для
получения косого освещения применяется призма 13, состоящая из приз-
мы-ромба и склеенной с ней прямоугольной призмы со скошенными боко-
выми отражающими гранями. Такая конструкция призмы позволяет
расположить ее выходную грань на расстоянии не более 9 мм от опорной
плоскости объектива и тем самым избежать появления бликов от поверх-
ностей линз объектива (см. гл. VIII).
При настройке освещения по методу темного поля коллектор 2 пере-
мещают ближе к источнику света для того, чтобы спроектировать послед-
ний.с помощью линзы 4 в апертурную диафрагму; затем включают в ход
лучей кольцевую диафрагму 11 и полностью раскрывают полевую диа-
фрагму 10. Тогда прямой свет в объектив не попадает, а свет, отраженный
кольцевым зеркалом 17, направляется эпиконденсором 15 па объект 14
.(см. рис. IV.23).
Рис. XIII.3. Оптическая схема микроскопа
.'352
МИМ-8М (а) и его общий вид (б, в)
23
Г. Е. Скворцов и др.
353
Изображение объекта, даваемое объективом, проектируется на бес-
конечность и с помощью дополнительной линзы 19 с фокусным расстоя-
нием 250 мм и призм 24, 25 переносится в фокальную плоскость окуляра 26
визуального тубуса. При исследовании объектов в темном поле полупро-
зрачная пластинка 18 выключается из хода лучей. Чтобы передать изоб-
ражение, даваемое объективом, на пластинку 23 фотокамеры, выключают
линзу 19 и призму 24 и включают призму 20 с линзой 21, установленные
в фототубусе на одной оправе, и гомал 22 или проекционный окуляр.
Исследование методом фазового контраста в светлом поле осуществ-
ляется посредством фазового контрастного устройства КФ-3, установ-
ленного между фотокамерой и микроскопом вместо фототубуса 40 (рис.
XIII.3, в). Оптическая схема КФ-3 приведена рис. XIII.3, а. В пло-
скости апертурной диафрагмы 6 осветительной системы устанавливается
кольцевая диафрагма 7, которая проектируется линзами 8, 9, 12 и пла-
стинкой 18 в плоскость, расположенную недалеко от опорной плоскости
объективов и в непосредственной близости от фокальных плоскостей этих
объективов. Поскольку фокальные плоскости у разных объективов рас-
положены на различных расстояниях от их опорной плоскости, то и изо-
бражения фазовых колец осветительной системы через эти объективы
также не будут совпадать друг с другом. Чтобы осуществить совмещение
изображения фазовых колец осветительной системы с фазовыми пластин-
ками 28, устанавливаемыми в наблюдательном тубусе, и одновременно
обеспечить передачу изображения объекта в фокальную плоскость визу-
ального окуляра 29 или на фотопластинку с помощью проекционного оку-
ляра 30, оптическая система фазовоконтрастного устройства выполнена
в виде дублета А + Б (см. гл. XVIII).
В микроскопе применяются следующие объективы для исследования:
а) в светлом и темном поле — ахроматы ОХ-23, ОХ-14, ОХ-6, апохроматы
ОС-16 и ОС-8; б) в светлом поле — ахромат ОХ-3, апохроматы ОС-4
и ОС-3; в) в темном поле — апохромат ОС-ЗТ.
Ниже приведены увеличения объективов при использовании фазово-
контрастного устройства.
Объектив...........ОХ-3 ОС-3 ОС-4 ОХ-6 ОС-8 ОХ-14 ОС-16
Увеличение в крат . . 63 63 41 28,5 21 12,7 11,2
В комплект окуляров входят AM-25, AM-24, AM-26, AM-13, АМ-14,
AM-27, AM-16, AM-30, АМ-31, М-10 и М-11.
Увеличения микроскопа при визуальном наблюдении могут быть полу-
чены в пределах от 80 до 1350х. Для фотографирования применяются
гомалы ОН-6, ОН-7 и ОН-8 (рис. VIII. 43), дающие масштаб изображе-
ния от 100 до 2000х. Увеличения микроскопа при наблюдении с устрой-
ством КФ-3 составляют 100—940х.
Размеры фотопластинок 9x12 см и 13X18 см; размеры пленочного
кадра 24x36 мм. Пределы растяжения фотокамеры 160—600 мм.
Общий вид прибора показан на рис. XIII.3, б, в. На массивной опти-
ческой скамье 32, расположенной на столе 31, смонтированы осветитель-
ное устройство 38, микроскоп 34, фотокамера 33. На стойке 36 перед
осветительным тубусом 35 размещен диск 37 с четырьмя светофильтрами 5
(рис. XIII.3, а) и матовым стеклом. Здесь же в отверстие стойки устапавли-
354
г
вается теплофильтр. Непосредственно за коллектором на рейтере нахо-
дится откидная линза 4, которая свободно перемещается по оптической
скамье и включается в осветительную систему при освещении объекта по
методу темного поля. Внутри осветительного тубуса 35 перед линзой 12
расположена выдвижная рамка 48 с полевой и кольцевой диафрагмами.
Вращением рукоятки 50 устанавливается требуемая величина отверстия
полевой диафрагмы. Центрировка полевой диафрагмы достигается двумя
винтами 47. Смещение апертурной диафрагмы с оптической оси обеспе-
чивается вращением винта 49. Призма косого освещения 13 и светодели-
тельная пластинка 18 включаются в систему и выключаются из нее посред-
ством рукоятки 41. Рукоятка 52 служит для переключения линзы 19
с призмой 24 и линзы 21 с призмой 20 в случае перехода от визуального
наблюдения к фотографированию и наоборот. При работе в поляризован-
ном свете с помощью рукоятки 39 включается анализатор 27 под свето-
делительной пластинкой 18. Поляризатор устанавливается перед апертур-
ной диафрагмой. Чтобы предохранить микроскоп от теплового излучения,
исходящего от лампы К-30, включается кювета 3.
Микроскоп снабжен двумя столиками: предметным 44 и объективным 42.
В корпусе 51 микроскопа расположены механизмы грубой и микрометри-
ческой подачи предметного столика. Грубая подача производится рукоят-
кой 53, микрометрическая подача — барабанчиком 54, снабженным шка-
лой и индексом для отсчета. По конструкции предметный столик является
универсальным. Верхняя его часть имеет крестообразное перемещение
в направляющих. Весь столик может центрироваться винтами 46 и вра-
щаться на корпусе относительно вертикальной оси. Угол поворота фикси-
руется по шкале столика. Для перемещения обычных препаратов приме-
няются клеммы 45. Для крепления малоустойчивых объектов к столу
прикладываются специальные устройства и дополнительные металлические
вкладыши.
Объективный столик имеет два опорных кольца, из которых внутрен-
нее применяется для установки объективов 43, внешнее для конденсоров
темного поля и отметчика. На микроскопе могут быть установлены моно-
кулярная и бинокулярная насадки. С левой стороны к корпусу микроскопа
монтируется фототубус 40.
Исследовательский металлографический
микроскоп МИМ-9 является современной универсальной моделью
металлографического микроскопа. На микроскопе можно осуществить
визуальное наблюдение с бинокулярной насадкой, на демонстрационном
экране, фотографирование микроструктуры непрозрачных объектов. Иссле-
дования объектов проводятся в светлом поле при прямом и косом освеще-
нии, в темном поле, в поляризованном свете, методом фазового контраста
и интерференционного контраста. Микроскоп позволяет производить
исследование изломов (фрактография), а также оценивать шлифы по балль-
ным шкалам. Комплект оптики микроскопа обеспечивает получение стан-
дартных увеличений при визуальном наблюдении (табл. XIII.3), фото-
графировании объектов на пластинку 9х 12 см и 13Х 18 см (табл. XIII.4)
и на пленку 24x36 мм фотокамерой «Зоркий-4».
Предметный столик перемещается в продольном и поперечном направ-
лениях до 15 мм, цена деления шкал перемещения столика 1 мм, точность
отсчета 0,1 мм, пределы поворота 0—360°, цена деления шкалы углов
23*
355
Таблица X111.3
Увеличения микроскопа МИМ-9
при визуальном наблюдении в крат
Увели- чение ш ирокоугольные окуляры
Объективы (планапохроматы и планахроматы) с тубус- ной линзой г = = 250 мм £ Ч! II " L. X £ " АКШ-10 Г = 10Х; 2Z = 18 .’.ьи АКШ-12,5 Г = 12,5Х: 2/ = 15 мм АКШ-16 Г=16Х; 2Z — 12 мм АКШ-20 Г—20Х; 2Z —9 мм АКШ-25 Г = 25Х; 2Z — 8 мм
ОПХ-11 /' = 25; 4 = 0,25 10 80 100 125 160 200 250
/=16; 4 = 0,3 15,6 125 156 195 250 302 390 !
/'=10; 4 = 0,4 25 200 250 312 400 500 i 625
/' = 6,3; 4 = 0,65 39,7 318 397 496 635 794 993
ОПА-И /'=4,0; 4 = 0,85 62,э 394 625 780 1000 1250 1560
ОПА-12 /' = 2,5; 4 = 1,25 100 630 1000 1250 1600 2000 2500
/'=1,6; 4 = 1,3 156 983 1560 1950 2500 3120 3900
/'=130; 4 = 0,04 — 19,2 24 30,7 1
поворота 2,5°. Диапазон перемещения по вертикали (автоматический)
60 мм. Максимальная нагрузка на столик 5 кГ. Питание лампы произ-
водится от блока питания через пульт управления.
Исследовательский микроскоп МИМ-9 отличается от микроскопа
МИМ-8М наличием планахроматических и планапохроматических объекти-
вов со стандартным увеличением на демонстрационном экране, автоматиче-
ской установкой экспозиции при фотографировании, автоматическим
подъемом предметного столика и сменными источниками света.
На рис. XII 1.4, а показана оптическая схема микроскопа. Осветитель-
ная система рассчитана по принципу Кёлера.
Коллекторы 3 и 2 проектируют соответственно источник света Г и 1
(лампы ОП12-ЮО и ДКСШ-200) в плоскость ирисовой апертурной диа-
фрагмы 5, световой диаметр которой может меняться от 2 до 11 мм. Зер-
кало 4 включается в ход лучей с лампой ДКСШ-200. Смещая апертурную
диафрагму 5 с оптической оси и вращая ее, можно создать косое освеще-
356
Таблица XIII.4
Увеличения микроскопа МИМ-9 при фотографировании
Объективы Окуляры Начальное положе- ние камеры Конечное положе- ние камеры Увеличе- ние на пленке 24x36 мм с окуля- ром АМ-12 в крат
Увели- чение в крат Размер изобра- жения в мм Увели- чение в крат Размер изобра- жен и я В Мм
/' = 25; А :Д),25 AM-18 95 152 195 312 24
_ — —
г-- iG; .4=0,3 АКШ-16 197 149 402 304 37,4
AKII1-16 310 149 632 304 95,3
/' - 10; 4 -0.4 — —
АМ-1Ь 400 144 797 287 __
АМ-14 506 105 1000 208
Г 1; .4 --0,85 — — — —
AM-16 1000 144 2000 287 i
ние объекта. Величина смещения диафрагмы оценивается по шкале и
индексу. Линзы 7, 9 и 12 проектируют ирисовую апертурную диафрагму
вблизи опорной плоскости 18 сменных объективов 20, где расположены
выходные зрачки этих объективов. Линзы 7 и 9 проектируют оправы кол-
лекторов в плоскость полевой диафрагмы 10, которая расположена в фо-
кальной плоскости ахроматической линзы 12 и проектируется последней
на бесконечность, а затем с помощью объектива 20 — в плоскость объекта.
Линза 13 включается одновременно с объективом 22 для получения малого
увеличения. Диаметр отверстия полевой диафрагмы можно изменять
от 4 до 11 мм. Применяемые при исследовании объектов по методу фазо-
вого контраста световые кольца 6 или 8, помещенные вблизи апертурной
диафрагмы, проектируются линзами 7, 9 и 12 в выходной зрачок соответ-
ствующего объектива.
Для наблюдения объектов в темном поле включается кольцевая диа-
фрагма (на рисунке не показана), расположенная на одной каретке с поле-
вой диафрагмой 10. Из конструктивных соображений линза 12 крепится
на стеклянной пластинке 11.
Кольцевое зеркало 17 отклоняет падающие на него лучи на параболои-
дальную отражающую поверхность осветителя темного поля 19, который
концентрирует свет на исследуемый объект. При работе в поляризованном
свете в ход лучей включаются поляризатор 14 и анализатор 23.
Призма 15 включается в систему для получения косого освещения
объекта. Светоделительная пластинка 16 отклоняет световые лучи при
357
130>-SC
Рис. XIII.4. Оптическая схема микроскопа МИМ-9 (а) и его общий вид (б)
358
работе в светлом поле на 90 направляя их в объектив 20. При работе в тем-
ном поле и при косом освещении (с включенной призмой) светоделительная
пластинка 16 выключается.
Компенсационная кварцевая пластинка 21 (первого порядка, красная)
/ . X \
или вместо нее компенсационная слюдяная пластинка ( А =^р) вклю-
чаются при наблюдении и измерениях в поляризованном свете. При
работе по методу фазового контраста включается встроенное фазовокон-
трастное устройство 24, 25, 26 и 28. В этом случае линзы 24 проектируют
выходной зрачок объектива и изображения световых диафрагм 6 и 8
в плоскость, где расположены фазовые пластинки 27. Призмы 25 и 26
введены в систему для сокращения габаритов микроскопа. Для рассма-
тривания фазовых колец в фокальной плоскости окуляров бинокулярной
насадки 33 служит линза Бертрана 32.
При фотографировании вместо зеркала 29, передающего изображение
объекта с помощью линзы 30 и призмы 31 в визуальный тубус ми-
кроскопа, включается призма 34, направляющая лучи на ахромати-
ческую линзу 35 фототубуса, которая с помощью проекционного оку-
ляра 37, установленного на определенном расстоянии от опорной плоско-
сти 36, создает изображение объекта на фотопластинке фотокамеры 45
или при включении зеркала 40 и линзы 41 — на пленке 43 фотокамеры
«Зоркий-4». Между окуляром и фотокамерой расположена призма-куб 38
со свстоделительным покрытием. Эта призма часть лучей пропускает
насквозь, а другую часть лучей отражает на линзу 39, которая собирает их
на фотокатод фотоэлектронного умножителя для автоматического опре-
деления экспозиции. При фотографировании объектов в фототубусе при-
меняются затворы 42 и 44. Растяжение меха камеры 45 составляет 200 мм.
При включенных зеркалах 40 (вместо кубика 38), 46 и 47 изображение
объекта проектируется на экран 48. Включая в ход лучей зеркала 49
и 50, можно наблюдать изображения со стандартными увеличениями.
.Между зеркалом 4 и апертурной диафрагмой 5 включаются сменные свето-
фильтры и теплофильтр.
Прибор состоит из двух основных частей (рис. XIII.4, б): микро-
скопа с осветителем Г, стола 2 с блоком питания ламп и блоком автомати-
ческого фотоэкспонометра. Микроскоп представляет собой литой корпус,
внутри которого смонтированы основные оптические узлы прибора.
Сверху на корпусе помещается столик.
На передней стенке микроскопа расположен тубус, в который уста-
навливается бинокулярная насадка. Вместо бинокулярной насадки может
устанавливаться монокулярная насадка или насадка с окуляр-микро-
метр ом.
При фотографировании со стандартными увеличениями наводка на
резкость производится по визуальному тубусу с окуляром. Фотографи-
рование при увеличениях больше стандартных производится с предвари-
тельной наводкой на резкость изображения объекта по матовому экрану,
в центральной части которого имеются прозрачный, кружок и миллиме-
тровая шкала. При работе с большими увеличениями рекомендуется рас-
сматривать изображение на матовом экране с помощью лупы 6х. При
фотографировании без автоматического экспонометра используются тро-
сики, открывающие фотозатворы с помощью рычажной системы.
359
2. Микроскопы с дистанционным управлением
для исследования радиоактивных материалов
Микроскоп МИМ-14-1 предназначен для исследования струк-
туры металлов и их сплавов в так называемых горячих камерах. Микро-
скоп позволяет производить визуальное наблюдение и фотографирование
объектов в светлом поле при прямом и косом освещении, в темном поле,
а также в поляризованном свете.
Микроскоп обеспечивает фотографирование объектов па пластинки
9х 12 см и 13 X 18 см с общим увеличением 100, 200, 400, 600, 1000 и 1200 '.
Эти увеличения достигаются определенным сочетанием объективов ОХ-23,
ОХ-14, ОХ-6 и ОС-4 с тремя различными проекционными системами и
тубусной линзы с фокусным расстоянием 250 мм. Оптические детали объек-
тивов и оптической системы, расположенной непосредственно в камере,
должны быть изготовлены из стекла, стойкого к у-излученшо. Оптика
визуальной системы, расположенная вне камеры, может быть изготовлена
из обычного стекла. Визуальное наблюдение осуществляется примерно
с теми же увеличениями, как при фотографировании.
Управление механизмами микроскопа осуществляется дистанционно
через пульт управления. Шкалы и сигнальные лампочки, вынесенные на
переднюю панель пульта управления, позволяют контролировать поло-
жение исследуемого образца относительно оптической оси объектива и сле-
дить за положением механизмов микроскопа.
На рис. XIII.5, а приведена оптическая система микроскопа. Осве-
тительная ее часть аналогична схеме МИМ-8М и отличается от последней
наличием двух плоских зеркал 7 и И, создающих некоторую перископич-
ность, обусловленную конструкцией камеры, в которой расположен микро-
скоп. Источник света 1 (лампа накаливания К-30 мощностью 170 вт)
с помощью коллектора 2 при выключенной линзе 3 темного поля проекти-
руется на ирисовую апертурную диафрагму 5 и затем вместе с ней посред-
ством линз 6, 8, 13, зеркал 7,11а. светоделительной пластинки 15 или
призмы косого освещения 14 (при освещении по методу светлого поля)
изображается в плоскости выходного зрачка объектива 18 или вблизи ее.
Ирисовая полевая диафрагма 9 с помощью ахроматической линзы 13,
укрепленной на стеклянном диске 12, проектируется на бесконечность
и объективом 18, работающим как конденсор, переносится в плоскость
объекта. Для исследования в поляризованном свете в ход лучей вклю-
чаются поляризатор 20 и анализатор 19. Перед апертурной диафрагмой
расположен диск со светофильтрами 4, служащими для повышения кон-
трастности изображения объекта. Для исследования объекта в темном поле
коллектор 2 перефокусируется, в ход лучей включаются линза 3 темного
поля, кольцевая диафрагма 10, полностью раскрывается апертурная диа-
фрагма 5, далее вводится кольцевое зеркало 16 и параболический отра-
жатель 17.
Тубусная линза 21 с фокусным расстоянием [' — 250 мм расположена
над прямоугольной призмой 22, которая может поворачиваться на 90е
вокруг вертикальной оси микроскопа и направлять световые лучи в двух
направлениях: а) в фотографический тубус, состоящий из коллектива 23,
дополнительной ахроматической линзы 24, проекционной системы пере-
менного увеличения 25, плоского зеркала 26, фотопластинки 35; б) в визу-
360
альный тубус, содержащий прямоугольные призмы 27 и 30, коллективы 28
и 31, призму 32, оборачивающие системы 29, 33 и сменный окуляр 34.
На рис. XIII.5, б приведен внешний вид прибора МИМ-14-1. Прибор
состоит из микроскопа 36, пульта управления 37, блока питания 38.
В корпусе микроскопа находятся компоненты оптической системы
и механизмы обслуживания: предметный столик с приводными механиз-
мами; узлы смены лампы К-30, диафрагм, светофильтров, поляроидов,
системы освещения; механизмы смены увеличений, микроподачи; меха-
Рис. XIII.5. Опти-
ческая схема ми-
кроскопа МИМ-14-1
(а) п его общий
вид (б)
низм переключения изображения объекта с визуального тубуса на фото-
камеру. Снаружи корпуса, на специальной площадке основания, смонти-
ровано переносное устройство для установки образца на столик микро-
скопа.
Предметный столик предназначен для установки на нем
исследуемого образца и перемещени51 последнего относительно оптической
оси объектива при просмотре. Движение столика с образцом относительно
оптической оси при просмотре осуществляется автоматически по спирали
Архимеда, обеспечивающей просмотр всей поверхности шлифа. Кроме
того, для просмотра выбранной точки объекта в поляризованном свете
361
столик может вращаться вокруг оптической оси. Углы поворота столика
при вращении отсчитываются по шкале на пульте управления. Цена
деления шкалы 2°, оцифровка через 20°.
Движение столика по спирали Архимеда достигается путем вращения
столика и одновременного перемещения его по радиусу от двух само-
стоятельных двигателей. Управление этими двигателями осуществляется
от отдельных генераторов, возбуждение которых результируется функцио-
нальными потенциометрами. Такое управление позволяет обеспечить
постоянную линейную скорость при просмотре любой точки спирали
Архимеда. Для возвращения образца в нулевое положение кратчайшим
путем (разворот столика и перемещение его по радиусу с увеличенной
скоростью) на пульте управления имеется кнопка «возврат на ноль».
Механизмы столика позволяют производить прямой и обратный просмотр
как по спирали Архимеда, так и по радиусу, а также осуществлять вра-
щение столика вокруг оптической оси. Средняя скорость перемещения
столика при просмотре обеспечивает прохождение точки шлифа от одного
края поля зрения окуляра до другого приблизительно за 4 сек. Изменения
скорости в пределах 10% можно достигать путем изменения шага спирали
Архимеда или скорости движения по спирали.
С целью уменьшения вибрации столика все его механизмы смонти-
рованы на специальном чугунном кронштейне, закрепленном на основа-
нии прибора, и соединяются через карданные передачи с приводными меха-
низмами, установленными на нижней части основания прибора. Оста-
новка приводных механизмов столика может быть осуществлена в любой
момент просмотра или вращения образца. Управление этими движениями
осуществляется с пульта управления соответствующими кнопками: «про-
смотр прямой», «просмотр обратный», «просмотр по радиусу» и «стопу.
Узел смены системы освещения представляет собой
ряд сблокированных механизмов, приводимых в действие от одного при-
водного движения. Управление механизмом сводится к нажатию кнопки
«вид освещения», расположенной на пульте управления.
Механизм смены увеличений позволяет нажатием кнопки «увеличе-
ние» на пульте управления устанавливать в рабочее положение объектив
требуемого увеличения с соответствующей проекционной фотосистемой
и их смену. Переключатель, связанный с механизмом, изменяет скорость
перемещения столика микроскопа в соответствии с установленным уве-
личением.
Механизм м и к р о п о д а ч и объективов служит для
фокусировки на резкость изображения образца. Установленная резкость
при визуальном наблюдении сохраняется при переключении на фотогра-
фирование. Механизм имеет две скорости микроподачи: большую при силь-
но размытом изображении объекта и меньшую — при приближении
к плоскости резкого изображения. Включение, изменение скорости, ревер-
сирование и выключение двигателя микроподачи осуществляются при
помощи установленной на пульте управления рукоятки «фокусировка»
с кнопочным переключателем скорости.
Механизм крепления объекта автоматически закрепляет гильзу с иссле-
дуемым образцом в специальном гнезде предметного столика. Механизм
срабатывает при подходе «механической руки», попеременно закрепляя
или освобождая гильзу.
362
Узел диафрагм включает в себя механизмы апертурной и полевой
диафрагмы, приводимые в действие от одного двигателя через двойную
электромагнитную муфту. Управление этими механизмами производится
с помощью соответствующих кнопок «апертурная диафрагма» и «полевая
диафрагма», расположенных на пульте управления.
Механизм переключения изображения объекта с визуального тубуса
на фотокамеру и наоборот приводится в действие движением вручную
с помощью рукоятки, которая через ряд зубчатых передач и карданный
валик осуществляет поворот призмы 22 (рис. XII 1.5, а).
Механизм смены осветительной лампы К-30 обеспечивает автомати-
ческое переключение перегоревшей лампы на запасную. При перегорании
нити рабочей лампы автоматически включается механизм, приводимый
в действие от электродвигателя переменного тока. Механизм поворачи-
вает диск с установленными на нем тремя осветительными лампами до
подхода одной из запасных ламп в рабочее положение. Выключение меха-
низма происходит автоматически, как только запасная лампа встает в рабо-
чее положение. Конструкция микроскопа и электрическая схема дистан-
ционного обслуживания обеспечивают необходимые блокировки, исклю-
чающие исполнение ошибочных команд управления.
Узел смены светофильтров содержит диск с тремя светофильтрами
н прозрачной пластинкой. Вращение диска осуществляется от двигателя
СД-2, включение которого производится с помощью кнопки «светофильтр»,
расположенной на пульте управления.
Механизм поляроидов служит для включения в оптическую систему
микроскопа поляфильтров (анализатора и поляризатора) при просмотре
образца в поляризованном свете. Механизм поляроидов приводится в дей-
ствие электромагнитом переменного тока при нажатии на пульте кнопки
«поляризованный свет».
Дистанционный микротвердомер ПМТ-4 предназ-
начен для определения микротвердости радиоактивных материалов. Отли-
чительной особенностью прибора ПМТ-4 является надежная защита иссле-
дователя от воздействия радиоактивных излучений.
Прибор имеет дистанционное управление, допускающее подачу команд
исследователем со значительного расстояния. Все механизмы и система
управления этим микроскопом обладают высокой точностью и надежно-
стью. Конструкцией прибора предусмотрена чувствительность нагружаю-
щего устройства 0,7 Г (наименьшая нагрузка, при которой пирамида
оставляет отпечаток на образце). Система блокировочного устройства обес-
печивает четкую фиксацию функциональной деятельности включенного
в работу конкретного механизма прибора. Прибор обеспечивает совпаде-
ние вершины алмазной пирамиды с интересующей исследователя точкой
испытуемого объекта в пределах 3 мкм.
Установка исследуемого объекта под микроскоп, перемещение объекта
в иоле зрения, смена лампы накаливания и регулировка освещения, нагру-
жение алмазной пирамиды гирями для производства накола, накол, грубая
и точная фокусировка осуществляются дистанционно и автоматически
при помощи электромеханизмов (электродвигателей и электромагнитов)
с пульта управления, расположенного вне камеры. Микротвердомер
ПМТ-4 обладает повышенной точностью измерения благодаря введению
механизма автоматического погружения алмазной пирамиды.
363
Оптическая система микротвердомера ПМТ-4 состоит из специального
осветителя, систем визуального наблюдения и фотографирования.
Осветительная система позволяет вести наблюдение объектов в светлом
и темном поле. На рис. XIII.6, а показан ход лучей при исследовании объ-
екта в темном поле. Коллектор 2 изображает источник света 1 в беско-
нечности. Центральная часть пучка лучей, вышедших из коллектора,
задерживается непрозрачным экраном кольцевой диафрагмы 5. Световые
лучи, прошедшие через прозрачное кольцо диафрагмы 5, после отражения
от зеркала 6 темного поля попадают на параболическое зеркало 10 объ-
ектива 8, которое концентрирует их на поверхности объекта.
Рис. XIII.6. Оптическая схема микроскопа ПМТ-4 с ходом лучей при исследовании
объектов в темном поле (а) и в светлом поле (б)
При работе в светлом поле (рис. XIII.6, б) выключаются из хода лучей
кольцевая диафрагма 5, зеркало 6 и включаются пластинка светлого поля 21
и светоделительная пластинка 7. В этом случае коллектор 2 и линза 4
проектируют источник света в выходной зрачок объектива 9. Одновременно
линза 4 изображает оправу коллектора в бесконечности, а затем с помощью
объектива 9, работающего как конденсор, — на объекте. Отразившись от
объекта, световые лучи снова поступают в объектив 9, проходят тубуспую
линзу 11 и, отразившись от призмы 12, создают изображение объекта
в плоскости коллектива 13. Линзы 14 оборачивающей системы и призма 15
проектируют промежуточное изображение объекта в фокальную плоскость
винтового окулярного микрометра 20, служащего для измерения длины
диагонали отпечатка, получаемого на образце после внедрения в объект
алмазной пирамиды. Разворотом призмы 15 окулярная часть прибора
выведена из плоскости чертежа. Винтовой окулярный микрометр снабжен
защитным стеклом 19 и двумя сетками, из которых одна — неподвижная.
Для увеличения контраста наблюдаемого объекта в осветительной системе
предусмотрен набор светофильтров 3. В случае необходимости фотогра-
364
фирования исследуемого объекта в ход лучей включается зеркало 16,
которое совместно с гомалом 17 переносит изображение объекта в пло-
скость фотопленки 18. Измерительный окулярный микрометр и фотона-
садка с пленочной камерой 24x36 мм выведены наружу из камеры.
В приборе применяются два эпиобъектива ОЭ-23 (f = 23,17, А = 0,17)
и ОЭ-6 (/' - 6,16, А — 0,65), которые дают при визуальном наблюдении
с винтовым окулярным микрометром МОВ-1-15 увеличение 130х и 487л
и при фотографировании с гомалом ОН-6 соответственно увеличение 35х
и 130х. Все оптические детали прибора (за исключением окулярной части)
изготовлены из с текла, стойкого к радиоактивным излучениям.
Рис. XIII.7. Общий вид микроскопа ПМТ-4
Общий вид прибора показан на рис. XIII.7. Прибор состоит из трех
основных частей: микроскопа 1, оборачивающей системы с окуляром и
фотонасадкой 2, пульта управления 3. На основании прибора, закрытом
защитным кожухом (крышка 4 кожуха на рис. XIII.7 приподнята), рас-
положены основные узлы микроскопа: тубус с элементами оптической
системы и механизмом алмазной пирамиды, предметный столик с механиз-
мами его перемещения и поворота и механизмом фокусировки. Тубус
микроскопа содержит механизмы смены объективов, светофильтров,
перегоревшей лампы осветителя и вида освещения. На нем также крепится
механизм погружения алмазной пирамиды.
На рис. XIII.8 показана схема автоматического узла нагружения
прибора. Вдавливание алмазной пирамиды 17 в исследуемый образец про-
исходит вследствие опускания штока 10 с грузами 0,5; 5; 10; 20; 50; 100
и 200 г.
Нагружение штока любым из этого ряда значений грузов осуще-
ствляется при помощи малогабаритного двигателя СД-2, приводящего
во вращение торцевой кулачок 15, перемещающий посредством валика 14
365
Рис. XIII.8. Схема автоматического узла нагруже-
ния прибора
стакан 16 с расположенными на его внутренних полочках грузами 13,
которые при опускании стакана насаживаются на конические заплечики
штока 10, проходящего через стакан и подвешенного на пружинном па-
раллелограмме 18. Нагруженный шток 10 опускается двигателем СД-2,
вращающим кулачок 4, который приводит в движение каретку 2. С карет-
кой 2 связан винт 1 арретира 11, регулирующий начальное положение
штока 10 и удерживающий его в этом положении до начала движения
каретки 2 вниз. При опускании каретки шток 10 снимается с арретира 11,
и под действием заданной нагрузки алмазная пирамида 17 внедряется
в испытуемый образец. В это
время кулачок 4 размыкается
с ведомым роликом 3, закреп-
ленным на каретке 2. При
подъеме каретки 2 шток 10
вновь захватывается аррети-
ром 11 и возвращается в ис-
ходное положение. После
этого двигатель, вращающий
кулачок 4, останавливается.
С целью уменьшения влияния
инерционных сил, возникаю-
щих в процессе движения
штока 10, в механизме преду-
смотрен частично уравнове-
шивающий вес штока груз 12,
перекинутый через блок 9.
Установка всего механизма
на направляющей 5 по высоте
осуществляется при помощи
винта 6 грубого перемещения
и винта 7 с клином 8 тонкого
перемещения.
Для автоматизации процесса работы по определению микротвердости
в конструкции прибора имеются следующие механизмы:
1. Механизмы вращения предметного столика, осуществляющие по-
ворот предметного столика в три фиксированных положения: в крайнее
правое (со стороны наблюдателя) положение — для установки испытуе-
мого образца, в среднее положение (оно является исходным) — для про-
смотра образца и выбора места на поверхности для нанесения отпечатка
и в крайнее левое положение, где производится внедрение алмазной пира-
миды.
2. Механизмы координатного перемещения предметного столика,
с помощью которых производятся наводка на резкость изображения
испытуемого образца, просмотр всей его поверхности и совмещение инте-
ресующей наблюдателя точки объекта с визирной осью микроскопа. Диапа-
зон перемещения столика в горизонтальной плоскости вдоль осей X и Y
равен 15 мм, а в вертикальной плоскости вдоль оси Z — 0,5 мм. Скорость
перемещения столика может быть изменена в процессе просмотра объекта.
Большая скорость обеспечивает просмотр всего объекта, малая скорость —
выбор точки на исследуемом объекте. Перемещение столика осущест-
366
вляется с помощью приводов, выполненных в виде двух самостоятельных
агрегатов. Механизм фокусировки предметного столика имеет большую и
малую скорость. Большая скорость применяется, когда изображение
объекта сильно размыто, малая скорость — при приближении к пло-
скости резкого изображения объекта.
3. Механизмы, осуществляющие смену увеличений и освещения.
Смена увеличений достигается переключением эпиобъективов. При мень-
шем увеличении производятся просмотр поверхности исследуемого образца
и поиск интересующих наблюдателя участков поверхности, а при большем
увеличении — измерения размеров отпечатков, полученных от внедрения
при определенной нагрузке алмазной пирамиды в интересующие наблю-
Рис. ХП1.9. Общий влд пресса
дателя участки поверхности испытуемого образца. Смена освещения
(переход от освещения в светлом поле к освещению в темном поле) осуще-
ствляется переключением светоделительной пластинки 7 (рис. XIII.6).
На рис. XIII.9 представлен общий вид пресса. На основании пресса
расположены ударный механизм 2 и поворотный стол 5. Гнезда стола
обеспечивают определенное положение патрона 3 с гильзой под бойком
ударного механизма 2. Штырь 4 служит для поворота стола пресса с по-
мощью механической руки «горячей камеры» и установки его под ударный
механизм. Конструкция пресса позволяет производить как запрессовку
гильзы в патрон 3, так и ее распрессовку. Для срабатывания пресса нажи-
мается кнопка/, расположенная у окна камеры. По окончании запрессовки
образца в гильзу должна загореться сигнальная лампочка 6, находящаяся
также у окна камеры. После этого с помощью манипулятора с запрессо-
ванным в него объектом гильза устанавливается на столик микроскопа.
При промывке камеры, а также по окончании работы пресс закрывается
защитным кожухом 1.
367
Важнейшей частью прибора ПМТ-4 является его электрическая схема.
Она предоставляет оператору, находящемуся вдали от камеры, следую-
щие возможности:
1) наблюдая за сигнальными лампочками и шкалами сельсинов, рас-
положенными на пульте управления, получать информацию о том, вклю-
чен или выключен прибор, в каком из трех положений находится предмет-
ный столик с образцом, какое увеличение оптической системы установлено,
какой вид освещения включен, какая нагрузка установлена на шток меха-
низма нагружения, каковы значения координат точки образца, совме-
щенной в данный момент с центром поля зрения;
2) с помощью кнопок, переключателей и рукояток, установленных на
пульте, перемещать столик в положение «образец», где производятся уста-
новка и смена образца; запрессовывать образец в гильзу с помощью пресса;
перемещать столик в положение «просмотр»; фокусировать с одной из
двух имеющихся в приборе скоростей; регулировать освещенности поля
зрения; менять увеличения оптической системы; устанавливать нужный
вид освещения; включать нужный из шести имеющихся в приборе свето-
фильтров; перемещать испытуемый образец вдоль координатных осей
X, Y, Z с одной из двух имеющихся скоростей; нагружать индентор задан-
ной нагрузкой; наносить отпечатки алмазной пирамиды на поверхности
испытуемого образца; заменять перегоревшую лампу.
С целью повышения надежности и стабильности работы прибора в элек-
трической схеме предусмотрена система блокировок, при которой исклю-
чены:
а) поломка прибора при подаче неправильной команды;
б) выполнение несовместимых команд;
в) вибрации, которые могут возникнуть во время нанесения отпечат-
ков на испытуемом образце от случайного включения в работу ненужных
при выполнении этой операции механизмов и электрических двигателей
прибора.
Скорость внедрения алмазной пирамиды и время выдержки ее под
нагрузкой стабильны и не зависят от оператора, так как с момента нажа-
тия на пульте кнопки «накол» движения звеньев механизмов, выполняю-
щих эту операцию, осуществляются электродвигателями автоматически.
Схема максимально освобождает оператора от необходимости помнить
и производить всякого рода вспомогательные операции; в большинстве
случаев они производятся автоматически. Например, после нажатия кнопки
«накол» автоматически в нужной последовательности выполняются восемь
операций, в результате которых механизмы прибора, произведя отпечаток
алмазной пирамиды не испытуемом материале, возвращаются в исходное
положение.
Все элементы электрической схемы, обеспечивающей дистанционное
управление механизмами прибора, смонтированы в приборном пульте.
Какие-либо механические связи между камерой и пультом управления
отсутствуют.
Электрическая схема прибора ПМТ-4, приведенная на рис. XIII.10,
функционирует следующим образом:
1. При нажатии кнопки В1 («образец») срабатывает и самоблоки-
руется реле Р1, которое включает двигатель поворота стола М9. Стол
поворачивается в положение «образен» до срабатывания мнкровыключа-
368
геля В12, после чего останавливается, а на пульте зажигается лампа Л2
(«образец»),
2. При нажатии кнопки ВЗ («просмотр») обесточивается реле Р1,
в результате чего стол возвращается в положение «просмотр» с одновремен-
Рис. XIII.10. Электрическая схема микроскопа ПМТ-4
ным включением через контакт опустившегося реле Р4 (реле положения
«просмотр») лампочки Л1 «просмотр».
Если стол стоит в положении «просмотр», при нажатии кнопки В2
(команда «накол») срабатывает реле Р2 — включает двигатель М10
24 Г. Е. Скворцов и др.
369
(«поворот поворотного приспособления») и лампочку ЛЗ («накол»). Двига-
тель М10 подводит стол под иглу механизма накола до срабатывания
концевого выключателя В31, который выключает М10 и включает дви-
гатель МИ («накол»),
С началом работы МП срабатывают В5 и Р5; Р5 разрывает цепи пита-
ния М10 и создает дополнительную цепь питания МП. Через контакты
реле Р5 срабатывает реле РЗ, которое блокируется и остается под током
до возвращения стола в положение «просмотр» (через контакт микро-
выключателя В4). После срабатывания реле Р5 й РЗ цепь блокировки
реле Р2 сохраняется через контакт реле Р5.
По окончании накола через микропереключатель В5 отключается реле
Р5, которое снимает с блокировки реле Р2. Через контакты реле Р2 и Р5
двигатель М10 возвращает стол в положение «просмотр» до срабатывания
микропереключателя В4 и отпускания реле РЗ и Р4, которые выключают
двигатель М10 и сигнальную лампу ЛЗ («накол»), после чего зажигается
сигнальная лампа Л2 («просмотр»),
4. Выполнение просмотровых команд и фокусировки, смена нагрузок,
а также определение координат наблюдаемого участка возможны только
в положении стола «просмотр» и при отсутствии команд «образец» (Р1
обесточено) и «накол» (Р2 обесточено). Это служит для устранения возмож-
ности возникновения вибраций, мешающих произвести хороший накол,
и достигается подачей питания сельсинов Ml—М4 и электродвигателей
М5—М8 через нормально закрытые контакты реле Pl, Р2, РЗ. То же
самое имеет место при исполнении команд «смена увеличения», «смена типа
освещения», «смена светофильтра», «смена лампы» и «запрессовка образца»,
выполняемых электромагнитами ЭМ1—ЭМ5.
5. Двигатель смены нагрузок М8 приводится в действие кнопкой В29
(через 1,5—2 сек после нажатия кнопки В29 двигатель М8 блокируется
микровыключателем ВЗО до полной установки следующей по порядку
нагрузки, после чего выключается). Об установленной нагрузке можно
судить по сигнальным лампам Л4—ЛИ.
6. Смена увеличения, освещения, светофильтров, ламп накаливания
управление магнитом пресса осуществляются соответственно электро-
магнитами ЭМ1, ЭМ2, ЭМЗ, ЭМ4 и ЭМ5 при нажатии соответствующих
кнопок В6, В8, В9, В10 и В11.
7. В зависимости от установленного увеличения (переключатель В7
и сигнальные лампы Л12 и Л13) при помощи контактов реле Р6 меняется
скорость просмотра по направлениям X (двигатель Л45) и Y (двига-
тель Мб).
8. Яркость осветительных ламп (Л20 или Л21) регулируется реоста-
том R7.
Кроме того, в электрическую схему входят: переключатель сигнальных
ламп нагрузок В13-, переключатель вида освещения В14; микропереклю-
чатели В16—В18 управления двигателем М5 (ось X); микропереключатели
В19, В20 ограничения движения по оси X; микропереключатели В21—В23
управления двигателем Мб (ось У); микропереключатели В24—В25
ограничения движения по оси У; микропереключатели В26—В38 управле-
ния двигателем фокусировки М7; микропереключатель В32 осветительных
ламп; выключатель «сеть» ВЗЗ; фазосдвигающие конденсаторы С1—С7;
предохранители ПР1 и ПР2.
370
Таким образом, все операции полностью автоматизированы, а об испол-
нении команды поступает соответствующая информация. Связь между
пультом управления и исполнительными механизмами осуществлена при
помощи электрических проводов.
Пульт управления имеет две панели (рис. XIII. 11). На наклонной
панели 1 расположены шкалы и сигнальные лампы. На панели 6 распо-
ложены органы управле-
ния механизмами микро-
твердомера. Перечень орга-
нов управления и сигналь-
ных ламп, с помощью
которых осуществляется
работа на приборе, приве-
ден в табл. XII 1.5 и XIII.6.
Включение и выключе-
ние прибора осуществляет-
ся выключателем 12. Коор-
динаты столика с объектом
по двум взаимно перпен-
дикулярным направлениям
определяются по шкалам
Таблица ХШ.5
Органы управления и выполняемые
ими операции (рис. XIII. 11)
Номер кнопки или маховичка Операция
14 Кнопки Поворот столика в по-
15 ложение «установка образца» То же в положение
1 ! 17 «просмотр» То же в положение
«накол»
; 7 Смена освещения
; <8 Смена увеличения
9 Смена нагрузки
16 Смена светофильтров
' 10 и 13 Маховички Перемещение столика
i 11 но координатам X и У Микроподача (фоку-
5 сировка) Регулировка яркости
ламп ы
Таблица X1IE6
Сигнальные лампы (рис. XIII. 11)
Номер лампы Сигнал
18 Блок питания включен
19 Просмотр образца включен
20 Столик находится в поло- жении для установки образца
4 Нагрузка установлена на алмазной пирамиде
3 Вид освещения установлен нажатием кнопки 7
2 Увеличение установлено нажатием кнопки 8
23 Идет процесс накола об- разца
24
371
21 и. 24. Фотонасадка с пленочной камерой крепится на визуальном
тубусе при помощи винта 22.
Работа на приборе ПМТ-4 осуществляется следующим образом. Испы-
туемый объект, запрессованный в специальную гильзу с помощью спе-
циального пресса, входящего в комплект.прибора и управляемого из
операторской манипулятором, устанавливается на предметный столик
микроскопа. При установке гильзы с испытуемым объектом на предмет-
ный столик микроскопа последний должен быть приведен в крайнее правое
положение. Затем столик возвращается в исходное (среднее) положение,
после чего с помощью координатных перемещений испытуемый образец
подводится под объектив микроскопа для просмотра и выбора зоны,
микротвердость которой должна быть определена. Выбрав интересующую
его зону, наблюдатель с помощью механизма нагружения нагружает
шток Юс алмазной пирамидой 17 (рис. XIII.8) одной из приведенных выше
нагрузок и при этой нагрузке с помощью механизма перемещения алмазной
пирамиды производит отпечаток на испытуемом образце.
При включении в работу механизма перемещения алмазной пирамиды
предметный столик с образцом автоматически поворачивается в левое
крайнее положение, подводя тем самым интересующую наблюдателя точку
объекта под вершину алмазной пирамиды.
Во время нанесения отпечатка алмазной пирамиды на испытуемом
образце все остальные элементы электрической системы прибора автома-
тически выключаются, поэтому все механизмы (кроме механизма переме-
щения алмазной пирамиды) работать не могут. Пэ окончании процесса
внедрения алмазной пирамиды в испытуемый образец и после нанесения
на нем отпечдтка при заданной нагрузке предметный столик автомати-
чески возвращается в исходное положение. Одновременно включаются
все элементы электрической схемы прибора, после чего можно включать
в работу любой из механизмов прибора для выполнения необходимых опе-
раций.
Со времени нажатия кнопки 17 (рис. XIII.11) весь рабочий цикл про-
изводства накола длится 30 сек. За этот период времени в приборе осуще-
ствляются автоматически следующие операции:
а) поворот стола в крайнее правое положение;
б) внедрение алмазной пирамиды в испытуемый материал;
в) выдержка под нагрузкой в течение 12—15 сек;
г) возвращение алмазной пирамиды в исходное положение и синхронно
с этим поворот стола под «просмотр».
После того как произошло нажатие кнопки 17 и начался рабочий цикл
накола, отмеченный на пульте зажиганием сигнальной лампы 23, включе-
ние какой-либо кнопки пульта оказывается невозможным, поскольку
с включением в работу механизма накола оказываются одновременно
включенными и соответствующие механизмы блокировки, обеспечивающие
безопасность и стабильность работы прибора.
Благодаря такому устройству прибора оказалось возможным получить
на нем высокую стабильность и точность получаемых результатов изме-
рений.
Принципиально на приборе ПМТ-4 возможно применение любых типов
алмазных пирамид. Однако серийные приборы ПМТ-4 комплектуются
только четырехгранной алмазной пирамидой Виккерса. Поэтому отпе-
372
чатки получаются квадратными. В этом случае для определения микро-
твердости измеряют диагонали квадрата и по известной формуле
Н = ^
а2
вычисляют микротвердссть в кПммг. При вычислении микротвердости
по этой формуле нагрузка Р выражается в граммах, а измеренная диаго-
наль d отпечатка — в микрометрах.
Критерием метрологических свойств, характеризующих качества при-
бора для измерения микротвердости, является коэффициент вариации 1
длины диагонали отпечатков, определяемый по нескольким наколам,
сделанным на любом монокристаллическом материале при одной и той же
нагр\зке.
Если все существующие как отечественные, так и зарубежные приборы
по определению микротвердссти дают стабильность показания, которая
может быть охарактеризована коэффициентом вариации, превышающим
5 % и более, причем 5 % имеют наилучшие образцы приборов при нагрузках
от 20 Г и более, то прибор ПМТ-4 дает коэффициент вариации, не превы-
шающий 3% для нагрузки 5 Г и 2% для остальных нагрузок.
Глава XIV
ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ МИКРОСКОПЫ
Поляризационная микроскопия является одним из важнейших методов
исследования анизотропных прозрачных и непрозрачных объектов.
Основные сведения о явлениях анизотропии приведены в гл. V. В настоя-
щее время поляризационная микроскопия достигла такого уровня, кото-
рый позволяет оптическим путем производить качественную и количе-
ственную диагностику горных пород минералов, кристаллов и других
объектов. Методы исследования в поляризованном свете с успехом при-
меняются не только в геологии, минералогии и петрографии, но также
в биологии, геохимии, стекольной промышленности и т. д.
Поляризационный микроскоп все больше превращается из микро-
скопа наблюдательного в микроскоп измерительный. Это достигается как
введением в существующие модели приборов различных усовершенство-
ваний, так и применением разнообразных принадлежностей к поляри-
зационным микроскопам.
В зависимости от Назначения и сложности конструкции поляризацион-
ные микроскопы условно можно разделить на следующие группы.
1. Рабочие микроскопы, служащие для массовых исследований в лабо-
раторных или экспедиционных условиях. Эти приборы имеют минималь-
ный комплект оптики, вращающийся столик с лимбом без нониуса, щипце-
вое устройство для крепления объектива, линзу Бертрана без механизма
фокусировки и центрировки, монокулярный тубус.
1 Коэффициентом вариации длины диагонали отпечатка называется отношение средне-
квадратичного отклонения длины диагонали отпечатка к среднему значению этой длины.
373
2. Лабораторные микроскопы, отличающиеся от предыдущей группы
наличием нониусов для отсчета угла поворота столика, механизма для
фокусировки и центрировки линзы Бертрана, большим комплектом
объективов и окуляров, встроенным осветителем (в некоторых моделях).
3. Исследовательские микроскопы, предназначенные для наиболее
серьезных работ, проводимых в научно-исследовательских институтах.
Основные отличия таких приборов: жесткий штатив со встроенным
осветителем, предметный столик с устройствами для точного поворота и
для фиксации положения через 45=,
Рис. XIV.1. Общий вид микроскопа
МПД-1
ный дорожный микр
револьвер с центрирующимися гнездами
под объективы, наличие [монокулярного
и бинокулярного тубусов и др.
Все три перечисленные группы ми-
кроскопов предназначены для исследо-
вания прозрачных объектов в проходя-
щем свете.
4. Рудные микроскопы, служащие
для исследования непрозрачных объек-
тов в отраженном свете. Эти микроскопы
выполняются на штативах, обычно со-
ответствующих приборам первых двух
групп, и имеют встроенный или навес-
ной опак-иллюминатор той или иной
конструкции.
5. Универсальные микроскопы, пред-
назначающиеся для всесторонних ис-
следований как в проходящем, так и
в отраженном свете. Микроскопы имеют
все отличительные признаки исследова-
тельских и рудных моделей и комплек-
туются большим набором оптики и при-
надлежностей.
Примером микроскопа первой группы
может служить поляризацион-
с к о п МПД-1, внешний вид которого
показан на рис. XIV.1. Общее увеличение микроскопа от 26 до 300х-
В походных условиях микроскоп укладывается в специальный метал-
лический футляр.
Остальные виды микроскопов и некоторые принадлежности к ним опи-
саны ниже.
1. Лабораторный поляризационный микроскоп МИН-8
Микроскоп МИН-8 применяется в основном для исследования про-
зрачных препаратов в проходящем свете при коноскопическом и ортоско-
пическом ходе лучей, но может быть использован также совместно с осве-
тителем ОИ-12 для изучения непрозрачных объектов в отраженном свете.
Конструкция микроскопа обеспечивает применение фазовоконтрастного
устройства, столика Федорова, конденсора темного поля, микрофото-
374
насадки и других принадлежностей. В качестве поляризатора и анализа-
тора применяются поляфильтры.
В комплект микроскопа входят: а) объективы — планахроматы 3,5 X
ХОД (ОМ-ЗП), 9x0,20 (ОМ-2П) и ахроматы 20x0,40 (ОМ-27П), 40x0,65
(МЩ-П), 60X0,85 (02-6011) и 90x 1,25 (ОМ-21П); б) окуляры Т = 5х
(АМ-5 с сеткой и шкалой), Г = 8Х (АМ-8 с перекрестием), Г-15х (АТ-36).
На рис. XIV.2, а представлена оптическая схема микроскопа. Коллек-
тор 2 совместно с линзой 4 и зеркалом 5 направляет свет от источника 1
(лампа СЦ61; 8 в, 20 вт) в конденсоры 9 или 10, перед которыми распо-
ложен поляризатор 7.
Рис. XIV.2. Оптическая схема микроскопа МИН-8 («) и его общий вид (б)
Пройдя конденсор, свет попадает на препарат 11. После препарата
лучи проходят через объектив 12, коррекционные линзы 13 и 16 и приз-
мой 18 направляются либо непосредственно в окуляр 21 (при ортоскопи-
ческом наблюдении), либо в этот же окуляр через линзу Бертрана 19
(при коноскопическом наблюдении). В ход лучей может быть включен
светофильтр 17. Ирисовая полевая диафрагма 20 служит для огр ничения
зерна при коноскопировании. Линзы 13 и 16 обеспечивают работу анали-
затора 15 и компенсатора 14 в параллельном ходе лучей. Диафрагма 3 слу-
жит диафрагмой поля зрения. В корпус конденсора встроены две ирисо-
вые апертурные диафрагмы 6 и 8; диафрагма 6 используется с объективом
3,5ХОД, а диафрагма 8 — при работе с остальными объективами.
Оптическая система конденсора состоит из откидной фронтальной
линзы Лазо и двух сменных систем. Одна совместо с линзой Лазо имеет
375
апертуру А = 1,25 и предназначена для работы с иммерсионным объек-
тивом 90X 1,25. Другая система используется при работе с остальными
объективами, причем при выключенной линзе Лазо апертура конденсора
составляет А = 0,27, а при включенной — А = 0,85. Дополнительный
конденсор с апертурой А = 0,22 с большим рабочим расстоянием приме-
няется только при работе со столиком Федорова.
Общий вид микроскопа МИН-8 представлен на рис. XIV.2, б. На мас-
сивном основании 22 со встроенным осветителем 37 смонтирован тубусо-
держатель 35 с тубусной головкой 29, которая имеет щипцевое устрой-
ство 26 с объективом и наклонный монокулярный тубус 34. В головке
имеется паз 27, расположенный под утлом 451" к плоскости симметрии
микроскопа. В этот паз вставляются кварцевый клин, одна из компенса-
ционных пластинок 39 или компенсатор.
Над пазом размещены салазки с поворотным анализатором, который
можно вывести из хода лучей. В револьвере 28 смонтированы три
интерференционных светофильтра. Включение и выключение линзы Берт-
рана производится путем поворота барабана 31, а центрирование — вин-
тами 32 и 33. Кольцо 30 служит для изменения диаметра ирисовой диа-
фрагмы 20 (рис. XIV.2, а).
Фокусировка микроскопа производится посредством перемещения
предметного столика 25. Грубое перемещение осуществляется при помощи
рукоятки 36; для точного служит дифференциальный микромеханизм,
снабженный двумя симметрично расположенными рукоятками 38. При
одновременном повороте рукояток 38 в одном направлении скорость пере-
мещения предметного столика в два раза больше, чем при работе с одной
рукояткой. При вращении рукояток в разные стороны движение столика
замедляется.
Под столиком расположен подвижный кронштейн с конденсором 24.
Поляризатор, анализатор и предметный столик имеют лимбы для
отсчета углов поворота этих элементов. При работе со столиком Федорова
пластинка 23 снимается с основания.
2. Рудный микроскоп МИН-9
Микроскоп МИН-9, хотя и предназначается для исследования
непрозрачных объектов (руд, угля и т. д.) в отраженном естественном и
поляризованном свете, но может также применяться при малых увеличе-
ниях для просмотра прозрачных объектов в проходящем свете.
В микроскопе применяются объективы 4,7x0,11 (ОМ-12П), 9x0,20
(ОМ-13П), 11X0,25 (ОМ-38П), 21 X0,40 (ОМ-8П), 30x0,65 (ОМ-4_4П),
40X0,65 (ОМ-9П) и 90X 1,25 (ОМ-ЮП); окуляры Г - 7х (АМ-11), Г =
-11х (AM-10), Г = 15х (АТ-36 и АМ-27).
Общий вид микроскопа МИН-9 показан на рис. XIV.3. На подвижном
тубусодержателе 1 установлены монокулярный наклонный тубус 3 и
поляризационный опак-иллюминатор 4, на котором закреплено щипце-
вое устройство 2 с объективом. Для работы в проходящем свете служат осве-
тительное зеркало и поляризатор 6, находящийся под предметным столи-
ком 5. Анализатор вводится в ход лучей между монокулярным тубусом
и опак-иллюминатором.
376
Рис. XIV.4. Осветитель отраженного света ОИ-12
37
Конструкция микроскопа позволяет использовать для работы на нем
бинокулярный тубус, микрофотонасадки и другие дополнительные при-
надлежности.
Одним из основных узлов микроскопа МИН-9 является освети-
тель отраженного света ОИ-12, конструкция которого пока-
зана на рис. XIV-4. Оптическая схема построена по принципу Кёлера.
Коллектор 2 проектирует источник света 1 (лампа 8 в, 9 вт) в плоскость
ирисовой апертурной диафрагмы АД, расположенной вблизи линзы 6.
Последняя совместно с ахроматической линзой 8 и светоделительной пла-
стинкой 10 (или призмой 9) изображает диафрагму АД на опорной пло-
скости б щипцевого устройства, служащего для крепления и центрирова-
ния объективов. Линза 6 проектирует оправу коллектора 2 в плоскость
ирисовой полевой диафрагмы ПД. Изображение полевой диафрагмы,
даваемое линзой 8, — мнимое и находится на расстоянии 183 мм от опор-
ной плоскости б. Это расстояние устанавливается при юстировке прибора
путем перемещения линзы 8 вдоль оптической оси. Совмещение изображе-
ния источника света с плоскостью апертурной диафрагмы обеспечивается
перемещением патрона 14 с лампой вдоль оси. Апертурная и полевая диа-
фрагмы и их изображения должны находиться на осях I—1 и II—II при
положении призмы 9 и светоделительной пластинки 10 под углом 45°
к оси тубуса II—II. Это требование, необходимое для правильного освеще-
ния объекта, достигается путем центрирования устройства указанных
диафрагм при изготовлении прибора. Барашек 13 служит для крепления
фонаря 5 в корпусе 7.
Выключение и включение в ход лучей призмы Наше 9 или пластинки
Бека 8 достигаются передвижением рукоятки 11 во втулке 12 до соответ-
ствующих упоров. Кроме того, рукоятка позволяет в небольших пределах
изменять наклон пластинки при настройке освещения. Поляризатором
служит двойная призма Франка — Риттера 4 из исландского шпата. Для
повышения контрастности изображения в ход лучей перед призмой 4
вкладывается светофильтр 3.
При коноскопическом наблюдении с поляризационными микроскопами
применяется наклонная монокулярная насадка АУ-27
с линзой Бертрана. Продольное сечение насадки показано на рис. XIV.5.
3. Универсальные поляризационные микроскопы
Микроскоп «Ортолюкс-Поль» фирмы «Лейтц» является
универсальной моделью прибора не только по конструкции, но и по осна-
щению комплектующими и дополнительными принадлежностями. Доста-
точно сказать, что эта фирма выпускает несколько десятков разнообраз-
ных принадлежностей к поляризационным микроскопам.
На микроскопе «Ортолюкс-Поль» можно проводить исследования не
только в поляризованном свете (в проходящем , отраженном и при смешан-
ном освещении), но также по методам темного поля и фазового контраста.
В конструкции микроскопа имеются все отличительные характеристики,
указанные в начале данной главы. Прибор комплектуется большим набо-
ром объективов, включая иммерсионные и планообъективы.
Фотомикроскоп «Поль» фирмы «Оптон» (ранее именовав-
шей себя «Карл Цейсс, Оберкохен») — один из лучших универсальных
378
6
5
Рис. XIV.5. Наклонная монокулярная насадка АУ-27 с линзой Бертрана:
L Z К,”,Р1,.':' С С л™зой Бертрана и диафрагмой; 2 — подшипник; 3 - пукоятка-
4 эксцентрик, 5—трубка окулярная; 6—кольцо; 7—линза Бертрана- 8 —^головка
призмы; 9 - призма; 10 - обойма призмы; П _ фланец^кол^ачком
Рис. XIV.6. Фотомикроскоп «Поль»
фирмы «Оптон»
поляризационных микроскопов. Его общий вид представлен на рис. XIV.6.
Осветительная система микроскопа, включающая фонарь /, рассчитана
для работы в проходящем и отраженном свете. Предметный столик 2
имеет устройство для точного поворота и для фиксации положения сто-
лика через 45°. Револьвер 3 с объективами при работе в отраженном свете
заменяется опак-иллюминатором. В оптической головке 5 смонтированы
системы линз для изменения окулярного увеличения и системы призм для
изменения распределения света между визуальным тубусом 4 и фотока-
мерой 6. В головке 5 устанавливаются салазки с анализатором и один из
компенсаторов.
Пленочная фотокамера вмонтирована в штатив прибора. Центрировка
объективов осуществляется путем вращения их в эксцентриковых оправах.
4. Принадлежности
к поляризационным микроскопам
Для расширения возможностей исследования объектов в поляризован-
ном свете многие фирмы выпускают большое количество разнообразных
принадлежностей. Среди них имеются как приборы, предназначенные
для различных типов микроскопов (микрофотонасадки, фотометрические
насадки, окулярный микрометр и др.), так и специфические принадлеж-
ности, применяемые только с поляризационным микроскопом. Первые
описаны в других главах, сведения о вторых приводятся ниже.
Универсальный пятиосный столик СТФ-1 пред-
назначается для определения методом Федорова породообразующих мине-
ралов в шлифах. Столик представляет собой систему концентрических
колец и карданных подвесов, обеспечивающих наклон объекта вокруг
трех взаимно перпендикулярных осей и поворот вокруг двух других осей.
Все оси проходят через общий центр, совпадающий с исследуемым объек-
том, который можно наклонять и поворачивать в различных направлениях
и определять таким образом пространственное положение кристаллогра-
фических и кристаллооптических осей объекта.
Столик Федорова устанавливается на предметном столе микроскопа.
Расположение осей столика показано на рис. XIV.7. Ось NN перпендику-
лярна к плоскости шлифа и к оси НН. Пределы углов поворота 0—360°,
цена деления лимба 1 °; ось JJ перпендикулярна к оси ММ (оптической
оси микроскопа). Пределы углов наклона ±55°, цена деления лимба
барабана 1°, точность отсчета по нониусу 3'; ось ММ перпендикулярна
к осям JJ и НК; пределы углов поворота 0—360°, цена деления лимба 1°,
точность отсчета по нониусу 6'; ось НН расположена в плоскости шлифа;
ось КК перпендикулярна к оси НН. Пределы углов наклона вокруг осей
КН и НН составляют ±55°, цена деления шкалы барабана 5°, точность
отсчета по нониусу 30'.
Исследуемый препарат, с обеих сторон которого предварительно нане-
сена иммерсия, помещается между двумя стеклянными сегментами. Сег-
менты рассчитаны так, что они вместе с препаратом образуют сферу. Это
обеспечивает возможность наблюдения препарата под различными углами
без перефокусировки микроскопа. Основание столика СТФ-1 1 центри-
руется в кольце 9, закрепленном на предметном столике микроскопа.
Поворот кольца 8, а следовательно, и всей системы вокруг оси JJ осуще-
380
ствлястся с помощью отсчетного барабана 6. В кольце 8 вращается лимб 5.
На нем установлены два подшипника 3, в которых вращаются цапфы
оси КК с кольцом 4. На этом кольце находятся два подшипника 2, в кото-
рых вращаются цапфы оси НН с кольцом 7.
Со столиком Федорова применяются специальные объективы (см. при-
ложение) и конденсоры (рис. VIII.55) с большим рабочим расстоянием.
Интегральное устройство МИУ-1 применяется для про-
ведения количественного анализа минералов, т. е. для определения объ-
емного соотношения различных составляющих одной породы. Работа
с МИУ-1 производится по линейно-дискретному и точечному методам.
Рис. XIV.7. Универсальный пятносный столик СТФ-1
Принцип линейно-дискретного метода заключается в том, что в сечении
объекта измеряется и суммируется с помощью счетчика число отрезков
(шагов) длиной 0,05 мм, приходящихся на поперечник зерна каждого
минерала в отдельности; при равномерном распределении минералов и
достаточной длине линий сумма чисел отрезков, приходящихся на долю
каждого минерала, будет пропорциональна объему этого минерала в гор-
ной породе.
Интегральное устройство позволяет измерять площадь 20x25 мм
с автоматическим перемещением объекта со скоростью до 3 мм!сек.
При точечном методе суммируется число равномерно отстоящих друг
от друга точек, приходящихся на долю каждого минерала в отдельности.
При равномерном распределении минералов и достаточном числе точек
(не менее 1000) сумма точек, приходящихся на долю каждого мине-
рала, принимается пропорциональной объему этого минерала в горной
породе.
Интегральное устройство состоит из двухкоординатного препарато-
водителя 1 (рис. XIV-8), позволяющего производить перемещение препа-
рата в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и пульта 2.
381
Препаратоводитель закрепляется на столике микроскопа. Перемещение
препарата можно осуществлять вручную или автоматически.
Автоматическое перемещение препарата на 20 мм по оси X осуще-
ствляется от двигателя, расположенного в препаратоводителе, при нажа-
тии одной из клавиш пульта 2. Препаратоводитель снабжен трехступен-
ной коробкой скоростей. Кроме того, скорость движения препарата можно
плавно регулировать рукояткой на пульте; в крайних положениях пре-
парата происходят изменение направления его движения и перемещение
по оси Y на величину 0,5 мм. Каждой клавише соответствует свой четырех-
Рис. XIV.8. Интегральное устройство МИУ-1
разрядный счетчик 3, который регистрирует длину пути препарата, прой-
денного при нажатии этой клавиши. При проведении анализа за каждой
клавишей закрепляется определенная составляющая исследуемого объекта.
При работе по точечному методу после каждого нажатия клавиши
препарат перемещается на определенный шаг (0,04; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4;
0,5 мм), устанавливаемый при помощи переключателя на пульте и бара-
бана на препаратоводителе.
Фотометрический окуляр ОКФ-1 служит для измерения
отражательной способности минералов, основанного на визуальном
(субъективном) методе. В основе этого метода лежит принцип сравнения
отражательной способности исследуемого минерала с известной заранее
отражательной способностью минерала эталона.
На рис. XIV.9, а приведен чертеж фотометрического окуляра Волын-
ского ОКФ-1. Устройство представляет собой окуляр Гюйгенса 10х,
в фокальной плоскости которого находится стеклянная пластинка 3.
На пластинку нанесены слой платины в виде клина переменной плотности
и 10-миллиметровая шкала с ценой деления 0,1 мм. На расстоянии 0,1 мм.
382
от пластинки 3 находится неподвижная стеклянная пластинка 2 с индексом.
Пластинка 3 расположена на ползуне 1 и может передвигаться при враще-
нии барабана 5 микрометренного винта 4. Значения коэффициентов свето-
пропускания клина в пределах от 1 до 0,2 для соответствующих делений
шкалы указаны в паспорте. Для ограничения фотометрируемого участка
минерала предусмотрена металлическая шторка 9 со щелевой диафраг-
мой, включаемая и выключаемая из поля зрения рукояткой 10.
Рис. XIV.9. Продольный разрез фото-
метрического окуляра ОКФ-1 (а),
поле зрения (б)
Определение величины дисперсии отражательной способности и дву-
отражения минералов в диапазоне спектра 430—700 нм производится
в монохроматическом свете с помощью девяти интерференционных свето-
фильтров, смонтированных в трех оправах. Оправа со светофильтрами
устанавливается в прорезь 8 окуляра. Фотометрический окуляр посред-
ством втулки 7 вставляется в тубус микроскопа вместо обычного окуляра
и крепится винтом 6.
Измерения отражательной способности с помощью фотометрического
окуляра осуществляются по принципу уравнивания освещенностей изо-
бражения зерен двух минералов, находящихся в шлифе в естественном
сростке, причем значения коэффициентов отражения одного минерала
известны.
383
При наблюдении прямолинейная граница между зернами устанавли-
вается в центре поля зрения и совмещается с верхним краем клина, как
показано на рис. XIV.9, б. При этом изображение зерна с меньшей отра-
жательной способностью размещается вне клина. Затем перемещением
клина добиваются равенства освещенностей изображений обоих зерен.
Отсчет снимается по шкале и по неподвижному индексу, а соответствую-
щее значение коэффициента пропускания клина находят по паспорту.
Относительная погрешность результатов измерения с помощью ОКФ-1
в красной и фиолетовой областях спектра составляет около 10%, в желто-
зеленой части — 5%. Применение иммерсии повышает точность измере-
ния до 2%.
Кальцитовые поворотные компенсаторы КПК
применяются для измерения оптической разности хода в двулучепрелом-
ляющих объектах и для определения характеристики в анизотропных
средах, исследуемых на поляризационных микроскопах.
Оптическая разность хода, внесенная объектом, компенсируется раз-
ностью хода самой пластинки вследствие ее наклона по отношению к гори-
зонтальной оси. Разность хода определяется с помощью оптического
устройства компенсатора по специальной таблице.
Компенсаторы КПК-1 и КПК-2 различаются между собой по ширине
направляющей (12 мм и 16 мм), которая вставляется в паз тубуса микро-
скопа. Компенсатор (рис. XIV. 10) состоит из кальцитовой пластинки 2
(исландский шпат), вырезанной перпендикулярно к оптической оси
кристалла. При горизонтальном положении пластинки разность хода
в ней равна нулю. Пластинка находится между двумя защитными сте-
клами, склеена с ними канадским бальзамом и закреплена в оправе 3,
384
соединенной посредством зубчатого сектора 1 и шестерни 4 с отсчетным
барабаном 6, на шкале которого нанесено 60 делений; поворот барабана
на одно деление шкалы соответствует наклону пластинки на 1°. Угол пла-
стинки отсчитывается с помощью нониуса 5; величина отсчета по нониусу
составляет 6'. Наклоняя пластинку в пределах ±30°, можно измерить
оптическую разность хода от 0,1 до 4,5% с точностью 0,02%. Оптическая
разность хода А, измеряемая с помощью поворотного компенсатора, вы-
числяется по формуле
А = Ш
где с — константа компенсатора, зависящая от толщины кальцитовой
пластинки и длины волны используемого света;
f (I) — функция угла i наклона кальцитовой пластинки.
Совместно с поляризационными микроскопами применяются свыше
десятка различных конструкций компенсаторов, с помощью которых можно
измерить очень малые разности хода 1 %, а также компенсаторы,
позволяющие определить анизотропию объекта до величины 30-го порядка
(компенсатор Берека и др.)
Глава XV
СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ
Возможность видеть предметы объемными (стереоскопическое зрение)
во многом облегчает их исследование. Известно, что при рассматривании
предмета двумя глазами каждый глаз видит этот предмет под разными
углами, вследствие чего на сетчатке глаза формируется несколько отлич-
ных друг от друга изображений предмета. В совокупности эти изображе-
ния воспринимаются как одно объемное изображение предмета.
Для получения правильного стереоскопического восприятия наблю-
даемого пространства микроскоп должен давать прямые изображения
предмета. Несоблюдение этого требования приводит к ложному стерео-
эффекту (псевдоэффекту), при котором более близкие объекты кажутся
расположенными дальше, а дальние — ближе. В стереоскопических
микроскопах прямое изображение достигается с помощью применения
призм.
Существующие стереоскопические микроскопы можно разделить на две
группы: микроскопы с двумя объективами и микроскопы с одним объекти-
вом. К первой группе относятся микроскопы, построенные по схеме
Греню (микроскоп БМ-56 и др.); ко второй — микроскопы МБС-1, МБС-2,
МБС-3 и др.
Рассмотрим глубину и остроту стереоскопического восприятия.
На рис. XV. 1 приведена принципиальная схема микроскопа Греню, где
b — расстояние между центрами выходных зрачков микроскопа, соответ-
ствующее глазному базису наблюдателя; ср — угол между оптическими
осями обоих объективов. Вершина этого угла (точка А) совпадает с пред-
метной плоскостью, на которую аккомодированы глаза. Принимая рас-
стояние е' от выходных зрачков микроскопа до точки пересечения
25
Г. Е. Скворцов и др.
385
указанных осей за расстояние наилучшего зрения, равное 250 мм,
из рис. XV. 1 получим
ф ь ь
sm Т “ = ‘500 ’
Если принять b = 62 мм, то sin-у- = 0,12, т. е. ф == 14е.
Поскольку апертурный угол объективов у таких микроскопов не может
превышать , то предел разрешения при и н К — 589 нм будет
2 2
Рис. XV. 1. Принципиальная оптиче-
ская схема микроскопа Гречю
составлять
л Ь
а = , - —
2 sin и
0,589
2ДШ
2,5 мкм.
Глубина стереоскопического вос-
приятия определяется глубиной резко-
сти микроскопа и углом ф между ося-
ми объективов. Острота стереоскопиче-
ского восприятия, т. е. наименьшее
расстояние g между двумя близлежа-
щими точками (для простоты они рас-
положены на оси правой ветви микро-
скопа) может быть определена из сле-
дующих соображений. Положим, что
зрачки глаз совмещены с задними глав-
ными точками окуляров. Изображе-
ние А " точки А, даваемое микроскопом,
будет находиться в той же точке пере-
сечения осей А, а изображение точки
В — в точке В", полученной при пере-
сечении визирных осей, образующих
угол ф1 (угол конвергенции глаз). Раз-
ноудаленность точек А" и В" можно
наблюдать, если угол параллакса для
этих точек будет не меньше предела раз-
решающего стереоскопического зрения,
равного 10—30". Следовательно, q] -
— Ф = Аф, где Аф — предел разрешения стереоскопического зрения
(10—30"). Так как g мало, то фх = Ф- Опуская из точки А перпендикуляр
на левую ось, получим прямоугольный треугольник АВС, у которого
отрезок АС = g sin ф. Если р — линейное увеличение объектива, то ве-
личина изображения отрезка перед окуляром будет равна А'С =-= АС.
Р = g sin фР. Тогда
Аф = ф! — ф = W =
А'С __ gp sin ф
а а
Пренебрегая величиной х, найдем
р sin ф’
386
' 250
Так как f0K — и ГЛ1 = рГ0К, то приближенно получим
1 ок
<_ 250 Дф
5 ~ ± лу--~ •
ГЛ sin Ф
Если ф — 14', то
. _ 1000 Лф
г
1 м
Если принять для Д(р предельное значение 30" (0,00015) и увеличение
микроскопа Гл, 25х, острота стереоскопического восприятия составляет
6 мкм.
Стереоскопические микроскопы малых увеличений иногда называют
бинокулярными стереоскопическими лупами.
В Советском Союзе в настоящее время выпускается микроскоп БМ-56,
построенный по классической схеме Греню. Для установки в соответствии
с глазным базисом наблюдателя тубусы могут поворачиваться на некото-
рый угол вокруг оси микроскопа. Микроскоп снабжается тремя парами
объективов, дающих увеличения 0,7, 1,4 и 2,5х, при этом рабочее рас-
стояние соответственно равно 140, 115 и 75 мм. Каждая пара объективов
смонтирована в общей оправе. Для работы с микроскопом применяется
только одна пара окуляров, имеющих увеличение 12,5х. Столик микро-
скопа позволяет рассматривать объекты под различными углами в про-
ходящем и отраженном свете.
Ниже описываются новые отечественные модели стереоскопических
микроскопов МБС-3, МПС-2 и др.
Стереоскопический микроскоп МБС-3 по сравнению
с другими отечественными стереоскопическими микроскопами отличается
новой оптической конструкцией, в которой в значительной степени умень-
шены сферохроматическая аберрация, вторичный спектр и полностью
исправлена кривизна поверхности изображения. Применение в объективе
микроскопа толстого менискового компенсатора кривизны изображения
из особого флинта позволило получить рабочее расстояние объектива
около 109 мм при фокусном его расстоянии равном 100 мм.
Оптическая схема микроскопа представлена на рис. XV.2, а. При ра-
боте в проходящем свете коллектор 2 и отражатель 3 освещают при помощи
лампы накаливания 1 объект 4, лежащий на стеклянной шайбе предмет-
ного столика. За основным несъемным объективом 5 расположены две
идентичные ветви оптических систем, каждая из которых содержит пару
вращающихся телескопических систем (типа Галилея) 6 и 11 с собствен-
ными увеличениями 2,5х, 1/2,5х, 1,6х и 1/1,6х, тубусную ахроматиче-
скую линзу 7 с фокусным расстоянием 160 мм, призму Шмидта 8 с кры-
шей, отклоняющую оптическую ось от вертикали на 45°, и призму-ромб 9,
раздвигая которую совместно с другой аналогичной призмой-ромб, рас-
положенной в другом тубусе, можно установить окуляры 10 на расстоянии
от 56 до 72 мм друг от друга (в соответствии с размером глазного базиса
наблюдателя), не нарушая параллельности оптических осей в бинокуляр-
ном тубусе.
Исследуемый предмет находится в фокальной плоскости объектива 5,
поэтому изображение этого предмета после объектива будет находиться
25*
387
Рис. XV.2. Оптическая схема микроскопа МБС-3 (а) и его
общий вид (б)
388
на бесконечности и с помощью галилеевых систем 6 и И и тубусных ахро-
матических линз 7 спроектируется в плоскостях полевой диафрагмы
обоих окуляров 10.
Общее увеличение микроскопа вычисляется по формуле
Г — —Г Г
1 м — 1 г1 ок,
1об
где [д и /об — фокусное расстояние соответственно тубусной линзы и
объектива микроскопа;
Г, и Гок — увеличение соответственно галилеевой системы и окуляра.
В табл. XV. 1 приведены увеличения и поля зрения микроскопа при
работе с различными окулярами. Как видно из таблицы, микроскоп имеет
при минимальном увеличении 4х максимальное поле зрения 44 мм, при
максимальном увеличении 100х — минимальное поле зрения 1,9 мм.
Таблица XV.1
Увеличения и поля зрения микроскопа МБС-3
Увел и- Окуляры
чение 6,25х 12,4х 25 х
кой головки в крат Увеличение микроскопа / в крат Поле зрения в мм Увеличение микроскопа в крат Поле зрения в мм Увеличение микроскопа в крат Поле зрения в мм
0,64 4 44 8 28 16 11,7
6,25 28 13 19 25 7,5
1,6 10 17,5 20 11,8 40 4,7
2,56 16 И 32 7,4 64 2,8
1 25 7 50 4,7 100 1,9
На рис. XV.2, б представлен общий вид микроскопа. Исследуемый
объект помещается на столике 13. Объект освещается или проходящим
светом с помощью осветителя 12, или падающим светом, для чего служит
осветитель 14. Фокусировка на объект осуществляется с помощью переме-
щения всего микроскопа вдоль оптической оси объектива 16. Конструкция
штатива обеспечивает перемещение микроскопа в горизонтальном направ-
лении посредством рейки и зубчатого колеса, а в вертикальном направле-
нии — по колонке 22, установленной на массивном основании 25. Опти-
ческая головка 18 может вращаться вокруг вертикальной оси коленчатого
угольника 20 и вокруг вертикальной колонки совместно с осью 21.
Для повышения азимутального эффекта на кронштейне 15 может быть
установлен второй осветитель 14. Внутри оптической головки расположен
барабан с галилеевыми системами, переключение которых осуществляется
рукояткой 17.
На предметном столике 13 имеется отверстие для установки в него
стеклянной шайбы при работе в проходящем свете, либо металлическая
шайба в случае исследования объектов в отраженном свете, либо фланец 24
для установки наклонного столика 23 на сферической опоре. Кроме того,
389
на столике имеются отверстия для установки пружинных клемм и отвер-
стия для установки накладного препаратоводителя. Для удобного поло-
жения рук наблюдателя предусмотрены специальные подлокотники 26.
Для фотографирования исследуемых объектов снимают с микроскопа
бинокулярную насадку 19 и устанавливают на оптическую головку пере-
ходную втулку, на которую закрепляют микрофотонасадку типа МФН.
Стереоскопический поляризационный микро-
скоп МПС-2 предназначается для исследования петрографических шли-
фов в проходящем свете и аншлифов и шлифов — в отраженном свете.
Пространственное (объемное) изображение, даваемое микроскопом, поз-
воляет при наблюдении и фотографировании в обыкновенном и поля-
ризованном свете распознать прозрачные и некоторые непрозрачные
минералы по их свойствам в естественном состоянии, облегчая тем самым
исследование структурных взаимосвязей минералов друг с другом. Чере-
дуя эти наблюдения с наблюдениями полированного шлифа в отраженном
рассеянном (диффузном) свете, можно выявить большинство прозрачных
и непрозрачных минералов в едином препарате.
В осветительной системе микроскопа МПС-2 (рис. XV.3, а), состоящей
из источника света 1 (лампа КИМ9-75), коллектора 2 с ирисовой диафраг-
мой 3, линзы 7 и зеркала 8, применено осветительное устройство из трех
оптических элементов: светоделительной полупрозрачной пластинки 10,
диффузно рассеивающей матовой пластинки или линзы 9 и плоского отра-
жательного зеркала 20, причем светоделительная пластинка 10 размещена
перед объективом 11 и наклонена под углом 45° к оптической оси микро-
скопа, а диффузно рассеивающий элемент 9 установлен вертикально перед
светоделительной пластинкой (по ходу света) и в непосредственной бли-
зости от этой пластинки.
Такое взаимное расположение светоделительной пластинки и диффузно
рассеивающего элемента создает всестороннее (круговое) диффузно рассеи-
вающее освещение и в значительной степени повышает контрастность
изображения, расширяет область равномерного освещения больших полей
зрения и обеспечивает резкое изображение горизонтально расположенной
исследуемой поверхности по всему полю зрения. Для рассмотрения бликов
(цвет внутренних рефлексов минералогических объектов) за отражатель-
ной пластинкой размещено плоское зеркало. Для получения наилучшего
цветового эффекта при рассмотрении бликов от минералогических объек-
тов, расположенных горизонтально, плоское зеркало установлено под
углом 30—35° к оптической оси микроскопа. Указанные пределы углов
наклона зеркала зависят от рабочего расстояния объектива микроскопа.
Расположение зеркала в опак-иллюминаторе позволяет осуществить
быстрый переход от наблюдения объектов по методу светлого поля к
методу косого освещения.
Наблюдательная оптическая система МПС-2 кроме призмы 15 заим-
ствована из микроскопа МБС-3, поэтому все ее оптические характеристики
(увеличение поля зрения и т. д.) те же, что и у МБС-3. Параллельность
осей окулярных трубок при установке их по базису глаз наблюдателя
достигается- подвижкой призм-ромб 14 вместе с окулярами 13. Для наблю-
дения в поляризованном проходящем свете в ход лучей над зеркалом 25
включается поляризатор 24, а перед линзой 16 — анализатор /7; при
работе в отраженном поляризованном свете включаются зеркало 26,
390
со
Рис.
XV.3. Оптическая схема микроскопа МПС-2 (а) и его общий вид (6)
поляризатор 5 и тот же анализатор 17. Сменные светофильтры 6 и 23
(желтый или дневного света) применяются с целью увеличения контраст-
ности изображения. Теплофильтр 4 предохраняет поляризаторы 5 и 24
от нагрева.
Конструкция микроскопа показана на рис. XV.3, б. На основании 27
микроскопа расположен тубусодержатель 34, на котором находятся бино-
кулярная насадка 32, кронштейн 29, перемещающийся вместе с предмет-
ным столиком 28 по направляющей типа ласточкина хвоста, опак-иллюми-
натор отраженного света, объектив 31, кронштейн 30 с зеркалом 20 косого
освещения (рис. XV.3, а). К задней стенке основания микроскопа прикре-
плен осветитель 36 с кварцевой йодной лампой накаливания КИМ9-75.
В верхней части тубусодержателя размещен барабан с двумя парами гали-
леевых систем 12 и 19. Ось барабана заканчивается с двух сторон рукоят-
ками 33, с помощью которых производится переключение галилеевых
систем для получения разных вариантов увеличений микроскопа. На этих
рукоятках нанесены цифры 0,6; 1,0; 1,6; 2,5 и 4, характеризующие уве-
личения оптической системы микроскопа до окуляра 13 при соответствую-
щих положениях галилеевых систем, которые фиксируются пружинным
фиксатором. Фокусировка микроскопа на объект достигается перемеще-
нием предметного столика вверх — вниз путем вращения рукоятки 35.
На вращающейся рабочей части столика ненесены по окружности 360 де-
лений с интервалом 1°. Отсчет углов поворота столика производится по
индексу. Столик фиксируется в любом положении и центрируется относи-
тельно объектива микроскопа. На столике имеется отверстие, в которое
устанавливается металлическая пластинка при исследовании объектов
в отраженном свете или стеклянная пластинка — при работе в проходя-
щем свете. Для установки накладного препаратоводителя и пружинных
клемм на столике предусмотрены соответствующие отверстия.
В основании столика имеется паз для установки матового стекла 22,
которое включается в ход лучей, отраженных от зеркала 25, с целью полу-
чения равномерного освещения объекта 21. При исследовании минералов
в поляризованном свете методом компенсации применяется кварцевая
компенсационная пластинка 18 (красная первого порядка), которая вклю-
чается между галилеевой системой и анализатором 17 в одну из ветвей
бинокулярной системы.
При исследованиях под микроскопом МПС-2 петрографических шлифов
и аншлифов больших размеров, а также при количественных минерало-
гических исследованиях точечным методом Глаголева штуфов горных
пород и руд применяются специальные счетные сетки, рассчитанные при
увеличениях 1, 1,6 и 4х оптической головки микроскопа и при работе
с измерительным окуляром 8х с сеткой. Все счетные сетки оцифрованы.
При увеличении 4х цена деления счетной сетки в плоскости изображения
объекта равна 3,75 мм, при увеличении 1,6х—9,35 мм, при увеличении
Iх—15 мм. Счетная сетка накладывается на исследуемый объект деле-
ниями к препарату и закрепляется на нем с помощью пластинки.
Под микроскопом можно производить наблюдения коноскопических
фигур кристаллических объектов с помощью устройства, состоящего из
одной или нескольких наклеенных в ряд линз. Последний накладывают
на исследуемый шлиф, устанавливают поляризатор и анализатор в скре-
392
щенное положение и вставляют в паз под предметным столиком матовое-
стекло в оправе; затем опускают предметный столик от сфокусированного
на объект положения до появления в поле зрения отчетливых коноскопи-
ческих фигур. Микроскоп передвигают по поверхности шлифа до тех пор,
пока его полусферическая линза не окажется на исследуемом кристалле
с подходящим оптическим разрезом.
Оптические характеристики микроскопа МПС-2 даны в табл. XV.1.
В настоящее время более двух десятков зарубежных фирм выпускают
свыше 30 различных моделей стереоскопических микроскопов обоих типов.
Все микроскопы снабжены реечными механизмами для фокусировки.
Большинство микроскопов позволяет при помощи дополнительных при-
способлений производить исследования как в проходящем, так и в отра-
женном свете. К этим приборам некоторые фирмы поставляют принадлеж-
ности для фотографирования. Микроскопы первой группы (по Греню)
производят следующие фирмы.
1. Фирма «В. Ватсон» (Англия) выпускает серию микроскопов, отли-
чающихся конструкцией штатива, тубуса и револьвера с объективами.
Микроскопы комплектуются объективами с увеличениями от 1,25 до 10х
и окулярами от 5 до 14х. В одной из последних моделей в микроскопе
применена панкратическая система с пятикратным перепадом увеличения.
2. Фирма «К. Рейхерт» производит микроскопы серии «Мак». В микро-
скопе MS, с помощью которого осуществляется пространственное восприя-
тие на границах увеличений от 5 до 200х, сменные объективы с увеличе-
ниями от 1 до 10х устанавливаются в трехгнездном револьвере. Микро-
скоп снабжен механизмом для двухкоординатного перемещения опти-
ческой головки в горизонтальной плоскости, всесторонне ориентируемым
освещением, следующим за объектом, и препарированными подставками
для рук, специальными приспособлениями для исследования культур
микроорганизмов в чашках Петри и др.
3. Фирма «Лейтц» выпускает микроскопы с механизмом для двухкоор-
динатного перемещения оптической головки в горизонтальной плоскости.
Микроскоп снабжен сменными объективами с увеличениями от 1 до 12х,.
устанавливаемыми на салазках, и окулярами с увеличениями от 8 до 18х.
Укажем некоторые фирмы, выпускающие микроскопы второй группы.
1. Фирма «К. Цейсс» (г. Иена) выпускает две модели микроскопов
SMXXB и SMXX. Микроскоп SMXXB имеет упрощенную конструкцию и
предназначен для контроля различных деталей и других предметов, для
которых достаточно иметь диапазон увеличений от 10 до 40х, причем
не требуется быстрой их смены. Микроскоп SMXX — универсальный
прибор с бинокулярным наклонным тубусом, который можно устанавли-
вать в различных азимутальных направлениях. Микроскоп имеет пять
ступеней увеличений, получаемых с помощью систем Галилея. Диапазон
увеличений при применении окуляров 6,3 и 25х составляет от 4 до 100х;
линейное поле зрения в пространстве предметов соответственно изме-
няется от 44 до 2 мм\ рабочее состояние составляет 100 мм. В микроскопе
полностью устранены кривизна изображения и хроматические аберрации.
К обоим микроскопам можно применять различные приспособления
(микрофотонасадку MF, рисовальный аппарат, подставки для проходя-
щего света и т. д.).
393'
2. Фирма «Оптон» производит микроскоп типа МБС. Микроскоп снаб-
жается дополнительным двукратным насадным объективом. Общее увели-
чение микроскопа меняется в пределах от 6,3 до 200х. В одном из микро-
скопов имеется панкрэтическая система.
3. Фирма «Олимпус» выпускает микроскоп SZ с панкратической си-
стемой. Общее увеличение микроскопа с двумя насадными объективами
изменяется в пределах от 5,6 до 90х .
Г лава XVI
МИКРОСКОПЫ СРАВНЕНИЯ
Современные методы научных исследований в области криминалистики,
а также металлографии, ботаники и др. требуют применения специальных
микроскопов, позволяющих производить различные исследования путем
сравнения подобных друг другу как прозрачных, так и непрозрачных
объектов.
Разнообразие по характеру задач, которые приходится решать на
практике, приводит к необходимости разработки нескольких типов микро-
скопов и укомплектования их специальными принадлежностями, расши-
ряющими область исследований. К числу таких микроскопов относятся
микроскопы МС-51 и МСК-1.
Микроскоп сравнения МС-51 позволяет производить
исследования как прозрачных, так и непрозрачных объектов путем ви-
зуального наблюдения и фотографирования. В поле зрения микроскопа
оба исследуемых объекта видны одновременно.
Наблюдение прозрачных объектов в проходящем свете можно осуще-
ствить при увеличениях 36—1800х и непрозрачных объектов в отражен-
ном свете — при увеличениях 36—180х; фотографирование в проходящем
свете производится с увеличением 14—720х и непрозрачных объектов
в отраженном свете — 14—72х. Микроскоп снабжается объективами
ОМ-12, ОМ-2, МЩ и ОМ-41 и окулярами 7х и 15х. Максимальное поле
зрения микроскопа в пространстве предметов составляет около 4,9 мм.
Оптическая схема микроскопа, приведенная на рис. XVI. 1, а, представ-
ляет собой систему из двух микроскопов с собственным осветительным
устройством. Изображение от левого и правого объекта с помощью объек-
тивов 1, установленных на четырехгнездном револьвере, и неподвижных
прямоугольных призм 2 сводится на разделительную призму 3 в одно
общее поле зрения окуляра 4. Поскольку призменный блок неподвижен,
то поле зрения всегда остается разделенным на две равные части. Окуляр 4
установлен так, что изображение обоих объектов и линия их раздела
призмой 6 и линзой 7 проектируются в плоскость сетки 8 окуляра 9.
При фотографировании призма 6 выключается из хода лучей и изобра-
жение объекта, расположенное в плоскости ребра разделительной призмы 3
проектируется с помощью окуляра 4 на матовую пластинку 5.
На рис. XVI. 1,6 показан общий вид микроскопа. Для исследования
объектов в проходящем свете могут применяться осветители ОИ-19,
.394
Рис. XVI. 1. Оптическая схема микроскопа МС-51 (и) и его общий вид (б)
395
которые устанавливаются на колонке 13, скрепляемой с микроскопом
планкой 11 таким образом, чтобы обеспечить освещение по методу Кёлера.
При работе в отраженном свете пользуются теми же осветителями с насад-
кой 10 (рис. XVI. 1,а). Штатив микроскопа состоит из основания 19
и колонки 15, снабженной снаружи ленточной резьбой для перемещения
по высоте кронштейна с тубусом при помощи кольцевой гайки. Крон-
штейн 14 закрепляется на колонке с помощью разрезной втулки зажимным
винтом. Чтобы кронштейн не поворачивался на колонке, на ней имеется
шпоночный паз, а на кронштейне — шпонка, точно соответствующая пазу
колонки. На кронштейне укреплен тубус, состоящий из корпуса и сменных
подставок для окуляров. На верхнем опорном торце надставки 16 нахо-
дится микрофотонасадка МФН-1. Два предметных столика 17 смонти-
рованы на колонках 18, которые закреплены на основании штатива.
В колонке 18 находятся направляющие механизмов грубого и микроме-
тренного движения столика. Верхняя часть предметного столика может
вращаться. На верхнем диске столика имеются три отверстия для крепле-
ния препаратоводителя и четыре отверстия — для установки пружинных
клемм, прижимающих препарат к столику в случае работы без препарато-
водителей. Фокусировка на предмет осуществляется опусканием и подъе-
мом столиков относительно микрообъективов, а при больших объектах —
подъемом всего тубуса. Осветители 12 устанавливают с правой и левой
стороны основания микроскопа и закрепляют после соответствующего
их наклона на стойках 13 посредством муфты. Правый и левый рычаги,
шарнирно соединенные с основанием, служат для фиксации осветителей
в горизонтальной плоскости.
Криминалистический микроскоп сравнения
МСК-1 позволяет успешно решать ряд новых сложных задач в области
криминалистики с высокой степенью точности и надежности. Основное
отличие микроскопа МСК-1 от существующих отечественных и зарубеж-
ных моделей криминалистических микроскопов состоит в том, что он
дает прямые изображения двух сравниваемых в одном поле объектов при
наблюдении с помощью бинокулярного тубуса, проекции на экран и фото-
графировании.
На рис. XVI.2, а дана принципиальная оптическая система микро-
скопа, состоящая из двух ветвей сравнения, ветви наблюдения и проек-
ционной системы, передающей изображение объектов на экран и фото-
камеру (фотопластинка 6,5x9 см). Каждая ветвь сравнения до раздели-
тельной призмы 6 содержит несъемный коллиматорный объектив 1, си-
стему Галилея 2 для изменения увеличения, дополнительный объектив —
дуплет 3, прямоугольную призму 4 с двумя отражающими катетами и
плоское зеркало 5. Ветвь наблюдения состоит из трехкомпонентного
объектива 7, выключающейся призмы 8 с крышей и бинокулярного
тубуса 9. Проекционная система состоит из плоских зеркал 10 и 13, смен-
ного проекционного окуляра И и прозрачного экрана 14. Для передачи
изображения на фотопластинку 15 фотокамеры за проекционным окуля-
ром 11 включается зеркало 12. Оба зеркала 5 и центральная разделитель-
ная призма 6 между собою жестко связаны и могут перемещаться одно-
временно влево и вправо в направлении главного сечения призмы 6;
при этом можно наблюдать изображение соответственно от правого
или левого объекта или одновременно от обоих объектов, причем линия
396
13
Рис. XVI.2. Оптическая схема микроскопа МСК-1 (а)
и его общий вид (б)
397
s
ч
Увеличения и поля зрения микроскопа МСК-1 Фототубус с фотоокулярами /WIT Я ИМНИ1Э -тгпоюф И1ЭОМЭО1ГИ я иинабя 91гоц 40 | Примечание. Увеличения, заключенные в скобки, применять не рекомендуется. |
ww s KHHdde 9ITO11 ЭОНЦ9НИ [f 19 12 4,9 3,1
iwodw я вцомэоФяии 0ИНЭНИ1Г9Я^ 3,4 5,3 14 21
1 x6's KK Я ИЯНЙ1Э •В1ГиО1Оф И1ЭОЯЭО1ГЦ н в и и ode 01ГОЦ LO
WW Я KHH9de Э1ГОИ а'ониэии]/ 30 19 (7,4) (4,7)
zundx я EIlOMDOdMHJAI 9ИН9ЬИ1Г9Я^ 1,9 3,0 (7,7) (12)
Экран с проекционными окулярами x^ WW Я BJIEdMC И1ЭОИЭО1ГЦ я иинэбе Э1ГОЦ ww а киnode gifOLi эоннэниц* р-- г- о О СЧ /хГ CO
uivdyi я vnoMood'MHw эинэьшгояд 9,1 14 36 57
X WW Я ЕНВС1И€ ИЛ.ЭОЯЭОХГГ! я KHHads airojj ww а KHiiadc airoH ООИИЭПИЦ* 30 19 ! 149 (7,6) ; (4,9)
Uivdy Я I’noHOodHHw aiiHOhHifaax 9,8 19 4,9 15 '12 1 7,7 39 : 4,7 I (20) 61 \ 3,0 (31)
Визуальный тубус с окулярами xsi wk a KHngde girou ЭОПИЭНИ},'’ uind* a anoMoodMHw эииэьи1гэа/;
ww я KHHads aifou 9OHH9HHLf 30 19 (7,4) (4,7)
urodu a aiioyaodMUw ЭИН911И1Г9Я^ 2,7 4,2 (Н) (17)
UlDdyi Я 1ЯИЭ1ЭИЭ цоа991ГИ1гил эинэьи1Г9а^ 'xf го го ю o' o’ —Г см
uivdx а ейыгЛио Otf 1ЧИ91ЭИЭ ЭИН9ЬИ1Г9а^ 0,66 1 2,7 4.2
раздела между правым и левым
объектом может находиться
в любом месте поля зрения. Со-
вокупность оптических систем
ветви сравнения в сочетании
с объективом 7 и призмы 8 с кры-
шей в наблюдательной ветви
создает в поле зрения биноку-
лярного тубуса микроскопа пря-
мое изображение сравниваемых
объектов. Разность масштабов
изображений объектов, получен-
ных в двух ветвях, не превы-
шает 1 %.
Апертурная диафрагма в обеих
ветвях сравнения размещена
между компонентами сменных
галилеевых систем 2 и одновре-
менно сопряжена с задней фо-
кальной плоскостью коллима-
торного объектива 1. Это позво-
лило в оптической системе ми-
кроскопа осуществить телецен-
трический ход лучей, благодаря
которому неточность фокуси-
ровки в той или иной ветви срав-
нения не приводит к изменению
размеров изображений сравни-
ваемых полей.
В табл. XVI. 1 приведены
увеличения микроскопа и раз-
меры поля зрения. Как видно из
таблицы, при наименьшем уве-
личении микроскопа 2,7 мак-
симальный диаметр поля зрения
в пространстве предметов со-
ставляет 30 мм\ при максималь-
ном увеличении микроскопа 61 '
линейное поле зрения равно
3 мм.
На рис. XVI.2, б представ-
лен общий вид микроскопа.
На основании 16 смонтиро-
ваны собственно микроскоп, два
предметных столика 17 и два
осветителя 18 на кронштейнах.
Микроскоп состоит из головки,
и корпуса 19. В головке микро-
скопа находятся оптическая си-
стема ветвей сравнения, а также
398
система визуального наблюдения, которая завершается бинокулярным ту-
бусом 20. В корпусе микроскопа помещается револьвер с проекционными
фотоокулярами, система зеркал для проектирования изображений объекта
на экран и в плоскость фотопластинки, а также экран и фотокамера для
пластинок 6,5 X 9 см. Все переключения производятся с помощью
соответствующих рукояток. Вращением рукоятки 21 можно перемещать
линию раздела в поле зрения влево или вправо либо устанавливать
в поле зрения одно изображение от левой или правой ветви.
С помощью рукоятки 24 осуществляется переключение изображения
объекта с визуального тубуса на экран 22. Для включения в ход лучей
необходимого окуляра служит рукоятка 31 под головкой микроскопа.
На рукоятке имеется гравировка увеличений окуляра и буквы Э и Ф,
указывающие назначение окуляров для экрана и фотокамеры соответ-
ственно; фотокамера 23 расположена справа на корпусе прибора. Смена
увеличений в микроскопе осуществляется перемещением рукояток 28
вправо или влево и поворотом их на 180°. На втулках 26 награвированы
цифры 2,5; 0,6; 0,4 и 1,6, обозначающие увеличения галилеевых систем.
Чтобы получить требуемое увеличение, соответствующую цифру уста-
навливают против индекса 25. Вращением рукояток 27 изменяются диа-
метры апертурных ирисовых диафрагм в обеих ветвях.
Наводка на резкость линии раздела по глазу наблюдателя достигается
поворотом кольца, расположенного на обеих трубках бинокулярной на-
садки. Укрепленные на дуговых кронштейнах 30 осветители с лампой
СЦ61 можно поворачивать вокруг оси объектива примерно на 240° и
наклонять по отношению к оптической оси системы путем перемещения
их по кронштейнам 30. Более мощные осветители 29 с лампой ОП12-ЮО
на кронштейнах установлены на основании микроскопа по обе стороны
прибора. Обе пары осветителей дают софитное освещение и могут быть
включены одновременно. Питание лампы производится через понижающий
трансформатор от сети переменного тока 127 или 220 в. Между объектом и
объективомМожно установить в оправе светоделительную пластинку и с ее
помощью осветить объект прямо направленными лучами без теней. Светоде-
лительная пластинка крепится на оправе объектива. В комплекте прибора
имеются большой набор фильтров из цветного стекла, молочные стекла.
Для возбуждения люминесценции сине-фиолетовыми лучами (макси-
мум пропускания при К — 400 нм) применены светофильтры из стекла
ФС1 толщиной 2 и 4 мм. Запирающие светофильтры из стекла ЖС18
толщиной 2 мм, склеенные со светофильтром ЖЗС19 толщиной 1 мм,
надеваются на окуляры бинокулярного тубуса. Для устранения ярких
бликов на объекте при фотографировании надеваются на оправы объекти-
вов поляризационные светофильтры.
На предметные столики можно устанавливать практически любые
объекты. Расстояние между оптическими осями проектирующих объек-
тивов равно 300 мм\ для специальных объективов имеются специальные
держатели, например пуледержатели и гильзодержатели. Предметные
столики (правый и левый) имеют пределы перемещения в двух взаимно
перпендикулярных направлениях 40x40 мм\ углы поворота в горизон-
тальной плоскости до 360° с отсчетом, углы наклона относительно горизон-
тальной плоскости до 30°. Фокусировка на резкость изображения объектов
производится перемещением предметного столика в пределах до 90 мм.
399
Глава XVII
ПРИБОРЫ ДЛЯ МИКРОФОТОГРАФИИ,
МИКРОКИНЕМАТОГРАФИИ И МИКРОПРОЕКЦИИ
1. Общие положения
В основе приборов как для микрофотографии, так и для микропроекции
лежит одна и та же принципиальная оптическая схема, описанная в гл. II.
Поэтому те и другие приборы рассматриваются здесь вместе. С приборной
точки зрения микрофотография отличается от микропроекции лишь тем,
что в первом случае изображение проектируется на светочувствительный
слой, а во втором — на экран.
К осветительным системам, применяемым в приборах для проекции
увеличенных изображений микрообъектов, предъявляются два повышен-
ных требования, а именно: источник света должен иметь высокую яркость
и юстировка системы должна быть безукоризненной. Последнее дости-
гается путем особо тщательной настройки осветительной системы по
способу Кёлера, о котором сообщалось в гл. II. Это дает возможность по-
лучить в высокой степени равномерную освещенность по всему полю зре-
ния, а количество рассеянного света свести до минимума. Если поле зрения
будет плохо освещено, то на структуру изображения наложится струк-
тура неравномерного освещения, что приведет к плохому качеству изобра-
жения, а иногда даже к ложному представлению об объекте. Рассеянный
свет снижает контраст и тем самым также приводит к ухудшению качества
изображения.
Выведенная ранее формула (VI.65) для освещенности на экране при
микропроекции не учитывает коэффициент пропускания т0 (при освеще-
нии проходящим светом) или отражения р0 (при освещении падающим
светом) объекта. Принимая во внимание эти коэффициенты, указанную
формулу следует записать в виде
Е = лтВт0 ^,- и £ = лтВр0. (XVII. 1)
р р
В гл. VI сообщалось о потерях света в обычном микроскопе; для него
коэффициент пропускания приблизительно равен т — 0,5. В более слож-
ных микроскопах и в таких микроскопах, как фазовоконтрастный, интер-
ференционный, поляризационный и др., коэффициент пропускания может
быть в несколько раз меньше. Например, при исследовании объектов
в отраженном свете одна только светоделительная пластинка опак-иллю-
минатора ослабляет световой поток в 5—10 раз.
Коэффициент пропускания (отражения) изучаемых объектов в зависи-
мости от их физических свойств может колебаться от величины близкой
к единице до одной десятой, а иногда и меньше.
В конечном счете выходящий из прибора световой поток оказывается
значительно ослабленным. Компенсировать это, как видно из формулы
(XVII. 1), можно лишь повышением яркости источника, если апертура
объектива и масштаб изображения определены условиями опыта.
Масштаб изображения при микрофотографировании обычно близок
или ненамного превышает увеличение микроскопа при визуальном наблю-
400
дении, тогда как при микропроекции он может быть очень большим.
При проведении съемок изображений через микроскоп часто требуется
малое время экспозиции, которое обратно пропорционально освещенности.
Все это приводит к тому, что при проекции изображения желательно,
а зачастую и необходимо применение источников света, имеющих возможно
большую яркость.
Оптическая система микроскопа должна удовлетворять самым высоким
требованиям.
Резкость изображения стремятся сделать возможно лучше по всему
полю зрения. Ахроматические и апохроматические объективы имеют до-
вольно значительную кривизну изображения. С этим недостатком в какой-
то мере еще можно мириться при визуальном наблюдении. За счет аккомо-
дации глаза удается просмотреть изображение, имеющее некоторую про-
тяженность по глубине. Это приводит к небольшому увеличению размера
изображения, видимого четким. Кроме того, возможно последовательно
увидеть центральную и краевые части поля зрения, прибегнув к незначи-
тельной перефокусировке микроскопа с помощью микромеханизма. При
проекции, а особенно при микрофотографировании все это исключается.
Для устранения кривизны изображения в случае ахроматических и
апохроматических объективов применяют вместо окуляров гомалы,
которые, однако, дают несколько заниженное поле зрения. Следует на-
помнить, что с гомалами нельзя производить визуальное наблюдение.
Наилучший результат достигается с планобъективами, которые обра-
зу ют плоское изображение по всему полю зрения. Эти объективы не
исключают возможности визуального наблюдения, так как работают
с положительными окулярами.
Проекция изображения микропрепарата может быть осуществлена
несколькими способами.
1. Экран можно поместить вместо окуляра в плоскости промежуточ-
ного изображения, созданного объективом. Так как масштаб изображения
здесь небольшой, то он не позволит решить задачи микропроекции,
а в случае микросъемки потребуется дальнейшее довольно значительное
увеличение с. полученного негатива. Высококачественные фотографии
можно получить, если увеличение при их печати не превышает при-
мерно 10х. Это значит, что с объективом 100х масштаб изображения на
фотоотпечатке будет не более 1000х. Величина явно недостаточная. Значит
данный способ проекции неэффективен. Однако в редких случаях он при-
меняется.
2. Можно удалить окуляр и получить сильно увеличенное действи-
тельное изображение на большом расстоянии от объектива, который при
этом надо перефокусировать. Масштаб изображения будет достаточен,
но качество резко ухудшится, так как расстояние до изображения станет
значительно больше оптической длины тубуса и ход лучей в оптической
системе не будет соответствовать расчетным условиям. Ясно, что этот
способ непригоден для работы с обычными микрообъективами.
Тем не менее такой метод проекции применяется для получения не-
больших увеличений до 20х, но с использованием специально для этой
цели рассчитанных объективов (микропланар, корректар и др.). Опти-
ческая система таких объективов подобна системе фотообъективов.
26 Г. Е. Скворцов и др.
401
Таблица XVI 1.1
Приближенные значения
удлинения тубуса в мм
в зависимости от длины
камеры и увеличения окуляра
Длина камеры в мм Увеличение окуляра
5х 7х 10 х
125 28 10 5
250 И 5,5 2,5
400 6 3 1,5
500 5 2,5 —
бражения при этом будет
Так как фотоокуляры
Подробные сведения об объективах приведены в гл. VIII. Подобный метод
называется макропроекцией или макрофотографией. Применяется он
довольно широко.
3. Наиболее приемлемый (с некоторыми оговорками) и распростра-
ненный способ заключается в том, что если несколько перефокусировать
микроскоп, то окуляр, действуя как проекционная система, создаст дей-
ствительное увеличенное изображение на экране, как это показано на
рис. II.7. В этом случае ход лучей и в объективе, и в окуляре не соответ-
ствует расчету, поэтому сферическая аберрация возрастет и качество
изображения понизится. Качество улучшается при удалении плоскости
изображения от микроскопа. Однако практи-
чески этим воспользоваться нельзя, так как
одновременно с удалением изображения со-
гласно формуле (II.25) увеличивается его
масштаб и диаметр проектируемого поля ста-
новится значительно больше фотокадра,
а иногда и экрана. Чтобы получить изобра-
жение удовлетворительного качества на срав-
нительно небольшом расстоянии от микро-
скопа, прибегают к помощи фотоокуляра,
которым заменяется обычный окуляр. Фото-
окуляры — положительные проекционные
системы, специально рассчитанные для этой
цели. Они не предназначены для визуального
наблюдения, и хотя с ними можно произво-
дить наблюдение глазом, но качество изо-
недостаточно хорошим.
не всегда имеются в распоряжении экспери-
ментатора, то для микропроекции применяют обычные окуляры. В этом
случае можно улучшить качество изображения, если сохранить хотя бы
в объективе нормальный ход лучей. Правда, осуществить это можно лишь
в микроскопах, у которых конструкция тубуса позволяет изменять его
длину. Надо удлинить тубус и тем самым отодвинуть окуляр от объектива
настолько, чтобы промежуточное изображение, созданное объективом,
было удалено от его заднего фокуса на величину оптической длины тубуса.
Это удлинение зависит от длины камеры К (расстояние от окуляра до
изображения) и увеличения окуляра Гок (табл. XVII. 1).
На основании таблицы можно заключить, что применение сильных
окуляров для микропроекции требует такого незначительного удлинения
тубуса, которым на практике можно пренебречь. Этот вывод имеет осо-
бенно большое значение для работы с теми микроскопами, длина тубуса
у которых не может изменяться.
4. По ряду соображений (см. гл. XXIV) иногда для проекции изобра-
жения микрообъекта применяется еще один способ (рис. XVII. 1). Здесь
микроскоп настроен как обычно, т. е. объектив 2 создает промежуточное
изображение препарата 1 в фокальной плоскости окуляра 3, который
образует вторичное изображение в бесконечности. Фотообъектив 4 камеры,
помещенной за микроскопом, проектирует окончательное изображение пре-
парата на светочувствительный слой 5, находящийся в фокальной пло-
скости объектива. Следовательно, при данном способе проекции оба при-
402
бора, микроскоп и фотокамера, работают в условиях, соответствующих
расчету. Рассмотрев ход лучей в такой комбинированной системе, можно
найти, что масштаб изображения равен
Рис. XVII.1. Принципиальная схема проекции изображения
с помощью микроскопа и фотообъектива
где Л — оптическая длина тубуса; fo6, ?ф, f0K — фокусные расстояния
объектива микроскопа, фотообъектива и окуляра. Если сделать подста-
новку, прибегнув к формулам (II.7) и (II.8), то это выражение примет вид
Р - робГ0к (XVII.2)
Сравнение полученного с формулой (11.25) показывает, что фокусное рас-
стояние фотообъектива /у, выполняет здесь роль длины камеры К-
Этот способ проекции не позволяет получить большого масштаба изо-
бражения, так как фокусное расстояние распространенных фотообъекти-
вов не превышает 100 мм, а обычно даже меньше. Следует еще заметить,
что применение описанного способа требует хорошей центрировки фото-
камеры относительно микроскопа.
2. Приборы для микрофотографии
Фотографирование изображений препаратов, увеличенных микроско-
пом, — незаменимое средство в практике изучения микрообъектов, так
как оно дает возможность проводить исследования и анализ этих изобра-
жений, а также позволяет документировать и сохранять их во времени.
Кроме того, с помощью фотографии можно превращать невидимое изобра-
жение в видимое, как это делается в ультрафиолетовых и инфракрасных
микроскопах. По этим причинам микрофотографию применяют везде,
где для каких-либо исследований используется микроскоп. Естественно,
что такая потребность привела к созданию разнообразных приборов для
микросъемки.
Микрофотонасадки — простейшие и наиболее распростра-
ненные устройства, позволяющие производить фотографирование через
обычный микроскоп. Основными элементами фотонасадки являются:
фотокамера с затвором, устройство для контроля резкости изображе-
ния на фотоэмульсионном слое и призма для распределения выходящего
26
403
из микроскопа светового пучка между фотокамерой и устройством кон-
троля резкости.
Фотокамера может быть пластиночной или пленочной. В первой полу-
чают негативы, не требующие увеличений; во второй применяется чаще
всего 35-миллиметровая пленка, при печати с которой изображение до-
полнительно увеличивают. В качестве пленочной камеры обычно исполь-
зуют любительский фотоаппарат без объектива. Преимущество такой
камеры — это возможность сделать большое количество снимков, не
перезаряжая аппарат.
Устройство для контроля резкости изображения на фотослое выпол-
няют преимущественно в виде визирной трубки, состоящей из объектива,
сетки и окуляра. Объектив выполняет вспомогательную роль и уменьшает
расстояние между окуляром микроскопа и сеткой визирной трубки.
Сетка располагается в плоскости, оптически сопряженной со слоем фото-
эмульсии, и представляет собой стеклянную пластинку с нанесенной на
нее прямоугольной рамкой. Размер рамки соответствует размеру кадра.
В центре рамки имеется перекрестие или биштрихи, облегчающие фокуси-
рование на сетку при наблюдении. Сетка помещена в фокальной плоскости
окуляра, с помощью которого она рассматривается одновременно с изобра-
жением препарата. Окуляр снабжен механизмом для диоптрийной уста-
новки. Иногда визирную трубку заменяют небольшим экраном из мато-
вого стекла, сопряженным с фотослоем. Для работы с таким устройством
требуются более яркие источники света.
Призма осуществляет последовательное или одновременное распреде-
ление светового пучка между фотокамерой и визирной трубкой. В первом
случае она подвижная: если призма на оси оптической системы, свет
направляется в визирную трубку; если призма выведена, свет проходит
непосредственно к фотокамере. Во втором случае призма имеет светоде-
лительное покрытие, направляющее часть света в трубку, часть — в фото-
камеру.
На рис. XVII.2 представлен разрез микрофотонасадки
.МФН-3. Насадка имеет призму, выключающуюся на время экспозиции
из хода лучей. Преимущество такой системы: в визирный тубус и в фото-
камеру направляется весь световой поток, что существенно при малых
освещенностях. Недостатки: исключается наблюдение за препаратом но
время экспозиции и усложняется процесс работы.
В микрофотонасадке МФН-11 (рис. XVI 1.3) призма 5 стационар-
ная, поэтому недостатки прибора МФН-3 здесь становятся преимуществом,
а преимущество — недостатком. Сменные системы 1, 2 и 3 дают возмож-
ность изменять увеличение микроскопа без смены объектива и окуляра.
Система 4 предназначена для наблюдения выходного зрачка объектива.
Изображение объекта рассматривается через бинокулярный тубсс.
призмы 8, 9, 10 которого распределяют световой поток между двумя
окулярами. Один из окуляров имеет сетку, оптически сопряженную
с фотопленкой 7. Изображение на пленку проектируется системой 6.
Более сложные микрофотонасадки снабжаются фотоэкспонометрами,
о которых сообщается ниже.
Микроскопы,в которых фотография применяется не только для
документирования, но и как способ изучения объектов, имеют встроенные
фотокамеры той или иной конструкции. Такими приборами, например,
404
Рис. XVII.2. Микрофотонасадка МФН-3:
! — призма; 2 — объектив; 5 — сетка; 4 — окуляр; 5 — пленочная камера;
6 — рукоятка выключения призмы
Рис. XVII.3. Принципиальная оптиче-
ская схема микрофотонасадки МФН-11
4^
о
сл
являются металлографические, ульрафиолетовые и инфракрасные микро-
скопы. Сведения о них подробно изложены в соответствующих главах.
Установки для микро- и макрофотографиро-
вания являются стационарными. Простейший прибор этого типа пред-
ставляет собой массивное основание с прикрепленным к нему осветителем
и установленной над ним пластиночной фотокамерой. Камера имеет раз-
движные меха, что позволяет устанавливать фотопластинку на различном
Рис. XVII.4. Общий вид установки для микро- и
макрофотографирования ФМН-2
удалении от окуляра и тем
самым менять масштаб увели-
чения. Микроскоп обычного
типа (рабочий, лабораторный)
помещается на основании
прибора под фотокамерой.
Более сложные установки
предназначены не только для
микро-, но и для макрофото-
графирования, т. е. для фото-
графирования с небольшими
увеличениями в пределах
0,5—20х. Обеспечивается это
специально рассчитанными
объективами типа микропла-
нар, корректар и т. и. При-
мером такой установки может
служить прибор ФМН-2,
внешний вид которого пока-
зан на рис. XVII.4.
На приборе можно прово-
дить макросъемку как про-
зрачных, так и непрозрачных
объектов. Освещение про-
зрачных объектов произво-
дится с помощью оптической
системы, одна часть которой
смонтирована в основании,
а другая часть — в предмет-
ном столе 1 или 2, устанав-
ливаемом на основании при-
бора под фотокамерой. Выбор
стола зависит от размера
объекта. Для освещения непрозрачных объектов и некоторых видов про-
зрачных служит съемный софитный стол 3. Часть софитов смонтирована
внутри стола, четыре закреплены над столом на подвижных кронштейнах.
Кроме того, над столом установлены два осветителя с лампами более
мощными, чем лампы в софитах. Комбинируя освещение и подсветку
объекта с разных сторон и под различными углами, можно подобрать
такое освещение, которое позволит не только выявить на фотографии те или
иные детали объекта, но также подчеркнет их рельефность и объемность.
На приборе ФМН-2 может осуществляться также стереофотографиро-
вание. Для этого плата 4, в которую ввинчена оправа с объективом.
406
перемещается в горизонтальной плоскости. Таким образом можно сфото-
графировать объект дважды под различными углами и получить два снимка,
называемых стереопарой.
Микрофотографирование производится с помощью обычного микро-
скопа (например, МБР-1, МБИ-3, МИН-8 и др.), устанавливаемого на
основании под фотокамерой.
3. Приборы для микрокинематографии
Киносъемка изображений, увеличенных микроскопом, применяется
для изучения разнообразных процессов, протекающих в микрообъектах.
Этот метод незаменим в исследованиях, например, жизнедеятельности
клеток, процессов кристаллизации, химических реакций, структурных
превращений металлов при их нагревании и т. д.
Простейшая микрокиноустановка — это сочетание обычного микро-
скопа со стандартной кинокамерой. Обычно применяются 16- или 35-
миллиметровые камеры. Так как размер кинокадра невелик, то для более
полного использования поля зрения микроскопа целесообразно монти-
ровать установку в соответствии со схемой приведенной на рис. XVII.1.
Тогда изображение проектируется на пленку микроскопом совместно
с объективом камеры. Пределы возможных скоростей съемки в такой
установке ограничиваются возможностями кинокамеры. Обычно можно
получить скорости от 8 до 64 кадров в секунду. Однако для исследо-
вания медленных процессов требуются значительно меньшие скорости
съемки.
Для получения малых скоростей съемки (до одного кадра в час) при-
меняют механизм времени, называемый цейтрафером, с помощью ко-
торого приводят в движение механизм кинокамеры.
В микрокиносъемке могут иметь значение следующие два момента,
касающиеся режима работы источника света. Во-первых, при длительной
съемке на качестве фильма может отразиться колебание напряжения
сети питания лампы. При больших колебаниях плотность кадров фильма
может стать заметно непостоянной. Во-вторых, как говорилось в гл. VII,
в случае питания лампы переменным током при больших скоростях съемки
плотности кадров также могут отличаться друг от друга.
Очень серьезной задачей в микрокиносъемке является задача устра-
нения вибраций, так как они могут привести к расфокусированию системы
и смещению изображения. С целью устранения влияния вибраций микро-
киноустановку и отдельные ее части (микроскоп, кинокамера, цейтрафер)
устанавливают на специальных амортизаторах и монтируют на крон-
штейнах, заделанных в капитальную стену. Именно так выполнена
микрокиноустановка МКУ-2, внешний вид которой показан
на рис. XVII.5. Микрокиноустановка МКУ-2 может работать с 16- или
35-миллиметровой камерой.
Элементы электрической схемы установки, приведенной на рис. XVI 1.6,
большей частью смонтированы в пульте управления. Включение прибора
на тот или иной режим работы осуществляется с помощью переключа-
теля В5. В положении В5—1 включается лампа Л4 осветителя микроскопа.
В положении В5—2 питание через выпрямитель Д1—Д4 подается на элект-
родвигатель кинокамеры, обеспечивающий скорость съемки не менее 8
407
кадров в секунду. Непрерывная съемка осуществляется при положении
В5—3 с помощью электродвигателя М и электромагнитной муфты Э.ИЗ.
Для проведения покадровой съемки с интервалами между кадрами 2—30 сек
или 1,5—15 мин переключатель устанавливается в положение В5—4
или В5—5. Величина интервала между кадрами задается с помощью
реле времени, собранного на лампе Л6. Реле времени управляет одно-
оборотной электромагнитной муфтой через электромагнит ЭА12. Выдержка
при покадровой съемке устанавливается с помощью переключателя В8.
Рис. XVII.5. Общий вид микрокиноустановки МКУ-2:
1 — пульт управления; 2 — микроскоп; 3 — цейтрафер; 4 — кинокамера
Привод кинокамеры осуществляется от электродвигателя с помощью
цейтрафера, кинематическая схема которого показана на рис. XVI 1.7.
Движение от электродвигателя 3 через червячную пару 1—2 передается
валу I—I, на котором свободно сидят шестерни 4—9 и жестко закреплена
шестерня 10. Шестерни 24—30 могут поочередно соединяться с валом
II—Ис помощьюскользящей шпонки, передвигаемой посредством рукоятки
на кожухе прибора. Таким образом, элементы 4—10 и 24 - 30 образуют
коробку скоростей, от которой движение через шестерни 23, 11, 12. 13
передается шестерне 18. Последняя при непрерывной съемке с помощью
реверсивной электромагнитной муфты 19 сцепляется с карданным теле-
скопическим валиком 14. Валик через коническую пару 16 -17 приводит
в движение механизм кинокамеры 15. Во время покадровой съемки муфта 19
соединяет с валиком 14 шестерню 22. В этом случае движение от вала
II—II к валику 14 передается с помощью шестерни 20, соединяющейся
с валом II—II посредством электромагнитной однооборотной муфты 21.
408
Рис. XVI 1.6. Электриче-
ская схема микрокиноус-
тановки МКУ-2
Рис. XVI 1.7. Кинематическая
схема цейтрафера микрокиноустановки
МКУ-2
409
Таким образом осуществляется движение механизма кинокамеры, обеспе-
чивающего съемку одного кадра. Момент включения муфты 21 задается
реле времени, а выключение после одного оборота производится с помощью
концевого выключателя.
4. Приборы для микропроекции
Микропроекцию применяют не только для демонстрации изображения
одновременно нескольким наблюдателям, но также и для удобства работы
на ряде микроскопов. Наиболее распространена проекция на прозрачный
экран, в качестве которого используют обычно матовое стекло. Этот вид
проекции используется в простых насадках к микроскопу и в проекцион-
ных устройствах, являющихся частью некоторых микроскопов.
Проекционное устройство представляет собой матовое стекло, уста-
навливаемое на определенном расстоянии от выходного зрачка микроскопа
(рис. XVII.8, а). Индикатрисы рассеяния (на рисунке показаны штрихо-
Рис. XVII.8. Распределение индикатрис рассеяния
при проекции на прозрачный экран: а — без линзы
Френеля; б — с линзой Френеля;
/ — выходной зрачок микроскопа; 2 — матовое стекло;
3 — линза Френеля
выми линиями) на периферии
экрана наклонены на неко-
торый угол по отношению
к индикатрисе на оси системы.
Поэтому центральная и крае-
вые зоны экрана представля-
ются при наблюдении не оди-
наково яркими. Избавиться
от такого недостатка помо-
гает линза Френеля, установ-
ленная вблизи экрана, как
показано на рис. XVI 1.8, б.
Фокус линзы должен совпа-
дать с выходным зрачком ми-
кроскопа. Тогда во всех точ-
ках экрана свет будет падать практически нормально к поверхности и
индикатрисы рассеяния будут параллельны друг другу. Если зрачок ми-
кроскопа расположен дальше фокуса линзы, то индикатрисы рассеяния
будут направлены к глазу наблюдателя.
Спроектировать сильно увеличенное изображение на непрозрачный
вертикальный экран можно с помощью обычного микроскопа, снабдив
его призмой для отклонения выходящего из окуляра светового пучка
и ’’осветителем с достаточно мощным источником. Для этой же цели
применяют специальные микропроекторы. Схематический чертеж
одного из наиболее удачных приборов такого типа представлен на
рис. XVII.9.
Источником света служит дуговая лампа 1. При подаче напряжения
на угольные электроды между ними возникает вольтова дуга. По мере
сгорания электродов они сближаются друг с другом с помощью часового
механизма.
Коллекторная линза 2 направляет свет через водяную кювету, тепло-
защитный фильтр 3 и призму в конденсор 7 микроскопа. Объектив 8,
призма 9 и окуляр 10 проектируют увеличенное изображение на экран.
Так осуществляется микропроекция.
410
В случае диапроекции свет после теплозащитного фильтра отклоняется
зеркалом 4 и направляется на диапозитив 5, изображение которого про-
ектируется объективом 6. Призма 9 и тубус с окуляром 10 отводятся
в сторону.
Рис. XVII.9. Схематическая конструкция микропроекционного
прибора фирмы «Оптон» (ФРГ): а — микропроекция; б — диа-
проекция
5. Экспонометры для микрофотографии
Фотографирование однотипных препаратов на одном и том же приборе
производится с одной и той же выдержкой. При исследовании разно-
образных препаратов процесс определения правильной экспозиции зани-
мает иногда много времени и усложняет работу. Фотоэкспонометр дает
возможность упростить этот процесс и позволяет за короткое время
определить с достаточной степенью точности выдержку, которая необ-
ходима на данном приборе и при данном фотоматериале для получения
хорошего негатива. Экспонометр состоит из приемника излучения и изме-
рительной системы.
На рис. XVII.10 показаны оптическая схема прибора для микрофото-
графии и места возможной установки приемника излучения.
411
каким-либо способом была учтена
Рис. XVII.10. Принципиальная оптиче-
ская схема прибора для микрофотогра-
фии. Положение приемника излучения
экспонометр ического устройства:
1—в фокальной плоскости окуляра; 2 — в вы-
ходном зрачке микроскопа; 3 — в плоскости,
сопряженной с фотопластинкой; 4 — в плоско-
сти фотопластинки; 5 — в выходном зрачке ви-
зирной трубки, сопряженной с выходным зрач-
ком микроскопа
Освещенность Е изображения на слое фотоматериала, светочувстви-
тельность материала S и время экспедиции t связаны соотношением
ESt = k, (XVII.3)
где k — постоянный коэффициент.
Экспонометр измеряет световой поток или освещенность Е и должен
определить время t. Для этого необходимо, чтобы в процессе измерения
чувствительность фотоматериала.
В зависимости от вида объекта и
типа микроскопа освещенность изо-
бражения колеблется в широких пре-
делах. Она может быть меньше
0,01 лк, а может достигать 100 лк и
более.
Если приемник экспонометра ус-
тановлен в положение 4, то он изме-
ряет освещенность непосредственно
в плоскости фотоэмульсии. Такое из-
мерение не всегда удобно. Поэтому
приемник можно установить в поло-
жение 3, но при этом в результатах
измерения должна быть учтена раз-
ность освещенностей плоскостей!? и 4.
Оба эти положения не требуют ка-
ких-либо дополнительных данных
для определения экспозиции. Однако
следует иметь в виду, что правильная
выдержка будет определена для того
участка изображения, который спро-
ектирован на приемник излучения.
Если на приемник попадет очень
светлый участок изображения, то
темные места окажутся недодержан-
ными и наоборот.
На основании сведений, изложен-
ных в гл. II и VI, можно сделать
вывод, что изменения радиуса выход-
ного зрачка микроскопа г, проходящего через зрачок светового потока F,
и освещенности изображения Е связаны с изменениями увеличения оку-
ляра Гох и диаметра его полевой диафрагмы Д следующим образом:
D Г0к г F Е
D Го« + АГок г— Ar F Е — NE
D Д ND Го« г F — NF Е
Отсюда следует, что в случае установки приемника излучения в положе-
ние 1 или 2 необходимо при определении выдержки учитывать параметры
окуляра, а для положения 5—и параметры визирной трубки. Осуществ-
ляется это с помощью специальных номограммных шкал, оптических
или электрических компенсирующих устройств в экспонометре.
412
Наиболее простой экспонометр представляет собой фотоэлемент типа
селенового с гальванометром, имеющим практически логарифмическую
шкалу. На корпусе прибора смонтированы концентричные шкалы, по
которым устанавливаются чувствительность фотоматериала, увеличение
окуляра и другие приборные факторы. С помощью этих шкал и показаний
гальванометра определяется время экспозиции.
Принципиальная схема более сложного экспонометра показана на
рис. XVII.11. Свет, прошедший через ослабитель 1 и диафрагму 2, соби-
рается линзой 3 на приемнике
(, 7 8 излучения — фоторезисторе 4.
Ослабитель может быть выпол-
I нен из ступенчатого или непре-
-з:-'-« | рывного нейтрального стеклян-
--М кого клина, из двух повора-
-13(31-
чиваемых относительно др\г
Рас. W4I.1I. Принципиальная схема экспоно-
метра: а — оптики электрическая система;
б — установочные шкалы;
Рис. XVII.13. Фотография поля
зрения визирной трубки автомати-
ческой фотонасадки
1 - осл.юиП'ЛЬ света; 2 — диафрагма; 3 — линза:
4—приемник излучения; 5 - измерительный прибор;
3 - поворотное кольцо; 7--шкала светочувствитель-
ности (слева) и времени экспозиции (справа); <8— не-
подвижный корпус
Рис. XVII. 12. Принципиальная схема авто-
матического экспонометра
друга поляроидов и т. д. Изменяя диаметр диафрагмы, можно «ввести»
в прибор, например, значение увеличения окуляра или масштаба изобра-
жения в случае камеры переменной длины. Чувствительность фотомате-
риала устанавливается по шкале 7 против левого индекса. Кольцо 6
и шкала 7 поворачиваются как одно целое относительно корпуса 8. Ко-
льцо 6 соединено с ослабителем 1. Кольцо поворачивают до тех пор, пока
стрелка прибора 5 не станет в нулевое положение. Тогда величину правиль-
ной выдержки можно прочитать по шкале 7 против правого индекса.
Наиболее сложные приборы — автоматические экспонометры, которые
встраиваются в фотонасадки или фотокамеры микроскопов. Принцип
действия прибора можно понять, рассмотрев рис. XVII.12. Фотоумножи-
тель 1 установлен в плоскости, сопряженной с плоскостью изображения.
При включении системы электромагнитный механизм 5 открывает затвор
и начинается экспозиция. Одновременно анодный ток ФЭУ, пропорцио-
нальный падающему световому потоку, начинает заряжать конденсатор.
413
По достижении определенного напряжения на обкладках конденсатор
разряжается и сигнал через электронную пороговую систему 3 поступает
на реле 4. Срабатывание реле приводит в действие электромагнитный меха-
низм, который закрывает затвор фотокамеры. С помощью переключателя 2
осуществляется ввод в систему значения светочувствительности.
Так как ФЭУ измеряет поток, соответствующий только части изобра-
жения, то необходимо знать положение приемника относительно кадра
фотокамеры, чтобы иметь возможность определить выдержку для наиболее
интересного места. С этой целью на сетке визирной трубки, кроме кадро-
вой рамки, наносится кружок, указывающий относительное положение
и размер приемной площадки ФЭУ. На рис. XVII. 13 приведена фотогра-
фия поля зрения визирной трубки с такой сеткой.
Глава XVIII
ФАЗОВОКОНТРАСТНЫЕ И ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ
МИКРОСКОПЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
Эта глава не исчерпывает всего разнообразия приборов, выпускае-
мых для работы по методу фазового и интерференционного контрастов;
тем более здесь не указываются все возможные способы практического
осуществления фазовоконтрастных и интерференционных микроскопов.
Ниже приводятся сведения только об отечественных микроскопах и о не-
которых зарубежных моделях. Принципы действия этих приборов изло-
жены в гл. V.
1. Фазовононтрастные устройства
для проходящего света
Так как эффект фазового контраста достигается путем введения диа-
фрагмы в осветительную систему и фазовой пластинки в наблюдательную
систему микроскопа, то естественно, что практическое осуществление этого
метода связано лишь с соответствующим выбором местоположения и харак-
теристик вводимых элементов.
Фазовая пластинка, как об этом сообщалось раньше, обычно имеет
кольцеобразную форму, хотя иногда встречаются пластинки в виде креста
или узкой полоски.
Для получения оптимальных результатов рекомендуются следую-
щие размеры кольцевой пластинки: ширина кольца должна составлять
около одной седьмой диаметра выходного зрачка объектива, а средний
диаметр кольца должен равняться приблизительно двум третям диаметра
зрачка.
Наиболее распространенные фазовые пластинки вносят в проходящий
через них свет сдвиг по фазе на 90° и имеют коэффициент пропускания
около 25%. Хотя иногда желательно иметь иной сдвиг фазы или иное
пропускание, но приведенные характеристики наиболее универсальны
и удобны в работе. Так, например, чувствительность при наблюдении
малых объектов возрастает с увеличением поглощения фазовой пластинки.
414
Однако одновременно инстенсивности рассеянного и полезного света ста-
новятся соизмеримыми, что не может не сказаться на качестве изображения.
Фазовое кольцо наносят на плоскопараллельную стеклянную пла-
стинку или па поверхность одной из линз оптической системы. Послед-
ний способ применяется в отечественных фазовоконтрастных устройствах:
кольцо наносят на поверхность линзы, расположенной вблизи заднего
фокуса объектива.
Фазовокон т раст-
ное устройство КФ-4
состоит из набора объек-
тивов и конденсора, разрез
которого показан на рис.
XVII 1.1. Устройство мо-
жет работать с биологиче-
скими, люминесцентными
и поляризационными ми-
кроскопами.
Четыре объектива уст-
ройства КФ-4 (10x0,30;
20X0,40; 40x0,65 и 90X
X 1,25 масляной иммерсии)
отличаются от объективов
обычного типа только на-
личием фазового кольца.
Оптическая система
конденсора состоит, по-
добно системе наиболее
распространенного типа
конденсора, из'двух линз
6 и 7 с апертурой /, 2,
а его конструкция значи-
тельно отличается от обыч-
ной.
Размеры фазовых ко-
лец в объективах не одина-
ковы, что требует приме-
нения в осветительной си-
стеме своей кольцевой
диафрагмы ДЛЯ "каждого Рис. XVIII.1. Конденсор фазовоконтрастного устрой-
объектива. Поэтому кон- ства ^Ф-4
денсор снабжен револьвер-
ным диском 2, в котором смонтированы кольцевые диафрагмы 5. Смена
диафрагм производится путем поворота диска 2. Цифра в окне 8 кор-
пуса конденсора указывает, какая именно диафрагма находится в рабо-
чем положении. Кроме того, в револьверном диске имеется свободное
отверстие, благодаря! чему с помощью конденсора можно осуществить
освещение по методу светлого поля. Роль необходимой при этом апертур-
ной диафрагмы выполняет ирисовая диафрагма 4.
Неизбежные в производстве небольшие ошибки изготовления дета-
лей, их сборки и юстировки оптической системы не дают возможности
415
построить прибор, в котором изображение кольцевой диафрагмы и фазовое
кольцо были бы концентричными. Осуществление их центрировки предо-
ставляют экспериментатору. Центрировка производится посредством
небольших перемещений револьверного диска с помощью двух винтов 1
и пружинящего упора.
Аберрации оптической системы, неточное совпадение плоскости изо-
бражения кольцевой диафрагмы с плоскостью фазового кольца и другие
причины заставляют изготовлять кольцевые диафрагмы такими, чтобы
ширина их изображения была несколько меньше ширины фазового кольца.
В противном случае недифрагированный свет может пройти мимо фазо-
вого кольца и уменьшить контраст изображения. Некоторое умень-
Рис. XVIII.2. Принципиальная оптическая схема фа-
зовоконтрастпого устройства с панкратическим кон-
денсором
шение ширины кольцевой
диафрагмы можно объяс-
нить также стремлением
облегчить настройку при-
бора для работы.
При правильной на-
стройке изображение коль-
цевой диафрагмы не дол-
жно выходить за пределы
фазового кольца. Наблю-
дение плоскости выходного
зрачка объектива произ-
водится с помощью вспомогательного микроскопа, входящего в комплект
фазовоконтрастного устройства и устанавливаемого вместо окуляра
прибора.
Наилучший результат достигается при освещении объекта зеленым
светом. Для этой цели в конструкции конденсора предусмотрен откид-
ной кронштейн 3 с гнездом для светофильтра.
Фазовоконтрастные устройства с одной коль-
цевой диафрагмой применяются в тех микроскопах, где имеется
конденсор с панкратической системой. Очевидно, что такая система имеет
некоторые преимущества, так как облегчает работу с прибором. Принци-
пиальная оптическая схема подобного устройства показана на рис. XVI П.2.
Освещение препарата 4 производится через кольцевую диафрагму 1,
панкратическую систему 2 и конденсор 3. Диафрагма 1 оптически со-
пряжена с фазовым кольцом 6 объектива 5. Изменяя фокусное расстоя-
ние системы 2, находят такое положение, при котором размер изображения
кольцевой диафрагмы становится равным размеру фазового кольца.
Описанная схема применяется, например, в универсальном биологи-
ческом микроскопе МБИ-6.
Следует отметить, что манипулирование с фазовоконтрастным устрой-
ством в процессе эксплуатации может быть сведено до минимума, если
применить револьвер с центрирующими гнездами для объективов. В этом
случае не потребуется при смене объектива центрировать кольцевую
диафрагму.
До сих пор говорилось о фазовоконтрастных устройствах, у которых
фазовые кольца постоянно вмонтированы в объективы. Естественно, что
это ограничивает возможности прибора, хотя простота устройств не-
сомненна.
416
Ф,а з о в о к о н т р а с т н ы е устройства, не требую-
щие специальных объективов, позволяют сравнительно
легко приспосабливать фазовые пластинки с различными характеристи-
ками. Достигается это с помощью дополнительной оптической системы,
перепроектирующей выходной зрачок объектива в промежуточную
плоскость, где и устанавливается фазовая пластинка (см. рис. V. 13).
Примером такого устройства может служить приспособление японской
фирмы «Олимпус» к биологическим микроскопам. В устройство входят
конденсор с набором кольцевых диафрагм и небольшой блок, размещаемый
между тубусодержателем и тубусом микроскопа. В блоке смонтирована
оптическая система для перепроектирования выходного зрачка объектива
и имеется гнездо, в которое вставляется сменная планка. В планке закреп-
ляются различные фазовые пластинки.
Такое устройство обеспечивает работу как с позитивным, так и с нега-
тивным фазовым контрастом различной силы.
Фазовоконтрастное устройство КФ-5 отличается тем,
что примененные в его объективах фазовые пластинки представляют собой
два концентричных фазовых кольца. Соответствующую форму имеют
диафрагмы в конденсоре. Наблюдение можно производить либо с обоими
кольцами, либо только с кольцом меньшего диаметра. Последнее дости-
гается путем диафрагмирования светового пучка с помощью имеющейся
в конденсоре ирисовой диафрагмы.
Для наблюдения структур препарата с большими градиентами опти-
ческой толщины используют оба кольца, с малыми градиентами — только
внутреннее. Объясняется это тем, что при малых градиентах оптической
толщины расстояние между дифракционными максимумами в задней
фокальной плоскости объектива невелико и максимумы будут лучше
разделены, если диаметр кольца мал.
Таким образом, наблюдение одного и того же препарата сначала с двумя,
а затем с одним кольцом позволяет выявить больше подробностей в струк-
туре препарата и тем самым создать о нем более полное представление.
2. Фазовоконтрастные устройства
для отраженного света
Метод фазового контраста, принцип которого изложен в гл. V приме-
нительно к прозрачным препаратам, может быть использован для наблю-
дения поверхности непрозрачных объектов. Например, мельчайшие цара-
пины, ступеньки и другие дефекты на полированной поверхности металла
или сплава вносят сдвиг фазы в отраженный от них свет. Используя это
явление, можно с помощью метода фазового контраста выявлять те
элементы структуры, которые находятся выше или ниже поверхности
образца. Таким образом удается с высокой чувствительностью исследо-
вать нетравленые поверхности сплавов.
Как и в фазовоконтрастных устройствах для проходящего света,
в случае отраженного света применяют два способа размещения фазовой
пластинки: внутри объектива и вне объектива.
Фазовоконтрастное устройство немецкой
фирмы «Лейтц » выполнено по первому способу. Оно представляет
собой опак-иллюминатор обычного типа с пластинкой Бека, в котором
27 Г. Е. Скворцов и др.
417
апертурная диафрагма осветительной системы заменена кольцевой диа-
фрагмой. Фазовые кольца вмонтированы в объективы.
Устройство отличается простотой конструкции, но имеет следующие
недостатки: а) для него необходимы специальные объективы; б) исклю-
чается возможность применения других фазовых пластинок; в) система
невыгодна с энергетической точки зрения. Последнее объясняется тем,
что освещение производится через фазовое кольцо в объективе, которое
принципиально должно поглощать значительную часть света.
Фазовоконтрастное устройство КФ-3 к металло-
графическому микроскопу рассчитано на работу с обычными объективами..
В нем применен принцип перепро-
ектирования выходного зрачка
объектива в промежуточную плос-
кость.
На принципиальной оптической
схеме металлографического микро-
скопа МИМ-8М с фазовоконтраст-
Рис. XVIII.3. Принципиальная оптическая схема металлографического микроскопа
МИМ-&М с фазовоконтрастным устройством КФ-3:
1—кольцевая диафрагма; 2—линза, 3—линза; 4— полевая диафрагма; 5—линза; 6 — объект;
7 —объектив; 8— выходной зрачок объектива; 9 — пластинка Бека; 10 — призма; // — лин-
зовая система; 12— фазовая пластинка; 13—линзовая система; 14 — окуляр; 15 — выклю-
чающееся зеркало; 16 — фотоокуляр
ным устройством КФ-3, показанной па рис. XVIII.3, непосредственно
устройству принадлежат только кольцевая диафрагма 1 и элементы
11—16.
Кольцевая диафрагма проектируется линзами 2, 3 и 5 осветительной
системы микроскопа в плоскость выходного зрачка 8 объектива 7. Линзо-
вая система 11 проектирует зрачок объектива, а следовательно, и изобра-
жение диафрагмы 1 на фазовую пластинку 12. Объектив и линзовые си-
стемы 11 и 13 создают изображение объекта 6 в фокальной плоскости
окуляра 14. Если выключить зеркало 15, то изображение объекта про-
ектируется вблизи фокальной плоскости фотоокуляра 16. С помощью
камеры, установленной за фотоокуляром, можно сфотографировать изо-
бражение.
Устройство КФ-3 рассчитано на работу со всеми объективами, вхо-
дящими в комплект микроскопа. Так как выходные зрачки объективов
расположены на различном удалении от опорной плоскости, то для сов-
мещения плоскости изображения зрачка с плоскостью фазовой пластинки
последняя может перемещаться вдоль оптической оси.
418
В устройстве применяются три сменные кольцевые диафрагмы, выбор
которых зависит от объектива, и одна фазовая пластинка, которая имеет
коэффициент пропускания около 25% и вносит в проходящий через нее
свет сдвиг по фазе на 90°. Пластинка дает эффект позитивного фазового
контраста.
Совместное действие оборачивающих линзовых систем 11 и 13 равно-
сильно действию тубусной линзы с фокусным расстоянием 176 мм.
3. Интерференционные микроскопы
и принадлежности для проходящего света
Интерференционный биологический микро-
скоп МБИН-4 предназначен для исследования препаратов в проходя-
щем свете методом интерференционного контраста, а также для измерений
разности хода, возникающей при прохождении света через неокрашен-
ный прозрачный объект. Большие возможности интерференционный метод
Рис. XVIII.4. Принципиальные оптические схемы:
а — интерференционный биологический микроскоп
МБИН-4 с компенсатором Сенармона; б — компенсатор
с интерференционными полосами в поле зрения; в — по-
лутеневой компенсатор
открывает в биологии благодаря тому, что по измеренной разности хода
можно определить вес и концентрацию сухого вещества в клетке, ее тол-
щину и показатель преломления. Так как основу сухого веса клеточных
структур составляют большей частью белки, то интерференционный метод
позволяет оценить суммарное содержание белков в живых и фиксирован-
ных клетках.
В основу принципа действия микроскопа МБИН-4 положен принцип
поляризационного интерферометра Лебедева (рис. XVIII.4, а). Лучи
27
419
света, поляризованные поляроидом 1, проходят через конденсор 2 и разд-
ваиваются кальцитовой пластинкой 3. Пластинка вырезана так, что ее
кристаллооптическая ось составляет с оптической осью прибора угол,
равный приблизительно 45°. После пластинки 3 лучи, поляризованные
во взаимно перпендикулярных направлениях, проходят через пластинку
«полволны» 4, которая поворачивает плоскости поляризации лучей на 90°.
Только при этом условии в данной схеме возможно будет затем компен-
сировать разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучом,
возникающую в пластинке 3. Достигнув препарата 5, на исследуемый
элемент структуры попадет только один луч, а второй — пройдет мимо.
Кальцитовая пластинка 6, установленная перед объективом 7, соеди-
няет раздвоенные ранее лучи и компенсирует разность хода между ними,
возникшую в пластинке 3. Кристаллооптическая ось у пластинки 6 рас-
положена так же, как у пластинки 3.
В системе всегда найдется второй луч, показанный на рисунке штри-
ховой линией, который пройдет через тот же элемент структуры препа-
рата, что и первый луч. Поэтому в фокальной плоскости окуляра 10
возникнет два изображения препарата. В поле зрения микроскопа, схема-
тически показанном на рисунке вверху, будут видны обыкновенное о
и смещенное астигматическое необыкновенное е изображения. Величина
смещения зависит от увеличения объектива и расстояния между раздвоен-
ными лучами в плоскости препарата.
Раздвоение лучей пропорционально толщине кальцитовой пластинки.
Пластинка толщиной 1 мм раздваивает лучи на 0,11 мм. Очевидно, что
исследованию доступен только тот участок препарата, который свободен
от наложенного необыкновенного изображения. Поэтому желательно,
чтобы величина раздвоения была возможно большей. С другой стороны,
из-за ограниченного свободного расстояния между объективом и покров-
ным стеклом препарата нельзя между ними поместить толстую кальцито-
вую пластинку. Это обстоятельство в какой-то мере ограничивает воз-
можности прибора. Так, для объектива 40x0,65 применена пластинка
толщиной 1,5 мм, раздваивающая лучи на0,165 мм. Для объектива 10 X0,30
раздвоение равно 0,330 мм.
Интерференция возможна только в том случае, если пластинка 6
соединяет те два луча, которые произошли из одного и того же луча.
Это выполняется тогда, когда пластинки 3 и 6 имеют равную толщину
и правильно ориентированы в пространстве, а качество предметного
и покровного стекол достаточно высоко. Однако в реальных условиях всегда
имеются какие-то незначительные отступления от перечисленных требова-
ний. Компенсация отступлений достигается путем покачивания пластинки 3
на небольшой угол.
Описываемый прибор может работать и как обычный микроскоп.
Для этого достаточно повернуть поляризатор 1 на угол 45°, что приведет
к исчезновению необыкновенного изображения.
Если один луч проходит через объект, а второй — мимо, то между
ними возникает разность хода, которую в микроскопе МБИН-4 можно
измерить с помощью одного из трех компенсаторов.
Компенсатор Сенармона действует следующим образом. Разность
хода между лучами после их соединения приводит к эллиптической поля-
ризации света. Пластинка «четверть волны» 8 превращает этот свет в ли-
420
нейно поляризованный, причем плоскость колебаний оказывается по-
вернутой на некоторый угол относительно первоначального направления.
Угол поворота зависит от разности хода, внесенной объектом, и изме-
ряется с помощью анализатора 9. Наиболее точные измерения произво-
дятся в монохроматическом свете, для чего в оптическую систему вводят
интерференционный светофильтр.
При измерении разности хода анализатор сначала устанавливают
в такое положение, чтобы свободный от изображения участок был наи-
более темным (угол поворота фг). Затем анализатор поворачивают до
максимального потемнения измеряемого элемента структуры (угол пово-
рота <р2). Внесенная объектом разность хода может быть вычислена по
формуле
Д = (XVIII. 1)
Воспроизводимость измерений с компенсатором Сенармона не хуже Х/50,
но может достигать Х/100. Предел измерений не превышает одной длины
волны.
Компенсатор с интерференционными полосами в поле зрения, в отли-
чие от предыдущего, позволяет измерять разность хода до пяти длин
волн. При работе с ним компенсатор Сенармона выключается (рис. XVIII.4).
В этом случае анализатор 15 устанавливается за окуляром 14. Две призмы
Волластона 11 и 12 образуют в фокальной плоскости окуляра систему
интерференционных полос. Здесь же помещается стеклянная пластинка 13
с нанесенным на ней тонким штрихом. Штрих расположен параллельно
интерференционным полосам. Пластинка 13 может передвигаться пер-
пендикулярно полосам с помощью микрометренного винта 16.
Если в поле зрения имеется объект, вносящий некоторую разность
хода, то интерференционные полосы на его изображении будут смещены
на величину L, пропорциональную этой разности. Смещение L равно сумме
целого числа полос N и дробной части I. Число N подсчитывается в белом
свете, тогда как величина I измеряется в монохроматическом свете с по-
мощью микрометренного винта 16. Разность хода, внесенная объектом,
определяется по формуле
Д=^ЛГ+2_)Х, (XVIII.2)
где е — ширина интерференционной полосы, измеренная винтом 16.
Воспроизводимость измерений с компенсатором этого типа не превы-
шает Х/50.
Полутеневой компенсатор дает наилучшую воспроизводимость изме-
рений, достигающую Х/300, но позволяет измерять разность хода только
в пределах одной длины волны (рис. XVIII.4, в).
При работе с полутеневым компенсатором объектив микроскопа и
линза 17 проектируют изображение объекта на грань призмы 18. Здесь
нанесена узкая металлизированная полоска 23, которая вносит допол-
нительный сдвиг фазы. Изображение объекта вместе с полоской рассма-
тривается через вспомогательный микроскоп, состоящий из дополнитель-
ного объектива 20 и окуляра 22. Пластинка «четверть волны» превращает
эллиптически поляризованный свет в линейно поляризованный.
421
Для измерения разности хода анализатор 21 сначала устанавливают
в положение, при котором освещенности свободного от препарата поля
зрения на полоске и рядом с ней будут равны друг другу. Затем повора-
чивают анализатор до тех пор, пока не уравняются освещенности изобра-
жения объекта на полоске и рядом, как это показано па рисунке вверху.
Разность хода вычисляется по Формуле (XVIII. 1).
Конструкция микроскопа МБИН-4 поясняется рис. XVIII.5. Сзади
к основанию микроскопа прикреплен осветитель 12 с лампой накали-
вания, коллектором и полевой диафрагмой. На основании жестко смон-
Рис. XVIII.5. Общий вид биологического интерференционного
микроскопа МБИН-4
тирован массивный неподвижный тубусодержатель 9. Фокусировка микро-
скопа производится посредством перемещения предметного столика 2:
для грубого движения служит рукоятка 10, а для точного — рукоятка 11.
Механизм точной фокусировки имеет шкалу с ценой деления 0,002 мм.
Столик снабжен двухкоординатным механизмом для перемещения пре-
парата в горизонтальной плоскости. Рукоятки механизма расположены
коаксиально. Величина перемещения препарата вдоль каждого направле-
ния составляет 40 мм. Под столиком на специальном кронштейне уста-
навливается сменный конденсор 13. Выбор того или иного конденсора опре-
деляется используемым объектом. Поляризатор поворачивается на угол 45°
за рукоятку 15. Для покачивания кальцитовой пластинки, раздваиваю-
щей лучи, служат два винта 14.
Объективы 8 закреплены в револьвере. В головке 3 смонтирован ком-
пенсатор Сенармона. Вращение анализатора производится с помощью
кольца 7, на котором нанесен круговой лимб с ценой деления 1°; для
облегчения отсчета угла поворота служит лупа 4, переставляемая при
фокусировке вдоль оси.
422
Микрофотонасадка МФН-11 (см. гл. XVII) позволяет производить
наблюдение через бинокулярный тубус 5 и фотографирование изображе-
ния с помощью пленочной камеры 6.
При работе с другими компенсаторами компенсатор Сенармона выклю-
чается, а микрофотонасадка заменяется соответствующим приспособлением.
Блок / служит для питания источника света и регулирования его
яркости. Блок подключается к сети переменного тока.
Интерференционный микроскоп Дайсона анг-
лийской фирмы «Виккерс» представляет собой прибор, в котором при-
менена по существу двухфокусная система с зеркальным разделением
интерферирующих пучков (рис. XVIII.6).
Объект 9 заключен между предмет-
ным 3 и покровным 4 стеклами. Они уста-
новлены между пластинками 2 и 5, аостав- 7
шисся свободные промежутки заполнены
иммерсионной жидкостью. Верхняя по- „
верхность пластинки 2 покрыта полупро-
зрачным зеркальным слоем, а на нижней 5
нанесено полностью отражающее зеркаль- 4
ное пятно 1 небольших размеров. Полу-
прозрачные зеркальные покрытия имеются
также на обеих поверхностях пластинки 5,
которая приклеена к линзе 6. Кроме того, /
между пластинкой 5 и линзой 6 имеется
маленькое непрозрачное пятно, которое
предотвращает от попадания в объектив
света, не участвующего в интерференции.
Пластинки 2 и 5 представляют собой
Рис. XVIII.6. Принципиальная
схема интерференционного микро-
скопа Дайсона
клинья с малыми углами. На сферической
поверхности линзы 6 нанесен
полностью отражающий зеркальный слой, за исключением небольшой
площадки 7 на оптической оси. Центр кривизны сферической поверх-
ности совпадает с зеркальным пятном 1. Верхняя поверхность плас-
тинки 2 находится посередине между объектом 9 и зеркалом 1.
Принцип действия прибора заключается в следующем. Луч света из
осветительной системы, достигнув верхней поверхности пластинки 2,
раздваивается так, что луч а продолжает идти в том же направлении
к объекту 9, а луч b отражается в сторону зеркала 1. Пройдя через объект
и пластинку 5, луч а отражается от ее верхней поверхности, затем от
нижней и направляется к сферическому зеркалу на линзе 6. Луч Ь, отра-
зившись от зеркала 1, также направляется к сферическому зеркалу.
Так как оба луча идут по нормали к этому зеркалу, то оно возвращает
их в том же направлении. На нижней поверхности линзы 6 оба луча
вновь отражаются и приходят на площадку 7. Объект 9 расположен в цен-
тре кривизны сферической поверхности, поэтому на площадке 7 будет
образовано его изображение 9' в натуральную величину. Это изображение
может рассматриваться с помощью обычного объектива микроскопа 8.
Если в плоскость объекта спроектирован источник света или заменяю-
щая его поверхность (например, поверхность коллектора), то на пло-
щадке 7 возникнут два изображения источника и, таким образом, будет
возможна двухлучевая интерференция между лучом, прошедшим через
423
н .
8 -
Рис. XVIII.7. Принципиаль-
ная оптическая схема интер-
ференционного и фазовокон-
трастного микроскопа
ю
объект, и лучом сравнения, отраженным от зеркала 1. В действитель-
ности лучи раздваиваются при каждом прохождении (или отражении)
через полупрозрачную поверхность, но на рисунке показаны лишь те
из них, которые принимают участие в образовании изображения и в ин-
терференции.
Можно представить совокупность лучей, заполняющих апертуру кон-
денсора, которые освещают объект 9. После раздвоения вершина одного
конуса лучей совпадает с объектом, а другого — с зеркалом 1. Отражен-
ный от зеркала конус пройдет через плоскость объекта широким пучком,
почти равным по размеру диаметру поля зре-
ния объектива микроскопа. Благодаря этому
пучок сравнения практически не искажается
одиночными объектами небольших размеров.
Пластинка 5 и линза 6 соединены с объекти-
вом 8 посредством специальной втулки и могут
поворачиваться вокруг оптической оси. Плас-
тинка 2 монтируется под предметным столиком
микроскопа и наклоняется на небольшой угол
с помощью трех винтов 11. Поворот блока 5—6
и наклон пластинки 2 позволяют изменять
ширину и направление интерференционных
полос. Разность хода, вводимая объектом, опре-
деляется по величине перемещения пластинки 2
в горизонтальной плоскости, для чего служит
винт 10. Точность измерения составляет около
М40.
Серьезными недостатками прибора явля-
ются значительная потеря света и большое
количество рассеянного света, возникающие
вследствие многочисленных отражений. Даже
в случае применения диэлектрических полу-
прозрачных покрытий, практически не погло-
щающих свет, потери на отражение достигают
99%. Кроме того, работа с микроскопом за-
трудняется из-за наличия иммерсионных слоев,
он ное и фазовоконтрастное уст-
ройство, принципиальная схема которого показана на рис. XVIII.7,
предназначается для работы с обычными объективами и окулярами.
Для разделения и воссоединения интерферирующих лучей в приборе
применен интерферометр Цендер—Маха. Устройство позволяет получить
эффект переменного фазового контраста, а также интерференционного
контраста. В последнем случае используется дифракционный принцип
получения волны сравнения, предложенный В. П. Линником.
Метод фазового контраста осуществляется следующим образом. Перед
конденсором 2 установлена кольцевая диафрагма 1, обычная для фазово-
контрастных устройств. Оптическая система 6 проектирует выходной
зрачок 5 объектива 4 в помежуточные плоскости, где установлены коль-
цевые диафрагмы 7 и 14. Первая из них представляет собой непрозрачное
кольцо, вторая — прозрачное. Пластинка 15 с полупрозрачным покры-
тием расщепляет световой пучок на два. Пучки отражаются (один от зер-
Инте
е о е н п и
424
кала 8, другой — от зеркала 12) и вновь соединяются на полупрозрачной
пластинке 10. Компенсатор 9 служит для уравнивания оптических длин
обеих ветвей интерферометра, образованных четырьмя зеркалами.
Недифрагированный свет проходит через диафрагму 14 и может быть
ослаблен с помощью фотометрического клина 13. Свет, дифрагированный
объектом, проходит в другой ветви через диафрагму 7. Его фазу можно
изменять посредством смещения зеркала 8 вдоль оптической оси. Таким
образом, в фокальной плоскости окуляра 11 наблюдатель видит изобра-
жение прозрачного объекта 3 и для получения наилучшего контраста под-
бирает соответствующим образом ослабление прямого света и сдвиг по
фазе между прямым и дифрагированным светом.
Рис. XVIII.8. Принципиальная оптическая схема интерференцион-
ного окуляра Франсона
В случае работы по методу интерференционного контраста диафрагмы 1
и 7 заменяются узкими щелями, а диафрагма 14 выключается из хода
лучей. Принцип действия подобного прибора описан в гл. V.
Интерференционный окуляр Франсона относится
к ширинг-системам. На рис. XVIII.8 представлена его принципиальная
схема 1 совместно с микроскопом. В качестве интерференционного узла
применен известный полярископ Савара, состоящий из двух плоскопарал-
лельных кристаллических пластинок 7 и 8, поляризатора 6 и анализа-
тора 9. Пластинки вырезаны под углом 45° к кристаллооптической оси
и скрещены между собой, т. е. их оси лежат во взаимно перпендикуляр-
ных плоскостях.
В переднем фокусе конденсора 2 расположена узкая щель 1, поэтому
препарат 3 освещается параллельным пучком света. Ширина щели тем
меньше, чем толще пластинки. Наблюдение препарата производится
с помощью объектива 4, коллекторной линзы 5 и окуляра 10. Коллектор-
ная линза устанавливается так, что ее передний фокус совпадает с задним
фокусом объектива. Тогда через полярископ проходит параллельный пучок
лучей. Изображение прозрачного препарата 3 образуется в фокальной
плоскости 3' окуляра обычного типа. Действие прибора не изменится,
если изображение будет расположено за полярископом. Изменение порядка
интерференции осуществляется путем наклона пластинок 7 и 8.
Величина раздвоения изображения зависит от толщины кристалличе-
ских пластинок и выбирается такой, чтобы раздвоение не превышало
величины разрешающей способности прибора. Практически если совместно
с окуляром 7х применены кварцевые пластинки общей толщиной 6,5 мм,
то устройство обеспечивает хороший эффект дифференциального метода.
425
Полное раздвоение изображения требует применения очень узкой
щели в конденсоре. Этот недостаток описанного устройства в значитель-
ной мере компенсируется чрезвычайной простотой его конструкции.
Интерференционный окуляр Франсона может также применяться
и для исследования непрозрачных объектов в отраженном свете.
4. Интерференционные устройства
для отраженного света
Рис. XVIII.9. Оптическая
схема интерференцион-
ного микрообъектива
В последнее время появился интерес к исследованию непрозрачных
объектов, в первую очередь металлов и минералов, методом интерферен-
ционного контраста. Эго побудило некоторые фирмы оснастить металло-
графические микроскопы соответствующими устройствами.
Интерференционное устройство МИО-1 выпускается
как принадлежность к отечественным металлмикроскопам и предназна-
чается как для исследования шлифов методом
интерференционного контраста, так и для изме-
рения высоты неровностей на поверхности.
Основной частью устройства является интер-
ференционный микрообъектив Захарьевского, схе-
ма которого приведена на рис. XVIII.9. Объектив
имеет большое свободное расстояние, апертуру 0,5,
фокусное расстояние f = 10 мм и рассчитан на
длину тубуса бесконечность. Интерференционный
узел объектива состоит из двух плоскопараллель-
ных пластинок одинаковой толщины 3 и 4. Плас-
тинка 3 после нанесения на нее маленькой зеркаль-
ной плащадки 2 приклеена к фронтальной линзе
системы 1. Со стороны линзы зеркальная площад-
ка покрыта черным непрозрачным лаком. Винье-
тирование пучка лучей зеркалом 2 незначительно
и составляет около 2% площади светового отвер-
стия. Нижняя поверхность пластинки 4 покрыта
светоделительным слоем и располагается посереди-
не между зеркалом 2 и поверхностью изучае-
мого объекта 5.
Луч света из осветительной системы проходит через объектив и, до-
стигнув пластинки 4, раздваивается. Один луч, не меняя направления,
падает на объект 5 и отражается к пластинке 4. Другой луч зеркалом 2
также возвращается к пластинке 4. Здесь лучи воссоединяются, интерфе-
рируют и направляются через линзовую систему 1 в окуляр микро-
скопа.
Пластинка 4 монтирована в оправе, навинченной на корпус объектива.
Это позволяет уравнивать оптические длины ветвей интерферометра.
Таким образом, объектив дает систему интерференционных полос
равной толщины, локализованную на поверхности наблюдаемого объекта.
Ширина и направление полос зависят от наклона поверхности объекта
по отношению к объективу. Наклон объекта осуществляется с помощью
специального качающегося столика, устанавливаемого на предметном
столике микроскопа.
426
Для исследования методом интерференционного контраста интерферен-
ционные полосы делают настолько широкими, чтобы по всему полю зре-
ния микроскопа наблюдалась равномерная интерференционная окраска.
Если какие-либо элементы структуры будут находиться выше или ниже
поверхности объекта, то окраска их изображений будет меняться в за-
висимости от их высоты.
Для измерения профиля поверхности объект наклоняют на такой угол,
чтобы в поле зрения микроскопа наблюдались узкие интерференционные
полосы. Профиль поверхности оценивается по смещению полос, измерен-
ному с помощью окулярного винтового микрометра.
Известно, что максимальный контраст интерференционной картины
достигается, при прочих оптимальных условиях, в том случае, если
интерферирующие лучи имеют равную интенсивность. С другой стороны,
желательно, чтобы с помощью описываемого устройства, как впрочем
и любого другого, можно было исследовать объекты с различной отража-
тельной способностью. Тогда для уравнивания интенсивностей интерфе-
рирующих пучков необходимо применять пластинки 4 со светоделитель-
ными покрытиями, имеющими различные коэффициенты отражения.
С этой целью устройство комплектуется четырьмя сменными пластинками,
позволяющими получать достаточно контрастную интерференционную
картину при испытании поверхностей с коэффициентами отражения
от 0,01 до 0,90.
Необходимым условием получения интерференционной картины высо-
кого качества является выполнение требований, предъявляемых к деталям
интерференционного узла, т. е. к пластинкам 3 и 4. Они должны быть
изготовлены из одного куска стекла, что обеспечит равенство показателей
преломления. При работе в белом свете разность толщин пластинок не
должна превышать 0,6 мкм. Поверхности пластинок должны быть про-
светлены.
Интерференционные устройства по Помар-
с’к о м у в различных вариантах выпускаются несколькими фирмами.
Одним из их преимуществ является то, что при работе с ними можно
использовать полную апертуру осветительной системы. В качестве примера
ниже описываются устройства фирмы «Рейхерт», которая изготовляет
два варианта этих приборов.
Устройство представляет собой ширинг-систему, где для раздвижения
изображения применена призма Номарского, аналогичная призме на
рис. V. 4, б. Призма имеет вынесенную плоскость локализации, что позво-
ляет сочетать ее с сильными объективами, у которых задний фокус нахо-
дится внутри оптической системы. Призма помещается между пластинкой
Бека опак-иллюминатора и объективом.
Устройство первого варианта содержит призму с малым углом раз-
двоения, обеспечивающим дифференциальный способ. Оно предназначено
для наблюдения объекта с применением метода интерференционного кон-
траста. Для измерения разности хода служит второй вариант устройства
с призмой, дающей достаточно большое раздвоение, чтобы полностью
разделить два изображения сравнительно небольшого объекта. На
рис. XVIII. 10 показан внешний вид второго варианта.
На корпусе 6 снизу имеются направляющие 1 типа «ласточкин хвост»,
с помощью которых устройство закрепляется на микроскопе. Рукоятка 3
427
Рис. XVIII. Ю. Внешний вид
интерференционного устройства
по Номарскому фирмы «Рейхерт»
облегчает установку устройства. Обычный объектив из комплекта микро-
скопа помещается в гнезде корпуса 6 после удаления защитной пла-
стинки 7.
Внутри корпуса смонтирована призма для получения интерференцион-
ного эффекта. Величина раздвоения изображения практически не меняется
при небольших перемещениях призмы, тогда как число полос в поле зре-
ния зависит от расстояния между призмой и
задним фокусом объектива. Это расстояние
регулируется путем передвижения призмы
вдоль оптической оси с помощью рукоятки 4.
Выбранное положение фиксируется стопор-
ным винтом 2.
При вращении рычага 5 вокруг горизон-
тальной оси призма смещается в сторону от
оптической оси. Такое перемещение приво-
дит к появлению в поле зрения интерферен-
ционных полос более высокого порядка.
Итерференционные полосы располагаются
перпендикулярно направлению раздвоения,
что затрудняет процесс измерения и вычис-
ления разности хода, вводимой объектом.
Серьезным недостатком устройства является
то, что обе интерферирующие волны дефор-
мированы по всему фронту. Вследствие этого
затруднительна интерпретация картины.
Конструкция устройства для дифференциального способа раздвоения
аналогична описанной. Разница заключается лишь в том, что здесь пере-
движением призмы вдоль оптической оси добиваются совмещения выне-
сенной плоскости локализации с задним фокусом объектива.
Нельзя не отметить сравнительную простоту устройств и невысокие
требования к точности изготовления деталей.
Глава XIX
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ МИКРОСКОПЫ
И АВТОМАТИЧЕСКИЕ СЧЕТЧИКИ ЧАСТИЦ
По сравнению с обычными методами микроскопии сочетание телеви-
зионной техники с микроскопом дает целый ряд преимуществ, которые
подчас открывают новые возможности в исследованиях.
1. Телевизионные микроскопы
Телевизионные микроскопы в зависимости от способа освещения иссле-
дуемого объекта строятся по двум принципиально различным схемам.
В приборах первого типа изображение объекта, даваемое микроскопом,
проектируется на фотокатод передающей телевизионной трубки; приборы
второго типа работают по принципу бегущего пятна.
428
Телевизионный микроскоп с передающей
т р /б к о й представляет собой простую комбинацию оптического микро-
скопа и телевизионного канала. Принципиальная блок-схема подобной
установки изображена на рис. XIX. 1, а. Препарат 3 освещается источ-
ником света 1 через конденсор 2. Микрообъектив 4 и окуляр 5 проектируют
изображение препарата на фоточувствительный слой передающей трубки 6,
которая через стандартную электронную систему 7 передает изображение
на экран кинескопа 8. Таким образом, микроскоп здесь работает так же,
как, например, при микрофотографировании. Условия работы телевизион-
ной системы тоже не отличаются от обычных условий. Поэтому телеви-
Рис. XIX.1. Принципиальные блок-схемы телевизионных микроскопов:
а — с передающей трубкой; б — с бегущим пятном
зионный микроскоп с передающей трубкой — простая комбинация стан-
дартных оптических и радиотехнических узлов.
Телевизионный микроскоп с бегущим пятном
представляет собой более сложную установку. Термин «бегущее пятно»
применительно к данным условиям предполагает оптическое сканирова-
ние препарата движущимся лучом света. Принципиальная блок-схема
микроскопа с бегущим пятном представлена на рис. XIX.1, б. В таких
установках окуляр 2 и объектив 3 микроскопа работают в обратном ходе
лучей и проектируют на препарат сильно уменьшенное изображение
растра с экрана катоднолучевой трубки 1, служащей источником света.
Прошедший через препарат 4 свет собирается конденсором 5 и направ-
ляется на фотоумножитель 6. При такой схеме все точки препарата будут
освещаться не одновременно, а последовательно —• по мере движения
луча, образующего растр. В каждый момент времени интенсивность про-
шедшего света пропорциональна пропусканию соответствующей точки
препарата. Выходной сигнал с фотоумножителя (пропорциональный,
в свою очередь, количеству прошедшего света) через электронную си-
стему 7 поступает на кинескоп 8, развертка которого синхронизирована
с разверткой трубки бегущего пятна 1. Так как сигнал фотоумножителя
в конечном счете управляет электронным лучом в кинескопе 8, то на
429
экране кинескопа воспроизводится изображение объекта. Катод фото-
умножителя располагается в выходном зрачке оптической системы, ко-
торым здесь является апертурная диафрагма конденсора. Таким образом
исключается влияние неравномерной по площади чувствительности фото-
катода.
Так как в телевизионном микроскопе оптическое изображение преоб-
разуется в серию электрических сигналов, то можно чисто электронным
путем регулировать контраст, яркость и масштаб изображения.
Особенно большое значение имеет возможность увеличения контраста.
Это иногда позволяет получать на экране телевизора изображения, кон-
траст которых достигает контраста изображения в фазовоконтрастном
микроскопе. Еще больший эффект можно получить при сочетании фазо-
воконтрастного и телевизионного устройств.
Благодаря увеличению яркости изображения электронным путем,
телевизионный микроскоп может удачно заменить обычные микропроек-
ционные устройства, в которых для получения достаточной освещенности
на экране необходимо подвергать препарат интенсивному облучению, что
часто является нежелательным. Высокая яркость экрана телевизора по-
зволяет фотографировать изображения с малыми экспозициями, что осо-
бенно важно для киносъемки движущихся объектов. Для киносъемки
с экрана телевизора кинокамера должна быть синхронизирована с раз-
верткой изображения на экране. Это значит, что экспозиция должна про-
изводиться за время развертки кадра (или нескольких кадров, если
изображение неподвижно), а передвижение пленки — за время между
двумя кадрами.
С помощью электронной системы изображение на экране телевизора
может быть сделано как позитивным, так и негативным. Поэтому, фото-
графируя негативное изображение, можно получить сразу позитивный
кинофильм, не требующий перепечатки для проекции.
Микроскоп с передающей трубкой может применяться для передачи
изображения в естественных цветах при помощи любой системы цветного
телевидения.
Ответственным элементом телевизионной системы является передаю-
щая трубка, превращающая свет и тень в электрические сигналы. Она
должна отличаться высокой чувствительностью, малой инерционностью
и низким уровнем шумов. Некоторое значение имеют также габариты
трубки и простота управления ею. В телевизионных микроскопах приме-
няются как суперортикон, так и видикон. Последний оказался наиболее
удобным благодаря компактности и простоте. Однако при малых осве-
щенностях изображения предпочтение отдают суперортикону, имеющему
более высокую чувствительность.
Благодаря тому, что телевизионный микроскоп может работать как
дистанционный прибор, т. е. телевизор может быть помешен1 на значи-
тельном удалении от микроскопа, такая установка очень полезна для
наблюдения радиоактивных препаратов. В этом случае управление микро-
скопом также производится дистанционно.
Достоинством телевизионной микроскопии является возможность изу-
чать объекты в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах. Для этой цели
телевизионная система должна иметь передающую трубку, способную
воспринимать требуемое излучение.
430
Система микроскопа с бегущим пятном имеет следующие специфиче-
ские особенности.
1. Обычный кинескоп, хотя и является трубкой с бегущим пятном,
но не пригоден для освещения препарата под микроскопом из-за большого
размера пятна, малой яркости и длительного послесвечения. При 625
строках развертки и скорости 25 кадров в секунду число элементов растра
имеет порядок 625-625-25 % 107. Поэтому длительность послесвечения
после прекращения действия электронного луча должна быть не более
10"7 сек. В противном случае на фотоумножитель будет попадать свет
не только от той точки растра, где в данный момент находится бегущее
пятно, но и от предыдущей. Это, естественно, приведет к искажению изо-
бражения на экране телевизора.
Достижение достаточной освещенности объекта в микроскопе с бегущим
пятном довольно затруднительно, так как лишь небольшая часть излу-
чения попадает с экрана кинескопа на объект и участвует в работе. Это
объясняется тем, что свет от экрана проходит в прибор через выходной
зрачок микроскопа (служащий в данном случае входным зрачком), кото-
рый имеет малые размеры. Действительно, выходной зрачок микроскопа
при увеличении равном 1000Л составляет всего 0,5 мм. Поэтому если кине-
скоп расположен на расстоянии 250 мм от окуляра, то угол конуса, в пре-
делах которого свет проходит в микроскоп, равен 0,5/250 = 0,002 рад =
= 6,5'. При малой освещенности препарата отношение величины полез-
ного сигнала к шуму (помехам) фотоумножителя невелико, а это в значи-
тельной мере сказывается на качестве изображения.
По указанным причинам для освещения препарата применяются спе-
циальные кинескопы, которые отличаются от обычных либо очень высокой
яркостью свечения, либо малыми размерами экрана. В последнем случае
можно увеличить световой поток, проходящий в микроскоп, повысив
выходную апертуру и снизив масштаб изображения. Наиболее эффектив-
ным был бы кинескоп, размер экрана которого позволил бы работать без
окуляра с одним объективом. Уменьшить помехи, обусловленные малым
отношением сигнала к шуму, а также вредное влияние послесвечения
можно путем уменьшения числа элементов растра. С этой целью иногда
сокращают число строк или скорость развертки.
2. Спектральные возможности микроскопа с бегущим пятном меньше,
чем с передающей трубкой, так как состав излучения сканирующей трубки
зависит от свойств ее люминофора и не может иметь большого спектраль-
ного интервала. Однако практически этот недостаток мало сказывается,
так как в большинстве случаев можно ограничиться сравнительно узким
спектральным участком. Выбор того или иного люминофора зависит от
задач исследования.
3. С точки зрения электроники фотоумножитель как приемник пред-
почтительней передающей трубки благодаря низкому уровню шумов
и линейности световой характеристики в большем диапазоне яркостей.
4. Метод сканирования дает возможность наблюдать, например, живые
клетки биологических препаратов в течение длительного времени в ультра-
фиолетовых лучах. Это объясняется тем, что при числе элементов растра
в секунду равном 107 время облучения каждой точки препарата за 24 ч
работы не превышает 0,01 сек. За такой промежуток времени радиация не
повреждает клетки. Большее достоинство системы заключается в том, что
431
исследователь по желанию может остановить бегущий луч в любой точке
препарата, локализуя тем самым действие радиации. Этот метод исследо-
вания известен как метод светового укола.
В телевизионном микроскопе для разрешения двух точек на экране
телевизора необходимо, чтобы между изображениями точек прошла по
крайней мере одна свободная строка. Тогда расстояние между их изобра-
жениями будет равно двойному расстоянию между строчками. Эго значит,
что на экране можно разрешить число элементов, вдвое меньшее числа
строк развертки. При стандартной развертке в 625 строк число разрешае-
мых элементов будет 312.
С другой стороны, в микроскопии разрешающая способность опреде-
ляется наименьшим расстоянием между двумя точками, которые еще могут
быть восприняты как отдельные точки. Эго расстояние для сильного
объектива 100 X 1,25
х по
6 — 2Д — '2X725 — 0,2 МКМ •
Следовательно, при реальном поле зрения в 0,2 мм объектив микроскопа
разрешает 1000 линий, тогда как экран кинескопа разрешает только
312 линий.
Поэтому для реализации всей разрешающей способности микроскопа
необходимо на экран кинескопа проектировать только 312 линий из поля
зрения объектива. В результате поле зрения в телевизионном микроскопе
будет втрое меньше, чем в обычном, что, конечно, является большим недо-
статком.
Если рассматривать действие объектива с помощью частотно-контраст-
ных характеристик, то теоретически оказывается возможным, подбирая
соответствующим образом параметры электронной системы (так назы-
ваемая амплитудная коррекция), в телевизионном микроскопе получить
разрешающую способность более высокую по сравнению с обычным мик-
роскопом.
2. Телевизионные микроспектрофотометры
Одним из методов микроспектрофотометрии является измерение опти-
ческой плотности (или отражательной способности) образца вдоль какого-
либо его сечения. Для такого измерения требуются специальные скани-
рующие устройства. Так как принцип сканирования лежит в основе
телевизионной техники, то телевизионный микроскоп может быть легко
приспособлен для абсорбционных измерений и может работать как теле-
визионный микроспектрофотометр. Для этого к генератору строчной раз-
вертки подключается специальная схема, которая синхронизирует горизон-
тальную развертку дополнительного осциллографа с выбранной строкой
телевизионного растра. Вертикальная развертка осциллографа управ-
ляется видеосигналом, величина которого пропорциональна количеству
света, прошедшего через объект. В результате на экране осциллографа
воспроизводится кривая распределения оптической плотности вдоль
направления сканирования. Строка, выделенная для анализа, исклю-
чается из изображения и таким образом отмечается яркой или темной стро-
кой на экране кинескопа. Для удобства обработки данных, получаемых
432
Рис. XIX.2. Принципиальная блок-схема ультра-
фиолетового телевизионного микроскопа
<- таким прибором, изображение с телевизионного экрана и кривая раз-
вертки с экрана осциллографа могут быть сфотографированы на один
снимок. Подобная фотография дает наглядное представление об исследуе-
мом объекте.
Применение телевизионного сканирования для целей микроспектро-
фотометрии имеет тот недостаток, что электронный или световой луч ска-
нирует неподвижный объект или его изображение. Такое положение при-
водит к ухудшению точности измерения по трем причинам: 1) согласно
формуле (VI.71) освещенности изображения в центре и на краю поля зре-
ния отличаются в cos4 i раз,
где i — половина углового
размера изображения; 2) ос-
вещенности различных участ-
ков изображения могут отли-
чаться друг от друга из-за
аберраций оптической систе-
мы микроскопа; 3) в резуль-
тате недостаточно точной
юстировки осветительной си-
стемы по способу Кёлера или
благодаря неудовлетвори-
тельной геометрии источника
света освещенность по полю
зрения может быть непосто-
янной. Все эти недостатки
отсутствуют в системах, где
сканирование производится
путем перемещения измеряе-
мого объекта, а зондирую-
щий луч стоит на месте.
Несмотря на перечислен-
ные недостатки телевизион-
ная микроспектрофотометрия
в некоторых случаях находит
применение.
Одним из наиболее интересных телевизионных микроспектрофото-
метров является изготовляемый американской фирмой «Ньютроникс
Рисерч» ультрафиолетовый телевизионный микро-
скоп, в котором применен метод цветовой трансформации изображения.
Этот метод состоит в получении разноцветного изображения, в котором
-относительная интенсивность трех основных цветов — красного, зеленого
и синего — была бы пропорциональна пропусканию образца в трех вы-
бранных ультрафиолетовых длинах волн. Если выбранные длины волн
соответствуют максимумам поглощения различных элементов структуры
образца, то цветная картина делает наглядным различие между этими эле-
ментами.
Использование метода цветовой трансформации потребовало сложной
осветительной и проекционной системы (рис. XIX.2). Осветительная си-
стема состоит из трех пульсирующих источников света 1 с тремя
монохроматорами 2, свет из которых последовательно направляется
28 Г. Е. Скворцов и др.
433
в микроскоп 4 с помощью вращающегося зеркала 3. Так как с каждым мо-
нохроматором можно оперировать в отдельности, то такая система обес-
печивает комбинацию любых трех длин волн, что необходимо для полу-
чения оптимального цветового контраста.
В микроскопе применены зеркальные конденсор и объективы, пропу-
скающие ультрафиолетовое излучение.
Второе вращающееся зеркало 5, установленное после микроскопа,
поочередно направляет свет на три видикона 6. Вращение обоих зеркал,
пульсирование источников света и работа электронной системы синхро-
низированы блоком 11. Таким образом, на каждый видикон проектируется
изображение в свете только одной длины волны. В приборе используются
ультрафиолетовые варианты стандартного видикона, спектральная чув-
ствительность которых доходит до 230 нм.
Видеосигналы каждого из трех видиконов усиливаются видеоусили-
телями 9 и управляют своим электронным прожектором трехцветного
кинескопа 10. В результате на экране кинескопа получается изображение
препарата в условных цветах, соответствующих выбранным длинам волн
освещения.
Кроме визуального наблюдения на микроскопе можно производить,
абсорбционные измерения. Для этой цели одна из строк развертки выде-
ляется с помощью специального блока 7 и развертывается на экране до-
полнительного осциллографа 8. Выбор той или иной строки определяется
оператором. Очевидно, что воспользовавшись монохроматором освети-
тельной системы, можно получить абсорбционную кривую для любой
длины волны.
3. Автоматические счетчики микрочастиц
Автоматический счетчик микрочастиц представляет собой телевизион-
ный микроскоп, снабженный счетным приспособлением. При различных,
исследованиях необходимо производить счет числа эритроцитов и лейко-
цитов в крови, колоний бактерий, клеток в биологических препаратах,
зерен авторадиографических эмульсий, аэрозолей в воздухе, неметалли-
ческих включений в стали, кристаллов и зерен в минералах и т. д. Неавто-
матические приборы для этой цели малопроизводительны. Автоматические
счетчики позволяют упростить и ускорить процесс счета.
В телевизионной микроскопии изображение на промежуточном этапе
представляется в виде электрических сигналов, поэтому счет частиц
здесь заменяется счетом электрических импульсов, произведенных части-
цами. Так как размер сканирующего пятна меньше размера частицы (в про-
тивном случае она не разрешается), то частица будет сосчитана столько
раз, сколько раз пятно ее пересечет. Устранение многократной регистра-
ции одной и той же частицы — основная проблема телевизионного счета,
которая в разных приборах решена по-разному. Однако все приборы пра-
вильно считают частицы только более или менее правильной формы.
Погрешность счета частиц сложной формы (кольца, полумесяцы, звез-
дочки и т. д.) очень велика.
Один из возможных способов правильного счета состоит в следующем.
Каждая частица производит серию последовательных импульсов, отстоя-
щих друг от друга во времени на продолжительность одной! строки. Запо-
434
минающее устройство пропускает к счетчику только первый (или послед-
ний) импульс из этой серии, а остальные импульсы задерживает. Устрой-
ство имеет несколько запоминающих каналов, так что частицы, располо-
женные на одной линии сканирования, регистрируются независимо друг
от друга. Размер частицы оценивается или по числу импульсов в серии,
или по продолжительности наибольшего импульса. Таким образом, имеется
возможность не только сосчитать частицы, но и рассортировать их по груп-
пам крупности, т. е. определить, какое количество частиц имеется в за-
данном диапазоне размеров.
Этот принцип действия
поясняется диаграммой на
рис. XIX.3, где схематически
показаны изображения трех
частиц А, В и С, пересечен-
ные растровыми строками
с номерами от И до 15. Бук-
вами а—f обозначена после-
довательность импульсов по
мере их прохождения через
электронную систему. Им-
пульсы а от частиц преобразу-
ются в импульсы постоянной
амплитуды Ь. Одновременно
с их появлением ждущий
мультивибратор вырабаты-
вает импульсы с заданной
продолжительности /т1п. Схе-
ма антисовпадений пропус-
кает импульсы d, представ-
ляющие по длительности раз-
ность Ь—с. Если последняя
равна нулю или меньше, то
импульса d не будет и части-
Рис. XIX.3. Схема прохождения импульсов в счет-
ном канале
на В не зарегистрируется счетчиком. Импульс d преобразуется диффе-
ренциальной схемой в два импульса / и II, которые задерживаются
на время развертки одной строки телевизионного растра. Импульс от
частицы А при сканировании следующей строки будет меньше /т1п, и тогда
счетная система зарегистрирует импульс [. Для частицы С цикл повто-
рится, и она будет сосчитана только при сканировании следующей строки.
Изменяя длительность времени Zmin, можно последовательно исключить
из счета сначала наименьшие частицы, затем более крупные и т. д. Таким
образом осуществляется сортировка частиц по их размерам.
Момент регистрации частицы счетной системой отмечается на экране
кинескопа яркой точкой. Это дает, как показано на рис. XIX.4, нагляд-
ное представление о том, какие именно частицы сосчитаны.
Счетное устройство характеризуется временной разрешающей способ-
ностью, так как прибор способен считать отдельные частицы, импульсы
от которых разделены интервалом времени не менее некоторой определен-
ной величины. При меньшем интервале появляются просчеты и погреш-
ность измерения сильно растет.
28
435
Описанный принцип действия применяется как в системах с передаю-
щей трубкой, так и в системах с бегущим пятном. Примером прибора
последнего типа может служить с ч е т ч
иц с бегущим
английской фирмы
Принципиальная
прибора показана
Рис. XIX.4. Фотография с экрана кинескопа
телевизионного автоматического счетчика ми-
крочастиц
и к част
пятном
«Синтел».
блок-схема
на рис. XIX.5.
В счетчике применяются ска-
нирующие трубки с фиолетовым,
синим или зеленым экраном.
Выбор трубки зависит от окрас-
ки препарата. Послесвечение
люминофора трубки меньше
1 мксек.
Растр состоит из 700 ли-
ний. Увеличение на экране ки-
нескопа размером 200x200 мм
может меняться в пределах от
200 до 8000х. Микроскоп снаб-
жен апохроматическими объек-
тивами с фокусами 2, 4, 8, 16 мм.
Прибор считает частицы разме-
ром от 1 до 160 мкм и автомати-
чески сортирует их по 60 груп-
пам крупности. Скорость счета
в одном поле зрения 8 сек\ точ-
ность ±2%.
Другим примером автоматического счетчика, разработанного на базе
микроскопа с бегущим пятном, может служить счетчик частиц, действую-
Рис. XIХ.5. Принципиальная блок-схема счетчика частиц с бегущим пятном:
1 — высоковольтный источник питания; 2 — источник питания ФЭУ; 3 — линия задержки; 4 —
суммирующая схема; <5 —• спусковая схема; 6 — задержка элемента изображения; 7 — питание
кинескопа; 8 — сканирующая трубка; 9 — оптическая схема; 10 — ФЭУ; 11 — катодный повто-
ритель; 12 — видеоусилитель; /3 — квантометр; 14 — блок размеров; 15 — формирователь им-
пульса и селектор; 16 — ключ; 17 — показывающий прибор счетчика; 18 — кинескоп; 19 — вре-
менная развертка; 20 — стабилизатор фокусировки; 21 — генератор импульсов; 22 -запуск раз-
вертки; 23 — синхронизация развертки; 2-1 — усилитель гасящих импульсов; 25 - защита трубки
436
Рис. XIX.5. Принципиальная блок-
схема телевизионного микроскопа-
счетчика с бегущим пятном
щий по принципу «контрольного пятна». В нем для исключения повторного
счета одной .и той же частицы препарат сканируется не одним, а другими
пятнами одновременно.
Счетчик действует следующим образом (рис. XIX.6). Между катодно-
лучевой трубкой 1, растр которой проектируется на препарат, и микро-
скопом 3 помещается двоякопреломляющий кристалл 2. Луч света, про-
ходящий от экрана трубки через кристалл, раздваивается на два луча,
поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Тол-
щина кристалла подобрана такой, чтобы развести эти лучи на расстояние,
равное расстоянию между двумя соседними
строками растра. Таким образом, препа-
рат будет сканироваться двумя бегущими
пятнами, одно из которых двигается по
строке 2п, а другое — по строке 2п + 1.
По выходе из конденсора микроскопа 3 эти
поляризованные пучки света разделяются
при помощи поляризационной призмы 4 и
направляются на разные фотоумножите-
ли 5. Сигналы умножителей усиливаются
усилителями 6 и поступают в схему анти-
совпадений 7, которая вырабатывает им-
пульс для счетчика 8 только тогда, когда
одно пятно начинает сканировать частицу,
а другое — контрольное — еще идет мимо.
Очевидно, что такое положение для час-
тицы любого размера встретится лишь
один раз. Путем сравнения продолжитель-
ности импульса от частицы с продолжи-
тельностью импульса, вырабатываемого
специальной схемой, можно сортировать
частицы по размерам.
Одновременно со счетом сигналы от
одного из фотоумножителей подаются на
кинескоп 9 для получения изображения
препарата. Генератор 10 служит для син-
хронизации работы электронных узлов.
В приборе применяется сканирующая
С точки зрения уровня шумов оказалось целесообразным иметь в системе
две скорости сканирования: высокую скорость для визуального наблюде-
ния и низкую — для счета и измерения.
Скорость счета на приборе в 100 раз превышает скорость визуального
счета.
Существенным недостатком этого счетчика является низкий коэффи-
циент пропускания оптической системы из-за применения кристалличе-
ской и поляризационной оптики. Однако электронная система здесь
проще, чем в предыдущем приборе.
Счетчик частиц может быть проще, если он предназначен для счета
частиц более или менее равных размеров. Таким прибором является раз-
работанный фирмой «Радио Корпорейшен оф Америка» с а н г в и н о-
м е т р, предназначенный для счета кровяных телец при массовых
трубка с зеленым свечением.
437
анализах крови. Прибор состоит из микроскопа, телевизионной системы
с видиконом и счетного устройства. Действие счетного устройства основано
на том факте, что средняя продолжительность всех импульсов, произве-
денных одной частицей, пропорциональна диаметру частицы. Поэтому
если просуммировать продолжительность всех импульсов от всех частиц,
а затем поделить эту сумму на продолжительность среднего импульса, то
получится число частиц. Электронная система и выполняет эту операцию.
В видиконе изображение сканируется электронным лучом, образую-
щим телевизионный растр. При нормальном увеличении каждая частица
пересекается несколькими линиями растра и производит соответствующее
количество импульсов, что приведет к ошибкам, если прибор не способен
Рис. XIX.7. Общий вид количественного телевизионного микроскопа КТМ типа В
фирмы «Металз Рисерч»
делать различие между малым числом больших частиц и большим числом
малых частиц. Правильный счет достигается с помощью специальной
цепи компенсации диаметра, т. е. компенсации продолжительности сред-
него импульса. Оператор, вращая единственную ручку, регулирует цепь
компенсации до появления светового сигнала, после чего снимает пока-
зания счетчика. Прибор позволяет быстро проанализировать большое
число участков пробы и этим устранить влияние неравномерного распре-
деления частиц.
В сангвинометре применяется освещение по методу темного поля,
чтобы свести до минимума шумы, порождаемые фоном.
Достоинство сангвинометра в том, что его временная разрешающая
способность практически равна нулю: на его работе мало сказывается такое
распределение частиц, когда они касаются или частично перекрывают
друг друга. Это обстоятельство порой значительно облегчает работу с при-
бором, так как не требует разбавления исследуемого препарата, если кон-
центрация частиц в нем велика. Точность счета на сангвинометре около 5"о.
Оперируя с электрическими сигналами, которые в телевизионном
микроскопе представляют изображение, можно приспособить прибор не
только для счета частиц, но и для комплекса разнообразных измерений.
Таким прибором является количественный телевизион-
438
н ы й микроскоп КТМ типа В (рис. XIX.7) английской фирмы
«Металз Рисерч».
Световой микроскоп проектирует изображение на фотокатод передаю-
щей трубки, видеосигнал с которой через обычный короткозамкнутый
канал передается на кинескоп. Таким образом, изображение можно на-
блюдать через тубус микроскопа и на экране кинескопа (левый телеви-
зор). Одновременно видеосигнал поступает в детекторный узел, где обра-
батывается в соответствии с заданным режимом работы. После детектора
сигнал передается на следящий кинескоп, на экране которого возникает
изображение измеряемых элементов, наложенное на основное изображение
объекта (правый телевизор). Те же импульсы из детектора направляются
и в вычислительный блок, настроенный для измерения нужного параме-
тра. Результаты измерений отсчитываются по шкале прибора.
Основой действия количественного телевизионного микроскопа яв-
ляется способность электронной системы выделять из общего фона им-
пульсы, произведенные отдельными элементами структуры изображения.
Детектор может различать импульсы в пределах шести ступеней интен-
сивности от самой слабой до самой сильной. Таким образом, элементы
изображения с разной освещенностью измеряются отдельно друг от друга.
Прибор КТМ дает возможность производить следующие измерения:
а) определять процент площади, занимаемой некоторой составной
частью структуры, например неметаллическими включениями в сплавах,
зернами в минералах и др.;
б) определять среднее число зерен (например, кристаллов) для расчета
их среднего размера;
в) находить величину проекции зерен на горизонтальную ось;
г) оценивать распределение частиц по группам крупности при грану-
лометрическом анализе;
д) подсчитать среднюю линейную длину границ кристаллической
структуры.
Микроскоп КТМ снабжен объективами от 1,25 до 100Х, обеспечиваю-
щими совместно с остальными элементами общее увеличение 70—4700х
при разрешающей способности, достигающей долей микрометра. Электрон-
ная система способна считать до 3000 частиц в поле зрения и до 30000
пересечений элементов сканирующим лучом.
Глава XX
ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭМИССИОННОГО
МИКРОСПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
В этой главе мы покажем применение микроскопии в такой, казалось
бы, далекой для нее области, как область эмиссионного спектрального
анализа. Это необходимо сделать потому, что за последние годы все шире
и шире начинают применять в практике научных и производственных
предприятий так называемый метод эмиссионного микроспектрального
анализа. Этот метод служит для качественных и количественных определе-
ний состава различных материалов, например содержания отдельных эле-
ментов в структурах металлов, сплавов, минералов и т. п.
439
Отличие указанного метода от хорошо известного метода эмиссионного
спектрального анализа состоит в том, что, во-первых, он дает возможность
анализировать мелкие включения, находящиеся в изучаемых материалах,,
и, во-вторых, для анализа по этому методу требуются количества веще-
ства 10~5—10"6 мкг.
Во всех установках для выполнения локального эмиссионного микро-
спектрального анализа одну из основных ролей играет микроскоп. В на-
стоящее время нашей оптико-механической промышленностью для ука-
Рис. XX.1. Принципиальная оптическая схема
установки МСЛ-1
занных целей начинают серийно
выпускаться два типа прибо-
ров -- МСЛ-1 и МСЛ-2.
Установка МСЛ-1 состоит
из трех следующих приборов:
микроскопа, служащего для
рассматривания образца и вы-
бора на его поверхности места,,
подлежащего исследованию,,
электроискрового генератора,
создающего электроразряд вбли-
зи образца для испарения и
возбуждения вещества, и спек-
трографа.
Принципиальная оптическая
схема установки дана на рве.
XX. 1. Объект 20, подлежащий
исследованию, помещается на
предметный стол микроскопа.
В зависимости от материала1
объекта он рассматривается
в проходящем или отраженном
свете. Для рассматривания
в проходящем свете объект осве-
щается с помощью источника
света 26 (лампа накаливания),
который коллектором 25 проек-
тируется в фокальную плоскость 22 конденсора 21. Полевая диафрагма 24
конденсором изображается в плоскости объекта. Зеркало 23 служит для
изменения хода лучей. Микрообъектив 18 (тубус бесконечность) совместно-
с тубусной линзой 15 и призмой 14 проектирует изображение объекта
в фокальную плоскость окуляра 13. Для фотографирования объекта
призма 14 выключается из хода лучей и с помощью гомала 12 изображе-
ние объекта получается на поверхности фотопленки И.
Если объект непрозрачный, для его освещения применяется опак-
иллюминатор. Здесь источник света 1 изображается линзой 2 в плоскости
диафрагмы 4, а затем линзами 5 и 9 в фокальной плоскости объектива 18.
Диафрагма 3 — полевая диафрагма — проектируется теми же линзами
и объективом 18 в плоскость объекта 20. Рассматривание объекта и его
фотографирование осуществляются так же, как об этом сказано выше.
Выключающиеся поляризатор 10 и анализатор 16 применяются дтя.
исследования объекта в поляризованном свете.
440
После того как под микроскопом выбрано интересное для анализа
место объекта, вблизи этого места устанавливаются электроды 19. Затем
включается зеркало 17, а призма 8, линза 9 и поляроид 10 выключаются
из хода лучей. После этого на электроды подается напряжение в несколько
киловольт. Под действием электрического разряда между электродами
возникает искра, которая испаряет вещество с выбранного места объекта.
Светящееся облако испаренного вещества проектируется объективом 18'
и оптической системой 7 на щель 6 спектрографа. Спектрограф разлагает-
Рис. XX.2. Общий вид установки МСЛ-1
свет в спектр, который фотографируется на пленку или фотопластинку.
Затем этот спектр изучается так же, как и при обычном эмиссионном спек-
тральном анализе.
Оптическая система 7 и объектив 18 должны быть прозрачными для
ультрафиолетовых лучей, так как аналитические линии различных ве-
ществ располагаются не только в видимой, но и в ультрафиолетовой обла-
стях спектра.
На рис. XX.2 дан вид установки без спектрографа и генератора искры.
Столик 1, на который помещается исследуемый образец, имеет перемеще-
ния в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Величина переме-
щений определяется по соответствующим шкалам. Электроды 2 с помощью
необходимых приспособлений могут быть установлены в любом положении
в пространстве между образцом и объективом микроскопа. В револьвер 3
помещаются четыре следующих объектива: /' 23,2 мм, А = 0,17;
/' - 8, 16 мм, А = 0,35; кварцевый объектив — 25 мм, А ----- 0,08 и
кварцево-зеркальный /' -- 11,46 мм, А = 0,38. Первые два объектива
применяются для визуальных наблюдений и фотографирования поверх-
ности образца, а два других при анализе объекта.
441:
Опак-иллюминатор 4 служит для освещения объекта в падающем
свете. Визуальное наблюдение производится через бинокулярный тубус 5,
а фотографирование объекта — пленочной камерой 6. Осветитель 7 слу-
жит для освещения объекта в проходящем свете. Увеличение при визуаль-
ном наблюдении может изменяться от 60 до 400х, а при фотографирова-
нии — от 16 до 46х.
Установка позволяет при анализе металлов, минералов и технических
материалов выявить их отдельные составляющие с концентрационной чув-
ствительностью не выше 0,1% в зависимости от исследуемого состава.
Для анализа требуется не менее 10—5 г исследуемого вещества. Площадь
воздействия разряда при этом ограничена диаметром 0,2—0,5 мм. Она
определяется электропроводностью анализируемой структуры и темпе-
ратурой ее плавления.
Применение рубиновых камней с отверстиями или кварцевых пласти-
нок с ограничивающими канавками позволяет уменьшить зону воздей-
ствия разряда до диаметра 0,1 мм. Однако это значительно усложняет
условия проведения анализа и требует много времени на подготовку.
Установка МСЛ-2 служит, как и МСЛ-1, для целей локального
эмиссионного микроспектрального анализа различных веществ. Эта
установка более сложная, чем первая, и отличается от нее использованием
лазера. Применение лазера в установке дает возможность производить
анализ вещества отдельных малых включений в используемом образце.
Величина диаметра этих включений должна быть не менее 20—30 мкм.
На этой же установке можно производить анализ материалов и без приме-
нения лазера, как на приборе МСЛ-1.
Установка МСЛ-2 состоит из следующих отдельных блоков: микро-
скопа; лазерного устройства; спектрографа; электрического блока питания
и управления. Последний служит для управления лазерным устройством
и электроразрядом, происходящим между электродами, для довозбужде-
ния испаренного лазерным пучком вещества пробы или для испарения
и возбуждения анализируемого вещества.
Принципиальная оптическая схема установки показана на рис. XX.3.
Изучаемый объект 32 помещается на столике микроскопа. Освещение
объекта осуществляется по принципу Кёлера как для отраженного, так
и для проходящего света.
Если отражательное зеркало находится в положении 29', то источник
света 27 (лампа накаливания) проектируется коллектором 28 и освети-
тельной линзой 40 в фокальную плоскость (апертурная диафрагма) 35
конденсора 33. Диафрагма 38 является полевой и проектируется линзой 40
и конденсором 33 в плоскость объекта 32. Зеркала 39 и 41 служат для
изменения направления хода лучей.
Если же объект непрозрачный, то он рассматривается в отраженном
свете. Для этого отражательное зеркало ставится в положение 29 и далее
апертурная диафрагма 26 проектируется линзами 25 и 19 в фокальную
плоскость объектива 30, а полевая диафрагма 18 линзой 19 и объективом 30
в плоскость объекта 32. Зеркала 17 и 24, как и в случае проходящего света,
служат для изменения направления хода лучей, при этом зеркало 24
является полупрозрачным.
Объектив 30 (тубус бесконечность) совместно с тубусной линзой 22
проектирует изображение объекта в фокальную плоскость окуляра 16.
142
Призма 21 служит для направления лучей в окуляр и выключается во
время работы лазерного устройства. Поляризаторы 20, 34 и анализатор 23
включаются только тогда, когда требуется рассмотреть объект в поляри-
зованном свете.
Оптическая схема лазерного устройства показана на верхней части
рисунка. Здесь 7 — активный элемент лазера — стержень, изготовленный
из рубина или стекла, активированного неодимом. Для упрощения схемы
,ча f ей не указаны лампы накачки и отражатели. Частично прозрачное
Рис. XX.3. Принципиальная оптическая схема установки МСЛ-2
зеркало 6, призмы полного внутреннего отражения 8 или 9 являются эле-
ментами интерферометра Фабри—Перо. Лазер работает как в режиме
свободной генерации, так и в моноимпульсном режиме.
Для работы лазера в режиме свободной генерации включается призма 8,
гипотенузная грань которой должна быть точно установлена параллельно
металлизированной поверхности зеркала 6.
Для работы лазера в моноимпульсном режиме, а это необходимо при
анализе поверхностных слоев объекта и в некоторых других случаях,
призма 8 выводится из хода лучей и ее заменяет вращающаяся призма 9
с большим числом оборотов (20 000—23 000 об]мин). Вращение призмы
происходит в плоскости чертежа. В этом случае генерация происходит
в момент, когда гипотенузная грань призмы принимает параллельное
положение к металлизированной поверхности зеркала 6. Длительность
моноимпульса при этом составляет несколько десятков наносекунд.
При работе лазера сферическое зеркало 12, призма 21, анализатор 23
и зеркало 24 выключаются из хода лучей.
Формирование лазерного пучка на объекте происходит следующим
образом. Выходящие из лазера лучи линзой 4 направляются таким
443
образом, чтобы они полностью проходили и заполняли выходной зрачок
микроскопа, который находится вблизи сменных окуляров 13 и 14.
Ирисовая диафрагма 5 проектируется окулярами 13 и 14, тубусной
линзой 22 и объективом 30 на поверхность объекта 32.
Под действием лазерного пучка происходит испарение вещества с того
места объекта, которое подлежит анализу. В момент испарения происходит
электроразряд между электродами 31 при рабочем напряжении 8000 в.
Зеркала 2, 11 и 15 служат для изменения направления лучей.
Светящееся облако испаренного вещества оптической системой 36
проектируется на щель 37 спектрографа. Оптическая система 36 должна
быть изготовлена из материала, пропускающего ультрафиолетовый свет.
Далее спектрограф разлагает этот свет в спектр, который изучается изве-
стными методами.
Концентрационная чувствительность анализа на выявление некоторых
элементов при локальности 50 мкм не хуже 0,1%. Абсолютный предел
обнаружения элементов 10“10 г.
Для согласования лазера с микроскопом из хода лучей выключаются
поляризатор 34, анализатор 23, полупрозрачное зеркало 24, призма 21
и вводится сферическое зеркало 12 с прозрачным небольшим перекрестием
в его центре. Прозрачное перекрестие освещается источником света 27,.
когда отражательное зеркало находится в положении 29', т. е. освещение
производится через микроскоп без объекта.
Свет, прошедший через прозрачное перекрытие сферического зеркала 12.
проходит через центральное отверстие в сферическом зеркале 3 и после
линзы 4 идет параллельным пучком. Если металлизированная поверхность
зеркала 6, концевые поверхности лазера 7 и поверхность призмы 8 парал-
лельны между собой и перпендикулярны к оптической оси, свет, отражен-
ный от них и прошедший снова через линзу 4, образует изображение про-
зрачного креста в том же месте, где находится сам крест.
Если имеется наклон одной или нескольких из указанных поверхно-
стей к оптической оси, изображения окажутся смещенными относительно
друг друга и перекрестия зеркала 12.
Величина этих смещений контролируется визуально с помощью сфе-
рического зеркала 3, которое образует изображение прозрачного креста
зеркала 12 в фокальной плоскости окуляра 10. Призма 1 служит для изме-
нения направления хода лучей.
На рис. XX.4 дан общий вид установки. Здесь 1 — блок электропита-
ния и управления лазерным устройством, а также электроразрядом,
происходящим между электродами. Микроскоп для наблюдения и выбора
места анализа на объекте с осветительным устройством и электродами
обозначен цифрой 2. Над микроскопом помещается лазерное устройство 3
вместе с контрольным устройством. Так как во время работы лазерное
устройство сильно перегревается, то оно снабжено охладительным при-
способлением, представляющим собой мотор, который прогоняет дистил-
лированную воду вокруг активного тела лазера по замкнутой системе.
Охладительное приспособление включается и выключается автоматически
в зависимости от температуры нагрева лазерного устройства. Спектро-
граф 4 разработан специально для этой установки.
Приведем некоторые данные установки МСЛ-2. Увеличение микро-
скопа 50—400х. Он снабжается следующими объективами и окулярами.
444
Объективы: планахроматический /' = 40 мм, А = 0,10; планахромати-
ческий [' -= 25 мм, А = 0,2 и ахроматический = 13,9 мм, А = 0,30.
Окуляры: компенсационные КЮХ, К15х, К20х и ортоскопический 28х.
Вся оптика микроскопа должна быть высокого качества.
Лазерное устройство имеет длину волны излучения 1060 нм.
Активный элемент — стержень из оптического стекла КГСС7, активиро-
ванного неодимом. Длина стержня 80 мм, диаметр 6 мм. Максимальная
энергия излучения в импульсе в режиме свободной генерации 0,4 дж.
Максимальная энергия накачки 400 дж. Пределы длительности импульса
Рис. XX.4. Общий вид установки МСЛ-2
в режиме свободной генерации 500—750 мксек и в режиме модулированной
добротности на уровне 0,5 от максимальной интенсивности излучения —
30 нсек. Максимальный угол расхождения излучения на уровне 0,5 кри-
вой углового распределения энергии 15'.
Спектрограф работает в диапазоне 220—880 нм. Обратная ли-
нейная дисперсия в области спектра 220—440 нм составляет 1 нм)мм и
в области спектра 440—880 нм — 2 нм!мм. В спектрографе две дифрак-
ционные решетки: 1200 штр’ММ для работы в области спектра 220—440 нм
и 600 штр!мм для области спектра 440—880 нм. Разрешающая способ-
ность для длин волн 220—440 нм составляет 0,015 нм и в области спектра
440—880 нм — 0,03 нм. Фокусное расстояние фотокамеры 807,2 мм,
коллиматора — 901,5 мм. Высота входной щели 15 мм, пределы раскры-
тия 0—0,4 мм.
Генератор возбуждения работает с напряжением 8 кв.
Максимальная длительность импульса искрового разряда через аналити-
ческий промежуток 500 мксек. Максимальная потребляемая мощность
70 вт. Разрядный импульс имеет следующий вид. Вначале в течение 40—
50 мксек возникает импульс тока величиной более 2000 а. На него наклады-
вается импульс тока величиной менее 200 а и длительностью 400—500 мксек.
445
Первый импульс тока создает благоприятные условия для возбуждения
ионов с высокими энергиями возбуждения. Второй импульс создает хоро-
шие условия возбуждения линий с низким потенциалом. Эти обстоятель-
ства выгодно отличают генератор возбуждения искры прибора .МСЛ-2
от других генераторов, служащих для подобных целей.
Глава XXI
МИКРОСКОПЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ОБЛАСТИ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
1. Требования к микроскопам
Одним из методов исследования элементарных частиц высоких энергий,
нашедших применение в последнее время, является фотоэмульсионный
метод. Экспериментальное изучение элементарных частиц фотоэмульсион-
ным методом производится по их следам, оставленным в стопке пластин
с толстослойной «ядерной» фотоэмульсией, облученных на синхрофазо-
тронах, или в космическом пространстве.
Ядерная толстослойная фотоэмульсия — это суспензия светочувстви-
тельных зерен бромистого серебра в растворе желатина со значительно
большей концентрацией (до 84%) и в несколько раз меньшим размером
зерен, чем в обычной фотоэмульсии. Размер зерен бромистого серебра от
0,2 до 0,4 мкм.
Заряженные частицы, проходя через ядерную фотоэмульсию, воздей-
ствуют на зерна бромистого серебра таким образом, что после проявления
они образуют ряд черных зерен коллоидного серебра вдоль траектории
частиц. Чем выше чувствительность фотоэмульсии и больше ионизация,
создаваемая частицей, тем плотнее зерна следа частиц. Благодаря большой
тормозной способности ядерные фотоэмульсии имеют возможность зафик-
сировать следы частиц с очень большой энергией на сравнительно неболь-
шой пластинке. Это обстоятельство чрезвычайно важно для изучения
космических лучей и частиц высоких энергий, получаемых на современ-
ных ускорителях. Современные ядерные фотоэмульсии позволяют реги-
стрировать следы частиц с энергией порядка 1010—1015 эв. Так как ядерная
эмульсия представляет собой силовое поле, как и любая другая среда, то
элементарная частица, попадая в слой фотоэмульсии, подвергается воз-
действию ядерных сил. Действие ядерных сил на элементарную частицу
подчиняется закону Кулона, образуя, таким образом, кулоновское взаимо-
действие электронных зарядов зерен эмульсии и элементарной частицы.
Распределение зерен бромистого серебра в объеме фотоэмульсии случайно,
поэтому элементарная частица с большой энергией, попадая в слой фото-
эмульсии, благодаря кулоновскому взаимодействию будет двигаться не
прямолинейно, а испытывать многократные уклонения от прямолинейно-
сти. Эти уклонения не регулярны, носят случайный характер и назы-
ваются многократным рассеянием. Чем меньше энергия частицы, при всех
прочих равных условиях, тем больше многократное рассеяние. Чем
больше энергия частицы, тем больше длина пробега и расстояние между
соседними экспонированными зернами или группами зерен и тем меньше
446
величина уклонения траектории движения частиц от прямолинейности
и степень почернения зерен фотоэмульсии. Именно поэтому, измеряя через
определенные интервалы отклонение движения частиц от прямолинейно-
сти вдоль длины следа, а также расстояние между экспонированными зер-
нами фотоэмульсии, число экспонированных зерен на единице длины и сте-
пень их почернения, можно определить ряд физических констант, харак-
теризующих исследуемую частицу высокой энергии.
При столкновении элементарных частиц высоких энергий в ядерных
фотоэмульсиях с атомами бромистого серебра в некоторых случаях проис-
ходит расщепление и первичная элементарная частица выбивает ряд.
вторичных, которые разлетаются из одной точки в разных направлениях,
образуя в фотоэмульсии так называемую звезду. Углы между направле-
ниями движения первичной и вторичных заряженных частиц, компланар-
ность направлений трех вторичных частиц характеризуют природу вто-
ричных частиц.
Таким образом, для определения физических констант, характери-
зующих частицу высокой энергии, необходимо произвести следующие-
измерения:
измерить отклонение следа частицы от прямолинейности;
измерить расстояние между соседними экспонированными зернами;
установить число экспонированных зерен фотоэмульсии вдоль следа*
частиц;
определить плотность почернения зерен следа;
измерить углы и отрезки между следами первичной и вторичных эле-
ментарных частиц.
Для решения задач изучения ядерных фотоэмульсий необходимы сле-
дующие приборы:
микроскоп для измерения многократного рассеяния путем определе-
ния отклонений следа частиц от прямолинейного направления;
микроскоп для измерения степени ионизации путем определения рас-
стояний между соседними экспонированными зернами и установления,
числа экспонированных зерен вдоль следа частицы;
микроскоп для измерения углов и отрезков между следами частиц
путем определения координат нескольких точек следов;
просмотровый микроскоп для обнаружения в облученных ядерных
эмульсиях интересующих исследователя событий — следов и звезд.
Первые советские специализированные микроскопы для измерения
многократного рассеяния МБИ-8 были изготовлены по заданию фотоко-
миссии АН СССР в 1953 г. Однако исследования микроскопа МБИ-8 пока-
зали, что столик микроскопа имеет большой «шум» — нерегулярные
отклонения от прямолинейного направления перемещения столика микро-
скопа; это делало невозможным измерение многократного рассеяния
частиц высоких энергий. Основная ошибка, допущенная при проектиро-
вании микроскопа, заключалась в конструкции измерительного столика,
подвижная часть которого перемещалась на хорошо откалиброванных
шариках по точно доведенным направляющим.
В конце 1956 г. были выпущены модернизированные микроскопы
МБИ-8М, конструкция столика которых подверглась существенной пере-
работке. Столик микроскопа МБИ-8М был выполнен по компенсационной
схеме. Принцип действия компенсационного столика (рис. XXI.1) основан
447
на том, что на обычные направляющие 6, 7 устанавливается на трех шари-
ках 3 плавающий столик 4, который прижимается двумя бокаутовыми
наконечниками 2 к точному стеклянному бруску 1, установленному на
станине прибора, и поджимается к нему пружиной 5. Отклонения от пря-
молинейности при движении направляющих 6 компенсируются смещением
плавающего столика 4 на шариках. Точно выполненный стеклянный брус
обеспечивает высокую точность прямолинейного перемещения.
Как показали исследования компенсационных столиков, их шумы
не превышают 0,02 мкм на длине пути «ячейки» 500 мкм. Вторым достоин-
ством плавающего столика является одновременная компенсация шумов
Рис. XX 1.1. Схема компенсационного столика
к микроскопу для измерения многократного рас-
микромеханизма при глубин-
ных измерениях.
В 1957 г. был выпущен
просмотровый микроскоп
МБИ-9 для просмотра облу-
ченных пластин с ядерной
фотоэмульсией размером
150 X 150 мм.
В 1958 г. фирмой
«К. Цейсс» (г. Иена) был вы-
пущен опытный образец ми-
кроскопа для измерения мно-
сеяния гократного рассеяния под
шифром KSM. Микроскоп был
разработан под руководством бельгийского физика Козинса. В отличие
от наших микроскопов измерительный столик KSM был выполнен на
пружинных направляющих. Прообразом этого прибора является микро-
скоп MS-2 итальянской фирмы «Користка», также выполненный под ру-
ководством Козинса.
При изучении элементарных частиц фотоэмульсионным методом необ-
ходимо обработать огромное количество облученных пластин для набора
статистических данных. Обработка эмульсий с помощью ручных микро-
скопов МБИ-9, МБИ-8М, KSM требует очень больших затрат времени и
труда, поэтому чрезвычайно актуальной является автоматизация про-
смотра и измерения толстослойных эмульсий. Для решения этой задачи
в 1959—1961 гг. были разработаны и изготовлены макеты следующих
полуавтоматических микроскопов: просмотрового микроскопа МППЭ-1;
микроскопа для измерения геометрии следов МИГЭ-1; микроскопа для
измерения ионизации МПЭ-1; микроскопа для многократного рассея-
ния МИРЭ-1.
Применение этих микроскопов позволило увеличить производитель-
ность труда в 10—20 раз по сравнению с ручным микроскопами.
Конструкция микроскопов для ядерных исследований, особенно микро-
скопов для измерения многократного рассеяния, должна отличаться высо-
кой точностью. Статистическая физика устанавливает зависимость между
углом рассеяния а (рис. XXI.2), т. е. угол между общим направлением
движения частицы по всей длине следа и его направлением на данном
отрезке, и импульсом р|3 элементарной частицы (в Мэе). Эта зависимость
имеет вид рр — —— где k — константа фотоэмульсии; z — заряд
448
частицы; t — длина интервала (ячейки) вдоль следа, на которой изме-
ряется а. Задача прибора — определить значения угла а на выбранной
длине ячейки t.
Ввиду того что при высоких энергиях частицы величина угла а мала
и выражается сотыми долями градуса, измерить эту величину непосред-
ственно с необходимой степенью точности невозможно. Поэтому величину а
определяют косвенным путем — координатным методом — как разность
соседних ординат следа, отнесенных к длине ячейки t. По абсолютной
величине эти разности лежат в пределах 0,2 мкм и определяются размерами
зерен бромистого серебра в фотоэмульсии. Следовательно, для надежного
определения столь малых величин измерительный микроскоп должен
обладать механизмами, направляющие которых обеспечивали бы прямо-
Рис. XXI.2. След элементарной частицы в фотоэмульсии
линейность перемещения измерительного столика с отклонениями не более
0,02—0,03 мкм на оптимальной длине ячейки; непрямолинейность хода
направляющих целиком вошла бы в ошибку измерения координат и, сле-
довательно, угла а и импульса частиц. Оптимальная длина ячейки опре-
деляется из условия, чтобы сигнал (измеренные ординаты) был на поря-
док выше шума (нерегулярные отклонения от прямолинейности). Таким
образом, основным требованием к микроскопу для измерения многократ-
ного рассеяния является обеспечение высокой точности перемещения
измерительного столика по оси X с отсчетом отклонения от прямолиней-
ности до 0,1 мкм.
Ввиду того что след частицы может быть расположен наклонно к по-
верхности столика и залегать на различных глубинах в толстослойных
фотоэмульсиях, должна быть также обеспечена высокая точность меха-
низма фокусировки, направляющие которого на длине перемещения,
равной толщине фотоэмульсии, не имели бы шума больше указанной выше
величины. Обеспечить измерение координаты yt с заданной точностью
0,1 мкм можно только в поле зрения микроскопа с увеличением объектива
совместно с оптической системой, установленной между объектом и изме-
рительными сетками, не менее 100х. Микроскоп должен обладать большой
жесткостью, обеспечивающей измерение с необходимой степенью точности,
и не быть чувствительным к температурным изменениям.
Так как достоверность определения физической константы зависит
от достоверности статистического параметра а, которая, в свою очередь,
зависит от количества п измеренных координат yh необходимо получить
как можно больше значений координаты yt на протяжении всей длины
следа; следовательно, должны быть обеспечены высокая производитель-
ность измерений и возможность дальнейшей автоматической обработки
полученных результатов на ЭВЦМ.
29 г. е. Скворцов и др.
449
При измерении геометрии следов элементарных частиц не требуется
такой высокой степени точности от направляющих; в этом случае прямо-
линейность направляющих может быть выдержана с обычной точностью,
предъявляемой к измерительным микроскопам.
Увеличение ядерных микроскопов должно быть несколько выше,
чем у обычных, так как ядерные микроскопы должны обеспечить измерение
весьма малых величин с большой степенью точности, которая определяется
чувствительностью микроскопа к поперечным перемещениям объекта.
Как известно, чувствительность микроскопа к перемещению в поле зре-
ния микроскопа в 5 раз выше теоретического предела разрешения микро-
скопа. Поэтому максимальное полезное увеличение микроскопа для изме-
рения многократного рассеяния может быть доведено до 3000х.
Просмотровый микроскоп должен обеспечить быстрый просмотр всей
площади фотопластинки и запись координат интересующего эксперимен-
татора события, найденного на пластинке. Установочная часть столика
просмотрового микроскопа, а также столиков измерительных микроскопов
должна обеспечить стабильную установку стандартной фотопластинки
с тем, чтобы по записанным координатам события на просмотровом микро-
скопе это событие при установке пластинки на измерительных микроско-
пах по заданным координатам находилось в поле зрения микроскопа.
Таким образом, ошибки в установке фотопластинки на установочной
части микроскопа и точность определения координат события по отсчет-
ным механизмам должны согласовываться с полем зрения микроскопов.
Погрешность в установке и определении координат не должна превышать
х/4 поля зрения микроскопа.
2. Универсальный измерительный микроскоп
для измерения следов элементарных частиц
в толстослойных фотоэмульсиях МПЭ-1
Все перечисленные выше типы микроскопов должны иметь много об-
щих узлов (устройства для установки стандартных фотопластинок, отсчет-
ные устройства и т. д.). Поэтому целесообразно иметь один базовый шта-
тив, который мог бы быть превращен в любой специализированный микро-
скоп путем комплектации его соответствующими измерительными столи-
ками и узлами.
В небольших лабораториях могут последовательно применяться раз-
ные методы исследования; в этом случае целесообразно иметь один уни-
версальный микроскоп с большим набором принадлежностей, соответ-
ствующий выбор которых позволил бы его использовать как просмотро-
вый или измерительный микроскоп для измерения рассеяния, геометрии
следов или степени ионизации.
Этим задачам удовлетворяет универсальный измерительный микро-
скоп МПЭ-1. Он является специализированным измерительным прибором,
предназначенным для просмотра ядерных фотоэмульсий и для проведения
всевозможных измерений, и может быть использован как просмотровый
микроскоп, как микроскоп для измерения многократного рассеяния,
как микроскоп для измерения ионизационных параметров и как микроскоп
для измерения геометрии следов элементарных частиц. Микроскоп дол-
жен быть укомплектован тем или другим измерительным столиком в соот-
450
ветствии с выбранным методом измерения и специальным устройством БЗК
для автоматической записи измеренных координат. На микроскопе уста-
навливаются датчики ВЦ (вал—цифра), преобразующие линейные пере-
мещения измерительных винтов в угловой поворот, который затем преоб-
разуется в тринадцатиразрядный двоичный код. Общий вид микроскопа
МПЭ-1 с блоком записи координат БЗК представлен на рис. XXI.3.
Оптическая система микроскопа. Оптическая система микроскопа
может дать увеличение до 3000х- Она позволяет производить измерения
в поле зрения микроскопа по двум координатам X и У с точностью до 0,1 мкм
Рис. XXI.3. Универсальный измерительный микроскоп МПЭ-1 с бло-
ком записи координат БЗК
при увеличении объектива с дополнительными линзами 100х, фотографи-
ческие и фотометрические работы и установку устройства для наблюде-
ния многолучевой интерференции при контроле шумов измерительного
столика. Оптическая схема микроскопа представлена на рис. XX 1.4.
Плоская нить лампы 1 (ОП12-ЮО) асферическим коллектором 2 и зер-
калом 10 проектируется в плоскость апертурной ирисовой диафрагмы 11.
Апланатический конденсор, состоящий из двух линз 12 и 13 с рабочим
расстоянием, равным 2,5 мм, проектирует апертурную диафрагму в зра-
чок объектива 14. Ирисовая диафрагма 3, расположенная вблизи коллек-
тора 2, является полевой диафрагмой и проектируется конденсором 12,
13 в плоскость объекта. При работе с объективами, рассчитанными на
длину тубуса 160 мм, изображение полевой диафрагмы вместе с объектом
проектируется линзами 15 и 16, светоделительной призмой 19 в плоскость
измерительных сеток 21 и 22 с биштрихами. При работе с объективами,
рассчитанными на длину тубус бесконечность, линза 15 выключается
из хода лучей. Вблизи от измерительных сеток установлена линза 23,
которая с целью уменьшения размеров последующей оптики приближает
главные лучи полевых пучков к оси. Биштрихи вместе с изображением
29;
451
452
Рис. XXI.4. Оптическая схема микроскопа МПЭ-1
объекта линзами 24 или 25 проектируются в плоскость полевой диафрагмы
окуляров 26 бинокулярной насадки. При включении в ход лучей линзы 25
увеличение бинокулярной насадки составляет Iх, а при включении
линзы 24 — 2х.
Видимое увеличение оптической системы при работе с объективами,
рассчитанными на длину тубуса 160 мм,
гЛ =
где [3, — линейное увеличение линз 15, 16, равное 1,3х;
Ро — линейное увеличение микрообъектива;
Ря — линейное увеличение линз 24 и 25 бинокулярной насадки;
Гок — видимое увеличение окуляра.
При работе с объективами, рассчитанными на длину тубус бесконеч-
ность, видимое увеличение микроскопа определяется по формуле ГЛ =
165
-,. рнГок, где Fo6 — фокусное расстояние микрообъектива и 165 —
Г об
фокусное расстояние тубусной линзы 16 в мм.
Для регулировки осветительной системы и нити лампы предусмотрена
возможность наблюдения нити лампы на матовом экране 6, расположенном
вблизи фонаря. Нить лампы проектируется в плоскость матового экрана
с помощью включающихся в ход лучей линзы 4 и зеркала 5. Линза 4
рассчитана таким образом, что при резкой фокусировке нити лампы на
матовое стекло нить точно проектируется в плоскость апертурной диа-
фрагмы, а установка зеркала 5 гарантирует и перекрытие изображением
нити лампы одновременно диаметра апертурной диафрагмы и матового
стекла 6. Для предохранения фотопластинки и оптики микроскопа от
нагрева в ход лучей в осветителе вводятся кюветка 7 и теплофильтр 8.
Между кюветкой и теплофильтром может быть введен светофильтр 9
для повышения контрастности изображения. Для наблюдения зрачка
выхода объектива и апертурной диафрагмы в ход лучей включается линза20.
Светоделительная призма 19 делит пучок света на две части в отношении
1 : 1 так, что половина падающего света направляется в бинокулярную
насадку, а другая половина идет вверх в вертикальный тубус и может быть
использована для фотографирования объекта или для фотометрических
работ при определении ионизации методом измерения плотности засве-
ченных зерен фотоэмульсии. Светоделительная призма позволяет также
установить осветительное устройство для наблюдения многолучевой
интерференции при проверке шумов измерительного столика. В этом
случае вместо прямого тубуса устанавливается натриевая лампа СНА-2 17
с оптической системой 18, изображенной на рис. XXI.4 справа от оси
микроскопа. Свет от лампы проходит через светоделительную призму вниз
и освещает установленную вместо объектива систему с пластинкой для
получения многолучевой интерференции между пластинкой и стеклянным
брусом, укрепленным на измерительном столике. Возникшие интерфе-
ренционные полосы рассматриваются окуляром.
Микроскоп укомплектован набором специальных апохроматических
и монохроматических объективов и окуляров, которые позволяют полу-
чить увеличения согласно табл. XXI.1.
Объективы-апохроматы 20x0,65, 60X1,25, 90X1,25 рассчитаны на
длину тубуса 160 мм и работу с фотоэмульсиями толщиной до 0,25 мм.
453
Таблица X X1.1
Увеличения и поля зрения микроскопа МПЭ-1
Объективы Увеличение бинокулярной насадки
1Х 2х
Поле зрения в мм при окуляре 7х Увеличение в крат при окуляре Поле зрения в мм при окуляре 7х v Увеличение в крат при окуляре
7х 10 х 15х 7х 70 х 15х
Апохромат 20X0,65 0,69 184 264 396 0,36 352 504 756
Апохромат 60X1,25 0,23 554 782 1188 0,12 1060 1510 2330
Апохромат 90X1,25 0,15 832 1190 1780 0,079 1588 2232 3400
Планмонохромат F = 1,6; А=1,3 0,17 732 1045 1570 0,09 1398 1998 3000
Они выполнены в коррекционной оправе, шкала которой должна быть
установлена соответственно толщине слоя желатина.
Планмонохроматический объектив F = 1,6; А = 1,30 рассчитан на
длину тубус бесконечность (применяется совместно с линзой F' = 165 мм)
для исследования фотоэмульсий толщиной до 0,55 мм без коррекции на
глубину эмульсии и требует применения специального фильтра 27
(рис. XX 1.4), включенного в оптическую систему.
Кинематическая схема. Кинематическая схема микроскопа МПЭ-1
в соответствии с его назначением позволяет использовать его как универ-
сальный микроскоп, а также как один из специализированных микроско-
пов (просмотровый, для измерения рассеяния, геометрии следов и иони-
зационных параметров).
Кинематическая схема микроскопа представлена на рис. XXI.5. Она
обеспечивает следующие операции: а) перемещение отсчетных сеток в поле
зрения окуляра микроскопа по осям X и Y с соответствующим отсчетом
перемещения на счетчике и выдачей сигнала с преобразователя вал—
цифра ВЦ в блок записи координат БЗК; б) перемещение микроскопа вдоль
оптической оси, т. е. по оси Z, с соответствующим отсчетом перемещения
на счетчике и выдачей сигнала с преобразователя ВЦ в БЗК; в) в зависи-
мости от выбранного метода работы или перемещения просмотрового сто-
лика по осям X и Y с соответствующим отсчетом перемещения и выдачей
сигнала с растровых датчиков, или перемещения столика для измерения
рассеяния по оси X с соответствующим отсчетом и выдачей сигнала с пре-
образователя ВЦ, или перемещение столика для измерения геометрии сле-
дов по осям X и Y с соответствующим отсчетом координат и выдачей сигна-
лов с датчиков ВЦ в БЗК.
На кинематической схеме (рис. XXI.5) непосредственно под микроско-
пом изображен столик 4 для измерения геометрии следов; столик 23
для измерения рассеяния и просмотровый столик 18 изображены на
схеме справа и могут быть установлены под микроскопом вместо сто-
лика 4.
454
Перемещение отсчетных сеток в поле зрения микроскопа по осям X
и Y осуществляется соответственно от рукояток 2 и 3 через ряд кониче-
ских, цилиндрических шестерен и телескопических валиков с помощью
микрометрических винтов 6 и 7 с отсчетом перемещения на цифровых счет-
чиках 8 и 9. Рукоятки 2 и 3 расположены коаксиально с рукояткой 1
фокусировки по оси Z, от которой также через посредство цилиндрических,
конических шестерен и телескопических валиков движение передается
микрометрическому винту и через рычажную систему на объектив, отсчет
перемещения которого считывается с цифрового счетчика 5.
Соответственно подключенные датчики ВЦ обеспечивают отсчет с це-
ной деления по оси X, равной 0,1 мкм, по оси Y — 0,025 мкм при объек-
тиве 100'- и по оси Z —• 0,5 мкм с любым объективом.
Перемещение столика 4 по оси X осуществляется от рукоятки 33 через
пару конических колес 26 с помощью микрометрического винта 27. Одно-
временно через цилиндрические шестерни 31 и конические шестерни 25
координата столика хс поступает на цифровой счетчик 32.
Перемещение столика 4 по оси Y осуществляется с помощью микро-
метрического винта 11, который вращается от рукоятки 30 через пары кони-
ческих шестерен 24 и 10. Одновременно через цилиндрические шестерни 28
координата ус поступает на цифровой счетчик 29. Преобразователь ВЦ
обеспечивает автоматическое считывание координат хс и ус с ценой деле-
ния 0,5 мкм.
455
Перемещение столика 23 для измерения многократного рассеяния по
оси X осуществляется вращением рукоятки 22 с помощью микрометриче-
ского винта 19. Одновременно координата хс поступает на цифровой счет-
чик 20 и шкалу 21 микрометрического винта 19.
Перемещение просмотрового столика 18 по оси X осуществляется вра-
щением рукоятки 16 с помощью цилиндрического валика 15, при переме-
щении которого передвигается каретка столика. Одновременно коорди-
ната хс поступает на датчик импульсов 12.
Перемещение по оси Y осуществляется вращением рукоятки 17 с по-
мощью цилиндрического валика 14, при перемещении которого передви-
гается каретка столика. Одновременно координата ус поступает на дат-
чик импульсов 13.
В случае использования микроскопа для просмотра фотоэмульсий
устанавливается, как уже было сказано, просмотровый столик 18. Про-
смотр фотоэмульсии по площади осуществляется при перемещении изме-
рительных кареток столика по осям X и Y. Координаты следов опреде-
ляются по шкалам измерительных кареток столика или — при автомати-
ческом отсчете — с помощью датчиков с дифракционными решетками.
Просмотр по оси Z осуществляется с помощью рукоятки 1 микроскопа,
координата z считается со счетчика 5.
В случае использования микроскопа для измерения многократного
рассеяния устанавливается измерительный столик 23 рассеяния с переме-
щением по координате х, которое производится через определенный интер-
вал в зависимости от выбранной длины ячейки. Отсчет отклонений от
прямолинейности производится в поле зрения микроскопа по коорди-
нате ум.
В случае измерения геометрических параметров следа устанавливается
геометрический столик 4. При этом измерение длинных следов произво-
дится по координатам хс и ус перемещением стола, а коротких — по коор-
динатам хм и умъ поле зрения окуляра микроскопа. Координата z в обоих
случаях отсчитывается по перемещению микроскопа.
Для измерения ионизационных параметров может быть применен сто-
лик рассеяния или геометрический. Отсчеты по осям X и Y могут произ-
водиться как на столике, так и в поле зрения микроскопа.
Конструкция микроскопа. Конструкция микроскопа выполнена таким
образом, что она предусматривает построение на базе одного штатива
путем комплектации его различными типами столиков и другими специа-
лизированными узлами либо просмотрового микроскопа, либо микроско-
пов для измерения многократного рассеяния или геометрии следов частиц.
Микроскоп, укомплектованный измерительным столиком, для изме-
рения многократного рассеяния с установленным на нем многолучевым
интерференционным устройством для контроля шумов показан на
рис. XXI.6.
С целью увеличения жесткости штатива и уменьшения влияния вибра-
ции и других перемещений оси микроскопа относительно измерительного
столика конструкция штатива выполнена по мостовой схеме.
На массивном основании 1 закреплен тубусодержатель 3 арочный кон-
струкции, посередине которого расположена ось самого микроскопа 2,
вмонтированного непосредственно внутри тубусодержателя. Там же смон-
тированы механизмы координатного перемещения измерительных сеток
456
для измерения в поле зрения координат хм и ум. Внутри тубусодержателя
помещаются также механизм фокусировки микроскопа и устройство для
отсчета перемещений объектива микроскопа по оси Z. Внутри тубусодер-
жателя и основания размещены приводные механизмы для передачи дви-
жения от рукояток управления к вышеуказанным механизмам. Все три
Рис. XXI.6. Штатив микроскопа МПЭ-1, вид спереди
Рис. XXI.7. Штатив микроскопа МПЭ-1, вид сзади
рукоятки управления 4, 5 и 6 ввода координат хм, ум и z расположены
коаксиально на лицевой стороне основания микроскопа.
На основании 1 непосредственно под микроскопом 3 имеется установоч-
ная плоскость (рис. XXI.7), на которой смонтированы шесть подшипни-
457
ков 2 для установки на них одного из трех столиков. Подшипники введены
в конструкцию для обеспечения плавного перемещения на них основания
измерительных столиков, что необходимо для центрировки столиков при
их установке относительно оси микроскопа.
Измерительные столики. Конструкция измерительного столика для
измерения многократного рассеяния должна обеспечить прямолинейность
перемещения измерительной каретки по оси X с высокой степенью точно-
сти и шаговую подачу ее в зависимости от выбранной длины ячейки 50,
100, 200 или 500 мкм. Высокая степень точности прямолинейного движе-
ния измерительной каретки достигается соответствующей конструкцией
Рис. XXI.8. Столик для измерения многократного рассеяния
направляющих столика (рис. XXI.8). В чугунном основании 1 столика
выполнены две V-образные канавки 4, по которым скользят фторопласто-
вые цилиндрические стержни 0 8 мм, длина которых равна длине изме-
рительной каретки. Фторопластовые стержни неподвижно закреплены на
измерительной каретке 3.
На измерительной каретке сверху крепится установочная часть 5,
с препаратодержателем 2. Установочная часть служит для приведения
следа в поле зрения микроскопа и установки его вдоль направления пере-
мещения измерительной каретки путем поворота вокруг оси микроскопа.
Препаратодержатель обеспечивает возможность установки фотопластинки
с толстослойной фотоэмульсией любых стандартных размеров. Установоч-
ная часть с препаратодержателем съемная и может быть установлена на
любой из трех столиков.
Конструкция измерительного столика для измерения геометрии сле-
дов обеспечивает перемещение объекта в двух взаимно перпендикулярных
направлениях по осям X и У. К точности прямолинейности перемещения
геометрического столика не предъявляются такие высокие требования,
как к столику рассеяния, поэтому направляющие геометрического сто-
лика выполнены на шариках. Измерительный столик для измерения гео-
метрии следов изображен на рис. XXI.9. Он состоит из чугунного осно-
458
вания 1, на котором смонтированы направляющие подвижной каретки.
Рукоятки 2 и 3 служат соответственно для перемещения столика по осям X
и Y. Движение столика передается на датчики-преобразователи 4 и 6,
которые автоматически считывают координаты перемещения столика
Рис. XXI.9. Столик для измерения геометрии следов элементарных
частиц в фотоэмульсиях
и передают информацию в блок записи координат. Сверху на столике кре-
пится установочная часть 5, общая для всех столиков.
Просмотровый столик. Просмотровый столик (рис. XXI.10) предназна-
чен для просмотра пластин с толстослойной фотоэмульсией с отсчетом
Рис. XXI.10. Просмотровый столик
координат любого интересующего наблюдателя следа, приведенного в поле
зрения микроскопа, и обеспечивает отсчет по оси X с точностью 0,05 мм
в пределах 200 мм по шкале 1 с нониусом и по оси Y с точностью 0,05 мм
в пределах 100 мм.
459
Для автоматической записи координат предусмотрены специальные
датчики 2 и 4, которые крепятся на основании штатива микроскопа.
Отсчет перемещений в обоих датчиках осуществляется системой из двух
дифракционных решеток с шагом 10 мкм методом муаровых полос. Одна из
Рис. XXI.11. Блок записи координат
решеток закреплена в цилиндре 5 и перемещается вместе с просмотровым
столиком, вторая закреплена в датчике 4 и неподвижна относительно
корпуса. Система решеток освещается источником света 3, световые им-
пульсы от возникающих подвижных муаровых полос регистрируются фото-
диодами. «Опрос» фотодиодов производится электронным блоком, считан-
ные импульсы регистрируются на перфоленте БЗК.
Просмотровый столик, как и измерительные, устанавливается на осно-
вании штатива микроскопа и центрируется относительно его оси с помощью
460
винтов 6. Сверху на просмотровый столик крепится установочная часть
с препаратодержателем.
Блок записи координат БЗК. Блок записи координат БЗК служит
для автоматической записи координат, измеренных в поле зрения микро-
скопа или с помощью любого из трех столиков.
Данные для дальнейшей обработки координат на вычислительной
машине записываются перфоратором 1 (рис. XXI. 11) на телеграфной ленте.
Измерение и запись координат х, у и z производятся по трем програм-
мам в зависимости от рода работ. По первой программе записываются зна-
чения координаты у, по второй — значения координата, у и по третьей —
значения координат х, у и z.
На базе универсального измерительного микроскопа МПЭ-1 могут
быть созданы специализированные микроскопы: просмотровый МПЭ-2,
для измерения рассеяния — ручной МИРЭ-3, полуавтоматический
МИРЭ-2 и для измерения геометрии МИГЭ-2.
Схема комплектации микроскопов унифицированными узлами представ-
лена на рис. XXI. 12. Например, микроскоп МПЭ-2 составляется из шта-
тива, просмотрового столика и установочной части.
Глава XXII
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ МИКРОСКОПЫ
Высокотемпературные микроскопы и принадлежности, предназначен-
ные для исследования объектов в нагретом состоянии, можно разделить
на две группы.
К первой группе относятся микроскопы с вакуумными
камерами.
Металлографические микроскопы не дают возможности наблюдать
и регистрировать процессы преобразования структур металлов и сплавов,
происходящие, например, при термической обработке. С помощью обычного
микроскопа можно лишь судить о результатах превращений. Поэтому
возникла потребность наблюдать образцы непосредственно в нагретом
состоянии. Кроме того, в последнее время, в связи с развитием техники,
большое распространение получили термостойкие материалы, изучение
которых при высоких температурах представляет большой интерес.
Для проведения работ по исследованию фазовых превращений в об-
разце, роста кристаллов, процесса коррозии и т. п. стали создаваться раз-
личные модели высокотемпературных микроскопов.
Большинство материалов при нагреве в воздухе до высоких температур
начинает покрываться коррозией. Для предохранения образцов от окис-
ляющей среды потребовалось создать небольшие камеры, где образец
может находиться либо в вакууме, либо в атмосфере инертного газа.
Так как вакуумная камера, в которой нагревается образец, устанавли-
вается на столике микроскопа и ее наружная поверхность не может быть
горячей, то необходимо было предусмотреть хорошую теплоизоляцию,
например в виде водяной рубашки.
Микрообъектив не может быть помещен близко к раскаленному об-
разцу, так как при этом он будет поврежден. Поэтому, а также из-за
461
Рис. XXII.1. Схематический чертеж вакуумной нагре-
вательной камеры Вакутерм фирмы «К- Рейхерт»
конструкции вакуумной камеры между объективом и образцом должно
быть сравнительно большое расстояние. Это потребовало разработки спе-
циальных объективов с большим рабочим расстоянием. Такими объек-
тивами являются зеркальные и зеркально-линзовые объективы, у которых
рабочее расстояние больше, чем у обычных, при равных увеличениях и
апертурах.
В процессе нагрева происходят структурные превращения образца.
Естественно, что представляет интерес не только наблюдать, но и реги-
стрировать динамику происходящих явлений. Поэтому высокотемператур-
ные микроскопы снабжены
кинокамерами для съемки
изображений.
Образцы, нагретые до
высоких температур, начи-
нают излучать свет. В этом
излучении не удается от-
личить одни элементы
структуры от других. По-
этому в высокотемператур-
ной микроскопии приме-
няются источники света
с более высокой цветовой
температурой, чем нагре-
тый образец, чтобы иметь
возможность увидеть раз-
дельными элементы струк-
туры. Такими источниками
являются, в частности,
ртутные и ксеноновые лам-
пы сверхвысокого давле-
ния.
В качестве примера можно привести выпускаемое фирмой «К. Рей-
херт» высокотемпературное устройство Вакутерм к металлографи-
ческому микроскопу. На рис. XXII. 1 показана нагревательная вакуум-
ная камера этого устройства. Камера устанавливается на предметном
столике микроскопа и соединяется с вакуумным насосом через патрубок 2,
с прибором для измерения давления — через патрубок 4, а с водяным
трубопроводом — через штуцеры 9. Для охлаждения стенок камеры
вода циркулирует в полом дне 5 и крышке 6. Вакуумная система обеспе-
чивает в рабочем объеме давление до 10-5 мм рт. ст. Внутри камеры на
клеммах 8 смонтирован нагревательный элемент из молибдена, тантала,
вольфрама (для нейтральной атмосферы и вакуума) или платины (для
окисляющей атмосферы). Образец 1 нагревается до 1800° С в течение
2,5 мин. Охлаждение образца от 1000° до 200°С при продувке камеры холод-
ным инертным газом может производиться за 8 сек. Инертный газ подается
через штуцер 7 и канал в клемме 8. Наблюдение за образцом производится
через смотровое окно 3 с кварцевыми защитными стеклами. Внутреннее
стекло в процессе работы сменяется по мере образования на нем налета.
Для исследования образцов с устройством Вакутерм применяются объек-
тив 10x0,25 и зеркально-линзовый объектив 32x0,52.
462
По пути создания высокотемпературных устройств к металлмикро-
скопам пошли многие фирмы. Однако некоторые фирмы разработали
специальные высокотемпературные микроскопы. Например, японская
фирма «Юнион» выпускает высокотемпературный микроскоп НМ,
общий вид которого показан на рис. XXII.2. Микроскоп смонтирован
на столе вместе с пультом управления, вакуумной системой и блоком
питания. Камера с образцом расположена над микроскопом. Для наблю-
дения служат объективы 10 х
ХО,ЗО; 20 x0,40 и 40x0,45.
Нагревательные элементы ва-
куумной камеры в зависимости
от рода работы могут быть трех
типов. Максимальная темпера-
тура нагрева образца 1500° С.
Камера обеспечивает вакуум до
10~Б мм рт. ст. Установка снаб-
жена киносъемочной аппарату-
рой.
Характерной особенностью
прибора является возможность
исследовать влияние механиче-
ских нагрузок на нагретый об-
разец. Для этого микроскоп
комплектуется приспособлением
для растяжения образца, нахо-
дящегося в камере. •
Рис. XXII.2. Общий вид высокотемпературного
микроскопа НМ фирмы «Юнион» (Япония)
м
к
к
Ко второй группе относятся
икроскопы без в а -
у умных камер.
2. Некоторые фирмы изготовляют
высокотемпературные столики
обычным микроскопам и высокотемпературные микроскопы для изуче-
ния неокисляющихся материалов (например, керамика, стекло, огне-
упоры). Существенным отличием этих устройств от предыдущих является
то, что из нагревательной камеры не производится откачка воздуха.
Однако иногда рабочий объем камеры заполняют продуваемым через нее
инертным газом. Микроскопы этого типа, как правило, имеют сравни-
тельно небольшое увеличение.
Глава XXIII
ПРИНАДЛЕЖНОСТИ К МИКРОСКОПАМ
Разнообразные принадлежности к микроскопам предназначены либо
для расширения возможностей исследования, либо для повышения экс-
плуатационных качеств прибора и улучшения условий работы на нем.
Большинство принадлежностей, имеющих определенную специфику,
описано выше в соответствующих главах. К ним относятся, например,
конденсоры (гл. VIII), столики Федорова, интеграционное устройство
463
(гл. XIV), микрофэтонасадки (гл. XVII), фазовоконтрастные устройства
(гл. XVIII) и др. Здесь описываются основные принадлежности, имеющие
сравнительно широкую область применения.
5 4 3
Рис. XXIII.1. Осветитель ОИ-31:
I — патрон с лампой; 2—зажимное
кольцо; 3 — апланатический кол-
лектор с параболоидальной поверх-
ностью з оправе; 4 — корпус;
5 — штырь
1. Осветители для проходящего света
Осветители для освещения прозрачных объектов при исследовании
в проходящем свете бывают четырех типов.
1. Упрощенные осветители с лампой накаливания.
2. Осветители с лампой накаливания, снабженные полевыми диафраг-
мами, обеспечивающими возможность постройки освещения по Кёлеру.
3. Осветители с дуговыми лам-
пами (ртутными, ксеноновыми).
4. Комбинированные освети-
тели, в которых применены им-
пульсные лампы.
Осветитель ОИ-31 (рис.
XXIII. 1) является осветителем
упрощенного типа и применяется
с биологическими микроскопами.
Он устанавливается вместо зер-
кала непосредственно под конден-
сором с помощью штыря, который
входит в отверстие, имеющееся в
штативе микроскопа. Источником
света служит лампа накаливания
от сети с напряжением 220 в, что
15 вт, питающаяся непосредственно
является одним из достоинств осветителя.
С целью более равномерного освещения входного зрачка конден-
сора колбу лампы рекомендуется матировать. Это можно выполнить
с помощью тонкой наждачной бумаги или посредством кратковремен-
ного погружения колбы в плавиковую кислоту.
Осветители ОИ-9М (рис. XXIII.2) и ОИ-19 служат для освеще-
ния объектов: первый при работе преимущественно с поляризационными,
второй — при работе с биологическими микроскопами. Их различие состоит
в том, что осветитель ОИ-9М позволяет осветить поле зрения микроскопа
диаметром в 2,5 раза больше, чем осветитель ОИ-19. С другой стороны,
световой диаметр изображения нити лампы накаливания осветителя ОИ-9М
не превышает 12 мм, и поэтому нельзя полностью использовать апертуру
конденсора биологического микроскопа, тогда как соответствующий раз-
мер в осветителе ОИ-19 составляет не менее 27 мм. Осветитель ОИ-9М
состоит из двухлинзового коллектора и ирисовой диафрагмы /, смонти-
рованных в корпусе, снабженном зажимным устройством 4, при помощи
которого осветитель закрепляется на вертикальной стойке 3 штатива.
При помощи зажимного устройства корпус можно поворачивать на 360°
вокруг стойки и устанавливать под любым углом к линии горизонта.
Осветитель снабжен синим светофильтром 2 и матовым стеклом. В каче-
стве источника света применяется лампа накаливания СЦ61 (8 в, 20 сгп), пи-
таемая от сети 127 или 220 в через понижающий трансф>рматор. Освети-
тель следует устанавливать на расстоянии примерно 125 мм от зеркала
микроскопа. Числовая апертура коллектора равна 0,67, величина переме-
щения фонаря вверх и вниз на колонке составляет 89 мм.
Осветитель ОИ-24 предназначен для освещения препаратов при
их фотографировании на биологических и поляризационных микроскопах.
С этой целью он снабжен более яркой
по сравнению с предыдущими осве-
тителями лампой накаливания
ОП12-ЮО (12 в, 100 вт), питающейся
от сети с напряжением 127,220 в через
трансформатор. Осветитель имеет
апланатический параболоидальный
коллектор с числовой апертурой 0,5,
фокусное расстояние f = 40,6 мм и
ирисовую полевую диафрагму, мак-
симальный диаметр раскрытия кото-
рой составляет около 45 мм. Корпус
осветителя может устанавливаться
Рис. ХХШ.3.
Оптическая схема осветителя ОИ-18 (а) и его общий вид (б)
30 ]’. Е. Скворцов и др.
465
на подставке под различными углами наклона. В комплект осветителя
входит набор светофильтров, необходимых при фотографировании.
Осветитель люминесцентный ОИ-18 служит для воз-
буждения люминесценции препаратов при работе с биологическими, также
со стереоскопическими микроскопами. На рис. XXIII.3, а, б приведены
оптическая схема и общий вид осветителя ОИ-18. Источником света 2
служит ртутная кварцевая лампа СВД-120А, питающаяся от сети перемен-
ного тока с напряжением 220 в через специальный пульт. Осветитель
состоит из корпуса 9 с зажимным устройством 7, позволяющим закреплять
осветитель на стойке 6 на различной высоте и под различными углами
наклона. На корпусе смонтированы держатель 10 ртутной лампы и патру-
бок 8, в котором расположены ирисовая диафрагма 4 и коллектор 3,
передвигающийся вдоль оптической оси для настройки освещения; в па-
трубке имеется также несколько карманов для светофильтров 5, позво-
ляющих выделить из спектра лампы для возбуждения 365 нм или около
400 нм. Внутри осветителя находится сферический рефлектор 1.
2. Осветители для отраженного света
Осветители для отраженного света являются принадлежностями
к рабочим и исследовательским микроскопам, биологическим или поля-
ризационным, которые не имеют встроенной оптической системы, позво-
ляющей освещать непрозрачные объекты.
Эти осветители, как правило, имеют встроенный источник света, более
или менее сложную оптическую систему и обычно комплектуются набором
объективов, рассчитанных для работы в отраженном свете.
Осветитель ОИ-12 применяется с поляризационными микроскопами.
Он является одной из основных составных частей микроскопа МИН-9
и описан в гл. XIV.
Осветитель ОИ-21 предназначен для работы с биологическими
микроскопами МБИ-3, МББ-1 и др. при наблюдении непрозрачных и полу-
прозрачных объектов в светлом и темном поле. При наблюдении в темном
поле с ОИ-21 используются следующие эпиобъективы: 9x0,20 (ОЭ-9),
21 х0,40 (ОЭ-21), 40x0,65 (ОЭ-40), 95 x1,0 (ОЭ-25). При работе в свет-
лом поле применяется объектив-ахромат 95x1,25 масляной иммерсии
(ОМ-10). Осветитель работает как в естественном, так и в поляризован-
ном свете.
На рис. XXIII.4 дана принципиальная оптическая схема осветителя
с визуальной частью микроскопа. Параболоидальный коллектор 2 изобра-
жает источник света 1 на бесконечности. В случае наблюдения в светлом
поле кольцевая диафрагма темного поля 6, центральная часть которой
покрыта непрозрачным лаком, выключается из хода лучей; осветительная
ахроматическая линза 7 и светоделительная пластинка 11 проектируют
изображение источника света, даваемое коллектором, в выходной зрачок
объектива 13, совпадающий с задней фокальной плоскостью линзы 7.
Полевая диафрагма 3 изображается линзой 7 на бесконечности, а затем
с помощью пластинки 11 и объектива 13 — на поверхности объекта.
Чтобы осуществить наблюдение в темном поле, в осветительную систему
включается кольцевая диафрагма 6. Тогда выходящие из коллектора лучи
не попадут в линзу 7 и световой пучок в виде полого цилиндра после отра-
466
жепия от кольцевого зеркала 12 попадет на зеркало эпиконденсора и кон-
центрируется на объекте. В этом случае для повышения контрастности
изображения полупрозрачная пластинка 11 выводится из хода лучей.
В осветительной системе могут быть установлены сменные светофильтры 4,
а также поляризатор 5. Анализатор 9 помещается между линзой 10,
компенсирующей длину тубуса, и окуляром 8. Источником света служит
лампа СЦ61 (8а, 20 вт).
Люминесцентный осветитель ОИ-ЗО предназначается
для освещения объектов сверху, через объектив микроскопов. Осветитель
Рис. XXIII.4. Принципиальная оптическая схема осветителя
ОИ-21
позволяет исследовать объекты в свете их флюоресценции, а также в есте-
ственном или поляризованном свете.
Осветитель снабжен комплектом специальных контактных объективов,
которые дают возможность исследовать поверхность органов без специаль-
ного приготовления препаратов. При работе с этими объективами их фрон-
тальная линза приводится в непосредственный контакт с изучаемой поверх-
ностью. Таким образом, поверхность выравнивается и фиксируется,
благодаря чему обеспечивается возможность ее наблюдения со значитель-
ными увеличениями.
Оптическая схема осветителя ОИ-ЗО показана на рис. XXIII.5, а.
Коллектор 2 и светоделительная пластинка 7 или 8 проектируют источ-
ник света 1 (нить лампы с йодным циклом КИМ9-75) в выходной зрачок
объектива, расположенный вблизи его опорной плоскости. Ирисовая
диафрагма ПДХ является диафрагмой поля зрения в случае применения кон-
тактных объективов 10 ><0,40 ЛК, 25 х0,75 ЛК и 60 х.1,25 ЛК, рассчитан-
ных на длину тубуса 190 мм. При работе с объективами 90x1,25 Л и
20 >0,40 Л, рассчитанными на длину тубуса 160 мм, полевой диафрагмой
30
467
служит ирисовая диафрагма ПД2. Соответствующие объективы микроскопа
изображают диафрагмы ПДг и ПД2 в плоскости объекта 9.
Светоделительные пластинки 7 и 8 — сменные. На одной из пласти-
нок, применяемой при исследовании объектов в свете флюоресценции,
Рис. XXIII.5. Оптическая схема люминесцентного осветителя
ОИ-ЗО (а) и его общий вид (б)
нанесено семислойное интерференционное покрытие, отражающее до 80%
свете в диапазоне длин волн 400—450 нм и пропускающее до 80"о света
в области 460—650 нм.
Вторая светоделительная пластинка применяется при исследовании
объектов в естественном или поляризованном свете. За коллектором 2
468
расположены сменные светофильтры 3, служащие для выделения света,
возбуждающего флюоресценцию объектов. При работе в поляризованном
свете вместо светофильтра 3 устанавливается поляфильтр-поляризатор 10.
Ахроматическая линза 6 включается в ход лучей только при исполь-
зовании объективов, рассчитанных на длину тубуса 160 мм. Масштаб
изображения объекта, даваемый этой линзой, 1,8х. За линзой 6 устанав-
ливается запирающий светофильтр 5, задерживающий свет возбуждения.
При работе в поляризованном свете вместо запирающего светофильтра
устанавливается поляризатор-анализатор.
Для удобства наблюдения монокулярный тубус имеет призму 4, откло-
няющую лучи от вертикальной оси на 60°. При работе с осветителем изобра-
жение объекта может быть сфотографировано с помощью микрофото-
насадки.
Общий вид осветителя ОИ-ЗО показан на
рис. XXIII.5, б. Осветитель состоит из фо-
наря 14, корпуса 17 и головки 18. Раскры-
тие полевых диафрагм ПДА и ПД2 на требуе-
мую величину осуществляется вращением ру-
кояток 11 и 16. В пазы на корпусе освети-
теля можно установить одновременно три
светофильтра или вместо одного из них — по-
ляфильтр-ноляризатор. В корпусе головки 18
закреплены на салазках две светоделитель-
ные пластинки, переключение которых про-
изводится перемещением рукоятки 19. Осве-
титель устанавливается между тубусодержа-
Таблица XXIII.1
Величина перемещения
окуляра в зависимости
от глубины объекта
Объектив q в мм /) в мм
10X0,40 ЛК 0,10 10
25X0,75 ЛК 0,036 22,5
60X1,15 ЛК 0,007 25
телем и тубусом микроскопа. Под кожухом 12 находится лампа
КИМ 9-75, которая центрируется винтами 13. Рукоятка 15 служит для
перемещения коллектора.
При работе с контактными объективами последние ввинчивают в револь-
вер микроскопа и установленный на столике микроскопа объект осторожно
подводят до его соприкосновения с фронтальной линзой, пользуясь фоку-
сирующим механизмом микроскопа. Наблюдая в микроскоп, добиваются
резкого изображения объекта посредством перемещения окуляра вдоль
оптической оси с помощью диоптрийного механизма монокулярного
тубуса.
В табл. XXIII. 1 указана величина перемещения окуляра р для раз-
личной глубины просматриваемого объекта q в зависимости от применяе-
мого объектива.
Питание осветителя осуществляется от сети переменного тока 127 или
220 в через электропульт.
Люминесцентный осветитель ОСЛ-1 предназначен
для работы с биологическими микроскопами и служит для освещения
объективов в диапазоне длин волн 365—440 нм.
Освещение препаратов с помощью осветителя может производиться
сверху, через опак-иллюминатор с объективом, а также снизу, через кон-
денсор микроскопа. Источником света служит дуговая ртутная лампа
ДРШ-250. Оптическая схема осветителя показана на рис. XXIII.6.
При освещении препарата проходящим светом коллектор 2 с помощью
зеркал 6, 19, 18 проектирует источник света 1 в плоскость апертурной
469
диафрагмы конденсора 17, который, в свою очередь, изображает полевую
диафрагму 3 в плоскости объекта 16.
При освещении объекта сверху через объектив коллектор 2 с помощью
поворотного зеркала 6 и линзы 7 проектирует источник света в плоскость
апертурной диафрагмы 8, которая зеркалом 9, линзами 10, 12 и светодели-
тельной пластинкой 14 изображается в выходном зрачке объектива 15.
При этом линзы 7 и 10 переносят изображение диафрагмы 3 в плоскость
Рис. XXIII.6. Оптическая
схема люминесцентного
осветителя ОСЛ-1
полевой диафрагмы И. Линза 12, светоделительная пластинка 14 и объек-
тив 15 изображают полевую диафрагму 11 в плоскости объекта. Свето-
фильтры 5 служат для выделения из общего излучения источника света
определенного участка спектра. Для предохранения возбуждающих
светофильтров от нагрева служит кювета 4, наполненная дистиллирован-
ной водой или 2—5-процентным раствором медного купороса. Для удли-
нения хода лучей применяется ахроматическая линза 13.
3. Тубусы для микроскопов
Исследовательские и универсальные микроскопы обычно комплек-
туются монокулярным и бинокулярным тубусами. Для более простых
моделей, снабженных только монокулярным тубусом, в виде дополнитель-
ных принадлежностей выпускаются бинокулярные тубусы. Монокуляр-
ный микроскоп позволяет производить наблюдение препарата только
одним глазом, что значительно отличается от естественного зрения и вы-
зывает преждевременное утомление глаза. Пользование бинокулярным
тубусом при работе с микроскопом дает некоторые преимущества по сравне-
нию с монокулярным наблюдением в смысле улучшения условий работы.
Бинокулярный тубус АУ-12 показан как часть прибора
на рис. Х.8, а. Лучи света, выходя из объектива, падают на линзу 42,
которая переносит изображение объекта в фокальную плоскость оку-
ляра 47. Полупентапризма 43 отклоняет проходящие лучи света на 45:
470
Рис. XXIII.7. Бинокулярный тубус АУ-15
471
472
Рис. XX III.8. Бинокулярный тубус ЛУ-26 сконической насадки
и направляет их на склеенную призму 44. Призма 44 состоит из ромбиче-
ской и прямоугольной призм со светоделительным слоем между ними;
50% света направляется в призму 46, а 50% — к компенсатору 45.
Призма 44 через компенсатор 45, а призма 46 непосредственно направляют
пучки света в окуляры. Для получения четкого изображения объекта при
наличии у наблюдателя аметропии необходимо пользоваться диоптрий-
ным механизмом, расположенным на левой окулярной трубке. Диоптрий-
ный механизм дает возможность производить осевое перемещение окуляра
в пределах ±5 дптр. Расстояние между окулярами может устанавливаться
соответственно глазному базису наблюдателя. Аналогичную конструкцию,
но без полупентапризма имеет бинокулярный тубус АУ-15 (рис. XXIII.7).
Бинокулярный тубус АУ-26 имеет сменные увеличения
1,Б ; 1,6х; 2,5 х и оптическую систему для рассматривания выходного
зрачка объектива при исследовании по методу фазового контраста
(рис. XXIII.8). Установка окуляров по глазному базису наблюдателя
достигается параллельным перемещением окулярных трубок. Расстояние
между осями окулярных трубок отсчитывается по шкале. Фокусировка
окуляров по глазу наблюдателя осуществляется при помощи диоптрий-
ных механизмов, находящихся на окулярных трубках.
Стереоскопический тубус АУ-2 дает объемное пред-
ставление об объекте. На рис. XXIII.9 дана схема оптики стеореоскопи-
ческой насадки. Система линз 2 и отклоняющая призма 3 условно пока-
заны в схеме повернутыми на 90° вокруг вертикальной оси. Насадка рас-
считана при условии, что с нижним срезом тубуса 1 совпадает выходной
зрачок объектива. Система линз 2 передает изображение препарата (давае-
мое объективом) в бесконечность. Призма 3 отклоняет пучки света от вер-
тикали на 60’, направляя их на призму-^, склеенную из двух прямоуголь-
ных призм. Часть пучка лучей от светоделительного слоя призмы посту-
пает на призму 10, а другая часть, пройдя светоделительный слой, после
отражения от металлизированной поверхности призмы 4 направляется
на призму 6. По выходе из призмы 4 пучок лучей встречает шторку 5,
срезающую верхнюю или нижнюю половину пучка, создавая стереоско-
пический эффект. Положение обеих шторок по схеме—открытая часть
снизу — соответствует прямому стереоскопическому эффекту. Шторки
могут плавно закрывать любую часть зрачка, например нижнюю, что
будет соответствовать мнимому, или псевдостереоскопическому, эффекту.
Шторки могут быть вовсе выключены из хода лучей. Призмы 10 и 6
направляют пучки лучей на объективы насадки 7 и 9, которые и дают
изображение предмета в фокальной плоскости 8 каждого окуляра. Следует
заметить, что насадка дает прямое изображение рассматриваемого объекта.
Это позволяет наблюдателю правильно ориентироваться относительно
положения препарата на столике микроскопа.
4. Окулярные насадки
Ниже рассматриваются различные типы насадок, устанавливаемых
на микроскопе.
Насадка сравнения ОКС-1 является принадлежностью био-
логических и поляризационных микроскопов и предназначается для иссле-
дования двух сравниваемых объектов, расположенных на двух однотип-
473
ных микроскопах. Оптическая схема насадки приведена на рис. XXIII. 10.
Две пары коррекционных линз 1 и 2 служат для компенсации изменения
длины тубуса, вызванного конструкцией. Изображение, даваемое объек-
тивом (на схеме не показано) микроскопа в каждой ветви, совпадаете перед-
ней фокальной плоскостью отрицательной линзы 1, которая переносит это
изображение на бесконечность; затем с помощью положительной линзы 2
оно проектируется в фокальную плоскость одного из сменных окуляров 3.
Собственное линейное увеличение насадки равно 1,16х.
4 /
Рис XXIII. 10. Оптическая схема насадки сравнения ОКС-1
В зависимости от положения передвижной пары склеенных призм 4
в фокальную плоскость окуляра может проектироваться либо изображение
объекта, находящегося на левом микроскопе (как показано на схеме),
либо изображение объекта с правого микроскопа. При среднем положении
призм в фокальной плоскости окуляра одновременно образуются два
изображения двух рассматриваемых объектов. При этом изображения
объектов разделяются линией, образованной от плоскости склейки двух
призм 4.
Для удобства наблюдения в обеих ветвях системы применены полу-
пентапризмы 5, отклоняющие световые лучи на угол 45° от вертикаль-
ной оси.
Спектральная насадка СПО-1 предназначена для ка-
чественного исследования спектров люминесценции и спектров погло-
щения различных участков преперата в области длин волн от 0,4 до
0,75 мкм. Спектральные измерения могут производиться непосредственно
по шкале длин волн или методом сравнения при одновременном наблюде-
нии спектров исследуемого и эталонного объекта.
Оптическая схема насадки показана на рис. ХХШ.Н. Компенсацион-
ный окуляр с увеличением 7х состоит из коллективной линзы 1 и глазной
линзы 3. В фокальной плоскости глазной линзы расположены раздвижная
щель и шторка. Для получения резкого изображения щели глазная линза
окуляра имеет перемещение на ±4 дптр. Выдвижная шторка и призма 2
ограничивают щель по длине, позволяя выделить нужный участок в изо-
бражении препарата. Зеркало 10 и призма 2 служат для направления
474
в окуляр света от источника сравнения. За окуляром расположена
призма 4 прямого зрения, разлагающая свет в спектр. Призма имеет воз-
можность покачиваться вокруг точки О в пределах ±5°.
В фокальной плоскости системы линз 6 и 7 находится шкала 8 длин
волн, которая видна в поле зрения одновременно со спектром исследуемого
объекта. Для подсветки шкалы 8 служит зеркало 9. За призмой 4 распо-
ложен светофильтр 5.
Демонстрационная насадка АУ-14 дает возможность
одновременно двум наблюдателям
производить наблюдение объектов
(рис. XXIII. 12). Оптическая схема
окуляра 1, светоделительного куби-
ка 2, телескопической системы 3, 4
и призмы 5. Поскольку увеличение
телескопической системы равно еди-
нице, то оба наблюдателя рассматри-
вают изображение объекта в одном
и том же масштабе. Насадка уста-
навливается на тубусе микроскопа.
В фокальной плоскости окуляра рас-
положен наконечник подвижного
указателя 6, который можно устано-
вить па интересующем наблюдателя
месте изображения объекта. Между
линзами 3 и 4 расположена полевая
диафрагма, ограничивающая поле
зрения для второго наблюдателя.
Фотометрическая на-
с адка ФМЭ-1 с электрическим от-
насадки состоит из симметричного
Шторка
Рис. XXIII.il. Оптическая схема спек-
тральной насадки СПО-1
счетным устройством применяется совместно с различными микроскопами
для измерения коэффициентов отражения и пропускания отдельных эле-
ментов структуры микрообъектов. Измерения производятся как в белом
свете, так и в монохроматическом излучении (X = 430н-700 нм).
Насадка состоит из оптической головки, измерительного пульта и
блока стабилизированного напряжения. Последний служит для питания
электрической системы прибора и источника света. Благодаря высокой
степени стабилизации напряжения (±0,5%) относительная погрешность
результатов измерения не превышает 2%.
На рис. XXIII.13 дан продольный разрез оптической головки ФМЭ-1.
Насадка устанавливается на тубусодержателе микроскопа вместо оку-
лярного тубуса. Оптическая головка служит для визуального наблюде-
ния объекта и выделения фотометрируемого участка. Отраженный или
прошедший через этот участок свет падает на катод фотоэлектронного
умножителя 6. В приборе применен умножитель типа ФЭУ-27. Объектив
микроскопа проектирует изображение объекта на зеркальную поверх-
ность линзы 3. В центре зеркала находится прозрачный кружок диаме-
тром 0,5 мм (световой зонд,), через который световая энергия проходит
к ФЭУ. Изображение этого кружка через объектив ограничивает фото-
метрируемый участок объекта. Линза 3 совместно с линзой 5 изобра-
жает выходной зрачок объектива микроскопа в плоскости фотокатода
ФЭУ. Ахроматический объектив 1 передает изображение, полученное
475
на зеркале 3, в фокальную плоскость окуляра, устанавливаемого в визу-
альном тубусе2, с увеличением порядка Iх. Таким образом, в поле зрения
окуляра видны одновременно изображение объекта и изображениесветового
зонда в виде темного пятна. Перед ФЭУ расположен затвор, управляемый
гибким тросиком. Между зеркалом 3 и линзой 5 в ход лучей вводится один
из' девяти сменных интерференционных светофильтров 4. Светофильтры
смонтированы в одном поворотном диске. Измерения коэффициентов про-
пускания и отражения производятся путем сравнения показаний прибора,
пропорциональных величинам энергии, прошедшим (отраженным) через
исследуемый объект и эталон. С целью увеличения точности весь диапазон
измеряемых величин условно разделен на три интервала, в каждом из
которых применяются свои эталоны.
В качестве эталонов для интервала коэффициентов отражения до 0,15
используются стеклянные пластинки, для коэффициентов свыше 0,15 —
две пластинки с платиновым покрытием различной плотности.
Для измерений коэффициентов пропускания служат три эталонных
пластинки; на двух из них нанесено платиновое покрытие различной плот-
ности.
Поскольку измерения эталоном и исследуемым образцом производятся
не одновременно, точность результатов в значительной мере зависит от
476
Рис. XXIII.13. Фотометрическая насадка ФМЭ-1
477
степени стабилизации напряжения питающей сети. Различия в условиях
полировки образцов также вносят значительные погрешности при фото-
метрировании. Вообще выбор эталонов оказывает существенное влияние
на результаты измерений.
а)
ю
Рис. ХХШ.14. Оптическая схема рисовально-проекцион-
ного аппарата РА-6 (а) и его общий вид (б)
При измерениях коэффициентов отражения или пропускания следует
учитывать влияние рассеянного света в приборе, величину которого изме-
ряют в отсутствии эталона и объекта.
Рисовально-проекционный аппарат РА-6 приме-
няется совместно с микроскопами для зарисовки изображений рассматри-
ваемых объектов или для проектирования изображений на экран. При
478
зарисовке исследователь видит одновременно объект, лист бумаги и зато-
ченный конец карандаша, которым производится обводка изображения
объекта, рассматриваемого в микроскоп.
На рис. XXIII. 14, а приведена оптическая схема РА-6 с ходом лучей
для случая зарисовки. Изображение объекта проектируется объективом
микроскопа, линзой 1 и призмой-кубом 2 в плоскость 10. В эту же плоскость
с помощью зеркала 8, линз 7 и 6 панкратической системы, линзы 4 и верх-
ней половины призмы-куб 2 проектируется изображение листа бумаги 9
и острие карандаша в масштабе Х/7Х; х/10х.
Рис. XXIII.15. Окулярный винтовой микрометр М0В-1-15Х
В случае применения тубуса с окуляром, имеющих общее увеличе-
ние от 7 до 10 х, масштаб изображения бумаги и карандаша можно подо-
брать равным Iх при расстоянии 250 мм от зеркала 8 до бумаги.
При настройке оптической системы для проектирования изображения
на экран вместо призмы-куба 2 и линзы 4 в ход лучей включается прямо-
угольная призма 3. В этом случае изображение объекта создается объекти-
вом микроскопа, линзой 1 и призмой 3 в плоскости полевой диафрагмы 5,
после чего панкратической системой и зеркалом 8 оно проектируется на
экран.
На рис. XXIII. 14, б показан общий вид рисовально-проекционного
аппарата. Аппарат устанавливается между тубусодержателем и тубусом
микроскопа. Переход от проектирования изображения на экран к зари-
совке и обратно осуществляется поворотом кольца 13. Головка 14 с зер-
калом 8 может быть повернута вокруг горизонтальной оси. С помощью
кольца 12 перемещается линза 7, чем осуществляется фокусировка на
карандаш. Кольцо 11 служит для изменения увеличения панкратической
системы.
Окулярный винтовой микрометр МОВ-1-15х служит
для измерения изображения объектов, рассматриваемых в микроскоп.
В микрометре используется система компенсационного окуляра АМ-27
с увеличением 15х.
479
В фокальной плоскости расположены две плоскопараллельные пла-
стинки (рис. XXIII. 15). Неподвижная пластинка 4 имеет 8-миллиметро-
вую шкалу с ценой деления 1 мм. Подвижная шкала 2 снабжена перекре-
стием и индексом в виде двух рисок. Шкала и перекрестие с индексом нане-
сены на обращенных друг к другу поверхностях пластинок и видны в поле
зрения одновременно. Пластинка 4 находится в оправе, закрепленной
в кожухе 5; пластинка 2 установлена на ползуне 1. Перемещение ползуна
осуществляется с помощью микрометренного винта 7, снабженного бара-
баном 6, шкала которого имеет цену деления 0,01 мм. Шаг микрометрен-
ного винта равен 1 мм. Таким образом, поворот барабана па одно деление
соответствует перемещению перекрестия на 0,01 мм. Окуляр в оправе 3
перемещается вдоль оси на ±5 дптр. Микрометр устанавливается на
корпусе микроскопа и закрепляется с помощью хомутика 8 винтом.
5. Иммерсионные жидкости,
покровные и предметные стекла
Иммерсионные жидкости служат для заполнения про-
странства между препаратом и иммерсионным объективом микроскопа,
а также между конденсором и предметным стеклом. Выбор иммерсии зави-
сит от типа применяемого объектива.
В табл. XXIII.2 даны основные оптические характеристики различных
иммерсионных сред, применяемых в микроскопии.
Таблица X X111.2
Характеристики иммерсионных сред
Иммерсионная среда Температура в °C Показатель преломления nD Коэффициент! Температур-
дисперсии 'Щ1 ныи коэффи- циент at
nF~nE
Кедровое масло 21 1,5150 48,6 --4.5
Водный раствор глицерина (74% глицерина, 26% воды) 21 1,4343 59,7 2,2
Вазелин 24,5 1,5028 46,4 —3.4
Моиобромнафталин 21 1,6562 20,6 —5,0
Вода 20 1,3330 55,5 0,8
В практике микроскопии широко применяется кедровое масло (однород-
ная иммерсия). Монобромнафталиновая иммерсия имеет большой показатель
преломления и используется в основном для исследования объектов
в отраженном свете; глицериновая и водная иммерсия применяется как
в обычной, так и в ультрафиолетовой микроскопии. Водная иммерсия
особо предпочтительна при наблюдении живых объектов в физиологиче-
ском растворе.
Кроме указанных иммерсионных жидкостей существует несколько
типов искусственных иммерсионных сред, оптические константы которых
480
мало отличаются от констант кедрового масла. К таким типам относится
специальное нефлюоресцирующее масло.
К иммерсионным средам предъявляются определенные требования
в отношении их физических и химических параметров. Так, например,
они не должны менять оптические константы во времени, слишком быстро
испаряться, тускнеть, токсически воздействовать на исследуемый объект
и объектив. Иммерсия должна иметь определенную вязкость, прозрач-
ность, однородность и чистоту; оптические константы иммерсионных сред
должны соответствовать тем номинальным значениям, которые приняты
при расчете объективов; допускаемые отклонения от номинальных зна-
чений оптических констант определяются применяемым объективом.
Для объективов-апохроматов они должны быть меньше, чем для объекти-
вов-ахроматов.
Покровные стекла имеют номинальную толщину 0,17 мм.
Эта величина должна выдерживаться тем точнее, чем больше апертура
объектива. Если для безыммерсионных объективов средних апертур
можно допустить отступление от толщины на 0,02 мм, то для объективов
с числовой апертурой А '> 0,6 нужно применять стекла номинальной тол-
щины. Иммерсионные объективы менее чувствительны к изменению тол-
щины покровного стекла. Однако высокоапертурные апохроматические
объективы, как правило, снабжаются коррекционной оправой, с помощью
которой изменением воздушных промежутков компенсируются аберрации,
вызванные отступлением толщины покровного стекла от расчетной.
С иммерсионными объективами следует применять стекла толщиной от 0,1
до 0,2 мм. Дефекты стекла (царапины, загрязнения и т. д.) не должны
портить качество изображения.
Предметные стекла должны иметь толщину, не превышаю-
щую 1, 2 мм. При большей толщине предметного стекла нельзя получить
правильного освещения с апланатическим конденсором и конденсором
темного поля. При проведении ответственных работ рекомендуется поль-
зоваться плоскопараллельными стеклами с хорошими поверхностями.
Глава XXIV
МИКРОФОТОГРАФИЯ
В данной главе приводятся некоторые сведения, касающиеся микро-
фотографии и не относящиеся непосредственно к конструкциям приборов.
Сведения эти довольно кратки. Они могут дать лишь частичное представ-
ление о фотографировании через микроскоп и обратить внимание на те
аспекты этой большой области, которые встречаются не только при раз-
работке, но и при использовании приборов.
1. Фотоматериалы и их обработка
Фотографические метериалы, применяемые в микрофотографии, имеют
довольно большое разнообразие, что объясняется обширностью требова-
ний, предъявляемых к ним. Выбор того или иного материала зависит как
от условий съемки (т. е. вида прибора и метода исследования, освещенности
31 Г. Е. Скворцов и др.
481
изображения, контрастности и окраски объекта, требований к после-
дующей фотопечати и т. д.), так и от свойств самого фотоматериала.
Ниже приводятся основные свойства фотографических материалов, наи-
более часто применяемых в микрофотографии.
Важнейшие параметры фотографического материала, имеющие прак-
тическое значение, описываются в основном двумя кривыми: характери-
стической кривой и кривой спектральной чувствительности.
Первая из них (рис. XXIV.1) показывает зависимость оптической
плотности почернения D фотографического изображения от количества
освещения, выраженного в логарифмическом масштабе. Участок кри-
Рис. XXIV. 1. Характеристическая кривая
вой АВ характеризует об-
ласть недодержек, участок
СЕ — область передержек.
Оптические плотности нор-
мально экспонированного и
проявленного материала та-
ковы, что их ординаты не вы-
ходят за пределы прямоли-
нейного участка кривой ВС.
В пределах этого участка ин-
тервал почернений пропор-
ционален интервалу яркостей
в объекте. Участок ВС ха-
рактеризует также широту L
фотографического материала.
Контрастность фотомате-
риала оценивается с помощью
коэффициента контрастности у, который численно равен тангенсу угла
наклона прямолинейного участка кривой ВС.
По характеристической кривой определяют светочувствительность S
фотографического материала, с помощью которой сопоставляют материалы
между собой и которая служит для выбора правильных условий экспони-
рования. Светочувствительность — величина, обратная количеству осве-
щения НКр, создающему на фотографическом слое после проявления почер-
k
некие заданной плотности, т. е. S = — где k — некоторый коэффи-
-П Кр
циент.
Для оценки светочувствительности отечественных фотоматериалов
приняты следующие критерии. Светочувствительность фотоматериалов
общего назначения и кинопленок определяется, в соответствии с ГОСТом
2817—50, количеством освещения, приводящим к плотности почернения 0,2
сверх плотности вуалиВ0: So 2 = ---1----. При определении чувствитель-
t‘D=b,4-'rDa
ности аэропленок критерием служит (по ГОСТу 10691—63) плот-
ность 0,85 сверх плотности вуали: S 85 = ———-------- . Здесь и в преды-
h O--0,85J-O„
дущей формуле Н выражено в лк-сек.
Коэффициент контрастности фотоматериала зависит от времени прояв-
ления. Если материал проявляется в соответствии с рекомендованным ре-
жимом, то его коэффициент контрастности будет равен некоторому реко-
482
мендованному значению, которое обычно на 20—30 % меньше максимально
возможной величины для данного материала.
Большое практическое значение имеет зернистость почернений, т. е.
микроструктура фотоматериала. Изображение, полученное на фотослое,
состоит из отдельных кристаллов малых размеров. Во время увеличения
при печати недопустимо, чтобы изображение этих кристаллов стало больше
некоторой предельной величины. В противном случае зернистость станет
заметной для глаза и качество фотографии значительно упадет. Зернистость
почернения характеризуется величиной G, которая показывает, что с нега-
Рис. XXIV.2. Спектральная чувствительность фотографи-
ческих материалов:
1 — несенсибилизированного; 2 — изоортохроматического;
3 — панхроматического; 4 — изопанхроматического; 5 — ин-
фра хроматического
тива, полученного на данном фотоматериале, можно осуществить предель-
ное увеличение в 100/G раз без заметного для глаза появления зерен на
фотографии.
Светочувствительность и коэффициент контрастности представляют
собой общие или интегральные величины и не учитывают спектральных
свойств фотоматериала. Для примера можно указать, что коэффициент
контрастности в ультрафиолетовой области спектра значительно меньше,
чем в видимой.
Распределение чувствительности фотоматериала по спектру описы-
вается кривой спектральной чувствительности (рис. XXIV.2). В микро-
фотографии применяются все существующие виды материалов.
В табл. XXIV.1 приведены основные характеристики наиболее распро-
страненных фотоматериалов. Здесь не указаны плотность вуали и разре-
шающая способность, так как они не имеют практического значения в мик-
рофотографии.
При выборе для работы того или иного фотоматериала следует иметь
в виду прежде всего окраску и контраст препарата, освещенность изобра-
жения и возможность дальнейшего увеличения при печати.
Для получения максимально возможного контраста следует применять
материал с большим коэффициентом контрастности. Понизить же кон-
траст можно уменьшением времени проявления.
Для фотографирования в ультрафиолетовом свете используют несенси-
билизированные материалы, так как при равной общей чувствительности
31
483
Таблица XXIV.l
Характеристики негативных фотоматериалов
Материал Сенсибилизация Светочувст- вительность So 2 В еди- ницах ГОСТа 2817—50 Максималь- ный коэффи- циент конт- растности ^тах Фактор зернистости G
35-миллиметровые пленки:
фото-32 Изопанхроматическая 32 1,20 10
фото-65 » 65 1,05 20
фото-130 » 130 1,10 25
фото-250 » 250 0,90 24
кинонегатив » 18 0,70 8
кн-1
кинонегатив » 40 0,70 16
КН-2
кинонегатив » НО 1,65 22
кн-з
кинонегатив » 200 1,10 23
КН-4
панхром » 1200 * 1,70 20
ЮН-1000
М3-2 » 20 1,10 0
кинопозитив М3 Без сенсибили- зации 0,70 2,50 7
ЗТ-7 для звуко- То же 5,50 2,80 12
записи
РФ-3 Изоорто- хроматическая 180 1,60 20
ДС-2 Цветная 32—45 — —
ЛН-3 » 32 —
Широкоформатные пленки:
фототехническая ФТ-30 Без сенсибили- зации 0,55 4,0 11
фототехническая Изопанхроматическая 8 3,8 11
ФТ-32 Пластинки:
диапозитивные Без сенсибили- зации 0,25 3,5 12
изоорто Изоорто- хроматическая 11 1,6 22
изоорто То же 4 4,0 20
панхром для научных це- Панхроматическая 16 1,1 28
лей спектральные:
тип 1 Без сенсибили- зации 0,7 4,5 11
» 2 То же 12 3,2 18
микро Изоорто- хроматическая 5,5 4,0 16
инфра-810 Инфрахроматическзя 4 0** 2,3 —
инфра-920 » 0,12 ** 2,4 —
инфра-1030 » 0,08 ** 2,6 —
* Светочувствительность $0 s5 в единицах ГОСТа 10691 —63.
* При искусственном дневном свете со светофильтром КС-14.
484
они в коротковолновой области более чувствительны, чем, например,
панхроматические.
Инфрахроматические материалы служат для работы в инфракрасной
области спектра. (Выпускаются не только пленки, но и пластинки.)
Число в названии материала указывает длину волны в нм, которой соот-
ветствует добавочный максимум чувствительности фотослоя.
Цветные фотоматериалы применяют для получения цветных изобра-
жений препаратов. Цветное фотографирование — очень трудоемкий про-
цесс. Кроме того, редко встречаются препараты с большой гаммой цветов.
По этим причинам цветная съемка применяется не часто. Однако она очень
полезна в некоторых специальных исследованиях (например, в люмине-
сцентной и поляризационной микроскопии). Цветовая коррекция пленок
типа ДС выполнена так, что она обеспечивает правильную цветопередачу
объектов, освещенных дневным светом или светом, близким к нему по спек-
тральному составу. Пленки типа ЛН применяют тогда, когда для освеще-
ния объекта используется лампа накаливания.
Обработка фотоматериалов производится стандартными или специально
приготовленными проявляющими и фиксирующими растворами. Можно
рекомендовать следующие растворы, удобные для повседневых работ
с черно-белыми материалами.
Мелкозернистый проявитель д л я] п л е н о Kj
Метол.....................................................7,5 г
Сульфит натрия безводный..................................100 г
Вода ......................................................До 1 л
Время проявления 20 мин при температуре 20° С.
Проявитель для фотопластинок
и фотобумаг (Чибисова)
Метол....................................................... 1г
Сульфит натрия безводный...................................26 »
Гидрохинон................................................. 5 »
Сода безводная ............................................20 »
Бромистый калий............................................ 1 »
Вода ......................................................До 1 л
Фиксаж дубящий для пленок,
пластинок и бумаги
Гипосульфит ............................................. 300 г
Хромокалиевые квасцы ...................................... 10 г
Сульфит натрия безводный................................... 25 »
Уксусная кислота концентрированная ......................5 мл
Вода ....................................................До 1 л
Время фиксирования 10 мин. После фиксирования — промывка в про-
точной воде в течение 15—20 мин.
Для обработки цветных негативных фотоматериалов применяются
следующие растворы.
Проявитель
Раствор 1:
Гидроксиламин (S-55)................................. 1,2 г
Диэтилпаргфенилендиаминсульфат (TSS).................2,75 »
Вода дистиллированная.................................До 500 мл
485
Раствор 2:
Сульфит натрия безводный ........................... 2 г
Поташ............................................ 75»
Бромистый калий....................................2,5 »
Вода дистиллированная............................До 500 мл
Перед употреблением растворы смешиваются в равных количествах.
Отбеливающий раствор
Красная кровяная соль ............................. 50 г
Хлористый натрий................................... 50 »
Вода...............................................До 1 л
Фиксаж
Гипосульфит ...................................... 250 г
Вода ..............................................До 1 л
Режим обработки
(время в мин и температура раствора в °C)
Проявление .................................. 6 18±0,5
Промывка ................................... 15 15±3
Отбеливание.................................. 5 18±2
Промывка .................................... 5 15±3
Фиксирование ................................ 5 18±2
Промывка ....................................20 15±3
Рецептура для обработки цветных фотобумаг следующая.
Проявитель
Раствор 1:
Гидроксиламин (S-55)............................. 2 г
Этилоксиэтилпарафенилендиамиисульфат (Т-32)......4,5 г
Вода дистиллированная............................До 500.ил
Раствор 2:
Сульфит натрия безводный ........................ 0,5 г
Поташ............................................75 »
Бромистый калий ................................. 0,5 »
Вода дистиллированная..........................До500лгл
Перед употреблением оба раствора смешиваются в равных количествах.
Останавливающий раствор
Калий фосфорнокислый однозамещенный ................10 г
Натрий фосфорнокислый двузамещенный ................10 »
Вода ..............................................До 1 л
Отбеливающий и фиксирующий растворы применяются те же, "Что и
для негативных материалов.
Режим обработки
(время в мин и температура раствора в °C)
Проявление .................................. 3 18±0,5
Промывка ................................... 10 15±3
Выдержка в останавливающем растворе.......... 5 18±2
Промывка .................................... 5 15±3
Отбеливание.................................. 5 18±2
Промывка .................................... 5 15±3
Фиксирование ................................ 5 18±2
Промывка ....................................20 15±3
486
Трудность цветной фотопечати заключается не только в сравнительно
точном определении выдержки, но и в подборе необходимых корригирую-
щих светофильтров, через которые производится освещение экспонируе-
мой бхмаги. Только при надлежащем выборе фильтров будет обеспечена
правильная цветопередача.
При изготовлении черно-белых фотографий главным образом обращают
внимание на правильный подбор выдержек, на качество проявления и на
выбор соответствующего номера бумаги. Бумага выбирается в зависимости
от контрастности негатива: для более контрастных негативов бумага
должна быть с маленьким номером, для менее контрастных — с большим.
Часто встречаются негативы, у которых оптическая плотность одних
участков настолько отличается от плотности других, что не представляется
возможным получить фотографию хорошего качества. Если эти участки
достаточно велики по площади, а границы между ними имеют соответ-
ствующую форму, то иногда удается выровнять освещенность между ними
путем применения масок, растушевок или просто прикрыванием в процессе
экспонирования более светлых участков.
2. Светофильтры
Светофильтры применяются в микрофотографии для ослабления света
и имеют различные устройства и назначения.
Устройство светофильтров. Стеклянные светофильтры изготовляются
из цветного стекла.
Светофильтры из окрашенной желатиновой пленки заклеиваются
между двумя плоскопараллельными пластинками из бесцветного стекла.
Серьезным недостатком этих светофильтров является их неустойчивость
по отношению к некоторым внешним воздействиям. Нагрев или попадание
влаги могут привести к расклейке, а органические растворители разру-
шают желатиновую пленку. Тем не менее такие светофильтры находят
применение благодаря тому, что, во-первых, имеют хорошо воспроизво-
димые спектральные характеристики, а во-вторых, позволяют путем под-
бора различных красителей получить спектральную характеристику,
практически совпадающую с требуемой. Оба эти фактора говорят о пре-
имуществе желатиновых светофильтров перед стеклянными.
Интерференционные светофильтры представляют собой стеклянную
подложку, на которую нанесены тонкие пленки определенной толщины
из определенных материалов. Этот тип светофильтров позволяет выделить
из потока излучения так называемый монохроматический свет. Полуши-
рина спектрального пропускания интерференционного светофильтра (т. е.
спектральный интервал, на границах которого коэффициент пропускания
равен половине максимального) обычно лежит в пределах 2—10 нм.
Жидкие светофильтры выполняются в виде кювет, наполняемых соот-
ветствующим раствором. Обычно это цилиндрическая кювета из фарфора
или металла, торцы которой закрыты стеклянными или кварцевыми
пластинками. Наполняя кювету тем или иным раствором с различными
красителями, можно получить светофильтр требуемой спектральной харак-
теристики. Пользоваться такими кюветами неудобно, поэтому в настоящее
время они применяются в микроскопии лишь в качестве теплозащитных
светофильтров. Для этой цели кювету заполняют водой, задерживающей
487
тепловое излучение источника. Эффективность светофильтра повышается,
если торцевые стеклянные пластинки изготовлены из теплозащитного
стекла. Такое стекло применяется и самостоятельно. Однако оно имеет
низкую теплопроводность, из-за чего быстро выходит из строя при появ-
лении местных перегревов. Использование теплозащитного стекла в кю-
вете с водой улучшает тепловой режим и тем самым повышает надежность
стекла.
Назначение светофильтров. Современный каталог цветного стекла
содержит сведения более чем о ста сортах стекол. Все они применяются
для ослабления света в различной степени и в различных спектральных
Рис. XXIV.3. Спектральные кривые пропускания стеклянных светофильт-
ров толщиной 3 ММ'.
1 — СС1; 2 -- ЗС10; 3 — ЖС18; 4 — IIC8
смотрена в гл. VI. Здесь излагаются лишь некоторые общие положения
о светофильтрах, применяемых в микрофотографии. Спектральные кривые
пропускания некоторых из них приведены для сравнения на рис. XXIV.3.
В зависимости от назначения светофильтры можно подразделить на сле-
дующие три основные группы.
1. Светофильтры для повышения качества изображения. К этой группе
в основном относятся зеленые светофильтры, которые применяются при
работе с ахроматическими объективами. Хроматическая коррекция таких
объективов проведена для желто-зеленой области спектра, поэтому кон-
туры структур в изображении микрообъектов имеют синеватую кайму.
Наблюдая визуально, кайму можно заметить и тем самым оценить, какова
реальная структура. При фотографировании же эта кайма приводит
к увеличению толщины линий и мелких деталей на микрофотографии.
Создается впечатление, что снимок нерезкий. Зеленый светофильтр задер-
живает синие лучи и тем самым устраняет кайму. В результате фотогра-
фия получается более резкой.
Применение зеленого светофильтра улучшает также качество изобра-
жения при исследовании объектов по методу фазового контраста, так
как расчет фазовой пластинки производится для желто-зеленого участка
спектра.
Приведенная на рис. XXIV.3 в качестве примера спектральная кривая
пропускания светофильтра ЗС10 характерна тем, что она близка к спек-
488
тральной кривой чувствительности глаза. Поэтому фотография, получен-
ная с этим светофильтром, передает изображение объекта в том виде,
в каком он представляется наблюдателю при визуальном наблюдении.
В случае фотографирования объектов, имеющих очень мелкую струк-
туру, иногда может быть полезен фиолетовый или синий светофильтр.
Такой светофильтр выделяет наиболее коротковолновый участок в видимой
области спектра, что приводит, естественно, к наиболее высокой разре-
шающей способности микроскопа. Следовательно, изображение мелких
деталей на фотографии будет более четким.
Светофильтр СС1, который пригоден для этой цели, имеет следующее
свойство. Из рис. VII.3 очевидно, что коротковолновый участок спектра
в излучении ламп накаливания менее интенсивен, а длинноволновый более
интенсивен, чем в излучении солнца или неба. Северная часть голубого
неба считается наиболее удачным источником света по спектральному
составу излучения. Применение светофильтра СС1 совместно с лампой
накаливания дает возможность получить излучение более или менее подоб-
ное излучению безоблачного неба. Такой светофильтр называют светофиль-
тром дневного света.
2. Светофильтры для изменения контраста изображения. Изображение
на микрофотографии не отображает того субъективного восприятия,
которое возникает у наблюдателя при визуальном наблюдении через микро-
скоп. По этой причине, а также для того, чтобы детали структуры были
представлены на фотографии более отчетливо, применяются светофильтры,
которые изменяют контраст в изображении.
С некоторыми оговорками можно сказать, что светофильтр изменяет
контраст в том случае, если его цвет является дополнительным к цвету
объекта. В первую очередь это относится к окрашенным препаратам.
Так, для синих красителей применяют зеленый или желто-зеленый свето-
фильтр, для препаратов, имеющих синевато-зеленоватую окраску, —
желтый светофильтр, которым может служить, например, фильтр ЖС18.
Контраст изображения желтых объектов сильно повышается синим свето-
фильтром, а красных — зеленым.
Для изменения контраста в изображении объектов, имеющих есте-
ственную окраску, один светофильтр или комбинацию из нескольких
светофильтров подбирают опытным путем, так как цвет таких объектов,
как правило, не бывает чистым.
К этой же группе следует отнести светофильтры для выделения ультра-
фиолетового или инфракрасного излучения. Такие фильтры применяются
при микрофотографировании объектов в спектральных диапазонах, лежа-
щих за пределами видимой области. Для выделения ультрафиолето-
вого излучения служат стекла типа УФС, а инфракрасного излучения —
типа ИКС.
3. Светофильтры для регулирования освещенности и защитные. Если
микроскоп настроен правильно, то повысить освещенность изображения
не представляется возможным. Однако часто возникает необходимость
уменьшить освещенность. Осуществлять это путем уменьшения накала
лампы нельзя, так как изменение накала, т. е. температуры светящегося
тела, приводит к изменению спектральной кривой излучения. Нельзя
также понизить освещенность, уменьшая диаметр апертурной диафрагмы
конденсора, так как это приводит к снижению разрешающей способности
489
микроскопа. Кроме того, при значительном диафрагмировании в изобра-
жении структуры объекта могут появиться дифракционные каймы, при-
водящие к ложному представлению о структуре.
Для уменьшения освещенности изображения применяют матовые
пластинки или нейтральные светофильтры. Первые не дают большого
эффекта, со вторыми же можно получить довольно значительное ослабление
света. Примером может служить светофильтр НС8, спектральная кривая
пропускания которого представлена на рис. XXIV.3. Такой светофильтр
практически неселективен в большом спектральном диапазоне видимой
области и поэтому ослабляет излучение, не меняя его спектрального рас-
пределения.
Плавное изменение освещенности можно осуществить с помощью двух
клиньев, выполненных из нейтрального стекла и сложенных так, что они
образуют плоскопараллельную пластинку. При перемещении одного
клина относительно другого меняется толщина такой пластинки, а следо-
вательно, и коэффициент ее пропускания. Такой фильтр переменной плот-
ности может быть сделан не только из нейтрального, но и из цветного
стекла.
Защитные светофильтры применяются для задержки вредного излу-
чения. Светофильтры СЗС24 имеют слабую голубоватую окраску и не
пропускают тепловое инфракрасное излучение. Они применяются как
теплозащитные фильтры.
Светофильтр из бесцветного стекла БС8 не пропускает ультрафиолето-
вое излучение, поэтому его используют для защиты глаза, а иногда и пре-
парата от вредного облучения ультрафиолетовым светом.
Иногда требуется освещать объект светом узкого спектрального диапа-
зона (как бы монохроматическим). Для этой цели применяют либо комби-
нацию из нескольких стеклянных светофильтров, либо интерференцион-
ный светофильтр. Спектральный диапазон излучения, прошедшего через
такой светофильтр, относительно невелик, и, следовательно, величина
светового потока будет небольшой. Таким образом, с увеличением степени
монохроматичности, т. е. с получением более чистого цвета, величина
светового потока, пропущенного светофильтром, уменьшается. Степень
ослабления потока излучения светофильтром характеризуется кратностью
светофильтра — числом, показывающим, во сколько раз уменьшился
световой поток.
В конечном счете, при выборе светофильтра для работы должны учи-
тываться следующие основные факторы: хроматическая коррекция опти-
ческой системы микроскопа, спектральный состав излучения источника,
цвет объекта, размеры отдельных элементов его структуры, контраст-
ность объекта, кратность светофильтра, спектральная чувствительность
фотоматериала и т. д. Что касается последней, то сопоставление графиков
на рис. XXIV.2 и XXIV.3 приводит к ряду выводов, например к следую-
щему: попытка увеличить контраст изображения сине-зеленого объекта
при фотографировании его на несенсибилизированный материал с помощью
светофильтра ЖС18 бессмысленна, так как фильтр пропускает излучение
только в том спектральном диапазоне, к которому фотоэмульсия нечув-
ствительна.
Наконец, о месте установки светофильтра. По конструктивным и неко-
торым другим соображениям светофильтры обычно располагают в освети-
490
тельной системе микроскопа — вблизи полевой диафрагмы осветителя
или апертурной диафрагмы конденсора. После объектива, по ходу света,
фильтры ставят в тех случаях, когда это вызвано принципиальной необхо-
димостью (например, при методе исследования объектов в свете их флюо-
ресценции). Размещение светофильтра вблизи апертурной диафрагмы
предпочтительней по той причине, что грязь, пыль, царапины или другие
дефекты, встречающиеся на поверхности фильтра, будут в какой-то мере
проявляться в поле зрения, если фильтр установлен вблизи полевой диа-
фрагмы. Однако следует оговорить, что матовое или молочное стекло,
помещенное около конденсора, не дает возможности настроить освещение
по Кёлеру.
3. Немного из практики микрофотографии
Некоторые вопросы, относящиеся к практике микрофотографии,
были затронуты в гл. XVII. В предыдущих параграфах приведены све-
дения о фотоматериалах и светофильтрах. Кроме того, при фотографиро-
вании через микроскоп следует обращать внимание на такие существен-
ные моменты: выбор рационального масштаба изображения, определение
правильного времени экспозиции и получение четкого, устойчивого во
времени изображения. Если фотографирование производится на пла-
стинки, то при последующем изготовлении позитивных отпечатков, как
правило, не прибегают к увеличению негативного изображения. Поэтому
.масштаб изображения на пластинке стремятся получить таким, каким он
должен быть на фотографии. Применение пленки обеспечивает некоторую
мобильность в этом направлении.
При работе с пленкой требуемый масштаб изображения получают путем
двухступенного увеличения: первая ступень — при фотографировании
на микроскопе, вторая — при печатании фотографий. Такой процесс
имеет серьезные преимущества. Так как при печати можно допустить
в среднем десятикратное увеличение, то при съемке на микроскопе мас-
штаб изображения может быть во столько же раз меньше. Это вызывает
повышение освещенности изображения и уменьшения выдержки, а также
увеличение глубины резкого изображения. Последнее приводит к тому,
что качество фотографии улучшается. При уменьшении же глубины рез-
кости качество фотографии понижается из-за потери и без того малой пер-
спективы.
Основной недостаток микрофотонасадки с пленочной камерой заклю-
чается в том, что размер кадра в 2—3 раза меньше диаметра поля зрения
микроскопа в плоскости пленки. Этот недостаток особенно нежелателен
при работе с планобъективами, которые дают резкое изображение по
всему полю зрения. Размер кадра на пленке не дает возможности реали-
зовать это преимущество и сфотографировать все поле.
Обойти указанное затруднение можно следующим образом: надо вместо
фотонасадки воспользоваться пленочной камерой с фотообъективом
(рис. XXIV.4). Фотокамера 4, установленная на кронштейне 5, распола-
гается над тубусом 1 микроскопа. Кронштейн 5 с помощью переходной
оправы закрепляется на колонке 6, вмонтированной в прямоугольное осно-
вание. Основание служит одновременно подставкой под микроскоп.
Втулки 2 и 3 размещены на тубусе микроскопа и объективе фотокамеры;
491
они не соприкасаются друг с другом и образуют лабиринт, исключающий
попадание постороннего света в прибор. Работа оптической системы такого
прибора описана в гл. XVII. Микроскоп должен проектировать изображение
на бесконечность, а фотообъектив устанавливают так, как при съемке уда-
ленных объектов. Последнее затруднений не представляет. Для соответст-
вующей фокусировки микроскопа можно рекомендовать такой прием. На-
блюдают через бинокль или монокуляр удаленный предмет. Затем, не меняя
установки бинокля, приставляют его к окуляру микроскопа и фокусируют
микроскоп, наблюдая за образованным им изображением через бинокль.
Описанная юстировка микроскопа и фотокамеры обеспечивает параллель-
Рис. XXIV.4. Схема комбинирования микро-
скопа с фотокамерой
ный ход лучей между ними и тем
самым избавляет от необходимости
устанавливать их на определен-
ном расстоянии друг от друга.
Если фотокамера имеет зеркаль-
ную систему для наводки на рез-
кое изображение, то можно обой-
тись без описанного искусствен-
ного приема и производить фоку-
сировку микроскопа, пользуясь
видоискателем фотоаппарата. Од-
нако в этом случае требуется до-
статочно большая освещенность
изображения.
При выборе увеличения надо иметь в виду, какого размера будут фото-
графии и насколько подробно потребуется их изучать. Длительное изуче-
ние микрофотографии с очень мелкой структурой изображения утоми-
тельно для глаза, особенно если структура близка к разрешающей способ-
ности глаза. В этих случаях желательно иметь большой масштаб изобра-
жения. Зачастую стремятся получить масштаб, в 2—3 раза превосходящий
полезное увеличение микроскопа. Если осуществление таких больших
увеличений на микроскопе затруднительно из-за нежелательных явлений,
возникающих при малых выходных зрачках приборов, то получение увели-
ченного, по сравнению с полезным, масштаба изображения на фотографии
облегчается наличием двух ступеней увеличений при работе с пленочной
камерой.
Всегда на фотографии микрообъекта желательно проставлять масштаб.
Для этого необходимо знать увеличение, с которым она получена. Увели-
чение определяется с помощью объект-микрометра, который устанавли-
вается вместо препарата. Если фотографирование производится на пла-
стинку без последующего увеличения при печатании, то масштаб изобра-
жения определяется путем измерения линейкой расстояния между штри-
хами изображения объект-микрометра в плоскости пластинки. При работе
с пленочной камерой более удобно сфотографировать на один из кадров
изображение объект-микрометра в тех же условиях, в каких будет произ-
водиться съемка препарата. Впоследствии масштаб на фотографиях легко
определить по изображению объект-микрометра.
Иногда возникает необходимость в получении фотографий с заданным
масштабом изображения. В этом случае следует, меняя увеличение при-
бора, установить изображение штрихов объект-микрометра на требуемом
492
расстоянии друг от друга, после чего производить печатание фотографий.
Предположим, что требуется масштаб 500 : 1; тогда изображение десяти
интервалов шкалы объект-микрометр а в плоскости фотографии должно
равняться 50 мм.
Время экспозиции (выдержка) для данного фотоматериала обратно
пропорционально освещенности изображения, которая, в свою очередь,
на основании формулы (VI.65) пропорциональна яркости источника света,
квадрату апертуры объектива и обратно пропорциональна масштабу
изображения. Отсюда следует, что для уменьшения выдержки при задан-
ной апертуре нужно либо уменьшать
масштаб, либо увеличивать яркость
источника. Как уже сообщалось
в гл. VI и XVII, реальная освещен-
ность изображения при многих мето-
дах исследования значительно ниже
той величины, которая определяется
по упомянутой формуле. Масштаб
изображения нельзя сделать меньше
некоторого значения, определяемого
размерами объекта, требуемым увели-
чением и т. п. Следовательно, един-
ственный путь уменьшить выдерж-
ку — применять более яркий источ-
ник света. Особенно остро этот воп-
рос встает при фотографировании
живых или подвижных объектов,
когда выдержка не должна превы-
шать малых долей секунды. Обычно
же в микрофотографии допустимы
сравнительно большие выдержки.
Значительная широта негативных фотоматериалов допускает довольно
большой разброс выдержек. Однако для получения фотографии хорошего
качества препарата с большим диапазоном контраста выдержка не должна
отличаться от наилучшей более чем в два раза.
При работе с пленочной камерой съемка облегчается наличием большого
количества кадров. Препарат фотографируется несколько раз таким обра-
зом, что каждый последующий кадр экспонируется вдвое дольше преды-
дущего. Для печати выбирается наиболее удачный негатив.
Применительно к пластинкам подобный процесс очень трудоемок.
Для его упрощения применяют два способа.
Первый способ заключается в том, что на широкоформатной пленке
изготовляют ступенчатый ослабитель, представляющий собой систему
равномерно засвеченных полосок, причем плотность каждой последующей
ступеньки больше, например, плотности предыдущей в два раза. Если
вместе с пластинкой зарядить такой ослабитель и сфотографировать пре-
парат с заведомо увеличенной выдержкой, то потом по ступеням ослаби-
теля можно определить, во сколько раз надо уменьшить выдержку, чтобы
получить негатив хорошего качества. Пример такого снимка приведен на
рис. XXIV.5. Подобный ослабитель может применяться и при печатании
фотографий.
Рис. XXIV-5. Микрофотография шлифа
стали, полученная со ступенчатым осла-
бителем
493
Второй способ не требует дополнительных приспособлений и заклю-
чается в следующем. В приборе, подготовленном для съемки, открывают
кассету и производят небольшую выдержку. Затем крышку кассеты нем-
ного вдвигают и производят вдвое большую выдержку. Процедура повто-
ряется несколько раз. В конечном счете на одной пластинке получится
несколько различно экспонированных полосок изображения одного
объекта. По ним определяют требуемую выдержку. Во время такой съемки
необходимо быть особенно осторожным, чтобы не испортить настройку
микроскопа, прикладывая к нему внешние усилия.
Исключение различных внешних воздействий на микроскоп в процессе
фотографирования представляет собой довольно сложную проблему,
доставляющую порой много хлопот как конструкторам, так и эксперимен-
таторам. К таким воздействиям в первую очередь относятся внешние вибра-
ции, а также те толчки, перемещения и другие усилия, которые приклады-
ваются к прибору во время работы. Все эти явления приводят к тому,
что образованное микроскопом изображение нестабильно во времени: оно
либо смещается в сторону, либо становится нерезким из-за расфокуси-
ровки микроскопа. То и другое может происходить из-за перемещений
механизмов, смещения одних элементов прибора относительно других
или вибраций (колебаний) отдельных частей.
Борьбу за уменьшение влияния внешних вибраций ведут в основном
по двум направлениям: применяют различные амортизаторы и уменьшают
нагрузки на предметный столик и тубус микроскопа.
В качестве амортизаторов используют пружины, профильные детали
из резины или упругих пластических материалов и прокладки из губчатой
резины. Последнее средство наиболее доступно и достаточно эффективно,
поэтому экспериментаторы могут самостоятельно его использовать.
На лист губчатой резины следует установить массивное металлическое
основание, которое будет служить подставкой под микроскоп. Иногда
достаточно на резину установить непосредственно микроскоп, не прибегая
к дополнительной подставке. Резина не должна полностью сжиматься под
тяжестью прибора: она должна иметь достаточный запас упругости, чтобы
прибор мог покачиваться. По окончании работы прибор необходимо сни-
мать с резины для продления срока ее службы.
С целью уменьшения нагрузки на тубусодержатель (особенно, если
он не очень жесткий) фотонасадку устанавливают не на тубусе микроскопа,
а на специальном кронштейне над ним, как и в случае работы с обычным
фотоаппаратом (рис. XXIV.4). При этом необходимо следить за хорошим
совпадением оптических осей микроскопа и фотонасадки. Подобный прием
также уменьшает влияние внешних вибраций.
Во время работы следует осторожно и аккуратно обращаться с прибо-
ром. Пользоваться препаратоводителем, взводить затвор, перематывать
пленку и производить другие операции нужно плавно, без рывков и толч-
ков. Например, для спуска затвора и осуществления выдержки полезно
пользоваться тросиком.
Все эти меры предосторожности способствуют получению микрофото-
графий высокого качества.
8. Объективы для изученш анИн люминесценпи
эмульсиях ...............................ции микро.
9. Объективы для фазовогсроскопы 317
10. Контактные объективы . _
11. Объективы для шгтерфе. ' 323
12. Объективы с большим р —
’ ’ ’ 334
’ ’ 341
РадИ0.‘ 344
15.
Б
Положение зрачков oi ' ’ ‘
Типы окуляров . . емат°графии и
Окуляры ” “ ’ ’ '
Окуляры
Окуляры
Окуляры
Окуляры
Окуляры
Широкоугольные оку» ми,,.
Окуляры Кербера . МИкР°«опЫ и прин
Гомалы (отрицательн,,,„
Щего света . ’ ’ ' •
Гюйгенса
Кельнера
симметричш
ортоскопиче •
компенсаци
для ультра •
установок ............
13. Эпиобъективы .... ,;Чных „
14. Объективы для столиким д Работ . .
Объективы в коротких ИсслеДбвания рал
16. Объективы в узких ощ ’ ‘ ’ •
17. Фотографические проек • . . .
Зеркальные и зеркально-лоп МИН-8
18. Объективы для ультра ....
19. Объективы для инфракопы ’
20. Объективы с большим Эоскопам ’
установок ............
21. Условные обозначения’
Окуляры...................... .
22. " ’ ’
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
Коллекторы.................0 света
33. Коллекторы со сфер^ 0 света
34. Коллекторы с параб к остн для пре
Д. Конденсоры .......................• •
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
Глава IX.
1.
2.
3.
4.
5.
микропроек.
Г.
. - . . лР°л'°Дящего
|ДСНеирЫ ................ . . . и
Конденсор с числовс света . •
Апланатический ахрие счетчики ‘
Апланатический кон. . частиц .
Конденсор ОИ-22
Конденсор к инверт
Панкратический ко:
Кфарцфлюоритовый,го анализа
Конденсор темного грнод А ' ' '
Сменный конденсор физики . .
Конденсор с болыи . . .
Параболоидальныея измерения Л ’ '
„ 'Сйях Л1ПЭ I дов
Механические узлы
Штативы микроско
Основные узлы шт • . .
Тубус микроскопа. ‘ •
Предметные столи).
Механизмы освети. _
360
373
374
376
378
380
385
394
400
403
407
410
411
414
417
419
426
428
432
434
439
446
эле-
а я. УСТРОЙСТВ^ стекла •
Ч а с 1 ь втор
Г лава X. Биологические мик[ .
450
461
463
464
466
470
473
480
1. Биологические ра.
2. Исследовательски: 1
3. Инвестированные .
Глава XI. Люминесцентные . • • 4gj
1. Люминесцентные
2. Люминесцентный й
506
510
511
ПРИЛОЖЕНИЕ
Сводная таблица объективов и окуляров
Шифр Увеличение в крат Числовая апертура Фокусное расстояние в мм Система Рабочее рас- стояние * в мм Высота ** в мм Примечание
I. Объекты для работы в проходящем свете; тубус 160 мм, d = 0,l7 мм (толщина покровного стекла)
1. Ахроматические
А. Нормальные
ОМ-30 1 0,03 33,45 Сухая 31,00 70 —
ОМ-12 3,7 0,11 33,10 » 27,20 50 —
М-42 8 0,20 18,14 » 8,57 33
ОМ-5 10 0,30 15,50 » 7,24 33 -
ОМ-27 20 0,40 8,40 » 1,70 33 —
МЩ 40 0,65 4,35 » 0,55 33
ОМ-23 40 0,75 4,32 Водная иммерсия 1,80 32,7 —
ОМ-45 50 1,00 3,60 Водная иммерсия 0,25 32,7 —
02-60 60 0,85 2,99 Сухая 0,14 33 В пружинящей оправе
ОМ-43 85 1,00 2,06 Водная иммерсия 0,06— 0,16 32,7 С коррекци- онной оправой
ОМ-41 90 1,25 1,96 Масляная иммерсия 0,10 32,7 В пружинящей оправе
ОМ-24 90 1,25— 0,60 1,96 То же 0,10 32,7 С ирисовой диафрагмой
О6М-90 90 1,25 - 0,60 1,96 » 0,10 32,7 В пружинящей оправе, с ирисовой диафрагмой
0-40 40 0,6 Б. Для 4,35 поляри Сухая зационных исслс 0,72 дований 33 В узкой оправе
ОМ-27П 20 0,40 8,40 Сухая 1,70 33 —
МЩ-П 40 0,65 4,35 » 0,55 33 —
О2-60П 60 0,85 2,99 » 0,14 33 В пружинящей оипаве
ОМ-41П 90 1,25 1,96 Масляная иммерсия 0,10 32,7 То же
ОМ-14П 60 0,85 2,99 Сухая 0,14 33 —
496
Продолжение приложения
Шифр Увеличен не в крат Числовая апертура Фокусное расстояние в мм Система Рабочее рас- стояние * Б ММ * * «5 О Примечание
В. Для исследований фазовоконтрастным методом
ФОМ-5 10 0,30 15,50 Сухая 7,24 33 —
ФОМ-27 20 0,40 8,40 » 1,70 33 —
ФОМ-27-2 20 0,40 8,40 » 1,70 33 С двумя фазовыми кольцами
Ф-МЩ 40 0,65 4,35 Сухая 0,55 33 —
ФМЩ-2 40 0,65 4,35 » 0,55 33 С двумя фазовыми кольцами
ФОМ-23 40 0,75 4,32 Водная иммерсия 1,80 32,7 —
ФОМ-41 90 1,25 1,96 Масляная иммерсия 0,10 32,7 —
ФОМ-41-2 90 Г. Д 1,25 ля исследс 1,96 эваний То же фазово-темнопол 0,10 ьным мето 32,7 дом С двумя фазовыми кольцами
АОМ-27 20 0,40 8,40 Сухая 1,70 33 —
АМЩ 40 0,65 4,35 » 0,55 33 —
АОМ-41 90 1,25 Д. Для 1,96 ЛЮМИ1 Масляная иммерсия есцентных иссле 0,10 дований 33 —
ОМ-ЗЗЛ 10 0.40 15,98 Сухая 3,08 33 —
ОМ-27Л 20 0,40 8,40 » 1,70 33 —
О5В-30Л 30 0,90 5,49 Водная иммерсия 1,16 32,7 —
МЩ-Л 40 0,65 4,35 Сухая 0,55 33 —
МЩ-ЛО 40 0,65 4,35 » 0,55 33 Без покров- ного стекла
ОМ-23Л 40 0,75 4,32 Водная иммерсия 1,80 32,7 —
ОМ-41 Л 90 1 1,25 Е. Для ф 1,96 азово-л Масляная иммерсия юминесцентных 0,10 исследовав 32,7 ИЙ —
Ф0М-5Л 10 0,30 15,50 Сухая 7,24 33 —
ФМЩ-Л 40 0,65 4,35 » 0,55 33 —
Ф0М-41Л 90 1,25 1,96 Масляная иммерсия 0,10 32,7 —
32 Г. Е. Скворцов и др.
497
Продолжение приложения
Шифр Увеличение в крат Числовая апертура Фокусное расстояние в мм Система Рабочее рас- стояние * в мм Высота ** в мм Примечание
ОМ-32 90 Ж- Для 1,25 и сел еде 2,02— ваний желатине Масляная вых плено 0,30— К 32,7 С коррекци-
ОМ-3 3,5 0,10 1,95 2. Ила А. 29,92 иммерсия ч,ахроматические Нормальные Сухая 0,12 23,40 36,5 онной оправой; толщина желатиновой пленки 0—0,25 мм
ОМ-2 9 0,20 15,50 » 13,50 33 —
ОМ-31 20 0,40 8,49 » 0,16 33 —
ОМ-29 40 0,65 4,22 » 0,85 33 —
ОМ-ЗП 3,5 Б. Для 0,10 поляри 29,92 зационных нссле Сухая дований 23,40 36,5
ОМ-2П 9 0,20 15,50 » 12,90 38 С ирисовой
ОС-6 6 0,15 3. Ап А. 25,59 ахроматические Нормальные Сухая 7,00 45.8 диафрагмой:
ОМ-18 10 0,30 15,10 » 4,80 33
ОМ-21 20 0,65 8,43 » 0,67 33 —
ОМ-16 40 0,95 4,40 » 0,12— 33 С коррекци-
ОМ-15 60 1,0—0,7 3,01 Масляная 0,22 0,22 32,7 онной оправой С ирисовой
О6АМ-60 60 1,0—0,7 3,01 иммерсия То же 0,22 32,7 диафрагмой В пружинящей
ОНА-60 60 1,30 2,99 Масляная 0,28 i 32,7 оправе, с ирисовой диафрагмой В пружинящей
i ОМ-25 70 1,23 2,52 иммерсия Водная 0,14— 32,7 оправе С коррекци-
ОМ-20 90 1,30 2,00 иммерсия Масляная 0,04 0,10 32,7 онной оправой!
О2АМ-90 90 1,30 2,00 иммерсия То же 0,10 32,7 13 пружиняще:"'
ОАВ-60 60 1,0 2,91 Водная 0,3 33 оправе В узкой
ОАВ-65 65 1,1 2,69 1 иммерсия То же 1 0,39 1 33 оправе То же
498
Продолжение приложения
Ш пфр £ ! Фокусное 1 расстояние [ в мм 1 Система | Рабочее рас- 1 стояние * в мм 1 Высота ** в мм Примечание
Увеличен! в крат Числовая апертура
Б. Для исследований фазовоконтрастным методом
ФОМ-25 1,23 2,52 Водная иммерсия 0,14— 0,04 32,7 С коррекци- онной оправой
ФОМ-25-2 70 В. Д 1,23 ля исслед 2,52 оваций То же фазово-темнопол 0,14— 0,04 ьным мет( 32,7 ЭДОМ С двумя фазовыми кольцами
ЛОМ-25 70 1,23 2,52 Водная иммерсия 0,07 32,7 —
ОА-1А 70 1,23 Г. Для 2,52 люмип То же адентных иссле/ 0,07 (ований 32,7 В пружинящей оправе
ОМ-25Л 70 1,23 2,52 Водная иммерсия 0,07 32,7 —
ОА-1Л 70 1,23 Ц. Для ис 2,52 следовс То же ший желатиновь 0,07 IX пленок 32,7 В пружинящей оправе
ОС-20 20 0,80 8,40 Масляная иммерсия 1,10 32,7 Толщина желатиновой пленки 0—0.9 мм
ОС-22 60 1,25 4 3,03— 2,95 . План То же апо хром а т и чест 0,40 ie 32,7 С коррекци- онной оправой; толщина желатиновой пленки 0—0,25 мм
ОПА-1 10 0,30 15,77 Сухая 5,2 45
ОПА-2 16 0,40 9,65 2> 0,64 45
ОПА-3 40 0,65 3,88 » 0,31 45
ОПА-4 60 0,85 2,64 » 0,23 45
ОПА-5 100 1,25 1,51 Масляная иммерсия 0,15 45
32*
499
Продолжение приложения
Шифр i Увеличение 1 в крат 1 Числовая i апертура f Фокусное расстояние в мм 1 Система I Рабочее рас- , стояние * । в мм j * <• р - SQ я I [рнмечан ис
ОМ-8 II 21 Об ъект и 1. Ах 0,40 ' ты для без по эомапи А. 8,40 работы в отраж кровного стекла) чес кие; тубус К Нормальные Сухая енном све" W мм 1,80 ге 14,4
ОМ-9 40 0.65 4,59 » 0.50 12,3 -
ОМ-10 95 1,25 1,96 Масляная 0,06 12.2
ОМ-12П 5 Б. Для 0,11 поляри 33.10 иммерсия зационных пссле Сухая дованнй 25,40 48
ОМ-13П 9 0,20 18,14 » 8.14 25 —
ОМ-8П 21 0,40 8,40 » 1,80 14,4 —
ОМ-38П 11 0,25 16,00 Масляная 0,50 27,6 —
ОМ-44П 30 0,65 6,16 иммерсия То же 0,40 20,75 —
ОХ-15П 10 0,30 16,45 Йодисто- 0,2 34,4 —
ОХ-16П 10 0,30 16,45 метиленовая иммерсия То же 0,156 34,4 С пластикой
ОХ-17П 30 0,65 6,03 » 0,65 15,4 А 4
ОХ-18П 30 0,65 6,03 Йодисто- 0,596 15,4 С пластинкой
ОХ-19П 60 0,90 3,18 метиленовая иммерсия То же 0,75 13,2 А 4
ОХ-20П 60 0,90 3,17 » 0.68 13,1 С пластинкой
ОХ-21П ЮЗ 1Д 1,84 » 0,161 15,8 А 4
ОХ-22П ЮЗ 1,1 1,84 0,162 15,8 С пластинкой
ОМ-9П 40 0,65 4,59 Сухая 0,50 12,3 А 4
ОМ-ЮП 95 1,25 1,96 Масляная 0,06 12,2 —
ОМ-ЮЛ 95 в. л 1,25 ,ЛЯ ЛЮ 1,96 иммерсия иинесцентных ис Масляная следованш 0,06 1 12,2
ОД-ЮЛ К 10 0,40 20,59 иммерсия — 43,5 Контактный
ОД-25ЛК 25 0,75 11,24 — — 39 »
О-60ЛК 60 1,25 3,18 — — 31 » 1
500
Продолжение приложения
1 Шифр । Увеличение ' в крат । Числовая апертура Фокусное расстояние в мм Система , Рабочее рас- стояние * в мм * * та о S Л * CQ со Примечание
Г. Эпиобъективы нормальные для исследований в светлом
и темном поле
ОЭ-9 9 0,20 18,40 Сухая 5,40 25 —
ОЭ-21 21 0,40 8,40 » 1,80 14,4 —
09-40 40 0,65 4,59 » 0,61 12,35 —
ОЭ-95 95 1,00 2,00 Масляная им мерсия 0,41 12,5 —
Д. Эпиобъективы для люминесцентных исследований
в светлом и темном поле
ОЭ-9 Л 9 0,20 18,40 Сухая 5,40 25
ОЭ-21 Л 21 0,40 8,40 » 1,80 14,4
ОЭ-40Л 40 0,65 4,59 » 0,61 12,4
2. Ахроматические-, тубус бесконечность
А. Нормальные
ОХ-23 — 0,17 23,20 Сухая 6,20 33 —
ОХ-14 — 0,30 13,90 » 5,71 33 —
ОБ-6 — 0,65 6,30 » 0,70 45 —
ОХ-3 -- 1,25 2,80 Масляная иммерсия 0,40 25 —
ОС-39 0,12 25,00 Сухая 10,00 29 —
00-40 0,30 13,90 » 5,71 29 —
ОС-41 0,37 8,20 » 2,68 29 —
ОС-42 — 0,50 4,25 » 0,74 29 —
Б. Эпиобъективы нормальные для исследований
в светлом и темном поле
ОЭ-23 — 0,17 23,20 Сухая 5,40 31,5 —
ОЭ-14 — 0,30 13,90 » 5,40 31,5
ОЭ-8 — 0,37 8,20 » 2,60 31,5
ОЭ-ЗТ — 1,00 2,80 Масляная иммерсия 0,60 31,5 —
ОЭ-1 0,65 6,3 Сухая 0,7 33 —
ОЭ-2 — 0,40 10 » 3,4 33 —
ОЭ-4 0,20 25 » 6,6 33 —
501
Продолжение приложения
Шифр Увеличение ! в крат 1 Числовая апертура Фокусное расстояние В ММ 1 г Система i ! ~ 1 Рабочее рас- стояние * J В ММ ! 1 ё - Я и Г 11римечан не
ОС-16 3. Апохро 0,30 матиче 15.70 ские-, тубус беси Сухая онечность 4,90 3,3
ОС-8 — 0,65 8,40 » 0,82 3.3
ОС-4 — 0,95 4,30 » 0,18 33
ОС-3 1,30 2,80 Масляная 0,18 25 —
ОС-ЗТ — 1,00 2,80 иммерсия То же 0,53 25 —
ОБМЖ-1,6 4. Монохроматические для узкой области спектра-, тубус бесконечность — ! 1,3 I 1,65 1 Специальная ! 0,4 1 64 7 ж546 нм
ОБП-40 5 Планахр 0,1 оматил 40 (по = 1,5381) ескпс; тубус бес Сухая конечное//? 24,88 ь 45
ОХ-25 — 0,2 24,75 » 18,84 45
О- •е сличение i рат еловая ртура О S О I 3 к и о <У и с о ср в V X О X S *• О s тасть •оматиза- I Л в нм
3 д * о иЛ 05 е So б 'Sg' Он и И 3 И и Об; ахр ЦИГ
III. Зеркально-линзовые объективы для ультрафиолетовой
ОК-40 40 и 1. Т 0,50 1ИДИМО1 убус 1 4,21 областей спект 50 мм, d = 0,17 Сухая эа мм 2,00 33 211 —800
ОНЗ-75А 75 0,65 2,32 » 0,23 33 243—590
ОК-75 75 1,00 2,20 Глицериновая 0,25 32,7 250 -590
ОНЗ-115 113 0,70 1,50 иммерсия Сухая 0,19 36 243-590
ОНЗ-125 125 1,10 1,45 Глицериновая 0,25 32,7 250—590
ОБР-11 2. Т 0,38 убус бс 11,46 | 1 иммерсия оконечность, d - Сухая | = 0 15,6 58 | 253—766
502
Продолжение приложения
i ! Нфпш 1 1 Увеличение в крат Числовой апертура Фокусное расстояние в мм Система Рабочее рас- стояние * в мм Высота ** в мм Область ахроматиза- ции Л в нм
IV. Линзовые кварцфлюоритовые объективы для ультрафиолетовой области спектра; тубус 160 мм, d = 0,17 мм
СК-5 5 0,08 24,89 Сухая 17,00 33 230—590
ОК-10-3 10 0,20 15,29 » 6,61 33,2 250—330
< )1\-30 48,5 0,65 3,61 Сухая 0,10 32,4 250—313
ОК-58 58 0.80 3,09 Водная иммерсия 0,11 30 248—280
V. Зеркально-линзовые и линзовые объективы для инфракрасной области спектра; тубус 160 мм
1. Зеркально-линзовые
ОНЗ-40 40 0,50 4,23 Сухая 5,0 33 0,7—7 мкм
ОР-75ИК 75 0,65 2,35 » 0,20 33,5 0,7—4,5 мкм
ОРМ-75ИК 75 1,0 2,10 Масляная иммерсия 0,28 32,7 0,8—1,6 »
ОР-40 40 0,70 4,56 Сухая 1,42 67 0,7—5 »
2 . Линзовые
03-1 ОИК 10 0,30 18,44 Сухая 3,80— 2,49 37,2 1—2,2 мкм
Шифр Фокусное расстояние в мм Относительное отверстие
VI. ОП-15 ОП-16 ОП-17 ОФ-111 Объективы для макросъемки 40 65 100 150 1 : 4,5 1 : 4,5 1 : 4,5 1 : 6,3
Ш ифр Увеличение в крат Линейное поле зрения в мм Фокусное расстояние в мм Примечание
АМ-6 АМ-30 4 4 VII. Okj 1. Гюй 23,3 20 гляры генса 62 63 С удаленным входным зрачком
503
Продолжение приложения
Шифр Увеличение в крат. Линейное поле зрения в мм Фокусное расстояние в мм Примечание
АМ-4 4 24 62 Со шкалой
AM-5 5 23 50,6 Со шкалой и сеткой
М-7 7 18 36 —
AM-31 7 18 36 С удаленным входным
зрачком
AM-11 7 19 36 Со шкалой и сеткой
AM-8 8 21 31,4 С перекрестием
М-10 10 14 25 С повышенной центри-
ровкой J
AM-10 10 14 25 С перекрестием
М-11 15 8 17 !
2. компенсационные
AM-25 3 20 83 С удаленным входным
зрачком
AM-24 5 20 50 То же
AM-12 5 22 50 -
АКШ-8 8 24 31,35 —
АКШ-9 8 24 31,35 1
AM-12 5 22 50 -
АМ-12П 5 22 50 Просветлена оптика
AM-13 7 18 35 —
АМ-13П 7 18 35 Просветлена оптика
AM-26 7 18 36 Со шкалой
AM-7 7 18 36 Просветлена оптика
AM-14 10 13 25 —
AM-27 15 11 16,7
AM-16 20 9 12,6 —
AM-17 30 6 8,3 Просветлена оптика
АКШ-16 16 12 15,61 —
АКШ-25 25 8 10
3. Ортоскопические
AM-18 12,5 10 20 --
AM-19 17 13,6 15 —
AM-20 28 6,5 9 — ,
4. Симметричные
AT-36 15 12 17 Просветлена оптика
AT-38 15 12 17 Со шкалой
504
Продолжение приложения1
Шифр Увеличение в крат Линейное поле зрения в мм Фокусное расстояние в мм Примечание
5. Широкоугольные ***
AUJ-6 6 22 43 —
АШ-8 8 20 30,4 —
АШ-8С 8 20 30,4 Со шкалой и сеткой
АШ-12,5 12,5 18 20 —
АШ-17 17 13,6 15 —
АШ-8Г1 8 20 30,4 С перекрестием
6. Фотоокуляры
М-7Ф 7 18 36 Просветлена оптика
АМ-7Ф 7 18 36 » »
АТ-18 7 18 36 » »
АМ-14Ф 10 13 25 » »
АМ-33 10 13,4 25 » »
АМ-27Ф 15 11 16,7 » »
АТ-36С 15 12 17 » »
АТ-37С 15 12 17 » »
АМ-18Ф 12,5 15 20 » »
АМ-16Ф 20 9 12,6 » »
7. Кварцевые для фотографирования
в ультрафиолетовой области спектра
АМК-2 8 14 28,84 —
АМК-3 8 15,6 29,79 —
АМК-5 8 12 24,9 —
АМК-6 3 15 80 —
АМК-7 3 15 80,4 —
АМК-8 3 15 78 —
AM К-9 3 15 84 —
AM К-10 3 15 80,68 —
AM К-13 2,9 11,7 77,73 —
Рабочим расстоянием называется расстояние от вер. <ней поверхности покровного
стекла до оправы первой линзы объектива.
'* Высоток объектива называется расстояние от объекта до опорной плоскости объ-
ектива.
: Широкоугольные окуляры имеют посадочный диаметр 30 мм. остальные — 23,2 мм.
505-
ЛИТЕРАТУРА
1. Агроскин Л. С. Сравнение яркостей некоторых источников света для ультра-
фиолетовой микроскопии. — «Биофизика», 1957. Т. 2. Вып. 4.
2. А г р о с к и н Л. С. Современная аппаратура для цитоспектрофотометрии. —
«Биофизика», 1958. Т. 3. Вып. 3.
3. Андреев Л. Н. н Грибанова С. В. Новые плапахроматические объек-
тивы.— «Опт.-мех. пром.», 1966, № 1.
4. А и д р е е в Л. Н., Грибанова С. В., Ларина Р. М. и Соко-
лова Т. И. Планапохроматические объективы для биологических микроскопов. —
«Опт.-мех. пром.», 1967, № 3.
5. Аппельт Г. Введение в методы микроскопического исследования. Пер. с нем.
М., Медгиз, 1959.
6. Б е г у н о в Б. Н. Геометрическая оптика. М., изд. МГУ, 1961.
7. Волосов Д. С. и Цивкин М. В. Теория и расчет светооптических систем.
М., изд-во «Искусство», 1960.
8. В о л ы н с к и й И. С. Определение рудных минералов под микроскопом. Мето-
дическое руководство. Т. 1. М., изд-во «Недра», 1966.
9. Гальперн Д. Ю. Дифференциальные законы геометрической оптики как след-
ствие теории эйконала. —ЖТФ, 1945. Т. 14.
10. Г у р е в и ч С. Б. Физические процессы в передающих телевизионных трубках
М., Физматгиз, 1958.
И. Захарьевский А. Н., Панов В. А. и Кузнецова А. Ф. Интер-
ференционный микрообъектив. — «Опт.-мех. пром.», 1960, № 6.
12. Захарьевский А. Н. и Кузнецова А. Ф. Интерференционные биоло-
гические микроскопы. —«Цитология», 1961. Т. 3, № 2.
13. И л ь и н Р. С., Федотов Г. И. и Федин Л. А. Лабораторные оптические
приборы. М., изд-во «Машиностроение», 1966.
14. Каталог изделий Московского электролампового завода. М., ЦБТИ, 1959.
15. Каталог изделий Московского электролампового завода. Дополнения и изменения.
Вып. 1. М., ЦБТИ, 1959.
16. Каталог изделий Московского электролампового завода. Дополнения и изменения.
Вып. 2. М., ЦБТИ, 1964.
17. Каталог цветного стекла. М., изд-во «Машиностроение», 1967.
18. К р а в к о в С. В. Глаз и его работа. М.—Л., АН СССР, 1950.
19. К р у г е р М. Я., Панов В. А., Кулагин В. В. и др. Справочник кон-
структора оптико-механических приборов. М.—Л., Машгиз, 1968.
20. Л о з и н с к и й М. Г. Высокотемпературная металлография. М., Машгиз, 1956.
21. Люминесцентный анализ. Под ред. М. А. Константиновой-Шлезингер. М., Фпз-
матгиз, 1961.
22. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. М.—Л., ОГИЗ, 1946.
23. Мандельштам Л. И. О применении интегральных уравнений к теории опти-
ческого изображения. Поли. собр. трудов. Т. 1. М., АН СССР, 1948.
24. Мареша ль А. и Франсов М. Структура оптического изображения. М..
изд-во «Мир», 1964.
25. М е н к е Г. и Менке Л. Введение в лазерный эмиссионный микроспектраль-
ный анализ. Пер. с нем. М., изд-во «Мир», 1968.
26. Методы цитологического анализа. Пер. сангл. Подред. Р. Меллорса. М., ПЛ, 1957.
506
27. М и х а й л о в И. Ф. и Дьяков С. И. Люминесцентная микроскопия. М.,
Медгиз. 1961.
28. М и х е л ь К. Основы теории микроскопа. Пер. с нем. М., Гостехиздат, 1955.
29. Панов В. А. Зеркально-линзовые объективы микроскопа. — «Опт.-мех. пром.»,
1958. Хе 8 и 9.
30. Панов В. А. О некоторых направлениях в развитии зеркальных и зеркально-
линзовых микрообъективов для ультрафиолетовых микроскопов. — «Опт.-мех. пром.»,
1961. Хе 7 и 8.
31. Поляков Н. И. Микроскопы для наблюдения малоконтрастных объектов.
Авт. свид. .Хе 181337. —«Бюлл. изобр.», 1966, Хе 9.
32. Поляков Я- С. Фосфоресцентный микроскоп. — ЖПС, 1967. Т. 7. Вып. 4.
33. Ри п не Ф. и Б е р е к М. Оптические исследования при помощи поляризацион-
ного микроскопа. М., ОНТЙ, 1937.
34. Рождественский Д. С. Когерентность лучей при образовании изобра-
жения в микроскопе. —ЖЭТФ, 1940. Т. 10. Вып. 3.
35. Русинов М. М. Несферические поверхности в оптике. М., изд-во «Недра», 1965.
36. Русинов М. М. Техническая оптика. М.—Л., Машгиз, 1961.
37. Русинов М. М. Габаритный расчет оптических систем. М., Геодезиздат, 1958.
38. Свойства фотографических материалов на прозрачной подложке. Справочник.
Под ред. 1О. Н. Гороховского и С. С. Гилева. М., Гостехиздат, 1955.
39. Скворцов Г. Е. Развитие микроскопостроения в СССР за 50 лет. — «Опт.-
мех. пром.», 1967, № 11.
40. Скворцов Г. Е., Долинский И. М. и Матвеева Г. А. О точности
п пределах измерения микромеханизмов микроскопов.—«Опт.-мех. пром.», 1964, № 5.
41. С л юса рев Г. Г. Методы расчета оптических систем. М., ОНТИ, 1937.
42. Сл юса рев Г. Г. Вычисление частотно-контрастной характеристики. — «Опт.
и спектр.», 1966. Т. 20. Вып. 4.
13. Современные методы и техника морфологических исследований. Под ред. А. А.Жда-
нова. Л.. Медгиз, 1955.
44. Справочная книга по светотехнике. Под ред. акад. В. С. Кулибакина. Т. 1. Све-
товые приборы и источники света. М., АН СССР, 1956.
45. Т у д о р о в с к и й А. И. Теория оптических приборов. Т. 1. Общая часть.
Т. 2. Оптические системы. М.—Л., АН СССР, 1948, 1952.
46. Т у р ы г и н И. А. Прикладная оптика. М., изд-во «Машиностроение», 1965.
47. Фабри Ш. Общее введение в фотометрию. Пер. с франц. М.—Л., Гостехиздат,
1934.
48. Ф е д и н Л. А. и А г р о с к и н Л. С. Телевизионный микроскоп — пример
применения физических методов исследования в биологии. — «Биофизика», 1959. Т. 4.
Вып. 4.
49. Федин Л. А. Микроскопы, принадлежности к ним и лупы. М., Оборонгиз, 1961.
50. Ф е ф и л о в Б. В. Прикладная оптика. М., Геодезиздат, 1947.
7>1 . Ф рансон М. Фазовоконтрастный и интерференционный микроскопы. Пер.
с франц. М., Физматгиз, 1960.
52. Ч у р и л о в с к и й В. Н. Теория оптических приборов. М.—Л., изд-во «Маши-
ностроение», 1966.
53. Ш е р к л и ф ф У. Поляризованный свет. М., изд-во «Мир», 1965.
5-1 . Шиллабер Ч. Микрофотография. Пер. с англ. М., ИЛ, 1951.
55. Якушенков Ю. Г. Физические основы оптико-электронных приборов. М..
изд-го «Советское радио», 1965.
56. Hauser F. Das Arbeiten mit auffallenden Licht in der Mikroskopie. Leipzig, 1956.
57. Landol 1 H., В or nstein B. Physicalischchemsche Tabellen, Bd. 2. Ber-
lin, 1923.
58. Moe nke H.. Moenke L. Optische Bestimmungsverfahren und Gerate fur
Mineralogen und Chemiker. Leipzig, 1965.
59. M ii t z e K-. F о i t z i k L, Krug W., Schreiber G. Brockhaus ABC
der Optik. Leipzig, VEB F. A. Brockhaus Verlag, 1961.
60. О e t t e 1 W. Grundlagen der Metallmikroskopie. Leipzig, 1959.
61. Otto L. Durchlichtmikroskopie. Berlin, VEB Verlag Technik, 1959.
62. T о 1 a n s k у S. Multiple-beam Interferometry of Surfaces and Films. Oxford, 1948.
63. Mandelstam L. Zur Abbeschen Theorie der mikroskopischen Bilderzeugung. —
Ann. d. Physik», 1911. B. 35 (4).
507
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................... 3
Часть первая. ТЕОРИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ МИКРОСКОПОВ
Глава I. Лупы ............................................................... 3
1. Назначение лупы и ее увеличение................................... —
2. Ограничение световых пучков...................................... 10
3. Глубина резкого изображения...................................... 12
4. Оптические схемы и конструкции различных типов луп............... 14
5. Телескопическая лупа и лупа с отрицательным окуляром............. 17
Глава II. Геометрическая теория микроскопа ................................. 19
1. Оптическая система............................................
2. Увеличение....................................................... 21
3. Ограничение световых пучков в микроскопе ........................ 24
4. Микропроекция.................................................... 29
5. Осветительная система микроскопа................................. 32
6. Оптическая система для наблюдения выходного зрачка микрообъектива 36
7. Глубина резкого изображения...................................... 37
Глава III. Теория образования изображения в микроскопе...................... 38
А. Дифракционная теория образования изображения в микроскопе .... —
1. Дифракционное изображение светящейся точки........................ —
2. Предел разрешения двух самосветящихся и несамосветящихся точек 41
3. Дифракционная теория изображения в микроскопе но Аббе............ 44
4. Особенности когерентного освещения и метод Мандельштама.......... 17
5. Когерентность света в изображении конденсора ..................... —
6. Когерентность света при освещении широким источником света без кон-
денсора ............................................................ 50
7. Когерентность освещения при изображении в микроскопе............. 51
8. Значение когерентности в изображении двух близких бесконечно тон-
ких щелей .......................................................... 53
9 Передаточная функция оптических систем............................ 55
10. Дифракционная глубина изображения................................ 57
11. Полезное увеличение микроскопа.................................... -
Б. Погрешности изображения в микроскопе (аберрации)..................... 59
12. Гауссова область изображения...................................... —
13. Классификация основных аберраций..............................
14. Сферическая аберрация............................................ 61
15. Кома............................................................. 62
16. Астигматизм и кривизна поверхности изображения.................... —
17. Дисторсия ....................................................... 63
18. Закон синусов .................................................... —
19. Условие изопланатизма............................................ 64
20. Апланатические точки преломляющей поверхности .................. 65
21. Формы апланатических менисков .................................... —
22. Хроматические аберрации.......................................... 67
508
Г.иша IV. Методы освещения. Оптические схемы осветительных систем............ 70
1, Понятие светлого и темного поля ................................... —
2. Координаты освещения ............................................. 72
3. Основные требования к освещению объектов в проходящем свете . . 73
I. Оптические схемы осветительных систем для проходящего света .... 74
5. Расчет осветительной системы к установке ФМН-2 для проходящего
света................................................................ 78
6. Косое освещение в проходящем свете................................ 82
7. Наблюдение в темном поле. Ультрамикроскопия....................... 83
8. Схемы освещения непрозрачных обьектов по мет щу светлого поля
(отраженный свет) .................... . ................ 87
9. Влияние положения выходных зрачков осветительной системы и объек-
тива микроскопа на освещение объекта при применении свстоделитель-
пой пластинки ....................................................... 95
10. Влияние положения осветительной призмы, выходного зрачка объек-
тива микроскопа и осветительной системы на освещение объекта . . . 96
11. Требования к положению выходных зрачков микрообъективов, пред-
назначенных для работы в отраженном свете............................. 98
12. Схемы освещения непрозрачных объектов по методу темного поля (отра-
женный свет)........................................................... —
Глава V. Методы микроскопии с применением дополнительных оптических средств 99
I. Метод исследования в поляризованном свете.......................... —
2. Метод фазового контраста......................................... 106
3. Метод интерференционного контраста .............................. 117
4. Метод исследования в свете люминесценции ........................ 128
5. Метод исследования в спектральных диапазонах за пределами видимой
области ............................................................ 131
6. Применение спектральных методов исследования в микроскопии ... 133
Г.шва VI. Микроскоп — передатчик световой энергии........................... 136
1. Основные сведения из фотометрии.................................... —
2. Прохождение потока излучения через светофильтр .................. 140
3. Потери света в оптической системе ............................... 142
4. Оптическая система микроскопа — световая трубка конечных размеров 144
5. Световые единицы................................................. 148
6. Освещенность изображения, образованного микроскопом при проекции 149
7. Субъективная яркость изображения при визуальном наблюдении через
микроскоп .......................................................... 152
8. Освещенность изображения в микроскопе при различных методах иссле-
дования ............................................................ 153
Глава VI!. Источники света и приемники излучения............................ 154
1. Требования к источникам света .................................
2. Лампы накаливания ............................................... 158
3. Газоразрядные лампы.............................................. 162
4. Источники инфракрасного излучения................................ 165
5. Реакция приемника лучистой энергии на падающий поток излучения —
6. Глаз как приемник излучения...................................... 167
7. Приемники излучения для регистрации изображения.................. 171
8. Приемники излучения для измерения лучистого потока .............. 173
Глава VIII. Объективы, окуляры, коллекторы и конденсоры микроскопов .... 176
Л. Линзовые объективы .................................................. 177
1. Объективы-ахроматы ............................................... —
2. Объективы-апохроматы............................................. 184
3, Объективы с исправленной кривизной поверхности изображения (план-
объективы) ......................................................... 192
4. Объективы-монохроматы для ультрафиолетовой области спектра . . . 207
5. Объективы-ахроматы для ультрафиолетовой области спектра .... 209
6. Объективы для инфракрасной области спектра......................... —
7. Безрефлексные объективы для рудных и петрографических микроскопов 210
509
8. Объективы для изучения следов элементарных частиц в желатиновых
эмульсиях ..................................................... 211
9. Объективы для фазового контраста ............................. 212
10. Контактные объективы ........................................
11. Объективы для интерференционных биологических микроскопов ... 213
12. Объективы с большим рабочим расстоянием для высокотемпературных
установок .......................................................
13. Эпиобъективы.................................................. 211
14. Объективы для столика Федорова ..............................
15. Объективы в коротких оправах ................................. 215
16. Объективы в узких оправах..................................... 216
17. Фотографические проекционные объективы.......................
Б. Зеркальные и зеркально-линзовые объективы ......................... 217
18. Объективы для ультрафиолетовой и видимой областей спектра ....
19. Объективы для инфракрасной области спектра.................... 222
20. Объективы с большим рабочим расстоянием для высокотемпературных
установок ........................................................ 223
21. Условные обозначения объективов............................... 227
В. Окуляры.......................................................... —
22. Положение зрачков окуляра..................................... 228
23. Типы окуляров................................................ 229
24. Окуляры Гюйгенса ............................................... —
25. Окуляры Кельнера............................................. 231
26. Окуляры симметричные.......................................... 233
27. Окуляры ортоскопические...................................... 235
28. Окуляры компенсационные...................................... 237
29. Окуляры для ультрафиолетовой области спектра................. 239
30. Широкоугольные окуляры........................................ 241
31. Окуляры Кербера.............................................. 243
32. Гомалы (отрицательные окуляры) ............................... 244
Г. Коллекторы........................................................ 246
33. Коллекторы со сферическими поверхностями........................ —
34. Коллекторы с параболоидальной поверхностью.................... 248
Д. Конденсоры ...................................................... 251
35. Конденсор с числовой апертурой А = 1,2 ....................... 252
36. Апланатический ахроматический конденсор......................... —
37. Апланатический конденсор ОИ-14 —
38. Конденсор ОИ-22 .............................................. 253
39. Конденсор к инвертированным микроскопам ...................... 255
40. Панкратический конденсор ПК-2 ...............................
41. Кфарцфлюоритовый конденсор КУФ-3................................ —
42. Конденсор темного поля ОИ-13 ................................ 256
43. Сменный конденсор ОИ-Ю..........................................
44. Конденсор с большим рабочим расстоянием ........................
45. Параболоидальные отражатели (эпизеркала) .......................
Глава IX. Механические узлы микроскопов................................. 2ьи
1. Штативы микроскопов..........................................
2. Основные узлы штатива микроскопа............................. 264
3. Тубус, микроскопа ............................................ 278
4. Предметные столики .......................................... 28 4
5. Механизмы осветительной системы............................... 292
Часть вторая. УСТРОЙСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОСКОПОВ
Г лава X. Биологические микроскопы ..................................... 294
1. Биологические рабочие микроскопы .............................. —
2. Исследовательские биологические микроскопы.................... 295
3. Инвентированные биологические микроскопы..................... 302
Глава XI. Люминесцентные микроскопы .................................... 309
1. Люминесцентные микроскопы обычного типа ...................... 310
2. Люминесцентный микроскоп для прижизненных исследований .... 314
510
3. Приборы для количественных исследований люминесценции микро-
объектов ......................................................... 317
Глава XII. Ультрафиолетовые и инфракрасные микроскопы .................... 323
1, Ультрафиолетовые микроскопы ...................................... —
2. Инфракрасные микроскопы и насадки .............................. 334
Глава XIII. Металлографические микроскопы................................ 341
1. Металлографические микроскопы для обычных работ................. 344
2. Микроскопы с дистанционным управлением для исследования радио-
активных материалов............................................... 360
Глава XIV. Поляризационные микроскопы .................................. 373
1. Лабораторный поляризационный микроскоп МИН-8................... 374
2. Рудный микроскоп МИН-9 ........................................ 376
3. Универсальные поляризационные микроскопы ...................... 378
4. Принадлежности к поляризационным микроскопам .................. 380
Глава XV. Стереоскопические микроскопы.................................... 385
Глава XVI. Микроскопы сравнения .......................................... 394
Глава XVII. Приборы для микрофотографии, микрокинематографии и микропроек-
ции ...................................................................... 400
I. Общие положения ................................................. —
2. Приборы для микрофотографии ................................... 403
3. Приборы для микрокинематографии ............................... 407
4. Приборы для микропроекции ..................................... 410
5. Экспонометры для микрофотографии............................... 411
Глава XVIII. Фазовоконтрастные и интерференционные микроскопы и принадлеж-
ности .................................................................... 414
1. Фазовоконтрастные устройства для проходящего света .............. —
2. Фазовоконтрастные устройства для отраженного света ............ 417
3. Интерференционные микроскопы и принадлежности для проходящего
света................................'............................ 419
4. Интерференционные устройства для отраженного света ............ 426
Глава XIX. Телевизионные микроскопы и автоматические счетчики частиц . . . 428
1. Телевизионные микроскопы ......................................... —
2. Телевизионные микроспектрофотометры............................. 432
3. Автоматические счетчики микрочастиц............................ 434
Глава XX. Приборы для эмиссионного микроспектрального анализа ............ 439
Глава XXI. Микроскопы для исследования в области ядерной физики........... 446
1. Требования к микроскопам ......................................... —
2. Универсальный измерительный микроскоп для измерения следов эле-
ментарных частиц в толстослойных фотоэмульсиях МПЭ-1 .............. 450
Глава XXII. Высокотемпературные микроскопы................................ 461
Глава XXIII. Принадлежности к микроскопам................................. 463
1. Осветители для проходящего света............................... 464
2. Осветители для отраженного света............................... 466
3. Тубусы для микроскопов ........................................ 470
4 Окулярные насадки............................................... 473
5. Иммерсионные жидкости, покровные и предметные стекла........... 480
Глава XXIV. Микрофотография .............................................. 481
1. Фотоматериалы и их обработка .................................... —
2. Светофильтры................................................... 487
3. Немного из практики микрофотографии .......................... 491
Приложение................................................................ 495
Литература................................................................ 506
511
Георгий Евгеньевич Скворцов,
Виктор Алексеевич Панов,
Николай Иванович Поляков,
Леонид Андреевич Федин
.МИКРОСКОПЫ
Редакторы издательства:
Т. С. Васильева и И. А. Дени и
Переплет художника О. Н. Цы п ла koj
Технический редактор А. А. Бардина
Корректоры В. И. Пл иткина и М. С.
Ш м у к л о р
Сдано в производство 9/IV 1969 г.
Подписано к печати 23/Х 1969 г. М-56739
Формат бумаги 70х100’/1в
Привед. печ. л. 41,6 Уч.-изд. л. 38,2
Тираж 7000 экз. Заказ 150. Цена 2 р. 20
Ленинградское отделение
издательства «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Ленинград, Д-65, ул. Дзержинского, 10
Ленинградская типография № 6
I лавполиграфпрома Комитета по печати
яри Совете Министров СССР
..Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10