ЭСБЕ/Микроскоп
Микроскоп — оптический прибор, основанный на преломлении (диоптрический М.) световых лучей и служащий для получения сильно увеличенных действительных или мнимых изображений небольших, не различаемых невооруженным глазом предметов; изображения эти, полученные на расстоянии ясного видения от наблюдающего глаза, последним рассматриваются. В прежнее время устраивались, хотя с малым успехом, и М., основанные на отражении света (катоптрические). М. различаются простые и сложные. 1) Простые М. или лупы состоят из одной или нескольких чечевиц (см. Оптические стекла), расположенных так, что расстояние между отдельными чечевицами всегда меньше суммы их фокусных расстояний, и вся система нигде ни внутри ее, ни извне не дает и не может дать действительного изображения; рассматриваемый предмет помещается между конечной поверхностью системы и ее главным фокусным расстоянием. 2) Сложные микроскопы состоят из двух независимых оптических частей: объектива — собирающей чечевицы, дающей действительное, увеличенное и обращенное изображение предмета, помещенного между простым и двойным фокусным расстоянием ее, и окуляра — простой или сложной лупы, дающей мнимое увеличенное изображение того изображения предмета, которое составлено объективом, расположенное на расстоянии ясного зрения наблюдающего глаза. Простейшая схема хода лучей в сложном М. следующая (фиг. 1): лучи, исходящие от рассматриваемого предмета P2P1, находящегося за главным фокусом (F) объектива Ob, падают на последний, преломляются в нем, выходят сходящимся пучком и дают на некотором расстоянии P1′P2′ — действительное увеличенное обратное изображение предмета.

Это изображение расположено между главным фокусом окуляра Oc и его ближайшей поверхностью. Глаз, помещенный над окуляром в A, видит Р1″Р2″ мнимое изображение, большее, чем Р1′Р2′, обратное относительно предмета Р1Р2. Над объективом располагают обыкновенно диафрагму BB, ограничивающую пучок лучей, проходящий через объектив; через диафрагму пройдут все те лучи, которые при не преломленном (без объектива) распространении лучей прошли бы через некоторую фиктивную воображаемую диафрагму EE. Угол E1P1E2 есть угол или, как говорят, отверстие входящего пучка лучей, угол Р1′В1Р2′ — отверстие преломленного пучка. Лучи, вышедшие из Oc расходящимися пучками, в плоскости AA образуют общий пучок наименьшего сечения. В этой плоскости, называемой глазной плоскостью, выгоднее всего поместить глаз наблюдателя, так как тогда в зрачок глаза попадет наибольшее количество света. Изображение Р1″Р2″ видно вполне резко или, как говорят, установлено тогда, когда расстояние плоскостей Р1″Р2″ и AA равно расстоянию ясного видения наблюдателя (для нормального глаза = 25 стм). Этой установки можно достигнуть либо уменьшая или увеличивая расстояние между Ob и Oc, либо оставляя это расстояние неизменным, но перемещая всю систему дальше от предмета Р1Р2 или ближе к нему; на практике пользуются обыкновенно вторым приемом. При этом, очевидно, ничтожное перемещение всей системы относительно Р1Р2 вызовет значительное перемещение окончательного изображения Р1″Р2″. Предмет Р1Р2 может быть 1) либо самосветящимся, 2) либо видимым, благодаря отраженному от него, преломленному в нем или поглощенному им свету, идущему от постороннего источника (небо, лампа и т. д.). Преимущества сложного М. перед простым следующие: 1) при том же общем увеличении фокусные расстояния объектива и окуляра меньше, чем у равносильного простого М.; это в значительной степени облегчает изготовление стекол. 2) Наблюдаемый предмет находится дальше от конечной поверхности стекла объектива, чем от поверхности стекла равной по силе лупы. 3) Увеличение М. можно менять в известных пределах, пользуясь при одном и том же объективе различными окулярами. 4) Сложные М. имеют промежуточное действительное изображение, что дает возможность применять к получению изображений методы фотографии, а к измерению его — методы микрометрии (см. Микрометры). 5) Самое главное преимущество сложного М. перед простым заключается в том, что составлением всей системы из двух независимых частей можно достигнуть значительно более совершенного уничтожения сферической и хроматической аберрации (см. Оптические стекла), следовательно — и значительно большего угла зрения.

Наиболее существенная часть микроскопа — его объектив. Первые объективы микроскопа состояли из одной — раньше не ахроматической, затем ахроматической чечевицы. Позже объективы начали составлять из нескольких расположенных друг над другом отдельных чечевиц; это представляло то преимущество, что: несмотря на общее короткое фокусное расстояние объектива, отдельные чечевицы его могли иметь не слишком малый радиус кривизны; соответственной комбинацией стекол легче избавиться в достаточной степени от аберрации; свинчивая с такого сложного объектива отдельные чечевицы, мы получаем ряд новых, более слабых по увеличению объективов. Последнее, однако, с успехом возможно лишь со сложными объективами, в которых каждая чечевица в отдельности избавлена от аберрации; этого достигнуть, однако, чрезвычайно трудно, и посему ныне при сильных увеличениях для каждого увеличения изготовляют отдельный сложный объектив, который никогда не развинчивается и успешно действовать может лишь как целое. Для уничтожения сферической и хроматической аберрации в объективах прибегают к различным средствам; чаще всего (по Амичи) в нижних стеклах объектива нарочно накопляют аберрационные ошибки, придавая чечевицам большую выпуклость, даже полушаровую форму, чтобы затем легче было соответственной комбинацией верхних чечевиц с обратными по знаку аберрационными ошибками совершенно избавиться от аберрации; фиг. 2 представляет сечение такой простейшей объективной системы.

Для достижения возможно полного уничтожения аберрации в последнее время, по предложению профессора Аббе в Йене и по почину мастерской Цейса, начали применять разнообразнейшие сорта оптического стекла, особенно тяжелые борные и фосфатные стекла завода Шотта в Йене, а затем даже некоторые минералы (плавиковый шпат в мастерской Цейса). Таким путем Цейсу в Йене удалось достигнуть чрезвычайно полного уничтожения аберрации, особенно хроматической; такие объективы им названы апохроматическими. При всех высоких своих достоинствах апохроматы страдают, однако, следующими недостатками: 1) поле резкого одновременного зрения у них весьма незначительно, т. е. когда центр изображения установлен на глаз резко, то края его нерезкие, и наоборот; этот недостаток апохроматов особенно резко выступает в микрофотографии. 2) Стекла, из которых составлены апохроматы, во влажном и теплом воздухе тропических стран со временем тускнеют.

При расчете и конструкции объективов приходится еще принимать во внимание одно обстоятельство — а именно влияние покровного стеклышка (см. ниже), под которым располагают обыкновенно наблюдаемые предметы. Это стеклышко преломляет лучи, исходящие из наблюдаемого предмета P так (фиг. 3, где D — покровное стеклышко O — объектив), что они по продолжении не сходятся в одной точке, и эта разница в схождении различных лучей тем больше, чем больше толщина покровного стекла изображения (фиг. 3; два стекла: более толстое D и более тонкое D1).

Чтобы собрать в одной точке эти лучи, следует, особенно в объективах с весьма коротким фокусом, соответственным образом вычислить кривизны составляющих его стекол. Обыкновенно так и поступают, принимая толщину покровного стекла за 0,15 мм, но иные конструкторы (Рейхерт, Цейс, Росс и др.) приготовляют особые коррекционные объективы, в которых небольшим раздвижением чечевиц объектива можно достигнуть исправления хода лучей для покровных стекол различной толщины. Аббе доказал, что способность М. различать тонкие детали строения наблюдаемого предмета будет тем больше, чем больше угол, составляемый крайними лучами, идущими из предмета и попадающими еще в объектив. Этот угол будет, очевидно, тем больше, чем короче фокусное расстояние и больше отверстие объектива. Если назовем этот угол через α, то величину n∙sin=A, где n — коэффициент преломления той среды, в которой находится предмет и из которой исходят лучи, профессор Аббе назвал апертурой данного объектива (на фиг. 1 угол α равен E1P2E2). Величина A характеризует способность объектива различать тонкости в строении наблюдаемого предмета, поэтому с давних времен стараются по возможности ее увеличить. В воздухе (n=1) теоретический предел A будет 1 (так как sin=sin90°=1); на практике удалось достигнуть A равным 0,90. Этим, казалось, достигнут был и предел увеличения апертуры; но еще в 1840 г. Амичи показал, что можно пойти еще дальше, если заставить лучи входить не из воздуха (n=1) в стекло, но из среды, имеющей n)1; действительно, в этом случае A, как и следует из формулы A=n∙sin будет больше. Первые подобные иммерсионные объективы были водяные, т. е. между поверхностью стекла объектива и покровным стеклышком располагалась капля воды, заполнявшая все пространство между ними; таким образом удалось дойти до апертур 1,15—1,20. Позже стали вместо воды пользоваться жидкостями с большим коэффициентом преломления; важный шаг в этом отношении сделал профессор Аббе, предложивший приготовлять однородные иммерсионные (homogene Immersion) объективы, т. е. такие, в которых покровное стекло, последнее стекло объектива и иммерсионная жидкость имеют один и тот же коэффициент преломления. Чаще всего для этой цели пользуются сгущенным кедровым маслом (nD=1,515); этим путем удалось достигнуть апертур 1,40. На фиг. 4 изображен в 2 раза увеличенный разрез оправы и стекол апохроматического объектива с однородной иммерсией; фокусное расстояние его равно 2 мм, апертура — 1,40.

Окулярами у М. служат почти исключительно окуляры Гюйгенса (Кампани), реже окуляры Рамсдена. Последние применяются главным образом тогда, когда необходимо получить действительное изображение от объектива ниже окуляра, например при измерениях изображения с помощью окулярных микрометров (см. Окуляр, Микрометр). В последнее время некоторые оптики (особенно Цейс) начали готовить окуляры М. отлично от обыкновенных; в этих новых типах как объектив, так и соответствующий ему окуляр в отдельности не исправляются относительно аберраций, но их располагают так, чтобы аберрации их компенсировали друг друга и они вместе давали лишенную аберрационных ошибок систему; такие окуляры называются компенсационными. Существует целый ряд приспособлений, располагаемых внутри окуляров и служащих для специальных наблюдений; таковы гониометрические окуляры, дающие возможность измерять углы кристаллов, видимых в М. (см. Гониометр); микрометрические окуляры (Рамсдена), в фокусе которых расположена тонкая стеклянная пластинка с мелкими делениями ( мм) и служащие для измерения величины микроскопических объектов; поляризационные окуляры, дозволяющие наблюдать в поляризованном свете; спектральные окуляры (см. Спектральный анализ), дающие возможность наблюдать спектры поглощения предметов, исследуемых под М. Иногда желательно видеть (прямые, не обращенные) изображения в поле зрения М.; тогда прибегают к обращающим окулярам, в которых простая комбинация призм поворачивает изображение и делает его из обращенного прямым. В Англии пользуются также часто стереоскопическими окулярами, в которых с помощью призм пучок лучей, идущих от объектива, разделяется на две части и направляется в два отдельных окуляра, приспособленные к бинокулярному рельефному зрению. Иногда раздваивающую пучок призму помещают у самого объектива; такой простейший бинокулярный М. Венгама изображен на фиг. 5.

В нем призма A два раза отражает часть пучка и посылает эту часть в боковой окуляр E. Особенных преимуществ бинокулярные М. не представляют и сильных увеличений не допускают. Предметы, изучаемые под М., обыкновенно прозрачны и освещаются пропущенным светом. Для этой цели свет отражается на них с помощью плоского зеркала, дающего рассеянный свет, или вынутого, концентрирующего на объекте большое количество света.

В последнее время, для более сильной концентрации света, между зеркалом и предметом располагают еще особые конденсаторы (см.); наиболее совершенные из них, конденсаторы Аббе, представляют в сущности не что иное, как перевернутый большой объектив; сечение такого прибора дано на фиг. 7 табл. Для освещения непрозрачных предметов, наблюдаемых в отраженном свете, пользуются особыми чечевицами, концентрирующими на них свет сверху, сбоку (см. также Микроструктура стали). Для сужения пучка света, падающего от зеркала на предмет или конденсатор, пользуются диафрагмами различного диаметра, вставляемыми в трубку конденсатора. В последнее время пользуются главным образом введенными Цейсом райковыми диафрагмами или «ирис» (см. Объектив фотографический). Все части М. собираются на одном штативе. Подобный штатив М. со всеми приспособлениями современного М. изображен на фиг. 6 табл. На крепкой подковообразной ноге со стойкой A закреплена ось O, вокруг которой вращается собственно М.; последний может принимать все положения от горизонтального до вертикального, а закрепляется в своем положении посредством поворота рукоятки i. К верхней стойке P прикреплена трубка R, в которую с одной стороны (сверху) вдвигаются окуляры А1, а с другой снизу ввинчиваются объективы. Для быстрой замены одного объектива другим устроен объективный револьвер R, в который ввинчиваются два объектива; повернув его вокруг оси Z на 180°, заменяем объектив I объективом II; объективы удерживаются на месте с помощью защелки m. Такие объективные револьверы устраиваются и на три, и даже четыре объектива. Приближение и удаление трубы (тубуса) М. к объекту (установка М.) производится сначала грубо, с помощью шестерни и зубчатки K, а затем уже точно, с помощью микрометрического винта с деленной головкой D, помещающегося внутри трубки P; указатель n позволяет отсчитывать части одного оборота винта. Под объективным револьвером лежит столик М., пластинка с отверстием в центре, служащая для закрепления на ней стеклышка с исследуемым объектом. Столики современных М. снабжены обыкновенно всеми необходимыми приспособлениями для удобного всестороннего перемещения объекта. В изображенном на чертеже столике возможно раньше всего вращательное движение объекта вокруг оси столика; угол поворота отсчитывается по лимбу T. Затем с помощью винтов a и a′ можно дать объекту поступательное движение в двух перпендикулярных друг к другу направлениях. Предметное стекло на столике удерживается зажимом dc. Под столиком находится конденсатор J с расположенной под ним райковой диафрагмой f. Конденсатор делается в хороших штативах подвижным, для более удобной центрировки его. Детальный чертеж (разрез) конденсаторного устройства дан на фиг. 7 табл.; a — конденсатор, e —головка кремальеры, перемещающей весь конденсатор, d — ручка райковой диафрагмы (ирис). Под конденсатором (фиг. 6) видно зеркало g, с одной стороны плоское, с другой — вогнутое. Описанный тип микроскопного штатива наиболее употребительный; он введен был Обергейзером и усовершенствован Гартнаком. Этот тип часто называют континентальным, в отличие от английского типа, отличающегося весьма длинным тубусом (трубкой) и часто своеобразной системой освещения объекта. Описанный тип в исполнении различных оптиков принимает ту или другую форму, смотря по цели, которой он должен соответствовать, и требованиям, к нему предъявляемым. Так, например, штативы, предназначенные для исследований минералогических, снабжаются еще гониометрическими, поляризационными приспособлениями, особенными призмами для освещения сверху и т. д. Большинство оптических мастерских, изготовляющих М., строит теперь и продает штативы совершенно независимо от оптической части М., так что при всяком штативе можно получить всякое увеличение, вставив лишь в него соответственные объектив и окуляр; однако применение сильного увеличения при плохом штативе совершенно нецелесообразно, так как при таких условиях невозможно достигнуть точной установки и надлежащего освещения. В последнее время между конструкторами М. проводится мысль принятия однообразного размера штативов и однородной винтовой нарезки (см. Винт), так чтобы объективы и окуляры всякой системы и всякой фирмы подходили ко всякому штативу. Оптические свойства М. характеризуются: 1) его увеличением, 2) его апертурой и, наконец, его разрешающей силой, т. е. способностью различать мелкие детали в изображении объекта. Разрешающая сила обуславливается как (главным образом) апертурой и увеличением, так, наконец, и достоинствами шлифовки стекол и степенью уменьшения в них аберрации. Поэтому разрешающая сила М. и принимается обыкновенно за общую характеристику его оптических достоинств.

Общее увеличение М. слагается из увеличения его объектива и увеличения окуляра. Увеличение изображения, даваемого оптическим стеклом, применяемым как лупа, зависит от расстояния наилучшего видения наблюдателя; для единства принимают это расстояние равным 250 мм. Увеличением объектива называют обыкновенно то увеличение, которое он дает, если пользоваться им как лупой, т. е. приблизительно , где f — выраженное в мм фокусное расстояние объектива. Таким образом, объектив с фокусом в 4 мм имеет приблизительно собственное увеличение = 63. Увеличением окуляров или номером их, по почину Цейса, называют число, которое, будучи умножено на собственное увеличение данного объектива, даст общее увеличение комбинации из данного объектива и данного окуляра. Так, например, окуляр № 16 есть окуляр, который в соединении с объективом собственного увеличения n даст общее увеличение М., равное 16n. Как пример приводим таблицу общего увеличения М., составленного из некоторых апохроматических объективов и компенсационных окуляров Цейса.

Общее увеличение М. определяется непосредственно с помощью приборов, дозволяющих видеть одновременно и изображение в М., и какую-либо внешнюю соответственно расположенную шкалу, например при помощи камеры-люциды (см.) или другого прибора для рисования микроскопических изображений. Простейший подобный прибор изображен на фиг. 8 табл. В коробочке K (фиг. 8, a), которая посредством кольца O надевается на М., находятся призмы A и B (фиг. 8, б), направляющие луч S, исходящий от какого-либо рядом с М. расположенного предмета, в глаз наблюдателя; параллельно в глаз входят лучи, непосредственно идущие из окуляра М., — лучи S′. Таким образом глаз наблюдателя видит одновременно как изображение в М., так и внешний предмет. Если на столике М. расположить стеклянную мелко деленную (например, на  мм) шкалу, а рядом — обыкновенную шкалу, деленную на мм, то деления одной шкалы будут в глазу налегать на деления другой; если мы заметим, например, что каждое деление стеклянной шкалы на внешней шкале равно двум мм, то заключаем, что общее увеличение М. равно 2:=200. Другой подобный прибор изображен на фиг. 9 табл. Посредством кольца R и винта C к окулярной трубке T прикреплена призмочка P, отражающая лучи KBP (Sp — обыкновенное зеркало), идущие от внешней шкалы вверх; параллельно проходят другие лучи, выходящие из окуляра M.; a и b — вспомогательные стекла для более резкого одновременного видения двух изображений. Для определения апертуры данного объектива пользуются проще всего апертометром Аббе. Это стеклянный полуцилиндр (фиг. 10 табл.), задняя плоскость которого скошена под углом в 45° к основанию его, так что лучи, попадающие вертикально в отверстие O, выцарапанное в небольшом посеребренном кружке, отражаются от скошенной задней плоскости и выходят горизонтально из A. Прибор кладут на столик М. и смотрят через М., снабженный исследуемым объективом в отверстие O. Глаз видит тогда благодаря полному внутреннему отражению острия перемещающихся указателей BB. Эти указатели раздвигаются до тех пор, пока изображения остриев не дойдут до самых краев поля зрения. Синус угла BOB даст тогда апертуру, но так как она получена в стекле, то, чтобы определить ее для воздуха, следует синус угла BOB умножить еще на коэффициент преломления стекла апертометра. Чтобы избежать вычислений, результаты такого умножения прямо нанесены на прибор: по нижней шкале отсчитывают апертуры, по верхней углы. В случае иммерсионных систем между отверстием O и объективом пускают каплю иммерсионной жидкости.

Для определения разрешающей силы микроскопа, т. е. способности его передавать в микроскопическом изображении тонкие детали структуры предмета, пользуются пробными объектами, т. е. предметами искусственными или природными, обладающими весьма тонкой и мелкой отчетливой структурой. Весьма известна пробная пластинка Ноберта, состоящая из 20 групп все более и более мелких делений, нанесенных алмазом на стеклянную пластинку; в первой группе расстояние между чертами равно 0,001 парижской линии (0,0023 мм), в двадцатой — 0,00005 парижской линии (0,00011 мм). Первая ясно разделяется при увеличении 70, 6-ая или 7-ая — при увеличении около 300. Чаще пользуются для этой цели природными объектами — чешуйками крыл бабочек (Hipparchia Sanira) и в особенности сетчатой структуры известковой оболочки диатомей (см.). В следующей таблице в столбце A даны названия диатомей, в B — необходимая для разрешения (при прямом освещении) апертура, в N — соответствующая группа пластинки Ноберта, в D — приблизительное расстояние черточек в тысячных долях мм:

Гельмгольц и Аббе показали, что для ясного разделения под М. структурных элементов, отстоящих друг от друга на расстоянии d, нужна апертура не меньше 

Уже выше было сказано, что показанные пределы d с данными увеличениями на практике не достигаются. С другой стороны, часто стараются переходить и за указанные пределы увеличения, применяя слишком сильные окуляры. Такое злоупотребление сильными увеличениями тотчас отзывается на ясности изображения и не только не дает наблюдающему никаких преимуществ, но скорее вредит наблюдению. Мастера микроскопии работали и работают всегда с наименьшими допустимыми при данном объекте увеличениями.

История М. Первые сложные М. построены были нидерландскими очковыми мастерами (Захарий Янсен в Миддельбурге?) около 1590 г.; они состояли из объектива и вогнутого окуляра (см. Оптические стекла). В 1646 г. Фонтана заменил вогнутый окуляр двояковыпуклой лупой и создал таким образом первый сложный М. того же типа, каким пользуются теперь. В 1665 г. Левенгук с целью увеличить поле зрения М. прибавил к окуляру второе собирательное стекло, т. е. устроил вместо простого окуляра-лупы окуляр Гюйгенса, изобретенный последним еще в 1659 г. и примененный к телескопу. Дальнейшего усовершенствования М. старались достигнуть уменьшением фокусного расстояния объективов; для этого соединяли в один объект даже несколько чечевиц (дублеты Дивини, 1668). Недостатки хроматической аберрации заставили обратиться к устройству катадиоптрических М., указанных впервые Ньютоном (1672 г.) и усовершенствованных Смитом, Брюстером и позже Амичи. Открытие принципа ахроматического соединения стекол вернуло конструкторов к идее диоптрического М. Эйлер теоретически рассчитал ахроматический объектив М.; построен и усовершенствован он был Мартином (1759), ван Дейлем (1807), Фраунгофером (1811) и Амичи (1816). Особые заслуги в этом отношении принадлежат французскому оптику Шевалье (1824), который, по расчетам Селлига, начал впервые строить сложные объективы из нескольких соединенных вместе отдельных чечевиц. Дальнейшие усовершенствования внесли Листер (1830) и Амичи. Последний, справедливо называемый одним из отцов современного М., первый указал на принцип иммерсии (водой, в 1870 г.; усовершенствования сделаны Гартнаком в 1855 г.), на способ компенсирования ошибок объектива окуляром и на применение полушаровой конечной линзы в объективе. Коррекционные объективы предложены были А. Россом в Лондоне (1839) и усовершенствованы Венгамом (1857). Так стояло дело до конца 70-х годов, когда началась новая эра в конструкции М., благодаря теоретическим работам профессора Аббе (в Йене) и неустанным стремлениям к усовершенствованию М., делаемым под руководством Аббе в оптической мастерской Цейса в Йене. Работы эти привели к открытию однородной иммерсии (1878), к устройству апохроматов (1886), к конструкции конденсатора Аббе и к множеству мелких усовершенствований; можно сказать, что современный М. и его теория созданы Аббе и Цейсом. Ныне созданные ими типы и конструктивные принципы приняты и копируются всеми первоклассными оптическими мастерскими. Историю М. до середины XIX столетия см. E. Wilde, «Geschichte d. Optik» (Б., 1838), и Harting, «Das Mikroskop» (2-е изд., Брауншвейг, 1866). Подробнее о М. см. Dippel, «Das Mikroskop» (2 изд., Брауншвейг, 1882); H. van Heurck, «Le Microscop» (4 изд., Антверпен 1891); A. Zimmermann, «Das Mikroskop» (более популярное изложение, 1895, Лейпциг; русский перевод издал Риккер, СПб., 1896); общие принципы теории М. см. S. Czapski, «Theorie der optischen Instrumente» (по Аббе, Бреславль, 1893) и в статьях Аббе и других в «Zeitschr. für wissensch. Mikroskopie». Много полезных указаний в иллюстрированном каталоге объективов Цейса в Йене (Carl Zeiss, «Mikroskop», 1895).

ЭСБЕ:Приборы
ЭСБЕ:Оптика