Цифровой микроскоп — устройство и принцип работы, разновидности микроскопов

Цифровой микроскоп, как и обычный микроскоп, применяется для оптического увеличения мелких объектов, которые человеку невозможно разглядеть невооруженным глазом. Однако, в отличие от обычного микроскопа, цифровой микроскоп позволяет рассматривать увеличиваемые объекты прямо на мониторе компьютера или на собственном LCD-дисплее.

Цифровой микроскоп, будучи настольным или портативным прибором небольшого размера, отлично передает границы, цвет и форму исследуемого объекта, а также мельчайшие его элементы (в зависимости от характеристик конкретного прибора).

Электронная микроскопия

Задача повышения предельного увеличения за ту границу, которая устанавливается в световых микроскопах свойствами самого света, возникла тотчас же после того, как была создана дифракционная теория оптических приборов. Следствием этой теории применительно к микроскопу явилось установление того факта, что в оптическом микроскопе полезное увеличение принципиально не может быть сделано большим примерно 1500 раз.

Потребность в дальнейшем повышении увеличения стала особенно настоятельной после того, как было установлено, что за пределами микроскопического мира, делаемого видимым световым микроскопом, лежит чрезвычайно интересный и важный «микро-микроскопический» мир, к которому принадлежат такие образования, как фильтрующиеся вирусы и крупные органические (белковые) молекулы.

Эта задача была в значительной мере разрешена в результате создания электронных микроскопов, первые работы по которым были начаты в начале 30-х годов прошлого столетия в связи с исследованиями по электронной оптике. Техническое оформление эти приборы получили в последние предвоенные годы и в годы второй мировой войны.

Наибольшим распространением долгое время пользовались магнитные электронные микроскопы, т. е. такие, в которых фокусировка электронных пучков осуществляется магнитными линзами. Наряду с ними имелись и вполне удовлетворительные модели микроскопов с электростатическими линзами. Как те, так и другие микроскопы предназначены для исследования прозрачных для электронных пучков объектов.

Существуют микроскопы, в которых используются электронные лучи, отражаемые исследуемыми объектами (отражательные микроскопы), а также микроскопы для исследования «самосветящихся» предметов, т. е. поверхностей, испускающих электроны (эмиссионные микроскопы). Наряду с электронными возможно построение и ионных микроскопов.

Несмотря, однако, на полную оптическую аналогию между электронным и световым микроскопами, между ними существует глубокое принципиальное различие в отношении механизма образования изображения исследуемого объекта.

Основной частью электронного микроскопа является его «колонна», содержащая всю электродную оптику, в которой и получается изображение. Вспомогательными частями являются:

• питающее устройство, снабжающее высоко-стабилизированными напряжениями соответственные электроды микроскопа и в случае магнитного микроскопа — токами его магнитные линзы, а также термоэлектронный катод электронной пушки;

• вакуумная система, обеспечивающая поддержание вакуума в колонне не ниже 10 ^-4 мм рт. ст.;

• пульт управления микроскопом.

Несмотря на, казалось бы, второстепенное значение последней части, она играет очень существенную роль. Ее рациональное и удобное для обращения устройство и расположение в значительной мере обеспечивает успешную работу с микроскопом, представляющим собой в общем весьма сложный агрегат.

Конечное электронное изображение наблюдается на экране.

Другую категорию образуют микроскопы, которые обычно называют малогабаритными, но которые точнее было бы назвать простыми электронными микроскопами. Эти микроскопы действительно имеют меньшие размеры, дают меньшее конечное увеличение, благодаря своей неуниверсальности более просты в обращении и предназначаются для стандартных наблюдений.

Всякое изображение — световое или электронное (последнее обращается затем в световое с помощью экрана) — возникает в результате наличия контраста между более светлыми и менее светлыми местами наблюдаемого предмета, которые воспроизводятся на экране вследствие большей и соответственно меньшей плотности световой энергии (или большей и меньшей плотности электронного потока) в пучках, соответствующих светлым и темным местам предмета.

Образование контраста в электронном микроскопе происходит не вследствие поглощения света, как в световом микроскоопе (различное поглощение света разными частями объекта), но вследствие рассеяния электронного пучка, пронизывающего объект, т. е. вследствие изменения первоначального направления движения электронов при прохождении объекта, в результате взаимодействия их с атомами вещества.

Это взаимодействие носит характер соударений, причем могут иметь место как упругие соударения, когда электрон только изменяет направление своего движения, полностью сохраняя свою энергию, так и неупругие, когда одновременно с изменением направления движения часть энергии электрона передается атому, с которым он взаимодействует.

Электронная микроскопия являет нам весьма яркий пример того, как современная электроника выходит за свои первоначальные рамки — электротехники и радиотехники — и становится мощным средством в совершенно других областях науки и техники.

Электронная микроскопия представляет собой уже настолько обширную область специфических конструкций и специфической техники, что в рамках настоящей данной статьи может быть дан лишь весьма беглый и неполный обзор ее. В частности, мы остановимся на описании современных цифровых микроскопов.

Цифровой микроскоп

Практически изображение интересующего мелкого объекта может быть получено в цифровой форме несколькими способами. Чаще всего это реализуется при помощи съемки на цифровую камеру. В самом лучшем (и дорогостоящем) случае устройство включает в себя микроскоп, оптический адаптер, цифровую камеру и специальное программное обеспечение.

Конечно, стоимость профессионального цифрового микроскопа сравнительно высока. Более же доступным по цене является оптический микроскоп со встроенным фотоэлектрическим сенсором, который устроен несколько иначе: фотоэлектрический сенсор встроен прямо в окуляр прибора, так же как это сделано в цифровых фотокамерах, то есть простейший цифровой микроскоп представляет собой модификацию цифровой камеры.

Программное обеспечение, поставляемое вместе с микроскопом, позволяет пользователю наблюдать объекты, анализировать получаемые на мониторе данные, различать мелкие детали например на монетах и ювелирных изделиях, производить манипуляции при пайке микросхем, осуществлять препарирование, в общем — выполнять самые разнообразные мелкие работы.

Кроме того можно сохранять промежуточные и конечные результаты лабораторного исследования в виде изображений на компьютере, а также сохранять их на носители, отправлять их через интернет и.т.д. И конечно, редактировать и анализировать полученные изображения.

Обычно, чем лучше характеристики цифрового микроскопа — тем выше его стоимость. Ценовой диапазон для широко доступных на рынке сегодня цифровых микроскопов варьируется от 30 до 3000 долларов. Цена зависит от качества применяемой оптики, от разрешения и типа чувствительной матрицы, от максимальной кратности оптического увеличения (от 4х до 60х и более), от качества используемых материалов, от сложности программного обеспечения и т. д. Удобно если микроскоп оснащен собственным LCD или LED-дисплеем высокого разрешения.

Настольный цифровой микроскоп

Главная составная часть настольного цифрового микроскопа — это его головная часть с предметным столиком. Столик как правило оборудован парой источников света — верхнебоковым и сквозным нижним. Головная часть имеет вращающийся механизм обычно с тремя объективами разной степени увеличения (до 1000 и более крат), датчик изображения и панель с разъемами для вывода изображения в цифровой форме.

Порядок действий таков. Объект исследования помещают на предметное стекло, стекло, в свою очередь, кладется на предметный столик. После этого настраивают освещение: для прозрачных объектов используется сквозное нижнее освещение, для непрозрачных — верхнебоковое, иногда удобно использовать оба источника света. Сначала используют менее чувствительный объектив, затем, если нужно, переходят на более высокочувствительный.

Портативный цифровой микроскоп

Простейший портативный цифровой микроскоп является оптическим прибором в пластиковом корпусе со встроенной CCD-матрицей. Он имеет ручную фокусировку и простую систему светодиодной подсветки. Все данные передаются по USB-кабелю, по нему же осуществляется и питание микроскопа. Для удобства бывает полезна подставка, поставляемая в комплекте.

Заключение

Электронный микроскоп похож на световой микроскоп, в котором, однако, фотоны заменены электронами, а стеклянные линзы — электромагнитными линзами. Электромагнитная линза — это, по сути, катушка, которая генерирует магнитное поле подходящей формы. Одним из основных параметров всех микроскопов является их максимальное разрешение.

Поскольку максимальное разрешение пропорционально длине волны используемого излучения, а электроны имеют значительно меньшую длину волны, чем видимый свет, электронный микроскоп имеет гораздо более высокое разрешение и, таким образом, может достичь гораздо более высокого разрешения по сравнению с оптическим микроскопом.

Цфировой электронный микроскоп позволяет рассматривать объекты на монторе компьтера или на собственном дисплее.

Без преувеличения можно сказать, что цифровые электронные микроскопы являются одними из самых универсальных и удобных устройств для изучения микромира. Они используются во многих областях, таких как исследования материалов или биологические приложения. Они могут предоставить исчерпывающую информацию о микроструктуре, химическом составе и многих других свойствах исследуемого образца.

Сканирующие электронные микроскопы используются для изображения и анализа поверхностей почти произвольно больших образцов (если камера достаточно велика для их размещения). Просвечивающие электронные микроскопы используются для наблюдения и анализа внутренней структуры образца и для изображения отдельных атомов.