Микроскоп

<час />

Фон

Микроскоп - это инструмент, используемый для получения увеличенных изображений небольших объектов. Самый распространенный вид микроскопов - это оптический микроскоп, в котором линзы используются для формирования изображений из видимого света. Электронные микроскопы формируют изображения из пучков электронов. Акустические микроскопы формируют изображения из высокочастотных звуковых волн. Туннельные микроскопы формируют изображения благодаря способности электронов «туннелировать» через поверхность твердых тел на чрезвычайно малых расстояниях.

Оптический микроскоп с одной линзой известен как простой микроскоп. К простым микроскопам относятся увеличительные стекла и ювелирные лупы. Оптический микроскоп с двумя линзами известен как составной микроскоп. Основными частями составного микроскопа являются объектив, который удерживает линзу рядом с образцом, и окуляр, который удерживает линзу рядом с наблюдателем. Современный составной микроскоп также включает в себя источник света (зеркало для отражения внешнего света или лампочку для внутреннего освещения), механизм фокусировки и столик (поверхность, на которой исследуемый объект может удерживаться на месте). . Составные микроскопы могут также включать встроенную камеру для микрофотографии.

Древние люди отмечали, что предметы, видимые сквозь воду, казались больше. Римский философ первого века Сенека зафиксировал тот факт, что буквы, увиденные через стеклянный шар, наполненный водой, были увеличены. Самые ранние простые микроскопы представляли собой каплю воды, захваченную в небольшом отверстии в куске дерева или металла. В эпоху Возрождения воду заменили маленькие стеклянные линзы. К концу семнадцатого века голландский ученый Антони ван Левенгук построил выдающиеся простые микроскопы с очень маленькими высококачественными линзами, установленными между тонкими латунными пластинами. Из-за совершенства его микроскопов и того факта, что он был первым, кто наблюдал за микроскопическими организмами, Левенгука часто ошибочно считают изобретателем микроскопа.

Сложный микроскоп впервые появился в период между 1590 и 1608 годами. За это изобретение часто отдают должное Гансу Янссену, его сыну Захариасу Янссену или Гансу Липперши, которые были голландскими мастерами по изготовлению очков. Ранние составные микроскопы состояли из пар линз, помещенных в небольшую металлическую трубку, и были очень похожи на современные калейдоскопы. Из-за проблемы хроматической аберрации (тенденция линз фокусировать свет каждого цвета в несколько разных точках, что приводит к нечеткому изображению) эти микроскопы уступали хорошо сделанным простым микроскопам того времени.

Самые ранние письменные записи микроскопических наблюдений были сделаны итальянским ученым Франческо Стеллути в 1625 году, когда он опубликовал рисунки пчелы, видимой в микроскоп. Первые рисунки бактерий были сделаны Левенгуком в 1683 году. В течение семнадцатого и восемнадцатого веков в итальянские микроскопы были внесены многочисленные механические усовершенствования, включая фокусирующие устройства и устройства для удержания образцов на месте. В 1733 году в Англии оптик-любитель Честер Мур Холл обнаружил, что сочетание двух линз правильной формы, изготовленных из двух разных видов стекла, минимизирует хроматические аберрации. В 1774 году Бенджамин Мартин применил эту технику в микроскопе. Многие успехи были достигнуты в создании микроскопов в девятнадцатом веке. и двадцатые века. Электронные микроскопы были разработаны в 1930-х годах, акустические микроскопы - в 1970-х, а туннельные микроскопы - в 1980-х.

Сырье

Оптический микроскоп состоит из оптической системы (окуляр, объектив и линзы внутри них) и аппаратных компонентов, которые удерживают оптическую систему на месте и позволяют ее регулировать и фокусировать. Недорогой микроскоп может иметь зеркало в качестве источника света, но в большинстве профессиональных микроскопов есть встроенная лампочка.

Линзы изготовлены из оптического стекла, особого вида стекла, которое намного чище и однороднее, чем обычное стекло. Наиболее важным сырьем для изготовления оптического стекла является диоксид кремния, чистота которого должна составлять более 99,9%. Точные оптические свойства стекла определяются другими его ингредиентами. Они могут включать оксид бора, оксид натрия, оксид калия, оксид бария, оксид цинка и оксид свинца. На линзы наносится антибликовое покрытие, обычно из фторида магния.

Окуляр, объектив и большинство аппаратных компонентов изготовлены из стали или сплавов стали и цинка. Детский микроскоп может иметь внешний корпус из пластика, но у большинства микроскопов корпус из стали.

Если в комплект входит зеркало, оно обычно делается из прочного стекла, такого как пирекс (торговое название стекла, сделанного из диоксида кремния, диоксида бора и оксида алюминия). Зеркало имеет отражающее покрытие из алюминия и защитное покрытие из диоксида кремния.

Если в комплект входит лампочка, она сделана из стекла и содержит вольфрамовую нить и проволоку из никеля и железа в смеси газов аргона и азота. Цоколь лампочки сделан из алюминия.

Если камера входит в комплект, содержит линзы из оптического стекла. Корпус камеры изготовлен из стали, других металлов или пластика.

Производственный
процесс

Изготовление аппаратных компонентов

• 1 Металлические компоненты оборудования производятся из стали или стали и сплавов цинка с использованием высокоточного металлообрабатывающего оборудования, такого как токарные станки и сверлильные станки.
• 2 Если внешний корпус недорогого микроскопа сделан из пластика, то обычно это легкий и жесткий пластик, например, акрилонитрил-бутадиен-стирольный (АБС) пластик. Компоненты из АБС-пластика изготавливаются методом литья под давлением. В этом процессе пластик плавится и под давлением помещается в форму в форме конечного продукта. Затем пластику дают остыть до твердого состояния. Форма открывается, и продукт удаляется.

Изготовление оптического стекла

• 3 Соответствующее сырье для желаемого типа оптического стекла смешивается в надлежащих пропорциях вместе с отходами стекла того же типа. Стеклянные отходы, известные как стеклобой, действуют как флюс. Флюс - это вещество, которое заставляет сырье реагировать при более низкой температуре, чем без него.
• 4 Смесь нагревают в стекловаренной печи до тех пор, пока она не превратится в жидкость. Температура варьируется в зависимости от типа стекла, но обычно составляет около 2550 ° F (1400 ° C).
• 5 Температура повышается примерно до 2800 ° F (1550 ° C), чтобы пузырьки воздуха поднимались на поверхность. Затем его медленно охлаждают и постоянно перемешивают, пока не достигнет температуры около 1800 ° F (1000 ° C). Стекло теперь представляет собой чрезвычайно густую жидкость, которую разливают в формы, похожие на линзы, которые нужно сделать.
• 6 Когда стекло остынет примерно до 600 ° F (300 ° C), его повторно нагревают до примерно 1000 ° F (500 ° C). Этот процесс, известный как отжиг, устраняет внутренние напряжения, которые образуются во время начального периода охлаждения и ослабляют стекло. Затем стеклу дают медленно остыть до комнатной температуры. Кусочки стекла вынимаются из форм. Теперь они известны как заготовки.

Изготовление линз

• 7 Теперь заготовка помещается в тиски и удерживается под быстро вращающимся цилиндрическим резаком с алмазным лезвием. Этот резак, известный как генератор кривых, обрезает поверхность заготовки до получения точного приближения к желаемой кривой. Срезанную линзу осматривают и при необходимости снова обрезают. Сложность этого процесса сильно различается в зависимости от типа разрезаемого стекла и требуемой кривизны. Может потребоваться несколько черенков, и это может занять несколько минут или более получаса.
• 8 Несколько вырезанных заготовок размещаются на поверхности изогнутого блока таким образом, чтобы их изогнутые поверхности совпадали, как если бы все они были частью одной сферической поверхности. Это позволяет одновременно шлифовать несколько линз. Сверху на линзы помещается шлифовальная поверхность из чугуна, известная как инструмент. Блок линз вращается, в то время как инструмент случайным образом перемещается над ним. Между инструментом и линзами движется постоянный поток жидкости. Эта жидкость, известная как суспензия, содержит воду, абразив (обычно карбид кремния) для шлифования, охлаждающую жидкость для предотвращения перегрева и поверхностно-активное вещество, препятствующее осаждению абразива из суспензии. После шлифовки линзы осматривают и при необходимости переточивают. Процесс измельчения может занять от одного до восьми часов.
• 9 Линзы перемещаются в полировальную машину. Он похож на шлифовальный станок, но инструмент сделан из смолы (густая мягкая смола, полученная из смолы). Инструмент для изготовления смолы изготавливается путем обертывания ленты вокруг изогнутой тарелки, вливания горячей жидкой смолы и давая ей остыть до состояния твердого вещества. Режущий инструмент можно использовать примерно 50 раз, прежде чем его нужно будет изменить. Он работает так же, как шлифовальный инструмент, но вместо абразива суспензия содержит полирующее вещество (обычно диоксид церия). После полировки линзы осматриваются, и при необходимости процедура повторяется. Полировка может занять от получаса до пяти часов. Линзы очищены и готовы к нанесению покрытия.
• 10 Линзы покрыты фторидом магния. Затем они снова проверяются, маркируются с указанием даты изготовления и серийного номера и хранятся до тех пор, пока они не понадобятся.

Изготовление зеркала

• 11 Если в комплект входит зеркало, оно сделано так же, как и линзы. В отличие от линз, его разрезают, шлифуют и полируют, чтобы сделать его плоским, а не изогнутым. Затем наносится световозвращающее покрытие. Алюминий нагревают в вакууме с образованием пара. К поверхности зеркала прикладывается отрицательный электростатический заряд, притягивающий положительно заряженные ионы алюминия. Это позволяет наносить тонкий ровный слой металла. Затем наносится защитное покрытие из диоксида кремния. Как и линза, зеркало проверяется, маркируется и хранится.

Сборка микроскопа

• 12 Окончательная сборка микроскопа выполняется вручную. Рабочие носят перчатки, маски и халаты, чтобы грязь не повредила линзы или внутренние механизмы микроскопа. Сначала линзы помещаются в стальные трубки, составляющие корпуса окуляра и объектива. Эти пробирки изготавливаются стандартных размеров, что позволяет собирать их в микроскоп стандартного размера.
• 13 Фокусирующим механизмом большинства микроскопов является зубчатая рейка. Он состоит из плоского металлического куска с зубьями на одной стороне (рейка) и металлического колеса с зубьями (шестерня), которое контролирует движение рейки. Рейка и шестерня направляют объектив таким образом, чтобы можно было контролировать его движение к наблюдаемому объекту или от него. Во многих микроскопах рейка и шестерня прикреплены к столику (плоской металлической пластине, на которой лежит наблюдаемый объект), а объектив остается неподвижным. После того, как система реечной передачи установлена, прикрепляются ручки, управляющие ею.
• 14 Внешний корпус микроскопа собран вокруг внутреннего механизма фокусировки. Окуляр (или два окуляра для бинокулярного микроскопа) и объектив (или вращающийся диск, содержащий несколько разных объективов) привинчиваются на место. Окуляры и объективы изготавливаются стандартных размеров, что позволяет использовать множество различных окуляров и объективов в любом стандартном микроскопе.
• 15 Если в микроскопе есть зеркало, оно прикрепляется к корпусу микроскопа под отверстием в столике. Если вместо этого он содержит лампочку, ее можно прикрепить в том же месте (чтобы свет проходил через наблюдаемый объект) или ее можно поставить сбоку от сцены (чтобы светить поверх объекта). Некоторые профессиональные микроскопы содержат оба типа лампочек, что позволяет наблюдать за обоими видами. Если в микроскопе есть камера, она прикрепляется к верхней части корпуса.
• 16 Испытание микроскопа. Если он работает правильно, окуляр и объектив обычно откручиваются перед упаковкой. Детали микроскопа надежно упакованы в плотно прилегающие отсеки, выстланные тканью или поролоном. Эти отсеки часто являются частью деревянного или стального ящика. Затем микроскоп помещается в прочный картонный контейнер и отправляется потребителям.

Контроль качества

Самая важная часть контроля качества микроскопа - это точность линз. Во время резки и полировки размер линзы измеряется штангенциркулем. Это устройство удерживает линзу между двумя челюстями. Один остается неподвижным, в то время как другой осторожно перемещается на место, пока не коснется линзы. Размеры линзы считываются по шкале, которая движется вместе с подвижной челюстью.

Кривизна линзы измеряется сферометром. Это устройство выглядит как карманные часы с тремя маленькими булавками, выступающими из основания. Два внешних штифта остаются на месте, а внутренний штифт может входить или выходить. Движение этого штифта связано со шкалой на лицевой стороне сферометра. Шкала показывает степень кривизны линзы. Типичный объектив должен варьироваться не более чем на одну тысячную дюйма (25 микрометров).

Во время полировки эти тесты недостаточно точны, чтобы гарантировать, что линза будет правильно фокусировать свет. Необходимо использовать оптические тесты. Один типичный тест, известный как тест автоколлимации, включает в себя прохождение точечного источника света через линзу в темной комнате. Дифракционная решетка (поверхность, содержащая тысячи микроскопических параллельных канавок на дюйм) помещается в точке, где линза должна фокусировать свет. Решетка заставляет узор из светлых и темных линий формироваться вокруг истинной точки фокусировки. Он сравнивается с теоретической точкой фокусировки, и при необходимости линза повторно полируется.

Механические части микроскопа также проверяются на правильность их работы. Окуляр и объектив должны плотно завинчиваться на своих местах и ​​быть точно отцентрованы для получения четкого изображения. Механизм фокусировки с зубчатой ​​рейкой и шестерней проверяется на плавность его движения и точное регулирование расстояния между объективом и предметным столиком. Вращающиеся диски, содержащие несколько объективов, проверяются, чтобы убедиться, что они вращаются плавно и что каждый объектив остается на месте во время использования.

Будущее

Наблюдатели-любители вскоре смогут приобретать микроскопы с небольшими встроенными видеокамерами, которые позволяют регистрировать движения микроскопических организмов. Компьютеры могут быть встроены во внутренние механизмы управления микроскопа для обеспечения автоматической фокусировки.