Mi a mikroszkóp?
A mikroszkóp egy olyan optikai eszköz, amely egy vagy több lencse alkalmazásával egy adott objektum (jelentősen) felnagyított képét állítja elő. A céltárgy vizsgálatát valamiféle fényforrás felhasználása könnyíti meg.
A mikroszkópok nagy része a látható fény hullámhossz-tartományát használja a céltárgy vizsgálatára. Ezen a kategórián belül alapvetően két nagy csoportba sorolhatjuk ezeket: biológiai mikroszkópok és sztereo mikroszkópok.
Biológiai mikroszkópok
A biológiai mikroszkópokat nagy nagyításokkal történő vizsgálatra tervezték: leggyakrabban a 40x-1000x nagyítás tartományt fogják át, néhány modell akár 1500x, sőt 2000x nagyításra is képes. Általában a 4-500x körüli nagyítások használtak, ekkor már sejtszintű részletek láthatók az élőlények szervezetében. A nagyítás változtatásához általában három vagy négy (ritkán öt) különálló objektívet találunk egy ún. revolver-fejre szerelve. A kapott kép kétdimenziós még akkor is, ha két szemmel nézzük.
A tárgyasztalon levő tárgyat alulról világítják át, így annak átlátszónak kell lennie. Vastagabb mintákból metszeteket kell készíteni, és azt helyezni a tárgylemezre.
Sztereo mikroszkópok
A látható fény hullámhossz-tartományában működő mikroszkópok másik nagy csoportját a sztereo mikroszkópok jelentik.
Ezeket a műszereket kis nagyításra tervezték, általában 10-80x-os tartományban használtak, legnépszerűbbek a 10x és 40x közötti nagyítások.
Léteznek változtatható nagyítású, ún. zoom modellek is, ezek leginkább a 10x-90x-os értékek között terjedtek el. A kis nagyításokkal egészben megfigyelhetőek a bogarak, növények, de akár a kőzetek, érmék, bélyegek vagy a nyomtatott áramkörök tanulmányozására is ideális műszerek a sztereo mikroszkópok.
A biológiai mikroszkópoktól eltérően két különálló fényút található a mikroszkóp belsejében, ezért valódi háromdimenziós képet kapunk a vizsgált célpontról. Mivel a tárgyakat többnyire felülről világítják meg, nem kell metszetek elkészítésével „bajlódni”, hanem egyszerűen a mikroszkóp alá kell tenni a vizsgálandó tárgyat.
A mikroszkóp részei
Objektív lencsék
Az objektív lencsék a mikroszkóp legfontosabb részei, ezért részletesebben is szólunk róluk. Alapvetően az a feladatuk, hogy összegyűjtsék a vizsgált tárgyról visszaverődő/átszűrődő fényt és azt a mikroszkóp belsejébe vetítsék. Ezt követően az okulár lencsék tovább nagyítják az emberi szem számára a képet. Már első mikroszkóp esetében is olyan mikroszkópot érdemes választani, melynek üvegből készültek a lencséi, kerüljük a műanyaglencsés (játék) mikroszkópokat, mivel ezek minősége nagyon sok kívánnivalót hagy maga után.
A biológiai mikroszkópok esetében nagyításonként egy objektív szükséges, melynek nagyítása 1x és 160x-os értékek között változik. Általában három vagy négy (ritkábban öt) objektívet szerelnek egy elforgatható fejre, ennek állításával változtatható a nagyítás. Leggyakrabban 4x, 10x, 40x-es és 100x-os nagyítású objektíveket találunk a mikroszkópokon, ahol a 4x, 10x és 40x-es változatok ún. „száraz” objektívek, mivel használatkor levegő van a céltárgy és a lencse között. A 100x-os objektív ezzel szemben „nedves” objektív, mivel a használathoz vékony, ún. immerziós olajréteget kell alkalmaznunk a lencse és a vizsgált objektum között.
Az objektívek oldalán számos adatot találunk: nagyítás, DIN tubushossz, N.A, fedőlemez vastagság és univerzális színkód, ezekről a későbbiekben részletesen is szólunk.
Sztereo mikroszkópok esetében nagyításonként kettő objektív szükséges, és rendszerint egy vagy két (ritkábban három) objektív párral rendelkeznek, ezek 1x, 2x, 3x, vagy 4x-es nagyításúak lehetnek. Zoom modellek esetében az objektív nagyítása a 0,5x-5x tartományban változtatható.
Az objektívek használhatóság és árát nagymértékben befolyásolja, hogy mennyire korrigáltak a különböző optikai hibákkal szemben. Az ún. akromatikus objektívek legtöbb esetben megfelelőek, a félapokromatikus vagy apokromatikus objektívek még jobb minőségű képet állítanak elő – áruk is ennek megfelelően sokkal magasabb így leginkább a felső kategóriás mikroszkópokban találhatunk ilyeneket.
A látómező-görbület arra utal, hogy a vizsgált objektum a látómező mekkora részében fókuszált, azaz kapunk róla éles képet. Az akromatikus objektív látómezejének 50%-70%-án ad éles képet, azaz míg a közepén éles a kép a látómező pereménél kissé életlen. Természetesen a látómező peremét is élesre állíthatjuk, ez esetben a közepe lesz kissé életlen. A jobb minőségű, ún. semi-plan objektívek a látómező 70-85%-ban adnak éles képet, a plan objektívek gyakorlatilag a teljes látómezőn keresztül.
Az N.A. (Numerical Aperture) érték, mely megmutatja az objektív mennyire apró részleteket képes egymástól elkülöníteni. Az N.A. mutató növekedésével párhuzamosan a felbontás is növekszik, az egészen kis nagyítású objektív 0.04-es mutatójától kezdve 1.4-ig, mely a nagy nagyítású objektíveket jellemzi. A tipikus N.A. értékek az alábbiak: 4x = 0.1; 10x=0.25; 40x=0.65 és 100x=1.25.
A felbontóképesség (tényleges, nem elméleti) azt jelenti, hogy két, egymáshoz közeli apró részlet különállónak látszik-e. Minél nagyobb a felbontóképesség, annál közelebbi tárgyakat tudunk kettéválasztani. A felbontóképesség az objektívnek köszönhető, nem az okulároknak, mivel utóbbiak csak felnagyítják a kapott képet.
Az objektíven sok esetben egy színes gyűrűt találunk, mely a nagyítások beazonosításában segít. A színkódolásra az alábbi általános elterjedt rendszert használják: fekete (1x), barna (2x), piros (4x), sárga (10x), zöld (20x), türkiz (25x), világoskék (40x), sötétkék (60x), fehér (100x). Az objektíven található másik érték (pl. 0.17) arra utal, hogy milyen vastag üveg fedőlap esetén nyújtja az objektív a legjobb teljesítményt.
DIN (Deutsche Institut Fuer Normung) szabványú objektívek a legnépszerűbbek a különböző szabványok között. Egyik gyártó DIN szabványú objektívje minden probléma nélkül használható más gyártó, DIN szabványú objektívekkel kompatibilis mikroszkópjaiban. A szabvány meghatározza a 45 mm-es parfokális távolságot (erről a későbbiekben szót ejtünk) és az objektív menetet. A 45 mm-es távolság az objektív csatlakozási pontja és a céltárgy között értendő.
JIS (Japanese Industrial Standard) kevéssé elterjed szabvány, 36mm-es parfokális távolságot használnak. Az RMS (Royal Microscopical Society) szabvány 33 mm-es parfokális távolságot határoz meg.
A parfokális kifejezés arra utal, hogy az objektívek változtatásakor az élességen egyáltalán nem, vagy csak minimális mértékben kell állítani. A parcentrális kifejezés azt jelenti, hogy a céltárgy a látómező közepén marad a nagyítás változtatásakor.
Az olaj immerzió az objektív felbontását növeli meg. A 100x-os nagyítású objektív estében speciális olajat alkalmazva akár 1000x-1500x-os nagyítás is elérhető. Ezzel a technikával az objektív hegye és a céltárgy közti „légrés” iktatható ki, ezáltal a kettő szinte „egybeolvad”. Kizárólag a speciális olaj használható erre a célra, ellenkező esetben akár az objektív is megsérülhet.
Okulár
Az okulár a mikroszkóp tetején található optikai elem, melyet több lencsetag alkot. Feladata az objektív által előállított és nagyított kép további felnagyítása. Az objektív lencséhez hasonlóan kerüljük a gyenge minőségű műanyag lencsés változatokat. Az okulároknak számtalan típusa létezik, mint pl. Huygens, Ramsden, Kellner, orthoszkópikus, Plössl stb. Ezek mindegyike használható mikroszkópban, a különbségek kevéssé jelentősek, mint csillagászati távcsövek esetében.
Az okulárok rendszerint 10x-es nagyításúak, de léteznek 5x, 12.5x, 15x és 20x-os nagyításúak is. A nagyítás értékét az okuláron fel szokták tüntetni. Az okulár átmérője meghatározza az általa elérhető legnagyobb látómezőt.
Az okulárok nagy látómezejű változatban is kaphatóak. Nagyobb az átmérőjük és nagyobb látómezőt is adnak, mint a hagyományos okulárok. Általában 10x-es nagyításúak, de előfordulnak 15x-es és 20x-os változatok is. Az okulárok pupillatávolsága azt az értéket adja meg, amennyire közel a megfigyelőnek a szemét az okulárhoz kell közelítenie – a nagyobb pupillatávolság különösen a szemüvegesek számára előnyös.
A dioptria-korrekció binokuláris benézők esetén szükséges, használatával a megfigyelő eltérő dioptriájú szemeihez lehet élesre állítani a kapott képet. Általában a bal oldali okulár van ellátva ezzel a lehetőséggel, és a következőképpen használható: csukjuk be a bal szemünket, majd a jobb oldali okulárba pillantva állítsuk be az élességet. Ezt követően a jobb oldali szemünket csukjuk be, majd a bal oldali okulárba is állítsuk be az élességet. Az ezt követő fókuszáláskor mindkét szemünk számára éles képet kapunk.
Gumi szemkagyló a sztereó mikroszkópok esetén használt. Segítségével a külső szórt fények ellen lehet védekezni, de ha szemüvegen keresztül nézünk a mikroszkópba, akkor el kell távolítani ezeket.
Kondenzor lencse
A biológiai mikroszkópok tárgyasztala alatt gyakran egy lencse vagy lencserendszer található, melynek feladata a mikroszkóp beépített lámpája által kibocsájtott fény tárgyra fókuszálása.
A nagy nagyítású objektívek lencséje igen kicsi átmérőjű, emiatt jelentősen koncentrált fényt igényel a helyes működés érdekében. A legegyszerűbb kondenzor fix beépítésű. Ennek drágább és precízebb változata, az ún. Abbe kondenzor, mely nemcsak hogy függőlegesen fel és le mozgatható, de rendszerint el van látva íriszes fényszabályzóval is. Az írisz átmérőjét, valamint a kondenzort mozgatva pontosan beállítható a vizsgált tárgyon átmenő fénykúp mérete és fókuszpontja. Különösen 400x-os nagyítások felett elengedhetetlen az Abbe-féle kondenzor használata.
A kondenzor jellemezhető egy N.A. értékkel, melynek egyenlőnek vagy nagyobbnak kell lennie, mint a használt objektív hasonló értéke. A belépőkategóriás kondenzor N.A. értéke 0.65, mely teljesen elfogadható 400x-os nagyításig. Nagyobb nagyítások esetén 1.25-ös N.A. értékű Abbe kondenzor javasolt. Még jobb minőségű megvilágítást tesznek lehetővé az ún. aplanatikus akromatikus változatok, mivel nagyon sík megvilágított felületet tesznek lehetővé, sajnos az áruk ennek megfelelően igen magas. Egyes kondenzorok kialakítása lehetővé teszi speciális kiegészítők fogadását, pl. fázis kontraszt, polarizált fényben történő vizsgálat céljából.
Diafragma
A diafragmát a tárgyasztal alá szerelik, segítségével a vizsgált objektumra eső fény mennyisége szabályozható. Különösen nagy nagyítások esetén van jelentősége.
A biológiai mikroszkópok az alábbi típusok egyikét használják:
- korong diafragma – a legegyszerűbb és legolcsóbb megoldás: egy elforgatható korongból áll, melyen 5-10 különböző átmérőjű lyuk található. A fény intenzitása szabályozható azáltal, hogy a fényforrás elé a megfelelő átmérőjű lyukat forgatjuk.
- Írisz diafragma – jobb és drágább megoldás: a szem íriszéhez, vagy a kamera blendéjéhez hasonlóan átmenet nélkül változtatható az átmérője, ezáltal jobban beállítható az optimális képélességhez és kontraszthoz szükséges fény mennyisége.
Megvilágítási rendszerek
Mivel a vizsgált tárgyak ritkán bocsátanak ki magukból fényt, vizsgálatukhoz valamiféle megvilágítás szükséges. A megvilágításnak világosnak, csillogástól mentesnek és a látómezőn keresztül egyenletesnek kell lennie.
Legegyszerűbb megoldás erre a feladatra valamiféle külső fényforrás (lámpa, napfény) alkalmazása. Ebben az esetben a mikroszkóp egy tükör segítségével vetíti a külső fényt a tárgyra. Noha a legolcsóbb megoldás, sok esetben bonyolult lehet a megfelelő megvilágítás megtalálása és beállítása.
Drágább és elterjedtebb a beépített vagy utólagosan csatlakoztatott fényforrás használata, mely közvetlen és intenzív megvilágítást tesz lehetővé. A biológiai mikroszkópok leggyakrabban alsó világítást alkalmaznak, ezáltal – szó szerint – átvilágítják a preparátumot. Sztereo mikroszkópok esetén lehetséges felső megvilágítást is alkalmazni. Utóbbi műszerek akár mindkét fajta világítással is ellátottak, lehetővé téve a vastagabb objektumok vizsgálatát is. A megvilágítás mértéke lehet fix vagy változtatható mértékű is.
A megvilágítás típusai az alábbiak lehetnek:
- Wolfram szálas izzólámpa a legegyszerűbb, és legolcsóbb típus. Kissé sárgás árnyalatú fényt bocsájt ki, valamint hajlamos melegedni. Általában 15W vagy 20W teljesítményű.
- Halogén lámpák fénye különösen fehér és koncentrált, de szintén hajlamosak melegedni. Tipikusan 15W vagy 20W-osak.
- Fénycsöves megvilágítás szinte egyáltalán nem bocsát ki magából hőt. Fényük fényes és fehér, kellemes a szemnek. Ragyogóan használhatóak élőlények vizsgálatához. Tipikusan 5W – 10W-osak, de ugyanazt a fénymennyiséget bocsájtják ki, mint a Wolfram szálas vagy halogén lámpák.
- LED megvilágítás gyakorlatilag nem termel hőt. A fehér fény hidegebb árnyalatú és fehérebb, mint a fenti megvilágítások. Elemről működtethetőek, így zsinór nélkül használhatók akár kültéri feladatok esetén is.
Élességállítási lehetőségek
Minden mikroszkóp rendelkezik valamiféle élességállító megoldással. A drágább biológiai mikroszkópokon kétféle megoldást is találunk: egyikkel a gyors, durva beállítást végezhetjük el, a másikkal pedig a precízebb élességállítást végezhetjük el. Utóbbit finom-fókuszírozónak is hívják, 400x-os nagyítás felett szinte kötelező tartozék. Sztereo mikroszkópokon nincs ilyen megoldás, mivel kis nagyításokra használtak.
Mikroszkópfej
A mikroszkópfej az okulár és az objektív között elhelyezkedő részegység. Egyes változatuk fixen rögzített, mások megdönthetőek 0° és 60°-os dőlésszög között. A drágább változatok esetében a fej 360°-ban körbeforgatható, ezáltal többen beletekinthetnek a mikroszkópba anélkül, hogy ténylegesen odébb kellene tenni.
A mikroszkópfejből is többféle típus létezik:
- Monokuláris változatok esetében egy okulárt találunk a mikroszkópon, így egy szemmel tudjuk a vizsgálatokat elvégezni. Kedvező árúak, általános használatra teljesen megfelelőek. Egyes esetekben egy második, függőleges benéző-nyílás is található a mikroszkópon, ezen keresztül egy második személy (pl. tanár) ellenőrizheti az előző ember munkáját, vagy akár kamerát is csatlakoztathatunk.
- Binokuláris fejjel ellátott mikroszkópon mindkét szemünket használhatjuk a megfigyelésekhez, így kényelmesebb használatot biztosítanak, mint a monokuláris változatok. A megfigyelő pupillák közti távolságának beállításához többféle megoldás is elterjedt.
- Trinokuláris fejjel rendelkező mikroszkópok rendelkeznek egy binokuláris fejjel, de ezen túlmenően egy harmadik lehetőséget is találunk kamerák vagy második személy számára. Számos mikroszkóp lehetővé teszi a harmadik betekintő nyílásba jutó fénymennyiség szabályozását.
Objektívrevolver
Az objektívrevolver a tárgyasztal felett helyezkedik el és a különböző nagyításokhoz használt objektíveket tárolja. Elforgatásával a különböző nagyítású objektívet a fényútba helyezhetjük, a kellő pozíciót egy kattanás jelzi. Általában három vagy négy, ritkán öt objektívet tartalmaz, melyek tetszőleges nagyításúak lehetnek, bár a 4x, 10x, 40x és 100x-os változatok a legelterjedtebbek.
Sok esetben a 40x és a 100x-os objektív rugós szerkezettel ellátott, mely lehetővé teszi az objektív visszacsúszását, amennyiben túl vastag lenne a preparátum fedőlap, ezáltal védve a lencsét.
Természetesen sztereo mikroszkópok esetében is lehetőség van az objektívek cseréjére.
Kar
A kar (más néven állvány) a mikroszkóp azon része, amely a fókuszáló szerkezetet tartalmazza, tartja a tárgyasztalt, valamint összeköti a mikroszkópfejet a talapzattal. Felelős a mikroszkóp stabilitásáért, mivel közvetlenül a mikroszkóp talpához csatlakozik. A mikroszkóp szállításakor ezt a részt kell megfogni, míg a másik kézzel a talapzat alját tartani.
Talapzat
A talapzat a mikroszkóp alsó támasztási felülete: biztosítja az egyensúlyt és a merevséget. Ezen túlmenően a megvilágításhoz szükséges elektromos alkatrészeket is rejti.
Okulárkihuzat
Az okulárkihuzat az állványzat felső részén található. Rendszerint 45° vagy 30°-ban megdöntött a kényelmes betekintés érdekében.
Tárgyasztal
Az objektívek alatt található kis felület az ún. tárgyasztal, erre kell a vizsgált preparátumot vagy céltárgyat helyezni. Egyenes és sima felülettel rendelkezik, alakja lehet négyszögletes vagy kör. A legtöbb biológiai mikroszkóp esetében a tárgyasztal mozog fel-le, és az objektívfej marad egy helyben, de néha fordított megoldást alkalmaznak. A tárgyasztalon egy nyílást találunk, melyen az alsó megvilágítás fénye át tud haladni.
A legegyszerűbb tárgyasztalok csak a preparátum üveglapok rögzítését teszik lehetővé, az ún. mechanikus tárgyasztalok ennél sokkal kifinomultabbak: egy-egy tekerőgomb segítségével lehetővé teszik két tengely mentén (előre-hátra, illetve jobbra-balra) a tárgyasztal igen precíz mozdítását, ami igen kritikus nagy (400x-os feletti) nagyítások esetén, mivel kézzel igen nehézkes a preparátum beállítása.
Egyes mikroszkópokon skálát találunk, mellyel a vizsgált tárgy méreteit is meg lehet határozni.
Sztereo mikroszkópok esetén a tárgyasztal közvetlenül az alsó megvilágítás felett helyezkedik el. Általában tejüvegből készül vagy fekete-fehér oldalú műanyag korong, mellyel az objektum kontrasztját lehet növelni felső megvilágítás esetén. A tárgytávolság az a függőleges terület, amely a vizsgálatokhoz használható.
Mikroszkópokkal kapcsolatos kifejezések
Nagyítás – a mikroszkóp nagyítását az objektív és az okulár nagyításának szorzata adja. Például egy 40x objektív lencse és 10x-es okulár használatakor a kapott nagyítás 400x-os. Másképpen kifejezve, a nagyítás megadja, hányszor nagyobbnak látjuk a vizsgált tárgyat mikroszkópon keresztül, mint szabad szemmel.
Kis nagyítások világosabb, élesebb képet adnak és nagyobb látómező érhető el. Nagy nagyítások esetén a kapott kép ugyan nagyobb, de egyúttal fényszegényebb és a látómező is kisebb. Megfigyeléskor a legkisebb nagyítással kezdjük a munkát és fokozatosan haladjunk a nagyobb nagyítások felé. Nagy nagyítások használhatatlanok, ha a felbontás nem kellően jó. Amennyiben a nagyítást növeljük, de újabb részletek nem jönnek elő, üres nagyításról beszélünk.
Adott nagyításhoz mindig a nagyobb nagyítású objektívet használjuk, semmint egy kisebb nagyításút, de nagyobb nagyítású okulárral. Például 40x objektív és 10x okulár jobb képet ad, mint egy 20x objektív és 20x okulár, noha a nagyítás mindkét esetben 400x-os.
Látómező – annak a körnek a méretét adja meg, melyet a mikroszkópba betekintve látunk. Kis nagyítások nagyobb látómező elérését teszik lehetővé, mely a nagyítás növelésével párhuzamosan csökken. Egyes nagylátószögű okulárok nagyobb látómezővel rendelkeznek a hagyományos okulárokhoz képest.
Mélység-élesség – megadja a látómezőben élesen látható legközelebbi és legtávolabbi pont távolságát. A kis nagyítású objektívek nagyobb mélység-élességgel rendelkeznek.
Képsík – azt jellemzi, hogy mennyire „sík” a látómező, azaz a peremén és a közepén mennyire tér el egymástól a képélesség.
Fényerő – megmutatja, mennyire világos vagy sötét a kapott kép. Szoros összefüggésben van a megvilágítás típusával, valamint annak N.A. értékével. Minél nagyobb az N.A. érték, annál világosabb a kapott kép nagy nagyítások esetén.
Kontraszt – a világos és a sötét területek közti intenzitáskülönbségre utal. Szintén a megvilágítás típusával van összefüggésben.
Kollimáció – kifejezi, hogy a mikroszkóp optikai elemei mennyire vannak egy tengelyre igazítva.