Ключевые факторы, которые следует учитывать при выборе стереомикроскопа

Стереомикроскоп часто называют «рабочей лошадкой» лаборатории или производственной площадки. Исследователи проводят много часов, глядя в окуляры, проверяя, наблюдая, документируя или анализируя образцы. Тщательная оценка всех случаев применения стереомикроскоп, является ключом к длительному и эффективному использованию прибора.

При этом, исследователи должны быть уверены, что могут соответствующим образом адаптировать микроскоп к своим личным требованиям. Данная статья описывает основные критерии, которые необходимо учитывать при выборе стереомикроскопа.

Краткий обзор истории стереомикроскопа

В 1890 году американский биолог и зоолог Горацио Гриноу предложил принцип проектирования оптических приборов, который до сих пор используется всеми крупными производителями. Микроскопы, основанные на «принципе Гриноу», позволяют получить стереоскопические изображения очень высокого качества. В конце 1950-х годов компания Bausch & Lomb представила свой прибор, получивший название StereoZoom® Greenough, оснащенный инновационным бесступенчатым увеличением.

В основе конструкции практически всех современных стереомикроскопов лежит система масштабирования. В 1957 году американская American Optical Company представила стереомикроскоп, в основе оптической системы которого лежала технология common main objective (CMO). Именно этот тип стереомикроскопов благодаря своей модульной структуре и высокой производительности вошел в продуктовые линейки основных производителей оптического оборудования вместе приборами конструкции Greenough.

Рисунок 1. Примеры микроскопов компании Leica A) серия S9 Greenough, B-D) серия M205 CMO series.

Рисунок 1. Примеры микроскопов компании Leica A) серия S9 Greenough, B-D) серия M205 CMO series.

Четыре основных вопроса, которые необходимо задать перед выбором стереомикроскопа

Стереомикроскоп может быть отличной инвестицией, поэтому к процессу отбора следует отнестись очень серьезно. Чтобы получить максимальную отдачу от микроскопа, пользователи должны ответить на следующие вопросы:

1. Какова область его применения?

  • Включает ли она скрининг и сортировку образцов?
  • Требуются ли какие-либо дополнительные манипуляции с образцами?
  • Необходима ли документация?

2. Какие структуры будут наблюдаться, визуализироваться и документироваться с помощью прибора?

  • Что является более важным — высокое разрешение или большое рабочее расстояние?

3. Сколько людей будут использовать микроскоп? Сколько часов они будут работать с ним?

  • В случае, если прибор используется в течение долгого времени, важно учитывать эргономичность имеющихся в наличии аксессуаров, которые могут предотвратить возникающие от перенапряжения травмы.
  • Рекомендуется использовать микроскоп, который можно настроить в соответствии с предпочтениями каждого из его пользователей.

4. Каков доступный бюджет для приобретения микроскопа?

  • Модульные решения могут показаться более дорогостоящими инвестициями, но в долгосрочной перспективе они позволят экономить деньги благодаря своей универсальности, возможности использования различными пользователями и большому выбору дополнений и аксессуаров.

Пять ключевых факторов, которые следует учитывать при выборе микроскопа

1. Кратность (зум) и диапазон увеличения, диапазон масштабирования, увеличение, поле объекта и рабочее расстояние.

  • Пользователям, которые, как правило, работают с одинаковым увеличением, не требуется большая кратность.
  • Если рабочий процесс требует поиска, описания и последующей обработки образцов, то больший диапазон масштабирования, который позволит переходить от низкого увеличения к высокому, может быть очень полезен. 
  • Одинаковый показатель зума позволяет рассмотреть рассмотреть большее или меньшее поле объекта, в зависимости от конструкции окуляров прибора. Увеличенное поле объекта позволяет пользователям лучше ориентироваться в структуре образца.
  • Большее рабочее расстояние предполагает большее расстояние между верхней частью образца и передней линзой объектива, что облегчает обработку образца.

2. Глубина резкости и числовая апертура

  • Более высокий уровень числовой апертуры предполагает более высокое разрешение, но обычно уменьшает глубину резкости.
  • Технология FusionOptics сочетает в себе высокое разрешение с высокой глубиной резкости.

3. Качество оптики

  • Плано линзы. Коррекция плоскостности изображения по всему полю объекта, что является полезным для всех ситуаций применения прибора.
  • Ахроматическая оптика. Для случаев, когда истинная цветопередача не важна и оцениваются в основном геометрические особенности объекта.
  • Апохроматическая оптика (APO). Для случаев, при которых цветовая окантовка может нарушать четкую визуализацию объекта, например, требуется быстрое изменение цветов или колокализация структур.
  • Коэффициент пропускания. Для случаев, которые требуют визуализации мелких деталей образца, целесообразно использовать высококачественную оптику с большим коэффициентом пропускания, что может иметь значение для сложных исследований.
  • Цветопередача. Если важно точно увидеть истинные цвета образца, следует использовать высококачественную оптику и соответствующее освещение.

4. Эргономика

  • Эргономичные аксессуары могут облегчить работу с микроскопом и ускорить рабочие процессы. Например, в случае, если можно легко отрегулировать настройки масштабирования и фокусировки, глядя на образец через окуляры.
  • Если с прибором работают разные пользователи, следует убедиться, что его можно настроить в соответствии с предпочтениями каждого из них.

5. Освещение

  • Оптимальное освещение должно равномерно освещать все поле зрения, обеспечивать хороший контраст и точно выявлять истинные цвета фрагментов образца.

Пять ключевых факторов, которые объясняются более подробно

1. Общее увеличение: объектив, коэффициент масштабирования и окуляры

Общее увеличение стереомикроскопа — это совокупная увеличительная мощность объектива, зум-оптики и окуляров прибора.

Объектив имеет фиксированное значение показателя увеличения. Окуляры также имеют постоянное значение увеличения. Зум-оптика прибора позволяет изменять увеличение в определенном диапазоне.

Чтобы определить увеличение объекта, который наблюдается через окуляры стереомикроскопа, необходимо умножить коэффициенты увеличения объектива, зум-оптики и окуляров. Формула вычисления общего увеличения выглядит так:

MTOT VIS = MO x z x ME, где

MTOT VIS это общее увеличение;

MO — увеличение объектива (1x для устройств Greenough System без дополнительной линзы),

z — коэффициент масштабирования;

ME — увеличение окуляров.

Как правило, значения MO колеблются между 0,32x и 2x, значения z — между 0,63x и 16x, а ME -между 10x и 40x.

Влияние увеличения на поле объекта

При взгляде в окуляры становится видимой круглая область, которая называется полем объекта. Диаметр поля объекта зависит от общего увеличения прибора. Например, окуляры с 10-кратным увеличением имеют диаметр поля 23. Показатель диаметра поля указывает на то, что при 1-кратном совместном увеличении объектива и зум-оптики поле объекта, которое наблюдается через окуляры стереомикроскоп, составляет 23 мм в диаметре.

2. Глубина поля: отношение к увеличению и разрешению

Глубина поля микроскопа определяется корреляцией между числовой апертурой, разрешением и увеличением.

Для максимально подробной визуализации объекта правильные настройки современного микроскопа могут обеспечить оптимальный баланс между глубиной поля и разрешением. В частности, при низких значениях увеличения глубина поля может быть значительно увеличена путем остановки, т.е. уменьшения числовой апертуры. В зависимости от размера и формы признаков объекта необходимо найти оптимальный баланс разрешения и глубины поля прибора.

Достижение высокой глубины поля и разрешения с технологией FusionOptics

Технология FusionOptics, которая применяется в приборах компании Leica Microsystems, представляет собой сложную оптическую систему, которая позволяет совместить высокое разрешение и высокую глубину поля. На одной траектории глаз наблюдателя улавливает  изображение объекта с более высоким разрешением и меньшей глубиной поля. На другой траектории глаз улавливает изображение того же объекта с меньшим разрешением и большей глубиной поля. Мозг человека объединяет два отдельных изображения в одно оптимальное общее изображение, которое отличается как высоким разрешением, так и высокой глубиной поля.

Стереомикроскопы имеют два отдельных световых пути

Рисунок 2: Стереомикроскопы имеют два отдельных световых пути. С помощью технологии FusionOptics одна траектория луча обеспечивает глубину поля, а другая - высокое разрешение. Мозг объединяет два фрагмента в единое оптимальное пространственное изображение.

Рисунок 2: Стереомикроскопы имеют два отдельных световых пути. С помощью технологии FusionOptics одна траектория луча обеспечивает глубину поля, а другая — высокое разрешение. Мозг объединяет два фрагмента в единое оптимальное пространственное изображение.

3. Оптическое качество с помощью ахроматических или апохроматических линз.

Хроматическая аберрация — это такой тип искажения, при котором линза не фокусирует все цвета в одной точке схода. Это происходит потому, что линзы имеют разный показатель преломления для разных длин волн света (дисперсия линзы). Сферическая аберрация возникает, когда лучи света, которые попадают на поверхность сферической линзы в точке, удаленной от ее центральной оси, преломляются в большей или меньшей степени, чем те, которые падают в точках, близких к центру. Цель любого эффективного оптического прибора состоит в том, чтобы уменьшить или полностью устранить хроматические и сферические аберрации. Для этого можно использовать следующие линзы:

Ахроматические линзы

  • Скорректировано для двух волн (красной и зеленой), которые фокусируются в одной плоскости.
  • Для стандартных случаев применения в видимом спектральном диапазоне.

Апохроматические линзы

  • Скорректировано для трех волн (красной, зеленой, синей), которые фокусируются в одной плоскости.
  • Для применения с самыми высокими характеристиками в видимом диапазоне и за его пределами.

Плано линзы

  • Объектив, который не скорректирован по плану, демонстрируют неравномерный фокус на всем объекте (поле зрения).
  • Рекомендуется для приложений, которые требуют наблюдения за объектами с большими полями.

4. Рабочее расстояние кардинально влияет на удобство использования микроскопа

Рабочее расстояние — это расстояние между передней линзой объектива и верхней частью образца, когда он находится в фокусе. Обычно рабочее расстояние объектива уменьшается с ростом увеличения. Рабочее расстояние оказывает непосредственное влияние на удобство использования стереомикроскопа, особенно для задач проверки и контроля качества.

5. Эргономика для получения лучших результатов

Как правило, телосложение и рабочие привычки людей значительно различаются. Следовательно, положение окуляров микроскопа, который предназначен для выполнения  определенного пула задач и имеет фиксированное рабочее расстояние, может быть удобно не всем пользователям.

Если высота обзора слишком мала, наблюдатель будет вынужден изгибаться вперед во время работы, что приводит к мышечному напряжению в области шеи. Для компенсации этих перепадов высот целесообразно использовать бинокулярную трубку с возможностью настройки. Благодаря модульной конструкции стереомикроскопы, которые используют оптическую схему CMO, предлагают множество способов адаптации к размеру или рабочим привычкам пользователя и, следовательно, являются предпочтительным решением.

Рисунок 3: Окулярные трубки ErgoTube позволяют пользователю держать тело и голову в расслабленном положении с хорошей поддержкой рук и достаточным пространством для ног, а также сидеть в кресле в удобном положении.

Рисунок 3: Окулярные трубки ErgoTube позволяют пользователю держать тело и голову в расслабленном положении с хорошей поддержкой рук и достаточным пространством для ног, а также сидеть в кресле в удобном положении.

6. Правильное освещение имеет большое значение

Ключевым фактором для стереомикроскопии остаётся правильное освещение. Наиболее подходящее освещение позволит оптимально визуализировать интересующие объекты и, возможно, получить новые уникальные данные. Важно, чтобы освещение походило как для текущих, так и для предполагаемых случаев применения.

  • Подсветка падающим светом

Применяется для опаковых, непрозрачных образцов. В зависимости от текстуры образца и задач исследования существует множество различных вариантов настройки падающего света, которые обеспечивают надлежащий контраст деталей образца и представляющих интерес особенностей.

  • Подсветка проходящим светом

Используется для различных типов прозрачных образцов, начиная от биологических, таких как модельные организмы, до полимеров и стекла.

  • Стандартная светлопольная подсветка проходящим светом

Используется для всех типов прозрачных образцов, обеспечивает высокую контрастность и достаточную цветовую информацию.

  • Наклонная подсветка проходящим светом

Используется для образцов, которые почти прозрачны и бесцветны. При его использовании может быть достигнута большая контрастность и визуальная прозрачность образца.

  • Темнопольная подсветка

Используется для небольших элементов на плоских участках образца, которые невозможно легко увидеть с помощью светлопольной подсветки, таких как трещины, поры, мелкие выступы и т.д. на блестящих или ярких образцах. Ее также можно использовать для выявления структур образцов с размером ниже предела разрешения.

  • Метод контрастности для ясных, прозрачных образцов

Rottermann или рельефный контраст — это усовершенствованный метод наклонного освещения, который демонстрирует изменение показателя преломления как различия в яркости. Структуры с положительным рельефным контрастом кажутся приподнятыми, а с инвертированным — пониженными. Положительный и инвертированный рельефный  контраст может облегчить выделение мелких структур для получения максимального объема информации из образца.