Оптические микроскопы

Оптический  микроскоп оказался первым инструментом, взятым на вооружение судебными экспертами. За длительную историю своего применения оптическая микроскопия стала универсальным и очень эффективным методом получения судебных доказательств. Даже простой осмотр различных предметов под микроскопом выявляет множество деталей, очень важных для проведения следствия. Рассмотрим принцип действия простейшего оптического светового микроскопа.

Увеличительная, или выпуклая, линза дает изображение двух типов: действительное и мнимое. Действительное изображение можно спроектировать на какой-нибудь экран, а мнимое изображение возникает только в нашем сознании, которое воспринимает изображение, создаваемое не оптическими лучами, а их продолжениями.

Важнейшим параметром выпуклой линзы является ее фокусное расстояние. Фокусом называется особая точка, в которой пересекаются после прохождения линзы лучи, падающие на линзу в виде параллельного пучка. При помещении в эту точку источника света после преломления должен возникнуть пучок параллельных лучей (рис. 1). 

Рис. 1. Ход лучей через выпуклую линзу: а) параллельный пучок света, проходя через линзу, собирается в фокусе F, б) расходящийся из фокуса F  пучок света, проходя через линзу, образует параллельный пучок.

Если по одну сторону выпуклой линзы  поместить объект так, чтобы он находился  между фокусным и удвоенным фокусным расстоянием, по другую сторону линзы  возникает обратное, действительное увеличенное изображение. Если же объект поместить между фокусом и  линзой, по эту же сторону линзы  возникает прямое мнимое увеличенное  изображение (рис. 2).

                                                          Рис. 2

 Два примера возникновения изображения 
при использовании выпуклой линзы: 
а - точка Р′ - действительное обратное 
(перевернутое) увеличенное  
изображение точки Р, б - мнимое прямое  
увеличенное изображение точки Р.

Это явление положено в основу применения простейшего визуального прибора-лупы. Увеличение лупы тем больше, чем  меньше фокусное расстояние, т. е. чем  больше ее кривизна. В принципе с  помощью лупы можно добиться любого увеличения, но на практике возникает  множество ограничений. Прежде всего из-за технических трудностей нельзя изготовить линзу очень большой кривизны, которая бы давала четкое изображение объекта, а расстояние от глаза до линзы уменьшить практически невозможно.

Преодолеть эту трудность помогла  одна простая идея, автором которой  был Левенгук еще в XVII в. Идея понятна  из рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема работы 
оптического микроскопа

Для получения больших увеличений надо использовать сразу две линзы. Одна из них – объектив - дает действительное обратное увеличенное изображение объекта, а вторая – окуляр - используется как лупа. Рассматривая через окуляр картину, полученную с помощью объектива, мы видим увеличенное мнимое изображение объекта. Таким образом, большое увеличение достигается в две ступени, и в результате в микроскопе возникает обратное (перевернутое) по отношению к объекту изображение.

Современный оптический микроскоп - это  не просто прибор, состоящий из одного объектива и одного окуляра. Для  того чтобы изображение не портилось  из-за различных недостатков линз, микроскоп приходится делать в виде сложной системы, состоящей из множества  линз. Максимальное увеличение является одной из важнейших характеристик  микроскопа, но важнейшим его параметром надо признать разрешающую способность, которая показывает, на каком минимальном  расстоянии две точки, разрешенные  с помощью данной системы объектива  и окуляра, воспринимаются глазом раздельно. Если расстояние между двумя точками  равно разрешающей способности, то на этом приборе уже нельзя улучшить изображение. Точно так же нельзя, например, восстановить изображение  детали, неразличимой на плохом негативе, путем увеличения этого негатива до размеров огромного стенда. Теоретически оптический микроскоп позволяет разрешить (увидеть) объекты, отстоящие друг от друга на расстоянии, близком половине длины волны лучей света, используемого для освещения в видимой области спектра (т. е. это «белый» свет) наименьшую длину волны (400 нм) имеют ультрафиолетовые лучи. Рассматривая предметы в таких лучах, можно различить удаленные друг от друга на расстояние 200 нм (0,2 мкм).

При работе с оптическим микроскопом  в качестве источника освещения  используют белый свет, основные компоненты которого отличаются большими длинами  волн, чем ультрафиолетовое излучение. К тому же из-за особенностей прохождения  оптических лучей через различные  участки даже самых качественных линз неизбежны дефекты изображения  объектов. Поэтому разрешающая способность  даже очень хороших оптических микроскопов  не превышает 1 мкм. Объекты, удаленные  друг от друга на расстояние 0,8-1 мм, различимы невооруженным глазом достаточно хорошо, поэтому для целей  криминалистики вполне достаточно иметь  микроскоп с 800-1000-кратным увеличением.

Для того чтобы выявить и отобрать для изучения в оптическом микроскопе микрочастицы, а также подготовить  их для более подробных исследований, судебные эксперты пользуются стереомикроскопом. В отличие от изображений, которые получаются с помощью микроскопов других типов, изображение в стереомикроскопе является объемным и прямым. Эти особенности очень важны, потому что, работая со стереомикроскопом, объекты можно перемещать на предметном столике, а при необходимости даже обрабатывать теми или иными инструментами. Ясно, что такие операции были бы очень утомительны, если бы их пришлось проводить, наблюдая в окуляре не за прямым, а за перевернутым изображением.

Оптическая схема стереомикроскопа моделирует систему объемного зрения человека. Представим себе, что мы держим на небольшом расстоянии перед собой какой-то текст и наши глаза зафиксированы на какой-то точке. Тогда угол между направлениями от этой точки к каждому из глаз будет равен 14°. Каждый глаз воспринимает и передает в мозг свое собственное изображение, но в мозгу оба изображения складываются в единую объемную картину. Стереомикроскоп представляет собой по существу систему из двух микроскопов, направление оптических путей в которых составляет угол 14°. Подобная конструкция позволяет увеличить изображение исследуемого предмета и сохранить его привычный для наблюдения облик. Благодаря встроенным в окуляр переводным призмам наблюдатель имеет возможность наблюдать прямое изображение предметов, рассматриваемых в стереомикроскоп.

Для создания объемных эффектов очень  важно уметь использовать «игру» светотени. У обычного оптического  микроскопа осветительное устройство дает почти параллельный поток лучей, которые направлены к объекту  практически под прямым углом. Стереомикроскоп  позволяет осветить объект с любой  стороны. Тем самым удается рассмотреть  многие детали объекта, обычно скрытые  в тени, и сохранить светотеневые эффекты.

У стереомикроскопа, как правило, нет  сменных объективов, хотя увеличение можно постепенно изменять. Максимальное увеличение почти никогда не бывает больше 50-кратного, использовать более  сильное увеличение нецелесообразно, потому что при этом начинает падать резкость изображения. Однако для выявления  судебных улик очень сильного увеличения и не требуется, потому что и при 50-кратном увеличении размер предметов  увеличится от 10 мкм в натуре до 0,5 мм при рассмотрении в микроскопе. Такие размеры уже вполне различимы  человеческим глазом.