Как проводить измерения на микроскопе? Часть 1
Содержание
1. Измерения на микроскопе линейных размеров с помощью штриховой пластины в окуляре (окулярного микрометра).
2. Измерение линейных размеров с помощью окулярного винтового микрометра
3. Измерения с помощью камеры и компьютера
4*. Измерение разности высот (по оси z)
Зачастую исследователям в лабораториях, помимо визуального наблюдения объектов под увеличением, требуется точная оценка различных размеров исследуемых объектов. Световые оптические микроскопы позволяют проводить высокоточные измерения в латеральной плоскости, а также оценочные измерения высоты объектов. Для проведения таких операций на микроскопах используются специальные приспособления. О них и пойдет речь в этой статье.
1. Измерение линейных размеров с помощью окулярного микрометра (штриховой пластины в окуляре).
Самое простое решение — использование внутреннего пространства окуляра. Поскольку окуляр конструируется специальным образом так, чтобы промежуточное микроскопическое изображение оказывалось внутри него, то в этой плоскости можно разместить штриховую пластину, содержащую сетки, шкалы и другие элементы сравнения (рис.
1). Она представляет собой стеклянную пластину малой толщины с нанесёнными или выгравированными штрихами с определённой периодичностью. Такие пластины рассчитываются с высокой точностью для обязательного совпадения с полевой диафрагмой окуляра. Поскольку с диафрагмой сопряжена плоскость препарата, то штрихи сетки видны всегда так же чётко, как и промежуточное изображение, формирующееся на диафрагме при наблюдении через окуляры (при этом только в одном из них находятся пластина). Более дорогой и качественный вариант исполнения окулярной сетки — в виде сэндвича между двумя стёклами. Такая конструкция позволяет избавиться в фокусе изображения от любых загрязнений и повреждений на поверхности сетки.
Деления находятся на равном удалении друг от друга (чаще всего — 0.1 мм). Для того чтобы измерить, к примеру, расстояние между объектами или сам объект, необходимо ориентировать препарат так, чтобы оцениваемый отрезок располагался как можно ближе к оси штрихов (см.
рис. 2). Далее величину d, получаемую в результате вычисления разности между штрихами, в пределах которых находится объект (в этом случае 8 штрихов, что означает 8∙0.1 мм = 0.8 мм) нужно разделить на кратность увеличения объектива (M). Увеличение окуляра при этом не учитывается в расчёте, так как оно возникает уже после сформированного промежуточного изображения.
Однако если на микроскопе установлен промежуточный блок увеличения (оптовар), то полученное значение нужно разделить ещё на кратность этого блока.
Результат измерения диаметра этого объекта (D) с объективом 10x:
D = d : M = 0,8 мм / 10 = 0,08 мм = 80 мкм
Рисунок 2 – Измерение протяженности объекта на примере пыльцыСоздание на заводе объективов с абсолютно идентичным увеличением невозможно — всегда существует какая-то погрешность. При необходимости более точных измерений можно осуществить калибровку объектом-микрометром, которое обычно представляет собой стеклянный слайд с нанесённой точной шкалой (цена деления для лабораторного микроскопа —0.
01 мм, длина всей шкалы 1000 мкм). Этот инструмент располагают под объективом, и с его помощью измеряют корректирующие поправки, которые затем умножают на все измеренные окулярным микрометром величины, либо сразу определяют цену деления шкалы.
Из рис. 3а видно, что c объективом 10x штрихи окулярной шкалы и шкалы объекта-микрометра полностью совпадают, и дополнительная калибровка не требуется. Таким образом, в 1000 мкм объекта-микрометра укладывается 100 делений окулярной шкалы, т.е. цена деления второй при таком увеличении составляет 1000 мкм ÷ 100 = 10 мкм.
При увеличении 20x цена деления должна быть в два раза меньше (5 мкм). Однако рис. 3б показывает, что с объективом 20x возникло некоторое разногласие между штрихами. В этом случае 100 делений окулярной шкалы составляют 49 делений от шкалы объекта-микрометра (хотя должно было быть 50) с ценой деления 0.01 мм (т.е. действительный размер 49 делений ∙ 0.01 мм = 0.49 мм = 490 мкм). Это значит, что цена деления окулярной шкалы не 5 мкм, а 490 мкм ÷ 100 делений = 4.
9 мкм. Рассчитанная таким образом цена деления для каждого объектива далее умножается на количество делений, равное размеру измеряемого объекта.
(во втором случае нужна калибровка)
Ссылка на продолжение статьи: Как проводить измерения на микроскопе? Часть 2
Даниил Гожальский, технический специалист,MSc in Nanotechnology
Микроскопы с возможностью установки окулярного микрометра в нашем каталоге:
Современные измерительные микроскопы
Современные измерительные микроскопы работают с объектами вплоть до нескольких нанометров. Использование интерферометров и высокоточных оптических устройств постоянно расширяет возможности измерительной микроскопии. Точные геометрические измерения при решении задач контроля качества изделий играют важную роль в производстве и качестве выпускаемой продукции. Для работы с большими объектами, такими как кузова автомобилей, сложными детали реактивных двигателей и прочими высокотехнологичными изделиями применяются координатно-измерительные машины, лазерные датчики и высокоточные механические измерительные приборы.
Но что же делать, когда измеряемые объекты находятся в микронном и субмикронном диапазонах? Необходимо прибегнуть к помощи измерительных систем, основанных на базе световых микроскопов, интерферометров или конфокальных лазерных профилометрах.
В статье мы рассмотрим возможность и методики проведения плоскостных и пространственных измерений с использованием различных типов оптических микроскопов.
Плоскостные или 2D измерения.
Существует несколько методов проведения 2D измерений на измерительном микроскопе. Рассмотрим их последовательно.
Простые системы с окуляр-микрометром и объект-микрометром.
Такие системы появились задолго до эпохи появления цифровых камер и являются самыми примитивными методами оценочного сравнения размера эталонного микрометра и измеряемого объекта при помощи шкалы в окуляре. Точность здесь напрямую зависит от оператора, погрешность при таком методе измерения определяется исключительно человеческим фактором.
Стандартный объект-микрометр для работы с лабораторным измерительным микроскопом.
При калибровке оптического микроскопа важно четко сопоставить шкалу окуляра с эталоном. В примере 8 полных делений шкалы окуляра соответствуют 0,45 мм. Таким образом, каждое полное деление шкалы окуляра равно 0,056 мм или 56 мкм.Системы измерения с координатными столами.
Координатные микроскопы применяются в случаях, когда необходимо произвести измерение с высокой точностью, но объект не попадает в одно поле зрения микроскопа. Пользователь совмещает перекрестие в окуляре с началом измеряемого отрезка и, далее, перемещая лимбы XY стола, добивается совмещения перекрестия с концом измеряемого отрезка. Значения на лимбах (либо на высокоточных линейных датчиках перемещения стола) показывают разницу X и Y координат. Длина отрезка, если это необходимо, вычисляется по теореме Пифагора. Такой метод позволяет использовать микроскоп лишь для точного позиционирования объекта измерения. Погрешность оператора сводится к минимуму, а измерение производится электронными или механическими устройствами.
Системы измерения с цифровой камерой или цифровые микроскопы.
Анализ цифрового изображения решает все недостатки предыдущих методов. Погрешность оператора сведена к минимуму, а главное, появляется возможность измерения не только длин отрезков, но и диаметров окружностей, углов, площадей, расстояний между параллельными линиями и так далее.
При работе с измерительным программным обеспечением микроскоп калибруется пользователем с использованием сертифицированного эталона. При дальнейшей работе калибровки по объект-микрометру не требуются. Программное обеспечение присваивает масштаб изображению исходя из первоначальных калибровок. Программа может корректировать опорные точки, поставленные пользователем, находя зону максимального контраста. Таким образом используя цифровые инструменты точность и скорость измерений стремительно растет.
Система Keyence VHX-5000, программное обеспечение которой показано в иллюстрациях, является «эталоном» цифровой измерительной микроскопии.
Вы всегда можете превратить свой микроскоп в современную измерительную систему произведя модернизацию микроскопа и установив на него современную цифровую камеру с программным обеспечением. Подробно об этом вы можете узнать в разделе модернизация микроскопов пользователя на нашем сайте.
Трехмерные измерения в пространстве (3D). Получение профиля поверхности объекта.
Получение математической модели профиля поверхности исследуемого образца – сложная задача. Она сводится к последовательному измерению координат (XYZ) точек, расположенных на образце с заданным шагом. Как и любую сложную задачу, построение профиля можно разбить на несколько этапов.
Первый этап – получение координаты точки по оси Z (определение высоты точки).
- Грубое определение разности высот возможно на микроскопах с градуированным винтом точной фокусировки. Погрешность при таком измерении огромна, измерение носит чисто ориентировочный характер. Пользователь фокусируется на объекте, относительно которого будет производиться измерение, затем запоминает положение винта точной фокусировки микроскопа. Далее пользователь фокусируется в измеряемой точке. Разница в значениях лимба винта умножается на шаг винта (к примеру, 1мкм/деление). Полученное значение будет разностью координаты. Как вы понимаете, при таком измерении необходимо учитывать полные обороты винта точного фокуса, а также направление вращения винта. Повторимся, что такое измерение носит чисто ориентировочный характер, точность которого крайне зависит от увеличения микроскопа, глубины резкости объектива и шага привода фокусировки по оси Z.
Необходимо учитывать, что чем меньше увеличение, тем больше глубина резкости системы и тем больше погрешность измерения координаты Z.- Микроскопы с моторизованным приводом фокусировки по оси Z позволяют проводить измерения схожим образом. Программное обеспечение микроскопа создает Z-стек изображений – послойное сканирование образца. Далее автоматически выбираются области с наибольшей контрастностью (зоны резкости) и изображение разбивается на сетку. В каждой точке сетки рассчитывается координата Z и формируется готовое 3-D изображение или математическая модель для последующей работы с ней.
- Бесконтактные профилометры и конфокальные микроскопы.
В отличии от предыдущих вариантов, системы профилометрии разрабатываются именно с целью измерения профиля объекта.
Они позволяют проводить измерения с невероятно высокой точностью (около 5 нм по оси Z). Принцип таких систем основан на интерферометрии эталонного луча с известной длиной пути и луча, отраженного от поверхности объекта. По смещению фазы рассчитывается разница в расстоянии между двумя лучами. Таким образом прибор определяет Z координату объекта.
Измерительные микроскопы в нашем каталоге
Измерение с помощью микроскопа
| Микроскоп измерительный |
Когда мы измеряем предметы повседневного обихода, большинство из нас берет линейку, чтобы произвести измерение. При использовании микроскопа, как правило, увеличение выше, и линейка не будет работать, если вы не используете стереомикроскоп с очень низким увеличением. Когда вы смотрите в окуляр микроскопа, в котором установлена сетка, линейка (или поперечная линия, сетка, что угодно на сетке) накладывается на ваше изображение. Это позволяет легко выполнять быстрые и точные измерения, если вы откалибровали микроскоп. |
Определения измерений |
Микрометр для предметного столика – предметное стекло микроскопа (обычно 1 x 3 дюйма), на котором выгравирована линейка. Он либо сделан из стекла (для проходящего света), либо из металла (для отраженного света). Столик-микрометр используется для калибровки сетки окуляра при проведении измерений с помощью микроскопа. Сетка окуляра (или сетка) – небольшой кусочек стекла с выгравированной на нем линейкой, который вставляется в окуляр микроскопа. Эта линейка используется для измерения объектов, рассматриваемых через микроскоп. Изображение с сетки окуляра накладывается на изображение при взгляде в микроскоп. Существует множество вариантов сеток окуляров, включая линии, перекрестные линии, сетки, счетные сетки и т. д. Перед покупкой сетки окуляра вы должны убедиться, что окуляр вашего микроскопа поддерживает сетку, и вам нужно определить диаметр сетки. который подходит для вашего окуляра. Поле зрения — диаметр круга зрения, который вы видите, глядя в микроскоп. При калибровке сетки окуляра лучше всего использовать предметный микрометр, когда большая часть, если не вся линейка предметного микрометра попадает в поле зрения. Чем выше ваше увеличение, тем меньше будет поле зрения. Фиксатор — при повороте ручки зума на стереомикроскопе с зумом фиксатор представляет собой щелчок при каждом значении объектива. |
Почему важно калибровать микроскоп! |
Даже если вы используете два одинаковых микроскопа, скажем, каждый с 10-кратным окуляром и 40-кратным объективом, они все же могут иметь несколько разные коэффициенты увеличения. Поэтому важно откалибровать сетку окуляра с помощью предметного микрометра перед выполнением измерений с помощью сетки окуляра. Это гарантирует, что вы будете делать точные измерения с вашим микроскопом. |
Как: Калибровка сетки окуляра микроскопа |
С установленной сеткой окуляра и предметным микрометром под микроскопом сфокусируйтесь так, чтобы обе шкалы были четко сфокусированы и совмещены в точке «0». Обратите внимание на то, что на шкале микрометр предметного столика и микрометр окуляра (визитная сетка) почти точно выстраиваются на отметке 30 на микрометре окуляра, но кажется, что они выстраиваются ближе на отметке 60. Чем больше число на микрометре окуляра, тем точнее ваши калибровка будет. Микрометр предметного столика имеет длину 1 мм и 100 делений, что означает, что каждое более длинное деление микрометра предметного столика = 0,01 мм или 10 мкм. Если вы посчитаете линии на предметном микрометре, где микрометр окуляра совпал с ним на 60, это будет равно 400 мкм. Таким образом, мы берем показания сетки окуляра 400 мкм / 60 и можем определить, что с этой конкретной целью каждое деление на сетке окуляра = 6,67 мкм. |
При использовании сложного микроскопа большого увеличения для проведения измерений используется сетка окуляра. Большинство измерений, сделанных с помощью составного микроскопа, составляют от 0,2 мкм до 25 мм. Трудно проводить измерения на расстоянии более 25 мм, потому что большинство окуляров микроскопа не имеют поля зрения более 25 мм.
Фиксатор полезен, если вам нужно произвести измерения. Фиксатор позволяет ручке масштабирования нажимать на установленные целевые значения, чтобы вы знали, что находитесь на точном целевом значении. Попытка провести измерения с помощью стереомикроскопа с зумом без фиксатора приведет к неточным измерениям.
Вы захотите выполнить калибровку для каждого объектива, который вы планируете использовать для проведения измерений.Каков размер того, что вы видите?: Биология и математика Научная деятельность
Измеряя диаметр поля зрения микроскопа, вы можете рассчитать реальный размер объектов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
Subject:
Biology
Mathematics
Nature of Science
Measurement
Size & Scale
Keywords:
microscope
lens
NGSS and EP&Cs:
PS
PS4
CCCs
Узоры
Масштаб, пропорции и количество
Инструменты и материалы
- Составной микроскоп
- Карандаш и блокнот для записи результатов (не показаны)
- Калькулятор (не показан)
- Прозрачная пластиковая метрическая линейка с миллиметровой разметкой (скопируйте этот шаблон на прозрачную пленку, чтобы сделать свой собственный)
- Дополнительно: микроскопические объекты для просмотра и измерения
Сборка
Ни один не нужен.
Действия и уведомление
Найдите общее увеличение вашего микроскопа. Сначала прочтите мощность, указанную на окуляре. Вы найдете его помеченным как число, за которым следует X, что означает «раз».
Запишите мощность окуляра.
Найдите три бочкообразных объектива возле предметного столика микроскопа. У каждого будет разная сила, которая должна быть отмечена на боковой стороне линзы. Запишите мощность для каждой цели.
Найдите общее увеличение каждой линзы объектива, умножив силу окуляра на силу объектива.
Наименьшее увеличение: окуляр x Объектив с наименьшим увеличением = ________X
Среднее увеличение: окуляр x объектив среднего увеличения = ________X
Наибольшее увеличение: окуляр x Максимальное увеличение объектива = ________X
Установите микроскоп на минимальное увеличение. Вставьте пластиковую метрическую линейку на предметный столик и сфокусируйте микроскоп на миллиметровых делениях. Сколько миллиметров проходит через световой круг, который вы видите (поле зрения)? Это измерение является диаметром поля. Запишите диаметр поля в миллиметрах.
Повторите этот процесс для среднего увеличения.
Повторите еще раз для максимального увеличения. Что ты заметил?
Максимальное увеличение может быть сложно измерить, потому что поле зрения, вероятно, будет меньше одного миллиметра в диаметре — слишком мало для непосредственного измерения линейкой. Чтобы получить полезные показания, немного подвигайте линейку вперед и назад, чтобы оценить долю миллиметра, которая соответствует диаметру, или используйте уже сделанные измерения вместе с этим удобным математическим расчетом:
Что происходит с диаметром поля при увеличении увеличения? Эта обратно пропорциональная зависимость говорит нам кое-что важное об отношении увеличения к диаметру поля зрения.
Что происходит?
Сила увеличения — это мера того, насколько большим кажется объект при просмотре через линзу или микроскоп. Надпись «X» на каждом окуляре и линзе означает «умножение», поэтому линза 10X заставит объект казаться в 10 раз больше, чем он есть на самом деле.
В сложном микроскопе наблюдаемый объект увеличивается вдвое: сначала линза объектива заставляет объект казаться в 5, 10, 40 или даже 100 раз больше, а затем линза окуляра увеличивает это изображение еще в 10 раз. Вот почему умножение используется для определения общей силы увеличения комбинации объектив-окуляр.
Поскольку увеличение является коэффициентом и не имеет единиц измерения, знание только силы увеличения вашего микроскопа не говорит вам об истинном размере объекта, который вы рассматриваете. Прямые измерения необходимы для калибровки поля зрения вашего микроскопа.
При расчете размера поля зрения с большим увеличением может показаться нелогичным, что числители и знаменатели пропорционального отношения не «совпадают». По мере увеличения увеличения диаметр поля уменьшается, и наоборот, поэтому эти две величины находятся в обратной зависимости.
Дальше
Как только вы узнаете диаметр поля каждого объектива вашего микроскопа, вы сможете оценить размер вещей, которые видите.
