mikroskop

Et optisk mikroskop består i sin enkleste og historisk første form av en enkel samlelinse som anvendes som lupe. Det vanlige i dag er et sammensatt mikroskop, hvor to eller flere linse- eller speilsystemer er stilt etter hverandre, slik at det finner sted gjentatte avbildninger.

Et fullstendig mikroskop består av en belysnings- og en avbildningsenhet samt objektbord. Objektet er plassert på et objektglass som er spent fast over en lysåpning i objektbordet, og dette kan beveges i et plan normalt på mikroskopets optiske akse. I belysningsenheten blir lys fra en lavvoltlampe via et speil og en strålebegrensende irisblender dirigert mot et system av samlelinser, kondensoren, som konsentrerer lysstrømmen i objektet. Avbildningsenheten består av to linsesystemer, henholdsvis objektiv og okular, som er montert i hver sin ende av et rør, mikroskopets mekaniske tubus.

Objektivet, som kan være sammensatt av en serie enkeltlinser, frembringer et reelt, forstørret mellombilde av objektet inne i tubus.

Okularet består vanligvis av to samlelinser eller linsesystemer, henholdsvis feltlinsen og okularlinsen. Disse er fast montert i hver sin ende av okularrøret, slik at feltlinsen ligger i okularlinsens brennplan. Okularrøret kan forskyves langs tubusaksen, og tubus er dimensjonert slik at okularets feltlinse dermed kan bringes til å falle sammen med mellombildet. Okularet virker da som lupe og frembringer en virtuelt forstørret versjon av mellombildet. For demonstrasjonsformål kan okularet være et projeksjonsokular som avbilder mellombildet på en skjerm. Se også bilde (optikk).

Mikroskopets forstørrelse er betegnelse på forholdet mellom synsvinkelen til objektet sett fra 250 millimeters avstand og synsvinkelen til det virtuelle bildet som blir sett gjennom okularet (se forstørrelse). Objektbordet kan høydereguleres slik at objektet faller i objektivets brennplan. Objektivets forstørrelse er dermed fastlagt, og den blir gjerne definert som forholdet mellom mikroskopets optiske tubus og objektivets brennvidde. Optisk tubus (som ikke må forveksles med den mekaniske tubus) er definert som avstanden fra objektivets brennplan til mellombildet. Vanlig lengde på den optiske tubus er 160 eller 180 mm. Hvis objektivets brennvidde er 16 mm, og den optiske tubus er 160 mm, er altså objektivets forstørrelse 10×.

Okularets forstørrelse er definert som for lupens vedkommende, det vil si som brennvidden dividert med 250 millimeter. Man angir som regel forstørrelsen for objektiv og okular hver for seg og finner den totale forstørrelsen ved å multiplisere disse.

Forstørrelse ved hjelp av synlig lys har en øvre grense på 1200–1500×, som er bestemt av at det ikke er mulig å avbilde detaljer som er mindre enn lysets bølgelengde på cirka 0,5 mikrometer (1 mikrometer = en milliontedels meter).

Det er vanlig at mikroskopet er utstyrt med et sett objektiver i revolverfatning, slik at de hver for seg med en enkel håndbevegelse kan bringes i riktig posisjon over objektet. Eventuelt har det utskiftbare okularer med forskjellig forstørrelse.

Nytten av mikroskopets forstørrelse blir begrenset av oppløsningen, som angir den minste mulige avstand mellom to punkter som skal kunne oppfattes som atskilte. Oppløsningen avhenger noe av belysningsmåten. Med kondensorbelysning av objektet blir oppløsningen d gjerne beregnet ved formelen \(d = \frac{\lambda}{2n \sin \theta}\) hvor λ er lysets bølgelengde i vakuum, n er brytningsindeksen for det stoffet som fyller gapet mellom objekt og objektiv (λ/n er da lysets bølgelengde i dette stoffet), og \(\theta\) er aperturvinkelen, det vil si vinkelen mellom aksen og en randstråle i den lyskjeglen som sendes ut fra objektet og som begrenses av objektivet. Størrelsen \(n\sin\theta\) kalles objektivets numeriske apertur (N.A.). Den gjelder som mål for objektivets oppløsningsevne og er altså omvendt proporsjonal med oppløsningen. For å øke den numeriske aperturen ved høye forstørrelser kan man øke n ved å fylle gapet mellom objektivlinsen og objektet med en dråpe immersjonsolje som har høyere brytningsindeks enn luft.

Som optisk instrument har øyet normalt selv en oppløsning på cirka 0,1 mm ved nærsynsgrensen på 250 mm. Når et objekt er så sterkt forstørret at oppløsningen er bare litt større enn øyets oppløsning, vil ytterligere forstørrelse ikke bringe frem flere detaljer i observatørens bilde av objektet, og lønner seg derfor ikke. Hvis det er ønskelig med flere detaljer, må man, samtidig med at man øker forstørrelsen, også øke oppløsningsevnen, enten ved å øke objektivets numeriske apertur eller ved å benytte lys med kortere bølgelengde.

Et annet forhold som virker inn på oppløsningsevnen, er fargespredning i linsene (aberrasjon). Etter graden av fargespredning inndeles objektivene i akromater og apokromater. Akromater er sammensatt av akromatiske linser hvor fargespredningen ved liten forstørrelse blir opphevet. Ved stor forstørrelse blir fargespredningen imidlertid så fremtredende at disse objektivene ikke egner seg. En apokromat er satt sammen av flere linser enn en akromat og bevirker at fargespredningen blir vesentlig redusert.

Den vanligste formen for belysning, hvor objektet viser seg mørkt på lys bakgrunn, kalles lysfeltbelysning. Objekter som er mindre enn lysets bølgelengde, kan registreres ved mørkefeltbelysning. En særskilt blender i kondensoren stenger da for den sentrale strålen fra lyskilden, og lar objektet bli belyst fra sidene. Bare lys som spres eller reflekteres i objektet slipper nå inn i objektivet, og partikler som sprer lys, sees som lyse flekker på mørk bakgrunn. Man får imidlertid ikke opplysninger om disse partiklenes størrelse og form.

Et polarisasjonsmikroskop anvendes ved studiet av stoffer med dobbeltbrytning, for eksempel dobbeltbrytende krystaller. Lyset passerer da gjennom en polarisator før det trer inn i kondensoren. Mellom objektiv og okular er det montert en analysator. Begge kan dreies om mikroskopets optiske akse. Stilles polarisator og analysator med sine svingeretninger vinkelrett på hverandre blir synsfeltet mørkt, men det lyser opp farger der hvor lyset har passert igjennom et materiale som påvirker polarisasjonsretningen. På denne måten kan man skjelne dobbeltbrytende krystallinske stoffer fra glass og andre isotrope stoffer. Polarisasjonsmikroskop anvendes blant annet ved undersøkelse av bergarter.

Et refleksjonsmikroskop (katadioptrisk mikroskop) har et objektiv bestående av sfæriske, speilende flater, mens okularet fortsatt består av linser. Det anvendes særlig for infrarød og ultrafiolett belysning.

• Infrarødt mikroskop anvendes ved undersøkelser av objekter som er ugjennomsiktige i vanlig lys, men gjennomsiktige for infrarødt lys, så som tre, molybden, koraller og mange rødfargede stoffer, men ikke vann og vannholdige stoffer.
• Ultrafiolett mikroskop brukes for å oppnå god oppløsning på grunn av UV-lysets korte bølgelengde. Det brukes også som mikrospektrofotometer for å identifisere og bestemme mengden av bestemte proteiner og nukleinsyrer i mikroorganismer, idet disse har karakteristiske absorpsjonskurver i det ultrafiolette området.

Både infrarøde og ultrafiolette mikroskoper brukes for å undersøke om kunstgjenstander er forfalskninger eller ekte.

Et røntgenmikroskop har på grunn av strålingens korte bølgelengde vesentlig større oppløsningsevne enn et optisk mikroskop, men brukes først og fremst fordi strålingen er mer gjennomtrengende enn lys. For røntgenstråler er brytningsindeksen i de fleste stoffer meget nær 1. Derfor kan et røntgenmikroskop ikke bygge på linseoptikk. Forstørrelsen oppnås enten ved projeksjon eller refleksjon.

I projeksjonsrøntgenmikroskopet sendes strålene ut fra en nær punktformet kilde, går direkte gjennom objektet og inn på en fluorescerende skjerm eller fotografisk plate i passende avstand fra objektet. Oppløsningen er bestemt ved størrelsen av strålekilden, og kan bli 0,1 mikrometer.

I refleksjonsrøntgenmikroskopet reflekteres strålene mot sylinderflater. To flater stilt på tvers av hverandre gir samme virkning som et sfærisk speil eller en linse. Oppløsningen kan bli 0,5 mikrometer.

Det enkle optiske mikroskopet i form av en samlelinse (lupe) kom i bruk på 1500-tallet, men var allerede omkring 1250 kjent av den britiske naturfilosofen Robert Grosseteste og hans elev Roger Bacon.

Det sammensatte optiske mikroskopet kan føres tilbake til de hollandske optikerne Hans og Zacharias Janssen i Middelburg i 1590. I sin nåværende form skal det ifølge Christiaan Huygens være oppfunnet av Cornelis Jacobszoon Drebbel van Alkmaar i 1621, men etter en italiensk angivelse skal Galileo Galilei ha beskrevet det i en bok i 1610. Mikroskopet ble forbedret ved Matthieu Campani-Aliménis' okular i 1655, nå alminnelig kalt Huygens' okular. Avgjørende forbedringer som førte frem til det moderne mikroskopet ble gjort av den tyske fysikeren Ernst Abbe i 1886.