Поляризационный микроскоп как сделать

Добавил пользователь Skiper
Обновлено: 18.09.2024

Актуальность

Цель

Создание автоматизированного решения для поворотного предметного столика с поляризационным микроскопом Биомед-5П.

Задачи

Проектирование, изготовление и сборка основных конструкционных элементов автоматизированной установки и испытательного стенда.
Подбор, подключение и настройка основных электронных компонентов.
Создание программы для управления работой автоматизированного столика микроскопа.

Оптимизация программы (G-code) для управления ЧПУ-установками.
Усовершенствование механизма препаратоводителя.
Подбор более качественных материалов и компонентов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Поляризационный микроскоп Altami
Поляризационный микроскоп Биомед-5П (1 шт.)
Препаратоводитель для микроскопа (1 шт.)
Цифровая фотокамера для микроскопа Altami (1шт.)
3D-принтер FELIX 3.0 (1 шт.)
PLA-пластик, пруток диаметром 1.75 мм (0.7 кг)
Многофункциональная паяльная станция
Персональные компьютеры с установленным ПО
Одноплатный компьютер Raspberry Pi 3 Model B+ (1 шт.)
Плата Arduino Uno
Модуль для Arduino – CNC Shield v.3.0
Шаговые двигатели 28byj-48 (3 шт.)
Драйверы шаговых двигателей A4988 (3 шт.)
Концевые выключатели (3 шт.)
Соединительные провода и кабели
Блок питания 12В 36Вт (1 шт.)
Фанерный лист толщиной 10 мм и крепёж

Описание

В ходе работы над проектом авторами были спроектированы и собраны прототип автоматизированного поворотного столика для поляризационного микроскопа и испытательный стенд. Авторы создали программу для управления работой автоматизированного столика и провели испытания полученного прототипа на испытательном стенде и поляризационном микроскопе.

Этапы работы

В ходе подготовительного этапа работы исполнителями были прослушаны вводные лекции о работе специалистов Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН по изучению строения дна морей и океанов, а также об основных характеристиках, устройстве и области применения установок с числовым программным управлением.

Этап проектирования включал в себя изучение основ работы в специализированном программном обеспечении для создания 3D-моделей, обсуждение разных вариантов конструкции будущей установки, подготовку эскизов деталей, создание 3D-моделей, выбор оптимальных параметров печати 3D-моделей. После выполнения проектирования была проведена печать необходимых деталей на 3D-принтере, пост-обработка полученных деталей, произведена сборка рамы испытательного стенда, сборка основных конструкционных элементов установки.

Исходя из необходимости минимизации массы и стоимости установки, а также на основании параметров точности перемещения рабочих частей установки, заявленных специалистами ИО РАН, были подобраны шаговые двигатели и остальные электронные компоненты. Выполнены подключение и настройка основных электронных компонентов, в т. ч. загружена прошивка на контроллер установки, установлено необходимое ПО на управляющий компьютер.

После сборки установки и испытательного стенда для неё были прослушаны лекции об основах написания программ на G-code для контроля над работой ЧПУ-установок. На основе результатов обсуждения оптимальной траектории движения рабочих частей установки была создана программа на G-code для управления работой автоматизированного столика микроскопа.

На заключительном этапе работы проводились испытания полученной установки на испытательном стенде и настоящем поляризационном микроскопе.

Результаты работы/выводы

В результате работы над проектом создан рабочий прототип автоматизированного вращающегося предметного столика поляризационного микроскопа. Под управлением специально написанной программы на G-code микропрепарат смещается под объективом микроскопа с заданным шагом по определённой траектории и фотографируется. В результате получается серия перекрывающихся фотоснимков, которые затем могут быть объединены в фотопанораму высокого разрешения.

После завершения такого фотосканирования предметный столик поворачивается на заданный угол, и съёмка повторяется. Фотографирование происходит в проходящем и поляризованном свете. Переключение между режимами происходит вручную единожды для каждого препарата.

Перспективы использования результатов работы

Итоговый прототип будет использоваться учёными Института океанологии им. П.П. Ширшова для оцифровки обширной коллекции микропрепаратов, а также для изучения состава донных осадков.

Полученные данные создадут основу для расширения области применения методов машинного обучения при исследовании состава морских донных осадков.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Перейдем к рассмотрению способов практических измерений, используемых для определения взаимоотношений индикатрисы с кристаллографическими направлениями в минералах.

↑ Устройство поляризационного микроскопа

Важными вспомогательными компонентами, которые входят в комплект микроскопов, являются: пересекающиеся под прямым углом нити, расположенные в фокальной плоскости окуляра таким образом, что одна из них проходит по линии С – Ю, а другая – по линии З – В; ирисовая диафрагма, находящаяся ниже предметного столика и служащая для сужения падающего пучка света; щель в тубусе микроскопа, ориентированная под углом 45º к пересекающимся нитям (в нее вводятся компенсационные пластинки); линза Бертрана, находящаяся в тубусе микроскопа над анализатором и системы конденсорных линз под столиком микроскопа, предназначенные для формирования в необходимых случаях лучей сходящегося света в плоскости расположения изучаемого минерала.

Рис. 25. Общий вид поляризационного микроскопа фирмы Leitz

Подготовка микроскопа к работе и его основные поверки

При подготовке микроскопа к работе необходимо подобрать нужные окуляр и объектив. Обычно работу начинают с объективами, имеющими увеличение 2,5или 10.

Поворотами зеркала и вращением осветительной лампы добиваются наиболее яркого и ровного освещения.

Нити окулярного креста всегда должны быть отчетливо видны. Для этого вращают обойму верхней линзы, помещенной в правый окуляр, вдвигая или выдвигая ее, добиваются наиболее ясной видимости нити. На первый взгляд ремонт малогабаритной кухни кажется обычным делом, но не зная многих нюансов можно получить на выходе не то что было изначально задумано. Поэтому с компанией АВстрой, вы сможете быстро и легко воплотить задуманные планы по ремонту.

Центрировка объективов. Объектив считается центрированным, если при вращении предметного столика точка, произвольно выбранная в шлифе (небольшое зерно, пузырек), вращается точно в перекрестье нитей, не выходя за его пределы. Если точка не остается на месте, а уходит в сторону, описывая окружность, это значит, что оптическая ось объектива сдвинута в сторону по отношению к оптической оси микроскопа и не совпадает с ней. Оптическая ось микроскопа – воображаемая линия, проходящая через пересечение нитей окуляра, центр входной линзы объектива и центр вращения предметного столика.

Фокусировка. Перемещение столика микроскопа для наведения на резкость производится путем вращения кремальеры. Некоторые затруднения могут возникнуть при фокусировании объективов с большим увеличением, имеющих очень маленькое фокусное расстояние. Глубина резкости таких объективов также очень мала, и, опуская тубус, легко пропустить нужное положение и раздавить объективом препарат. Поэтому начинающему исследователю рекомендуется сначала поднять предметный столик так, чтобы объектив слегка касался препарата, и затем очень медленно его опускать, следя за появлением изображения.

Также для наведения на резкость объективов с большим увеличением пользуются микрометренным винтом, но уже после того, как появилось изображение. Центрировку осуществляют при помощи центрировочных ключей, которые вставляются в отверстия, расположенные с обеих сторон верхней части каждого объектива.

Чтобы не испортить зрение при работе с микроскопом, надо приучить себя смотреть в оба окуляра (при работе с бинокулярными насадками) или держать оба глаза открытыми (при работе с одним окуляром). Если систематически при работе с микроскопом держать один глаз зажмуренным, развивается астигматизм (неодинаковая кривизна хрусталика глаза в разных направлениях).

Микроскоп, как всякий точный прибор, нуждается в целом ряде проверок и установок.

1. Проверка взаимной перпендикулярности николей. Плоскости колебания волн, пропускаемых николями, всегда должны быть взаимно перпендикулярны. Для проверки николи ставятся в скрещенное положение. Если при этом поле зрения темное, то это соответствует требуемому положению. Если при установке николей в скрещенное положение поле зрения остается светлым, то это свидетельствует о том, что колебания волн в николях совершаются не по взаимно перпендикулярным направлениям. Тогда верхний николь (анализатор) поворачивают до максимальной темноты.

2. Определение направления колебаний, пропускаемых поляризатором, и проверка параллельности нитей окуляра направлениям поляризаторов. Нити окуляра должны быть строго параллельны плоскости колебания волн, пропускаемых николями, т. е. они должны быть ориентированны параллельно осям оптической системы микроскопа. Колебания одного николя совершаются в плоскости симметрии микроскопа, а другого – перпендикулярно к ней. Для определения направления колебаний в поляризаторе (нижнем николе) используют шлиф породы, содержащей биотит или турмалин. Эти минералы обладают резко выраженным плеохроизмом – свойством изменять цвет при повороте столика микроскопа. Для биотита выбирают срез, в котором четко видна спайность, а для турмалина – длиннопризматические кристаллы (именно эти разрезы обладают ясным плеохроизмом).

Выбрав зерно, вращают предметный столик и наблюдают за изменением цвета минерала. Когда биотит приобретает наиболее интенсивную окраску, обращают внимание на то, параллельны ли трещины спайности какой-либо из нитей окуляра (вертикальной или горизонтальной). Если параллельны, то в этом направлении располагается плоскость колебания волн N g , пропускаемых нижним николем. Если в момент появления наиболее густой окраски минерала трещины спайности образуют некоторый угол с нитью, то это говорит о неправильной ориентировке нитей креста окуляра. Для исправления положения поворачивают окуляр таким образом, чтобы одна из его нитей совпала с трещинами спайности биотита в момент его максимальной окраски. Обычно же окуляры крепятся в тубусе жестко, и необходимо только следить за тем, чтобы николи были взаимно перпендикулярны. Определение направлений колебаний оптической системы микроскопа производят только один раз и запоминают.

↑ Подготовка материала к работе

Для изучения минералов в проходящем свете следует использовать небольшие кристаллы или их обломки, способные пропускать свет, или шлифы, которые нужно изготовлять.

Шлиф представляет собой тонкую плоскопараллельную пластинку. Для изготовления шлифов плоскую поверхность сравнительно тонкого среза минерала или минерального агрегата (породы) наклеивают канадским бальзамом на предметное стекло (толщина его около 1 мм) и затем ошлифовывают до стандартной толщины 0,03 мм. В заключение на препарат при помощи того же канадского бальзама

(п – 1,54) наклеивается тонкое покровное стекло толщиной 0,1 – 0,2 мм. Иногда шлифы готовят из рыхлого материала, предварительно проваренного в канадском бальзаме для придания им прочности.

Порошковые, или иммерсионные, препараты готовят из рыхлых объектов (песка, глины, кристаллического порошка). Плотные объекты предварительно измельчаются. Зерна помещают на предметное стекло и покрывают покровным стеклом. В пространство между стеклами впускается капля жидкого канадского бальзама или какой-либо жидкости (иммерсионной) с известным показателем преломления.

Шлифы применяются главным образом при петрографических исследованиях. Они необходимы, когда требуется выяснить структуру данного кристаллического объекта и соотношения между отдельными слагающими его компонентами. Определение же кристаллов в порошковых препаратах обычно удобнее и применяется при минералогических исследованиях.

Поляризационный микроскоп является световой микроскоп , который использует поляризованный свет для работы с изображениями. Он используется для исследования оптически анизотропных ( двулучепреломляющих ) объектов. Это могут быть кристаллы или минералы с соответствующей структурой кристаллической решетки (собственное двойное лучепреломление) или изотропные материалы, на которые действуют механические силы (двойное лучепреломление под напряжением). В третью группу входят материалы, которые проявляют свойства двойного лучепреломления благодаря их расположению и ориентации (двойное лучепреломление формы в биологических или полимерных объектах).

Содержание

сказка

Еще в 1808 году французский физик Этьен Луи Малюс открыл преломление и поляризацию света. Уильям Николь изобрел призму для поляризации в 1829 году, которая более 100 лет была неотъемлемой частью поляризационного микроскопа. Позже призмы Николя были заменены более дешевыми поляризационными фильтрами.

Первый полный поляризационный микроскоп был построен Джованни Баттиста Амичи в 1830 году .

Рудольф Фюсс построил первый немецкий поляризационный микроскоп для петрографических целей в Берлине в 1875 году. Это было описано Гарри Розенбушем в ежегоднике по минералогии.

Устройство и принцип действия поляризационного микроскопа

Большой рабочий поляризационный микроскоп Поладун В.И. Rathenower Optische Werke (ROW), здесь в структуре проходящего света. Выпускался с 1961 по 1965 год (поставлен в ноябре 1962 года).

Если на предметном столике между двумя поляризационными фильтрами находится образец, оптические условия могут измениться. Некоторые химические соединения, например минералы , обладают свойством вращать плоскость колебаний света при определенных условиях; они называются двулучепреломляющими или оптически анизотропными . Изменение плоскости поляризации больше не приводит к полному гашению - часть света проникает в анализатор, и соответствующие структуры становятся видимыми. Также можно наблюдать цвета, возникающие из-за помех . Однако оптически изотропные материалы остаются темными.

Правила вымирания

Правила отмены описывают условия, при которых изображение становится темным:

Оптически изотропные материалы никогда не меняют направления колебаний и кажутся темными независимо от их ориентации.
Оптически анизотропные материалы структурированы таким образом, что свет в них может колебаться только в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если одно из этих направлений параллельно направлению поляризации возбуждающего света (также называемое нормальным положением), направление колебаний сохраняется при облучении образца. Поэтому свет полностью блокируется фильтром анализатора. Для каждого анизотропного кристалла существует ровно четыре ориентации с погасанием из-за вращения, все из которых перпендикулярны друг другу.

Освещение и интерференция цвета

Если оптически анизотропный материал ориентирован таким образом, что разрешенные плоскости колебаний в кристалле наклонены к плоскости поляризации стимулирующего света, свет в кристалле разделяется на два луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации (обыкновенный и необыкновенный луч). Определенные их части могут проходить анализатором в перекрестном положении, и изображение становится ярче.

Цветные изображения, типичные для поляризационной микроскопии, создаются интерференцией . В двулучепреломляющем материале свет обычного луча распространяется с другой скоростью, чем свет необычного луча. При выходе из объекта это приводит к разнице в пути между двумя лучами в зависимости от силы двойного лучепреломления и толщины объекта. Однако пока плоскости колебаний двух лучей перпендикулярны друг другу, они не могут мешать друг другу. Только через анализатор компоненты, колеблющиеся в направлении анализатора, отфильтровываются из обоих лучей. Они могут усиливаться или исчезать в соответствии с правилами вмешательства. Поскольку не все длины волн одинаково влияют на использование белого света в качестве возбуждения , некоторые цветовые компоненты (диапазоны длин волн света) гаснут, что может привести к особенно ярким и насыщенным цветами изображениям. В 1888 году Огюст Мишель-Леви составил очень четкую форму зависимости между толщиной, максимальным двулучепреломлением и разностью хода кристалла (цветовая шкала Мишеля-Леви).

Поляризационный микроскоп — один из самых сложных технологических и наукоемких видов оптического оборудования, ведь качество изображения, получаемое с данного прибора, зависит от безошибочного исполнения осветительной системы и используемых в конструкции микроскопа оптических деталей. Но и отличного знания оптики без изучения таких наук, как минералогия, кристаллография, петрография и др., не хватило бы разработчикам для создания поляризационной модели. Так как поляризационные микроскопы предназначены для исследования минералов, кристаллов, горных пород, биологических препаратов — анизотропных (в данном случае важно, что они изменяют поляризацию проходящего света) материалов, которым свойственно двойное лучепреломление.

Принцип действия данного вида приборов заключается в получении изображения после облучения исследуемого образца поляризационными лучами (при изменении направления поляризации света проявляются анизотропные свойства образца). Для этого в устройстве микроскопа, например, моделей поляризационных микроскопов Альтами, предусмотрены вращающиеся и разворачивающиеся друг относительно друга поляфильтры — поляризатор на 360° и анализатор на 180°. При исследовании объекта в проходящем свете поляризатор устанавливается в осветительной части микроскопа — под конденсор рядом с апертурной диафрагмой. Анализатор находится за объективом по ходу лучей, то есть между объективом и окуляром. При скрещивании поляфильтров видимое поле должно быть равномерно темным (эффект погашения), что говорит о высококачественной оптике используемого микроскопа и его правильной настройке. При достижении максимального затемнения исследуемый объект кладут на предметный столик и проводят наблюдение. Центрируемый относительно оптической оси, вращающийся на 360° предметный столик поляризационного микроскопа с градуировкой угла поворота (в лабораторном и исследовательском микроскопе имеет нониус) должен быть выполнен с высокой точностью. Это также относится и к осветительной системе и оптическим компонентам.

В комплект поляризационных микроскопов Альтами, как например, цифровых Альтами ПОЛАР 1 или Альтами ПОЛАР 3, часто входят компенсаторы и линза Бертрана. Компенсаторы (кварцевый клин и гипсовая пластинка в длину волны, пластина слюды в четверть волны) позволяют эффективно исследовать структуру минералов. Линза Бертрана помогает точнее исследовать изменения, проявляющиеся при повороте предметного столика с объектом, сосредотачивая и увеличивая область наблюдения.

Читайте также: