مجهر ضوئي

مجهر ضوئي optical microscope هو نوع من المجهر الضوء المرئي الذي يستخدم نظام العدسات لتكبير الصور لعينات صغيرة. Optical microscopes are the oldest design of microscope and were possibly invented in their present compound form in the 17th century. Basic optical microscopes can be very simple, although many complex designs aim to improve resolution and sample contrast.

Scientist using an optical microscopes in a laboratory

A modern microscope with a mercury bulb for fluorescence microscopy. The microscope has a digital camera, and is attached to a computer.

The object is placed on a stage and may be directly viewed through one or two eyepieces on the microscope. In high-power microscopes, both eyepieces typically show the same image, but with a stereo microscope, slightly different images are used to create a 3-D effect. A camera is typically used to capture the image (micrograph).

The sample can be lit in a variety of ways. Transparent objects can be lit from below and solid objects can be lit with light coming through (bright field) or around (dark field) the objective lens. Polarised light may be used to determine crystal orientation of metallic objects. Phase-contrast imaging can be used to increase image contrast by highlighting small details of differing refractive index.

A range of objective lenses with different magnification are usually provided mounted on a turret, allowing them to be rotated into place and providing an ability to zoom-in. The maximum magnification power of optical microscopes is typically limited to around 1000x because of the limited resolving power of visible light. While larger magnifications are possible no additional details of the object are resolved.

Alternatives to optical microscopy which do not use visible light include scanning electron microscopy and transmission electron microscopy and scanning probe microscopy and as a result, can achieve much greater magnifications.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 الأنواع

Diagram of a simple microscope

There are two basic types of optical microscopes: simple microscopes and compound microscopes. A simple microscope uses the optical power of a single lens or group of lenses for magnification. A compound microscope uses a system of lenses (one set enlarging the image produced by another) to achieve a much higher magnification of an object. The vast majority of modern research microscopes are compound microscopes, while some cheaper commercial digital microscopes are simple single-lens microscopes. Compound microscopes can be further divided into a variety of other types of microscopes, which differ in their optical configurations, cost, and intended purposes.

 المجهر البسيط

A simple microscope uses a lens or set of lenses to enlarge an object through angular magnification alone, giving the viewer an erect enlarged virtual image. The use of a single convex lens or groups of lenses are found in simple magnification devices such as the magnifying glass, loupes, and eyepieces for telescopes and microscopes.

 مجهر مركب

Diagram of a compound microscope

A compound microscope uses a lens close to the object being viewed to collect light (called the objective lens), which focuses a real image of the object inside the microscope (image 1). That image is then magnified by a second lens or group of lenses (called the eyepiece) that gives the viewer an enlarged inverted virtual image of the object (image 2). The use of a compound objective/eyepiece combination allows for much higher magnification. Common compound microscopes often feature exchangeable objective lenses, allowing the user to quickly adjust the magnification. A compound microscope also enables more advanced illumination setups, such as phase contrast.

 تنويعات أخرى من المجاهر

There are many variants of the compound optical microscope design for specialized purposes. Some of these are physical design differences allowing specialization for certain purposes:

• Stereo microscope, a low-powered microscope which provides a stereoscopic view of the sample, commonly used for dissection.
• Comparison microscope has two separate light paths allowing direct comparison of two samples via one image in each eye.
• Inverted microscope, for studying samples from below; useful for cell cultures in liquid or for metallography.
• Fiber optic connector inspection microscope, designed for connector end-face inspection
• Traveling microscope, for studying samples of high optical resolution.

Other microscope variants are designed for different illumination techniques:

• Petrographic microscope, whose design usually includes a polarizing filter, rotating stage, and gypsum plate to facilitate the study of minerals or other crystalline materials whose optical properties can vary with orientation.
• Polarizing microscope, similar to the petrographic microscope.
• Phase-contrast microscope, which applies the phase contrast illumination method.
• Epifluorescence microscope, designed for analysis of samples that include fluorophores.
• Confocal microscope, a widely used variant of epifluorescent illumination that uses a scanning laser to illuminate a sample for fluorescence.
• Two-photon microscope, used to image fluorescence deeper in scattering media and reduce photobleaching, especially in living samples.
• Student microscope – an often low-power microscope with simplified controls and sometimes low-quality optics designed for school use or as a starter instrument for children.
• Ultramicroscope, an adapted light microscope that uses light scattering to allow viewing of tiny particles whose diameter is below or near the wavelength of visible light (around 500 nanometers); mostly obsolete since the advent of electron microscopes
• Tip-enhanced Raman microscope, is a variant of optical microscope based on tip-enhanced Raman spectroscopy, without traditional wavelength-based resolution limits. This microscope primarily realized on the scanning-probe microscope platforms using all optical tools.

 المجهر الرقمي

A miniature USB microscope.

المقالة الرئيسية: مجهر رقمي

A digital microscope is a microscope equipped with a digital camera allowing observation of a sample via a computer. Microscopes can also be partly or wholly computer-controlled with various levels of automation. Digital microscopy allows greater analysis of a microscope image, for example, measurements of distances and areas and quantitation of a fluorescent or histological stain.

Low-powered digital microscopes, USB microscopes, are also commercially available. These are essentially webcams with a high-powered macro lens and generally do not use transillumination. The camera is attached directly to a computer's USB port to show the images directly on the monitor. They offer modest magnifications (up to about 200×) without the need to use eyepieces and at a very low cost. High-power illumination is usually provided by an LED source or sources adjacent to the camera lens.

Digital microscopy with very low light levels to avoid damage to vulnerable biological samples is available using sensitive photon-counting digital cameras. It has been demonstrated that a light source providing pairs of entangled photons may minimize the risk of damage to the most light-sensitive samples. In this application of ghost imaging to photon-sparse microscopy, the sample is illuminated with infrared photons, each spatially correlated with an entangled partner in the visible band for efficient imaging by a photon-counting camera.

 التاريخ

انظر أيضاً: History of optics and Timeline of microscope technology

 الاختراع

The earliest microscopes were single lens magnifying glasses with limited magnification, which date at least as far back as the widespread use of lenses in eyeglasses in the 13th century.

Compound microscopes first appeared in Europe around 1620 including one demonstrated by Cornelis Drebbel in London (around 1621) and one exhibited in Rome in 1624.

The oldest published image known to have been made with a microscope: bees by Francesco Stelluti, 1630

عرف اليونانيون العدسة المكبِّرة واستخدموها للتكبير ولإشعال النار، كما عرفها العرب، إلا أن ابتكار ما يعرف اليوم باسم المجهر المركَّب compound microscope لم يتم حتى عام 1590، ويعود الفضل في ذلك إلى صانع النظارات الهولندي زخارياس جانسن Z.Janssen. وقد استخدم گاليليو هذا النوع من المجاهر لدراسة الحشرات وهي تتحرك، إضافة إلى تعرف بنية حاسة البصر لديها. وتمكَّن روبرت هوك R.Hooke في القرن السابع عشر من تطوير مجهر بزَّ سابقيه من المجاهر، لا يختلف كثيراً عن المجهر المركَّب الذي ينتشر استخدامه اليوم.

 تقنيات الإضاءة

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المكونات

Basic optical transmission microscope elements(1990s)

Two Leica oil immersion microscope objective lenses; left 100x, right 40x.

يتألف المجهر المركَّب الحديث أو المجهر الضوئي optical microscope من قرص دوَّار nosepiece يحمل عدَّة عدسات جسمية objective lenses ذات تكبير متزايد، ومن عدسة عينية eyepiece أو عدستين في أعلى أنبوب أجوف (أو اثنين). يوضع الجسم المراد فحصه على منصة stage تحت إحدى العدسات الجسمية، وتنار المنصة المثقوبة من مركزها بمنبع ضوئي مركَّز بعدسة مكثفة، وتُستخدم مرآة ومصباح خارجي أو ضوء النهار لإنارة العينة الموضوعة على المنصة. وتُستخدم لوالب للضبط السريع وأخرى للضبط البطيء لضبط وضع جسمية المجهر فوق العينة، كما يُستخدم لولب لضبط وضع العدسة المكثفة لإنارة العينة الموضوعة على المنصة.

يتضح سير الأشعة الضوئية في المجهر المركَّب، وفيه تجعل العينة على بعد من العدسة الجسمية أكبر من بعدها المحرقي بقليل، فتشكل للجسم المفحوص خيالاً حقيقياً مقلوباً وأكبر من الجسم، يقع بين رأس العينية ومحرقها، وتشكل له هذه العدسة الأخيرة خيالاً وهمياً مكبراً ومقلوباً، هو مايراه الناظر في عينية المجهر. ولما كان الخيال النهائي قد كُبِّر في مرحلتين، فإن التكبير النهائي للجسم المفحوص في المجهر يساوي جداء تكبيري العدستين الجسمية والعينية. فإذا كان تكبير العدسة الجسمية أربعين مرة (40×) وتكبير العدسة العينية عشر مرات (10×) أمكن الحصول على تكبير نهائي مقداره أربعمئة مرة (400×).

إلا أن التكبير وحده على الرغم من فائدته لا يكفي. فثمة ميزة أخرى مهمة تُعرف باسم الميْز أو مقدرة الفصل resolving power، وهي أصغر مسافة بين نقطتين على الجسم المفحوص تظهران في المجهر كنقطتين منفصلتين. وقد بيَّن الفيزيائي الألماني إرنست آبّه Ernst Abbe عام 1873 أن مقدرة الفصل، أو المَيْز، في مجهر مركب ترتبط بطول موجة الضوء المستخدم λ وبقرينة انكسار الوسط الذي توضع فيه العينة n، وتُعطى بالعبارة:

حيث تمثّل α نصف زاوية رأس مخروط الأشعة الضوئية التي تدخل إلى الجسمية. ويسمى الجداء 2n sin α فتحة العدسة العددية numerical aperture. وبالطبع كلما كانت الفتحة العددية أكبر كانت مقدرة الفصل في المجهر أفضل. وقد يُلجأ لتحسين مقدرة الفصل كذلك إلى استخدام زيت الأرز ذي قرينة الانكسار العالية مقارنة بالهواء لتحسين مقدرة الفصل في المجهر ولزيادة الزاوية α.ويتضح وضعان لجسمية المجهر بالنسبة للعينة المدروسة، وواضح أن مقدرة الفصل في الجزء (أ) من الشكل أفضل من الجزء (ب)، حيث إنه تتكشف تفاصيل دقيقة في (أ) تختفي في (ب). يمكن أن تبلغ مقدرة الفصل في أفضل المجاهر الضوئية القيمة 2×10-4مم أي 0.2 ميكرون.

لقد طورت بعض المجاهر لأداء مهام محددة.

 العدسة (العين)

•  مقالة مفصلة: العدسة

 الهدف

•  مقالة مفصلة: الهدف (البصريات)

 Oil immersion objective

•  مقالة مفصلة: Oil immersion

 Stage

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التكبير

 التشغيل

Optical path in a typical microscope

 تقنيات الإضاءة

•  مقالة مفصلة: المجهر

• Four examples of transilumination techniques used to generate contrast in a sample of tissue paper. 1.559 μm/pixel.
• 

  Bright field illumination, sample contrast comes from absorbance of light in the sample.

• 

  Cross-polarized light illumination, sample contrast comes from rotation of polarized light through the sample.

• 

  Dark field illumination, sample contrast comes from light scattered by the sample.

• 

  Phase contrast illumination, sample contrast comes from interference of different path lengths of light through the sample.

 المتغيرات المجهر الضوئي

•  مقالة مفصلة: المجهر

A miniature USB microscope.

انظر أيضاً: Stereo microscope, Comparison microscope, Confocal microscope, USB microscope, and Digital microscope

 المجهر الرقمي

•  مقالة مفصلة: المجهر الرقمي

•  مقالة مفصلة: USB microscope

 المجهر التجسيمي stereoscopic microscope

وهو ذو تكبير محدود مجهز بزوجي عينيات جسمية خالية من الزيوغ مائلين على الشاقول، لتشكل صورة مجسَّمة ومكبرة للعيِّنة الموضوعة على منصته. وقد تكون العينة موضوع الاختبار كتيمة، فتضاء عندها من الأعلى، أو شفافة فتضاء عندها من الأسفل.

 المجهر الاستقطابي polarizing microscope

وهو يستخدم لفحص الصخور باختلاف أنواعها. وهنا يستخدم ضوء مستقطب يجتاز العيّنة المدروسة. كما يستخدم محلِّل analyzer لتحليل الضوء بعد اجتيازه العينة. وتسبب المنصة الدوارة التي توضع عليها العينة، والظاهرة في الشكل (6)، تغيراً في استقطاب الضوء النافذ ويفيد قياس مقدار التغير في الكشف عن مكوِّنات العينة موضوع الدراسة.

 المجهر الطوري phase microscope

تضاء العينة في هذا النوع من المجاهر بمخروط أجوف من الضوء، فيدخل الضوء العدسة الجسمية، التي تحتوي على جهاز حلقي يخفف من شدة الضوء النافذ ويقحم صفيحة ربع موجية تسبب انزياحاً في طور الضوء. يسمح هذا الترتيب بكشف تغيرات طفيفة في قرينة الانكسار في العينة الشفافة ويجعلها أكثر وضوحاً. وهذا النوع من المجاهر مفيد جداً في دراسة الأنسجة الحية.

 المجهر المنزلق sliding microscope

يسمح هذا النوع من المجاهر بقياس الأبعاد بدقة، إذ تجهَّز عينيته بخطين متصالبين، وينزلق المجهر على مسطرة مدرجة بالمليمترات، وتزوَّد بڤرنيه vernier تسمح بقراءة أجزاء من مئة من المليمتر. يمكن استخدام هذا النوع لأغراض علمية كقياس أقطار الأنابيب الشعرية أو أقطار حلقات نيوتن الناشئة من تداخل الضوء وغير ذلك.

 المجهر الطوري phase microscope

تضاء العينة في هذا النوع من المجاهر بمخروط أجوف من الضوء، فيدخل الضوء العدسة الجسمية، التي تحتوي على جهاز حلقي يخفف من شدة الضوء النافذ ويقحم صفيحة ربع موجية تسبب انزياحاً في طور الضوء. يسمح هذا الترتيب بكشف تغيرات طفيفة في قرينة الانكسار في العينة الشفافة ويجعلها أكثر وضوحاً. وهذا النوع من المجاهر مفيد جداً في دراسة الأنسجة الحية.

 المجهر المنزلق sliding microscope

يسمح هذا النوع من المجاهر بقياس الأبعاد بدقة، إذ تجهَّز عينيته بخطين متصالبين، وينزلق المجهر على مسطرة مدرجة بالمليمترات، وتزوَّد بڤرنيه vernier تسمح بقراءة أجزاء من مئة من المليمتر. يمكن استخدام هذا النوع لأغراض علمية كقياس أقطار الأنابيب الشعرية أو أقطار حلقات نيوتن الناشئة من تداخل الضوء وغير ذلك.

 القيود

3D dual color super resolution microscopy with Her2 and Her3 in breast cells, standard dyes: Alexa 488, Alexa 568 LIMON

 انظر أيضاً

• Digital microscope
• Köhler illumination
• Microscope slide

 قراءات أخرى

• "Metallographic and Materialographic Specimen Preparation, Light Microscopy, Image Analysis and Hardness Testing", Kay Geels in collaboration with Struers A/S, ASTM International 2006.

 وصلات خارجية

• Antique Microscopes.com A collection of early microscopes
• Historical microscopes, an illustrated collection with more than 3000 photos of scientific microscopes by European makers (بالألمانية)
• The Golub Collection, A collection of 17th through 19th Century microscopes, including extensive descriptions
• Molecular Expressions, concepts in optical microscopy
• Online tutorial of practical optical microscopy
• OpenWetWare
• Cell Centered Database
• Antonie van Leeuwenhoek: Father of Microscopy and Microbiology