Обзор: школьный микроскоп из Китая и его разнообразные применения

Микроскоп — вещь занятная и хорошо помогающая в изучении окружающего мира. Причём мира не только в смысле природы, но и в смысле техники. В отношении последнего особенно интересно будет изучить структуру различных типов экранов. Кроме того, можно будет полюбоваться устройством старых микросхем (почему именно старых, а не новых, — разберём по ходу теста).

Цена на дату покупки с доставкой из Китая — $45.

Продавец позиционирует этот прибор одновременно как школьный микроскоп, детский микроскоп, биологический микроскоп. Иными словами, не для профессиональных целей.

Технические характеристики и комплектация

Технические характеристики для этого микроскопа неотделимы от его комплектации. Это связано с тем, что микроскоп имеет стандартный диаметр тубуса (23.2 мм) и стандартный барабан для объективов, совместимые с широким набором аксессуаров. Рассматриваться будет именно тот набор, который был куплен. Впоследствии потребитель может конфигурацию изменять.

Сначала — скриншот комплектации со страницы продавца:

Итак, кроме «тушки» собственно микроскопа, в комплект входят:

• три объектива (4x, 10x, 40x)(на картинке находятся на своих местах на барабане);
• два окуляра (16x и 30x);
• линза Барлоу 2x (удлинитель-увеличитель на тубус, на картинке — в правом верхнем углу);
• пластиковый пинцет для работы с исследуемыми образцами;
• предметные стёкла чистые (6 шт.);
• предметные стёкла с приклеенными образцами (2 шт.);
• ватная палочка на деревянной основе;
• пипетка (пластиковая);
• колбочки с образцами (6 шт.);
• покровные стёкла (100 шт.);
• плоский фонарик с 3-мя светодиодами;
• держатель для смартфона.

Комплекта оптических принадлежностей достаточно, чтобы изменять увеличение микроскопа в диапазоне 64x — 2400x. 

Диапазон фокусировки: 0 — 30 мм (условно от нуля, т.к. объектив 40x может при работе вплотную упираться в предметное стекло).

Длина тубуса: 120 мм.

Масса всего комплекта — 1.3 кг.

Всё это обширное хозяйство было упаковано в пенопластовую коробку, которая, в свою очередь, была вставлена в картонную коробку. Так упаковка выглядела в закрытом и раскрытом виде:

Комплектация микроскопа разложена на следующем фото:

Фонарик для подсветки — простой и примитивный:

Я им вообще не пользовался, а при необходимости подсветки использовал более мощный фонарь со светодиодом «тёплого» оттенка.

Конструкция микроскопа и оптических комплектующих

Основное рабочее положение микроскопа — вертикальное:

Такое положение заставляет работать с микроскопом стоя, что допустимо для его редкого использования, и не очень удобно — для частого. Думаю, в большинстве случаев микроскоп будет применяться редко; так что, как говорилось в классическом мультфильме, «и так сойдёт».

Предметный столик имеет традиционные «лапки» для прижима предметного стекла к столики. Эти «лапки» сделаны грубо, с заусенцами. Пришлось пройтись по ним мелким напильником, чтобы избежать порезов при работе.

Что касается тубуса, то микроскопы более серьёзного класса имеют наклонный тубус с соответствующей оптической системой, что позволяет работать, сидя за столом. В принципе, и в этом микроскопе можно наклонить тубус, но только одновременно с предметным столиком, что в большинстве случаев имеет мало смысла:

Окуляры и линза Барлоу вставляются в тубус легко и без усилия. К сожалению, даже слишком легко: после вставки они могут слегка на какую-то долю миллиметра болтаться в боковых направлениях. Это же касается и крепления для смартфона: он тоже одевается на любой из окуляров с существенным зазором; и, чтобы крепление не болталось, приходилось вставлять между ним и окуляром зубочистку, либо придерживать смартфон вместе с его креплением рукой. Такие вот прогрессивные технологические решения. :) В общем, критическими эти проблемы назвать нельзя, но некоторые неудобства создают.

Посмотрим на микроскоп вот в таком интимном ракурсе:

Станина микроскопа — металлическая (окрашенный алюминий). На ножках приклеены резиновые опоры, предотвращающие скольжение микроскопа на столе. Теперь посмотрим чуть выше:

Объективы микроскопа располагаются на традиционном револьверном механизме. Механизм крутится без лишних усилий, положения объективов фиксируются надёжно с характерным щелчком.

Предметный столик изготовлен из прочного и жесткого пластика (это — хорошо). Но он не имеет механизма для плавного перемещения ни по одной из координат, а это — плохо, поскольку перемещение предметного стекла с образцом вручную приводит к сильным рывкам изображения в окуляре. Под предметным столиком находится зеркальце для направления светового потока снизу на предметное стекло. Зеркальце двухстороннее: с одной стороны — плоское, а с другой — вогнутое. Вогнутая сторона зеркала позволяет направить на исследуемый образец более концентрированный световой поток. Положение зеркальца можно регулировать вращением по двум осям.

Теперь посмотрим на механизм фокусировки микроскопа:

Механизм состоит двух колёсиков с насечками (винт настройки) и зубчатой передачи. Винт настройки не имеет дополнительного микровинта для тонкой наводки на фокус, из-за чего настройка на фокус при максимальном увеличении затруднена (может потребоваться несколько итераций). Зубчатая передача сделана добротно, не люфтит. Единственный её минус: она смазана какой-то липкой смазкой, которая трудно смывается, если попадает на руки. Лишнюю смазку можно вытереть; но и даже после этого надо стараться не соприкасаться со смазанными деталями.

Теперь открутим объективы и изучим их. Сначала — вид снизу (со стороны предметного столика):

Все объективы имеют разную конструкцию.

• Левый объектив 4x кажется состоящим просто из «дырки». На самом деле его линза находится с обратной стороны.
• Средний объектив 10x — «классический», он имеет обычную жесткую конструкцию.
• Самый «хитрый» объектив — правый 40x. Его головка с линзой подпружинена и может двигаться назад, если объектив столкнётся с препятствием.

А столкновение с препятствием для этого объектива весьма вероятно, так как у него очень короткое фокусное расстояние. Достаточно сказать, что с этим объективом не удалось сфотографировать экран смартфона, так как толщина стекла экрана оказалась больше фокусного расстояния объектива.

Хотя объектив и подпружинен, всё равно пользоваться этим объективом надо осторожно. Головка объектива может передвигаться всего на несколько миллиметров, и, если пользователь будет упорствовать, то сможет раздавить исследуемый образец неподвижной частью объектива.

Вид объективов с обратной стороны:

Кстати, в одном из объективов линза была не плотно зажата своей гайкой, пришлось подкрутить. В общем, желательно перед использованием проверить, всё ли в объективах в порядке.

Теперь полюбуемся на окуляры и линзу Барлоу сразу в двух ракурсах — спереди и сзади:

Здесь — чуть подробнее о линзе Барлоу.

Она содержит вогнутую линзу (уменьшающую) и вставляется в тубус перед окуляром (а окуляр, соответственно, вставляется в корпус линзы Барлоу). За счет этого линза Барлоу виртуально (оптически) увеличивает длину тубуса в два раза и во столько же раз повышает общее увеличение. Платить за это приходится сужением поля зрения.

При работе с окулярами выяснилась неожиданная проблема: для таких окуляров (под тубус 23.2 мм) нигде нет «наглазников» — резиновых насадок, в которые упирается глаз при работе. Их не оказалось ни в комплекте, ни в целом на Алиэкспресс, ни в российских магазинах. Есть только для тубуса 30 мм. Совершенно непонятная ситуация! Плохо искал?! Пришлось имитировать наглазник сжатыми в колечко пальцами. Не слишком удобно, но работает! 

Вот, вроде и всё о конструкции. Переходим к испытаниям!

Методика исследования и фотосъемки экранов электронных книг и других экранов с матовой поверхностью

Проблема при фотосъёмке таких экранов через микроскоп состоит в том, что матовая поверхность «размазывает» микроструктуру экрана, расположенную под этой поверхностью. В результате изображение получается нечётким. Выход — есть, и очень простой, но требующий осторожности. Необходимо на экран капнуть жирную каплю воды, чтобы она слегка расплылась над снимаемым участком экрана. Вода сглаживает шероховатости экрана, и тогда изображение микроструктуры экрана получается гораздо более чётким.

Вот как этот процесс фотографирования с каплей воды выглядит в работе (капля воды — в центре кадра):

Даже на этой фотографии, сделанной обычным фотоаппаратом, видно, что под каплей воды изображение — более чёткое.

Методика исследования и фотосъемки жидкокристаллических экранов электронных устройств (TN, IPS и т.д.)

Здесь требуется всего лишь одна хитрость: ручными настройками установить экспокоррекцию на величину от -1 до -2. Как вариант, этого же результата можно добиться подбором соответствующей комбинации чувствительности, выдержки и диафрагмы. Если же не установить экспокоррекцию на минус, то субпиксели получаются с пересветом, а вокруг них образуются неестественные ореолы. Проблема возникает из-за того, что микроструктура ЖК-экранов имеет крайне высокую контрастность: субпиксели экранов светятся ярком светом, а промежутки между ними — почти чёрные.

Выбор устройства для фотосъемки через микроскоп

Сначала, конечно, был большой соблазн снимать всё на фотоаппарат. Тем более, что там можно установить зум от 3x и выше, и получить вообще огромное увеличение! Но при этом выяснилось, что в фотоаппаратах, работающих совместно с оптической системой микроскопа, крайне плохо работает автофокус; а ручной фокус при большом увеличении тоже тяжело настраивать. Более-менее благопристойные результаты получились лишь с цифромыльницей Panasonic Lumix DMC-FT5, да и то процент брака был очень высоким.

Пример удачной фотки (экран планшета IPS с плотностью пикселей 216 на дюйм):

Здесь также хорошо видны все особенности фотосъёмки с микроскопом независимо от метода съёмки: хорошая чёткость в центре кадра с быстрым падением к краям, а также сильное кругообразное виньетирование. В результате экспериментов оказалось, что наилучшие результаты получились всё-таки с обычным смартфоном (они и будут представлены в следующей главе). Возможно, что более качественные результаты были бы достигнуты с фотоокуляром. Но хорошие фотоокуляры стоят дороже, чем сам этот микроскоп, так что я ограничился съёмкой на смартфон.

Примеры фотографий, сделанных с помощью микроскопа

Начнём с фотографий технических объектов, а конкретно — с экранов различных типов. Затем перейдём к другим техническим объектам, и, конечно, к биологическим объектам (пестикам, тычинкам, и не только).

Ещё раз посмотрим на экран планшета IPS с плотностью пикселей 216 на дюйм, но теперь сфотографированный на смартфон (рядом — кроп 100% центральной части кадра):

Центральная часть кадра выглядит вполне благопристойно. Для некоторых дальнейших примеров аналогично будут показаны полный кадр и центральная часть.

Еще один экран IPS (фотоаппарата Panasonic Lumix DMC-FT5):

Этот экран интересен тем, что ряды субпикселей здесь смещены друг относительно друга.

Экран типа TN:

Здесь субпиксели более простые, без «крылышек».

Экран электронной книги ONYX BOOX Lomonosov (обзор — в процессе подготовки):

Хорошо видны микрогранулы пигмента, формирующие изображение.

Теперь переходим к фотографиям чипов микросхем.

Отдельные элементы чипов можно рассмотреть только у очень старых микросхем (примерно до конца 198х — начала 199х годов). Это связано с тем, что впоследствии производство чипов перешло на нормы литографии, величина которых меньше длины световой волны. Из-за этого у современных чипов в оптический микроскоп можно увидеть только их блочную структуру.

Микросхема 133ЛА7 (при вскрытии на чип попало немного мусора):

Вверху чипа видна часть его наименования (ЛА7).

Микросхема КМ573РФ4. Эта микросхема — ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, для чего в ней имелось прозрачное окошко, через которое и было сделано фото:

Эта микросхема была сделана по более тонким технологическим нормам, что заметно по более тесному расположению дорожек металлизации. Тем не менее, чип получился крупный, и даже при наименьшем увеличении микроскопа в поле зрения весь чип не поместился.

Микросхема 2764 (зарубежный аналог КМ573РФ4). Она изготовлена по ещё более тонким нормам:

Теперь переходим к разным пестикам-тычинкам и прочим биологическим объектам.

Особенность большинства этих объектов — в том, что они не плоские, а объёмные. Из-за этого практически невозможно подобрать ракурс, в котором все части объектов были бы в фокусе. С хорошей чёткостью получается только как бы срез частей объекта, находящихся на одинаковом расстоянии от объектива.

Семя одуванчика:

Тычинка какого-то жёлтого полевого цветка:

Пестик какого-то белого цветка:

Тычинка голубого цветка:

Лепесток цветка колокольчика полевого:

Здесь хорошо видна клеточная структура лепестка, но внутриклеточную структуру различить невозможно, для этого микроскоп слаб.

Теперь всесторонне изучим по частям следующего клиента (профессионального кровопийцу):

Его главное оружие — хоботок:

Хоботок комара оказался не гладким, как игла, а шероховатым и с многочисленными заусенцами. Возможно, это помогает ему удерживаться в теле жертвы.

А это — его лапки:

Фасеточные глаза злодея получились не очень убедительно:

Зато его орган обоняния (своего рода нос) получился неплохо:

Далее — крыло комара в двух вариантах увеличения (помельче и покрупнее):

Многие потенциальные покупатели микроскопов интересуются, можно ли с их помощью рассмотреть состав некоторых физиологических жидкостей, например, крови. Отвечаю: да, рассмотреть можно. При этом кровь рекомендуется размазать по предметному стеклу тонким слоем, иначе отдельные эритроциты будут плохо различимы в общей куче «внавал».

При максимальном увеличении можно сделать такие фото:

Тёмные точки в центре некоторых эритроцитов — это не ядра клеток, а детали их рельефа (эритроциты ядер не имеют).

Кстати, за взятие анализа крови выражаю благодарность своему коту Кузе (когти у него — как у льва, чесслово!). Хотя, возможно, стоило не благодарность выражать, а веником «угостить». :)

Подводя итоги этому фотоальбому, надо сказать, что наблюдение микромира через микроскоп получается довольно легко и просто, в отличие от фотосъёмки объектов, с которой приходится капитально повозиться. Настройка на фокус, даже при помощи автофокуса — это тот ещё фокус.

Окончание симпозиума (итоги и выводы)

Протестированный микроскоп показал себя не слишком совершенным изделием. Основные претензии — к механике. Отсутствие плавной настройки фокуса и передвижения предметного столика сильно затрудняют работу при большом увеличении. Что касается оптики, то, хотя и она тоже совсем не является верхом совершенства, но вполне достаточна для любительских применений.

Что касается положительных сторон протестированного микроскопа, то особо надо отметить продуманную комплектацию. Даже наличие в комплекте предметных и покровных стёкол — большой плюс. Пользователю не придётся озадачиваться вопросом, где взять эти «мелочи», без которых, в общем-то, ничего и не сделаешь. Также в комплекте хороший набор окуляров и объективов. Пожалуй, не хватает только окуляра с меньшим увеличением (5x). Он пригодился бы для съемки объектов крупным планом.

В целом можно охарактеризовать этот микроскоп, как минимально необходимый для технических и познавательных нужд. Цену оправдывает.

Купить можно, например, у этого продавца на Aliexpress. Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

Всем спасибо за внимание!