Dołącz do czytelników
Brak wyników

Laboratorium

2 października 2018

NR 10 (Lipiec 2015)

Nieprzyzwoicie tani mikroskop

0 201

Podstawowym elementem opisywanego mikroskopu jest kamera internetowa. Najlepiej wykorzystać najtańszą kamerę internetową podłączaną do komputera za pomocą złącza USB.

Mikroskop podświadomie kojarzy się z funkcjonalnością i precyzją wykonania. Dla uzyskania dobrych rezultatów konieczne jest wykorzystanie jak najdoskonalszych soczewek i jak najprecyzyjniej wykonanych elementów mechanicznych. To wszystko wpływa oczywiście na cenę tego urządzenia: dobry mikroskop nie jest zwykle tani i vice versa. Z punktu widzenia zainteresowanych nauczycieli, uczniów, wszelkich pasjonatów czy nawet zawodowych naukowców jest to często duży problem. Argument braku środków finansowych jest często podnoszony także przez kierownictwo szkół jako odpowiedź na zarzuty braku prowadzenia zajęć praktycznych, choćby w czasie lekcji biologii.

Między innymi z tych powodów w poprzednim numerze „Biologii w Szko­le” opisałem prostą metodę wizualizacji mikroorganizmów przy wykorzystaniu powszechnie dostępnych wskaźników laserowych [1]. Sposób ten niewątpliwie działa i zapewnia zaskakująco dobre rezultaty – uwzględniając oczywiście prostotę rozwiązania. Mimo wszystko uzyskany w ten sposób obraz nie jest idealny, ponieważ nie zapewnia odwzorowania szczegółów wewnętrznej budowy obserwowanych obiektów, a jedynie ich kształtu. Doświadczenie to przydaje się w szczególności do rozbudzenia ciekawości przyrodniczej. By jednak móc dokonać głębszej analizy uzyskanych rezultatów, należy uciec się do rozwiązań, które zapewnią bardziej szczegółowy obraz.

Dlatego tym razem chciałbym zaproponować Czytelnikowi zbudowanie taniego cyfrowego mikroskopu, który umożliwi obserwację zróżnicowanych preparatów: od stosunkowo dużych, jak całe owady, do naprawdę niewielkich, jak m.in. komórki roślinne czy jednokomórkowe orzęski. 

Na rynku są dostępne elektroniczne mikroskopy o dobrych parametrach, które są przeważnie tańsze od klasycznych mikroskopów świetlnych. Ich cena w wielu wypadkach niestety i tak bywa zaporowa. Samodzielna budowa takiego urządzenia da z pewnością wiele satysfakcji każdemu eksperymentatorowi. Proponowane rozwiązanie jest także dosyć ekonomiczne: koszt mojego urządzenia zamknął się w kwocie kilkudziesięciu złotych. Dlatego myślę, że nawet biorąc pod uwagę pewne ograniczenia, gra jest warta świeczki.

Budowa

Podstawowym elementem opisywanego mikroskopu jest kamera internetowa. Najlepiej wykorzystać najtańszą kamerę internetową podłączaną do kom­putera za pomocą złącza USB. Niska cena jest tutaj zaletą, ponieważ cięcie kosztów przez producentów powoduje, że takie konstrukcje są maksymalnie uproszczone pod względem mechanicznym. W dużym stopniu ułatwia to niezbędne przeróbki. Pierwszą czynnością, jaką musimy wykonać, jest demontaż obudowy kamery. Zwykle nie jest to trudne – wystarczy odkręcić kilka niewielkich śrubek. Niestety czasem elementy obudowy są klejone. Wtedy najlepiej posłużyć się ostrym nożem. Wszystkie opisywane czynności należy prowadzić ostrożnie, by nie uszkodzić delikatnych elementów wewnętrznych urządzenia.

Wewnątrz obudowy można zwykle znaleźć pojedynczą płytkę drukowaną, na której umieszczone są elementy tworzące układ elektroniczny kamery, a także niewielki tubus mieszczący optykę (fot. 1). Do płytki są też oczywiście podłączone przewody stanowiące linie zasilające i sygnałowe złącze USB, które służy do komunikacji urządzenia z komputerem. Czasem występują też dodatkowe przewody, którymi do płytki podłączony może być na przykład niewielki mikrofon elektretowy. Nie będzie nam on potrzebny, dodatkowe przewody można więc po prostu odciąć, by nie przeszkadzały w dalszych pracach. Trzeba przy tym zadbać, by nie doszło do zwarć.


Fot. 1. Wykorzystana w artykule kamera internetowa, bez obudowy

Chwilowo zatrzymajmy się w tym punkcie, by zastanowić się nad sposobem działania takiej kamery. Na rys. 1 przedstawiam jej uproszczony schemat.

Funkcjonowanie urządzenia jest dosyć proste: obraz za pomocą soczewki jest rzutowany na światłoczułą matrycę, a powstały w niej sygnał zostaje przetworzony przez układ elektroniczny i przesłany do komputera. Czytelnik z pewnością odnotuje analogię do budowy i sposobu działania oka. Kamery internetowe posiadają też zwykle dodatkowy filtr podczerwieni – bywa on umieszczany przed lub za soczewką. Ostrość obrazu reguluje się dzięki zmianie odległości soczewki od elementu światłoczułego, poprzez wkręcanie lub wykręcanie obiektywu wyposażonego w gwint o niewielkim skoku. Po usunięciu tego elementu wraz z soczewką można zobaczyć matrycę (fot. 2), w tańszych kamerach wykonaną zwykle w technice CMOS (ang. Complementary metal-oxide semiconductor).


Fot. 2. Kamera po usunięciu elementów optycznych, widoczna matryca światłoczuła (zaznaczona strzałką)


Rys. 1. Schemat budowy kamery internetowej

Trzeba uważać, by nie zabrudzić matrycy. Nawet najmniejsze zanieczyszczenia czy pyłki kurzu obecne na jej powierzchni zemszczą się potem wyraźnym pogorszeniem jakości uzyskiwanego 
obrazu.

Zastanówmy się teraz, w jaki sposób taką zabawkę można przekształcić w użyteczny edukacyjnie elektroniczny mikroskop. Jak już wcześniej wspomniałem, ostrość reguluje się tutaj poprzez zmianę odległości soczewki obiektywu od matrycy. Im bliżej matrycy położona jest soczewka, tym dalej od kamery może znajdować się fotografowany przedmiot, tak by uzyskany obraz był wyraźny. W naszym przypadku większe znaczenie ma fakt, że przy odpowiednio zwiększonej odległości matryca-soczewka możliwe staje się otrzymanie wyraźnego obrazu przedmiotów znajdujących się bardzo blisko soczewki! Daje to możliwość uzyskania całkiem sporych powiększeń, oczywiście jak na tak prostą konstrukcję.

Konieczność zbliżania soczewki do obserwowanego obiektu na niewielką odległość skutkuje potrzebą niewielkiej przeróbki obiektywu. Soczewka znajduje się w jego dolnej części, tak więc obiektyw jest zwyczajnie zbyt długi (fot. 3A). Mogłoby to przeszkadzać w umieszczeniu obserwowanego obiektu w odpowiednio małej odległości od soczewki.


Fot. 3. Obiektyw; A – przed modyfikacją, B – po modyfikacji

Obiektyw należy skrócić o przednią część, która nie zawiera soczewki. Element ten jest wykonany z tworzywa sztucznego, więc modyfikacja nie nastręcza trudności. Najlepiej ciąć tworzywo przy pomocy piły włośnicowej, uważając, by nie uszkodzić soczewki i pozostałego gwintu. Powstałą krawędź dobrze jest wygładzić przy pomocy drobnoziarnistego papieru ściernego, a następnie oczyścić soczewkę z powstałego pyłu. 


Rys. 2. Schemat konstrukcji nośnej i regulacyjnej mikroskopu; opis w tekście

W przypadku użytej w doświadczeniu kamery długość obiektywu wynosiła pierwotnie 17 mm, zaś po modyfikacji 
9 mm.
Tak przygotowany obiektyw umieszczamy z powrotem w oprawie z matrycą światłoczułą. Regulacja odległości między matrycą a soczewką, a także między soczewką a preparatem pozwala na uzyskanie wyraźnych obrazów przy zróżnicowanych powiększeniach.

Musimy jeszcze umożliwić regulację odległości obiektywu kamery od obserwowanego obiektu. Dokładność tej regulacji jest warunkiem otrzymania jak najwyraźniejszych obrazów. Na rys. 2 przedstawiam proponowane przeze mnie rozwiązanie.

Głównym elementem nośnym konstrukcji mikroskopu jest sztywna belka A, wykonana np. z płaskownika lub kątownika aluminiowego dostępnego w sklepach budowlanych. W nagwintowanym otworze w tej belce jest umieszczony wkręt B opierający się na środkowym punkcie elastycznej belki C – w tej roli zastosowałem zwykłą linijkę z tworzywa sztucznego. Belki mają zbliżoną do siebie długość, w przypadku mojego urządzenia jest to 20 cm. Są połączone na końcach przez kilkukrotne owinięcie taśmą izolacyjną z tworzywa sztucznego. Do belki C przymocowano kamerę D, której obiektyw powinien być skierowany w dół, czyli w kierunku obserwowanego preparatu E. Cała konstrukcja opiera się na podstawach F, których rolę mogą pełnić niewielkie statywy laboratoryjne, stosy książek lub cokolwiek innego, co umożliwi solidne oparcie.


Fot. 4. Gotowy mikroskop

Poprzez pokręcanie wkrętu B powodujemy mniejsze lub większe ugięcie belki C. Tym samym zyskujemy możliwość dokładnej regulacji odległości soczewki obiektywu kamery od preparatu, a więc też ostrości obrazu. Zakres regulacji jest wystarczający – nie należy pozwalać na zbyt duże ugięcie elastycznej belki, ponieważ może to doprowadzić do jej złamania. Zestawiony układ można zobaczyć na fot. 4. Natomiast fot. 5 przedstawia zbliżenie układu regulacji. Jak widać, w roli elementów nośnych zastosowałem stalowe podstawy niewielkich statywów laboratoryjnych. Ustawiłem je nietypowo, to znaczy bokiem.

Zaletą proponowanego rozwiązania jest to, że wykorzystano w nim jedynie łatwo dostępne materiały. Przy odpowiedniej staranności wykonania uzyskane efekty są całkowicie zadowalające. Wypróbowałem także inny sposób, z wykorzystaniem korpusu mikroskopu wraz z mechanizmem śruby makro- i mikrometrycznej. Umożliwia to znacznie doskonalszą regulację i jest godne polecenia, oczywiście jeśli ktoś ma dostęp do tego typu sprzętu. 


Fot. 6. Obraz skali szkiełka mikrometrycznego

Po podłączeniu do komputera obraz w postaci zdjęć lub filmów można zapisywać na dysku komputera za pomocą standardowego oprogramowania do obsługi kamer internetowych.

Obserwowane obiekty mogą być zarówno przezroczyste, jak i nieprzezroczyste. Jako oświetlenie dobrze nadaje się zwykła lampa biurowa, ale nic nie stoi na przeszkodzie, by zastosować prawie dowolne źródło światła. Nietrudno też zbudować prosty oświetlacz, tak by prowadzić obserwacje także w świetle przechodzącym. Barwę tła i sposób oświetlenia należy dobierać tak, aby uzyskać jak największy kontrast obrazu.

Po podłączeniu do komputera obraz w postaci zdjęć lub filmów można zapisywać na dysku komputera za pomocą standardowego oprogramowania do obsłu­gi kamer internetowych. Istnieje też możli­wość prezentacji obrazu w czasie rzeczywistym na ekranie komputera lub na ekranie przy wykorzystaniu rzutnika multimedialnego.

Rozdzielczość uzyskanych obrazów zależy od możliwości matrycy. W przypadku tanich kamer jest to zwykle 640 x 480 lub 800 x 600 pikseli. Nie jest to dużo, ale całkowicie wystarczająco do przeprowadzenia wielu obserwacji. Na dowód użyteczności opisywanego rozwiązania można przytoczyć fot. 6. Przedstawia ona uzyskany właśnie w ten sposób obraz skali szkiełka mikrometrycznego. Z łatwością można rozróżnić na niej działki o rozpiętości zaledwie 0,01 mm.


Fot. 7. Głowa osy średniej (Dolichovespula media); A – widok ogólny, B – zbliżenie; 
a – żuwaczki (mandibulae), b – czułek (antenna), c – oko złożone (oculus compositus), 
d – przyoczko (ocellus)


Fot. 8. Oczy osy średniej (Dolichovespula media); A – zbliżenie oka złożonego, widoczne omatidia (ommatidia), B – widok górnej powierzchni głowy, między oczami głównymi widoczne przyoczka (ocelli) oznaczone strzałką

Obserwacje

By nie być gołosłownym, chciałbym zaprezentować wyniki uzyskane przy pomocy tego prostego mikroskopu. Są to oczywiście jedynie przykładowe spostrzeżenia – zachęcam do własnych eksperymentów!

Urządzenie nadaje się wręcz wyśmienicie do prowadzenia obserwacji zewnętrznej budowy ciała niewielkich zwierząt, na przykład owadów.

Niesam...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy