Исследовательская работа по физике "USB-микроскоп"

Отдел образования

Пинского городского исполнительного комитета

ГУО «Средняя  школа №16 г. Пинска»

«Микроскоп»

 

                                                                              Выполнили

 ученики 11 «А» класса:

Гладун Дмитрий Павлович

Линкевич Александр Сергеевич

руководитель:

Лысый  Андрей Петрович,

учитель первой категории.

Пинск, 2012  г.

Содержание

Введение …………………………………………………………………... 3

Основная часть ………………………………………………………….. 4

   Краткая теория ………….………………………………………………. 4

   Виды микроскопов  ……………………………………………………... 5

·        Оптический микроскоп …………………………………………….. 5

·        Цифровой микроскоп ………………………………………………..6

Практическая часть ……………………………………………………….. 8

·       Процесс сборки .…………………………………………………….. 9

·       Тестирование ……………………………………………………….. 10

Заключение ……………………………………………………………….. 11

Выводы …………...………………………………………………………... 11

Литература …………………………………………………………………12

Приложение ………………………………………………………………..13

Введение

Сегодня трудно представить себе научную деятельность человека без микроскопа, а с учетом развития современных технологий хотелось бы не только получать увеличенное изображение, но и сохранять его на электронном носителе.

Блуждая по всемирной паутине, мы нашли одну статью, в которой рассматривается создание цифрового микроскопа из обычной web-камеры. Мимо этого мы не смогли пройти.

Цель:

·        Узнать, возможно ли объединить микроскоп и web-камеру.

·        При положительном результате оценить его эффективность и применить на практике.

Основная часть

Краткая теория

Микроско́п (греч. μικρός — маленький и σκοπέω — смотрю) — прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом.

Микроскоп широко применяется в большинстве лабораторий медицины и биологии, геологии и материаловедения. Полученные с помощью микроскопа результаты необходимы при постановке точного диагноза, при контроле над ходом лечения. С использованием микроскопа происходит разработка и внедрение новых препаратов, делаются научные открытия.

Первые микроскопы, изобретённые человечеством, были оптическими, и первого их изобретателя не так легко выделить и назвать. Самые ранние сведения о микроскопе относят к 1590 году и городу Мидделбург, что в Голландии, и связывают с именами Иоанна Липперсгея (который также разработал первый простой телескоп) и Захария Янсена, которые занимались изготовлением очков. Чуть позже, в 1624-ом году Галилео Галилей представляет свой составной микроскоп, который он первоначально назвал «оккиолино» (occhiolino итал. — маленький глаз). Годом спустя его друг по Академии Джованни Фабер предложил для нового изобретения термин микроскоп.

Разрешающая способность микроскопа - это способность микроскопа выдавать чёткое раздельное изображение двух близко расположенных точек объекта. Степень проникновения в микромир, возможности его изучения зависят от разрешающей способности прибора. Эта характеристика определяется, прежде всего, длиной волны используемого в микроскопии излучения (видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение). Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излучения.

Виды микроскопов

В зависимости от требуемой величины разрешения рассматриваемых микрочастиц материи, микроскопии, микроскопы разделяются на:

1.     Оптический микроскоп:

·        Ближнепольный оптический микроскоп;

·        Конфокальный микроскоп;

·        Двухфотонный лазерный микроскоп;

·        Поляризационный микроскоп;

2.     Электронный микроскоп:

·        Просвечивающий электронный микроскоп;

·        Растровый электронный микроскоп;

3.     Сканирующий зондовый микроскоп:

·        Сканирующий атомно-силовой микроскоп;

·        Сканирующий туннельный микроскоп;

4.     Рентгеновский микроскоп:

·        Рентгеновский микроскоп отражательный;

·        Рентгеновский микроскоп проекционный;

·        Лазерный рентгеновский микроскоп (XFEL).

5.     Дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп.

Оптический микроскоп

Принцип его работы основан на улавливании и усилении линзой отражаемого от рассматриваемого объекта светового потока. Современный световой микроскоп позволяет получить изображение стабильно высокого качества. Сложная оптическая система со специальными линзами и механизмом точной настройки, а также многолучевой осветительный модуль, обеспечивающий бестеневое смотровое поле с ярким нейтральным светом, позволяют сохранить чёткость изображения даже при большом увеличении. Использование галогеновых, ксеноновых или светодиодных ламп предотвращает искажение цвета, что особенно важно для исследовательских задач. Бинокулярный микроскоп обеспечивает объёмное восприятие объекта и в последнее время применяется всё чаще. Модели прибора с расщепителем светового луча позволяют получить два идентичных изображения для совместного наблюдения сразу двумя специалистами.

Несмотря на кажущуюся простоту и «историческую завершенность» конструкции оптические микроскопы постоянно совершенствуются. Причем совершенствуется не только сами элементы конструкции, как сказали бы специалисты-компьютерщики, - «хард», но и появляется теоретическая база (так сказать, «софт») для принципиально новых разработок. Так, совсем недавно, в 2006 году, немецкие ученые разработали оптический микроскоп, позволяющий получать изображения объектов, сопоставимых с длиной световой волны, что раньше можно было сделать только при помощи электронного микроскопа.

Цифровой микроскоп

Развитие информационных технологий потребовало принципиально нового подхода к организации микроскопического исследования. Прежде всего, это было связано с необходимостью обеспечить возможность непосредственной компьютерной обработки информации, получаемой с помощью микроскопа, исключающей из рутинных операций «субъективное» звено – человека, и освобождающее его интеллект для решения творческих, неординарных задач. Внешне сам прибор может мало отличаться от привычного, все дело в дополнительной «начинке», значительно повышающей возможности цифрового микроскопа по сравнению с обычным. Собственно, цифровой микроскоп – это единый комплекс, объединяющий оптическую либо электронно-лучевую системы получения данных (собственно микроскоп), систему кодирования (цифровая камера) и систему обработки данных (компьютер). Этот комплекс, управляемый специализированной программой, быстро и с минимальным вмешательством человека сможет выполнить практически все «стандартные» операции. Особенно важно в этой ситуации не только то, что система может не только мгновенно передавать полученные и обработанные данные в любую точку мира, но и даже сама принимать те или иные решения. И если в медицине окончательное решение все равно всегда будет принимать человек, то в других отраслях деятельности, например, в производстве высокотехнологичной продукции, такая система может работать практически самостоятельно. Действительно, контроль сотен тысяч параметров, например, при производстве микросхем, вполне можно поручить компьютерной программе, которая, работая совместно с цифровым микроскопом и робототехническим комплексом, не только может заменить человека, но и, в конечном итоге, позволит значительно снизить себестоимость high-tech продукции, в том числе, и того же самого цифрового микроскопа.

Исходя из всего вышесказанного, к основным достоинствам цифрового микроскопа можно отнести:

• точная передача формы, границы и цвета объекта,
• возможность выполнения разнообразных тонких работ,
• сохранение результатов исследования (как промежуточных, так и конечных),
• возможность производить наблюдения с экрана монитора,
• возможность передачи результатов на расстояния,
• возможность редактирования изображения, а также применения компьютерных методов анализа результата.

Чтобы соединить микроскоп и камеру, используются специальные адаптеры, которые обеспечивают точную передачу изображения (без искажений и с максимальным процентом видимого поля микроскопа на светочувствительную матрицу камеры). При наблюдении с помощью цифрового микроскопа настоятельно рекомендуется использовать тринокулярную насадку, которая дает возможность проводить съемку объекта наблюдения без дополнительных трансформаций микроскопа.

Для того чтобы передать изображение с микроскопа в компьютер, могут использоваться следующие приборы:

• Цифровые камеры
• Цифровые фотокамеры
• Аналоговые системы ввода

Выбор системы ввода будет напрямую зависеть от Ваших требований к качеству изображения, а также от задач, которые Вы ставите перед собой, как исследователем.

К примеру, Аналоговые 1CCD (одноматричные) и 3CCD (трехматричные) телевизионные цветные или черно-белые камеры способны обеспечить достаточное высокое качество изображения (это достигается благодаря расширенным настройкам цветности и других параметров). С помощью аналоговых систем можно записать динамические процессы с высокой частотой, без сжатия и пропусков кадров (здесь важна не только сама камера, но и используемый фрейм-граббер). Однако аналоговые камеры сегодня вытесняются цифровыми системами (этот процесс начался еще в 90-х годах прошлого века). Подобные камеры совершенствуются день ото дня (увеличивается разрешающая способность, повышается качество и надежность). Эти системы ввода имеют широкие настройки по цвету, возможность передачи изображения на монитор в виде живого видео, а также способность работать в режиме накопления сигнала (что весьма полезно при малой освещенности объекта). В третью группу систем ввода входят, конечно же, цифровые фотоаппараты, которые также обеспечивают получение изображений достаточно высокого разрешения, а также правильную цветопередачу. Но, тем не менее, не рекомендуется использовать цифровые фотоаппараты со световым микроскопом (особенно это касается наблюдений при достаточно большой кратности).

Таким образом, сравнивая различные системы ввода, можно сделать следующие краткие замечания:

1.     Качество изображения, передаваемого аналоговой камерой, сильно зависит от используемой платы ввода, - фрейм-граббера – который может различаться типом телевизионного сигнала, точностью, разрешением, пропускной способностью, встроенными средствами обработки изображений (цена здесь варьируется от 30 до 3000 долларов).

2.     Но фрейм-граббер способен дать изображение на экране компьютера не более чем из 400 тысяч пикселей.

3.     В то же время цифровые камеры и фотоаппараты способны передать изображение из 16 млн. пикселей.

4.     В свою очередь, цифровые фотоаппараты отличаются от цифровых камер скоростью ввода (у камер она гораздо больше).

Каждая из перечисленных систем ввода хороша по-своему, и именно Вам решать, какая именно из них больше всего подойдет для Ваших исследований.

Сегодня в связи с массовым распространением персональных компьютеров цифровые микроскопы унифицировались, большинство из них работает при подключении к стандартному USB порту компьютера, на котором установлено соответствующее программное обеспечение, совместимое с конкретной моделью цифрового микроскопа. Иногда даже употребляют термин «USB-микроскоп».

Сейчас цифровой микроскоп становится вполне доступным не только для серьезных научных либо производственных центров, но даже для обычных школ. Более того, уже разработаны методики его применения на уроках биологии, а в недалеком будущем можно ожидать и появления «школьного» (детского) цифрового микроскопа, столь же доступного по цене, как и широко распространенные простые оптические модели.

Практическая часть

Изучив теорию по микроскопам, методику предложенную авторами и не уверенные в конечном результате, мы выбрали самую дешевую модель web-камеры, которую нашли в городе. Ею оказалась web-камера Dialog WC-01U. Ее характеристики:

·       Физический размер сенсора: 1/6"

·       Тип сенсора: CMOS

·       Число эффективных пикселей: 350000

·       Аппаратное разрешение видео: 640x480px (VGA)

·       Программное разрешение видео: До 2560x1920 (5 Мп, интерполяция)

·       Частота кадров видео: YUV2: до 30 FPS@640x480

·       Аппаратное разрешение фото: 640x480px (VGA)

·       Программное разрешение фото: До 5120x3840 (20 Мп, интерполяция)

·       Угол обзора: 64°

·       Количество цветов: 16,7 Миллионов цветов (24-bit)

·       Поддержка стандарта UVC: Да

·       Фокусировка: Ручная, 0.03м ~ ∞

·       Экспозиция: Авто

·       Баланс белого: Авто

·       Диафрагменное число: 2.8

·       Встроенный микрофон: Да

·       Тип микрофона: Всенаправленный электретный

·       Чувствительность микрофона: -38±4 дБ

·       Частотный диапазон микрофона: 20Гц~16кГц

Для сборки штатива мы использовали следующие комплектующие:

·        Деревянная подставка

·        Металлические уголки различных размеров

·        Мебельные салазки

·        Крепежные детали

·        Светодиодная подсветка

·        Инструменты (отвертки, пассатижи, дрель со сверлами разных диаметров, ножовка, линейка, карандаш)

Процесс сборки

         1. Сняли с web-камеры подставку и отделили защитную крышку от корпуса. Выкрутили объектив и, перевернув другой стороной, прикрепили его с помощью двустороннего скотча. Закрепили защитную крышку на корпусе web-камеры.

         2. К деревянной подставке прикрепили металлический уголок с подготовленными отверстиями.

         3. К металлическому уголку прикрепили предметный столик с помощью уголков меньшего размера и мебельные салазки с закрепленной на них web-камерой.

         4. Собрали фокусировочный механизм и закрепили его на салазках.

         5. Присоединили вогнутое зеркало для фокусировки света.

Тестирование

В процессе тестирования мы использовали долговременные препараты, взятые в кабинете биологии и не только (см. приложение).

Используя полученные результаты, нами было рассчитано увеличение полученного изображения в микроскопе. Для этого мы использовали дифракционную решетку. Она была помещена под микроскоп и сфотографирована.

Дифракционная решетка:

На 1 мм дифракционной решетки приходится 100 просветов. На нашем увеличенном изображении на 123 мм приходится 25 просветов. Составим пропорцию.

N , где N – это увеличение микроскопа;

N , т.е. увеличение изображения в 492 раза.

Заключение

Актуальность нашей работы, заключается в том, что собранный прибор является универсальным, то есть может быть использован не только на уроках физики, что в условиях дефицита лабораторного оборудования имеет важное значение.

С точки зрения экономии средств для приобретения оборудования наш прибор выигрывает в цене при необходимых разрешительных возможностях.

Данный микроскоп имеет большое практическое значение для школы, т.к. позволяет облегчить выполнение некоторых работ по физике, биологии и другим предметам, делает эти работы более наглядными.

Широкое применение найдет на факультативных занятиях по биологии, географии, трудовому обучению. Можно использовать его и на занятиях дополнительного образования.

Выводы

Наш микроскоп прост в использовании, безопасен для зрения и затраты на его производство значительно меньше нежели цена на оптический или электронный микроскоп.

К недостаткам прибора следует отнести небольшой угол обзора, что увеличивает время точной настройки микроскопа.

Литература

1.     Соболь С.Л. История микроскопа и микроскопических исследований в России в XVIII веке. 1949.

2.     Кулагин С.В., Гоменюк А.С. и др. Оптико-механические приборы. Москва, 1984

3.    Микроскопы. Ленинград, 1969

4.     Проектирование оптических систем. Москва, 1983

Интернет -ресурс

1.     Сайт http://www.smartvideos.ru, где мы и нашли данную статью.

2.     Сайт http://www.youtube.com, как первоисточник. Благодарим его пользователя raelchifi, который опубликовал данную статью.

Приложение

Кровь лягушки:

Поперечный срез дождевого червя:

Клещ иксодовый:

Человеческий волос:

Кристаллы соли:

Рыболовная леска (0,1 мм):