الميكروسكوب الضوئي هو أداة تنتج صورًا مكبرة للأجسام الصغيرة بشكل يسمح للمراقب برؤية قريبة للهياكل الدقيقة على بعد مناسب من أجل تسهيل عملية الفحص و التحليل و رغم أن الميكروسكوبات الضوئية سواء كانت بسيطة أو مركبة هي الأكثر شيوعا و التي تستخدم فيها العدسات الزجاجية لتشكيل الصور إلا أنه يمكن التكبير أيضًا من خلال ميكروسكوبات أخري تستخدم أشكال مختلفة من الموجات مثل الأشعة الصوتية أو السينية أو الإشعاع الإلكتروني و يتم إستقبال النتائج إما عن طريق التصوير المباشر أو الرقمي و بصور ثابتة للعينات أو متحركة بحسب نوع الميكروسكوب و يقاس قوة التكبير عن طريق عدد المرات التي يبدو فيها الجسم الذي يتم فحصه مكبرا و يتم التعبير عنه عادة بالشكل 10× أي أن الصورة مكبرة بنسبة 10 أضعاف و يمكن للعدسة المكبرة اليدوية التكبير من حوالي 3 إلى 20 × أما الميكروسكوبات البسيطة ذات العدسة الواحدة فنطاق تكبيرها يصل إلى 300× أي تحليل ما يقل عن 1 ميكرومتر و تكون بذلك قادرة علي الكشف عن البكتيريا بينما يمكن للمجاهر المركبة أن تصل إلى 2000× أي تحليل حوالي 0.2 ميكرومتر .

و يمكن إلتقاط صور العينات عن طريق التصوير الفوتوغرافي من خلال الميكروسكوب و هي تقنية تعرف بإسم التصوير الميكروسكوبي و الموجودة منذ القرن التاسع عشر حيث كان يتم ذلك بإستخدام الأفلام الفوتوغرافية لكن في الوقت الحالي يتم الإعتماد علي نطاق واسع بتقنية التصوير الرقمي كما تخلت بعض الميكروسكوبات الرقمية عن العدسة العينية و أصبحت تقدم الصور مباشرة على شاشة الكمبيوتر و قد أدى هذا إلى ظهور سلسلة جديدة من الميكروسكوبات الضوئية الرقمية منخفضة التكلفة مع مجموعة واسعة من إمكانيات التصوير بما في ذلك التصوير المجهري بفواصل زمنية و التي جعلت المهام المعقدة و المكلفة سابقًا في متناول الهواة.

و تستخدم أنواع أخرى من الميكروسكوبات الطبيعة الموجية لمختلف العمليات الفيزيائية مثل الميكروسكوب الإلكتروني الذي يستخدم شعاع من الإلكترونات في تكوين صورته حيث يتمتع الميكروسكوب الإلكتروني النافذ (TEM) بقدرة تكبير تزيد عن 1,000,000× و يشكل صورًا لعينات رقيقة و عادةً ما تكون مقاطع في فراغ قريب و هناك أيضا الميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) الذي يخلق صورة منعكسة بارزة في عينة محيطة و عادة ما يكون ذو دقة أقل من السابق و لكنه يمكنه إظهار الأسطح الصلبة بطريقة لا يستطيع المجهر الإلكتروني التقليدي القيام بها كما هناك أيضًا ميكروسكوبات تستخدم الليزر أو الموجات الصوتية أو الأشعة السينية و من أبرز تلك الأنواع الميكروسكوب النفقي الماسح (STM) الذي يمكنه إنشاء صور للذرات و الميكروسكوب الإلكتروني الماسح البيئي (ESEM) الذي يولد صورًا بإستخدام إلكترونات العينات الموجودة في بيئة غازية أو في تأثيرات فيزيائية أخرى .

تاريخ الميكروسكوب

كان مفهوم التكبير معروفًا منذ زمن طويل ففي عام 1538 كتب الطبيب الإيطالي ” جيرولامو فراكاستورو ” في كتابه Homocentrica “إذا نظر أحد من خلال نظارتين أحدهما متراكب على الآخر فسوف يرى كل شيء أكبر بكثير ” ثم حصل ثلاثة من صانعي النظارات الهولنديين ” هانز يانسن ” و إبنه ” زكريا يانسن ” و ” هانز ليبرشي ” على الفضل في إختراع الميكروسكوب المركب حوالي عام 1590 و قد تم وضع أول تصور للميكروسكوب عام 1631 في ” هولندا ” و كان من الواضح أنه كان عبارة عن ميكروسكوب مركب به عدسة عينية و عدسة شيئية و مصنوعًا من الخشب و الكرتون و غالبًا ما يُزين بجلد السمك المصقول و كان شائعًا بشكل متزايد في منتصف القرن السابع عشر و إستخدمه الفيلسوف الطبيعي الإنجليزي ” روبرت هوك ” لتقديم عروض توضيحية منتظمة للجمعية الملكية الجديدة حيث بدأت هذه العروض في عام 1663 و بعد عامين نشر مجلدًا بعنوان ” ميكروجرافيا ” و الذي قدم فيه مجموعة واسعة من المناظر المجهرية للأشياء المألوفة (من بينها البراغيث و القمل و القراص) و في هذا المجلد صاغ مصطلح الخلية.

و في مقدمة كتاب “ميكروجرافيا ” تم وضع شرح لكيفية تحويل عدسة واحدة عالية الطاقة إلى ميكروسكوب صالح للإستخدام و من خلال ذلك التصميم بدأ الموظف المدني الهولندي ” أنتوني فان ليفينهوك ” وضع ملاحظاته الرائدة عن الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في المياه العذبة في سبعينيات القرن السابع عشر و صنع ميكروسكوباته التي يبلغ حجمها حجم طابع البريد و كان بإمكان أفضلها تحليل التفاصيل التي يبلغ حجمها حوالي 0.7 ميكرومتر و ظلت الميكروسكوبات ذات العدسة الواحدة شائعة حتى خمسينيات القرن التاسع عشر حيث إستخدمها عالم النبات الاسكتلندي ” روبرت براون ” عام 1827 لإثبات وجود نواة الخلية و هو المصطلح الذي صاغه في عام 1831.

و في خلال القرن التاسع عشر شجع ظهور أنواع جديدة من النظارات البصرية على التطوير المستمر للميكروسكوب كما تم إجراء تحسينات كبيرة في فهم البصريات الهندسية لتكوين الصورة حيث نشر العالم الإنجليزي ” جوزيف جاكسون ليستر ” عام 1830 عملاً يصف النهج النظري للتصميم الكامل لأهداف الميكروسكوب كما تم فحص فيزياء بناء العدسات من قبل الفيزيائي الألماني ” إرنست آبي ” عام 1868 الذي إخترع نظامًا غير لوني للعدسات و الذي تمتع بتصحيح ألوان أفضل من العدسات اللالونية ثم وصل الميكروسكوب الضوئي الذي تم إنتاجه في الربع الأخير من القرن التاسع عشر إلى مستوي إقترب كثيرا إلي ما هي عليه الأن .

الميكروسكوب البسيط

يتكون الميكروسكوب البسيط من عدسة واحدة تسمى تقليديا العدسة و المثال الأكثر شيوعًا لها في الوقت الحاضر هو عدسة القراءة أو العدسة المكبرة و غالبًا ما تُصنع العدسات ذات التكبير العالي الحالية بإستخدام عنصرين زجاجيين ينتجان صورة مصححة الألوان و هي معبأة في شكل أسطواني يمكن تثبيتها في مكانها مباشرة أمام العين و يشار إليها عمومًا باسم عدسات العين المكبرة أو عدسات المجوهرات و قد تم صنع الميكروسكوب البسيط التقليدي بإستخدام عدسة مكبرة واحدة و التي غالبًا ما كانت ذات جودة بصرية كافية للسماح بدراسة الكائنات المجهرية بما في ذلك الهيدرا و الطلائعيات.

و من الغريزي أنه عندما يرغب المرء في فحص تفاصيل شيء ما أن يقربه قدر الإمكان من العين لذلك كلما كان الجسم أقرب إلى العين كلما كانت الزاوية التي يتجه إليها عند العين أكبر، وبالتالي يظهر الجسم أكبر و مع ذلك إذا تم تقريب الجسم كثيرًا فلن تتمكن العين من تكوين صورة واضحة لذلك يتيح إستخدام العدسة المكبرة بين الراصد و الجسم تكوين صورة إفتراضية يمكن مشاهدتها و للحصول على أفضل صورة ممكنة يجب وضع المكبر مباشرة أمام العين ثم يتم توجيه الكائن محل الإهتمام نحو العين حتى يتم رؤية صورة واضحة له .

و بالنسبة للعديد من الأشخاص تبلغ مسافة الصورة ذات أعلي تكبير للعين حوالي 25 سم و مع تقدم العمر تنحسر أقرب نقطة للرؤية المميزة إلى مسافات أكبر مما يجعل المكبر مساعدًا مفيدًا للرؤية لكبار السن حيث ترتبط قوة التكبير أو المدى الذي يظهر به الكائن الذي يتم عرضه مكبرًا تبعا لهندسة النظام البصري و يمكن إيجاد القيمة العملية للقوة المكبرة للعدسة عن طريق قسمة أقل مسافة رؤية مميزة على البعد البؤري للعدسة و هي المسافة من العدسة إلي المستوى الذي يتركز عليه الضوء الوارد فعلى سبيل المثال إذا كانت العدسة ذات مسافة رؤية مميزة لا تقل عن 25 سم و طول بؤري 5 سم سيكون لها قوة تكبير تبلغ حوالي 5× و إذا كان قطر العدسة المكبرة كافيًا لملء أو تجاوز قطر بؤبؤ العين فإن الصورة الإفتراضية التي يتم عرضها ستظهر بنفس سطوع الجسم الأصلي مع الأخذ في الإعتبار أن الإنحرافات المختلفة تؤثر على حدة الصورة أو جودتها .

و توجد عدة أنواع من المكبرات المتاحة حيث يعتمد إختيار التصميم البصري للمكبر على الطاقة المطلوبة و طبيعة التطبيق المراد فبالنسبة إلي الطاقة المنخفضة أي ما بين 2–10× يمكن إستخدام عدسة محدبة مزدوجة بسيطة و يمكن تحسين الصورة إذا كانت العدسة تحتوي على أسطح شبه كروية محددة و يمكن الحصول عليها بسهولة في شكل عدسة بلاستيكية مصبوبة و للحصول على قوى أعلى تبلغ 10-50× هناك عدد من أشكال العدسات المكبرة حيث يتم إستبدال المكبر البسيط بعدسة مركبة مكونة من عدة عدسات مثبتة معًا و يمكن الحصول على تحسن مباشر في التشوه الذي يمكن توقعه من المكبر عن طريق إستخدام عدستين بسيطتين و عادة ما تكون محدبة مستوية أي مسطحة من جانب واحد و منحنية للخارج من الجانب الآخر .

الميكروسكوب المركب

يستخدم الميكروسكوب الضوئي المركب للتغلب على القيود المفروضة على دقة قوة التكبير الموجودة في الميكروسكوب البسيط حيث يتم نقل الصورة بواسطة مصفوفتين من العدسات أحدهما شيئية و هي لها طول بؤري قصير و توضع بالقرب من الكائن الذي يتم فحصه و تستخدم لتكوين صورة حقيقية في المستوى البؤري الأمامي للعدسة الثانية العينية حيث تشكل تلك العدسة صورة إفتراضية مكبرة يمكن للمراقب مشاهدتها و تكون قوة تكبير المجهر المركب هي نتاج تكبير العدسة الشيئية و العينية و بالإضافة إلى هاتين المصفوفتين من العدسات يتكون المجهر المركب من أنبوب حيث يمكن وضع العدسات و إبقائها على مسافة مناسبة بعيدًا عن بعضها البعض مع عدسة مكثفة تقع أسفل العينة تعمل علي تركيز الضوء عليها مع وجود نظام إضاءة الذي ينقل الضوء من خلال الجسم الذي يتم فحصه أو يعكس الضوء منه و يعتبر الشكل الأساسي للميكروسكوب المركب هو أحادي العين حيث يتم فيه إستخدام أنبوب واحد و تكون العينة في أحد طرفيها و عدسة واحدة في الطرف الآخر و من أجل السماح بالرؤية بعينين و هو ما يساهم في زيادة الراحة و المتابعة يمكن إستخدام عينة واحدة في أنبوب مجهري مزود بزوج متطابق من العدسات و يتم إستخدام منشورات تقسيم الشعاع لإرسال نصف الضوء من الصورة التي شكلها الهدف إلى كل عين و يتم تركيب هذه المنشورات في مجموعة ميكانيكية دوارة بحيث يمكن إجراء الفصل بين العدسات لتتناسب مع المسافة بين الحدقتين المطلوبة للمراقب كما يتم تكوين الميكروسكوب المجسم الحقيقي بإستخدام هدفين و عدستين مما يمكّن كل عين من رؤية الجسم بشكل منفصل و هو ما يجعله يبدو ثلاثي الأبعاد .

و يتم تصميم نظام الإضاءة الخاص بالميكروسكوب الضوئي القياسي لنقل الضوء من خلال جسم شفاف للعرض و في الميكروسكوب الحديث يكون مصدر الضوء مكون من مصباح كهربائي أو صمام ثنائي باعث للضوء و نظام عدسة يشكل المكثف و يوضع أسفل المنصة و يعمل علي تركيز الضوء مما يوفر إضاءة ساطعة و موحدة في منطقة الجسم الخاضع للمراقبة و عادة يركز المكثف صورة مصدر الضوء مباشرة على مستوى العينة و هي تقنية تسمى الإضاءة الحرجة أو يتم تركيز صورة المصدر على المكثف و الذي بدوره يركز على بؤبؤ دخول الميكروسكوب و هو نظام يعرف باسم إضاءة كولر و من المهم أن يغطي الضوء الصادر من المصدر الجسم و يملأ فتحة الدخول لهدف المجهر بالضوء .

و يتم اختيار العدسة لفحص الصورة المرسلة في ظل ظروف مريحة للمشاهد و قوة تكبير العدسة بشكل عام لا تتجاوز 10× و يبلغ إجمالي مجال الرؤية حوالي 40 درجة وهي قيمة مناسبة لتصميم بصري بسيط نسبيًا حيث يضع الراصد العين عند مخرج بؤبؤ العدسة و هي النقطة التي تتجمع عندها أشعة الضوء الخارجة من العدسة و في معظم الحالات يكون من المرغوب فيه توفير راحة للعين بإبعادها عن الميكروسكوب بمسافة 1 سم لأن راحة العين القصيرة جدًا تجعل الرؤية صعبة بالنسبة للمراقبين الذين يرتدون النظارات التصحيحية .

الميكروسكوبات المتخصصة

يتم تعديل الشكل الأساسي للميكروسكوب الضوئي من قبل المصممين للملاءمة حيث تتوفر مجموعة من التعديلات الخاصة به لتلبية عدد من الأغراض المحددة لتكون أنواعها كالتالي :

• الميكروسكوبات المقلوبة : بالنسبة لبعض الأغراض الخاصة و لا سيما فحص مزارع الخلايا يكون من العملي أكثر أن يتم تركيب الميكروسكوب رأسًا على عقب و في هذا النوع يقع مصدر الضوء و المكثف في الأعلى و يوجه الضوء إلى الأسفل و يتم تعيين العينة مع عنصره الأمامي في الأعلى و تكون العدسات بزاوية لأعلى حتى يتمكن المراقب من دراسة العينات و تعتبر الميكروسكوبات المقلوبة مهمة في علم الأحياء و البحوث الطبية.
• الميكروسكوبات المجسمة : و هي مجاهر ثنائية العين و تتكون من زوج متطابق من المجاهر المثبتة جنبًا إلى جنب بزاوية صغيرة بين المحاور البصرية بحيث يتم تصوير الجسم بشكل مستقل لكل عين و يتم الإحتفاظ بالتأثير المجسم الذي يسمح بتمييز التضاريس على الجسم و لأسباب عملية عادة ما تكون قوة التكبير لهذه الأدوات في نطاق 5 إلي 250× و تعتبر هذه المجاهر مهمة في أي عمل يتم فيه إجراء تعديلات دقيقة على الأدوات أو الأجهزة فعلي سبيل المثال غالبًا ما يُستخدم المجهر المجسم في المختبرات البيولوجية لتشريح الأشخاص و في غرفة العمليات لإجراءات الجراحة المجهرية كما تُستخدم المجاهر المجسمة ذات الطاقة المتوسطة على نطاق أوسع في تصنيع الإلكترونيات حيث تمكن الفنيين من مراقبة ترابط الخيوط بالدوائر المتكاملة.
• الميكروسكوبات الإستقطابية : و هي مجاهر تقليدية ذات ميزات إضافية تسمح بالمراقبة تحت الضوء المستقطب و يكون مصدر الضوء لمثل هذه الأداة مجهز بمرشح إستقطابي أي أن موجات الضوء تهتز في إتجاه معين و ليس بشكل عشوائي في جميع الإتجاهات كما هو الحال في الضوء العادي و تستخدم المجاهر المستقطبة في المقام الأول لفحص طبيعة البلورات في العينات الجيولوجية و لتحليل تفاصيل الإنكسار المزدوج و الإجهاد في الهياكل البيولوجية و قد كان لها أهمية حاسمة في الكشف عن ألياف الأسبستوس و مراقبتها.
• الميكروسكوبات المعدنية : و تُستخدم الميكروسكوبات المعدنية لتحديد العيوب في الأسطح المعدنية و لتحديد حدود الحبوب البلورية في السبائك المعدنية و لدراسة الصخور و المعادن و يستخدم هذا النوع الإضاءة العمودية حيث يتم إدخال مصدر الضوء في أنبوب المجهر أسفل العدسة عن طريق مقسم الشعاع و يضيء الضوء و يركز على العينة ثم يتم بعد ذلك تصوير الضوء المنعكس أو المنتشر مرة أخرى إلى الهدف مجددا في العدسة و بهذه الطريقة يمكن فحص الأجسام غير الشفافة مثل المعادن تحت المجهر كما أن لها أيضًا تطبيقات في علوم الطب الشرعي و الميكروسكوب التشخيصي.
• الميكروسكوبات الإنعكاسية : و تتميز المجاهر من هذا النوع بأنها تعكس الأهداف بدلاً من إنكسارها و يتم إستخدامها لإجراء الفحص المجهري على نطاق واسع من الضوء المرئي و خاصة في مناطق الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء و يتكون هدف المجهر العاكس عادةً من مكونين و هو مرآة أولية مقعرة كبيرة نسبيًا و مرآة ثانوية محدبة أصغر حجمًا .
• الميكروسكوبات المتباينة المراحل : تتكون العديد من الكائنات البيولوجية المثيرة للإهتمام من هياكل خلوية التي تكون شبه شفافة و نظرًا لعدم وجود تباين في اللون أو النقل في مثل هذا الجسم فمن غير الممكن مراقبة البنية الخلوية بإستخدام المجهر الضوئي التقليدي لذلك فتستخدم تلك النوعية من الميكروسكوبات .
• الميكروسكوبات التداخلية : على الرغم من أن جميع المجاهر الضوئية بالمعنى الدقيق للكلمة تخلق صورًا بالحيود فإن المجهر التداخلي ينشئ صورًا بإستخدام الفرق بين شعاع التداخل غير المعدل بواسطة العينة و الشعاع المطابق الذي ينيرها حيث يقوم مقسم الشعاع بتقسيم الضوء إلى مسارين أحدهما يمر عبر العينة و الآخر يتجاوزها .
• الميكروسكوبات المتحدة البؤر : و يستخدم في أبحاث علم الأعصاب حيث تعد الميزة الرئيسية للمجهر متحد البؤر في أنه يتم إكتشاف ما هو موجود في التركيز الضوئي فقط و يظهر أي شيء خارج التركيز باللون الأسود .
• الميكروسكوبات فوق البنفسجية : تم تطوير الميكروسكوبات فوق البنفسجية (UV) أوائل القرن العشرين من قبل العلماء الألمان “أوجست كولر” و “موريتز فون رور ” و تستخدم على نطاق واسع في الفحص المجهري الفلوري .