Lenzen en een microscoop

Waarom dit telt

Wormeieren, mijten, waterdiertjes en schimmels zijn te klein voor je ogen, en ze bepalen mede of de groep gezond blijft en de oogst goed blijft. Antoni van Leeuwenhoek keek in de zeventiende eeuw met één lensje van een tot twee millimeter. Zo'n instrument kun jij ook maken, met een stukje glas, een stukje blik en geduld. Maar een zelfgebouwde microscoop laat zien wat er is, niet wat er niet is: hij bewijst nooit dat water veilig of iemand gezond is.

Eerst doen

1. Zoek eerst echte instrumenten: schoolmicroscopen, verrekijkers, loepen (10.13 De stad als voorraadkast).
2. Bewaar elke lens droog, in een doek, in een doos met een etiket (10.12 De onderdelenbibliotheek, vak O).
3. Test elke lens: maakt hij letters groter of kleiner?
4. Meet van elke bolle lens de brandpuntsafstand en schrijf die op de doos.
5. Bouw een microscoop met één lens en oefen op een haar, zout en vijverwater.
6. Laat laserpointers dicht. Kijk nooit met een lens naar de zon.

Wat je nodig hebt

• Bolle lenzen: leesbrillen, loepen, lenzen uit verrekijkers, camera's, projectoren en scanners (DK.12 Computer, printer en harde schijf).
• Een holle lens uit een bril tegen bijziendheid, voor de kijker.
• Een stukje dun blik of messing, of dik zwart karton, en een naald.
• Dunne glazen staafjes, een kleine hete vlam (spiritus- of gasbrander) en een pincet.
• Dun lijstglas, in repen gesneden en geslepen, als objectglaasjes (11.12 Glas: wat kan en wat niet).
• Tape, kneedgom of was, en een liniaal met millimeterstreepjes (09.03 Meten en markeren).
• Kartonnen buizen voor een kijker.
• Licht: heldere lucht, een raam of een witte led-lamp.
• Een schrift voor tekeningen (16.02 Waarnemen en meten).

Werkwijze

Lenzen oogsten

Houd een lens boven een krant. Letters groter: bol. Letters kleiner: hol.

Laserpointers niet. Sommige bouwbeschrijvingen halen een lensje uit een laserpointer wordt getoetst. Doe dat niet. De FDA begrenst pointers op 5 milliwatt, maar ongeveer 60 procent van een steekproef was sterker dan het etiket zei. Boven 5 milliwatt kan volgens de American Academy of Ophthalmology een ogenblik al ernstige netvliesschade geven, en de FDA meldt dat zulk letsel vaak niet meteen pijn doet. Zonder oogarts is dat een blijvend slecht oog.

Brandpuntsafstand meten

De brandpuntsafstand (f) is de maat die alles bepaalt.

1. Houd de lens in de zon boven een witte kaart op een stenen ondergrond.
2. Beweeg de lens tot de lichtvlek zo klein en scherp mogelijk is. Doe dit snel: de vlek steekt papier aan.
3. Meet de afstand van het midden van de lens tot de kaart. Dat is ongeveer f.
4. Binnen: vang het kleine omgekeerde beeld van een raam aan de overkant van de kamer op een wit papier op, en meet de afstand als het scherp is. Dat is een ruwe waarde. Een bril met sterkte S (dioptrie) heeft f = 1000 mm gedeeld door S. Een leesbril van +2 heeft dus f = 500 mm, en een van +3 ongeveer 333 mm.

Vergroting schatten

Bij een loep rekent men met een kijkafstand van 250 mm: vergroting is ongeveer 250 mm gedeeld door f. Dat is een afspraak, geen meting. De bolletjes in de tabel volgen uit de formule verderop.

Controleer op iets bekends, zoals een haar van ongeveer 0,07 mm wordt getoetst of de streepjes van een liniaal.

Een microscoop met één lens

Dit is het type van Van Leeuwenhoek: één klein lensje tussen twee metalen plaatjes, vlak voor het oog. Zijn bewaarde instrumenten vergroten 68 tot 266 keer. Hij sleep zijn lensjes; een bolletje uit de vlam is de makkelijker weg, die Robert Hooke al beschreef. Hoe kleiner het bolletje, hoe sterker, maar ook hoe kleiner het beeld en hoe lastiger het kijken.

Een glasparel maken. Het televisieprogramma Rough Science deed het zo:

1. Zet een bril op. Houd het midden van een glazen staafje in de vlam tot het zacht wordt.
2. Haal het uit de vlam en trek het uit tot een heel dunne draad.
3. Breek de draad met een pincet.
4. Houd het uiteinde horizontaal in de vlam tot er een bolletje ontstaat, en draai het tot het 1,5 tot 2 mm breed is. Klein houden: de oppervlaktespanning houdt een klein bolletje rond, bij groter trekt de zwaartekracht het scheef.
5. Laat afkoelen en breek de draad 10 mm van de bol af. Dat steeltje gebruik je om de lens vast te zetten.
6. Maak er meerdere en kies de beste. Luchtbellen of strepen: weg ermee. Gebruik helder, kleurloos glas; flessenglas geeft een waas wordt getoetst.

Bolformule. Edmund Optics geeft voor een bollens: f = n × D gedeeld door 4 × (n − 1), gemeten vanaf het midden van de bol, met D de doorsnede en n de brekingsindex. Voor gewoon glas (n ongeveer 1,5) wordt getoetst wordt dat f = 0,75 × D. Het voorwerp komt heel dichtbij: de afstand van het glasoppervlak tot het brandpunt is f − D/2, dus bij een bolletje van 2 mm maar 0,5 mm. De regel klopt met het onderzoek: de makers van de Foldscope komen voor een saffierbol van 0,3 mm op f = 0,172 mm en 1450 keer.

Monteren.

1. Prik met een naald een gaatje in het blik, kleiner dan de bol wordt getoetst. Vijl de braam weg.
2. Maak het blik mat zwart met roet, tegen strooilicht wordt getoetst.
3. Zet de bol met wat was tegen het gaatje vast, zoals Hooke beschreef. Het kleine gaatje houdt de wazige rand van de bol tegen: de Foldscope-makers laten zien dat alleen het midden van een bollens scherp is.

Kijken.

1. Leg het voorwerp dun en doorzichtig op een glaasje, met een klein druppeltje water.
2. Houd het plaatje vlak tegen je oog.
3. Richt het geheel op heldere lucht of een raam. Nooit op de zon.
4. Beweeg het glaasje heel langzaam naar de lens toe tot het scherp is. Van Leeuwenhoek gebruikte schroeven om zijn voorwerp te verplaatsen en scherp te stellen; dat helpt enorm. Reken op dagen oefenen. De Foldscope, een papieren microscoop van Stanford met gekochte bollenzen, haalde gemeten 2,2 micrometer scherpte bij 140 keer en 1,4 micrometer bij 430 keer. Een bolletje uit de vlam haalt dat waarschijnlijk niet wordt getoetst.

Een lens op een smartphone

Heb je een werkende telefoon met stroom (DK.14 Smartphone en tablet), dan wordt die oog en geheugen tegelijk. Onderzoekers plakten een saffierbolletje van 1 mm in een plaatje boven de cameralens en kwamen op ongeveer 200 keer, met een helder beeldveld van ongeveer 0,2 mm. Een bol van 2 mm gaf een veld van bijna 0,5 mm.

1. Zet het bolletje in een gaatje in karton of dun blik.
2. Plak dat met kneedgom precies boven de cameralens.
3. Maak een houten kastje met een gat voor het glaasje en een witte led eronder.
4. Stel scherp met de afstand tussen glaasje en lens, en maak een foto. Die kun je vergelijken en bewaren. In dat onderzoek vond de telefoon 67 procent van de Giardia-monsters en 88 procent van de Cryptosporidium-monsters die een laboratoriummicroscoop vond. Niets zien betekent dus niet dat er niets is.

Een loep en een kijker

Loep. Een bolle lens met f van 25 tot 100 mm in een houten ring met steel. Houd hem dicht bij je oog en beweeg het voorwerp. Bruikbaar voor splinters, teken, luizen en neten (06.11 Luizen, vlooien, muggen en ratten).

Kijker met twee bolle lenzen (Kepler). De vergroting is f van het objectief gedeeld door f van het oculair. De buis is de som van beide lang. Het beeld staat op zijn kop.

1. Neem als objectief een brillenglas van +1 (f = 1000 mm).
2. Neem als oculair een loep van f = 50 mm.
3. Dat geeft 20 keer, met een buis van ongeveer 1050 mm.
4. Maak twee kartonnen buizen die in elkaar schuiven, om scherp te stellen.
5. Plak een ring van zwart papier voor het objectief, met een opening van 2 tot 3 cm. Dat maakt het beeld scherper, maar donkerder wordt getoetst.

Galilei-kijker. Bolle lens voor, holle lens als oculair: het beeld staat rechtop en de buis is korter. Een brillenglas van +1 met een brillenglas van −5 (f = −200 mm) geeft 5 keer in een buis van ongeveer 800 mm. Het beeldveld is klein. Een kijker uit brilglazen is geen verrekijker, maar je ziet er wel een rookpluim of een naderende groep mee (15.11 Wacht lopen en waarschuwen).

Wat je ermee kunt

Bacteriën zijn zo klein dat je ze in een zelfbouw zonder kleuring nauwelijks ziet wordt getoetst. Virussen zie je nooit. Teken wat je ziet en schrijf vergroting en datum erbij (16.03 Experimenten documenteren).

Bloed en ontlasting: alleen op niveau III

Dit is werk voor één getrainde persoon (07.07 Infecties en antibiotica), bij voorkeur met een echte microscoop. Voor malaria onderzoekt een laboratorium een dik en een dun uitstrijkje met een olie-objectief van 100 keer, en volgens de WHO minstens 100 velden voordat het negatief mag heten (CDC). Dat kan een zelfbouw niet. De Foldscope liet een gekleurd bloeduitstrijkje zien bij 1450 keer, maar de makers melden nog geen klinische toetsing.

• Trek uit wat je ziet nooit alleen een conclusie. Gebruik het samen met de klachten en het plan dat de groep met een arts maakt (07.07).
• Werk met handschoenen, op een aparte plek, met eigen glaasjes die je na gebruik kookt of weggooit (07.14 Steriliseren en een behandelruimte, 06.04 Persoonlijke hygiëne).
• Gebruik voor bloed alleen steriele prikkers, en nooit twee keer dezelfde.

Schoonmaken en bewaren

Hiervoor vond ik geen gezaghebbende bron; dit is gangbare praktijk wordt getoetst.

1. Blaas of kwast stof eerst weg. Wrijven met stof erop krast de lens.
2. Was vuil glas met een druppel zeep in schoon water, spoel, en dep droog met een schone katoenen doek.
3. Vingervet: een beetje alcohol op een zachte doek (11.09 Alcohol voor ontsmetting). Niet op kunststof lenzen.
4. Bewaar droog in een doos met gedroogde rijst of silicagel. Vocht is de vijand, want schimmel tast lenzen aan.
5. Laat een lens nooit onbedekt in de zon liggen: op een vensterbank kan hij brand veroorzaken (01.12 Vuur maken en beheren).

Zo weet je dat het werkt

• Je ziet een haar scherp en dik, en de vergroting klopt ongeveer met je berekening.
• Je ziet in een druppel vijverwater iets bewegen.
• Twee mensen tekenen los van elkaar hetzelfde voorwerp.
• De kijker laat in de verte een dak of boom scherp zien. Daarmee toon je aan dat de lens werkt. Niet dat water veilig is of iemand gezond.

Zo weet je dat het misgaat

• Alles is donker of wazig: te weinig licht of de afstand klopt niet. Richt op heldere lucht en breng het glaasje heel langzaam dichterbij.
• Het midden is scherp en de rand vaag: dat hoort bij een bollens. Maak het gaatje kleiner en schuif het voorwerp naar het midden.
• Je ziet stippen die meebewegen: stof, wimpers of luchtbellen in het bolletje. Maak schoon of vervang het bolletje.
• De kijker geeft gekleurde randen: de opening is te groot. Maak de papieren ring kleiner.
• Je krijgt hoofdpijn of je oog brandt: stop en neem pauzes.
• Iemand wil een uitslag terwijl je twijfelt: schrijf "niet vastgesteld" op. Dat is ook een uitslag.

Als je iets mist

Achtergrond

Een bolle lens buigt evenwijdig licht naar één punt: het brandpunt. Hoe sterker de kromming, hoe korter het brandpunt en hoe groter de vergroting. Een klein bolletje heeft een sterke kromming die je niet hoeft te slijpen, omdat de oppervlaktespanning van gesmolten glas het rond trekt. De prijs is een smal beeldveld, weinig licht en een voorwerp op minder dan een millimeter van de lens. Vergroten is niet hetzelfde als scherpte. Een bollens heeft fouten aan de rand, dus je dekt de rand af. De Foldscope-makers rekenen voor bollenzen op een grens rond 0,5 micrometer; een zelfgesmolten bol blijft daar waarschijnlijk ver van wordt getoetst. Meer vergroten zonder meer scherpte geeft alleen een grotere vlek. Een kijker werkt anders: het objectief maakt een klein beeld van iets ver weg, en het oculair werkt als loep op dat beeld. Bewijs: formules voor brandpunt, vergroting en kijker A (natuurkunde, Edmund Optics, Hyperphysics). Microscoop met één lens B (bewaarde instrumenten, Foldscope, reconstructie door Rough Science). Bollens op een telefoon B (één veldonderzoek, gekochte lens, beperkte gevoeligheid). Keuring met een bolletje uit de vlam C (geen meting gevonden). Malaria of andere diagnose met een zelfbouw D: niet gevalideerd, doe het niet.

Volgende niveau

Bouw een standaard: een houten voet, een schroef met fijne draad om scherp te stellen, een spiegeltje onder het glaasje, en een tweede lens als oculair voor een samengestelde microscoop. Leer lenzen slijpen op een metalen schaal met nat fijn poeder (11.12 Glas: wat kan en wat niet). Maak voor de keuring een vaste werkplek met logboek (04.14) en leid twee mensen op. Leg een atlas met eigen tekeningen aan (16.02 Waarnemen en meten).

Controlelijst

• Ik zoek eerst echte microscopen, loepen en verrekijkers voordat ik zelf bouw.
• Ik herken bolle en holle lenzen en meet de brandpuntsafstand.
• Ik schat de vergroting met 250 mm gedeeld door f en controleer die op iets bekends.
• Ik kan een glasbolletje maken, monteren en daarmee een haar scherp zien.
• Ik open nooit een laserpointer en kijk nooit met een lens naar de zon.
• Ik weet dat niets zien niet betekent dat water of vlees veilig is.
• Ik onderzoek bloed en ontlasting alleen met training, handschoenen en een plan van de arts.
• Ik bewaar lenzen droog en afgedekt, met het brandpunt op de doos.

Verantwoording

• Edmund Optics: Understanding ball lenses: formules voor het brandpunt van een bollens vanaf het midden en vanaf het oppervlak.
• Edmund Optics: Simple magnifier calculator: 250 mm kijkafstand, vergroting uit brandpunt, dioptrie is 1000 mm gedeeld door f.
• Hyperphysics: Telescope: vergroting en buislengte, Kepler-beeld omgekeerd, Galilei-beeld rechtop en korter.
• Lens on Leeuwenhoek: Leeuwenhoek's microscopes: geslepen lensjes van een tot twee millimeter, bewaarde instrumenten van 68 tot 266 keer, schroeven, bevestigen met was tegen een naaldgaatje volgens Hooke.
• PBS, Rough Science: Microscope: glasdraad trekken, bolletje van 1,5 tot 2 mm, steeltje van 10 mm, oppervlaktespanning, luchtbellen.
• Foldscope: Origami-based paper microscope, PLoS ONE 2014: saffierbol van 0,3 mm met f 172 micrometer en 1450 keer, gemeten scherpte bij 140 en 430 keer, grens rond 0,5 micrometer, alleen het midden scherp, bloeduitstrijkje, klinische toetsing nog te doen.
• Smartphone-microscoop met bollens voor Giardia en Cryptosporidium (PMC7500626): saffierbol van 1 mm, ongeveer 200 keer, beeldveld, jodium, afmetingen van cysten, gevoeligheid 67 en 88 procent.
• CDC DPDx: Blood specimens, microscopic examination: olie-objectief van 100 keer, WHO minstens 100 velden, dik en dun uitstrijkje.
• FDA: Laser toys, how to keep kids safe: grens van 5 milliwatt, oogletsel vaak zonder directe pijn.
• American Academy of Ophthalmology: Laser pointer eye injury: ernstige netvliesschade boven 5 milliwatt, ongeveer 60 procent sterker dan het etiket.
• School Physics: Measuring the focal length of a lens: beeld van een ver voorwerp geeft een ruwe waarde. De loepcalculator van Edmund en School Physics heb ik alleen als zoekfragment gezien. Het zoekbudget raakte op voordat ik een handboek microscopie, trichinenkeuring en de brekingsindex van flessenglas kon nagaan. Niet met een primaire bron onderbouwd en daarom gemarkeerd: sloop van camera's en telefoons, lensjes uit laserpointers in bouwbeschrijvingen, de dikte van een haar, flessenglas en draad uit dun glas, de brekingsindex, de maat van het gaatje, zwart maken met roet, de scherpte van vlamglas, de diafragmaring, trichinenkeuring, bacteriën in een zelfbouw, schade door de zon, jodium en inkt als kleurstof, en alle aanwijzingen voor schoonmaken en bewaren. Getoetst door: nog niet.