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Microscopios ópticos – algunos fundamentos básicos

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El microscopio óptico ha sido una herramienta estándar en las ciencias de la vida, así como la ciencia de los materiales durante más de un siglo y medio. Para utilizar esta herramienta de manera económica y eficaz, ayuda mucho a entender los conceptos básicos de la óptica, especialmente de los componentes esenciales que forman parte de cada microscopio.

Lente y espejo

Los instrumentos ópticos como microscopios, telescopios y binoculares utilizan elementos ópticos para producir una imagen de un objeto. Los dos elementos más comunes para los objetos de imagen son la lente convergente y el espejo cóncavo.

Fig. 1-2: Lente convergente (izquierda), espejo cóncavo (derecha)
Fig. 1-2: Lente convergente (izquierda), espejo cóncavo (derecha)

Las lentes son más comunes en los microscopios ópticos; Por lo tanto nos centraremos en lentes en la exploración siguiente de las funciones básicas del microscopio. Los espejos cóncavos se utilizan para fines de formación de imágenes en telescopios reflectantes. Muy a menudo, espejos cóncavos también se utilizan para la iluminación, como faros en aplicaciones automotrices.

Formación de imagen a través de una lente

Antes de explorar cómo funciona una lente de este tipo, los términos y definiciones cruciales de una lente tienen que ser aclarados. Todo el mundo que nunca (mis) usó una lupa como un vidrio quemado ha descubierto que una lente crea un “punto caliente” cuando se apunta al sol. Este punto se llama el punto focal. La distancia desde el centro de la lente hasta este punto focal se llama longitud focal.

Al reproducir este experimento con diferentes tipos de lentes convergentes, se descubrirá que la longitud focal depende principalmente de la curvatura de la lente. De hecho, un radio más pequeño de la curvatura resulta en una distancia focal más corta. Otro dato será descubierto: las lentes con un diámetro grande son más “efectivas” que aquellas con una más pequeña. Con esta conclusión ya hemos definido dos de los datos de referencia más importantes de una lente: longitud focal y apertura (diámetro).

Para simplificar el manejo del diámetro de la lente se expresa generalmente en relación con la longitud focal. En el campo de la microscopía este parámetro se denomina apertura (también: apertura numérica NA). La abertura numérica se define NA = n sen α, donde n es el índice de refracción del medio que llena el espacio entre el objeto y la lente, y α es el medio ángulo del máximo cono de luz que puede entrar en la lente (Figura 3). ). Los fotógrafos definen la apertura de un objetivo por su número f. Esto se define como la relación de la distancia focal al diámetro de la lente (N = f / D) (Figura 4). En contraste con el valor NA, los números f pequeños indican una gran apertura.

 

Fig. 3: Definición de apertura en lentes de microscopio

 

 

 

 

 

 

 

Fig 4: Definición de apertura para lentes fotográficas

 

Nuevamente: ¿Qué hace que la imagen de un objeto sea a veces más pequeña y, a veces, más grande que el objeto? La respuesta es: ¡Con una distancia focal dada es la distancia relativa que define el tamaño!

Hay un detalle importante a tener en cuenta cuando se habla de generación de imágenes: Hay dos “puntos pivotes” estrictamente vinculados a cada lente: los puntos focales (uno antes y otro detrás de la lente).

Los siguientes ejemplos describen situaciones típicas de imágenes formadas por una lente:

1. El objeto tiene una distancia infinita a la lente 

En este caso se asumen rayos paralelos desde el objeto hasta la lente. Estos son redirigidos en la lente para reunirse en el plano del punto focal trasero y generar una imagen en el plano del punto focal.

Fig.5: Objeto a distancia infinita

 

2. El objeto está situado a una distancia relativamente grande (por ejemplo, 100 veces la longitud focal) 

Esta situación produce una imagen que es más pequeña que el objeto (aproximadamente un centésimo del tamaño del objeto original).

Fig. 6: Objeto a gran distancia

 

3. El objeto se encuentra a una distancia dos veces la distancia focal frente a la lente.

Esta posición crea una imagen del objeto que es del mismo tamaño que el propio objeto (escala de reproducción 1: 1). La imagen se encuentra en una posición dos veces la distancia focal desde el lado posterior de la lente. Por cierto, esta es la distancia más corta que puede tener de un objeto a otro.

 

Fig. 7: Objeto en dos veces el plano focal

 

 

4. El objeto está situado delante del punto focal pero dentro del rango de dos veces la longitud focal.

 Bajo estas condiciones, se genera una imagen que es más grande que el objeto.

Fig. 8: Objeto entre plano focal simple y doble.

5. El objeto está situado en el punto focal de la lente. 

En este caso, se genera una imagen virtual, no real. Los rayos dejaron la lente en paralelo. No se puede encontrar ninguna imagen a menos que utilicemos otro sistema óptico, p. Nuestro ojo, que sigue las condiciones del caso 1.

Fig. 9: Objeto en el plano focal

Las descripciones y diagramas anteriores han sido simplificados para facilitar la comprensión de los principios ópticos básicos. En realidad, casi todos los elementos de imagen consisten en más de una lente. Los dibujos anteriores presentan el elemento óptico como una “lente delgada” idealizada. Después de explorar estas situaciones estándar de imágenes de un solo paso, ahora implementaremos estos hallazgos en un instrumento óptico de dos pasos: el microscopio compuesto.

El microscopio compuesto

El microscopio óptico amplía un objeto en dos pasos. En ambos pasos se utilizan sistemas ópticos que actúan como lentes convergentes. Los dos componentes se utilizan en dos de las situaciones antes mencionadas:

  1. El primer paso es colocar el objeto entre el punto focal simple y doble. El resultado es una imagen magnificada, real. Esta lente del microscopio (en realidad un sistema óptico que consta de varias lentes) se llama el objetivo.
  2. Entonces se utiliza una segunda lente para recoger esta imagen exactamente en su punto focal delantero. Como resultado generamos un haz de rayos paralelos, pero no una imagen real. Este elemento óptico se denomina ocular. El ojo humano es capaz de manejar este haz paralelo y genera una imagen sobre su retina.
  3. Finalmente, esto es lo que se puede esperar de un microscopio: los objetos se pueden observar en una escala ampliada con detalles indetectables a simple vista.

Una pista para el uso práctico: el ojo tiene que ser colocado una distancia corta sobre el microscopio. Técnicamente hablando, la pupila de nuestro ojo debe ubicarse en el mismo lugar que la pupila de salida del microscopio. Esta pupila de salida se puede ver fácilmente cuando se aumenta la intensidad de luz de la iluminación del microscopio. Es el punto estrecho brillante visible sobre el ocular.

El posicionamiento correcto resulta particularmente importante cuando se mira con ambos ojos usando un tubo binocular. La distancia entre los dos oculares debe ajustarse con precisión para que coincida con la distancia de los ojos.

Fig. 10: Microscopio compuesto, esquema

 

 

¿Cómo podemos fotografiar imágenes microscópicas?

Como la salida regular de un microscopio óptico es un haz de rayos paralelos, una imagen real tiene que ser producida primero. Afortunadamente, las cámaras digitales compactas estándar incluyen una lente (llamada objetivo) como lo hace nuestro ojo. Esta lente puede hacer frente a objetos a distancias muy lejanas. Los fotógrafos llaman a esta distancia “infinito”. En otros términos: los rayos de estos objetos nos alcanzan de manera paralela.

Al colocar una cámara compacta detrás del ocular del microscopio podemos fotografiar a través del microscopio. Para evitar la frustración: los resultados obtenidos con esta combinación son muy limitados. Esto se debe a que el diseño óptico de las cámaras compactas no tiene microscopios en mente. Varias dimensiones (diámetros, distancias) limitan el uso práctico. Por lo tanto, cámaras digitales dedicadas diseñadas para las condiciones especiales de los microscopios ópticos están disponibles para diferentes aplicaciones.

 

 

 

 

 

 

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