- Historia del microscopio compuesto
- Fundamentos matemáticos de la lupa
- Características ópticas del microscopio
- Poder separador y aumento útil del microscopio
- Sistema de Iluminación
- Piezas ópticas de los microscopios
Breve historia del microscopio
1608 Z. Jansen construye un microscopio con dos lentes convergentes.
1611 Kepler sugiere la manera de fabricar un microscopio compuesto.
1665 Hooke utiliza un microscopio compuesto para estudiar cortes de corcho y describe los pequeños poros en forma de caja a los que él llamó "células". Publica su libro Micrographia
1674 Leeuwenhoek informa su descubrimiento de protozoarios. Observará bacterias por primera vez 9 años después.
1828 W. Nicol desarrolla la microscopía con luz polarizada.
1849 J. Quekett publica un tratado práctico sobre el uso del microscopio.
1838 Schleiden y Schwann proponen la teoría de la célula y declaran que la célula nucleada es la unidad estructural y funcional en plantas y animales.
1876 Abbé analiza los efectos de la difracción en la formación de la imagen en el microscopio y muestra cómo perfeccionar el diseño del microscopio.
1881 Retzius describe gran número de tejidos animales con un detalle que no ha sido superado por ningún otro microscopista de luz. En las siguientes dos décadas él, Cajal y otros histólogos desarrollan nuevos métodos de tinción y ponen los fundamentos de la anatomía microscópica.
1886 Zeiss fabrica una serie de lentes, diseño de Abbé que permiten al microscopista resolver estructuras en los límites teóricos de la luz visible.
1908 Köhler y Siedentopf desarrollan el microscopio de fluorescencia.
1930 Lebedeff diseña y construye el primer microscopio de interferencia.
1932 Zernike inventa el microscopio de contraste de fases.
1937 Ernst Ruska y Max Knoll, físicos alemanes, construyen el primer microscopio electrónico.
1952 Nomarski inventa y patenta el sistema de contraste de interferencia diferencial para el microscopio de luz.
1981 Aparece el microscopio de efecto túnel (MET).
La lupa es un lente positiva destinado a la observación visual de un objeto situado en el plano focal anterior de la lente, las características de esta son el aumento visual y el campo visual 2l
Caso general del aumento de una lupa.
De la figura de desprende que:
Du = 2 (f’ + X’o) tg W’ + Do (1)
Donde tg w’ = 1/f ‘
Por consiguiente:
(2)
Por eso cuando la lupa se aparta del ojo, menor es el campo visual.
Además calculemos el aumento visual de la lupa
De la figura anterior:
(3)
Además:
(4)
De 3 y 4:
(5)
Que es el aumento visual de la lupa.
Piezas ópticas de los microscopios:
Constan de los siguientes, objetivos, oculares, condensadores y colectores. El objetivo y el ocular crean el aumento útil del objeto, es decir, forman el sistema de observación: el condensador y el colector constituyen el sistema de iluminación del microscopio.
Características ópticas de los microscopios
El microscopio, como la lupa, se emplea para observar objetos cercanos pero, a distinción de la lupa, este tiene mayor poder separador.
El sistema óptico del microscopio transforma el haz de luz homocéntrico divergente que entra al sistema en un haz de rayos paralelos que emergen de el.
Figura 2) sistema óptico del microscopio.
El sistema óptico tiene 2 etapas de aumento, la primera el objetivo 1 y la segunda el ocular 2 .El objetivo 1 asegura la obtención de la imagen real l’ del objeto l en el plano focal anterior del ocular 2 mediante el cual esta imagen se mira como una lupa (en el plano focal anterior del ocular se puede colocar una escala que se ve por el ocular para valorar las dimensiones de lo que se observa)
Las características del microscopio son:
1.- Aumento visual Γ
2.- Campo visual 2l
3.- abertura numérica A
Aumento Visual:
El objetivo tiene un aumento lateral β mientras que el ocular, como la lupa, un aumento visual Γ’. Por esto el aumento visual es igual a:
(6)
Donde β es la razσn de la longitud de la imagen y la longitud del objeto.
Si el microscopio se considera como una lupa su distancia focal esta dada por:
(7)
En este caso de 7 nos queda:
(8)
Campo visual:
Figura 3) Diafragma de pupila y de campo para un microscopio.
El campo visual del microscopio depende del diámetro del circulo en el plano del objeto, cuya imagen coincide con el diafragma de campo visual 3 (figura 3) situado en el plano focal anterior del ocular 2.
Así pues:
(9)
Además de 6 y 9 se obtiene que el campo visual del microscopio sea:
(10)
Abertura numérica, características del diafragma de abertura y la pupila de entrada y de salida (ocular):
Se le llama abertura numérica al producto del índice de refracción del medio donde se encuentra el objeto, por el seno del ángulo de abertura, es decir:
A = n1 sen Um (11)
La abertura numérica determina la luminosidad y el poder separador del microscopio.
El diafragma de abertura de los objetivos de los microscopios es la montura de una de las últimas lentes o el diafragma situado junto al foco posterior (comúnmente en el plano focal posterior del objetivo, en la figura 3 es la cifra 4). Por lo tanto, la pupila de salida del objetivo será, o la imagen de la montura de la lente, obtenida como resultado de la acción de las siguientes lentes del objetivo, o la montura de la ultima lente, o, por fin, el propio diafragma que es de abertura.
La pupila de entrada 5 de diámetro D, de todo el sistema del microscopio, que es la imagen del diafragma de abertura 4 durante la marcha inversa de los rayos por el objetivo, en virtud de la formula de Newton (xx ’ = ff ’) se encuentra a una distancia del foco anterior F1 igual a:
(12)
Donde X1p es la distancia desde el foco posterior F’1 del objetivo hasta el diafragma de abertura.
En los microscopios de gran aumento, el diafragma de abertura se dispone en el plano focal posterior del objetivo, (X’1p = 0), entonces la pupila de entrada del microscopio se encuentra en el infinito X1p = ∞.
Determinemos la posición y el diámetro de la pupila de salida 6
Según la formula de Newton, el segmento que determina la posición de la pupila de salida, respecto al foco posterior del ocular, es (figura 3):
(13)
Donde X 2p es la posición imagen a la lente.
El diámetro D’ de la pupila de salida del microscopio se determina, partiendo de que la condición de los senos se cumple en el sistema del microscopio, es decir:
(14)
Donde:
l = tamaño del objeto.
n1 = índice de refracción donde se halla el objeto.
Um = Ángulo de abertura del espacio objeto.
l’ = tamaño de la imagen intermedia
n1‘ = Índice de refracción donde se encuentra la imagen (este caso el del aire, n1‘ = 1)
U’m = Ángulo de abertura del espacio objeto.
Valiéndonos de la condición de los senos y considerando que U’m es pequeño, entonces:
(15)
Donde β = 
y 
= 1.
De la figura se desprende que el diámetro D’ de la pupila se determina mediante la formula:
D’ = 2f’2tan U’m (16)
De 11 y 6, tenemos que:
(17)
De aquí se concluye que el diámetro de la pupila de salida es directamente proporcional a la abertura numérica A e inversamente proporcional al aumento visual del microscopio.
Por esto cuando la pupila de salida de aproxima al diámetro del ojo, mayor será la "calidad" del objeto a observado y cuando los diámetros son iguales se le denomina aumento visual normal (dada una abertura y aumento visual)
Poder separador, objetivos de inmersión y aumento útil.
Poder separador
De la teoría de la difracción sobre la formación de imágenes mediante un microscopio se tiene que la distancia mínima entre dos puntos visibles por separado es:
(18)
Donde λ es la longitud de onda de la luz monocromαtica en la que se observa el objeto y A es la abertura del microscopio.
Por eso cuanto mayor sea la abertura numérica A y menor la longitud de onda λ, mejor será el poder separador del microscopio.
Por lo tanto es natural la tendencia de utilizar objetivos con mayor abertura numérica obtenida tanto por el aumento del ángulo de abertura de entrada, como el índice de refracción del medio en el que se coloca el objeto.
Objetivos de inmersión:
El medio óptico líquido que rellena el espacio entre el objeto y el objetivo se le denomina líquido de inmersión. El índice de refracción de este es próximo al del vidrio (se utiliza agua, glicerina, aceites cedral y de enebro, monobromonaftalina, etc.) En la figura se muestra el papel del líquido:
En el sistema "seco" el flujo luminoso se limita por el ángulo sólido U y en el lado sumergido por el ángulo Um, donde Um>U. De esta forma con la misma intensidad de iluminación e igual abertura del condensador, la imagen se vera mucho mejor con el objetivo de inmersión que en "seco".
Además esto asegura al microscopio un mayor poder separador.
La magnitud de Um, que determina la abertura numérica, depende de la construcción del objetivo y en los secos esta limitada por la reflexión interna total. Además longitud de onda en la que se observa el objeto disminuye por que el poder separador se aumenta (en este caso manteniendo constante a A).
Aumento útil del microscopio:
Se define como el aumento visual del microscopio que puede ser utilizado totalmente por el ojo del observador Por ejemplo, un ojo con un poder separador de 2-4 in, debe satisfacer la desigualdad:
500 Å < Γut< 100 Å (19)
Donde, si se sale de los rangos la visión será formada por aberraciones.
—Estructura geométrica:
La fuente de luz 1, con l ayuda de una lente (o sistema) 2, llamada colector, se representa en el plano del diafragma iris de abertura 5 del condensador 6. Este diagrama se instala en el plano focal anterior del condensador 6 y puede variar su abertura numérica. El diagrama iris 3 dispuesto junto al colector 2 es el diafragma de campo. La variación del diámetro del diafragma de campo permite obtener su imagen igual al campo visual lineal del microscopio. La abertura numérica del condensador 6 supera, generalmente la de la abertura del objetivo microscópico. El objeto 7 se proyecta por el objetivo 8 en el plano del diafragma de campo 10, que coincide con el plano focal anterior del ocular 11. La pupila del ojo del observador se hace coincidir con la pupila de salida del microscopio 12. Para el ojo normal los haces de rayos después del ocular son paralelos. El haz de rayos de una fuente de luz con iluminancia irregular (la espiral de una lámpara incandescente) asegura con el sistema de iluminación uniforme del campo visual a merced de que los diafragmas de campo 3 y 10 son conjugados, así como también los son los diafragmas de abertura 5 y 9 del condensador y del microscopio .
Si por razones relacionadas con el tamaño y al haber posibilidades de despreciar la acción térmica de la luz, es posible instalar ésta en el plano del diafragma de abertura 5 del condensador 6, entonces el sistema de iluminación se simplifica.
B.N Begunov, N.P Zakarnov, Teoría de sistemas ópticos, Págs. 172-229, 264-391. Editorial MIR-Moscú. México-URSS 1976
Hecht, Eugene, Óptica Págs. 151-241 3a edición, Editorial Adisson Wesley iberoamericana España 2000.
M.N Mirkovich, W.N Makarenko, sistemas ópticos avanzados y principios ópticos cuanticos, Págs. 259-315, 1a edición, Moscú, URSS 1967.