El sistema óptico de un microscopio incluye todas las partes y elementos de este instrumento involucrados en la manipulación de la luz y la formación de una imagen aumentada.
Según esta definición puede considerarse que el sistema de iluminación del microscopio es a su vez parte del sistema óptico. Esta clasificación se introduce para distinguir entre los elementos encargados de desviar o tratar la luz y los elementos que proporcionan un soporte estructural entre todas las partes del instrumento, es decir, los elementos del sistema mecánico.
Los dos elementos principales del sistema óptico de un microscopio son el objetivo y el ocular. Considerando también el sistema de iluminación pueden incluirse además el foco, el condensador, el diafragma y los prismas ópticos.
En caso de que el microscopio tengo incorporada una cámara digital, esta también se considera parte del sistema óptico.
Tabla de contenidos
Objetivo
El objetivo es el sistema de lentes situado más cerca de la muestra y que proporciona una primera imagen aumentada de la observación.
El aumento de un objetivo tiene un valor constante que expresa la relación entre el tamaño de la imagen que genera y el tamaño real de la muestra. Por ejemplo, un objetivo con un aumento de 40x produce una imagen 40 veces más grande que la muestra real.
Esta imagen aumentada se conoce como imagen real. Los microscopios alcanzan su aumento total combinando las lentes del objetivo con las lentes del ocular, en las que se produce una segunda etapa de aumento.
La mayoría de microscopios incluyen distintos objetivos para alcanzar distintos niveles de aumento. Estos objetivos pueden enroscarse en una pieza llamada revólver que permite seleccionar el nivel de aumento deseado para cada observación.
Otro parámetro que define las características de un objetivo es su apertura numérica. Este parámetro es de gran importancia porque define la resolución que puede alcanzarse con el objetivo. Una mayor resolución permite observar la muestra con mayor nitidez.
El funcionamiento de un objetivo se basa en la combinación de distintas lentes, algunas de ellas convergentes. Estas lentes desvían los rayos de luz incidentes de tal forma que se forma una imagen aumentada al mirar a través suyo.
La limitación de las lentes de aumento es que, aparte de aumentar la imagen, introducen también una serie de defectos ópticos conocidos como aberraciones. Por este motivo, los objetivos incluyen también un conjunto de lentes que tienen como única función corregir las aberraciones ópticas.
Tipos de objetivos
En función del tipo de corrección que ofrece un objetivo puede distinguirse entre objetivos acromáticos y objetivos apocromáticos.
- Objetivo acromático: Éste es el tipo de objetivo más simple y que corrige únicamente la aberración esférica en el color verde y la cromática en los colores azul y rojo. El grado de corrección que ofrece este tipo de objetivo es limitado pero debido a su simplicidad es uno de los más utilizados. El nivel de corrección que ofrece suele ser suficiente para la mayoría de aplicaciones.
- Objetivo apocromático: Este es un tipo de objetivo más avanzado que corrige la aberración cromática en cuatro colores así como la aberración esférica en tres colores. Este tipo de objetivo es ideal para observaciones que utilizan luz blanca y es utilizado habitualmente en microfotografía en color de alta calidad.
Los objetivos también pueden clasificarse en función del nivel de aumento que alcanzan y sus condiciones de operación. Según esta característica puede distinguirse entre objetivos en seco y objetivo de inmersión.
- Objetivo en seco: Los objetivos en seco alcanzan un aumento moderado y son los más utilizados debido a la facilidad de su operación. Estos objetivos no requieren el uso de ningún medio de transmisión adicional, a diferencia de los microscopios de inmersión.
- Objetivos de inmersión: Los objetivos de inmersión están diseñados para alcanzar un alto aumento y alta resolución. Estos objetivos tienen una alta apertura numérica pero para su operación requieren un medio adicional entre la muestra y sus lentes. Para ello es necesario colocar una gota de aceite que conecta la cara superior del cubreobjetos con la lente inferior del objetivo. Mediante este procedimiento se reduce la refracción de los rayos y se obtiene una alta calidad de imagen. Este tipos de objetivos son utilizados mayoritariamente en aplicaciones profesionales.
Ocular
El ocular es el conjunto de lentes a través del cual observamos la muestra con los ojos y que produce además una segundo aumento de la imagen.
El aumento total de un microscopio se calcula multiplicando el aumento del objetivo por el aumento del ocular. Generalmente, el objetivo produce la mayor parte del aumento (20x, 40x, 100x) y el ocular proporciona un segundo aumento de menor magnitud (5x, 10x).
El sistema de lentes del ocular aumenta la imagen y además corrige hasta cierto punto parte de las aberraciones ópticas. Los oculares contienen también un diafragma para reducir reflejos de luz que pueden aparecer en las lentes.
En función de la configuración de las lentes puede distinguirse entre distintos tipos de oculares. Dos de los más habituales son los oculares positivos y los oculares negativos.
En los oculares positivos la luz pasa primero a través del diafragma y a continuación llega a las lentes. Este tipo de ocular se conoce también como ocular de Ramsden. En los oculares negativos el diafragma se encuentra situado entre las dos lentes. Este se conoce también como ocular de Huygens.
También es relevante que los microscopios pueden clasificarse en función de su número de oculares. Los microscopios más sencillos tienen un solo ocular para ver la muestra. Los microscopios binoculares permiten observar la muestra con los dos ojos simultáneamente. Esto resulta mucho más cómodo cuando se utiliza el microscopio durante largos periodos de tiempo.
Por último existe también el microscopio trinocular. Este microscopio tiene dos oculares para observar la muestra y un tercer ocular conectado a una cámara digital para registrar fotografías o vídeos de la observación.
Fuente de luz
La fuente de luz es un elemento esencial de todo microscopio ya que emite la luz necesaria para iluminar la muestra. Esta luz se dirige a continuación hacia la muestra y llega a los objetivos en los que se crea la imagen aumentada.
En función de la posición de la fuente de luz en el microscopio puede distinguirse entre microscopios de luz transmitida y microscopios de luz reflejada.
Los microscopios de luz transmitida tienen la fuente de luz colocada debajo la platina. La luz sigue una trayectoria vertical y pasa a través de la muestra. Para ello es necesario preparar la muestra de modo que sea suficientemente delgada como para dejar pasar la luz. Esta configuración es la más típica en los microscopios profesionales utilizados en un laboratorio.
La alternativa son los microscopios de luz reflejada. Estos microscopios iluminan la muestra desde su cara superior. A continuación parte de esta luz es reflejada y llega a los objetivos. En este caso no es necesario que la muestra sea delgada de modo que es posible observar materiales opacos como rocas o minerales. Esta configuración se utiliza sobretodo en los microscopios estereoscópicos.
Tradicionalmente los microscopios han funcionado mediante una bombilla incandescente integrada directamente en su estructura. Esta configuración proporciona unas buenas condiciones de iluminación pero tiene dos desventajas importantes. Una es el consumo energético relativamente alto de las bombillas. La segunda es la alta cantidad de calor que emiten, cosa que dificulta el mantenimiento de las muestras en las condiciones adecuadas de hidratación.
En los últimos años se han popularizado los microscopios basados en iluminación por LED. Estos microscopios tienen un consumo energético mucho más reducido pero además tienen la ventaja adicional de que los LED no emiten calor. En consecuencia las muestras se pueden mantener hidratadas durante un periodo de tiempo más largo, cosa que facilita la observación.
Condensador
El condensador es una parte del microscopio construida a partir de una combinación de lentes y que dirige hacia la muestra los rayos de luz emitidos por la fuente de luz o foco. Este elemento está siempre situado entre la platina y la fuente de luz.
En general, los rayos de luz que emite el foco siguen trayectorias divergentes. El condensador es importante porque permite enfocar estos rayos hacia la muestra. De esta forma es posible conseguir unas condiciones de luz óptimas para una correcta observación.
El condensador tiene una gran influencia en la calidad de la imagen obtenida ya que determina la calidad de la luz que llega a la muestra. Al igual que en el caso de los objetivos y oculares, el condensador puede introducir aberraciones ópticas y, por esto, los condensadores de alta calidad incorporan también una serie de lentes para aplicar correcciones.
El tipo de condensador más utilizado se conoce como condensador Abbe. Este tipo de condensador es técnicamente simple pero proporciona una calidad de luz aceptable para observaciones realizadas a un nivel de aumento moderado (< 400x). Este tipo de condensador está formado por dos lentes: una biconvexa y una planoconvexa.
Diafragma
El diafragma es otra pieza esencial para ajustar las condiciones de la luz que llega a la muestra. Su función es abrir o cerrar una apertura que deja pasar más o menos luz para así regular el contraste de la observación.
Cuando se realizan observaciones de alto aumento es necesario dejar pasar más luz y, por lo tanto, abrir el diafragma. En observaciones de bajo aumento debe cerrarse el diafragma para limitar la cantidad de luz que llega a la muestra.
En los microscopios profesionales el diafragma se encuentra junto al condensador. Esto permite ajustar el condensador y el diafragma conjuntamente para proporcionar unas condiciones óptimas de luz en función del tipo de observación.
Prisma óptico
El prisma óptico es una pieza presente en algunos tipos de microscopios concretos que permite dividir en dos el haz de luz incidente.
En un microscopio monocular, los rayos de luz provenientes del objetivo pasan a través del tubo y llegan directamente al ocular. En estos microscopios se debe observar la muestra con un solo ojo.
Sin embargo, en los microscopios binoculares y trinoculares es necesario dividir estos rayos de luz para transmitir la misma imagen a cada ocular.
Los microscopios binoculares incorporan un prisma óptico que divide en dos los rayos de luz provenientes del objetivo para así permitir la observación con los dos ojos. En este caso, la imagen que llega a cada ocular es exactamente la misma pero la observación resulta mucho más cómoda.
Los microscopios trinoculares incorporan adicionalmente un prisma óptico que dirige también los rayos a un tercer ocular en el que puede acoplarse una cámara digital.
Cámara digital
La cámara digital es un elemento accesorio de algunos microscopios. Una cámara incorpora también una serie de lentes para tratar la imagen y, en consecuencia, puede considerarse parte del sistema óptico.
La mayoría de microscopios que incorporan una cámara digital tienen esta cámara montada en un tercer ocular. Sin embargo, también existe la posibilidad de acoplar una cámara digital en alguno de los oculares del microscopio sólo en las ocasiones en las que se quiere tomar una fotografía o vídeo de la muestra.