El funcionamiento del microscopio óptico se basa en el uso de lentes. Las lentes son elementos transparentes, generalmente de material amorfo (vidrio de sílice o un polímero). Sus caras no son paralelas, siendo al menos una de ellas cóncava o convexa. La mayor parte de las lentes suelen ser circulares y, en muchas ocasiones simétricas con respecto al denominado eje óptico, que es el eje que atraviesa la lente longitudinalmente por su centro. Por eje principal de la lente se conoce a su eje de simetría radial.
Se llaman lentes convergentes a aquéllas en las que una o ambas caras son convexas, ya que provocan que los rayos de luz que pasan a su través, paralelos al eje principal, converjan en un punto del eje principal (foco de la lente). En el caso de que alguna de las caras sea de tipo cóncavo, la lente se denomina divergente, porque en este caso los rayos de luz divergen hacia un punto fuera del eje principal de la lente.
Cuando un objeto, entendiendo por objeto a todo cuerpo que emite o refleja luz, se coloca delante de una lente, se forma una imagen que puede ser real o virtual. Imágenes reales son todas aquéllas que pueden recogerse en una pantalla colocada al otro lado de la lente, en el punto donde se forma la imagen.
Por el contrario, las imágenes virtuales no pueden recogerse en una pantalla, ya que los rayos procedentes del objeto no se cortan en ningún punto al otro lado de la lente.
En este último caso, el ojo puede formar una imagen del objeto en la retina, imagen que nos parecerá estar del mismo lado de la lente que lo está el objeto, situada en un punto denominado virtual. Es el mismo fenómeno que sucede cuando vemos un objeto reflejado en un espejo plano. Nos da la sensación de que el objeto está situado en un plano detrás del espejo, cuando la realidad es que el objeto está en el mismo lado del espejo que nosotros.
Colocando una pantalla o una película fotográfica donde parece estar la imagen formada, no se recogería nada.
Antes de explicar las características y partes fundamentales de los modernos microscopios metalográficos, es necesario conocer algo más acerca de estos elementos tan empleados en nuestra vida cotidiana, las lentes.
Nos centraremos en las lentes de tipo convergente, ya que las divergentes siempre dan lugar a imágenes virtuales y menores que el objeto observado. Para construir la imagen de un objeto que se sitúa delante de una lente convergente, hay que tener en cuenta, en primer lugar, que los rayos paralelos al eje principal que inciden sobre ella se concentran en un punto (foco) al otro lado de la misma. La distancia entre este punto y el eje de la lente, se denomina distancia focal, y es uno de los parámetros característicos de las lentes. En las lentes simétricas (biconvexas), como es el caso de la mostrada en la siguiente imagen ejemplo, se distinguen dos distancias focales: f es la correspondiente a la zona donde se encuentra el objeto, y f´ es la que se encuentra en la región donde se forma la imagen. Ambas distancias son iguales, pero se usa esta nomenclatura para poder distinguir la zona a la que nos referimos.
Por otra parte, hay que tener en cuenta que cualquier rayo que pasa por el foco objeto, F, llega a la lente y se refracta con una dirección paralela al eje principal. En cambio, si el rayo pasa por el centro óptico de la lente (su centro geométrico) no sufre ninguna desviación.
Para construir la imagen del objeto, basta representar dos de las tres trayectorias mencionadas anteriormente.
Suelen emplearse la letra u para designar la distancia desde el objeto a la lente, y v para la distancia entre ésta y la imagen. Conocida la distancia focal de una lente, y la separación a la que se coloca un objeto determinado, puede calcularse la distancia a la que se forma la imagen mediante la ecuación:
Siendo h y H las alturas del objeto e imagen, respectivamente, la magnificación producida vendrá dada por el cociente H/h. Aplicando reglas trigonométricas básicas:
Teniendo en cuenta la ecuación anterior:
De lo que se deduce que para que haya magnificación, el objeto ha de colocarse a una distancia de la lente, u, tal que 0 < u-f < 1, como se representa en la siguiente imagen. Esto se cumple para distancias u entre f y 2f.
Si el objeto se sitúa a una distancia superior a 2f, la imagen estará entre f ´ y 2f ´, y será más pequeña que el objeto.
Si la distancia del objeto a la lente es 2f, la imagen tiene el mismo tamaño que el objeto, y se sitúa en 2f ´. Pero si el objeto se coloca justo en el foco, la imagen no se formará.
Por último, si la distancia del objeto es inferior a la distancia focal de la lente, la imagen será virtual y, por tanto no podrá recogerse en una pantalla.
El microscopio más sencillo que se puede construir, el denominado microscopio simple, es el que hace uso de una sola lente para obtener una imagen magnificada del objeto de análisis. Para ello se hace necesario acercar o alejar la lente del objeto hasta que éste se encuentre a una distancia de entre una y dos veces la distancia focal de la lente. Una simple lupa, o unas gafas, es un microscopio de esta clase.
FIGURA 3 (foto de una lupa y microscopio de Leeuwenhoek)
Es un instrumento muy útil para inspecciones iniciales a pocos aumentos. Fueron los primeros microscopios que se desarrollaron, y como ejemplo pueden mencionarse los de Leeuwenhoek.
Empleando microscopios simples es imposible obtener imágenes sin distorsión a partir de ciertas magnificaciones. Para observar objetos con mayores aumentos es necesario usar combinaciones de varias lentes, los denominados microscopios compuestos. El microscopio compuesto (en adelante solamente ‘microscopio’) tiene, en su versión más rudimentaria, dos lentes: el objetivo y el ocular. En la siguiente figura se muestra un esquema simplificado del sistema de lentes de este tipo de microscopios.
La lente objetivo produce, en el punto A, una magnificación del objeto dada por:
La imagen creada en el punto A por la lente objetivo es aumentada de nuevo por el ocular:
<p
De modo que la magnificación total que con este microscopio se consigue de un objeto será:
Para aumentar un objeto basta, por tanto, con alterar las distancias focales de la lente objetivo y/o ocular (f1 y f2), o bien modificar las distancias entre dichas lentes (u1 y u2). Cambiar las posiciones de las lentes traería aparejado una serie de problemas adicionales como holguras, mayor probabilidad de averías y aumento de la complejidad del aparato, por lo que no son éstos los parámetros sobre los que se actúa en la práctica. Lo que queda es modificar las distancias focales de las lentes, o lo que es lo mismo, cambiar de lentes para conseguir diferentes magnificaciones. Según la ecuación anterior, sólo es necesario variar una de las distancias focales para alterar la magnificación resultante, de modo que, por motivos análogos a los comentados, en la práctica sólo se cambia de lente objetivo, dejando el ocular fijo. Antes de proseguir, hay que señalar que los modernos microscopios compuestos son más complicados que el descrito, al estar formados el objetivo y el ocular no por una, sino por múltiples lentes, cuya función principal es la de reducir aberraciones.
El ocular es un sistema de lentes fijo en el microscopio y que, por regla general, suelen ampliar la imagen del objetivo 10 veces (10X). Para poder observar la muestra con diferentes aumentos, se dispone de una serie de diferentes objetivos montados en una torreta de tipo revólver ($$enlace video). Las magnificaciones de cada uno son muy diferentes, pudiendo ir desde los 5 a los 100 aumentos (5X y 100X), de modo que los aumentos totales con que se suelen ver las muestras en un microscopio óptico van desde los 50 a los 1000 aumentos (recuérdese que la magnificación total es el resultado de multiplicar los aumentos producidos en el objetivo, por los del ocular).
También, hasta ahora, hemos supuesto que el objeto emite luz, y dicha situación rara vez se da. Por ello se hace necesario emplear un sistema de iluminación, que en los inicios de la microscopía no era más que un espejo que permitía reflejar los rayos solares hacia el objeto que se deseaba observar. Hoy en día se emplean lámparas para tal fin, consiguiéndose una iluminación mucho más estable y controlable. Una parte fundamental de la iluminación de un microscopio es el sistema condensador, que consta de un diafragma (apertura) y un conjunto de lentes cuya finalidad principal es concentrar la luz de la fuente de iluminación en la muestra, mejorando el contraste de la imagen, y permitir modificar el ángulo con el que la luz llega al espécimen.
Un aspecto muy importante de la iluminación, es la interacción del haz de luz con la muestra que se desea observar; en el sentido de que algunos materiales permiten el paso de la luz a su través, mientras que otros son completamente opacos a ella. Para el primer grupo de materiales (muestras biológicas, polímeros, …) se emplean los microscopios de luz transmitida, mientras que los denominados microscopios de luz reflejada se usan para la observación de materiales opacos (metales, cerámicas, …).
Dado que gran parte de los materiales más ampliamente empleados en la industria reflejan bien la luz, vamos a centrarnos en los microscopios de luz reflejada. La imagen que observamos en estos microscopios es el resultado de la reflexión de un haz de luz sobre la superficie de la muestra. Para que la reflexión, y por tanto la imagen, sea adecuada, la muestra ha de tener una superficie lo más plana y pulida posible. La preparación de muestras metálicas para su observación mediante microscopía óptica se denomina preparación metalográfica y, básicamente consta de una etapa de desbaste (para obtener una superficie plana), se sigue con un pulido (para que la superficie refleje bien la luz) y se concluye con un ataque (empleo de ácidos para producir contraste entre los granos y fases que componen la muestra). En practicas Metalográficas puede obtener información más detallada acerca de la preparación metalográfica.
Además, debido a la naturaleza de las preparaciones metalográficas, los microscopios de reflexión suelen ser del tipo invertido, es decir la probeta se coloca en la parte superior del microscopio (por eso también se les denomina epimicroscopios), sobre un soporte denominado pletina, ver imagen adjunta.
La superficie de la muestra que se desea estudiar se coloca hacia abajo, sobre un taladro que tiene la pletina para que la luz pueda incidir sobre ella. Esto se hace así para asegurar la planitud de la superficie preparada frente a la luz incidente, asegurando que los rayos reflejados sean normales a dicha superficie. Además, la pletina tiene unos mandos para moverla, y con ella la muestra, con respecto al haz de luz, de modo que se puedan observar diferentes zonas de la superficie de la probeta ($$enlace videoVIDEOVIDEO). Así se permite una mejor selección de la región de estudio, y se evita tener que manipular la muestra, con los peligros de rayado que ello conlleva.
Como es evidente, por la estructura de los epimicroscopios, la luz atraviesa dos veces el mismo camino, antes y después de incidir en la muestra. Para permitir esto se usan juegos de espejos semi-translúcidos a 45º para separar ambos haces. En la siguiente figura se muestra un esquema simplificado de las lentes de un microscopio de este tipo.
Para poder tener una idea más clara de cómo están dispuestos los diferentes componentes en el microscopio, se adjunta a continuación un boceto de la sección real de un epimicroscopio.