Microscopios y lupas

Puede que te hayas preguntado cómo funciona la pantalla en la que estás leyendo este artículo. Si miras muy de cerca con el ojo, podrás ver píxeles individuales, pero no más que eso. Por eso, para entender realmente cómo la pantalla produce los colores, tienes que mirar mucho más de cerca. Si utilizas un microscopio (como los que puedes tener en el laboratorio de ciencias de tu colegio) descubrirás que cada píxel está formado por píxeles rojos, verdes y azules más pequeños.

Los microscopios no emplean ningún tipo de magia para ampliar la imagen de un objeto; pero sí un sistema de lentes y espejos cuidadosamente diseñado. En este artículo te explicaremos con más detalle cómo son de hacerlo.

¿Qué es un microscopio óptico?

Existen varios tipos de microscopios, en función de cómo realicen este proceso: los microscopios ópticos, los de sonda de barrido o los electrónicos. En este artículo estudiaremos los microscopios ópticos, que funcionan mediante la manipulación de la luz.

Fig. 1: Laboratiorio escolar con microscopios ópticos.

Partes de un microscopio

Más que magia, los microscopios ópticos utilizan lentes (o espejos) y las leyes de la física para ampliar las imágenes de los objetos. Veamos cuáles son las partes de un microscopio óptico y cómo funcionan.

Fig. 2: Los microscopios ópticos y sus partes.

Si observamos la figura anterior, se puede ver que los microscopios ópticos están construidos con diferentes partes que permiten ajustar las lentes y la luz de forma que se pueda observar el objeto:

• Ocular (Ocular lenses): Estas lentes producen la imagen final del objeto y están situadas justo antes de que la luz entre en nuestro ojo. También se denominan lentes oculares, ya que se encuentran cerca del ojo.

• Objetivo (Objective lenses): Forman la primera imagen real del objeto, mediante la convergencia de los rayos de luz que salen de él (como veremos adelante con más detalle). Se llaman así porque el objetivo está cerca de ellas.

• Platina (Stage): Consiste en una plataforma móvil en la que se coloca el objeto, o la llamada muestra. La distancia entre la lente del objetivo y la platina se puede ajustar, lo que nos permite enfocar la imagen.

• Condensador (Condenser): Es una lente que ayuda a iluminar el objeto.

• Luz (Light): Es la parte del microscopio que genera el haz de luz que ilumina el objeto. Podemos regular la intensidad de la luz con el control de intensidad.

• Perillas de ajuste grueso y fino (Coarse and fine adjustment): Ajustando estas ruedas, podemos mover la platina. El ajuste grueso mueve la platina más rápidamente, mientras que el ajuste de enfoque la mueve más lentamente y con mayor precisión.

Pero, ¿qué son las lentes que utilizamos en los microscopios? Echemos un vistazo.

Lentes

La refracción se produce cuando la luz entra o sale de la lente, puesto que es un medio diferente al aire. Según la forma en que la luz cambie de dirección, podemos distinguir entre dos tipos diferentes de lentes:

• Lentes convergentes (convexas): Este tipo de lentes también se denominan lentes positivas. Cuando los haces de luz proceden de un objeto situado a una distancia lejana (posición), consideramos que se acercan paralelos al eje horizontal. Si estos haces de luz paralelos atraviesan una lente convergente, todos estos rayos convergen en un determinado punto, al otro lado de la lente, llamado punto focal; de esta manera de forma una imagen real.

• Lentes divergentes (cóncavas): Así como las lentes convexas se denominan positivas, estas lentes se denominan lentes negativas. En este caso, cuando los rayos de luz se acercan paralelos al eje horizontal, los haces de luz no convergen al otro lado de la lente, sino que se extienden (divergen) hasta el infinito. El punto focal de la lente cóncava se encuentra donde convergen los rayos divergentes, si se extienden hacia atrás hasta delante de la lente. Allí se forma una imagen virtual, ya que los rayos de luz refractados no convergen realmente.

Fig. 3: Diagramas de rayos de la luz refractada en una (arriba) lente convergente (convexa) y (abajo) divergente (cóncava). La lente convexa forma una imagen real, ya que los rayos convergen, mientras que la lente cóncava forma una imagen virtual, ya que sólo convergen las extensiones de los rayos.

Diagrama de rayos de un microscopio

Ahora entendemos el interior de un microscopio, pero ¿qué ocurre con la luz dentro de uno para ampliar una imagen? Observemos el diagrama de rayos de un microscopio, que indica la trayectoria de los haces de luz y donde se forman las imágenes, junto con algunas otras características de los aparatos.

Fig. 5: Diagrama de rayos de un microscopio.

El diagrama de rayos de la imagen representa un microscopio compuesto con dos lentes convergentes. Este tipo de microscopios son los más comunes que encontrarás en un laboratorio escolar. Hay varias características que podemos identificar en el diagrama:

• En la parte izquierda del diagrama está el objetivo, que es una lente convergente. Está situado a una distancia \(B\) y tiene una altura de \(A\). También podemos ver que se ubica más allá del punto focal de la lente \(F_0\).

• La primera imagen es real y se forma en la posición \(B'\), con una altura inversa de \(A'\). La posición de esta imagen real tiene que coincidir con el punto focal de la segunda lente \(F_e\), de lo contrario la imagen se verá borrosa. En el caso de los microscopios compuestos, solemos hacerlos coincidir manualmente moviendo la platina con las perillas de ajuste.

• La distancia del objetivo a la imagen real se denomina longitud del tubo \(L\). En los microscopios típicos (usualmente) esta longitud es de alrededor de \(L=160\,\,\mathrm{mm}\).

• Finalmente, los rayos de luz salen de esta imagen real y atraviesan el segundo objetivo convergente, llamado ocular, o lente ocular.

Para ayudarnos a entender cómo se produce realmente el recorrido de la luz que se muestra en el diagrama de rayos, vamos a imaginarlo paso a paso:

1. Los rayos de luz salen de un objeto pequeño. Como el objeto está cerca del objetivo, los rayos de luz son divergentes al acercarse a la lente.

2. Cuando los rayos de luz atraviesan el objetivo, se refractan y convergen en un punto determinado, con una distancia de la longitud del tubo del objetivo. Estos rayos forman una imagen real invertida, que debe coincidir con la posición del punto focal del segundo objetivo.

3. Los rayos luminosos salen de la imagen real invertida y pasan por el ocular. Como la imagen se encuentra en la misma posición que el punto focal de la lente del ocular, los rayos de luz se refractan para volverse paralelos entre sí.

4. Finalmente, los rayos de luz llegan paralelos al ojo, que actúa como lente final. Desde allí, convergen en nuestra retina y forman la imagen que vemos.

Lupas de aumento

Las lupas funcionan esencialmente como un microscopio (de hecho, suelen llamarse microscopios simples); pero, en este caso, únicamente están formadas por una sola lente. Por tanto, la lupa es una estructura formada por una única lente convergente, generalmente biconvexa.

Quien lleva la lupa y se encarga de moverla modifica cómo se observa la imagen, pues lo que realmente está haciendo es aumentar el ángulo, para que la imagen se vea ampliada. Cuando enfocamos el objeto, situamos la lupa a la distancia focal y colocamos el ojo detrás de la lente, se forma una imagen virtual. Esta —al llegar al ojo— se corrige, genera la imagen que nosotros vemos y consigue un aumento angular del objetivo. También, podríamos conseguir el máximo aumento angular de la imagen, pegando el ojo a la lupa; pero, en este caso, la imagen no estaría enfocada y no la apreciaríamos de manera nítida.

Aumento angular

Una vez que entendemos lo que ocurre con los rayos de luz al observar un objeto en el microscopio o en una lupa, es el momento de definir su propiedad más relevante: el aumento.

Para calcular el aumento de un microscopio o de una lupa, utilizamos la siguiente expresión: \[\text{Aumento}=\dfrac{\text{Altura imagen}}{\text{Altura objeto}}\]

Donde,

• \(\text{Altura imagen}\) es la altura de la imagen obtenida.

• \(\text{Altura objeto}\) es la altura original del objeto.

Esta relación nos dará el aumento del microscopio, que no tiene unidades.

Cuando hablamos de aumento angular, estamos hablando esencialmente de lo mismo; solo que en este caso el ratio se hace entre el ángulo visual del objeto con el microscopio o la lupa y el mismo ángulo, pero sin estos.

Ejemplos de microscopios y lupas

Hoy en día, los microscopios se utilizan en multitud de campos y niveles diferentes. Pero, en el momento de su invención, eran aparatos mucho más sencillos, que permitieron realizar grandes descubrimientos. Estos primeros modelos de microscopios sirvieron de base para empezar a desarrollar otros más potentes. Esto condujo a algunos descubrimientos importantes; como la observación de la primera célula, por parte del físico inglés Robert Hooke, al estudiar un trozo de corcho.

Gracias a los años de desarrollo, en la actualidad podemos observar estructuras mucho más pequeñas que las células; pero esto también requiere el uso de microscopios más potentes, como los que mencionamos al principio de este artículo. Entre ellos se encuentran los microscopios de barrido en túnel (STM), basados en el túnel cuántico, o el microscopio electrónico de barrido (SEM), que utiliza un haz de electrones. Estos tipos de microscopios son lo suficientemente potentes como para permitirnos reproducir la superficie de estructuras atómicas o nanopartículas.