Resolución óptica
El disco de Airy es el diagrama de difracción producido al hacer pasar luz uniformemente distribuida a través de una apertura circular. Este digrama de difracción circular tiene una zona central circular brillante, y en forma de círculos concéntricos, una serie de anillos brillantes y oscuros que se denomina diagrama de Airy.
El ángulo al que tiene lugar el primer anillo oscuro, es decir mínimo de difracción Fraunhoffer, medido desde la dirección de la luz incidente, viene dado por la siguiente fórmula aproximada;
sen A = (1,22 L) / d
Donde A es el ángulo en radianes, L la longitud de onda de la luz en metros, d el diámetro de la apertura en metros.
Se dice que dos objetos quedan resueltos ópticamente, es decir se ven con suficiente nitidez, cuando el primer máximo, es decir anillo brillante, del diagrama de Airy de un objeto coincide con el primer mínimo, es decir anillo oscuro, del diagrama de Airy del otro objeto.
Por lo tanto, la separación angular mínima entre dos objetos para que se vean ambos con claridad es,
sen A = (1,22 L) / d
domingo, 29 de diciembre de 2019
miércoles, 26 de septiembre de 2018
Alguna aclaración sobre el aumento del microscopio
Anteriormente se ha dibujado, de acuerdo a las normas de la óptica geométrica, el diagrama de rayos de un microscopio. Así puede observarse de manera teórica cómo se obtiene una imagen aumentada.
De cualquier manera, hay una manera muy práctica de cuantificar el aumento. Se recomienda utilizar una regla transparente, de ésas que tienen graduación en milímetros. Colocando la regla en la pletina del microscopio, observamos por el ocular los milímetros aumentados que llenan linealmente el campo de visión, situar la regla de manera que coincida con el diámetro del campo de visión observada por el ocular. Teniendo en cuenta el diámetro del ocular, se hace posible cuantificar el aumento del microscopio.
En el diagrama de rayos, se representa el aumento en una dimensión. Cuando observamos por el microscopio, nos fijamos en la división milimétrica de la regla que hemos colocado a lo largo del diámetro del campo de visión, el aumento longitudinal observado será la relación entre el número de milímetros de la regla observados y el diámetro real del ocular. Pero el aumento del microscopio se produce en dos dimensiones, con lo cual habrá que considerar que el aumento es bidimensional, es decir, el cuadrado del aumento longitudinal
Así obtenemos cuando utilicemos el objetivo de 10 con ocular de 10, total 100 aumentos, para un diámetro de la abertura del ocular de 15 mm , observamos aproximadamente en el campo de visión 1,5 divisiones milimétricas, que significa un aumento lineal aproximado de 10 lo cual implica un aumento bidimensional de aproximadamente 100 aumentos que confirma los valores del fabricante.
Anteriormente se ha dibujado, de acuerdo a las normas de la óptica geométrica, el diagrama de rayos de un microscopio. Así puede observarse de manera teórica cómo se obtiene una imagen aumentada.
De cualquier manera, hay una manera muy práctica de cuantificar el aumento. Se recomienda utilizar una regla transparente, de ésas que tienen graduación en milímetros. Colocando la regla en la pletina del microscopio, observamos por el ocular los milímetros aumentados que llenan linealmente el campo de visión, situar la regla de manera que coincida con el diámetro del campo de visión observada por el ocular. Teniendo en cuenta el diámetro del ocular, se hace posible cuantificar el aumento del microscopio.
En el diagrama de rayos, se representa el aumento en una dimensión. Cuando observamos por el microscopio, nos fijamos en la división milimétrica de la regla que hemos colocado a lo largo del diámetro del campo de visión, el aumento longitudinal observado será la relación entre el número de milímetros de la regla observados y el diámetro real del ocular. Pero el aumento del microscopio se produce en dos dimensiones, con lo cual habrá que considerar que el aumento es bidimensional, es decir, el cuadrado del aumento longitudinal
Así obtenemos cuando utilicemos el objetivo de 10 con ocular de 10, total 100 aumentos, para un diámetro de la abertura del ocular de 15 mm , observamos aproximadamente en el campo de visión 1,5 divisiones milimétricas, que significa un aumento lineal aproximado de 10 lo cual implica un aumento bidimensional de aproximadamente 100 aumentos que confirma los valores del fabricante.
martes, 14 de marzo de 2017
El suministro eléctrico de la iluminación
Aunque hay todavía microscopios con iluminación mediante espejo, por comodidad se utilizan los de iluminación eléctrica (halógena, incandescente y led). En muchos casos tenemos que la tensión de entrada del circuito de iluminación es de unos 5 voltios en continua. Se emplea un adaptador que transforma la entrada de 250 voltios AC en 5 voltios DC, generalmente la salida de tensión del adaptador es de 5 voltios DC. Este tipo de adaptador, es una fuente de alimentación conmutada.
Es interesante identificar las etapas del proceso de conversión desde una entrada de 250 voltios AC a una salida del adaptador de 5 voltios DC.
La entrada de AC primero de todo se filtra mediante condensadores y /ó bobinas. A continuación se hace pasar por un puente de diodos para rectificar las tensiones negativas y seguidamente se filtra mediante un condensador y una resistencia. La señal filtrada se corrige en cuanto a su factor de potencia. El factor de potencia es debido al desfase entre tensión y corriente, este desfase lo causan las impedancias de valor complejo, es decir las bobinas y los condensadores de la etapa anterior.
El hecho de que las bobinas y condensadores produzcan oscilaciones periódicas de corriente (circuitos oscilantes) que, si se analizan matemáticamente, responden según las soluciones de la ecuación de onda, también podría tener cierta contribución en el valor del factor de potencia. La ecuación de onda tiene por solución única la suma de términos (la serie) de las frecuencias de oscilación, principal, secundaria, de orden tres, de orden cuarto, de orden cinco,...
La contribución de los términos de orden dos, tres, cuatro, cinco, ... también tienen una cierta influencia en el desfase entre tensión y corriente.
Para lograr que estos desfases se compensen entre sí, y así se mejore el factor de potencia, se utiliza un transistor de efecto campo (MOSFET) controlado por un circuito integrado oscilador (del tipo ne555). Así el MOSFET actúa como un interruptor (es decir un conmutador) que permite la carga y descarga de una bobina (con una rapidez del orden de 1 kilohercio). Variando la frecuencia de conmutación de la bobina se puede variar la corrección del factor de potencia.
Normalmente la mayoría de las fuentes conmutadas incorporan un circuito del tipo ne555 y el mosfet en un solo circuito integrado, el integrado SD4842.
La etapa siguiente es la etapa inversora, en esta etapa se produce, mediante un transformador de alta frecuencia (que responda de manera efectiva a las conmutaciones del orden del KHz de la etapa anterior) y el circuito integrado EL817 (que lleva incorporado un fototransmisor para que no afecte al transformador), una oscilación que depende de la tensión de salida que se le quiera dar a la fuente.
La siguiente etapa es la de rectificación (mediante diodos Shottky de funcionamiento en alta frecuencia) que nos da la salida DC del adaptador.
Aunque hay todavía microscopios con iluminación mediante espejo, por comodidad se utilizan los de iluminación eléctrica (halógena, incandescente y led). En muchos casos tenemos que la tensión de entrada del circuito de iluminación es de unos 5 voltios en continua. Se emplea un adaptador que transforma la entrada de 250 voltios AC en 5 voltios DC, generalmente la salida de tensión del adaptador es de 5 voltios DC. Este tipo de adaptador, es una fuente de alimentación conmutada.
Es interesante identificar las etapas del proceso de conversión desde una entrada de 250 voltios AC a una salida del adaptador de 5 voltios DC.
La entrada de AC primero de todo se filtra mediante condensadores y /ó bobinas. A continuación se hace pasar por un puente de diodos para rectificar las tensiones negativas y seguidamente se filtra mediante un condensador y una resistencia. La señal filtrada se corrige en cuanto a su factor de potencia. El factor de potencia es debido al desfase entre tensión y corriente, este desfase lo causan las impedancias de valor complejo, es decir las bobinas y los condensadores de la etapa anterior.
El hecho de que las bobinas y condensadores produzcan oscilaciones periódicas de corriente (circuitos oscilantes) que, si se analizan matemáticamente, responden según las soluciones de la ecuación de onda, también podría tener cierta contribución en el valor del factor de potencia. La ecuación de onda tiene por solución única la suma de términos (la serie) de las frecuencias de oscilación, principal, secundaria, de orden tres, de orden cuarto, de orden cinco,...
La contribución de los términos de orden dos, tres, cuatro, cinco, ... también tienen una cierta influencia en el desfase entre tensión y corriente.
Para lograr que estos desfases se compensen entre sí, y así se mejore el factor de potencia, se utiliza un transistor de efecto campo (MOSFET) controlado por un circuito integrado oscilador (del tipo ne555). Así el MOSFET actúa como un interruptor (es decir un conmutador) que permite la carga y descarga de una bobina (con una rapidez del orden de 1 kilohercio). Variando la frecuencia de conmutación de la bobina se puede variar la corrección del factor de potencia.
Normalmente la mayoría de las fuentes conmutadas incorporan un circuito del tipo ne555 y el mosfet en un solo circuito integrado, el integrado SD4842.
La etapa siguiente es la etapa inversora, en esta etapa se produce, mediante un transformador de alta frecuencia (que responda de manera efectiva a las conmutaciones del orden del KHz de la etapa anterior) y el circuito integrado EL817 (que lleva incorporado un fototransmisor para que no afecte al transformador), una oscilación que depende de la tensión de salida que se le quiera dar a la fuente.
La siguiente etapa es la de rectificación (mediante diodos Shottky de funcionamiento en alta frecuencia) que nos da la salida DC del adaptador.
miércoles, 8 de febrero de 2017
Los tipos de vidrio óptico
Principalmente se puede decir que hay dos tipos de vidrio para la fabricación de lentes. El vidrio Crown que es el más común, está constituido por un 73% de SiO2 y por porcentajes pequeños de K2O, Na2O y CaO. El índice de refracción de este vidrio es 1,5.
Existe otro tipo importante de vidrio denominado Flint cuya composición es de un 64% de SiO2 y de un 24% de PbO, el índice de refracción de este tipo de vidrio está entre 1,5 y 2, dependiendo de como esté fabricado.
El índice de refracción es una relación numérica que nos informa de como varía el medio de propagación de la luz, es decir, de como la interfase , la frontera de separación, entre dos medios afecta al cambio del valor del vector de campo eléctrico asociado al rayo de luz.
En una interfase cualquiera se cumple la ley de Snell, n1 sen A1 = n2 sen A2
Donde A es el ángulo del rayo respecto a la normal a la interfase, en el medio indicado por el subíndice correspondiente, n es el índice de refracción del medio indicado por el subíndice correspondiente.
Sin embargo esta relación vale solamente para luz monocromática. Para luz blanca, al refractarse al atravesar un vidrio ó una lente, tendremos que cada color que la compone se refractará en un ángulo distinto. Entonces el foco de una lente será distinto para cada color, esto es lo que se llama aberración cromática. Una manera de corregirlo, y obtener un foco único para todos los colores, es superponiendo una lente semi-divergente de vidrio Flint a una lente convergente de vidrio Crown.
jueves, 22 de diciembre de 2016
El enfoque
El plano del objetivo ha de estar separado una distancia determinada del plano del ocular para que el enfoque se produzca y así observemos de manera nítida la imagen virtual aumentada. Esta distancia entre ambos planos viene dada por la gráfica utilizada para el cálculo del aumento que ya hemos mostrado hace algunos días. El fabricante de microscopios ha cortado el tubo, que comunica visualmente el ocular con cada uno de los objetivos del aparato, a la medida exacta para que el enfoque se produzca con total nitidez.
Además deberemos situar la muestra a la distancia indicada por la gráfica del cálculo del aumento, si la muestra no se encontrara exactamente allí entonces no se produciría el enfoque. Para situar la muestra a dicha distancia, desplazaremos verticalmente la pletina mediante un sistema de ruedas dentadas que componen el desplazamiento vertical macrométrico (ajuste de la altura de la pletina a un valor aproximado) y el desplazamiento vertical micrométrico (ajuste de la pletina a un valor exacto), obteniendo por lo tanto el enfoque perfecto.
El esfuerzo que deberemos hacer para girar el micrométrico se facilita mediante el hecho en el cual el torque de giro se conserva en el sistema de ruedas dentadas. Es decir, torque = r x F , de esta manera tendremos,
r0 x F0 = r1 x F1
r2 x F1 = r3 x F2
De ahí se obtiene que, (F0 / F2) = ((r1 x r3) / (r2 x r0))
De los valores de los radios vemos que (F0 / F2) es menor que la unidad y por lo tanto F2 es mayor que la fuerza F0 aplicada por nuestros dedos en la rueda de radio r0 , lo cual nos facilita el desplazamiento vertical y muy exacto de la pletina.
Las fuerzas sobre cada rueda vienen indicadas por la letra F con el subíndice de la rueda en la que se aplique. La rueda número tres de radio r3 gira a la vez que la rueda número dos y se sitúa concéntrica a ella, enganchando sus dientes a la rueda número cuatro.
El plano del objetivo ha de estar separado una distancia determinada del plano del ocular para que el enfoque se produzca y así observemos de manera nítida la imagen virtual aumentada. Esta distancia entre ambos planos viene dada por la gráfica utilizada para el cálculo del aumento que ya hemos mostrado hace algunos días. El fabricante de microscopios ha cortado el tubo, que comunica visualmente el ocular con cada uno de los objetivos del aparato, a la medida exacta para que el enfoque se produzca con total nitidez.
Además deberemos situar la muestra a la distancia indicada por la gráfica del cálculo del aumento, si la muestra no se encontrara exactamente allí entonces no se produciría el enfoque. Para situar la muestra a dicha distancia, desplazaremos verticalmente la pletina mediante un sistema de ruedas dentadas que componen el desplazamiento vertical macrométrico (ajuste de la altura de la pletina a un valor aproximado) y el desplazamiento vertical micrométrico (ajuste de la pletina a un valor exacto), obteniendo por lo tanto el enfoque perfecto.
El esfuerzo que deberemos hacer para girar el micrométrico se facilita mediante el hecho en el cual el torque de giro se conserva en el sistema de ruedas dentadas. Es decir, torque = r x F , de esta manera tendremos,
r0 x F0 = r1 x F1
r2 x F1 = r3 x F2
De ahí se obtiene que, (F0 / F2) = ((r1 x r3) / (r2 x r0))
De los valores de los radios vemos que (F0 / F2) es menor que la unidad y por lo tanto F2 es mayor que la fuerza F0 aplicada por nuestros dedos en la rueda de radio r0 , lo cual nos facilita el desplazamiento vertical y muy exacto de la pletina.
Las fuerzas sobre cada rueda vienen indicadas por la letra F con el subíndice de la rueda en la que se aplique. La rueda número tres de radio r3 gira a la vez que la rueda número dos y se sitúa concéntrica a ella, enganchando sus dientes a la rueda número cuatro.
lunes, 12 de diciembre de 2016
El aumento del sistema de lentes
Un microscopio óptico produce una imagen virtual aumentada de uma muestra gracias a un conjunto de lentes del que se compone el objetivo y de un conjunto de lentes (generalmente dos) del que se compone el ocular. Si se quisiera construir un microscopio elemental bastaría utilizar una lente convergente como objetivo y otra lente, también convergente, como ocular. Sin embargo, en la práctica, los fabricantes de microscopios construyen los objetivos y los oculares utilizando varias lentes de manera que puedan corregirse las aberraciones ópticas. En cualquier caso el conjunto de lentes que compone el objetivo puede sustituirse, a la hora de realizar cálculos, por una lente convergente de distancia focal F1, y el conjunto de lentes que compone el ocular puede sustituirse por una lente convergente de distancia focal F2.
El cálculo gráfico lo realizaremos a continuación utilizando el método de la óptica geométrica. Se consideran dos rayos de luz para cada lente equivalente, que siguen la dirección del vector de Pointing, y que parten desde la muestra , uno en dirección paralela al eje óptico y el otro en dirección al centro de la lente que tenga delante. El rayo paralelo converge al foco que le corresponda tras atravesar la lente y el rayo que atraviesa el centro de la lente no se desvía.
Tras atravesar la lente equivalente del ocular, se registra, en la retina del ojo humano, la imagen virtual aumentada de la muestra.
Un microscopio óptico produce una imagen virtual aumentada de uma muestra gracias a un conjunto de lentes del que se compone el objetivo y de un conjunto de lentes (generalmente dos) del que se compone el ocular. Si se quisiera construir un microscopio elemental bastaría utilizar una lente convergente como objetivo y otra lente, también convergente, como ocular. Sin embargo, en la práctica, los fabricantes de microscopios construyen los objetivos y los oculares utilizando varias lentes de manera que puedan corregirse las aberraciones ópticas. En cualquier caso el conjunto de lentes que compone el objetivo puede sustituirse, a la hora de realizar cálculos, por una lente convergente de distancia focal F1, y el conjunto de lentes que compone el ocular puede sustituirse por una lente convergente de distancia focal F2.
El cálculo gráfico lo realizaremos a continuación utilizando el método de la óptica geométrica. Se consideran dos rayos de luz para cada lente equivalente, que siguen la dirección del vector de Pointing, y que parten desde la muestra , uno en dirección paralela al eje óptico y el otro en dirección al centro de la lente que tenga delante. El rayo paralelo converge al foco que le corresponda tras atravesar la lente y el rayo que atraviesa el centro de la lente no se desvía.
Tras atravesar la lente equivalente del ocular, se registra, en la retina del ojo humano, la imagen virtual aumentada de la muestra.
miércoles, 7 de diciembre de 2016
Las muestras y los tipos principales de microscopios
Para preparar una muestra, tendremos que colocar sobre un portaobjetos aquello que queramos observar. Si se trata de un objeto sólido tendremos que cortar una fina lámina, del objeto que queramos observar, mediante un microtomo. El espesor de esta lámina dependerá de si deseamos utilizar un microscopio óptico, espesor de lámina de unas 50 micras, ó un microscopio electrónico, espesor de lámina de unos 80 nanómetros.
La lámina de muestra que se observa en el microscopio óptico ha de ser teñida con un colorante de manera que las estructuras microscópicas a observar puedan mostrarnos suficiente contraste cuando las atraviese la luz óptica (esta luz tiene una longitud de onda en torno a los 500 nanómetros). Un colorante muy habitual, para estas láminas de muestra, es el azul de metileno.
La resolución de un aparato como el microscopio depende de la longitud de onda de la luz que utilice para observar la muestra y de la apertura numérica del microscopio.
Teniendo en cuenta que la longitud de onda asociada a un electrón que tenga una energía cinética de 100 kV, es 0,0037nm, obtendríamos una resolución mucho mejor si empleáramos electrones que si empleamos luz visible (con longitudes de onda del orden de 500 nm). Así resulta evidente la utilidad de los microscopios electrónicos.
Esquemáticamente, un microscopio electrónico esta constituido por un tubo en el que se ha hecho el vacío y que tiene, en su parte superior, un filamento de Wolframio que emite electrones y se aceleran, entre un cátodo y un ánodo, mediante una diferencia de potencial del unos 100 kV. Este haz de electrones se concentra mediante un sistema de electroimanes cuyo campo magnético se regula mediante una corriente eléctrica ajustable.
A continuación, el haz de electrones se focaliza sobre la muestra, mediante otro conjunto de electroimanes con corriente eléctrica ajustable, este sistema de electroimanes haría la función de objetivo del microscopio.
Por último habría otro sistema de electroimanes que expande el haz reflejado, en la muestra, hacia la pantalla de fósforo ó hacia un dispositivo impresionable como pueda ser una película fotográfica.
El colorante utilizado para observar con un microscopio electrónico de transmisión es el uranilo-plomo.
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