3.

Microscopio ottico

Il nome completo del microscopio ottico è “microscopio ottico composto” (MOC), denominazione che permette di distinguerlo dal cosiddetto microscopio semplice, lo strumento ottico meglio noto come lente di ingrandimento.

Nella sua forma più essenziale, il microscopio composto è costituito da una combinazione di due lenti convergenti – l’obiettivo e l’oculare – montate a distanza fissa alle estremità di un tubo chiuso. L’obiettivo raccoglie la luce proveniente dal campione e ne fornisce un’immagine reale, capovolta e ingrandita; l’oculare riceve questa immagine nel proprio fuoco e la trasforma nell’immagine finale, che è virtuale, capovolta e ingrandita rispetto all’immagine reale.

Quella descritta è la struttura essenziale del microscopio composto. Va tenuto presente, tuttavia, che nella realtà l’obiettivo e l’oculare non sono singole lenti, ma più complicati sistemi di lenti combinate, che nel complesso producono l’effetto di singole lenti convergenti, prive dei difetti di aberrazione cromatica.

1.

Strumentazione accessoria

Il tubo che porta l’ottica del microscopio è montato su una struttura chiamata statore. L'attrezzatura accessoria di un microscopio comprende inoltre il piano portacampioni e alcuni dispositivi di regolazione della distanza dell'obiettivo dall'oggetto, per la messa a fuoco. In genere il campione da osservare viene posto fra due vetrini sottili e fissato al portacampioni. La luce che lo illumina può provenire da una sorgente diretta o da uno specchio che la indirizza sul campione. I modelli più sofisticati sono provvisti inoltre di un sistema di viti micrometriche per la regolazione fine della posizione del campione, e di tre o più obiettivi montati su una testa girevole, che consentono di variare rapidamente il potere di ingrandimento dello strumento.

Nel caso in cui il microscopio venga utilizzato per realizzare microfotografie, è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica. Per questa applicazione il sistema è studiato in modo che l’immagine che impressiona l’emulsione fotografica sia reale, e non virtuale. Si utilizza quindi direttamente l’immagine fornita dall’obiettivo che, appunto, è reale, capovolta e ingrandita.

2.

Illuminazione

Esistono diversi sistemi di illuminazione del campione, a seconda delle sue caratteristiche di trasparenza o opacità. I sistemi più utilizzati sono quello a trasmissione (o a campo chiaro) e a diffusione (o a campo scuro). Nel primo caso, la luce proveniente da una lampada a incandescenza attraversa completamente il campione; nel secondo, colpisce il campione e ne viene diffusa. Più precisamente, nel sistema a diffusione il fascio incide sul campione lungo una direzione quasi perpendicolare all'asse dello strumento, per cui l'obiettivo raccoglie solo la luce diffratta dal campione. Il risultato è che le parti libere del campione appaiono come un fondo scuro su cui risaltano i particolari in esame. La tecnica è particolarmente utile per l’osservazione di campioni biologici limpidi e trasparenti, e per oggetti talmente piccoli da risultare invisibili con il sistema di illuminazione normale.

Nel caso in cui il preparato sia completamente opaco, infine, si adotta un sistema a riflessione, nel quale la radiazione che giunge all’obiettivo è quella riflessa dalla superficie del campione.

3.

Prestazioni

Il potere di ingrandimento di un microscopio ottico è dato dal prodotto di quello dell’obiettivo per quello dell’oculare. I modelli più sofisticati sono in grado di ingrandire l’immagine del campione fino a circa 1000 volte (1000x). Il potere di risoluzione, invece, è limitato dal fenomeno della diffrazione, e dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione impiegata; per la luce bianca, la minima distanza percettibile è di 0,2 micron (0,2 millesimi di millimetro), che equivale a un potere risolutivo 1000 volte migliore di quello dell’occhio umano.

La più alta risoluzione per un microscopio ottico è stata raggiunta da un gruppo di ricercatori statunitensi, che hanno perfezionato una tecnica nota come “microscopia Raman a campo vicino”. La tecnica, applicata a campioni di nanotubi di carbonio, ha reso possibile l’osservazione di strutture delle dimensioni di 30 nanometri. La tecnologia Raman consiste essenzialmente nell’inviare sul campione luce laser e nell’osservare come questo la defletta, misurando i modi vibrazionali delle molecole analizzate; per focalizzare il fascio laser, in questo caso la luce è stata inviata sulla punta di un cavo d’argento di 10 nanometri, quindi utilizzata per esplorare il “vetrino” a 1 nanometro di distanza dalla sua superficie.

4.

Microscopi ottici per usi particolari

Esistono numerose varianti del microscopio ottico composto, diverse per tecniche di illuminazione, radiazione impiegata, disposizione delle lenti.

Il microscopio stereoscopico è una di queste: è costituito da due microscopi a basso potere di ingrandimento, affiancati e puntati sullo stesso campione. Con questo impianto, sebbene l’ingrandimento non superi le 100 volte, è possibile ottenere immagini tridimensionali. Il microscopio binoculare, invece, reca due oculari in luogo di uno solo. La variante rende più agevole l’osservazione, che può essere effettuata con entrambi gli occhi.

Il microscopio a ultravioletti utilizza radiazione con lunghezza d’onda minore della luce visibile, vale a dire, luce ultravioletta. L’accorgimento produce un aumento del potere di risoluzione, ma impone alcune modifiche: poiché il vetro non è trasparente agli ultravioletti, gli elementi ottici devono essere realizzati con altri materiali, quali quarzo, fluorite o specchi alluminizzati. Essendo gli ultravioletti invisibili all’occhio umano, inoltre, per essere visualizzata, l'immagine deve essere resa per fosforescenza o per scansione elettronica.

Il microscopio polarizzatore è un microscopio ottico corredato di due nicol, di cui uno polarizzatore e uno analizzatore. Viene utilizzato principalmente in mineralogia, per il riconoscimento dei minerali in base alle loro proprietà ottiche. Il prisma polarizzatore è posizionato tra la sorgente luminosa e il campione, l’analizzatore tra l’obiettivo e l’oculare; entrambi sono montati su supporti girevoli e graduati.

Il microscopio a contrasto di fase sfrutta l’interferenza tra la luce diretta proveniente dalla sorgente e quella diffratta dal preparato, per far risaltare meglio i particolari del campione. Un dispositivo di forma anulare riduce l'intensità della luce diffusa e, contemporaneamente, introduce uno sfasamento di un quarto di lunghezza d'onda tra due raggi paralleli incidenti sul campione. Particolarmente indicato per lo studio di tessuti biologici, questo tipo di microscopio trova largo impiego in biologia e in medicina; presenta infatti il vantaggio di non dover ricorrere a colorazioni artificiali, consentendo l’osservazione di preparati viventi.

Uno degli strumenti ottici più avanzati, infine, è il microscopio a campo vicino, che permette la visualizzazione di dettagli di dimensioni anche inferiori a quelle della lunghezza d'onda della luce impiegata. Si tratta di uno strumento di recente invenzione, messo a punto nel 1993. Il superamento del limite di risoluzione imposto dalla diffrazione è reso possibile dall’adozione di una sorta di filtro, una sonda costituita da uno schermo opaco recante un foro di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda della luce impiegata. Questa sonda lambisce la superficie del campione a poche decine di nanometri di distanza, raccogliendo soltanto la luce che attraversa il forellino. La risoluzione, in questo modo, scende a circa 50 nm.