Sistema“Infinity Optical” -

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«Infinity Optics» se refiere al concepto de una trayectoria de haz con rayos paralelos entre el objetivo y la lente del tubo de un microscopio. Los componentes ópticos planos pueden introducirse en este «Espacio Infinito» sin influir en la formación de imágenes, lo cual es crítico para la utilización de métodos de contraste tales como DIC o fluorescencia.

Las técnicas modernas de microscopia requieren la adición de múltiples instrumentos ópticos, tales como fuentes de luz o dispositivos láser, en el trayecto de la luz infinita. Diferentes enfoques para satisfacer esta necesidad han surgido y se describen aquí.

De Anton van Leeuwenhoek a los microscopios compuestos

Desde la invención del vidrio por los romanos en el primer siglo, la gente descubrió que un efecto de aumento fue creado por las perlas redondas de vidrio. Posteriormente, este efecto fue científicamente investigado y desarrollado posteriormente, resultando en las gafas de ampliación simple de los siglos XVI y XVII, por ejemplo, las inventadas por Hans y Zacharias Jansen o Anton van Leeuwenhoek. Históricamente, esta fue la hora del nacimiento de la microscopía.

Por definición, el «microscopio» es un instrumento que magnifica objetos que normalmente no pueden ser resueltos por el ojo humano, por lo que estas herramientas de una sola lente ya eran microscopios (figura 1 arriba). Hoy en día pensamos en algo diferente cuando hablamos de un microscopio. Esto se debe al hecho de que la gente pronto se dio cuenta de que la combinación de dos lentes separadas (o sistemas de lentes) en una fila es una herramienta visual más eficaz que una sola lente.

Para describir esta configuración se creó el término «microscopio compuesto». Los microscopios compuestos consisten en un objetivo que magnifica el espécimen y un ocular (respectivamente dos) magnificando la imagen producida por el objetivo (figura 1).

(Figura 1 en el centro). Fig, 1: Top: La microscopia comenzó con dispositivos de aumento simples en los siglos XVI y XVII. El objetivo en este caso es una sola lente que magnifica una muestra. Medio: Un microscopio compuesto con óptica finita consta de un sistema de dos lentes. El objetivo amplifica el espécimen, y el ocular magnifica la imagen producida por el objetivo. La distancia entre el hombro objetivo y el hombro ocular se llama longitud del tubo mecánico. Parte inferior: Un microscopio compuesto con Infinity Optics sostiene una lente de tubo adicional (TL)

Introducción de la óptica infinita

La distancia entre el hombro objetivo y el hombro ocular se denomina longitud del tubo mecánico (figura 1). Para la estandarización este valor fue fijado en 160 mm por la Royal Microscopical Society en el siglo XIX. Con los años este diseño resultó tener algunos inconvenientes. La adición de elementos ópticos adicionales a la trayectoria de la luz, como prismas para el contraste de interferencia diferencial (DIC), polarizadores, etc., cambió la longitud efectiva del tubo y las aberraciones introducidas, que debieron aceptarse o corregirse con la adición de otros componentes de hardware.

Por esta razón, el fabricante de microscopios Reichert empezó a experimentar con la llamada óptica infinita en la década de 1930, y esta tecnología fue adoptada posteriormente por todas las otras compañías de microscopio. Los objetivos de estos sistemas ópticos infinitos proyectan una imagen del espécimen al infinito, significando que todos los rayos ligeros derivados de un solo punto del espécimen emiten del objetivo en una manera paralela. Esos rayos dentro del centro de la muestra (y el objetivo) discurren paralelos al eje óptico. Los que están fuera del centro del espécimen corren paralelos entre sí, pero no al eje óptico.

La imagen virtual producida por un objetivo corregido por el infinito tiene que ser captada por una lente adicional – la lente del tubo – para llevarla al punto focal delantero de la lente del ocular (figura 1 abajo). Este enfoque permite la adición de instrumentos ópticos tales como prismas DIC en el «Espacio Infinito» entre el objetivo y la lente del tubo sin influir en la calidad de la imagen. No se altera ni la ubicación ni el punto focal de la imagen (Figura 2).

Calidad de la imagen. No se altera ni la ubicación ni el punto focal de la imagen (Figura 2). Figura. 2: Top: Un sistema óptico finito consta de un objetivo y un ocular. El objeto se coloca entre el punto focal simple y doble del objetivo. La imagen intermedia producida por el objetivo se centra entre el punto focal delantero del ocular y el ocular. Los usuarios pueden ver la imagen a través del ocular. Abajo: En un sistema de corrección infinita el espécimen se coloca en el punto focal del objetivo. En este caso, todos los rayos procedentes de un punto del espécimen son paralelos al objetivo, como un objeto colocado en el infinito. Los rayos procedentes del centro del espécimen dejarán el objetivo paralelo al eje óptico (no mostrado). Los rayos procedentes de un solo punto de la periferia del espécimen dejarán el objetivo paralelo entre sí, pero no al eje óptico. El espacio entre el objetivo y la lente del tubo se llama Infinity Space. Los dispositivos ópticos planos introducidos en este espacio apenas afectarán a la imagen ya que todos los rayos procedentes de un solo punto de la muestra experimentarán la misma influencia óptica. La lente del tubo forma una imagen virtual, que se puede ver a través del ocular.

Ventajas de la óptica infinita

Varios métodos de contraste requieren la introducción de componentes ópticos especiales en el trayecto de luz del microscopio. Por ejemplo, los prismas y polarizadores para DIC, o dicroicos y filtros para microscopía de fluorescencia, son indispensables para la técnica relevante. La introducción de tales componentes ópticos entre el objetivo y el ocular de un microscopio con óptica finita altera la longitud efectiva del tubo e introduce aberraciones esféricas. Estos pueden ser corregidos con la introducción de elementos ópticos adicionales, pero a expensas de la disminución de la intensidad de la luz o aumento de la ampliación.

En comparación, un microscopio con óptica con corrección infinita puede contener equipos adicionales para métodos de contraste sin daño óptico introduciéndolos en el espacio infinito. Los dispositivos instalados en el trayecto de la luz infinita no alteran la escala de imagen ni la ubicación de la imagen intermedia. Esto se debe al hecho de que todos los rayos de luz procedentes de un único punto de la muestra dejarán el objetivo de forma paralela. La calidad de imagen global no es lo único que se beneficia de la óptica infinita. Dado que la ampliación no cambia al cambiar diferentes dispositivos ópticos en la trayectoria de luz infinita, se puede comparar fácilmente la misma muestra utilizando diferentes métodos de contraste. Por ejemplo, los especímenes pueden ser visualizados en DIC y fluorescencia simultáneamente (Figura 3).

Fig 3: Los dispositivos ópticos, tales como prismas DIC o filtros de fluorescencia, introducidos en el trayecto de luz de la óptica finita, dañan la imagen. Las aberraciones introducidas tienen que ser fijadas con el uso de componentes ópticos adicionales. Esto va junto con una ampliación aumentada del objeto. Los componentes ópticos introducidos en el Espacio Infinito no influyen en la ampliación. Así, las imágenes DIC (izquierda) e imágenes de fluorescencia (medio) se pueden recibir simultáneamente (derecha).

Con algunas excepciones, la mayoría de los microscopios tienen un revólver objetivo donde se pueden instalar y cambiar diferentes objetivos de acuerdo con la ampliación deseada. La parfocalidad permite a los usuarios cambiar entre objetivos sin necesidad de reenfocar el espécimen. Con la óptica de infinito, la parfocalidad se puede mantener incluso si se añaden otros instrumentos ópticos al Espacio Infinito.

Cómo obtener más dispositivos en el camino de la luz infinita

La microscopía óptica sigue siendo un campo en evolución. El desarrollo de nuevas técnicas requiere acceso a la trayectoria de luz del microscopio, por ejemplo para incluir fuentes de luz adicionales o dispositivos láser. Recuperación de fluorescencia Después de Photobleaching (FRAP), por ejemplo, necesita un láser para blanquear fluoróforos (Figura 4). Digital Mirror Devices, otro ejemplo, se utilizan para optogenética, uncaging, y foto-blanqueo / activación.

La introducción de Infinity Optics abrió el camino para estos métodos, ya que simplifica el acoplamiento de los componentes necesarios en la trayectoria de luz del microscopio a través del Espacio Infinito. En la actualidad se han inventado nuevos enfoques para obtener dispositivos adicionales a la trayectoria de luz infinita. Técnicamente hay dos maneras de entrar en el Espacio Infinito: O bien en la trayectoria de imagen entre el objetivo y la lente del tubo, o en el camino de iluminación entre el objetivo y la fuente de luz (Figura 5).

El acceso a través de la trayectoria de formación de imágenes tiene la ventaja de que los módulos dedicados, por ejemplo, las ruedas motorizadas de filtro rápido y las persianas, se pueden introducir en el microscopio muy cómodamente.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que el Espacio Infinito -aunque su nombre sugeriría lo contrario- no puede extenderse indefinidamente apilando módulos en el microscopio. La razón es que sólo los rayos de luz procedentes del centro del espécimen son paralelos al eje óptico.

Los rayos luminosos descentrados procedentes de un punto de la muestra son paralelos entre sí, pero golpearán la lente del tubo en un cierto ángulo. Agrandar lógicamente la trayectoria de formación de imágenes entre el objetivo y la lente del tubo resultará en una pérdida de luz. Más precisamente, esto induce el viñetado y reducirá el campo de visión.

Fig. 4: Algunas técnicas de microscopía exigen el acoplamiento simultáneo de fuentes de luz adicionales o láseres. Por ejemplo, el blanqueo durante el curso de los experimentos FRAP es ejecutado por un láser acoplado en el camino de luz infinito.

fig. 5: El acceso a la trayectoria de luz infinita del microscopio se puede conseguir ya sea en la trayectoria de formación de imágenes (arriba) entre el objetivo y la lente de tubo (TL), o en la trayectoria de iluminación (fondo) entre la fuente de luz objetivo. La primera aproximación requiere el apilamiento del módulo relevante en el microscopio y por lo tanto alarga la trayectoria de formación de imágenes. El segundo enfoque permite a los usuarios acceder a múltiples aplicaciones en el microscopio mediante la utilización de espejos y divisores de haz en el camino de iluminación.

Al entrar en el Espacio Infinito a través de la trayectoria de iluminación del microscopio, como a través del Leica Infinity Port, evita el problema de alargar el trayecto de la luz de imagen (figura 6). Además de preservar la calidad de imagen, esta característica tiene la ventaja de ser más universal. Con el adaptador correcto a mano, cualquier dispositivo puede ser conectado al microscopio. Los constructores locales, en particular, pueden construir y conectar sus propios dispositivos, terceros y instrumentos Leica, para crear una solución de imagen personalizada.

Fig.6: Los métodos de apilamiento alargan la trayectoria de luz infinita del microscopio. Esto puede conducir a la pérdida de los rayos de luz que no se derivan del centro de la muestra. El puerto Infinity de Leica Microsystems no alarga el trayecto de la luz de imagen ni requiere componentes adicionales en el trayecto de la luz de imagen, lo cual es otro inconveniente de los sistemas de apilamiento.

Resumen La introducción de la óptica corregida infinitamente mejoró considerablemente la funcionalidad del microscopio moderno. La necesidad de corregir aberraciones introducidas por prismas u otros instrumentos ópticos necesarios para los métodos de contraste es una cosa del pasado. Además de la facilidad de uso mejorada, la óptica infinita permite el acoplamiento simultáneo de múltiples fuentes de luz en el microscopio. El puerto Infinity de Leica permite el acceso directo a la trayectoria de luz infinita del soporte del microscopio, evitando los problemas que se crean mediante métodos de apilamiento. Esto abre la puerta a los investigadores para conectar fácilmente dispositivos ópticos adicionales sin sacrificar la calidad de la imagen y mantener el ritmo con las últimas tendencias de microscopía.

Fuente: Leica Microsystems

Articulo: Optik & Photonik, Volume 11, Issue 1, pages 34–37, February 2016;