Apertura numérica (AN o NA)

En un sistema óptico, la apertura numérica es un número adimensional (magnitud de dimensión uno) caracterizado por el rango de ángulos para los cuales el sistema acepta luz. En un objetivo de microscopio, la apertura numérica se define como la medida de su capacidad para colectar la luz y poder examinar los detalles del espécimen.

Apertura_Numérica

Concepto de apertura numérica para objetivos y condensadores

Los rayos de luz pasan a través de la muestra para formar la imagen, y entran en el objetivo en un cono invertido como se ilustra en la figura A. La luz blanca se compone de un amplio espectro de ondas electromagnéticas, en donde las longitudes oscilan entre 400 y 700 nanómetros.

Comparación de apertura numéricaDebemos saber, que 1 milímetro equivale a 1000 micrómetros y 1 micrómetro (µm) equivale a 1000 nanómetros. La luz del color verde tiene un rango de longitud de onda centrada a 550 nm (nanómetro), que corresponde a 0,55  µm. 

Los objetos minúsculos, por ejemplo, un espécimen montado en el portaobjetos del microscopio, la luz incidente sobre el objeto se difracta de manera que se desvía de la dirección original, figura A.

Cuanto más pequeño sea el objeto, más pronunciada será la difracción de los rayos de luz incidente. En los valores más altos, los rayos oblicuos cada vez que entran en la lente frontal del objetivo, produce una imagen altamente resuelta y permite que los objetos más pequeños sean visualizados con mayor claridad.

condensadores_microscopios_abbe

Condensador y tamaño del cono de iluminación según la apertura numérica

En la figura A, se presenta el sistema de microscopio simple (un solo objetivo) el objeto está iluminado por un haz de luz colimada, (luz enfocada al infinito) en el hecho de no utilizar un condensador. La luz difractada por el objeto se muestra como un cono invertido de medio ángulo “α”, que representa los límites de la luz que pueden entrar en el objetivo.

Condensador de AbbeCon el fin de aumentar la abertura adecuada y el poder de resolución del microscopio, el condensador (figura B) genera un rayo cónico de iluminación en el lado de la muestra, permitiendo que el objetivo pueda colectar los rayos de luz, resultando amplios ángulos de difracción en el aumento de la resolución del sistema de microscopio.

La suma de los ángulos de apertura del objetivo y del condensador se define como apertura de trabajo; si el ángulo de apertura del condensador coincide con el objetivo, se obtiene la máxima resolución, y el índice de refracción, es el componente límite en las aperturas numéricas superiores a 1,0. Por lo tanto, con el fin de obtener mayores aperturas numéricas de trabajo, el índice de refracción del medio entre la lente frontal del objetivo y la cubierta de la muestra debe ser aumentada.

Sistema de inmersiónComparando dos objetivos para obtener un identificador cuantitativo en la resolución, la apertura numérica, o medida del ángulo sólido cubierto por un objetivo se define: donde α es igual a un medio de ángulo de apertura del objetivo y η es el índice de refracción del medio de inmersión utilizado entre el objetivo y el portaobjetos para proteger el espécimen (η = 1 para aire; η = 1,51 aceite o vidrio)

Se puede decir, que el índice de refracción es el factor límite en aperturas numéricas superiores a 1,0. Por lo tanto, con el fin de obtener mayores aperturas numéricas de trabajo, el índice de refracción del medio entre la lente frontal del objetivo y el portaobjetos debe ser aumentada.

Surco de un disco de vinilo a 1000x

Microsurcos de un disco de vinilo a 1000x

La abertura angular más alta que se puede obtener con un objetivo de microscopio estándar supuestamente sería 180º, lo que resulta un valor de 90º para el medio ángulo utilizando la ecuación de apertura numérica = η • sen (α). El seno de 90º es igual a 1, lo que sugiere que la apertura numérica es limitada, no sólo por la abertura angular, además por el índice de refracción del medio en la formación de imágenes. Prácticamente, ángulos de apertura superiores a 70º o 80º se encuentran solamente en objetivos de mayor rendimiento.

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