Fin dai tempi antichi, l’uomo ha voluto vedere cose molto più piccole di quanto si potesse percepire ad occhio nudo. Sebbene il primo uso di una lente sia un mistero, ora si ritiene che sia più recente di quanto si pensasse in precedenza. Tuttavia è noto da oltre 2000 anni che il vetro curva la luce. Nel II secolo a.C., Claudio Tolomeo descrisse di un bastone che sembrava piegarsi in una pozza d’acqua e registrò accuratamente gli angoli entro mezzo grado.
Calcolò poi molto accuratamente la costante di rifrazione dell’acqua. Durante il I secolo d. C. (anno 100), il vetro era stato inventato e i Romani lo usavano per guardarci attraverso ed eseguire diversi esperimenti. Essi sperimentarono diverse forme di vetro trasparente e uno dei campioni utilizzati era spesso al centro e sottile ai bordi. Scoprirono che se tenevi una di queste “lenti” sopra ad un oggetto, questo appariva più largo.
Queste prime lenti erano chiamate lenti di ingrandimento o occhiali ardenti. La parola lente deriva in realtà dalla parola Latina lenticchia, come venivano chiamate a quei tempi perché assomigliavano alla forma di una lenticchia. Nello stesso periodo, Seneca descrisse l’ingrandimento effettivo derivante da un globo d’acqua: “Le lettere, per quanto piccole e indistinte, sono viste ingrandite e più chiaramente attraverso una sfera di vetro piena di acqua”. Le lenti non furono usate molto fino alla fine del XIII secolo, a quei tempi i produttori di occhiali usavano le lenti per indossarle come occhiali. Poi, intorno al 1600, si scoprì che potevano essere realizzati degli strumenti ottici utilizzando una combinazione di lenti.
I primi semplici “microscopi” erano in realtà delle lenti di ingrandimento che avevano un potere di ingrandimento di circa 6x-10x. Una cosa molto comune e interessante da osservare, erano pulci e altri insetti, per cui queste prime lenti vennero chiamate “occhiali da pulci”.
Durante gli anni ’90 del ‘500, due produttori di occhiali Olandesi, Zaccharias Janssen e suo padre Hans, iniziarono a fare esperimenti con queste lenti. Misero diverse lenti in un tubo e fecero un’importante scoperta: l’oggetto vicino all’estremità del tubo sembrava essere notevolmente ingrandito, molto più grande di quanto una semplice lente di ingrandimento avrebbe potuto ottenere da sola! I loro primi microscopi erano più una novità che degli strumenti scientifici veri e propri, poiché l’ingrandimento massimo era solo di circa 9x e le immagini erano un po’ sfocate. Sebbene nessun microscopio Janssen sia sopravvissuto, uno strumento prodotto per i reali Olandesi fu descritto come composto da “3 tubi scorrevoli, che misurano 18” quando completamente estesi, e di 2” di diametro”. Si diceva che il microscopio avesse un ingrandimento di 3x quando completamente chiuso e di 9x quando completamente aperto.
Fu Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723), un drappista e scienziato Olandese, uno dei pionieri della microscopia. Alla fine del XVII secolo divenne il primo uomo a realizzare e utilizzare un vero microscopio. Realizzò i suoi semplici microscopi con una singola lente e questi potevano essere tenuti in una mano. Van Leeuwenhoek ottenne un maggior successo rispetto ai suoi contemporanei, sviluppando modi per realizzare lenti superiori: levigando e lucidando una piccola sfera di vetro realizzò una lente con ingrandimento di 270x, il migliore conosciuto a quei tempi (gli altri microscopi erano fortunati se riuscivano a raggiungere i 50x). Egli usò queste lenti per realizzare il primo microscopio al Mondo.
Il microscopio di Leeuwenhoek utilizzava una singola lente di vetro convessa fissata a un supporto di metallo ed era messa a fuoco con delle viti. Anthony Leeuwenhoek si concentrò molto di più sulla scienza e con il suo microscopio fu in grado di vedere cose che nessun uomo aveva mai visto. Vide batteri, lieviti, cellule del sangue e molti piccoli animali che nuotavano in una goccia d’acqua.
Le persone non si rendevano conto che l’ingrandimento poteva svelare strutture che non erano mai state viste prima – l’idea che tutta la vita potesse essere composta da minuscoli componenti invisibili ad occhio nudo non veniva nemmeno presa in considerazione.
Per aumentare il potere di un microscopio a lente singola, la lunghezza focale deve essere ridotta. Ma una riduzione della lunghezza focale, richiede una riduzione del diametro della lente e a questo punto diventa difficile vedere attraverso la lente. Per risolvere questo problema, venne inventato nel XVII secolo il microscopio composto. Questo tipo di microscopio incorpora più di una lente in modo che l’immagine ingrandita da una lente possa essere ulteriormente ingrandita da un’altra.
Oggi, il termine “microscopio” è generalmente usato per riferirsi a questo tipo di microscopi composti. Nel microscopio composto, la lente più vicina all’oggetto da visualizzare è chiamata “obiettivo” mentre la lente più vicina all’occhio è chiamata “oculare”. La funzione di qualsiasi microscopio è quella di migliorare la risoluzione. Il microscopio è utilizzato per creare una visione ingrandita di un oggetto tale da poter osservare tutti i dettagli altrimenti non visibili all’occhio umano. La risoluzione spesso viene confusa con l’ingrandimento. L’ingrandimento è la dimensione dell’immagine. In generale, maggiore è l’ingrandimento, maggiore è la risoluzione; ma questo non è sempre vero. Esistono diverse limitazioni nel design di una lente che possono comportare un aumento dell’ingrandimento senza una maggiore risoluzione.
La ragione delle dicotomia tra ingrandimento e risoluzione è l’abilità dell’occhio umano di vedere due oggetti.
All’Inglese Robert Hooke è attribuito il traguardo microscopico della scoperta dell’unità base della vita, la cellula. Nella metà del XVII secolo, Hooke vide une rete strutturale, mentre studiava un campione di sughero; queste gli ricordarono delle piccole camere monastiche, chiamate celle (Micrographia). Hooke è anche accreditato per essere il primo a utilizzare la configurazione base a tre lenti che è ancora usata nei microscopi di oggi.
Tutti i primi microscopisti videro immagini piuttosto distorte a causa della bassa qualità del vetro e della forma imperfetta delle lenti. Poco venne fatto per migliorare il microscopio, fino alla metà del XIX secolo, quando si fecero grandi passi avanti e emersero strumenti di qualità, come il microscopio di oggi. Aziende in Germania come Zeiss e quella Americana fondata da Charles Spencer, iniziarono a produrre strumenti ottici di qualità. Possiamo anche menzionare Ernst Abbe, che condusse uno studio teorico sui principi ottici, e Otto Schott, che fece ricerche sui vetri ottici.
Affinché i microscopi ottici potessero ottenere una migliore risoluzione, era necessario superare tre problemi fondamentali:
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Aberrazione Cromatica: la flessione diseguale di diversi colori di luce che si verificano in una lente. Il problema fu inizialmente risolto negli anni ’70 del ‘700 da Chester Hall. Egli scoprì che se avesse usato una seconda lente diversa per forma e proprietà di curvatura della luce, avrebbe potuto riallineare i colori senza perdere tutto l’ingrandimento della prima lente.
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Aberrazione Sferica: la flessione diseguale della luce che colpisce parti diverse della lente. Jackson Lister trovò la soluzione nel 1830. Posizionando le lenti a distanze precise l’una dall’altra, si poteva eliminare l’aberrazione di tutte le lenti, tranne la prima. Lenti a bassa curvatura e basso potere di ingrandimento, potevano essere realizzate con una minima aberrazione e usando una lente di questo tipo come prima lente, il problema poteva essere eliminato virtualmente.
In alto – una fotografia scattata con un obiettivo di buona qualità. Sotto – una fotografia scattata con un obiettivo quadrangolare che mostra l’aberrazione cromatica visibile (specialmente sui bordi scuri sulla destra).
Una lente perfetta (in alto) focalizza tutti i raggi in arrivo in un unico punto sull’asse ottico. Una vera lente con superfici sferiche (in basso) soffre di aberrazione sferica: focalizza i raggi in modo più stretto se entrano lontano dall’asse ottico. Pertanto non produce un punto focale perfetto.
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Il terzo problema è che un microscopio, per ottenere il più possibile buoni risultati, deve raccogliere un cono di luce più ampio possibile. Erns Abbe elaborò la soluzione a questo problema negli anni ’70 del ‘800. Determinò le leggi fisiche che regolano la raccolta di luce da un obiettivo e massimizzò questa raccolta usando lenti ad immersione in acqua e olio. La massima risoluzione che è stato in grado di raggiungere è di circa 10 volte maggiore di quella che Leeuwenhoek riuscì a raggiungere circa 100 anni prima. Questa risoluzione di 0.2 micron o 200 nanometri è il limite fisico imposto dalla lunghezza d’onda della luce
Attualmente, lo sviluppo del microscopio si è quasi fermato, poiché i principi ottici sono ben conosciuti e, in una certa misura, sono stati raggiunti i limiti ottici. La maggior parte dei microscopi segue gli stessi principi strutturali che caratterizzano i microscopi mono-oculari, mono-binoculari e stereo-binoculari. Anche se i limiti tecnici del design sono stati raggiungi, Vision Engineering ha adottato la filosofia di sviluppare la praticità d’uso quotidiana del microscopio.
La tecnologia brevettata Dynascope di Vision Engineering elimina la necessità degli oculari convenzionali espandendo l’immagine in uscita dagli oculari da 3mm, ottenuta con i microscopi tradizionali, a 100mm.
Questo ha come maggiore vantaggio la libertà di movimento della testa e del corpo dell’operatore. Le implicazioni pratiche includono un uso più efficiente e più facile dei microscopi in ogni applicazione.
Nel cuore della tecnologia brevettata di Vision Engineering è presente un disco rotante multi-lenticolare (multi-lente), composto da milioni di lenticole (lenti), che lavorano come superfici di formazione di immagini indipendenti con un diametro di pochi micron ciascuna. I dischi ruotano ad alta velocità per unire i milioni di percorsi ottici in un’immagine unica, nitida e priva di aberrazioni. Il risultato è un sistema che ha livelli impareggiabili di comfort per l’operatore, riducendo la fatica e aumentando la qualità e la produttività.Scopri di più sulla tecnologia ottica brevettata senza oculari di Vision Engineering.
