Come scegliere un microscopio: ottico o digitale?

I microscopi tradizionali sono spesso utilizzati in ambienti scolastici e laboratori mentre i microscopi digitali – che hanno lo schermo di un monitor come unica modalità di visualizzazione delle immagini – possono essere utilizzati a casa o in un laboratorio personale. Entrambi i microscopi hanno i loro vantaggi e consentono di studiare con successo un determinato campione. Ma qual è esattamente la differenza tra un microscopio tradizionale e uno digitale a parte il fatto che uno può essere usato con un computer? In questo articolo risponderemo a tutte le più comuni domande e curiosità sull’argomento.

Oggi, quasi ogni microscopio di alto livello professionale fornisce immagini digitali, non è così invece per quelli amatoriali. I microscopi tradizionali, noti anche come microscopi “ottici”, sono comunemente usati per ingrandire piccoli oggetti. Ci sono stati molti tentativi di migliorare il design del microscopio ottico per migliorarne risoluzione. Ma il microscopio ottico rimane ancora abbastanza semplice nella sua struttura ed è usato ovunque, dalle aule di scuola ai laboratori di chimica e biologia.

La versione digitale è eccezionale per velocità, praticità e per immagini di alta qualità che devono essere scattate più volte. Il microscopio ottico è eccezionale se non hai bisogno di alcun hardware sofisticato per svolgere il tuo lavoro. Ad esempio, gli studenti di scienze in un’aula di scuola potrebbero non aver bisogno di vedere le rappresentazioni 3D di un campione. Detto questo, entrambi i microscopi possono essere fantastici da avere a portata di mano e può essere utile averli e usarli entrambi.

Un microscopio ottico binoculare, largamente usato in biologia e chimica. Ne puoi trovare dei modelli con un ottimo rapporto qualità / prezzo qui.

In biologia si usano essenzialmente microscopi ottici, che vanno dai modelli monoculari, binoculari e trinoculari usati per osservare le cellule fino a quelli stereo usati, ad esempio, per la dissezione degli insetti. Se però volete osservare dei soggetti 3D opachi, come ad esempio gli stessi insetti interi, vi sarà utile un microscopio digitale USB, che sarà utile anche a chi vuole usare un microscopio per andare alla ricerca di reperti microscopici, come ad esempio succede sulla scena di un crimine.

Confronto fra modelli digitali e tradizionali

La maggior parte delle cellule animali è invisibile ad occhio nudo e misura tra 0,001 e 0,003 centimetri di diametro. Con i microscopi USB digitali, puoi non solo osservare queste cellule, ma anche acquisire immagini e visualizzarle in 3D. Che tu stia cercando microscopi ottici per il tuo laboratorio o microscopi digitali USB per il tuo hobby, oggi puoi trovare a buon prezzo tutto ciò di cui hai bisogno. Per saperne di più sui prezzi dei microscopi digitali e di quelli ottici tradizionali, puoi fare una ricerca, rispettivamente, qui e qui.

Un tipico microscopio digitale USB economico (vedi qui) per uso generale.

I microscopi digitali sono “capaci” di fornire la stessa qualità d’immagine di un microscopio standard per un’immagine catturata, se hanno un’ottica simile. Il problema è che ci sono molti microscopi digitali che non forniscono l’hardware per importanti tecniche di contrasto, come fluorescenza e contrasto di fase. Inoltre, gli strumenti digitali con obiettivi fissi e un obiettivo zoom (quelli economici) in genere non hanno la stessa qualità di correzione del campo piatto e dell’aberrazione sferica.

La microscopia digitale 3D, poi, offre misurazioni 2D e 3D rapide, una profondità di campo e una distanza di lavoro maggiori rispetto a un microscopio “normale”, una gamma molto ampia di ingrandimenti che può andare da macro a micro e molte tecniche di illuminazione (tra cui polarizzazione, DIC, illuminazione in trasmissione, fluorescenza). Un altro vantaggio della microscopia digitale è la sua flessibilità unica, poiché il sistema ottico può essere collegato a qualsiasi supporto.

Ciò consente, ad esempio, l’ispezione a contatto di un albero nella foresta o l’ispezione senza contatto di un intero dipinto ad alta risoluzione. Pertanto, si possono usare microscopi digitali in condizioni che non supportano l’uso di un microscopio standard, oppure nel caso in cui siano necessarie (molte) diverse registrazioni di ingrandimento contemporaneamente. In altri casi, invece, l’ottica superba e la risoluzione dei microscopi standard costituiscono la scelta migliore.

Microfibre all’interno dei fori di una spugna (a sinistra) e un pungiglione di vespa (a destra) osservati con un microscopio digitale USB capace di ingrandimento 1000x, simile a quello illustrato nella figura precedente. Ne trovate diversi qui.

In generale, scegli i microscopi in base ai dettagli della risoluzione anziché all’ingrandimento per la migliore qualità. Inoltre, nella scelta valuta tutti i seguenti aspetti:

  • Determina l’uso. Determina se sceglierai un microscopio per guardare piccole cose e scegli un modello ad alta potenza, per oggetti più grandi come monete e francobolli hai bisogno di un modello a bassa potenza.
  • Considera l’ingrandimento. I microscopi a bassa potenza ingrandiscono gli oggetti fino a 120 volte, mentre i modelli ad alta potenza ingrandiscono gli oggetti fino a 1.000 volte.
  • Identifica l’utente. Identifica se l’utente sarà un bambino, un adolescente o un adulto a scegliere tra un microscopio giocattolo, uno da studente o un modello di ricerca.
  • Esamina le funzionalità. Esamina le caratteristiche e la meccanica, optando per un modello composto con lenti di ingrandimento montate su un braccio rotante per visualizzare oggetti bidimensionali o un microscopio stereo con due oculari per visualizzare oggetti tridimensionali.
  • Considera il digitale. Prendi in considerazione un microscopio digitale se desideri visualizzare immagini su un computer, manipolare immagini e condividere immagini.
  • Considera l’illuminazione. Considera la fonte di luce quando scegli i microscopi, tenendo presente che l’illuminazione a LED è ottima per preservare meglio i campioni.
  • Considera il budget. Considera il tuo budget nella tua decisione, osservando che un modello giocattolo costa circa 100 €, mentre i modelli per adulti e per la ricerca costano centinaia di dollari.
  • Valuta il pacchetto. Valuta il pacchetto per scoprire quali accessori sono inclusi nel prezzo e cos’altro potresti dover acquistare. Ora, armato del tuo nuovo microscopio, farai grandi scoperte!

Se vuoi osservare un campione biologico (sangue, sperma, batteri, cellule vegetali e animali, etc.) su un vetrino, come in questa figura, hai bisogno di un microscopio ottico composto.

Come scegliere un microscopio ottico tradizionale

L’applicazione (che tipo di campioni / oggetti si intende visualizzare) è il fattore più importante nella scelta di un microscopio. Quello che devi vedere e quello che vuoi fare con quell’immagine determinerà il tipo di microscopio di cui hai bisogno; contrariamente alla credenza comune, esistono diversi tipi di microscopi e nessun singolo microscopio può visualizzare tutto. Proprio come qualsiasi industria, la chiave del successo con la microscopia è avere lo strumento giusto per il lavoro da svolgere.

Esistono due tipi base di microscopi ottici: composto (alta potenza) e stereo (bassa potenza). Se hai bisogno di un ingrandimento molto elevato per visualizzare le strutture interne delle cellule, molto probabilmente useresti un microscopio composto. I microscopi composti non hanno solo impostazioni di ingrandimento molto elevate, ma hanno anche una risoluzione ottica molto elevata (il che significa che è possibile visualizzare caratteristiche molto piccole in un’immagine grazie alle lenti degli obiettivi.

Le due tipologie di base di microscopio ottico: composto e stereo.

Se è necessario esaminare interi insetti od i giunti di saldatura su circuiti stampati o altri oggetti relativamente grandi, probabilmente si utilizzerà un microscopio stereo. I microscopi stereo hanno impostazioni di ingrandimento relativamente basse, ma hanno anche distanze di messa a fuoco maggiori, in modo da poter adattare mani e strumenti tra l’obiettivo e il campione. Hanno anche campi visivi più grandi, quindi puoi vedere al microscopio un’area più ampia di un campione.

I microscopi composti tendono a richiedere campioni attraverso i quali è possibile far passare la luce per creare un’immagine, poiché la luce proviene dalla parte inferiore del microscopio attraverso il campione (illuminazione trasmessa). I microscopi stereo, d’altra parte, tendono a funzionare meglio con campioni attraverso i quali non è possibile far passare la luce, poiché hanno sorgenti di luce superiore (illuminazione riflessa) che risplende e rimbalza su quei campioni per creare un’immagine.

Ad esempio, non vorrai certamente utilizzare un microscopio composto, cioè da biologia, con una luce trasmessa se desideri visualizzare una moneta. Una moneta non può far passare la luce attraverso di essa, quindi, la vedresti meglio con un microscopio stereo con una luce riflessa (oltre che perché vuoi che un grande campo visivo veda l’intera moneta). Se utilizzassi una luce trasmessa, otterresti un’immagine nera nel tuo microscopio, poiché nessuna luce può passare attraverso la moneta.

Esempio di immagini riprese con un microscopio ottico composto + foto/videocamera.

Al contrario, se si desidera visualizzare una cellula batterica, si vorrebbe utilizzare un microscopio composto con una luce trasmessa, perché una luce riflessa eliminerebbe il campione, poiché non riflette abbastanza luce per creare un’immagine (oltre che perché hai bisogno di un ingrandimento maggiore per visualizzare dettagli così piccoli). Probabilmente vedresti un contorno molto piccolo della cellula, senza molti dettagli all’interno, se non nessuno, cercando di utilizzare un microscopio stereo con luce riflessa.

All’interno di ciascuno di questi tipi di microscopi di base, tuttavia, possono esserci requisiti molto più esigenti e all’interno di ciascun tipo di microscopio di base esiste una varietà di metodi o tecniche di microscopia avanzata. Esistono, ad esempio, alcuni microscopi composti che usano la luce riflessa per visualizzare oggetti solidi con ingrandimenti molto elevati, e alcuni microscopi stereo con luci trasmesse intendono visualizzare campioni semi-opachi / semi-traslucidi.

I microscopi composti sono ciò che la maggior parte delle persone immagina quando pensa ai microscopi. Sono disponibili in formati monoculari, binoculari e trinoculari, che si riferiscono al numero di tubi oculari presenti nel microscopio. I microscopi composti monoculari tendono ad essere i migliori per il pubblico più giovane che non si adatta ancora perfettamente a un microscopio composto binoculare o per le persone che intendono soltanto utilizzare una fotocamera.

Microscopi binoculari, trinoculari, stereo

I microscopi composti binoculari funzionano meglio per gli adolescenti e gli adulti, poiché avere entrambi gli occhi aperti quando si osserva è molto più comodo rispetto alla chiusura costante. I microscopi trinoculari funzionano allo stesso modo dei microscopi binoculari durante la visualizzazione, tuttavia hanno una porta dedicata per una fotocamera, che consente all’utente di montare la foto- o videocamera per l’uso durante la visualizzazione o per riporre facilmente l’accessorio foto- videocamera.

I tre tipi di testa possibili in un microscopio ottico.

I microscopi composti hanno un numero di obiettivi (la lente più vicina all’oggetto che si sta visualizzando) di vari ingrandimenti montati in un nasello rotante. Tipicamente, l’intervallo di ingrandimento su un microscopio composto è compreso tra 40x e 1600x, sebbene alcuni siano in grado di ingrandimenti maggiori o inferiori. Poiché viene utilizzato un solo obiettivo alla volta e viene utilizzato un singolo percorso di luce, lo spettatore vede un’immagine bidimensionale del campione.

Gli obiettivi vanno da 2X a 100X, tuttavia l’ingrandimento totale è il prodotto di tutti gli elementi di ingrandimento in un percorso di luce e rappresenta il risultato finale che verrà utilizzato per visualizzare i tuoi campioni. L’ingrandimento totale del microscopio composto si ottiene moltiplicando l’ingrandimento dell’obiettivo per l’ingrandimento dell’oculare. Ad esempio, un obiettivo 100x con un oculare 10x ti darebbe il tipico ingrandimento totale di uno strumento amatoriale, pari a 1000x.

Come calcolare l’ingrandimento con un microscopio ottico.

Molti microscopi composti hanno anche una lente sotto il palco che focalizza la luce dalla fonte di luce attraverso il campione e nella lente dell’obiettivo, chiamata condensatore. Alcuni hanno semplicemente un disco che controlla la quantità di luce permessa attraverso, mentre altri hanno un cursore con un diaframma e un posizionamento regolabile, o un condensatore completamente sostituibile, che consente di utilizzare metodi di microscopia più avanzati, come in campo scuro e in contrasto di fase.

A differenza di un microscopio composto che offre un’immagine bidimensionale, i microscopi stereo danno un’immagine tridimensionale eretta (verticale e non invertita) perché usano due percorsi di luce del tutto indipendenti (uno per ciascun oculare), creati usando obiettivi focalizzati su posizioni leggermente sfalsate rispetto al campione. Il nome “stereo” deriva dal termine “stereoscopico”, che significa usare due diversi angoli di visione per creare un’impressione di profondità e solidità.

Per questo motivo, i veri microscopi stereo sono disponibili solo in versione binoculare e trinoculare, tuttavia esiste anche un tipo speciale di microscopio stereo chiamato microscopi da “ispezione”. Questi sono molto simili in natura ai microscopi stereo, tuttavia hanno solo un singolo tubo oculare, quindi forniscono una visione piatta di oggetti più grandi e opachi, piuttosto che una vera visione stereoscopica, ma visualizzano gli stessi tipi di campione dei microscopi stereo.

Un microscopio da ispezione trinoculare per uso professionale.

I microscopi stereo sono particolarmente utili per i biologi che eseguono dissezioni (ad esempio di insetti), i tecnici che riparano i circuiti, i paleontologi che puliscono e esaminano i fossili o chiunque abbia bisogno di lavorare con le mani o con gli strumenti su piccoli oggetti, ma abbastanza grandi da poter essere visti o manipolati senza l’aiuto di un alto microscopio composto di potenza. Pertanto, i microscopi stereo hanno una vasta gamma di potenziali applicazioni in molti settori.

Esistono due principali suddivisioni dei microscopi stereo, in base al tipo di ingrandimento: potenza fissa e potenza variabile (zoom). I microscopi stereo a potenza fissa hanno un determinato numero di obiettivi in posizione fissa e offrono solo le rispettive opzioni di ingrandimento elencate, niente nel mezzo. Sono i migliori per la loro facilità d’uso e facilità di messa a fuoco, rendendo il pubblico più giovane ed i dilettanti ottimi candidati per questo tipo di microscopi stereo, ma mancano della flessibilità.

Un economico microscopio stereo da dissezione a potenza fissa. Puoi trovare ottimi modelli di  microscopi stereo per lo scienziato dilettante qui.

D’altra parte, i microscopi stereo (con potenza) zoom hanno una flessibilità molto maggiore perché le lenti dell’obiettivo possono essere avvicinate o allontanate dal campione all’interno del microscopio. Ciò consente di ottenere una gamma di opzioni di ingrandimento entro i valori massimo e minimo forniti dal microscopio, come da 7x a 45x. Richiedono livelli più precisi di rifocalizzazione quando si modificano i valori di ingrandimento rendendoli un po’ più difficili da usare, ma offrono una flessibilità molto maggiore in termini di distanza di lavoro, ingrandimento e campo visivo.

Caratteristiche dei microscopi digitali USB

Il design e il principio di base del funzionamento di un microscopio non sono cambiati molto fino alla fine del secolo scorso. Quando i computer sono diventati più compatti e sono stati creati sensori ottici di precisione, il microscopio a piattaforma standard è entrato in una nuova era: quella digitale. Grazie a pixel sensibili alla luce, vengono catturate immagini che, una volta elaborate dal software del computer, possono essere visualizzate in tempo reale, misurate e persino visualizzate come immagini 3D.

La microscopia digitale non è un microscopio con una fotocamera o telecamera collegata: è un sistema di ispezione ottica, progettato con lo schermo come unica uscita, in modo che il concetto completo e la costruzione del microscopio sono davvero molto diversi da un microscopio binoculare. Il primissimo video microscopio (in seguito ribattezzato microscopio “digitale” quando le telecamere analogiche furono sostituite dal sensore digitale CCD) fu inventato nel 1985 in Giappone da Hirox.

Un microscopio digitale USB completo di schermo capace di ingrandimenti da 10x a 600x.

Un microscopio digitale è una variazione di un microscopio ottico tradizionale che utilizza l’ottica e una telecamera CCD per produrre un’immagine digitale su un monitor. Un microscopio digitale differisce da un microscopio ottico in quanto non è prevista l’osservazione diretta del campione attraverso un oculare. Poiché l’immagine ottica viene proiettata direttamente sulla telecamera CCD, l’intero sistema è progettato per guardare l’immagine del monitor. L’ottica per l’occhio umano, quindi, è stata omessa.

La porta USB ha prodotto una moltitudine di microscopi digitali USB che variano in termini di qualità e ingrandimento. Essi continuano a scendere di prezzo, soprattutto rispetto ai microscopi ottici convenzionali. Una differenza assai importante tra un microscopio ottico e un microscopio digitale è l’ingrandimento. Con un microscopio ottico, infatti, l’ingrandimento si trova moltiplicando l’ingrandimento dell’obiettivo per l’ingrandimento dell’oculare, fino a un ingrandimento max di 1600x.

Dato che  il microscopio digitale non ha un oculare, non è possibile trovare l’ingrandimento con questo metodo. Invece, l’ingrandimento per un microscopio digitale si trova da quante volte il campione viene riprodotto sul monitor. Pertanto l’ingrandimento dipenderà dalle dimensioni del monitor. Se un sistema di microscopio digitale viene usato con un monitor da 15”, ciò comporta una differenza media nell’ingrandimento tra un microscopio ottico e un microscopio digitale di circa il 60%.

Il concetto di ingrandimento con un microscopio digitale.

Pertanto, l’ingrandimento di un microscopio ottico è in tal caso maggiore del 60% rispetto all’ingrandimento di un microscopio digitale. Poiché il microscopio digitale ha l’immagine proiettata direttamente sulla telecamera CCD, è possibile avere immagini registrate di qualità superiore che con un microscopio ottico. Con il microscopio ottico, le lenti sono fatte per l’ottica dell’occhio. Il collegamento di una telecamera CCD a un microscopio ottico produrrà un’immagine di compromesso.

Utilizzando un microscopio digitale avanzato, è possibile ottenere un ingrandimento fino a 1000x e oltre, e sfruttare tutte le funzionalità di un microscopio ottico composto. Le immagini possono essere visualizzate in modo più dettagliato quando i microscopi proiettano le immagini sullo schermo di un computer. Le immagini catturate da questi microscopi possono essere ingrandite e le dimensioni della maggior parte delle immagini sono limitate solo dalle dimensioni dello schermo di visualizzazione.

Con un tipico CCD da 2 megapixel, viene generata un’immagine da 1600 × 1200 pixel. La risoluzione dell’immagine dipende dal campo visivo dell’obiettivo utilizzato con la camera CCD. La risoluzione approssimativa dei pixel può essere determinata dividendo il campo visivo orizzontale (FOV) per 1600. È possibile ottenere una risoluzione maggiore creando un’immagine sub-pixel. Il metodo Pixel Shift utilizza un attuatore per spostare fisicamente il CCD per acquisire più immagini sovrapposte.

Sebbene l’immagine del monitor e l’immagine registrata possano essere di qualità superiore rispetto a un microscopio digitale, è l’applicazione per il microscopio che può dirci quale microscopio preferire. La maggior parte dei sistemi di microscopi digitali di fascia alta ha la capacità di misurare campioni in 2D. Le misure sono fatto sullo schermo misurando la distanza da pixel a pixel. Ciò consente di misurare lunghezza, larghezza, diagonale e cerchio. Alcuni sistemi sono persino in grado di contare le particelle.

Software di misurazione per un buon microscopio digitale. Può essere tarato usando un righello, come si vede nelle immagini in basso.

La misurazione 3D è ottenuta, con un microscopio digitale, mediante impilamento di immagini. Usando un motore passo-passo, il sistema prende immagini dal piano focale più basso nel campo visivo al piano focale più alto. Quindi ricostruisce queste immagini in un modello 3D basato sul contrasto per fornire una immagine a colori 3D del campione. Da queste misure è possibile realizzare il modello 3D, ma la sua precisione si basa sul motore passo-passo e sulla profondità di campo dell’obiettivo.

Il microscopio è collegato al computer tramite un cavo USB, a meno che il microscopio non abbia una propria schermata. Con un microscopio ottico, è invece necessario acquistare una telecamera per microscopi (e un adattatore ottico) separatamente per essere installata sul microscopio al fine di acquisire le immagini sul computer, ad es. per conservarle o mostrarle ad altri. La soluzione, però, potrebbe essere più costosa che non usare direttamente un microscopio digitale.

La tecnologia CCD fornisce immagini in tempo reale, consentendo la visualizzazione continua di campioni viventi. I computer possono anche acquisire immagini e filmati in tempo reale per la stampa, l’archiviazione su disco, la condivisione dei file su Internet, etc. Ciò consente alle immagini di essere trasferite via Internet in modo semplice ed efficiente. Si può trasferire in pochi minuti un’immagine o un filmato a un’altra persona nello stesso edificio oppure a una dall’altra parte del mondo.

Un microscopio digitale a luce invertita. Con i microscopi invertiti, guardi i campioni dal basso poiché le loro ottiche sono posizionate sotto il campione. Essi vengono utilizzati per la ricerca nelle scienze della vita, perché la gravità fa affondare i campioni sul fondo di un supporto con una soluzione acquosa e non si vede molto dall’alto.

Un microscopio digitale richiede l’uso di software specifici che consentano il funzionamento dei sensori CCD, catturando immagini e inviandole a un monitor o visualizzandole sullo schermo dello strumento. Hobbisti e privati possono acquistare un piccolo microscopio digitale (che può andare dalle versioni da tavolo a quelle portatili) per poche centinaia di euro, mentre i microscopi utilizzati da ricercatori medici e scientifici possono raggiungere costi di centinaia di migliaia di euro.