Microscopio semplice
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Definizione
Le fibre ottiche sono guide d’onda flessibili, generalmente cilindriche e di diametro inferiore al millimetro, realizzate in silice (quarzo) altamente pura oppure in polimeri ingegneristici. La loro funzione è convogliare radiazione luminosa, e in configurazioni specifiche anche immagini, tra due punti lungo percorsi tortuosi, grazie al principio della riflessione totale interna. Quando un raggio luminoso incide sulla faccia d’ingresso con un’angolazione compresa entro il cosiddetto cono di accettazione, la rifrazione al confine aria–core porta l’angolo di incidenza sulla parete interna core–cladding a superare l’angolo critico, assicurando riflessioni totali e propagazione guidata fino all’estremità opposta (Figura 07.45-01). Per garantire tale condizione, il nucleo (core) è circondato da un rivestimento (cladding) con indice di rifrazione inferiore, cui si aggiungono di norma strati protettivi per la robustezza meccanica e la biocompatibilità.
La condizione di guida è descritta dalla legge di Snell e dall’angolo critico \(\theta_c\), con \(\theta_c=\arcsin\!\left(\frac{n_{\text{clad}}}{n_{\text{core}}}\right)\). La capacità di accettare raggi fuori asse è sintetizzata dall’apertura numerica (NA), definita da \(\mathrm{NA}=\sqrt{n_{\text{core}}^{2}-n_{\text{clad}}^{2}}\), e dal mezzo esterno \(n_0\) tramite \(\sin\theta_{\max}=\mathrm{NA}/n_0\). Fibre a indice a gradino o a indice graduato e, a seconda del diametro del core, multimodali o monomodali, vengono selezionate in funzione dell’applicazione. In ambito clinico, le distanze ridotte rendono trascurabili le perdite di attenuazione, mentre risultano cruciali flessibilità, sterilizzabilità e qualità dell’immagine; per l’imaging si usano spesso fasci coerenti di fibre per trasferire pixel ottici, oppure microtelecamere miniaturizzate alla punta.
Un impiego paradigmatico è l’endoscopia: sfruttando orifizi e cavità naturali, è possibile illuminare, visualizzare e documentare strutture interne altrimenti inaccessibili, mediante strumenti rigidi o flessibili (Figura 07.45-02). In termini funzionali, un endoscopio comprende:
- una sorgente luminosa esterna ad alta intensità (ad es. lampada o LED medicale), con fascio veicolato da fibre ottiche fino alla punta esploratrice per l’illuminazione del campo operatorio;
- un sistema di visione formato da ottiche di focalizzazione e una microcamera digitale in testa, oppure da un fascio coerente di fibre per il trasferimento dell’immagine, con invio all’oculare e/o a un monitor esterno per l’osservazione in tempo reale;
- canali dedicati al passaggio di strumenti operativi, all’irrigazione con liquidi di lavaggio e all’aspirazione di fluidi o materiale biologico, mantenendo separate le vie per ridurre interferenze;
- un meccanismo di controllo prossimale per l’orientamento bidirezionale o quadrimensionale della punta, la regolazione dell’obiettivo e la gestione dei canali operativi, assicurando elevata mobilità e precisione di manovra (Figura 07.45-02).
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