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  • ÓPTICA

    • La óptica (del griego optomai, ver) es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia.

       ¿Qué es la imagen de un objeto?  

      Una imagen (del latín imago) es una representación visual, que manifiesta la apariencia visual de un objeto. 

      Una imagen óptica es una figura formada por el conjunto de puntos donde convergen los rayos que provienen de fuentes puntuales del objeto tras su interacción con un sistema óptico.

      - Imagen real: Es aquella que se forma cuando los rayos de luz procedentes de una fuente, tras pasar por un sistema óptico, lo abandonan convergentemente.

      Óptica Geométrica: El estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz se llama óptica geométrica. La óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de los rayos luminosos, despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las interferencias. Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda es muy pequeña en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso.

      Supóngase que desde un punto O se emitan rayos de luz y que atraviesan un sistema óptico cualquiera, ya sea en reflexión o refracción. Si los rayos vuelven a juntarse, convergen en un punto O’, se dice que la imagen formada en este punto es Real.

      Esta imagen no la podemos percibir directamente con nuestro sentido de la vista, pero puede registrarse colocando una pantalla  o una placa fotográfica, en el lugar donde convergen los rayos.

       

       

      - Imagen virtual: El término virtual, implica que tiene existencia aparente. La imagen virtual se forma por rayos divergentes. En óptica geométrica, una imagen virtual está formada por la proyección de los rayos reflejados o refractados (según sea el caso de un espejo o lente, respectivamente) en el dispositivo. Dichos rayos convergerán en un punto formando la Imagen virtual. (A diferencia de una imagen real que se forma con los rayos reflejados o refractados y no con sus proyecciones).

      Físicamente, la imagen virtual es aquella que se forma cuando los rayos procedentes de una fuente emisora de luz de un punto O tras atravesar un sistema óptico, ya sea en reflexión o refracción, lo hacen con rayos divergentes, es decir se separan en un punto O’, se dice que se forma una imagen Virtual.

      Son imágenes meramente subjetivas que no podrán ser recogidas o proyectadas sobre una pantalla o película fotográfica. Son percibidas gracias a la posibilidad que tiene el globo ocular de “seguir” por detrás del objeto observado, la proyección de esos rayos divergentes y los hace confluir para constituir la imagen virtual. La “virtualidad” de la imagen virtual consiste en que no está allí donde se percibe, se forma tan sólo sobre la retina y no por fuera del ojo en el sitio donde se ve.

      ESPEJOS

      Un espejo (del lat. specullum) es una superficie pulida en la que al incidir la luz, se refleja siguiendo las leyes de la reflexión.

      TIPOS DE ESPEJOS

       

       

       Espejo plano: Una superficie lisa y plana que refleja especularmente la luz, se denomina espejo plano.

       Para obtener la imagen de un punto, basta con trazar dos rayos incidentes y ver donde se cortan los rayos reflejados o sus prolongaciones.

       

       

      La imagen que observamos dentro de un espejo es en realidad una imagen virtual, porque los rayos de luz no penetran el espejo para formar la imagen sino que se forman por la intersección de la prolongación de los rayos reflejados. 

      ¿Cómo se forman las imágenes que vemos en un espejo plano?

      Supongamos que una persona pone una flor frente al espejo, tal como ilustra la figura. 

      Como muestra la figura. Al poner su ojo en la posición indicada, los rayos de luz que provienen de la flor real, serán reflejados por la superficie del espejo y llegarán al ojo humano, sin embargo, nuestro ojo no es capaz de percibir de dónde vienen los rayos de luz, sino que siempre los percibe como si vinieran en línea recta hacia él, es decir, el ojo percibirá como si viniesen del otro lado del espejo. Esto hace que el ojo capte la imagen del objeto en la posición que indica la figura. A esta imagen, que sólo capta el ojo, se le denomina imagen virtual; porque en definitiva, se trata de una especie de ilusión óptica.

       

      Conclusiones Importantes en Espejos Planos

      A) La imagen se forma en la zona virtual.

      B) La imagen es derecha.

      C) La distancia de la imagen al espejo es igual a la distancia del objeto al espejo.

      D) El tamaño de la imagen es igual al tamaño del objeto.

       Cuando el espejo es curvo los tamaños, las distancias del objeto y la imagen ya no son iguales, pero las leyes de la reflexión siguen siendo válidas.

       

      ESPEJOS ESFÉRICOS

      Un espejo esférico es un casquete esférico pulido. Es aquel casquete de esfera cuya superficie interna o externa es reflectante. Si la superficie reflectante es la interna, el espejo es cóncavo, mientras si la superficie reflectante es la externa el espejo es convexo.

       

       

       

      ELEMENTOS DE UN ESPEJO ESFÉRICO

      - Centro de Curvatura (C). Es el centro de la esfera que origina al espejo.

      - Radio de Curvatura (R). Es el radio de la esfera que da origen al espejo.

      - Vértice (V). Es el centro geométrico del espejo.

      - Eje Principal (l). Es la recta que pasa por el vértice y el centro de curvatura.

      - Foco Principal (F). Es aquel punto ubicado sobre el eje principal en el cual concurren los rayos reflejados o la prolongación de ellos, provenientes de rayos incidentes paralelos al eje principal.

      - Distancia Focal (f). Es la distancia entre el foco principal y el vértice; aproximadamente es la mitad del radio de curvatura.

       

      FORMACIÓN DE IMÁGENES EN UN ESPEJO ESFÉRICO

      Para explicar las distintas imágenes se recurre a un espejo esférico para averiguar el comportamiento de los rayos reflejados. Si se hace incidir un haz de rayos paralelos al eje principal, todos los rayos reflejados cortan al eje en un mismo punto: el foco principal.  Se comprueba que:

      1) Todo rayo paralelo al eje principal, al reflejarse pasa por el foco.

      2) Todo rayo incidente que pase por el foco, se refleja paralelo al eje principal. 

      3) Todo rayo incidente que pase por el centro de curvatura, se refleja sobre sí mismo. Esto es natural, pues por pasar por el centro de curvatura coincide con un radio, y por ello es perpendicular a la superficie esférica.

      Estos tres rayos, llamados rayos principales, son muy útiles para construir la imagen de un objeto, pues se sabe de antemano el camino que han de seguir después de reflejarse.

       

       

       

      CARACTERÍSTICAS DE IMÁGENES EN UN ESPEJO CÓNCAVO

       Según la distancia entre el objeto y el espejo la imagen es diferente. Consideremos un observador que se sitúa en distintas posiciones:

      a) Objeto situado entre el centro de curvatura y el infinito: Como muestra la figura, dos de los tres rayos principales bastan para determinar la imagen, que es real, invertida y menor que el objeto. Si se quiere trazar el rayo reflejado correspondiente a un rayo incidente cualquiera, basta tr­zar la semirrecta determinada por el punto de incidencia con el punto imagen (por definición de imagen real).

       

       

       

       

      b) Objeto situado en el centro de curvatura: Trabajando con los rayos principales se obtiene la imagen, que es real, invertida y del mismo tamaño que el objeto. En este caso se evidencia la necesidad de considerar espejos de pequeña abertura. Hágase la construcción con un espejo de abertura grande, y se comprobará que los tres ra­yos reflejados principales no se cortan en un mismo punto.

       

       

       

       

       c) Objeto situado entre el centro de curvatura y el foco: La imagen es real, invertida y situada entre el centro de curvatura y el infinito. Su tamaño es mayor que el objeto.

       

       

       

       

      d) Objeto situado en el foco del espejo: Los rayos reflejados no se cortan, lo que significa que no hay imagen. También se dice que "está en el infinito". Como el objeto está en el foco, todos los rayos que parten de él han pasado por el foco, de manera que al reflejarse en el espejo toman direcciones paralelas al eje principal y no forman imagen.

       

       

      e) Objeto situado entre el foco y el espejo: La imagen es virtual, y conserva su orientación (derecha). Su tamaño es mayor que el objeto: Los rayos refle­jados divergen entre sí: no ha­brá, pues, intersección, o sea imagen real.  Pero sus prolonga­ciones sí se cortan: La imagen es virtual, derecha (conserva su orientación) y de mayor tamaño.

       

       

       


      ESPEJOS CONVEXOS

         Los espejos convexos sólo presentan un tipo de imagen: colóquese el objeto a la distancia que se quiera, su imagen será siempre virtual, derecha y de menor tamaño que el objeto.

         Si se coloca un espejo convexo  y se hace incidir sobre él un haz de rayos luminosos, se observará que los rayos reflejados divergen.

        De ahí que estos espejos se llamen también divergentes.

       

      FORMACIÓN DE IMÁGENES EN ESPEJOS CONVEXOS

      En el caso de los espejos convexos es sencillo, porque pasa siempre lo mismo independientemente de dónde se coloque el objeto, O. La imagen, I, resulta ser siempre menor, derecha y virtual. Estos son los espejos retrovisores de los automóviles.

       

       

       

       

       

      LENTES

         Una lente está constituida por un medio transparente, limitado por caras curvas que normalmente son esféricas. Dicho medio es, en general, vidrio o algún plástico, pero también podría ser el agua, el aire, entre otros.

      Las lentes  comenzaron a utilizarse a partir de 1610, cuando Galileo las inventó y combinó en un telescopio, con el que descubrió los satélites de Júpiter.

      A partir del siglo XIII se empezaron a emplear en la fabricación de anteojos o en instrumentos ópticos como cámaras, microscopios y lupas. Las lentes son, probablemente, los más útiles e importantes de todos los dispositivos ópticos inventados

       

      LENTES DELGADAS

      Una lente es un medio transparente limitado por dos superficies de las cuales al menos una es curva. Una onda incidente sufre dos refracciones al pasar a través de la lente.

      Una lente delgada es una lente cuyo grosor es pequeño comparado con los radios de curvatura de sus superficies. Hay dos tipos de lentes: convergentes y divergentes.

       

      - Convergentes: son más gruesas en el centro que en los extremos. Se representan esquemáticamente con una línea con dos puntas de flecha en los extremos. Según el valor de los radios de las caras pueden ser: biconvexas (1), plano convexas (2) y menisco convergente (3).

       

       

       

       

      - Divergentes: Son más delgadas en la parte central que en los extremos. Se representan esquemáticamente por una línea recta acabada en dos puntas de flecha invertidas.

      Según el valor de los radios de las caras (que son dioptrios) pueden ser: bicóncavas (4), plano cóncavas (5) y menisco divergente (6).

       

       

       FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LENTES CONVERGENTES

      Reglas de construcción de imágenes en lentes convergentes

        Las trayectorias de los infinitos rayos que salen de un objeto están definidas por estas reglas:

      - Todo rayo que marcha paralelo al eje óptico antes de entrar en la lente, pasa, al salir de ella, por el foco imagen, F'

      - Todo rayo que pasa por el foco objeto, F, llega a lente y se refracta en ella, emergiendo paralelo al eje óptico.

      - Todo rayo que pasa por el centro óptico (que es el centro geométrico de la lente) no sufre desviación.


      Para localizar el punto imagen que de un objeto da una lente, debemos construir por lo menos la trayectoria de dos de los rayos más arriba mencionados. En el punto de cruce se forma el punto imagen.

      Formación de imágenes en lentes convergentes

      Casos de formación de la imagen según la posición del objeto:

      De cada uno de los puntos del objeto salen miles de rayos que llevan la información del objeto y se concentran en un punto donde se forma su imagen.

      En la imagen se observa la acción de una sección de lente convergente sobre un haz de rayos paralelos.

       

      En los gráficos que siguen el objeto se dibuja en negro. Si la imagen  es real se ve de color azul y si es virtual en verde.

      Considerar que la distancia del objeto a la lente es s, y la de la imagen a la lente es s'. Las distancias focales son: f para la distancia objeto y f' para la distancia imagen.

       

      1.- Si el objeto está situado entre 2f y el infinito (menos infinito), la imagen estará entre f' y 2f' y será invertida, real y más pequeña.

      s > 2f

      f'< s' <2f'

       

      2.- Si el objeto está situado en 2f, la imagen estará en 2 f', y será igual, invertida y real.

      s = 2f

      s' = 2f'

       

       

      3.- Si el objeto está situado entre 2f y f, la imagen estará situada más allá de 2 f' y será mayor, invertida y real.

      2f > s > f

      s' > 2f'

       

       

      Si el objeto se ubica entre el infinito y el foco la imagen será real e invertida.

       

      4.- Si el objeto está situado en f la imagen no se forma (se formaría en el infinito)

       s = f

      s' = infinito

       

       

       

      5.- Si el objeto está situado entre f y la lente, la imagen estará entre f y el infinito y será virtual (la forman las prolongaciones de los rayos), mayor y derecha.

       

      s < f

      s' < f (virtual)

       

       

      Las Lupas son lentes convergentes, que pueden formar imágenes virtuales mayores que el objeto o  formar imágenes menores que el objeto.

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

      FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LENTES DIVERGENTES

      Acción de una sección de lente divergente sobre un haz de rayos paralelos.

      1. Rayo Paralelo parece emanar del foco, del lado del objeto, en el lado del objeto de una lente divergente

      2. Un rayo central o rayo principal es el que pasa por el centro del lente y no se desvía.

      3. Un rayo focal es paralelo al eje óptico de una lente divergente y después de atravesarla parece provenir del foco del lado del objeto en una lente divergente.

       

       

       

       

      Sea cual sea la posición del objeto frente a la lente, la imagen siempre será virtual, menor y derecha.

       

      Para cualquier s, s' menor y virtual

       

      Las imágenes virtuales no se pueden recogen sobre una pantalla. Los rayos que proceden de un punto objeto no se cortan en ningún lugar al otro lado de la lente, por lo tanto no podemos recogerlos sobre una pantalla para obtener una imagen de ese punto. El sistema óptico del ojo si puede recoger esos rayos divergentes y obtener una imagen del objeto en la retina. El objeto nos parece que está en un punto virtual.

       

       

      EL OJO HUMANO

         Las partes principales del ojo humano, por las cuales viaja un rayo luminoso son las siguientes:

      - Cornea: membrana transparente que cubre el ojo protegiéndolo, en ella       los rayos de luz tienen la primera refracción.

      - Humor acuoso: es un líquido que se encuentra detrás de la cornea. En este lugar los rayos de luz tienen la segunda refracción.

      - Iris: es un anillo muscular que rodea la pupila, dándole el color al ojo. El regula la entrada de la luz.

      - Cristalino: es una estructura elástica formada por una sustancia transparente que tiene la forma de una lente convergente. Mediante los músculos ciliares que lo rodean, el cristalino cambia su curvatura para ajustar la imagen del objeto, regulando la distancia focal. Los rayos de luz en esta zona tienen la tercera refracción

      - Humor vítreo: esta es una sustancia gelatinosa cristalina que ocupa la parte interna del globo ocular. La luz en esta zona tiene una cuarta refracción.

      - Retina: es una capa de tejido que está en la parte posterior del ojo y es sensible a la luz. La retina se comporta como una pantalla donde se recoge la luz, formándose una imagen: real, invertida y de menor tamaño que el objeto observado. La retina no es uniforme, en el centro de ella existe una zona llamada fóvea, donde llega la mayor cantidad de luz; por lo tanto, es en esta zona donde se generan la mayor cantidad de impulsos eléctricos que viaja hacia el nervio óptico. También en la retina está ubicado el punto ciego, en el cual nace el nervio óptico; este punto no posee células receptoras de luz.

      - Células receptoras: en la retina se encuentran los conos y bastoncillos, que son células receptoras de la luz. Los conos son sensibles al color y los bastoncillos permiten detectar formas y contornos.

       

      Formación de las imágenes en el ojo:

      Para ver un objeto claramente es necesario que la luz proveniente de él sea centrada en la retina, en la parte posterior del ojo. Este enfoque es logrado por dos de sus componentes, la córnea y el cristalino. La córnea es la superficie transparente anterior del ojo y es la que hace la mayor parte del enfoque de la luz que entra. El cristalino, la lente que yace detrás de la córnea, logra el enfoque fino de objetos localizados a diversas distancias. El cristalino es una estructura transparente unida a los músculos ciliares que la rodean.

       Para que el cristalino mantenga en foco a los objetos situados en diversas distancias, debe sufrir cambios y es necesario que la lente pueda cambiar su espesor, es decir, se “acomode”; de allí que se emplee el término acomodación. Se han postulado por lo menos cuatro teorías en cuanto a este fenómeno, pero todas coinciden en que el nivel de acomodación del cristalino es controlado por la constricción y la dilatación del cuerpo ciliar que rodea la lente, gracias a la acción de los músculos ciliares controlados por el sistema nervioso simpático y parasimpático. La acción de los músculos ciliares cambia el grosor y la curvatura del cristalino y por lo tanto su poder óptico.  La córnea se comporta como una lente tipo menisco y el cristalino como una lente biconvexa. 

       

      DEFECTOS EN LA VISIÓN 

       

      En un ojo normal, las imágenes que llegan a la retina se enfocan directamente sobre ella, obteniéndose una buena visión.

      Cuando esto no sucede y la imagen se enfoca en un punto situado fuera de la retina, se produce lo que se llama defecto de refracción.

       

       

      Miopía

      El ojo miope tiene un sistema óptico con un exceso de convergencia. El foco está delante de la retina cuando el ojo está relajado, sin efectuar acomodación, y al alcanzar la máxima acomodación está más cerca del cristalino que en el ojo normal.

       

       La persona miope no ve bien de lejos. Al estar el punto focal del ojo más cerca de la córnea que en un ojo normal, los objetos situados en el infinito forman la imagen delante de la retina y se ven borrosos. Empiezan a verse bien cuando están cerca. Para corregir la miopía se necesitan lentes divergentes: divergen los rayos que llegan.

      Hipermetropía

      Es un defecto de convergencia del sistema óptico del ojo. El foco imagen del ojo está detrás de la retina cuando el ojo está en actitud de descanso sin empezar la acomodación. El foco está fuera del globo ocular.El ojo hipermetriope cuando está en reposo (sin iniciar la acomodación), tiene la lente del cristalino muy poco convergente. Para ver los objetos situados en el infinito tiene que realizar acomodación. Ve bien a lo lejos pero para hacerlo ya gasta recorrido de acomodación. Tiene el punto próximo más lejos que el ojo normal (más de 25 cm) porque "gasta antes" el recorrido de acomodación que es capaz de hacer.

      La hipermetropía se corrige con lentes convergentes. En algunos casos se corrige al crecer la persona y agrandarse el globo ocular

      Si el ojo tiene una córnea deformada (como si la córnea fuese esférica con una superficie cilíndrica superpuesta) los objetos puntuales dan como imágenes líneas cortas. Se ve mal de cerca y lejos.

       Este defecto se llama astigmatismo y para corregirlo es necesaria una lente cilíndrica compensadora (lente tórica).

       

       

      Presbicia (Vista cansada)

      Con el paso de los años se reduce la capacidad de adaptación del cristalino (pierde flexibilidad) y aumenta la distancia a la que se encuentra el punto próximo.

       

      Este defecto se llama presbicia y se corrige con gafas de visión cercana. Permiten ver bien de cerca (un libro por ejemplo) pero más allá de algunas docenas de centímetros la visión es borrosa.

       

       ILUSIONES ÓPTICAS

       

       

       

       

      INSTRUMENTOS ÓPTICOS

      El telescopio refractor o galileano es un instrumento óptico formado por una lente objetivo convergente y una lente ocular también convergente, capaz de aumentar el tamaño de imágenes de objetos muy lejanos.

       

      El telescopio reflector o newtoniano recibe este nombre por que utiliza el reflejo de rayos en un espejo cóncavo para hacer de la imagen más grande.

      Los rayos luminosos provenientes del objeto lejano viajan dentro del telescopio, donde son reflejados por un espejo cóncavo en dirección del foco invirtiendo la imagen; en ese lugar, un espejo plano orienta los rayos hacia un ocular, donde se encuentra una lente convergente haciendo que la imagen se observe en forma derecha.

      Por su parte, el microscopio óptico es un instrumento que nos permite observar objetos que son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista. El principio que utiliza el microscopio óptico es la ubicación de dos lentes convergentes denominadas objetivo y ocular.

      Cámara fotográfica.- Se puede decir que una cámara fotográfica es una caja oscura que deja pasar la luz el tiempo preciso para que la imagen enfocada a través del objetivo sea registrada por un sensor digital o una película.