Instrumentos ópticos

Cámara oscura: este es el fundamento de la cámara fotográfica; si en una caja cerrada hacemos un orificio pequeño y colocamos un cuerpo luminoso por delante dentro de la caja aparecerá la imagen del mismo invertida. Como la luz se propaga en forma rectilínea, siendo el orificio pequeño lo rayos que llegan a este son oblicuos entonces como la luz no se dobla y sigue su camino recto, formará una imagen invertida.

Cuarto oscuro: En pleno siglo XV ya se conocía una técnica Cuarto Oscuro, utilizada en las cámaras fotográficas del siglo XIX. Supongamos, por un momento, que estamos encerrados en un cuarto donde no penetra la luz solar, es decir, no se ve absolutamente nada. Si hacemos un pequeño agujero en una de las paredes (cualquiera), dejando que la luz penetre hacia el cuarto, veremos en la pared del fondo una imagen invertida del exterior. Este curioso método de captar una imagen sobre un fondo plano era utilizado por muchos pintores renacentistas (Leonardo da Vinci) para obtener un perfil más o menos perfecto de sus modelos. Sin embargo, esta forma de obtener perfiles tenía algunos problemas: Primero, la situación obligaba al modelo estar fuera, y al pintor permanecer dentro del cuarto, por lo que la comunicación entre ambos se hacía complicada. Segundo, al intentar plasmar sobre la tela el perfil, el pintor tapaba con sus propias manos la luz entrante, por lo que el demarcado se hacía casi de memoria. Sin embargo, Leonardo encontró un método para lograr plasmar la imagen del exterior en la tela. Leyendo unos libros de Alquimia, del alquimista árabe Abd-el-Kamir (siglo VI), descubrió que el Nitrato de Plata tendía a oscurecerse (por un efecto de combustión simple) cuando la luz actuaba sobre la sustancia. El Nitrato de Plata se usaba desde mucho antes del Renacimiento para impregnar perfiles en telas.


Un microscopio es un sistema de lentes que produce una imagen virtual aumentada de un pequeño objeto. El microscopio más simple es una lente convergente, la lupa. El objeto se coloca entre la lente y el foco, de modo que la imagen es virtual y está a una distancia que es la distancia mínima de visón nítida, alrededor de 25 cm. Con una lupa se consiguen aumentos bastante reducidos, pero es un instrumento muy útil para observar diapositivas, sellos o monedas.

El microscopio compuesto consiste en dos lentes convergentes de pequeña distancia focal, llamadas objetivo y ocular. La distancia focal del objetivo f, es mucho menos que la distancia focal f´ del ocular. El objeto AB se coloca a una distancia del objetivo ligeramente mayor que f. El objetivo forma una primera imagen a´b´ que hace de objeto para el ocular. La imagen a´b´ debe estar a una distancia del ocular ligeramente menor que f´. La imagen final ab es virtual, invertida y mucho mayor que el objeto. El objeto AB se coloca de tal manera que ab está a una distancia del ocular igual a la distancia mínima de visión nítida, alrededor de 25 cm. Esta condición se realiza mediante el enfoque que consiste en mover todo el microscopio respecto al objeto.(Se puede observar la imagen a través de una lente convexa).

El anteojo astronómico: El anteojo astronómico es el telescopio más simple, es un instrumento óptico utilizado para aumentar el diámetro aparente de los objetos situados en el infinito y para aumentar la claridad de los objetos sin diámetro aparente como las estrellas. 
Consiste en dos sistemas de lentes convergentes: el objetivo, de focal  Fob, y el ocular, con focal Foc. El plano focal imagen del objetivo y el plano focal objeto del ocular son coincidentes. Así, los rayos que provienen del infinito forman una imagen intermedia en el plano focal común. El ocular proyecta de nuevo esta imagen al infinito. La figura muestra el trazado de rayos a través de un telescopio astronómico.



El telescopio: en el telescopio el objetivo es una lente convergente de distancia focal f muy grande, a veces de varios metros. Como el objeto AB es muy distante, su imagen a´b´ producida por el objetivo, está en su foco F0. Sólo se necesitan los rayos centrales para conocer la posición de la imagen.
El ocular es una lente convergente de distancia focal f´ mucho menor. De coloca de tal que la imagen intermedia a´b´ esté entre el ocular  y su foco. y la imagen final ab esté a la la distancia mínima de visón nítida, alrededor de 25 cm. El enfoque se hace moviendo el ocular ya que nada se gana moviendo el objetivo. (Se puede observar la imagen a través de una lente concava).


El telescopio se utiliza para obtener imágenes aumentadas de objetos lejanos. Como estos objetos son aparentemente poco luminosos se necesita que puedan captar una gran cantidad de luz. La cantidad de luz que penetra en el aparato depende fundamentalmente del diámetro del objetivo.
El anteojo astronómico es un telescopio, el más sencillo. A este tipo de telescopios se les conoce como telescopios refractores ya que utilizan lentes. La dificultad de utilización de lentes muy grandes hace que los telescopios refractores más grandes tengan un diámetro de menos de un metro. Estos telescopios se utilizan para la observación planetaria y lunar.
Se pueden diseñar telescopios, llamados reflectores, en los cuales el objetivo es un sistema de espejos en vez de lentes. Los grandes telescopios son de este tipo ya que la focal del objetivo es muy grande y de esa forma se consiguen aumentos muy elevados.

Los telescopios reflectores más utilizados son el reflector Newtoniano y el reflector Cassegrain.

El reflector Newtoniano dispone de dos espejos, el primario, parabólico, y el secundario, más pequeño y plano.

El reflector Cassegrain posee un espejo primario también parabólico, pero con una perforación en su centro, para recibir la luz proveniente del espejo secundario que es convexo.   

Formación de imágenes en lentes


Una lente es un objeto transparente, principalmente hechos de vidrio, que tiene la capacidad de refractar la luz.  Cuando hablamos de refractar la luz, estamos diciendo que la lente tiene la capacidad de desviar los rayos luminosos que llegan a él. Estas lentes son las usadas por ejemplo en lentes para mejorar la visión, o un microscopio, entre otras cosas.

CLASES DE LENTES
Existen dos tipos de lentes que se diferencian por su forma y por como reflejan la luz. Los tipos de lentes son los siguientes:
  • Lentes convergentes (f´>0): este tipo de lentes se caracteriza porque la parte central tiene mayor espesor que los bordes. La imagen de las lentes convexas se encuentra del otro lado del objeto. Además sus rayos convergen en un punto.
  • Lentes divergentes (f´<0): se caracterizan porque la parte central es más angosta que la parte de los bordes. Es decir, aumenta su espesor cuando nos acercamos a los extremos. En este tipo de lentes la luz se desvía de forma tal que la imagen se produce del mismo lado que el objeto al que se lo está viendo, pero en un tamaño mucho menor. Los rayos cuando se reflejan en estos lentes divergen.


Si una lente está situada en el aire (n=1) y su índice de refracción es n, se cumple la siguiente relación entre los radios de curvatura R1, R2, n, y f’



ELEMENTOS DE UNA LENTE
  • Centros de curvatura C, C', son los centros geométricos de las superficies curvas  que limitan el medio transparente.
  • Eje principal, es la línea imaginaria que une los centros de curvatura.
  • Centro óptico O, Es el punto de intersección de la lente con el eje principal.
  • Foco F y F', es el punto del eje principal por dónde pasan los rayos refractados en la lente, que provienen de rayos paralelos al eje principal.
  • Distancia focal f y f', es la distancia entre el foco y el centro óptico.

Imágenes producidas por las lentes.
La construcción de imágenes en las lentes, se realizan aplicando las tres propiedades
siguientes:
1. Todo rayo paralelo al eje principal, se refracta pasando por el foco.
2. Todo rayo que pasa por el centro óptico, no se desvía.
3. Todo rayo que pasa por el foco, se refracta paralelo al eje principal.
Siendo:
s = distancia del objeto a la lente. Por convenio le tomamos siempre < 0
s' = distancia de la imagen a la lente
f' = distancia focal imagen
  • Si la lente es convergente, F’ es un foco real y f’ > 0
  • Si la lente es divergente, F’ es virtual y f’ < 0



La ecuación de las lentes:

Construcción de imágenes con lentes:
  
Aumento (A): En los espejos y en las lentes es la relación entre el tamaño de la
imagen (y’) y el tamaño del objeto (y). Se cumple que:


Potencia (P): El número inverso de la distancia focal medida en metros, se denomina Potencia. Cuanto menor es la distancia focal de una lente mayor es su potencia.
La unidad de la potencia óptica en el S.I. es la Dioptría.

Formación de imágenes en espejos


Un espejo es una superficie perfectamente pulida y opaca capaz de reflejar los rayos de luz.
Las posiciones que ofrecen de los objetos que se reflejan en ellos son distintos a los que ocupan en la realidad.

Espejos planos.
La imagen formada en un espejo plano es:
  • Virtual.
  • De igual tamaño.
  • Simétrica.
  • Derecha y presenta inversión lateral.

Se fundamenta en las leyes de la reflexión.




Elementos de los espejos esféricos: 
  • Centro de curvatura, es el centro de la esfera teórica a la que pertenece el casquete esférico.
  • Radio de curvatura, es el radio de la esfera teórica a la que pertenece el casquete dónde está realizado el espejo.

                − Espejo cóncavo: r < 0
                − Espejo convexo: r > 0
  • Vértice, es el centro del casquete esférico.
  • Eje principal, es la línea imaginaria que pasa por el centro de curvatura y el vértice.
  • Foco, Es el punto situado sobre el eje principal, por dónde pasan todos los rayos reflejados procedentes de los rayos paralelos que llegan al espejo.
  • Distancia focal, es la distancia entre el foco y el vértice del espejo.
Se cumple que:


Imágenes en los espejos esféricos.
La construcción de imágenes en los espejos esféricos, se realizan aplicando las dos
propiedades siguientes:
1. Todo rayo paralelo al eje principal, se refleja pasando por el foco (y viceversa).
2. Todo rayo que pasa por el centro de curvatura, se refleja sobre sí mismo.
Siendo:
s = distancia del objeto al vértice del espejo. Por convenio le tomamos siempre < 0
s' = distancia de la imagen al vértice del espejo
f = distancia focal. (-) en espejos cóncavos y (+) en los convexos.


La Ecuación de los espejos:

Construcción de imágenes en espejos:



Óptica geométrica. Convenio de signos.


La Óptica o ciencia que estudia la luz, es una de las ramas más antiguas de la física.

La óptica geométrica se basa en el concepto de rayo luminoso como trayectoria que siguen las partículas materiales emitidas por los cuerpos luminosos sin preocuparse de estudiar cual es la naturaleza de la luz.

La óptica física estudia los fenómenos luminosos e investiga cual es la naturaleza de la luz.

La óptica geométrica es la parte de la física que estudia la trayectoria de la luz cuando experimenta reflexiones y refracciones en la superficie de separación entre medios.
Existen dos tipos:
  • Óptica por reflexión (espejos).
  • Óptica por refracción (lentes).

Estudia los fenómenos luminosos que pueden explicarse aplicando los conceptos de:
  • Rayo (línea imaginaria en la dirección en la cual se propaga la onda, es una línea recta perpendicular al frente de ondas) para caracterizar a la luz. Un rayo es paraxial cuando marchan muy poco separado del eje principal
  • Índice de refracción (determina la velocidad de la luz en el medio) para definir los medios materiales.

No se tiene en cuenta ni las propiedades ondulatorias ni las propiedades electromagnéticas.

Los elementos de la óptica geométrica son:
  • El objeto: Es la fuente de la que procede el rayo luminoso.
  • La imagen: Es el conjunto de puntos donde convergen los rayos de las fuentes tras interaccionar con el sistema óptico.
  • El sistema óptico: Es el conjunto formado por dos medios transparentes, con distinto índice de refracción y separados por una superficie.
La imagen puede ser:


Según su naturaleza:
  • Real: los rayos se juntan en un punto, delante del espejo o detrás de la lente tras atravesar el sistema. Se proyectan sobre un plano y pueden observarse.
  • Virtual: las prolongaciones de los rayos se juntan en un punto, detrás del espejo o delante de la lente tras atravesar el sistema. No se pueden proyectar sobre un plano, pero pueden observarse.

Según su orientación (posición):
  • Derecha: misma posición que el objeto.
  • Inversa: posición contraria a la del objeto.

Según su tamaño relativo:
  • Mayor.
  • Igual.
  • Menor.

El convenio de signos dice:
  • Las magnitudes (letras) referidas a la imagen son las mismas que las referidas al objeto añadiéndoles el signo ´ prima (α,α´).
  • La luz se propaga de izquierda a derecha.
  • Los signos a partir del centro del sistema óptico son los mismos que en la representación de un eje de coordenadas.
  • Los ángulos se miden por el camino más corto al eje:
                     - Positivo: sentido inverso a las agujas del reloj.
                     - Negativo: sentido de giro de las agujas del reloj.



Dispersión de la luz


En física se denomina dispersión al fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire.

Cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa un prisma de cristal, las distintas radiaciones monocromáticas son tanto más desviadas por la refracción cuanto menor es su longitud de onda. De esta manera, los rayos rojos son menos desviados que los violáceos y el haz primitivo de luz blanca, así ensanchado por el prisma, se convierte en un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se hallan expuestas sin solución de continuidad, en el orden de su longitud de onda, que es el de los siete colores ya propuestos por Isaac Newton: violeta, índigo, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo (Así como, en ambos extremos del espectro, el ultravioleta y el infrarrojo, que no son directamente visibles por el ojo humano, pero que impresionan las placas fotográficas). Es sabido desde la antigüedad que la luz solar, al pasar por cristales transparentes o joyas de varias clases, produce brillantes colores.

Un arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico que produce la aparición de un espectro de frecuencias de luz continuo en el cielo cuando los rayos del sol atraviesan pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre. La forma es la suma de un arco multicolor con el rojo hacia la parte exterior y el violeta hacia la interior.



Absorción, reflexión y transmisión de la luz

Cuando la luz llega a un objeto diferentes cosas pueden pasar: la luz puede ser absorbida, puede ser reflejada o puede ser transmitida a través del objeto. En general pasan una combinación de estas cosas.
Vamos a ver este concepto con ejemplos. Si tenemos un pantalón rojo, éste va a absorber el verde y el azul y va a reflejar el rojo, por eso lo vemos rojo. En teoría, un objeto blanco refleja toda la luz y un objeto negro absorbe toda la luz.


Absorción

Cuando la luz llega a una superficie u objeto, éste puede absorber toda o parte de esa luz. En el gráfico de abajo vemos como un objeto negro absorbe toda la luz. En el primer gráfico de arriba vimos como el pantalón rojo absorbía el verde y el azul. La luz que se absorbe se convierte en calor. Es, por esta razón, que en general se recomienda durante el verano no usar colores oscuros ya que absorben la mayor parte de la luz y la convierten en calor. Por eso tenemos mas calor si usamos ropa negra que si usamos ropa blanca (refleja toda la luz).


Reflexión
La reflexión es cuando la luz llega a un objeto y rebota o refleja, en parte o en su totalidad, de ese objeto. La luz puede ser reflejada de manera especular (directa) o difusa.

1.Reflexión especular: se produce cuando la luz refleja de una superficie lisa o pulida como, por ejemplo, un espejo. La luz va a reflejar en el mismo ángulo en el cual incide o llega a esa superficie (Ley de reflexión).
2. Reflexión difusa: se produce cuando la luz llega a una superficie u objeto que tiene textura como, por ejemplo, una pared con textura.
Una reflexión difusa va a producir una luz más suave que una reflexión directa. También va a generar menos contraste en la escena, sombras más claras y una transición más suave entre luces y sombras.
Una reflexión directa va a producir una luz más intensa, mayor contraste y sombras más oscuras y bien definidas.
Como dijimos anteriormente el blanco refleja, teóricamente, toda la luz. Una superficie de color va a reflejar su propio color y va a absorber el resto. Por ejemplo, un objeto verde va a reflejar el verde y va a absorber el rojo y el azul. 

Transmisión
La transmisión ocurre cuando la luz atraviesa una superficie u objeto. Hay 3 tipos de transmisión: directa, difusa o selectiva.

1. Transmisión directa: es cuando la luz atraviesa un objeto y no se producen cambios de dirección o calidad de esa luz. Por ejemplo, un vidrio o el aire.
2. Transmisión difusa: se produce cuando la luz pasa a través de un objeto transparente o semi-transparente con textura. Por ejemplo, un vidrio esmerilado o un papel manteca. La luz en vez de ir en una sola dirección es desviada en muchas direcciones. La luz que es transmitida de manera difusa va a ser más suave, va a tener menos contraste, va a ser menos intensa, va a generar sombras más claras y una transición más suave entre luz y sombra que la luz directa.
 
3.  Transmisión selectiva: se produce cuando la luz atraviesa un objeto de color. Parte de la luz va a ser absorbida y parte va a ser transmitida por ese objeto. En el ejemplo de abajo la luz blanca (rojo, verde y azul) pasa a través de una superficie roja. El verde y el azul son absorbidos y solo es transmitido el rojo. Por lo tanto del otro lado de esa superficie vamos a ver luz roja.
 
Los filtros o gelatinas trabajan por transmisión selectiva. Los filtros de color van a dejar pasar su color (un filtro azul deja pasar luz azul) y van a absorber el resto de los colores. Un filtro azul deja pasar las longitudes de onda azules y absorbe las longitudes de onda rojas y verdes.