La cámara fotográfica es uno de los instrumentos ópticos más extendidos entre la población a día de hoy. Podemos decir que los padres de la cámara de fotos son la Óptica y la Química, aunque en tiempos más recientes debemos añadir sin duda la Electrónica y la Informática entre sus constituyentes también.
La cámara fotográfica surge gracias a la combinación de diversos hitos y descubrimientos tras largos siglos de investigación sobre la base de una invento primigenio: la cámara oscura.
Merece la pena de ver el vídeo de arriba para hacerse una idea intuitiva pero bastante completa de cómo funciona una cámara de fotos actual y cómo operan los principales componentes que la integran.
El precursor del telescopio fue el anteojo astronómico, compuesto por dos lentes convergentes dispuestas de forma que el foco imagen de la primera coincidiera con el foco objeto de la segunda. Su principal inconvenientes es que creaba una imagen muy aumentada, pero invertida.
Esto lo resolvió Galileo con sistema compuesto por una lente convergente y otra divergente. Además, el anteojo de Galileo reduce considerablemente la longitud del mismo.
El siguiente prototipo inventado fue el telescopio de Newton y se basaba en espejos; una idea sencilla, pero poderosa, aunque tenía el inconveniente de dejar una zona muerta en el centro que no se podía cubrir.
Otro diseño parecido fue el correspondiente al telescopio de Cassegrain:
El problema de la zona media no cubierta se resolvía con el telescopio de Herschel, aunque a cambio de una ligera asimetría en el trazado de rayos.
El microscopio es un sistema óptico compuesto por dos lentes ópticas llamadas objetivo y ocular que se combinan apropiadamente para que el ojo observe una imagen aumentada (virtual e invertida). Fue inventado por Robert Hooke y con él pudo ver las primeras células (muertas), las cuáles dibujó.
Podemos decir que la lupa es el instrumento óptico más sencillo que existe. En realidad se trata de una simple lente convergente con una distancia focal apropiada para aumentar el tamaño de los objetos observados. Normalmente la lupa se utiliza para observar objetos colocados entre el punto próximo y el ojo humano. El punto próximo se corresponde con aquella distancia mínima a la que el ojo humano puede enfocar objetos con nitidez y suele ser de unos 25 cm. Lo ideal es que el objeto caiga exactamente sobre el foco de la lupa para poderlo ver con vista relajada (como si los rayos provinieran paralelos del infinito). En tal configuración el observador obtendrá una imagen virtual y le parecerá que los rayos de luz le llegan con un mayor ángulo de incidencia que el real.
Es precisamente el aumento angular lo que se tiene en cuenta para determinar la capacidad de aumento de una lupa. Este aumento angular se define como el cociente entre las tangentes del ángulo subtenido por los rayos de luz que provienen del objeto con y sin la lupa.
Considerando el objeto precisamente colocado sobre el punto focal cuando se utiliza la lupa frente al ángulo máximo del objeto que se observará sin lupa cuando se coloca justo en el punto próximo obtendremos un aumento lateral de
Sin embargo la distancia focal no se puede reducir infinitamente ya que eso requeriría lentes de un radio de curvatura cada vez menor y la aberración esférica aparecería imponiendo límites prácticos.
miopía: cuando la imagen se crea siempre antes de la retina (más allá del límite de acomodación del ojo). Se corrige anteponiendo al ojo una lente concava de forma que la distancia focal del sistema óptico compuesto se aleje hasta llegar a la retina. Este defecto se produce cuando el ojo es más largo de lo normal, motivo por el que la distancia focal se queda demasiado "corta".
hipermetropía: cuando la imagen se crearía de forma nítida más allá de la retina (por más que uno se acerque al límite de acomodación del ojo). Se corrige anteponiendo al ojo una lente convexa de forma que la distancia focal del sistema óptico compuesto se acerque hasta llegar a la retina. Este defecto se produce cuando el ojo es más corto de lo normal, motivo por el que la distancia focal resulta demasiado grande.
plesbicia o vista cansada: reducción de la capacidad de acomodación debida a la fatiga de los músculos ciliares o a la pérdida de flexibilidad del cristalino.
astigmatismo: debido a la falta de esfericidad perfecta del ojo. Dificulta la visión clara y simultanea de dos rectas perpendiculares, de los radios de la rueda de una bicicleta...
cataratas: pérdida de transparencia del cristalino.
daltonismo: dificultad de distinguir determinados colores; confusión del rojo por el verde. Relacionado con la ausencia o deficiencia de determinados conos de la retina.
Los bastones son el tipo de célula neuronal que indica el nivel de intensidad lumínica que entra al ojo (relación luz/oscuridad).
Los conos son el tipo de célula neuronal capaz de discriminar entre los tres tipos de colores primarios asociados a la imagen que se proyecta en la retina, dependiendo de la longitud de onda asociada a cada uno de sus fotones.
El fenómeno de la difracción se produce cuando un frente de ondas se encuentra con un obstáculo o una rendija en su camino. El efecto de este fenómeno ondulatorio es la emergencia de unos patrones de difracción que ponen de manifiesto la aparición de zonas donde se producen máximos de intensidad más allá de lo que uno podría esperar por la alineación del foco emisor con la rendija.
La primera teoría que consiguió explicar este fenómeno se conoce como principio de Huygens, que consiste básicamente en considerar cada uno del los puntos del espacio localizados en la zona de la rendija como fuentes emisores secundarias de la misma frecuencia que la onda incidente. De forma que la aplicación del principio de superposición a las ondas generadas por tales emisores secundarios dará lugar a un fenómeno de interferencia conjunta que deriva en los susodichos patrones de difracción.
Para la obtención de las expresiones matemáticas exactas que describen los patrones de difracción de una rendija rectangular o circular es preciso cierto dominio de cálculo de integrales definidas o en su defecto la aplicación de transformadas de Fourier.
Los patrones de difracción han sido una valiosísima herramienta para el descubrimiento experimental de importantísimos hitos científicos, como son la naturaleza ondulatoria de la luz, la confirmación de la naturaleza ondulatoria de las partículas constituyentes de la materia o la determinación de la estructura en doble hélice de la molécula de la vida, el ADN.
Tanto el fenómeno de la reflexión como el de la refracción de una onda pueden explicarse a partir del principio de Huygens.
Por ejemplo, en el caso de la reflexión, podemos imaginar dos rayos paralelos que llegan con cierto ángulo a una superficie limítrofe. Dado que ambos viajan a la misma velocidad, uno llegará antes que el otro, al estar inclinados. Hay que imaginarse que el punto al que llegue el primero actuará antes como un foco emisor secundario. Cuando llegue el segundo rayo al punto de reflexión, el frente de onda reflejado emitido por el primer emisor secundario ya estará a cierta distancia. Si consideramos cualquier otro rayo entre ambos y la posición de todos los frentes de onda reflejados, y los alineamos en un instante dado, triangulando se pone de manifiesto que los rayos reflejados salen con la misma inclinación respecto a la normal que el ángulo incidente.
En el caso de la refracción, lo que ocurre es que el frente de ondas refractado emitido por el primer punto que actúa como emisor secundario en la superficie de separación entre los dos medios viaja a una velocidad diferente, supongamos menor. Esto implica que cuando alcance la superficie de separación el rayo paralelo más alejado del primero, la distancia recorrida por el frente de ondas referido será menor que la que, en el mismo tiempo, ha recorrido éste en el primer medio. De lo que resulta por triangulación, que los frentes de ondas al viajar más despacio se desvían respecto al haz incidente con un ángulo menor respecto a la normal. La relación que se obtiene por triangulación entre los ángulos incidente y refractado y las velocidades respectivas de propagación o, lo que es lo mismo, los índices de refracción en cada medio, coincide con la Ley de Snell.
Tal y cómo puede apreciarse en este vídeo, una de las consecuencias más sorprendentes del principio de Huygens es que un frente de ondas pueda atravesar una serie de obstáculos con rendijas no alineadas y llegar al otro lado.
El principio de Huygens arroja una visión de los frentes de onda que permite explicar de forma intuitiva diferentes fenómenos ondulatorios como lo son la reflexión, la refracción y la difracción de ondas.
Esencialmente Huygens concibió los frentes de ondas como zonas del espacio en las que cada punto se comportaba a su vez como un emisor de ondas secundario, de suerte que las ondas re-emitidas tendrían la misma frecuencia y longitud de onda (por lo tanto la misma velocidad), aunque menos amplitud en virtud de la disminución de la misma con la distancia.
Lo que comúnmente ocurre es que las ondas producidas por estos focos secundarios, que se corresponden con todos los puntos de un mismo frente de ondas, interfieren de tal manera que solamente se produce una interferencia constructiva para todos los puntos que se corresponden con posteriores frentes de ondas. En cualquier otro punto, la interferencia de las ondas provenientes de todos esos puntos es destructiva, dando como resultado una intensidad nula.
Eso es lo que sucede en el espacio abierto. Pero cuando lo que ocurre es que la onda se encuentra con un obstáculo, una parte se refleja y otra se refracta. Y cuando se encuentra con una abertura o rendija en medio de un obstáculo, entonces se produce un patrón de difracción.
El patrón de difracción solamente es apreciable cuando la longitud de la rendija es comparable con la longitud de onda de la onda incidente y puede explicarse de forma descriptiva aplicando el principio de Huygens.
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