La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz , incluidas sus interacciones con la materia y la construcción de instrumentos que la utilizan o detectan . [1] La óptica suele describir el comportamiento de la luz visible , ultravioleta e infrarroja . La luz es un tipo de radiación electromagnética y otras formas de radiación electromagnética, como los rayos X , las microondas y las ondas de radio, exhiben propiedades similares. [1]
La mayoría de los fenómenos ópticos pueden explicarse utilizando la descripción electromagnética clásica de la luz; sin embargo, las descripciones electromagnéticas completas de la luz suelen ser difíciles de aplicar en la práctica. La óptica práctica suele realizarse mediante modelos simplificados. La más común de ellas, la óptica geométrica , trata la luz como una colección de rayos que viajan en línea recta y se curvan cuando atraviesan o se reflejan en superficies. La óptica física es un modelo más completo de la luz, que incluye efectos ondulatorios como la difracción y la interferencia que no pueden explicarse en la óptica geométrica. Históricamente, el modelo de luz basado en rayos se desarrolló primero, seguido del modelo ondulatorio de la luz. Los avances en la teoría electromagnética en el siglo XIX llevaron al descubrimiento de que las ondas de luz eran en realidad radiación electromagnética.
Algunos fenómenos dependen de que la luz tenga propiedades tanto de onda como de partícula . La explicación de estos efectos requiere la mecánica cuántica . Al considerar las propiedades de la luz como partículas, la luz se modela como un conjunto de partículas llamadas " fotones ". La óptica cuántica se ocupa de la aplicación de la mecánica cuántica a los sistemas ópticos.
La ciencia óptica es relevante y se estudia en muchas disciplinas relacionadas, incluida la astronomía , diversos campos de la ingeniería , la fotografía y la medicina (en particular, la oftalmología y la optometría , en las que se denomina óptica fisiológica). Las aplicaciones prácticas de la óptica se encuentran en una variedad de tecnologías y objetos cotidianos, incluidos espejos , lentes , telescopios , microscopios , láseres y fibra óptica .
La óptica comenzó con el desarrollo de las lentes por parte de los antiguos egipcios y mesopotámicos . Las primeras lentes conocidas, hechas de cristal pulido , a menudo de cuarzo , datan del año 2000 a. C. en Creta (Museo Arqueológico de Heraclion, Grecia). Las lentes de Rodas datan de alrededor del 700 a. C., al igual que las lentes asirias como la lente de Nimrud . [2] Los antiguos romanos y griegos llenaban esferas de vidrio con agua para hacer lentes. Estos desarrollos prácticos fueron seguidos por el desarrollo de teorías de la luz y la visión por parte de los antiguos filósofos griegos e indios , y el desarrollo de la óptica geométrica en el mundo grecorromano . La palabra óptica proviene de la antigua palabra griega ὀπτική ( optikē ), que significa "apariencia, mirada". [3]
La filosofía griega sobre la óptica se dividió en dos teorías opuestas sobre cómo funcionaba la visión, la teoría de la intromisión y la teoría de la emisión . [4] El enfoque de intromisión consideraba que la visión provenía de objetos que arrojaban copias de sí mismos (llamadas eidola) que eran capturadas por el ojo. Con muchos propagadores, incluidos Demócrito , Epicuro , Aristóteles y sus seguidores, esta teoría parece tener algún contacto con las teorías modernas sobre lo que realmente es la visión, pero siguió siendo sólo una especulación sin fundamento experimental.
Platón articuló por primera vez la teoría de la emisión , la idea de que la percepción visual se logra mediante los rayos emitidos por los ojos. También comentó sobre la inversión de paridad de los espejos en Timeo . [5] Unos cien años después, Euclides (siglos IV-III a.C.) escribió un tratado titulado Óptica donde vinculaba la visión con la geometría , creando la óptica geométrica . [6] Basó su trabajo en la teoría de la emisión de Platón en la que describió las reglas matemáticas de la perspectiva y describió cualitativamente los efectos de la refracción , aunque cuestionó que un rayo de luz del ojo pudiera iluminar instantáneamente las estrellas cada vez que alguien parpadeara. [7] Euclides estableció el principio de la trayectoria más corta de la luz y consideró múltiples reflejos en espejos planos y esféricos.Ptolomeo , en su tratado Óptica , sostenía una teoría de la visión de extramisión-intromisión: los rayos (o flujo) del ojo formaban un cono, el vértice estaba dentro del ojo y la base definía el campo visual. Los rayos eran sensibles y transmitían información al intelecto del observador sobre la distancia y la orientación de las superficies. Resumió gran parte de Euclides y pasó a describir una manera de medir el ángulo de refracción , aunque no notó la relación empírica entre éste y el ángulo de incidencia. [8] Plutarco (siglos I-II d.C.) describió múltiples reflejos en espejos esféricos y analizó la creación de imágenes ampliadas y reducidas, tanto reales como imaginarias, incluido el caso de la quiralidad de las imágenes.
Durante la Edad Media , las ideas griegas sobre la óptica fueron resucitadas y extendidas por escritores del mundo musulmán . Uno de los primeros fue Al-Kindi ( c. 801-873 ), quien escribió sobre los méritos de las ideas aristotélicas y euclidianas de la óptica, favoreciendo la teoría de la emisión, ya que podía cuantificar mejor los fenómenos ópticos. [9] En 984, el matemático persa Ibn Sahl escribió el tratado "Sobre la quema de espejos y lentes", describiendo correctamente una ley de refracción equivalente a la ley de Snell. [10] Usó esta ley para calcular formas óptimas para lentes y espejos curvos . A principios del siglo XI, Alhazen (Ibn al-Haytham) escribió el Libro de la Óptica ( Kitab al-manazir ) en el que exploraba la reflexión y la refracción y proponía un nuevo sistema para explicar la visión y la luz basado en la observación y la experimentación. [11] [12] [13] [14] [15] Rechazó la "teoría de la emisión" de la óptica ptolemaica, en la que sus rayos eran emitidos por el ojo, y en su lugar propuso la idea de que la luz se reflejaba en todas direcciones en líneas rectas desde todos los puntos de los objetos que se veían y luego entraban en el ojo, aunque no pudo explicar correctamente cómo el ojo capturaba los rayos. [16] El trabajo de Alhazen fue en gran medida ignorado en el mundo árabe, pero fue traducido de forma anónima al latín alrededor del año 1200 d. C. y el monje polaco Witelo lo resumió y amplió aún más [17], convirtiéndolo en un texto estándar sobre óptica en Europa durante los siguientes 400 años. . [18]
En la Europa medieval del siglo XIII, el obispo inglés Robert Grosseteste escribió sobre una amplia gama de temas científicos y discutió la luz desde cuatro perspectivas diferentes: una epistemología de la luz, una metafísica o cosmogonía de la luz, una etiología o física de la luz y una teología de la luz, [19] basándose en las obras de Aristóteles y el platonismo. El discípulo más famoso de Grosseteste, Roger Bacon , escribió obras citando una amplia gama de obras ópticas y filosóficas traducidas recientemente, incluidas las de Alhazen, Aristóteles, Avicena , Averroes , Euclides, al-Kindi, Ptolomeo, Tideus y Constantino el Africano . Bacon pudo utilizar partes de esferas de vidrio como lupas para demostrar que la luz se refleja en los objetos en lugar de liberarse de ellos.
Las primeras gafas portátiles se inventaron en Italia alrededor de 1286. [20] Este fue el comienzo de la industria óptica de esmerilado y pulido de lentes para estas "gafas", primero en Venecia y Florencia en el siglo XIII, [21] y más tarde en el siglo XIII. centros de creación de espectáculos tanto en los Países Bajos como en Alemania. [22] Los fabricantes de gafas crearon tipos mejorados de lentes para la corrección de la visión basándose más en el conocimiento empírico obtenido al observar los efectos de las lentes en lugar de utilizar la teoría óptica rudimentaria de la época (teoría que en su mayor parte ni siquiera podía explicar adecuadamente cómo funcionaban las gafas). [23] [24] Este desarrollo práctico, dominio y experimentación con lentes condujeron directamente a la invención del microscopio óptico compuesto alrededor de 1595 y del telescopio refractor en 1608, los cuales aparecieron en los centros de fabricación de gafas de los Países Bajos. [25] [26]
A principios del siglo XVII, Johannes Kepler amplió la óptica geométrica en sus escritos, cubriendo lentes, reflexión por espejos planos y curvos, los principios de las cámaras estenopeicas , la ley del cuadrado inverso que rige la intensidad de la luz y las explicaciones ópticas de fenómenos astronómicos como como eclipses lunares y solares y paralaje astronómico . También pudo deducir correctamente el papel de la retina como órgano real que registraba imágenes, pudiendo finalmente cuantificar científicamente los efectos de los diferentes tipos de lentes que los fabricantes de gafas habían estado observando durante los últimos 300 años. [27] Después de la invención del telescopio, Kepler expuso las bases teóricas de cómo funcionaban y describió una versión mejorada, conocida como telescopio Kepleriano , que utilizaba dos lentes convexas para producir un mayor aumento. [28]
La teoría óptica progresó a mediados del siglo XVII con tratados escritos por el filósofo René Descartes , que explicaban una variedad de fenómenos ópticos, incluida la reflexión y la refracción, asumiendo que la luz era emitida por los objetos que la producían. [29] Esto difería sustancialmente de la antigua teoría de las emisiones griega. A finales de la década de 1660 y principios de la de 1670, Isaac Newton amplió las ideas de Descartes hasta convertirlas en una teoría de la luz de corpúsculos , y determinó que la luz blanca era una mezcla de colores que se pueden separar en sus partes componentes con un prisma . En 1690, Christiaan Huygens propuso una teoría ondulatoria de la luz basada en sugerencias hechas por Robert Hooke en 1664. El propio Hooke criticó públicamente las teorías de la luz de Newton y la disputa entre los dos duró hasta la muerte de Hooke. En 1704, Newton publicó Opticks y, en ese momento, en parte debido a su éxito en otras áreas de la física, generalmente se lo consideraba el vencedor en el debate sobre la naturaleza de la luz. [29]
La óptica newtoniana fue generalmente aceptada hasta principios del siglo XIX, cuando Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel realizaron experimentos sobre la interferencia de la luz que establecieron firmemente la naturaleza ondulatoria de la luz. El famoso experimento de la doble rendija de Young demostró que la luz seguía el principio de superposición , que es una propiedad ondulatoria no predicha por la teoría de los corpúsculos de Newton. Este trabajo condujo a una teoría de la difracción de la luz y abrió toda un área de estudio en óptica física. [30] La óptica ondulatoria fue unificada exitosamente con la teoría electromagnética por James Clerk Maxwell en la década de 1860. [31]
El siguiente avance en la teoría óptica se produjo en 1899, cuando Max Planck modeló correctamente la radiación del cuerpo negro asumiendo que el intercambio de energía entre la luz y la materia sólo se producía en cantidades discretas que llamó cuantos . [32] En 1905, Albert Einstein publicó la teoría del efecto fotoeléctrico que estableció firmemente la cuantificación de la propia luz. [33] [34] En 1913, Niels Bohr demostró que los átomos solo podían emitir cantidades discretas de energía, explicando así las líneas discretas que se ven en los espectros de emisión y absorción . [35] La comprensión de la interacción entre la luz y la materia que surgió de estos desarrollos no sólo formó la base de la óptica cuántica, sino que también fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. La culminación última, la teoría de la electrodinámica cuántica , explica toda la óptica y los procesos electromagnéticos en general como resultado del intercambio de fotones reales y virtuales . [36] La óptica cuántica ganó importancia práctica con las invenciones del máser en 1953 y del láser en 1960. [37]
Siguiendo el trabajo de Paul Dirac en la teoría cuántica de campos , George Sudarshan , Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en las décadas de 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y las estadísticas de la luz.
La óptica clásica se divide en dos ramas principales: la óptica geométrica (o de rayos) y la óptica física (u ondulatoria). En óptica geométrica se considera que la luz viaja en línea recta, mientras que en óptica física se considera que la luz es una onda electromagnética.
La óptica geométrica puede verse como una aproximación de la óptica física que se aplica cuando la longitud de onda de la luz utilizada es mucho menor que el tamaño de los elementos ópticos del sistema que se está modelando.
La óptica geométrica , u óptica de rayos , describe la propagación de la luz en términos de "rayos" que viajan en línea recta y cuyos caminos se rigen por las leyes de reflexión y refracción en las interfaces entre diferentes medios. [38] Estas leyes fueron descubiertas empíricamente ya en el año 984 d.C. [10] y se han utilizado en el diseño de componentes e instrumentos ópticos desde entonces hasta la actualidad. Se pueden resumir de la siguiente manera:
Cuando un rayo de luz incide en el límite entre dos materiales transparentes, se divide en un rayo reflejado y uno refractado.
donde n es una constante para dos materiales cualesquiera y un color de luz determinado. Si el primer material es aire o vacío, n es el índice de refracción del segundo material.
Las leyes de reflexión y refracción se pueden derivar del principio de Fermat que establece que el camino que sigue un rayo de luz entre dos puntos es el camino que puede recorrer en el menor tiempo. [39]
La óptica geométrica a menudo se simplifica haciendo la aproximación paraxial , o "aproximación de ángulo pequeño". El comportamiento matemático se vuelve entonces lineal, lo que permite describir componentes y sistemas ópticos mediante matrices simples. Esto conduce a las técnicas de óptica gaussiana y trazado de rayos paraxiales , que se utilizan para encontrar propiedades básicas de los sistemas ópticos, como posiciones y aumentos aproximados de imágenes y objetos . [40]
Las reflexiones se pueden dividir en dos tipos: reflexión especular y reflexión difusa . La reflexión especular describe el brillo de superficies como los espejos, que reflejan la luz de una forma sencilla y predecible. Esto permite la producción de imágenes reflejadas que pueden asociarse con una ubicación real ( real ) o extrapolada ( virtual ) en el espacio. La reflexión difusa describe materiales no brillantes, como papel o piedra. Los reflejos de estas superficies sólo pueden describirse estadísticamente, dependiendo la distribución exacta de la luz reflejada de la estructura microscópica del material. Muchos reflectores difusos se describen o pueden aproximarse mediante la ley del coseno de Lambert , que describe superficies que tienen igual luminancia cuando se ven desde cualquier ángulo. Las superficies brillantes pueden dar reflejos tanto especulares como difusos.
En la reflexión especular, la dirección del rayo reflejado está determinada por el ángulo que forma el rayo incidente con la normal a la superficie , una línea perpendicular a la superficie en el punto donde incide el rayo. Los rayos incidente, reflejado y la normal se encuentran en un solo plano, y el ángulo entre el rayo reflejado y la normal de la superficie es el mismo que entre el rayo incidente y la normal. [41] Esto se conoce como la Ley de la Reflexión .
Para los espejos planos , la ley de la reflexión implica que las imágenes de los objetos están en posición vertical y a la misma distancia detrás del espejo que los objetos frente al espejo. El tamaño de la imagen es el mismo que el tamaño del objeto. La ley también implica que las imágenes especulares tienen la paridad invertida, lo que percibimos como una inversión izquierda-derecha. Las imágenes formadas a partir de la reflexión en dos (o cualquier número par de) espejos no tienen paridad invertida. Los reflectores de esquina producen rayos reflejados que viajan en dirección de regreso en la dirección de donde vinieron los rayos incidentes. [41] Esto se llama retrorreflexión .
Los espejos con superficies curvas se pueden modelar mediante trazado de rayos y utilizando la ley de reflexión en cada punto de la superficie. Para espejos con superficies parabólicas , los rayos paralelos que inciden sobre el espejo producen rayos reflejados que convergen en un foco común . Otras superficies curvas también pueden enfocar la luz, pero con aberraciones debido a la forma divergente que hace que el foco se difunda en el espacio. En particular, los espejos esféricos presentan aberración esférica . Los espejos curvos pueden formar imágenes con un aumento mayor o menor que uno, y el aumento puede ser negativo, lo que indica que la imagen está invertida. Una imagen vertical formada por el reflejo en un espejo es siempre virtual, mientras que una imagen invertida es real y puede proyectarse en una pantalla. [41]
La refracción ocurre cuando la luz viaja a través de un área del espacio que tiene un índice de refracción cambiante; este principio permite lentes y el enfoque de la luz. El caso más simple de refracción ocurre cuando existe una interfaz entre un medio uniforme con índice de refracción y otro medio con índice de refracción . En tales situaciones, la ley de Snell describe la desviación resultante del rayo de luz:
donde y son los ángulos entre las ondas normal (a la interfaz) y las ondas incidente y refractada, respectivamente. [41]
El índice de refracción de un medio está relacionado con la velocidad, v , de la luz en ese medio por
donde c es la velocidad de la luz en el vacío .
La ley de Snell se puede utilizar para predecir la desviación de los rayos de luz cuando pasan a través de medios lineales, siempre que se conozcan los índices de refracción y la geometría de los medios. Por ejemplo, la propagación de la luz a través de un prisma hace que el rayo de luz se desvíe dependiendo de la forma y orientación del prisma. En la mayoría de los materiales, el índice de refracción varía con la frecuencia de la luz. Teniendo esto en cuenta, la Ley de Snell se puede utilizar para predecir cómo un prisma dispersará la luz en un espectro. El descubrimiento de este fenómeno al pasar la luz a través de un prisma se atribuye a Isaac Newton. [41]
Algunos medios tienen un índice de refracción que varía gradualmente con la posición y, por tanto, los rayos de luz en el medio son curvados. Este efecto es responsable de los espejismos que se ven en los días calurosos: un cambio en el índice de refracción del aire con la altura hace que los rayos de luz se doblen, creando la apariencia de reflejos especulares en la distancia (como en la superficie de un charco de agua). Los materiales ópticos con diferentes índices de refracción se denominan materiales de índice de gradiente (GRIN). Estos materiales se utilizan para fabricar ópticas de índice de gradiente . [42]
Para los rayos de luz que viajan desde un material con un alto índice de refracción a un material con un índice de refracción bajo, la ley de Snell predice que no hay un cuándo es grande. En este caso no se produce ninguna transmisión; toda la luz se refleja. Este fenómeno se llama reflexión interna total y permite la tecnología de fibra óptica. A medida que la luz viaja a través de una fibra óptica, sufre una reflexión interna total, lo que permite que prácticamente no se pierda luz a lo largo del cable. [41]
Se conoce como lente a un dispositivo que produce rayos de luz convergentes o divergentes debido a la refracción . Las lentes se caracterizan por su distancia focal : una lente convergente tiene una distancia focal positiva, mientras que una lente divergente tiene una distancia focal negativa. Una distancia focal más pequeña indica que la lente tiene un efecto convergente o divergente más fuerte. La distancia focal de una lente simple en el aire viene dada por la ecuación del fabricante de lentes . [43]
El trazado de rayos se puede utilizar para mostrar cómo una lente forma las imágenes. Para una lente delgada en el aire, la ubicación de la imagen viene dada por la ecuación simple
donde es la distancia del objeto a la lente, es la distancia de la lente a la imagen y es la distancia focal de la lente. En la convención de signos utilizada aquí, las distancias entre el objeto y la imagen son positivas si el objeto y la imagen están en lados opuestos de la lente. [43]
Los rayos paralelos entrantes se enfocan mediante una lente convergente en un punto a una distancia focal de la lente, en el lado más alejado de la lente. Esto se llama punto focal trasero de la lente. Los rayos de un objeto a una distancia finita se enfocan más lejos de la lente que la distancia focal; cuanto más cerca está el objeto de la lente, más lejos está la imagen de la lente.
En las lentes divergentes, los rayos paralelos entrantes divergen después de atravesar la lente, de tal manera que parecen haberse originado en un punto a una distancia focal delante de la lente. Este es el punto focal frontal de la lente. Los rayos procedentes de un objeto a una distancia finita están asociados con una imagen virtual que está más cerca de la lente que del punto focal y en el mismo lado de la lente que el objeto. Cuanto más cerca esté el objeto de la lente, más cerca estará la imagen virtual de la lente. Al igual que ocurre con los espejos, las imágenes verticales producidas por una sola lente son virtuales, mientras que las imágenes invertidas son reales. [41]
Las lentes sufren aberraciones que distorsionan las imágenes. Las aberraciones monocromáticas ocurren porque la geometría de la lente no dirige perfectamente los rayos desde cada punto del objeto a un solo punto de la imagen, mientras que la aberración cromática ocurre porque el índice de refracción de la lente varía con la longitud de onda de la luz. [41]
En óptica física, se considera que la luz se propaga en forma de ondas. Este modelo predice fenómenos como la interferencia y la difracción, que no se explican mediante la óptica geométrica. La velocidad de las ondas de luz en el aire es de aproximadamente 3,0×10 8 m/s (exactamente 299.792.458 m/s en el vacío ). La longitud de onda de las ondas de luz visible varía entre 400 y 700 nm, pero el término "luz" también se aplica a menudo a la radiación infrarroja (0,7 a 300 μm) y ultravioleta (10 a 400 nm).
El modelo de onda se puede utilizar para hacer predicciones sobre cómo se comportará un sistema óptico sin requerir una explicación de qué está "ondeando" en qué medio. Hasta mediados del siglo XIX, la mayoría de los físicos creían en un medio "etéreo" en el que se propagaba la perturbación luminosa. [44] La existencia de ondas electromagnéticas fue predicha en 1865 mediante las ecuaciones de Maxwell . Estas ondas se propagan a la velocidad de la luz y tienen campos eléctricos y magnéticos variables que son ortogonales entre sí y también con respecto a la dirección de propagación de las ondas. [45] Las ondas de luz ahora se tratan generalmente como ondas electromagnéticas, excepto cuando se deben considerar los efectos de la mecánica cuántica.
Hay muchas aproximaciones simplificadas disponibles para analizar y diseñar sistemas ópticos. La mayoría de ellos utilizan una única cantidad escalar para representar el campo eléctrico de la onda de luz, en lugar de utilizar un modelo vectorial con vectores eléctricos y magnéticos ortogonales. [46] La ecuación de Huygens-Fresnel es uno de esos modelos. Esto fue deducido empíricamente por Fresnel en 1815, basándose en la hipótesis de Huygens de que cada punto de un frente de onda genera un frente de onda esférico secundario, que Fresnel combinó con el principio de superposición de ondas. La ecuación de difracción de Kirchhoff , que se deriva de las ecuaciones de Maxwell, coloca a la ecuación de Huygens-Fresnel sobre una base física más firme. Se pueden encontrar ejemplos de la aplicación del principio de Huygens-Fresnel en los artículos sobre difracción y difracción de Fraunhofer .
Cuando se trata de materiales cuyas propiedades eléctricas y magnéticas afectan la interacción de la luz con el material, se requieren modelos más rigurosos, que impliquen el modelado de los campos eléctricos y magnéticos de la onda luminosa. Por ejemplo, el comportamiento de una onda de luz que interactúa con una superficie metálica es bastante diferente de lo que ocurre cuando interactúa con un material dieléctrico. También se debe utilizar un modelo vectorial para modelar la luz polarizada.
Las técnicas de modelado numérico , como el método de elementos finitos , el método de elementos límite y el método de matriz de líneas de transmisión, se pueden utilizar para modelar la propagación de la luz en sistemas que no se pueden resolver analíticamente. Estos modelos son exigentes desde el punto de vista computacional y normalmente sólo se utilizan para resolver problemas de pequeña escala que requieren una precisión superior a la que se puede lograr con soluciones analíticas. [47]
Todos los resultados de la óptica geométrica se pueden recuperar utilizando las técnicas de la óptica de Fourier , que aplican muchas de las mismas técnicas matemáticas y analíticas utilizadas en ingeniería acústica y procesamiento de señales .
La propagación del haz gaussiano es un modelo óptico físico paraxial simple para la propagación de radiación coherente, como los rayos láser. Esta técnica tiene en cuenta parcialmente la difracción, lo que permite cálculos precisos de la velocidad a la que un rayo láser se expande con la distancia y el tamaño mínimo al que se puede enfocar el rayo. La propagación del haz gaussiano cierra así la brecha entre la óptica geométrica y física. [48]
En ausencia de efectos no lineales , el principio de superposición se puede utilizar para predecir la forma de las formas de onda que interactúan mediante la simple suma de las perturbaciones. [49] Esta interacción de ondas para producir un patrón resultante generalmente se denomina "interferencia" y puede tener como resultado una variedad de resultados. Si dos ondas de la misma longitud de onda y frecuencia están en fase , tanto las crestas como los valles de las ondas se alinean. Esto produce una interferencia constructiva y un aumento de la amplitud de la onda, que en el caso de la luz se asocia con un brillo de la forma de onda en ese lugar. Alternativamente, si las dos ondas de la misma longitud de onda y frecuencia están desfasadas, entonces las crestas de las ondas se alinearán con los valles de las ondas y viceversa. Esto produce interferencias destructivas y una disminución de la amplitud de la onda, que en el caso de la luz está asociada a una atenuación de la forma de onda en ese lugar. Vea a continuación una ilustración de este efecto. [49]
Dado que el principio de Huygens-Fresnel establece que cada punto de un frente de onda está asociado con la producción de una nueva perturbación, es posible que un frente de onda interfiera consigo mismo de manera constructiva o destructiva en diferentes ubicaciones produciendo franjas brillantes y oscuras en patrones regulares y predecibles. [49] La interferometría es la ciencia de medir estos patrones, generalmente como un medio para hacer determinaciones precisas de distancias o resoluciones angulares . [50] El interferómetro de Michelson era un instrumento famoso que utilizaba efectos de interferencia para medir con precisión la velocidad de la luz. [51]
La apariencia de películas y recubrimientos delgados se ve directamente afectada por los efectos de interferencia. Los recubrimientos antirreflectantes utilizan interferencias destructivas para reducir la reflectividad de las superficies que recubren y pueden usarse para minimizar el deslumbramiento y los reflejos no deseados. El caso más sencillo es el de una única capa con un espesor de un cuarto de la longitud de onda de la luz incidente. La onda reflejada desde la parte superior de la película y la onda reflejada desde la interfaz película/material están entonces desfasadas exactamente 180°, provocando interferencias destructivas. Las ondas sólo están exactamente desfasadas en una longitud de onda, que normalmente se elegiría para estar cerca del centro del espectro visible, alrededor de 550 nm. Los diseños más complejos que utilizan múltiples capas pueden lograr una baja reflectividad en una banda ancha o una reflectividad extremadamente baja en una sola longitud de onda.
La interferencia constructiva en películas delgadas puede crear un fuerte reflejo de la luz en una gama de longitudes de onda, que puede ser estrecha o amplia según el diseño del recubrimiento. Estas películas se utilizan para fabricar espejos dieléctricos , filtros de interferencia , reflectores de calor y filtros para la separación de colores en cámaras de televisión en color . Este efecto de interferencia es también lo que causa los coloridos patrones de arcoíris que se ven en las mareas negras. [49]
La difracción es el proceso mediante el cual se observa con mayor frecuencia la interferencia de la luz. El efecto fue descrito por primera vez en 1665 por Francesco Maria Grimaldi , quien también acuñó el término del latín difringere , "romper en pedazos". [52] [53] Más tarde ese siglo, Robert Hooke e Isaac Newton también describieron fenómenos que ahora se sabe que son la difracción en los anillos de Newton [54] mientras que James Gregory registró sus observaciones de los patrones de difracción de las plumas de las aves. [55]
El primer modelo de difracción en óptica física que se basó en el principio de Huygens-Fresnel fue desarrollado en 1803 por Thomas Young en sus experimentos de interferencia con los patrones de interferencia de dos rendijas estrechamente espaciadas. Young demostró que sus resultados sólo podrían explicarse si las dos rendijas actuaran como dos fuentes únicas de ondas en lugar de corpúsculos. [56] En 1815 y 1818, Augustin-Jean Fresnel estableció firmemente las matemáticas de cómo la interferencia de ondas puede explicar la difracción. [43]
Los modelos físicos de difracción más simples utilizan ecuaciones que describen la separación angular de franjas claras y oscuras debido a la luz de una longitud de onda particular (λ). En general, la ecuación toma la forma
donde es la separación entre dos fuentes de frente de onda (en el caso de los experimentos de Young, eran dos rendijas ), es la separación angular entre la franja central y la franja de décimo orden, donde está el máximo central . [57]
Esta ecuación se modifica ligeramente para tener en cuenta una variedad de situaciones, como la difracción a través de un único espacio, la difracción a través de múltiples rendijas o la difracción a través de una rejilla de difracción que contiene una gran cantidad de rendijas con el mismo espaciamiento. [57] Los modelos de difracción más complicados requieren trabajar con las matemáticas de la difracción de Fresnel o Fraunhofer. [58]
La difracción de rayos X aprovecha el hecho de que los átomos de un cristal tienen espacios regulares a distancias del orden de un angstrom . Para ver los patrones de difracción, se pasan rayos X con longitudes de onda similares a ese espaciamiento a través del cristal. Dado que los cristales son objetos tridimensionales en lugar de rejillas bidimensionales, el patrón de difracción asociado varía en dos direcciones según la reflexión de Bragg , y los puntos brillantes asociados se producen en patrones únicos y tienen el doble de espacio entre los átomos. [57]
Los efectos de difracción limitan la capacidad de un detector óptico para resolver ópticamente fuentes de luz separadas. En general, la luz que pasa a través de una apertura experimentará difracción y las mejores imágenes que se pueden crear (como se describe en óptica de difracción limitada ) aparecen como un punto central rodeado de anillos brillantes, separados por nulos oscuros; este patrón se conoce como patrón de Airy , y el lóbulo central brillante como disco de Airy . [43] El tamaño de dicho disco viene dado por
donde θ es la resolución angular, λ es la longitud de onda de la luz y D es el diámetro de la apertura de la lente. Si la separación angular de los dos puntos es significativamente menor que el radio angular del disco de Airy, entonces los dos puntos no se pueden resolver en la imagen, pero si su separación angular es mucho mayor que esto, se forman imágenes distintas de los dos puntos y por lo tanto puede resolverse. Rayleigh definió el algo arbitrario " criterio de Rayleigh " de que dos puntos cuya separación angular es igual al radio del disco de Airy (medido hasta el primer nulo, es decir, hasta el primer lugar donde no se ve luz) pueden considerarse resueltos. Se puede observar que cuanto mayor es el diámetro de la lente o su apertura, más fina es la resolución. [57] La interferometría , con su capacidad de imitar aperturas de referencia extremadamente grandes, permite la mayor resolución angular posible. [50]
Para las imágenes astronómicas, la atmósfera impide que se alcance una resolución óptima en el espectro visible debido a la dispersión atmosférica que hace que las estrellas centelleen . Los astrónomos se refieren a este efecto como la cualidad de la visión astronómica . Se han utilizado técnicas conocidas como óptica adaptativa para eliminar la disrupción atmosférica de las imágenes y lograr resultados que se acerquen al límite de difracción. [59]
Los procesos refractivos tienen lugar en el límite de la óptica física, donde la longitud de onda de la luz es similar a otras distancias, como una especie de dispersión. El tipo más simple de dispersión es la dispersión de Thomson , que se produce cuando las ondas electromagnéticas son desviadas por partículas individuales. En el límite de la dispersión de Thomson, en el que la naturaleza ondulatoria de la luz es evidente, la luz se dispersa independientemente de la frecuencia, a diferencia de la dispersión de Compton , que depende de la frecuencia y es estrictamente un proceso mecánico cuántico , que implica la naturaleza de la luz como partículas. En un sentido estadístico, la dispersión elástica de la luz por numerosas partículas mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz es un proceso conocido como dispersión de Rayleigh , mientras que un proceso similar para la dispersión por partículas que son similares o mayores en longitud de onda se conoce como dispersión de Mie con el método Tyndall. siendo el efecto un resultado comúnmente observado. Una pequeña proporción de la luz que se dispersa desde átomos o moléculas puede sufrir dispersión Raman , en la que la frecuencia cambia debido a la excitación de los átomos y las moléculas. La dispersión Brillouin ocurre cuando la frecuencia de la luz cambia debido a cambios locales con el tiempo y movimientos de un material denso. [60]
La dispersión ocurre cuando diferentes frecuencias de luz tienen diferentes velocidades de fase , debido ya sea a las propiedades del material ( dispersión del material ) o a la geometría de una guía de ondas óptica ( dispersión de la guía de ondas ). La forma más familiar de dispersión es una disminución del índice de refracción al aumentar la longitud de onda, que se observa en la mayoría de los materiales transparentes. Esto se llama "dispersión normal". Ocurre en todos los materiales dieléctricos , en rangos de longitud de onda donde el material no absorbe luz. [61] En rangos de longitud de onda donde un medio tiene una absorción significativa, el índice de refracción puede aumentar con la longitud de onda. A esto se le llama "dispersión anómala". [41] [61]
La separación de colores mediante un prisma es un ejemplo de dispersión normal. En las superficies del prisma, la ley de Snell predice que la luz incidente en un ángulo θ con respecto a la normal se refractará en un ángulo arcsen(sen (θ) / n ). Así, la luz azul, con su mayor índice de refracción, se desvía con más fuerza que la luz roja, lo que da lugar al conocido patrón de arco iris . [41]
La dispersión del material a menudo se caracteriza por el número de Abbe , que proporciona una medida simple de dispersión basada en el índice de refracción en tres longitudes de onda específicas. La dispersión de la guía de ondas depende de la constante de propagación . [43] Ambos tipos de dispersión provocan cambios en las características de grupo de la onda, las características del paquete de ondas que cambian con la misma frecuencia que la amplitud de la onda electromagnética. La "dispersión de velocidad de grupo" se manifiesta como una expansión de la "envoltura" de la señal de la radiación y puede cuantificarse con un parámetro de retardo de dispersión de grupo:
¿ Dónde está la velocidad del grupo? [62] Para un medio uniforme, la velocidad del grupo es
donde n es el índice de refracción y c es la velocidad de la luz en el vacío. [63] Esto proporciona una forma más simple para el parámetro de retardo de dispersión:
Si D es menor que cero, se dice que el medio tiene dispersión positiva o dispersión normal. Si D es mayor que cero, el medio tiene dispersión negativa . Si un pulso de luz se propaga a través de un medio normalmente dispersivo, el resultado es que los componentes de mayor frecuencia se ralentizan más que los componentes de menor frecuencia. Por lo tanto, el pulso se convierte en un chirrido positivo o en un chirrido ascendente , aumentando su frecuencia con el tiempo. Esto hace que el espectro que sale de un prisma aparezca siendo la luz roja la menos refractada y la luz azul/violeta la más refractada. Por el contrario, si un pulso viaja a través de un medio anómala (negativamente) dispersivo, los componentes de alta frecuencia viajan más rápido que los de baja frecuencia, y el pulso se vuelve chirriante negativo , o chirrido descendente , disminuyendo su frecuencia con el tiempo. [64]
El resultado de la dispersión de la velocidad del grupo, ya sea negativa o positiva, es en última instancia la dispersión temporal del pulso. Esto hace que la gestión de la dispersión sea extremadamente importante en los sistemas de comunicaciones ópticas basados en fibras ópticas , ya que si la dispersión es demasiado alta, un grupo de pulsos que representan información se dispersarán en el tiempo y se fusionarán, haciendo imposible extraer la señal. [62]
La polarización es una propiedad general de las ondas que describe la orientación de sus oscilaciones. Para ondas transversales , como muchas ondas electromagnéticas, describe la orientación de las oscilaciones en el plano perpendicular a la dirección de viaje de la onda. Las oscilaciones pueden estar orientadas en una sola dirección ( polarización lineal ), o la dirección de oscilación puede girar a medida que viaja la onda ( polarización circular o elíptica ). Las ondas polarizadas circularmente pueden girar hacia la derecha o hacia la izquierda en la dirección de viaje, y cuál de esas dos rotaciones está presente en una onda se llama quiralidad de la onda . [sesenta y cinco]
La forma típica de considerar la polarización es realizar un seguimiento de la orientación del vector del campo eléctrico a medida que se propaga la onda electromagnética. El vector del campo eléctrico de una onda plana se puede dividir arbitrariamente en dos componentes perpendiculares denominadas xey (donde z indica la dirección de viaje). La forma trazada en el plano xy por el vector del campo eléctrico es una figura de Lissajous que describe el estado de polarización . [43] Las siguientes figuras muestran algunos ejemplos de la evolución del vector campo eléctrico (azul), con el tiempo (los ejes verticales), en un punto particular en el espacio, junto con sus componentes x e y (rojo/izquierda y verde/ derecha), y la trayectoria trazada por el vector en el plano (violeta): La misma evolución ocurriría al observar el campo eléctrico en un momento particular mientras evoluciona el punto en el espacio, en la dirección opuesta a la propagación.
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En la figura superior situada más a la izquierda, los componentes xey de la onda de luz están en fase. En este caso, la relación de sus fuerzas es constante, por lo que la dirección del vector eléctrico (la suma vectorial de estos dos componentes) es constante. Dado que la punta del vector traza una sola línea en el plano, este caso especial se llama polarización lineal. La dirección de esta línea depende de las amplitudes relativas de los dos componentes. [sesenta y cinco]
En la figura del medio, los dos componentes ortogonales tienen las mismas amplitudes y están desfasados 90°. En este caso, un componente es cero cuando el otro componente tiene una amplitud máxima o mínima. Hay dos posibles relaciones de fase que satisfacen este requisito: la componente x puede estar 90° por delante de la componente y o puede estar 90° detrás de la componente y . En este caso especial, el vector eléctrico traza un círculo en el plano, por lo que esta polarización se llama polarización circular. La dirección de rotación en el círculo depende de cuál de las relaciones de dos fases existe y corresponde a la polarización circular derecha y a la polarización circular izquierda . [43]
En todos los demás casos, donde los dos componentes no tienen las mismas amplitudes y/o su diferencia de fase no es cero ni múltiplo de 90°, la polarización se llama polarización elíptica porque el vector eléctrico traza una elipse en el plano ( la elipse de polarización ). Esto se muestra en la figura de arriba a la derecha. Las matemáticas detalladas de la polarización se realizan mediante el cálculo de Jones y se caracterizan por los parámetros de Stokes . [43]
Los medios que tienen diferentes índices de refracción para diferentes modos de polarización se denominan birrefringentes . [65] Manifestaciones bien conocidas de este efecto aparecen en placas /retardadores de ondas ópticas (modos lineales) y en la rotación de Faraday / rotación óptica (modos circulares). [43] Si la longitud del camino en el medio birrefringente es suficiente, las ondas planas saldrán del material con una dirección de propagación significativamente diferente, debido a la refracción. Por ejemplo, este es el caso de los cristales macroscópicos de calcita , que presentan al espectador dos imágenes desplazadas y polarizadas ortogonalmente de todo lo que se ve a través de ellos. Fue este efecto el que proporcionó el primer descubrimiento de la polarización, por Erasmo Bartholinus en 1669. Además, el cambio de fase, y por tanto el cambio en el estado de polarización, suele depender de la frecuencia, lo que, en combinación con el dicroísmo , a menudo da lugar a brillantes colores y efectos de arcoíris. En mineralogía , estas propiedades, conocidas como pleocroísmo , se aprovechan con frecuencia para identificar minerales mediante microscopios de polarización. Además, muchos plásticos que normalmente no son birrefringentes lo serán cuando se sometan a tensión mecánica , un fenómeno que es la base de la fotoelasticidad . [65] Los métodos no birrefringentes, para rotar la polarización lineal de haces de luz, incluyen el uso de rotadores de polarización prismática que utilizan la reflexión interna total en un conjunto de prismas diseñado para una transmisión colineal eficiente. [66]
Los medios que reducen la amplitud de ciertos modos de polarización se denominan dicroicos , y los dispositivos que bloquean casi toda la radiación en un modo se conocen como filtros polarizadores o simplemente " polarizadores ". La ley de Malus, que lleva el nombre de Étienne-Louis Malus , dice que cuando se coloca un polarizador perfecto en un haz de luz polarizado lineal, la intensidad, I , de la luz que lo atraviesa está dada por
dónde
Se puede considerar que un haz de luz no polarizada contiene una mezcla uniforme de polarizaciones lineales en todos los ángulos posibles. Dado que el valor promedio de es 1/2, el coeficiente de transmisión se convierte en
En la práctica, se pierde algo de luz en el polarizador y la transmisión real de luz no polarizada será algo menor, alrededor del 38% para los polarizadores tipo Polaroid, pero considerablemente mayor (>49,9%) para algunos tipos de prismas birrefringentes. [43]
Además de la birrefringencia y el dicroísmo en medios extendidos, también pueden ocurrir efectos de polarización en la interfaz (reflectante) entre dos materiales de diferente índice de refracción. Estos efectos son tratados mediante las ecuaciones de Fresnel . Parte de la onda se transmite y otra parte se refleja, dependiendo la proporción del ángulo de incidencia y del ángulo de refracción. De esta forma, la óptica física recupera el ángulo de Brewster . [43] Cuando la luz se refleja en una película delgada sobre una superficie, la interferencia entre los reflejos de las superficies de la película puede producir polarización en la luz reflejada y transmitida.
La mayoría de las fuentes de radiación electromagnética contienen una gran cantidad de átomos o moléculas que emiten luz. La orientación de los campos eléctricos producidos por estos emisores puede no estar correlacionada , en cuyo caso se dice que la luz no está polarizada . Si existe correlación parcial entre los emisores, la luz está parcialmente polarizada . Si la polarización es constante en todo el espectro de la fuente, la luz parcialmente polarizada puede describirse como una superposición de un componente completamente no polarizado y uno completamente polarizado. Entonces se puede describir la luz en términos del grado de polarización y los parámetros de la elipse de polarización. [43]
La luz reflejada por materiales transparentes brillantes está parcial o totalmente polarizada, excepto cuando la luz es normal (perpendicular) a la superficie. Fue este efecto el que permitió al matemático Étienne-Louis Malus realizar las mediciones que le permitieron desarrollar los primeros modelos matemáticos de luz polarizada. La polarización se produce cuando la luz se dispersa en la atmósfera . La luz dispersada produce el brillo y el color en los cielos despejados . Esta polarización parcial de la luz dispersada se puede aprovechar utilizando filtros polarizadores para oscurecer el cielo en las fotografías . La polarización óptica es principalmente de importancia en química debido al dicroísmo circular y la rotación óptica (" birrefringencia circular ") que exhiben las moléculas ópticamente activas ( quirales ) . [43]
La óptica moderna abarca las áreas de la ciencia y la ingeniería ópticas que se hicieron populares en el siglo XX. Estas áreas de la ciencia óptica generalmente se relacionan con las propiedades electromagnéticas o cuánticas de la luz, pero incluyen otros temas. Un subcampo importante de la óptica moderna, la óptica cuántica , se ocupa específicamente de las propiedades mecánicas cuánticas de la luz. La óptica cuántica no es sólo teórica; Algunos dispositivos modernos, como los láseres, tienen principios de funcionamiento que dependen de la mecánica cuántica. Los detectores de luz, como los fotomultiplicadores y los canaltrones , responden a fotones individuales. Los sensores de imagen electrónicos , como los CCD , muestran ruido de disparo correspondiente a las estadísticas de eventos de fotones individuales. Los diodos luminosos y las células fotovoltaicas tampoco pueden entenderse sin la mecánica cuántica. En el estudio de estos dispositivos, la óptica cuántica suele superponerse a la electrónica cuántica . [67]
Las áreas de especialidad de la investigación en óptica incluyen el estudio de cómo interactúa la luz con materiales específicos, como en la óptica cristalina y los metamateriales . Otras investigaciones se centran en la fenomenología de las ondas electromagnéticas como en óptica singular , óptica sin imágenes , óptica no lineal , óptica estadística y radiometría . Además, los ingenieros informáticos se han interesado en la óptica integrada , la visión artificial y la computación fotónica como posibles componentes de la "próxima generación" de computadoras. [68]
Hoy en día, la ciencia pura de la óptica se denomina ciencia óptica o física óptica para distinguirla de las ciencias ópticas aplicadas, a las que se hace referencia como ingeniería óptica . Los subcampos destacados de la ingeniería óptica incluyen ingeniería de iluminación , fotónica y optoelectrónica con aplicaciones prácticas como diseño de lentes , fabricación y prueba de componentes ópticos y procesamiento de imágenes . Algunos de estos campos se superponen, con límites nebulosos entre los términos de los temas que significan cosas ligeramente diferentes en diferentes partes del mundo y en diferentes áreas de la industria. En las últimas décadas se ha desarrollado una comunidad profesional de investigadores en óptica no lineal debido a los avances en la tecnología láser. [69]
Un láser es un dispositivo que emite luz, una especie de radiación electromagnética, mediante un proceso llamado emisión estimulada . El término láser es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . [70] La luz láser suele ser espacialmente coherente , lo que significa que la luz se emite en un haz estrecho y de baja divergencia o se puede convertir en uno con la ayuda de componentes ópticos como lentes. Debido a que el equivalente de microondas del láser, el máser , se desarrolló primero, los dispositivos que emiten microondas y radiofrecuencias suelen denominarse máser . [71]
El primer láser funcional fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman en los Hughes Research Laboratories . [73] Cuando se inventaron por primera vez, se les llamó "una solución que busca un problema". [74] Desde entonces, los láseres se han convertido en una industria multimillonaria, encontrando utilidad en miles de aplicaciones muy variadas. La primera aplicación del láser visible en la vida cotidiana de la población general fue el escáner de códigos de barras del supermercado , introducido en 1974. [75] El reproductor de discos láser , introducido en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso que incluyó un láser, pero el disco compacto El reproductor fue el primer dispositivo equipado con láser que se volvió verdaderamente común en los hogares de los consumidores, a partir de 1982. [76] Estos dispositivos de almacenamiento óptico utilizan un láser semiconductor de menos de un milímetro de ancho para escanear la superficie del disco para recuperar datos. La comunicación por fibra óptica se basa en láseres para transmitir grandes cantidades de información a la velocidad de la luz. Otras aplicaciones comunes de los láseres incluyen impresoras láser y punteros láser . Los láseres se utilizan en medicina en áreas como la cirugía sin sangre , la cirugía ocular con láser y la microdisección por captura con láser y en aplicaciones militares como sistemas de defensa antimisiles , contramedidas electroópticas (EOCM) y lidar . Los láseres también se utilizan en hologramas , bubblegrams , espectáculos de luz láser y depilación láser . [77]
El efecto Kapitsa-Dirac hace que haces de partículas se difracten como resultado del encuentro con una onda estacionaria de luz. La luz se puede utilizar para posicionar la materia mediante diversos fenómenos (ver pinzas ópticas ).
La óptica es parte de la vida cotidiana. La ubicuidad de los sistemas visuales en biología indica el papel central que desempeña la óptica como ciencia de uno de los cinco sentidos . Muchas personas se benefician de los anteojos o lentes de contacto , y la óptica es parte integral del funcionamiento de muchos bienes de consumo, incluidas las cámaras . Los arcoíris y los espejismos son ejemplos de fenómenos ópticos. La comunicación óptica proporciona la columna vertebral tanto de Internet como de la telefonía moderna .
El ojo humano funciona enfocando la luz en una capa de células fotorreceptoras llamada retina, que forma el revestimiento interno de la parte posterior del ojo. El enfoque se logra mediante una serie de medios transparentes. La luz que entra al ojo pasa primero a través de la córnea, que proporciona gran parte de la potencia óptica del ojo. Luego, la luz continúa a través del líquido justo detrás de la córnea (la cámara anterior ) y luego pasa a través de la pupila . Luego, la luz pasa a través de la lente , que enfoca más la luz y permite ajustar el enfoque. Luego, la luz pasa a través del cuerpo principal de líquido del ojo: el humor vítreo y llega a la retina. Las células de la retina recubren la parte posterior del ojo, excepto por donde sale el nervio óptico; esto resulta en un punto ciego .
Hay dos tipos de células fotorreceptoras, bastones y conos, que son sensibles a diferentes aspectos de la luz. [78] Los bastones son sensibles a la intensidad de la luz en un amplio rango de frecuencia, por lo que son responsables de la visión en blanco y negro . Los bastones no están presentes en la fóvea, el área de la retina responsable de la visión central, y no responden tan bien como los conos a los cambios espaciales y temporales de la luz. Sin embargo, hay veinte veces más bastones que conos en la retina porque los bastones están presentes en un área más amplia. Debido a su distribución más amplia, los bastones son responsables de la visión periférica . [79]
Por el contrario, los conos son menos sensibles a la intensidad general de la luz, pero existen tres variedades que son sensibles a diferentes rangos de frecuencia y, por tanto, se utilizan en la percepción del color y la visión fotópica . Los conos están muy concentrados en la fóvea y tienen una alta agudeza visual, lo que significa que tienen mejor resolución espacial que los bastones. Dado que los conos no son tan sensibles a la luz tenue como los bastones, la mayor parte de la visión nocturna se limita a los bastones. Del mismo modo, dado que las células cónicas se encuentran en la fóvea, la visión central (incluida la visión necesaria para realizar la mayor parte de la lectura, trabajos de detalle fino como coser o examinar cuidadosamente objetos) se realiza mediante células cónicas. [79]
Los músculos ciliares alrededor del cristalino permiten ajustar el enfoque del ojo. Este proceso se conoce como acomodación . El punto cercano y el punto lejano definen las distancias más cercanas y más alejadas del ojo a las que se puede enfocar nítidamente un objeto. Para una persona con visión normal, el punto lejano se sitúa en el infinito. La ubicación del punto cercano depende de cuánto pueden aumentar los músculos la curvatura del cristalino y de cuán inflexible se vuelve el cristalino con la edad. Los optometristas , oftalmólogos y ópticos suelen considerar que un punto cercano apropiado está más cerca de la distancia de lectura normal: aproximadamente 25 cm. [78]
Los defectos de la visión se pueden explicar utilizando principios ópticos. A medida que las personas envejecen, el cristalino se vuelve menos flexible y el punto de cerca se aleja del ojo, una condición conocida como presbicia . De manera similar, las personas que sufren de hipermetropía no pueden disminuir la distancia focal de su lente lo suficiente como para permitir que los objetos cercanos sean fotografiados en su retina. Por el contrario, las personas que no pueden aumentar la distancia focal de su lente lo suficiente como para permitir que los objetos distantes sean fotografiados en la retina sufren de miopía y tienen un punto lejano que está considerablemente más cerca que el infinito. Una condición conocida como astigmatismo se produce cuando la córnea no es esférica sino que está más curvada en una dirección. Esto hace que los objetos extendidos horizontalmente se enfoquen en diferentes partes de la retina que los objetos extendidos verticalmente, y da como resultado imágenes distorsionadas. [78]
Todas estas condiciones se pueden corregir usando lentes correctivos . Para la presbicia y la hipermetropía, una lente convergente proporciona la curvatura adicional necesaria para acercar el punto cercano al ojo, mientras que para la miopía una lente divergente proporciona la curvatura necesaria para enviar el punto lejano al infinito. El astigmatismo se corrige con una lente de superficie cilíndrica que se curva más fuertemente en una dirección que en otra, compensando la falta de uniformidad de la córnea. [80]
La potencia óptica de las lentes correctoras se mide en dioptrías , valor igual al recíproco de la distancia focal medida en metros; con una distancia focal positiva correspondiente a una lente convergente y una distancia focal negativa correspondiente a una lente divergente. Para lentes que también corrigen el astigmatismo, se dan tres números: uno para la potencia esférica, uno para la potencia cilíndrica y otro para el ángulo de orientación del astigmatismo. [80]
Las ilusiones ópticas (también llamadas ilusiones visuales) se caracterizan por imágenes percibidas visualmente que difieren de la realidad objetiva. La información recopilada por el ojo se procesa en el cerebro para generar una percepción que difiere del objeto que se está visualizando. Las ilusiones ópticas pueden ser el resultado de una variedad de fenómenos que incluyen efectos físicos que crean imágenes diferentes de los objetos que las crean, los efectos fisiológicos en los ojos y el cerebro de una estimulación excesiva (por ejemplo, brillo, inclinación, color, movimiento) y Ilusiones cognitivas donde el ojo y el cerebro hacen inferencias inconscientes . [81]
Las ilusiones cognitivas incluyen algunas que resultan de la mala aplicación inconsciente de ciertos principios ópticos. Por ejemplo, las ilusiones de la habitación de Ames , Hering , Müller-Lyer , Orbison , Ponzo , Sander y Wundt se basan en la sugerencia de la apariencia de distancia mediante el uso de líneas convergentes y divergentes, de la misma manera que los rayos de luz paralelos (o incluso cualquier conjunto de líneas paralelas) parecen converger en un punto de fuga en el infinito en imágenes renderizadas bidimensionalmente con perspectiva artística. [82] Esta sugerencia también es responsable de la famosa ilusión lunar en la que la luna, a pesar de tener esencialmente el mismo tamaño angular, parece mucho más grande cerca del horizonte que en el cenit . [83] Esta ilusión confundió tanto a Ptolomeo que la atribuyó incorrectamente a la refracción atmosférica cuando la describió en su tratado Óptica . [8]
Otro tipo de ilusión óptica explota patrones rotos para engañar a la mente y hacerla percibir simetrías o asimetrías que no están presentes. Los ejemplos incluyen la pared del café , Ehrenstein , la espiral de Fraser , Poggendorff y las ilusiones de Zöllner . Relacionados, pero no estrictamente ilusiones, están los patrones que ocurren debido a la superposición de estructuras periódicas. Por ejemplo, los tejidos transparentes con una estructura de rejilla producen formas conocidas como patrones muaré , mientras que la superposición de patrones transparentes periódicos que comprenden líneas o curvas opacas paralelas produce patrones de líneas muaré . [84]
Las lentes individuales tienen una variedad de aplicaciones que incluyen lentes fotográficas , lentes correctivas y lupas, mientras que los espejos simples se usan en reflectores parabólicos y espejos retrovisores . La combinación de varios espejos, prismas y lentes produce instrumentos ópticos compuestos que tienen usos prácticos. Por ejemplo, un periscopio consiste simplemente en dos espejos planos alineados para permitir ver alrededor de obstrucciones. Los instrumentos ópticos compuestos más famosos de la ciencia son el microscopio y el telescopio, ambos inventados por los holandeses a finales del siglo XVI. [85]
Los microscopios se desarrollaron inicialmente con sólo dos lentes: un objetivo y un ocular . La lente del objetivo es esencialmente una lupa y fue diseñada con una distancia focal muy pequeña, mientras que el ocular generalmente tiene una distancia focal más larga. Esto tiene el efecto de producir imágenes ampliadas de objetos cercanos. Generalmente, se utiliza una fuente adicional de iluminación, ya que las imágenes ampliadas son más tenues debido a la conservación de la energía y la dispersión de los rayos de luz sobre una superficie mayor. Los microscopios modernos, conocidos como microscopios compuestos, tienen muchas lentes (normalmente cuatro) para optimizar la funcionalidad y mejorar la estabilidad de la imagen. [85] Una variedad ligeramente diferente de microscopio, el microscopio de comparación , mira imágenes una al lado de la otra para producir una vista binocular estereoscópica que parece tridimensional cuando la usan humanos. [86]
Los primeros telescopios, llamados telescopios refractores, también se desarrollaron con un único objetivo y lente ocular. A diferencia del microscopio, el objetivo del telescopio se diseñó con una distancia focal grande para evitar aberraciones ópticas. El objetivo enfoca una imagen de un objeto distante en su punto focal que se ajusta para estar en el punto focal de un ocular de una distancia focal mucho menor. El objetivo principal de un telescopio no es necesariamente el aumento, sino la captación de luz, que está determinada por el tamaño físico de la lente del objetivo. Por lo tanto, los telescopios normalmente se indican por los diámetros de sus objetivos y no por el aumento, que puede cambiarse cambiando de ocular. Debido a que el aumento de un telescopio es igual a la distancia focal del objetivo dividida por la longitud focal del ocular, los oculares de longitud focal más pequeña provocan un mayor aumento. [85]
Dado que fabricar lentes grandes es mucho más difícil que fabricar espejos grandes, la mayoría de los telescopios modernos son telescopios reflectores , es decir, telescopios que utilizan un espejo primario en lugar de una lente objetivo. Se aplican las mismas consideraciones ópticas generales a los telescopios reflectores que a los telescopios refractores, es decir, cuanto más grande es el espejo primario, más luz se recoge y el aumento sigue siendo igual a la longitud focal del espejo primario dividida por la longitud focal del ocular. . Los telescopios profesionales generalmente no tienen oculares y en su lugar colocan un instrumento (a menudo un dispositivo de carga acoplada) en el punto focal. [85]
La óptica de la fotografía involucra tanto las lentes como el medio en el que se registra la radiación electromagnética, ya sea una placa , una película o un dispositivo de carga acoplada. Los fotógrafos deben considerar la reciprocidad de la cámara y el plano que se resume en la relación
En otras palabras, cuanto más pequeña es la apertura (lo que proporciona una mayor profundidad de enfoque), entra menos luz, por lo que se debe aumentar el tiempo (lo que puede provocar una posible borrosidad si se produce movimiento). Un ejemplo del uso de la ley de reciprocidad es la regla Sunny 16 , que proporciona una estimación aproximada de los ajustes necesarios para estimar la exposición adecuada a la luz del día. [88]
La apertura de una cámara se mide mediante un número sin unidades llamado número f o f-stop,f /#, a menudo anotado como y dado por
donde es la distancia focal y es el diámetro de la pupila de entrada. Por convención, "f /#" se trata como un símbolo único y los valores específicos def /# se escriben reemplazando el signo numérico con el valor. Las dos formas de aumentar el diafragma son disminuir el diámetro de la pupila de entrada o cambiar a una distancia focal más larga (en el caso de una lente con zoom , esto se puede hacer simplemente ajustando la lente). Los números f más altos también tienen una mayor profundidad de campo debido a que la lente se acerca al límite de una cámara estenopeica que es capaz de enfocar todas las imágenes perfectamente, independientemente de la distancia, pero requiere tiempos de exposición muy largos. [89]
El campo de visión que proporcionará la lente cambia con la distancia focal de la lente. Hay tres clasificaciones básicas basadas en la relación entre el tamaño diagonal de la película o el tamaño del sensor de la cámara y la distancia focal de la lente: [90]
Los objetivos con zoom modernos pueden tener algunos o todos estos atributos.
El valor absoluto del tiempo de exposición necesario depende de la sensibilidad a la luz del medio utilizado (medido por la velocidad de la película o, en el caso de los medios digitales, por la eficiencia cuántica ). [95] Las primeras fotografías utilizaban medios que tenían muy baja sensibilidad a la luz, por lo que los tiempos de exposición tenían que ser largos incluso para tomas muy brillantes. A medida que la tecnología ha mejorado, también lo ha hecho la sensibilidad a través de cámaras de película y cámaras digitales. [96]
Otros resultados de la óptica física y geométrica se aplican a la óptica de las cámaras. Por ejemplo, la capacidad de resolución máxima de una configuración de cámara particular está determinada por el límite de difracción asociado con el tamaño de la pupila y dada, aproximadamente, por el criterio de Rayleigh. [97]
Las propiedades ópticas únicas de la atmósfera provocan una amplia gama de fenómenos ópticos espectaculares. El color azul del cielo es el resultado directo de la dispersión de Rayleigh, que redirige la luz solar de mayor frecuencia (azul) de regreso al campo de visión del observador. Debido a que la luz azul se dispersa más fácilmente que la luz roja, el sol adquiere un tono rojizo cuando se observa a través de una atmósfera espesa, como durante el amanecer o el atardecer . Las partículas adicionales en el cielo pueden dispersar diferentes colores en diferentes ángulos creando cielos coloridos y brillantes al anochecer y al amanecer. La dispersión de cristales de hielo y otras partículas en la atmósfera son responsables de halos , resplandores , coronas , rayos de sol y perros solares . La variación en este tipo de fenómenos se debe a diferentes tamaños y geometrías de partículas. [98]
Los espejismos son fenómenos ópticos en los que los rayos de luz se desvían debido a variaciones térmicas en el índice de refracción del aire, produciendo imágenes desplazadas o muy distorsionadas de objetos distantes. Otros fenómenos ópticos dramáticos asociados con esto incluyen el efecto Novaya Zemlya , donde el sol parece salir antes de lo previsto con una forma distorsionada. Una forma espectacular de refracción se produce con una inversión de temperatura llamada Fata Morgana , donde los objetos en el horizonte o incluso más allá del horizonte, como islas, acantilados, barcos o icebergs, aparecen alargados y elevados, como "castillos de cuento de hadas". [99]
Los arcoíris son el resultado de una combinación de reflexión interna y refracción dispersiva de la luz en las gotas de lluvia. Un solo reflejo en la parte posterior de una serie de gotas de lluvia produce un arco iris con un tamaño angular en el cielo que varía de 40° a 42° con rojo en el exterior. Los arcoíris dobles se producen mediante dos reflejos internos con un tamaño angular de 50,5° a 54° con violeta en el exterior. Debido a que los arcoíris se ven con el sol a 180° del centro del arcoíris, los arcoíris son más prominentes cuanto más cerca está el sol del horizonte. [sesenta y cinco]
