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Un espejo , también conocido como espejo de mano , es un objeto que refleja una imagen . La luz que rebota en un espejo mostrará una imagen de lo que esté frente a él, cuando se enfoca a través de la lente del ojo o de una cámara. Los espejos invierten la dirección de la imagen en un ángulo igual pero opuesto desde el cual la luz brilla sobre ella. Esto permite al espectador verse a sí mismo o a los objetos detrás de él, o incluso objetos que están en un ángulo con respecto a él pero fuera de su campo de visión, como al doblar una esquina. Los espejos naturales han existido desde tiempos prehistóricos , como la superficie del agua, pero la gente ha estado fabricando espejos a partir de una variedad de materiales durante miles de años, como piedra, metales y vidrio. En los espejos modernos, a menudo se utilizan metales como la plata o el aluminio debido a su alta reflectividad , aplicados como una fina capa sobre el vidrio debido a su superficie naturalmente lisa y muy dura .
Un espejo es un reflector de ondas . La luz está formada por ondas y, cuando las ondas de luz se reflejan en la superficie plana de un espejo, dichas ondas conservan el mismo grado de curvatura y vergencia , en una dirección igual pero opuesta, que las ondas originales. Esto permite que las ondas formen una imagen cuando se enfocan a través de una lente, tal como si las ondas se hubieran originado en la dirección del espejo. La luz también se puede representar como rayos (líneas imaginarias que irradian desde la fuente de luz, que siempre son perpendiculares a las ondas). Estos rayos se reflejan en un ángulo igual pero opuesto desde el que inciden en el espejo (luz incidente). Esta propiedad, llamada reflexión especular , distingue a un espejo de los objetos que difunden la luz, rompiendo la onda y dispersándola en muchas direcciones (como la pintura blanca mate). Por lo tanto, un espejo puede ser cualquier superficie en la que la textura o rugosidad de la superficie sea menor (más suave) que la longitud de onda de las ondas.
Al mirarse en un espejo, se ve una imagen reflejada de los objetos del entorno, formada por la luz emitida o dispersada por ellos y reflejada por el espejo hacia los ojos. Este efecto da la ilusión de que esos objetos están detrás del espejo o (a veces) delante de él . Cuando la superficie no es plana, un espejo puede comportarse como una lente reflectora . Un espejo plano produce una imagen real sin distorsiones, mientras que un espejo curvo puede distorsionar, ampliar o reducir la imagen de diversas formas, manteniendo intactas las líneas, el contraste , la nitidez , los colores y otras propiedades de la imagen.
Un espejo se usa comúnmente para inspeccionarse a uno mismo, como durante el aseo personal ; de ahí el nombre anticuado de "espejo". [1] Este uso, que data de la prehistoria, [2] se superpone con usos en decoración y arquitectura . Los espejos también se utilizan para ver otros elementos que no son directamente visibles debido a obstrucciones; los ejemplos incluyen espejos retrovisores en vehículos, espejos de seguridad dentro o alrededor de edificios y espejos de dentista . Los espejos también se utilizan en aparatos ópticos y científicos como telescopios , láseres , cámaras , periscopios y maquinaria industrial.
Según las supersticiones, romper un espejo trae siete años de mala suerte . [3]
Los términos "espejo" y "reflector" se pueden utilizar para objetos que reflejan cualquier otro tipo de ondas. Un espejo acústico refleja ondas sonoras. Objetos como paredes, techos o formaciones rocosas naturales pueden producir ecos , y esta tendencia a menudo se convierte en un problema en la ingeniería acústica al diseñar casas, auditorios o estudios de grabación. Los espejos acústicos se pueden utilizar para aplicaciones como micrófonos parabólicos , estudios atmosféricos , sonares y cartografía del fondo marino . [4] Un espejo atómico refleja ondas de materia y se puede utilizar para interferometría atómica y holografía atómica .
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Los primeros espejos utilizados por los humanos probablemente fueron estanques de agua quieta o piedras brillantes. [5] Los requisitos para hacer un buen espejo son una superficie con un grado muy alto de planitud (preferiblemente, pero no necesariamente, con alta reflectividad ) y una rugosidad de superficie menor que la longitud de onda de la luz.
Los primeros espejos fabricados eran piezas de piedra pulida como la obsidiana , un vidrio volcánico de origen natural . [6] Se han encontrado ejemplos de espejos de obsidiana en Çatalhöyük en Anatolia (actual Turquía) que datan de alrededor del 6000 a. C. [7] Los espejos de cobre pulido se fabricaron en Mesopotamia a partir del 4000 a. C. [7] y en el antiguo Egipto a partir del 3000 a. C. [8] Los espejos de piedra pulida de América Central y del Sur datan de alrededor del 2000 a. C. en adelante. [7]
En la Edad del Bronce, la mayoría de las culturas utilizaban espejos hechos de discos pulidos de bronce , cobre , plata u otros metales. [6] [9] Los habitantes de Kerma , en Nubia, eran expertos en la fabricación de espejos. Se han encontrado restos de sus hornos de bronce en el interior del templo de Kerma. [10] En China, los espejos de bronce se fabricaban desde alrededor del año 2000 a. C., [11] algunos de los primeros ejemplos de bronce y cobre fueron producidos por la cultura Qijia . Estos espejos de metal siguieron siendo la norma hasta la Antigüedad grecorromana y durante toda la Edad Media en Europa . [12] Durante el Imperio Romano, los espejos de plata eran de uso generalizado entre los sirvientes. [13]
El metal espéculo es una aleación de cobre y estaño altamente reflectante que se utilizó para espejos hasta hace un par de siglos. [ ¿cuándo? ] [ vago ] Es posible que estos espejos se hayan originado en China y la India. [14] Los espejos de metal espéculo o de cualquier metal precioso eran difíciles de producir y solo los poseían los ricos. [15]
Los espejos de metal comunes se empañaban y requerían de un pulido frecuente. Los espejos de bronce tenían una baja reflectividad y una reproducción deficiente del color , y los espejos de piedra eran mucho peores en este aspecto. [16] : p.11 Estos defectos explican la referencia del Nuevo Testamento en 1 Corintios 13 a ver "como en un espejo, oscuramente".
El filósofo griego Sócrates exhortaba a los jóvenes a mirarse en el espejo para que, si eran bellos, se hicieran dignos de su belleza, y si eran feos, supieran ocultar su desgracia mediante el aprendizaje. [16] : p.106
El vidrio comenzó a usarse para espejos en el siglo I d.C. , con el desarrollo del vidrio sódico-cálcico y el soplado de vidrio . [17] El erudito romano Plinio el Viejo afirma que los artesanos de Sidón (actual Líbano ) producían espejos de vidrio recubiertos con plomo o pan de oro en la parte posterior. El metal proporcionaba una buena reflectividad y el vidrio proporcionaba una superficie lisa y protegía el metal de rayones y deslustre. [18] [19] [20] [16] : p.12 [21] Sin embargo, no hay evidencia arqueológica de espejos de vidrio antes del siglo III. [22]
Estos primeros espejos de vidrio se hacían soplando una burbuja de vidrio y luego cortando una pequeña sección circular de 10 a 20 cm de diámetro. Su superficie era cóncava o convexa y las imperfecciones tendían a distorsionar la imagen. Los espejos recubiertos de plomo eran muy delgados para evitar que se agrietaran por el calor del metal fundido. [16] : p.10 Debido a la mala calidad, el alto costo y el pequeño tamaño de los espejos de vidrio, los espejos de metal sólido (principalmente de acero) siguieron siendo de uso común hasta fines del siglo XIX. [16] : p.13
Los espejos de metal recubiertos de plata se desarrollaron en China ya en el año 500 d. C. El metal desnudo se cubría con una amalgama y luego se calentaba hasta que el mercurio se evaporaba. [23]
La evolución de los espejos de vidrio en la Edad Media siguió las mejoras en la tecnología de fabricación del vidrio . Los fabricantes de vidrio en Francia fabricaban placas de vidrio planas soplando burbujas de vidrio, girándolas rápidamente para aplanarlas y cortando rectángulos de ellas. Un método mejor, desarrollado en Alemania y perfeccionado en Venecia en el siglo XVI, consistía en soplar un cilindro de vidrio, cortar los extremos, cortarlo a lo largo y desenrollarlo sobre una placa plana caliente. [16] : p.11 Los fabricantes de vidrio venecianos también adoptaron el vidrio al plomo para los espejos, debido a su claridad cristalina y su mayor facilidad de trabajo.
Durante el Renacimiento europeo temprano , se desarrolló una técnica de dorado al fuego para producir un revestimiento de estaño uniforme y altamente reflectante para los espejos de vidrio. La parte posterior del vidrio se cubría con una amalgama de estaño y mercurio, y luego el mercurio se evaporaba calentando la pieza. Este proceso causaba menos choque térmico al vidrio que el antiguo método de plomo fundido. [16] : p.16 Se desconoce la fecha y la ubicación del descubrimiento, pero en el siglo XVI Venecia era un centro de producción de espejos que utilizaba esta técnica. Estos espejos venecianos tenían hasta 40 pulgadas (100 cm) cuadrados.
Durante un siglo, Venecia conservó el monopolio de la técnica de la amalgama de estaño. Los espejos venecianos, con marcos ricamente decorados, servían como decoración de lujo para palacios de toda Europa y eran muy caros. Por ejemplo, a finales del siglo XVII, se dice que la condesa de Fiesque vendió una granja de trigo entera por un espejo, considerándolo una ganga. [24] Sin embargo, a finales de ese siglo el secreto se filtró a través del espionaje industrial. Los talleres franceses lograron industrializar el proceso a gran escala, y finalmente lograron que los espejos fueran asequibles para las masas, a pesar de la toxicidad del vapor de mercurio. [25]
La invención de la máquina de cintas a finales de la Revolución Industrial permitió que los paneles de vidrio modernos se pudieran producir en grandes cantidades. [16] La fábrica Saint-Gobain , fundada por iniciativa real en Francia, fue un fabricante importante, y el vidrio bohemio y alemán, a menudo bastante más barato, también fue importante.
La invención del espejo de vidrio plateado se atribuye al químico alemán Justus von Liebig en 1835. [26] Su proceso de deposición húmeda implicaba la deposición de una fina capa de plata metálica sobre el vidrio mediante la reducción química del nitrato de plata . Este proceso de plateado se adaptó para la fabricación en masa y condujo a una mayor disponibilidad de espejos asequibles.
Los espejos se producen a menudo mediante la deposición húmeda de plata, o a veces de níquel o cromo (este último utilizado con mayor frecuencia en espejos de automóviles) mediante galvanoplastia directamente sobre el sustrato de vidrio. [27]
Los espejos de vidrio para instrumentos ópticos se producen generalmente mediante métodos de deposición al vacío . Estas técnicas se remontan a observaciones realizadas en los años 1920 y 1930 de que el metal se expulsaba de los electrodos de las lámparas de descarga de gas y se condensaba en las paredes de vidrio formando un revestimiento similar a un espejo. El fenómeno, llamado pulverización catódica , se convirtió en un método industrial de revestimiento de metales con el desarrollo de la tecnología de semiconductores en los años 1970.
Un fenómeno similar se había observado con las bombillas incandescentes : el metal del filamento caliente se sublimaba lentamente y se condensaba en las paredes de la bombilla. Este fenómeno fue desarrollado en el método de recubrimiento por evaporación por Pohl y Pringsheim en 1912. John D. Strong utilizó el recubrimiento por evaporación para fabricar los primeros espejos de telescopio recubiertos de aluminio en la década de 1930. [28] El primer espejo dieléctrico fue creado en 1937 por Auwarter utilizando rodio evaporado . [17]
El revestimiento metálico de los espejos de vidrio suele protegerse de la abrasión y la corrosión mediante una capa de pintura aplicada sobre él. Los espejos para instrumentos ópticos suelen tener la capa metálica en la cara frontal, de modo que la luz no tenga que atravesar el vidrio dos veces. En estos espejos, el metal puede estar protegido por una fina capa transparente de un material no metálico ( dieléctrico ). El primer espejo metálico mejorado con una capa dieléctrica de dióxido de silicio fue creado por Hass en 1937. En 1939, en la empresa Schott Glass , Walter Geffcken inventó los primeros espejos dieléctricos que utilizaban revestimientos multicapa. [17]
Los griegos de la Antigüedad Clásica estaban familiarizados con el uso de espejos para concentrar la luz. Los espejos parabólicos fueron descritos y estudiados por el matemático Diocles en su obra Sobre la quema de espejos . [29] Ptolomeo realizó una serie de experimentos con espejos curvos de hierro pulido, [2] : p.64 y analizó los espejos planos, esféricos convexos y esféricos cóncavos en su Óptica . [30]
Los espejos parabólicos también fueron descritos por el matemático califal Ibn Sahl en el siglo X. [31]
Los espejos se pueden clasificar de muchas maneras, incluso por forma, soporte, materiales reflectantes, métodos de fabricación y aplicación prevista.
Las formas típicas de los espejos son los planos y los curvos.
La superficie de los espejos curvos suele ser parte de una esfera . Los espejos que están diseñados para concentrar con precisión rayos de luz paralelos en un punto suelen tener la forma de un paraboloide de revolución ; se utilizan en telescopios (desde ondas de radio hasta rayos X), en antenas para comunicarse con satélites de radiodifusión y en hornos solares . En su lugar, se puede utilizar un espejo segmentado , que consta de varios espejos planos o curvos, colocados y orientados correctamente.
Los espejos que están destinados a concentrar la luz solar sobre un tubo largo pueden ser de forma cilíndrica circular o de forma parabólica . [32]
El material estructural más común para los espejos es el vidrio, debido a su transparencia, facilidad de fabricación, rigidez, dureza y capacidad de adoptar un acabado suave.
Los espejos más comunes consisten en una placa de vidrio transparente, con una fina capa reflectante en la parte posterior (el lado opuesto a la luz incidente y reflejada) respaldada por un revestimiento que protege esa capa contra la abrasión, el deslustre y la corrosión . El vidrio suele ser de cal sódica, pero se puede utilizar vidrio al plomo para efectos decorativos y otros materiales transparentes para aplicaciones específicas. [ cita requerida ]
Se puede utilizar una placa de plástico transparente en lugar de vidrio para que sea más ligero o resistente a los impactos. Como alternativa, se puede pegar una película de plástico transparente flexible a la superficie frontal o posterior del espejo para evitar lesiones en caso de que el espejo se rompa. Se pueden imprimir letras o diseños decorativos en la cara frontal del vidrio o se pueden formar en la capa reflectante. La superficie frontal puede tener un revestimiento antirreflejo . [ cita requerida ]
Los espejos que reflejan la luz en su superficie frontal (el mismo lado de la luz incidente y reflejada) pueden estar hechos de cualquier material rígido. [33] El material de soporte no necesariamente tiene que ser transparente, pero los espejos de los telescopios suelen utilizar vidrio de todos modos. A menudo se agrega una capa protectora transparente sobre la capa reflectante para protegerla contra la abrasión, el deslustre y la corrosión, o para absorber ciertas longitudes de onda. [34]
A veces se utilizan espejos de plástico delgados y flexibles por razones de seguridad, ya que no se rompen ni producen escamas afiladas. Su planitud se logra al estirarlos sobre un marco rígido. Estos suelen estar compuestos por una capa de aluminio evaporado entre dos capas delgadas de plástico transparente. [ cita requerida ]
En los espejos comunes, la capa reflectante suele ser algún metal como plata, estaño, níquel o cromo , depositado mediante un proceso húmedo; o aluminio, [27] [35] depositado mediante pulverización catódica o evaporación al vacío. La capa reflectante también puede estar formada por una o más capas de materiales transparentes con índices de refracción adecuados .
El material estructural puede ser un metal, en cuyo caso la capa reflectante puede ser simplemente la superficie del mismo. Los platos cóncavos de metal se utilizan a menudo para reflejar la luz infrarroja (como en los calentadores de ambiente ) o las microondas (como en las antenas de televisión por satélite). Los telescopios de metal líquido utilizan una superficie de metal líquido como el mercurio.
Los espejos que reflejan solo una parte de la luz, mientras transmiten parte del resto, pueden fabricarse con capas metálicas muy delgadas o combinaciones adecuadas de capas dieléctricas. Se utilizan normalmente como divisores de haz . Un espejo dicroico , en particular, tiene una superficie que refleja ciertas longitudes de onda de luz, mientras deja pasar otras longitudes de onda. Un espejo frío es un espejo dicroico que refleja de manera eficiente todo el espectro de luz visible mientras transmite longitudes de onda infrarrojas . Un espejo caliente es lo opuesto: refleja luz infrarroja mientras transmite luz visible. Los espejos dicroicos se utilizan a menudo como filtros para eliminar componentes no deseados de la luz en cámaras e instrumentos de medición.
En los telescopios de rayos X , los rayos X se reflejan en una superficie metálica de alta precisión en ángulos casi rasantes, y solo se refleja una pequeña fracción de los rayos. [36] En los espejos relativistas voladores concebidos para láseres de rayos X , la superficie reflectante es una onda de choque esférica (onda de estela) creada en un plasma de baja densidad por un pulso láser muy intenso y que se mueve a una velocidad extremadamente alta. [37]
Un espejo conjugador de fases utiliza una óptica no lineal para invertir la diferencia de fase entre los haces incidentes. Estos espejos pueden utilizarse, por ejemplo, para la combinación coherente de haces. Las aplicaciones útiles son el autoguiado de haces láser y la corrección de distorsiones atmosféricas en sistemas de imágenes. [38] [39] [40]
Cuando un haz de luz suficientemente estrecho se refleja en un punto de una superficie, la dirección normal de la superficie será la bisectriz del ángulo formado por los dos haces en ese punto. Es decir, el vector de dirección hacia la fuente de los haces incidentes, el vector normal y el vector de dirección del haz reflejado serán coplanares y el ángulo entre y será igual al ángulo de incidencia entre y , pero de signo opuesto. [41]
Esta propiedad se puede explicar por la física de una onda plana electromagnética que incide en una superficie plana que es eléctricamente conductora o donde la velocidad de la luz cambia abruptamente, como entre dos materiales con diferentes índices de refracción.
Más específicamente, un espejo parabólico cóncavo (cuya superficie es parte de un paraboloide de revolución) reflejará rayos que sean paralelos a su eje en rayos que pasen a través de su foco . Por el contrario, un espejo cóncavo parabólico reflejará cualquier rayo que provenga de su foco hacia una dirección paralela a su eje. Si la superficie de un espejo cóncavo es parte de un elipsoide alargado , reflejará cualquier rayo que provenga de un foco hacia el otro foco. [41]
Por otra parte, un espejo parabólico convexo reflejará los rayos que son paralelos a su eje y los convertirá en rayos que parecen emanar del foco de la superficie, detrás del espejo. Por el contrario, reflejará los rayos entrantes que convergen hacia ese punto y los convertirá en rayos que son paralelos al eje. Un espejo convexo que forma parte de un elipsoide alargado reflejará los rayos que convergen hacia un foco y los convertirá en rayos divergentes que parecen emanar del otro foco. [41]
Los espejos esféricos no reflejan rayos paralelos a rayos que convergen o divergen de un único punto, o viceversa, debido a la aberración esférica . Sin embargo, un espejo esférico cuyo diámetro sea suficientemente pequeño en comparación con el radio de la esfera se comportará de manera muy similar a un espejo parabólico cuyo eje pase por el centro del espejo y el centro de esa esfera; de modo que los espejos esféricos pueden sustituir a los parabólicos en muchas aplicaciones. [41]
Una aberración similar ocurre con los espejos parabólicos cuando los rayos incidentes son paralelos entre sí pero no paralelos al eje del espejo, o son divergentes desde un punto que no es el foco, como cuando se intenta formar una imagen de un objeto que está cerca del espejo o abarca un ángulo amplio visto desde él. Sin embargo, esta aberración puede ser suficientemente pequeña si la imagen del objeto está suficientemente lejos del espejo y abarca un ángulo suficientemente pequeño alrededor de su eje. [41]
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Los espejos reflejan una imagen al observador. Sin embargo, a diferencia de una imagen proyectada en una pantalla, en realidad no existe una imagen en la superficie del espejo. Por ejemplo, cuando dos personas se miran en un espejo, ambas ven imágenes diferentes en la misma superficie. Cuando las ondas de luz convergen a través del cristalino del ojo interfieren entre sí para formar la imagen en la superficie de la retina , y como ambos espectadores ven ondas que vienen de direcciones diferentes, cada uno ve una imagen diferente en el mismo espejo. Por lo tanto, las imágenes observadas en un espejo dependen del ángulo del espejo con respecto al ojo. El ángulo entre el objeto y el observador es siempre el doble del ángulo entre el ojo y la normal, o la dirección perpendicular a la superficie. Esto permite a los animales con visión binocular ver la imagen reflejada con percepción de profundidad y en tres dimensiones.
El espejo forma una imagen virtual de todo lo que se encuentra en el ángulo opuesto al del observador, lo que significa que los objetos de la imagen parecen existir en una línea de visión directa (detrás de la superficie del espejo) a una distancia igual de su posición frente al espejo. Los objetos que se encuentran detrás del observador, o entre el observador y el espejo, se reflejan de vuelta hacia el observador sin ningún cambio real en la orientación; las ondas de luz simplemente se invierten en una dirección perpendicular al espejo. Sin embargo, cuando el observador está de frente al objeto y el espejo está en un ángulo entre ellos, la imagen aparece invertida 180° a lo largo de la dirección del ángulo. [42]
Los objetos vistos en un espejo (plano) aparecerán invertidos lateralmente (por ejemplo, si uno levanta la mano derecha, la mano izquierda de la imagen parecerá subir en el espejo), pero no invertidos verticalmente (en la imagen la cabeza de una persona todavía aparece sobre su cuerpo). [43] Sin embargo, un espejo en realidad no "cambia" izquierda y derecha más de lo que intercambia arriba y abajo. Un espejo intercambia adelante y atrás. Para ser precisos, invierte el objeto en la dirección perpendicular a la superficie del espejo (la normal), volteando la imagen tridimensional de adentro hacia afuera (de la manera en que un guante quitado de la mano puede voltearse de adentro hacia afuera, convirtiendo un guante de la mano izquierda en un guante de la mano derecha o viceversa). Cuando una persona levanta su mano izquierda, la mano izquierda real se levanta en el espejo, pero da la ilusión de una mano derecha levantándose porque la persona imaginaria en el espejo está literalmente al revés, mano y todo. Si la persona se coloca de lado frente a un espejo, el espejo realmente invierte las manos izquierda y derecha, es decir, los objetos que están físicamente más cerca del espejo siempre aparecen más cerca en la imagen virtual y los objetos más alejados de la superficie siempre aparecen simétricamente más lejos independientemente del ángulo.
Mirar una imagen de uno mismo con el eje delantero-trasero invertido da como resultado la percepción de una imagen con su eje izquierdo-derecho invertido. Cuando se refleja en el espejo, la mano derecha de una persona permanece directamente opuesta a su mano derecha real, pero la mente la percibe como la mano izquierda en la imagen. Cuando una persona se mira en un espejo, la imagen en realidad está invertida de adelante hacia atrás (de adentro hacia afuera), lo que es un efecto similar a la ilusión de la máscara hueca . Observe que una imagen reflejada es fundamentalmente diferente del objeto (de adentro hacia afuera) y no se puede reproducir simplemente girando el objeto. Se dice que un objeto y su imagen reflejada son quirales .
En el caso de objetos que pueden considerarse bidimensionales (como el texto), la inversión de adelante hacia atrás no suele explicar la inversión observada. Una imagen es una representación bidimensional de un espacio tridimensional y, como existe en un plano bidimensional , se puede ver de adelante hacia atrás. Del mismo modo que el texto de una hoja de papel parece invertido si se sostiene frente a una luz y se mira desde atrás, el texto que se sostiene frente a un espejo aparecerá invertido, porque la imagen del texto sigue estando de espaldas al observador. Otra forma de entender las inversiones observadas en las imágenes de objetos que son efectivamente bidimensionales es que la inversión de izquierda y derecha en un espejo se debe a la forma en que los seres humanos perciben su entorno. El reflejo de una persona en un espejo parece ser una persona real que está frente a ella, pero para que esa persona realmente se mire a sí misma (es decir, gemelos), uno tendría que girarse físicamente y mirar al otro, lo que provocaría un intercambio real de derecha e izquierda. Un espejo provoca una ilusión de inversión de izquierda-derecha porque izquierda y derecha no se intercambian cuando la imagen parece haberse dado vuelta para mirar al espectador. La navegación egocéntrica del espectador (izquierda y derecha con respecto al punto de vista del observador; es decir: "mi izquierda...") se reemplaza inconscientemente con su navegación alocéntrica (izquierda y derecha en relación con el punto de vista de otro; "...tu derecha") cuando se procesa la imagen virtual de la persona aparente detrás del espejo. Del mismo modo, el texto visto en un espejo tendría que estar físicamente girado, de cara al observador y lejos de la superficie, intercambiando realmente izquierda y derecha, para poder leerse en el espejo. [42]
La reflectividad de un espejo se determina por el porcentaje de luz reflejada respecto del total de luz incidente. La reflectividad puede variar con la longitud de onda. Toda o una parte de la luz no reflejada es absorbida por el espejo, mientras que en algunos casos una parte también puede transmitirse a través de él. Aunque una pequeña parte de la luz será absorbida por el revestimiento, la reflectividad suele ser mayor en los espejos de primera superficie, lo que elimina tanto las pérdidas por reflexión como por absorción del sustrato.
La reflectividad suele estar determinada por el tipo y el grosor del revestimiento. Cuando el grosor del revestimiento es suficiente para evitar la transmisión, todas las pérdidas se producen debido a la absorción. El aluminio es más duro y más resistente al deslustre que la plata, y reflejará entre el 85 y el 90% de la luz en el rango visible y cercano al ultravioleta, pero experimenta una caída en su reflectancia entre 800 y 900 nm. El oro es muy blando y se raya con facilidad, pero no se empaña. El oro refleja más del 96% de la luz cercana y lejana infrarroja entre 800 y 12000 nm, pero refleja mal la luz visible con longitudes de onda inferiores a 600 nm (amarillo). La plata es cara, blanda y se empaña rápidamente, pero tiene la reflectividad más alta en el rango visible y cercano al infrarrojo de todos los metales. La plata puede reflejar hasta el 98 o 99% de la luz en longitudes de onda de hasta 2000 nm, pero pierde casi toda la reflectividad en longitudes de onda inferiores a 350 nm.
Los espejos dieléctricos pueden reflejar más del 99,99 % de la luz, pero solo para un rango estrecho de longitudes de onda, que van desde un ancho de banda de solo 10 nm hasta 100 nm para láseres sintonizables . Sin embargo, los recubrimientos dieléctricos también pueden mejorar la reflectividad de los recubrimientos metálicos y protegerlos de rayones o deslustre. Los materiales dieléctricos suelen ser muy duros y relativamente baratos, sin embargo, la cantidad de capas necesarias generalmente hace que sea un proceso costoso. En espejos con tolerancias bajas, el espesor del recubrimiento puede reducirse para ahorrar costos y simplemente cubrirse con pintura para absorber la transmisión. [44]
La calidad de la superficie, o precisión de la superficie, mide las desviaciones de una forma de superficie perfecta e ideal. Aumentar la calidad de la superficie reduce la distorsión, los artefactos y la aberración en las imágenes, y ayuda a aumentar la coherencia , la colimación y reducir la divergencia no deseada en los haces. En el caso de los espejos planos, esto se describe a menudo en términos de planitud , mientras que otras formas de superficie se comparan con una forma ideal. La calidad de la superficie se mide normalmente con elementos como interferómetros o planos ópticos , y normalmente se mide en longitudes de onda de luz (λ). Estas desviaciones pueden ser mucho mayores o mucho menores que la rugosidad de la superficie. Un espejo doméstico normal hecho con vidrio flotado puede tener tolerancias de planitud tan bajas como 9-14 λ por pulgada (25,4 mm), lo que equivale a una desviación de entre 5600 y 8800 nanómetros con respecto a la planitud perfecta. Los espejos pulidos y rectificados con precisión destinados a láseres o telescopios pueden tener tolerancias de hasta λ/50 (1/50 de la longitud de onda de la luz, o alrededor de 12 nm) en toda la superficie. [45] [44] La calidad de la superficie puede verse afectada por factores como los cambios de temperatura, la tensión interna en el sustrato o incluso los efectos de flexión que se producen al combinar materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica , de forma similar a una tira bimetálica . [46]
La rugosidad de la superficie describe la textura de la superficie, a menudo en términos de la profundidad de los rayones microscópicos que dejan las operaciones de pulido. La rugosidad de la superficie determina qué parte del reflejo es especular y qué parte es difusa, controlando así la claridad o la opacidad de la imagen.
Para que la reflexión especular sea perfecta, la rugosidad de la superficie debe ser menor que la longitud de onda de la luz. Las microondas, que a veces tienen una longitud de onda mayor que una pulgada (~25 mm), pueden reflejarse especularmente en una puerta metálica, en las capas de hielo continentales o en la arena del desierto, mientras que la luz visible, que tiene longitudes de onda de solo unos pocos cientos de nanómetros (unas pocas centésimas de milésimas de pulgada), debe encontrarse con una superficie muy lisa para producir una reflexión especular. Para longitudes de onda que se acercan o son incluso más cortas que el diámetro de los átomos , como los rayos X , la reflexión especular solo puede producirse en superficies que se encuentran en una incidencia rasante de los rayos.
La rugosidad de la superficie se mide normalmente en micrones , longitud de onda o tamaño de grano , siendo ~80 000–100 000 granos o ~½λ–¼λ la "calidad óptica". [47] [44] [48]
La transmisividad se determina por el porcentaje de luz transmitida por la luz incidente. La transmisividad suele ser la misma tanto en la primera como en la segunda superficie. La luz transmitida y reflejada combinadas, restadas de la luz incidente, mide la cantidad absorbida tanto por el revestimiento como por el sustrato. Para los espejos transmisivos, como los espejos unidireccionales, los divisores de haz o los acopladores de salida láser , la transmisividad del espejo es una consideración importante. La transmisividad de los revestimientos metálicos suele estar determinada por su espesor. Para los divisores de haz de precisión o los acopladores de salida, el espesor del revestimiento debe mantenerse en tolerancias muy altas para transmitir la cantidad adecuada de luz. Para los espejos dieléctricos, el espesor de la capa debe mantenerse siempre en tolerancias altas, pero a menudo es más el número de capas individuales lo que determina la transmisividad. Para el sustrato, el material utilizado también debe tener una buena transmisividad a las longitudes de onda elegidas. El vidrio es un sustrato adecuado para la mayoría de las aplicaciones de luz visible, pero se pueden utilizar otros sustratos como el seleniuro de zinc o el zafiro sintético para longitudes de onda infrarrojas o ultravioleta. [49] : págs. 104-108
Los errores de cuña son causados por la desviación de las superficies del paralelismo perfecto. Una cuña óptica es el ángulo formado entre dos superficies planas (o entre los planos principales de superficies curvas) debido a errores o limitaciones de fabricación, lo que hace que un borde del espejo sea ligeramente más grueso que el otro. Casi todos los espejos y ópticas con caras paralelas tienen un ligero grado de cuña, que generalmente se mide en segundos o minutos de arco . Para los espejos de primera superficie, las cuñas pueden introducir desviaciones de alineación en el hardware de montaje. Para los espejos de segunda superficie o transmisivos, las cuñas pueden tener un efecto prismático en la luz, desviando su trayectoria o, en un grado muy leve, su color, causando aberraciones cromáticas y otras formas de aberración . En algunos casos, una ligera cuña es deseable, como en ciertos sistemas láser donde los reflejos dispersos de la superficie sin revestimiento se dispersan mejor que los reflejados a través del medio. [44] [50]
Los defectos superficiales son imperfecciones discontinuas a pequeña escala en la suavidad de la superficie. Los defectos superficiales son más grandes (en algunos casos mucho más grandes) que la rugosidad de la superficie, pero solo afectan pequeñas porciones localizadas de toda la superficie. Estos se encuentran típicamente como rasguños, excavaciones, hoyos (a menudo de burbujas en el vidrio), pulidos (rasguños de operaciones de pulido anteriores de grano más grande que no se eliminaron completamente con granos de pulido posteriores), astillas en los bordes o imperfecciones en el revestimiento. Estos defectos son a menudo un efecto secundario inevitable de las limitaciones de fabricación, tanto en el costo como en la precisión de la máquina. Si se mantienen lo suficientemente bajos, en la mayoría de las aplicaciones estos defectos rara vez tendrán algún efecto adverso, a menos que la superficie esté ubicada en un plano de imagen donde se mostrarán directamente. Para aplicaciones que requieren una dispersión de luz extremadamente baja, una reflectancia extremadamente alta o una baja absorción debido a altos niveles de energía que podrían destruir el espejo, como láseres o interferómetros Fabry-Perot , los defectos superficiales deben mantenerse al mínimo. [51]
Los espejos generalmente se fabrican puliendo un material naturalmente reflectante, como el metal del espéculo, o aplicando un revestimiento reflectante a un sustrato pulido adecuado . [52]
En algunas aplicaciones, generalmente aquellas que son sensibles a los costos o que requieren una gran durabilidad, como para su montaje en una celda de prisión, los espejos pueden estar hechos de un solo material en masa, como un metal pulido. Sin embargo, los metales consisten en pequeños cristales (granos) separados por límites de grano que pueden impedir que la superficie alcance una suavidad óptica y una reflectividad uniforme. [17] : p.2, 8
El recubrimiento del vidrio con una capa reflectante de un metal se denomina generalmente " plateado ", aunque el metal puede no ser plata. En la actualidad, los principales procesos son la galvanoplastia , la deposición química "húmeda" y la deposición al vacío [17]. Los espejos de metal revestidos por la parte delantera alcanzan reflectividades del 90-95% cuando son nuevos.
Las aplicaciones que requieren una mayor reflectividad o una mayor durabilidad, donde el ancho de banda amplio no es esencial, utilizan recubrimientos dieléctricos , que pueden lograr reflectividades tan altas como 99,997% en un rango limitado de longitudes de onda. Debido a que a menudo son químicamente estables y no conducen electricidad, los recubrimientos dieléctricos casi siempre se aplican mediante métodos de deposición al vacío, y más comúnmente mediante deposición por evaporación. Debido a que los recubrimientos suelen ser transparentes, las pérdidas por absorción son insignificantes. A diferencia de los metales, la reflectividad de los recubrimientos dieléctricos individuales es una función de la ley de Snell conocida como las ecuaciones de Fresnel , determinada por la diferencia en el índice de refracción entre capas. Por lo tanto, el espesor y el índice de los recubrimientos se pueden ajustar para que se centren en cualquier longitud de onda. La deposición al vacío se puede lograr de varias maneras, incluida la pulverización catódica, la deposición por evaporación, la deposición por arco, la deposición de gas reactivo y el recubrimiento iónico, entre muchos otros. [17] : p.103, 107
Los espejos se pueden fabricar con una amplia gama de tolerancias de ingeniería , incluyendo reflectividad , calidad de la superficie, rugosidad de la superficie o transmisividad , dependiendo de la aplicación deseada. Estas tolerancias pueden variar desde amplias, como las que se encuentran en un espejo doméstico normal, hasta extremadamente estrechas, como las que se usan en láseres o telescopios. El ajuste de las tolerancias permite obtener imágenes o transmitir rayos mejores y más precisos a distancias más largas. En los sistemas de imágenes, esto puede ayudar a reducir las anomalías ( artefactos ), la distorsión o el desenfoque, pero a un costo mucho mayor. Cuando las distancias de visualización son relativamente cercanas o la alta precisión no es una preocupación, se pueden usar tolerancias más amplias para fabricar espejos efectivos a costos asequibles.
Los espejos se utilizan habitualmente como ayuda para el cuidado personal . [53] Pueden ser de tamaño pequeño (portátiles) o de tamaño corporal; pueden ser de mano, móviles, fijos o ajustables. Un ejemplo clásico de espejo ajustable es el espejo de cuerpo entero, que el usuario puede inclinar.
Los espejos convexos proporcionan un campo de visión más amplio que los espejos planos, [54] y se utilizan a menudo en vehículos, [55] especialmente camiones grandes, para minimizar los puntos ciegos . A veces se colocan en los cruces de carreteras y en las esquinas de los sitios como los estacionamientos para permitir que las personas vean alrededor de las esquinas para evitar chocar con otros vehículos o carritos de compras . También se utilizan a veces como parte de los sistemas de seguridad, de modo que una sola cámara de video puede mostrar más de un ángulo a la vez. [56] Los espejos convexos como decoración se utilizan en el diseño de interiores para proporcionar un efecto predominantemente experiencial. [57]
Con el sol como fuente de luz, se puede utilizar un espejo para enviar señales mediante variaciones en la orientación del mismo. La señal se puede utilizar a grandes distancias, posiblemente hasta 60 kilómetros (37 millas) en un día claro. Las tribus nativas americanas y numerosos ejércitos utilizaban esta técnica para transmitir información entre puestos de avanzada distantes.
Los espejos también se pueden utilizar para atraer la atención de los equipos de búsqueda y rescate . Existen tipos especiales de espejos que suelen incluirse en los equipos de supervivencia militares . [63]
Los espejos microscópicos son un elemento central de muchos de los televisores y proyectores de vídeo de alta definición más grandes . Una tecnología común de este tipo es el DLP de Texas Instruments . Un chip DLP es un microchip del tamaño de un sello postal cuya superficie es una matriz de millones de espejos microscópicos. La imagen se crea a medida que los espejos individuales se mueven para reflejar la luz hacia la superficie de proyección ( píxel activado) o hacia una superficie que absorbe la luz (píxel desactivado).
Otras tecnologías de proyección que involucran espejos incluyen LCoS . Al igual que un chip DLP, LCoS es un microchip de tamaño similar, pero en lugar de millones de espejos individuales, hay un solo espejo que está protegido activamente por una matriz de cristal líquido con hasta millones de píxeles . La imagen, formada como luz, se refleja hacia la superficie de proyección (píxel activado) o es absorbida por los píxeles LCD activados (píxel desactivado). Los televisores y proyectores basados en LCoS a menudo utilizan 3 chips, uno para cada color primario.
En los televisores de retroproyección se utilizan espejos de gran tamaño. La luz (por ejemplo, la de un DLP, como se ha comentado anteriormente) se "pliega" mediante uno o más espejos, de modo que el televisor es compacto.
Los discos ópticos son espejos modificados que codifican datos binarios como una serie de hoyos y superficies físicas en una capa interna entre el soporte de metal y la superficie de plástico exterior. Los datos se leen y decodifican observando las distorsiones en un rayo láser reflejado causadas por las variaciones físicas en la capa interna. Los discos ópticos suelen utilizar un soporte de aluminio como los espejos convencionales, aunque también existen algunos con soportes de plata y oro .
Los espejos son partes integrales de una planta de energía solar . El que se muestra en la imagen adyacente utiliza energía solar concentrada proveniente de una matriz de colectores parabólicos . [64]
Los telescopios y otros instrumentos de precisión utilizan espejos plateados frontales o de primera superficie , donde la superficie reflectante se coloca en la superficie frontal (o primera) del vidrio (esto elimina el reflejo de la superficie de vidrio que tienen los espejos traseros comunes). Algunos de ellos usan plata, pero la mayoría son de aluminio, que es más reflectante en longitudes de onda cortas que la plata. Todos estos recubrimientos se dañan fácilmente y requieren un manejo especial. Reflejan entre el 90% y el 95% de la luz incidente cuando son nuevos. Los recubrimientos se aplican típicamente por deposición al vacío . Por lo general, se aplica una capa protectora antes de sacar el espejo del vacío, porque de lo contrario el recubrimiento comienza a corroerse tan pronto como se expone al oxígeno y la humedad del aire. Los espejos plateados frontales deben renovarse ocasionalmente para mantener su calidad. Hay espejos ópticos como los espejos mangin que son espejos de segunda superficie (recubrimiento reflectante en la superficie trasera) como parte de sus diseños ópticos, generalmente para corregir aberraciones ópticas . [65]
La reflectividad del revestimiento del espejo se puede medir con un reflectómetro y, para un metal en particular, será diferente para diferentes longitudes de onda de luz. Esto se aprovecha en algunos trabajos ópticos para fabricar espejos fríos y espejos calientes . Un espejo frío se fabrica utilizando un sustrato transparente y eligiendo un material de revestimiento que sea más reflectante para la luz visible y más transmisor de la luz infrarroja .
Un espejo caliente es lo opuesto, el revestimiento refleja preferentemente los rayos infrarrojos. Las superficies de los espejos a veces se recubren con una fina película tanto para retardar la degradación de la superficie como para aumentar su reflectividad en las partes del espectro en las que se utilizarán. Por ejemplo, los espejos de aluminio suelen estar recubiertos con dióxido de silicio o fluoruro de magnesio. La reflectividad en función de la longitud de onda depende tanto del espesor del revestimiento como de cómo se aplica.
Para trabajos ópticos científicos , se utilizan a menudo espejos dieléctricos . Se trata de sustratos de vidrio (o, a veces, de otro material) sobre los que se depositan una o más capas de material dieléctrico para formar un revestimiento óptico. Mediante una elección cuidadosa del tipo y el grosor de las capas dieléctricas, se puede especificar el rango de longitudes de onda y la cantidad de luz reflejada por el espejo. Los mejores espejos de este tipo pueden reflejar >99,999% de la luz (en un rango estrecho de longitudes de onda) que incide sobre el espejo. Dichos espejos se utilizan a menudo en láseres .
En astronomía, la óptica adaptativa es una técnica para medir distorsiones variables de la imagen y adaptar un espejo deformable en consecuencia en una escala de tiempo de milisegundos, para compensar las distorsiones.
Aunque la mayoría de los espejos están diseñados para reflejar la luz visible, las superficies que reflejan otras formas de radiación electromagnética también se denominan "espejos". Los espejos para otros rangos de ondas electromagnéticas se utilizan en óptica y astronomía . Los espejos para ondas de radio (a veces conocidos como reflectores) son elementos importantes de los radiotelescopios .
Los periscopios simples utilizan espejos.
Dos o más espejos alineados exactamente en paralelo y uno frente al otro pueden generar una regresión infinita de reflejos, llamada efecto de espejo infinito . Algunos dispositivos lo utilizan para generar múltiples reflejos:
La tradición dice que Arquímedes utilizó una gran cantidad de espejos para quemar los barcos romanos durante un ataque a Siracusa. Esto nunca ha sido probado ni refutado. En el programa de televisión MythBusters , un equipo del MIT intentó recrear el famoso "Rayo de la Muerte de Arquímedes". No tuvieron éxito en iniciar un incendio en un barco. [69] Los intentos anteriores de prender fuego a un barco utilizando solo los espejos de bronce disponibles en la época de Arquímedes no tuvieron éxito, y el tiempo que tomó encender la nave habría hecho que su uso fuera poco práctico, lo que resultó en que el equipo de MythBusters considerara que el mito estaba "destruido". Sin embargo, se descubrió que los espejos dificultaban mucho la visión de los pasajeros del barco objetivo; tal escenario podría haber impedido a los atacantes y haber proporcionado el origen de la leyenda. (Véase torre de energía solar para un uso práctico de esta técnica.)
Los periscopios se utilizaron con gran efecto en la guerra, especialmente durante las guerras mundiales, donde se usaban para mirar por encima del parapeto de las trincheras para garantizar que el soldado que usaba el periscopio pudiera ver con seguridad sin el riesgo de recibir fuego directo de otras armas pequeñas.
Debido a su ubicación en un valle de laderas escarpadas, la ciudad italiana de Viganella no recibe luz solar directa durante siete semanas cada invierno. En 2006 se instaló un espejo controlado por computadora de 100.000 €, de 8 × 5 m, para reflejar la luz solar en la plaza de la ciudad. A principios de 2007, el pueblo de Bondo, Suiza , situado en una situación similar , también estaba considerando aplicar esta solución. [70] [71] En 2013, se instalaron espejos para reflejar la luz solar en la plaza de la ciudad en la ciudad noruega de Rjukan . [72] Los espejos se pueden utilizar para producir efectos de iluminación mejorados en invernaderos o conservatorios.
Los espejos son un tema de diseño popular en la arquitectura, en particular en los edificios de gran altura de estilo moderno tardío y posmodernista en las grandes ciudades. Algunos ejemplos tempranos son el Centro Campbell en Dallas , inaugurado en 1972, [73] y la Torre John Hancock (finalizada en 1976) en Boston.
Más recientemente, dos rascacielos diseñados por el arquitecto Rafael Viñoly , el Vdara en Las Vegas y el 20 Fenchurch Street en Londres, han experimentado problemas inusuales debido a que sus exteriores de vidrio curvo cóncavo actúan como reflectores cilíndricos y esféricos respectivamente para la luz solar. En 2010, el Las Vegas Review Journal informó que la luz solar reflejada en la torre orientada al sur del Vdara podría chamuscar a los nadadores en la piscina del hotel, así como derretir vasos de plástico y bolsas de compras; los empleados del hotel se refirieron al fenómeno como el "rayo de la muerte del Vdara", [74] también conocido como el " rascador de freír ". En 2013, la luz solar reflejada en el 20 de Fenchurch Street derritió partes de un automóvil Jaguar estacionado cerca y quemó o encendió la alfombra de una barbería cercana. [75] Este edificio había sido apodado el "walkie-talkie" porque su forma supuestamente era similar a un cierto modelo de radio bidireccional; Pero después de que se hizo conocida su tendencia a sobrecalentar los objetos circundantes, el apodo cambió a "walkie-scorchie".
Los pintores que representan a una persona mirándose en un espejo a menudo también muestran el reflejo de la persona. Se trata de una especie de abstracción: en la mayoría de los casos, el ángulo de visión es tal que el reflejo de la persona no debería ser visible. De manera similar, en las películas y en la fotografía fija, a menudo se muestra a un actor o actriz aparentemente mirándose en un espejo, pero el reflejo está de frente a la cámara. En realidad, el actor o la actriz en este caso solo ve la cámara y a su operador, no su propio reflejo. En la psicología de la percepción, esto se conoce como el efecto Venus .
El espejo es el recurso central en algunas de las más grandes pinturas europeas:
Los artistas han utilizado espejos para crear obras y perfeccionar su oficio:
A veces los espejos son necesarios para apreciar plenamente las obras de arte:
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El artista anamórfico contemporáneo Jonty Hurwitz utiliza espejos cilíndricos para proyectar esculturas distorsionadas. [79]
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Algunos otros artistas contemporáneos utilizan espejos como material de arte :
In the Middle Ages mirrors existed in various shapes for multiple uses. Mostly they were used as an accessory for personal hygiene but also as tokens of courtly love, made from ivory in the ivory-carving centers in Paris, Cologne and the Southern Netherlands.[81] They also had their uses in religious contexts as they were integrated in a special form of pilgrims badges or pewter/lead mirror boxes[82] From the late 14th century. Burgundian ducal inventories show us that the dukes owned a mass of mirrors or objects with mirrors, not only with religious iconography or inscriptions, but combined with reliquaries, religious paintings or other objects that were distinctively used for personal piety.[83] Considering mirrors in paintings and book illumination as depicted artifacts and trying to draw conclusions about their functions from their depicted setting, one of these functions is to be an aid in personal prayer to achieve self-knowledge and knowledge of God, in accord with contemporary theological sources. For example, the famous Arnolfini-Wedding by Jan van Eyck shows a constellation of objects that can be recognized as one which would allow a praying man to use them for his personal piety: the mirror surrounded by scenes of the Passion to reflect on it and on oneself, a rosary as a device in this process, the veiled and cushioned bench to use as a prie-dieu, and the abandoned shoes that point in the direction in which the praying man kneeled.[83] The metaphorical meaning of depicted mirrors is complex and many-layered, e.g. as an attribute of Mary, the "speculum sine macula" (mirror without blemish), or as attributes of scholarly and theological wisdom and knowledge as they appear in book illuminations of different evangelists and authors of theological treatises. Depicted mirrors – orientated on the physical properties of a real mirror – can be seen as metaphors of knowledge and reflection and are thus able to remind beholders to reflect and get to know themselves. The mirror may function simultaneously as a symbol and as a device of a moral appeal. That is also the case if it is shown in combination with virtues and vices, a combination which also occurs more frequently in the 15th century: the moralizing layers of mirror metaphors remind the beholder to examine himself thoroughly according to his own virtuous or vicious life. This is all the more true if the mirror is combined with iconography of death. Not only is Death as a corpse or skeleton holding the mirror for the still-living personnel of paintings, illuminations and prints, but the skull appears on the convex surfaces of depicted mirrors, showing the painted and real beholder his future face.[83]
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Mirrors are frequently used in interior decoration and as ornaments:
Mirrors appear in many movies and TV shows:
Mirrors feature in literature:
Only a few animal species have been shown to have the ability to recognize themselves in a mirror, most of them mammals. Experiments have found that the following animals can pass the mirror test:
Most survival experts consider the signal mirror to be one of the best signal devices available.
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