Óptica
Definición
La óptica es la rama de la física que implica el comportamiento y las propiedades de la luz, incluidas sus interacciones con la materia y la construcción de instrumentos que la usan o detectan. La óptica generalmente describe el comportamiento de la luz visible, ultravioleta e infrarroja. Como la luz es una onda electromagnética, otras formas de radiación electromagnética, como los rayos X, las microondas y las ondas de radio, exhiben propiedades similares.
La mayoría de los fenómenos ópticos pueden explicarse utilizando la descripción electromagnética clásica de la luz. Las descripciones electromagnéticas completas de la luz son, sin embargo, a menudo difíciles de aplicar en la práctica. La óptica práctica generalmente se hace usando modelos simplificados. La más común de estas, la óptica geométrica, trata la luz como una colección de rayos que se desplazan en línea recta y se curvan cuando atraviesan o se reflejan en las superficies. La óptica física es un modelo de luz más completo, que incluye efectos de onda como la difracción y la interferencia que no pueden tenerse en cuenta en la óptica geométrica. Históricamente, el modelo de luz basado en rayos se desarrolló primero, seguido por el modelo de ondas de luz. El progreso en la teoría electromagnética en el siglo XIX llevó al descubrimiento de que las ondas de luz eran en realidad radiación electromagnética.
Algunos fenómenos dependen del hecho de que la luz tiene propiedades parecidas a ondas y similares a partículas. La explicación de estos efectos requiere mecánica cuántica. Al considerar las propiedades similares a partículas de la luz, la luz se modela como una colección 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 estudiada en muchas disciplinas relacionadas, incluida la astronomía, diversos campos de ingeniería, fotografía y medicina (particularmente oftalmología y optometría). Las aplicaciones prácticas de la óptica se encuentran en una variedad de tecnologías y objetos cotidianos, incluidos espejos, lentes, telescopios, microscopios, láser y fibra óptica.
Historia
La óptica comenzó con el desarrollo de lentes por los antiguos egipcios y mesopotámicos. Las primeras lentes conocidas, hechas de cristal pulido, a menudo de cuarzo, datan ya en el 700 aC para las lentes asirias, como la lente Layard / Nimrud. Los antiguos romanos y griegos llenaban esferas de cristal con agua para hacer lentes. Estos desarrollos prácticos fueron seguidos por el desarrollo de las teorías de la luz y la visión por parte de los antiguos filósofos griegos e indios, y por 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".
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". El enfoque de la intro-misión vio la visión como proveniente de objetos que emitían copias de sí mismos (llamadas eidola) que eran capturados por el ojo. Con muchos propagadores, como Demócrito, Epicuro, Aristóteles y sus seguidores, esta teoría parece tener cierto contacto con las teorías modernas sobre lo que realmente es la visión, pero siguió siendo solo una especulación que carecía de fundamento experimental.
Platón articuló primero 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 paridad de los espejos en Timeo . Unos cien años más tarde, Euclid escribió un tratado titulado Óptica en el que vinculaba la visión con la geometría, creando una óptica geométrica . Basó su trabajo en la teoría de emisión de Platón en la que describió las reglas matemáticas de la perspectiva y describió los efectos de la refracción cualitativamente, aunque cuestionó que un rayo de luz del ojo pudiera encender instantáneamente las estrellas cada vez que alguien parpadeaba. Ptolemeo, en su tratado Óptica, sostuvo una teoría de visión de extradición e intromisión: los rayos (o flujo) del ojo formaron 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 forma de medir el ángulo de refracción, aunque no se dio cuenta de la relación empírica entre este y el ángulo de incidencia.
Durante la Edad Media, las ideas griegas sobre la óptica fueron resucitadas y extendidas por escritores en el mundo musulmán. Uno de los primeros fue Al-Kindi (c 801-73), que 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. En 984, el matemático persa Ibn Sahl escribió el tratado "Sobre espejos ardientes y lentes", describiendo correctamente una ley de refracción equivalente a la ley de Snell. 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 exploró la reflexión y la refracción y propuso un nuevo sistema para explicar la visión y la luz basado en la observación y el experimento. Rechazó la "teoría de emisión" de la óptica ptolemaica con sus rayos emitidos por el ojo, y planteó la idea de que la luz se reflejaba en todas las direcciones en líneas rectas desde todos los puntos de los objetos que se veían y luego entraba en el ojo, aunque fue incapaz de explicar correctamente cómo el ojo capturó los rayos. El trabajo de Alhazen fue ignorado en gran medida en el mundo árabe, pero fue traducido anónimamente al latín alrededor del año 1200 DC y luego resumido y expandido por el monje polaco Witelo convirtiéndolo en un texto estándar sobre óptica en Europa durante los próximos 400 años.
En el siglo XIII en la Europa medieval, 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, basándose en las obras de Aristóteles y el platonismo. El discípulo más famoso de Grosseteste, Roger Bacon, escribió obras que citan una amplia gama de obras ópticas y filosóficas recientemente traducidas, incluidas las de Alhazen, Aristóteles, Avicena, Averroes, Euclides, al-Kindi, Ptolomeo, Tideus y Constantino el africano. Bacon pudo usar partes de esferas de vidrio como lupas para demostrar que la luz se refleja en los objetos en lugar de liberarse de ellos.
Los primeros anteojos portátiles se inventaron en Italia alrededor de 1286. Este fue el comienzo de la industria óptica de lentes de pulido y molido para estos "espectáculos", primero en Venecia y Florencia en el siglo XIII, y más tarde en los centros de fabricación de gafas tanto en el Países Bajos y Alemania. Los fabricantes de gafas crearon tipos de lentes mejorados para la corrección de la visión basados 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 mayoría ni siquiera podría ser adecuada). explicar cómo funcionaban las gafas). Este desarrollo práctico, maestría y experimentación con lentes condujo directamente a la invención del microscopio óptico compuesto alrededor de 1595, y al telescopio refractor en 1608,
A principios del siglo XVII, Johannes Kepler amplió la óptica geométrica en sus escritos, cubriendo las lentes, la reflexión mediante espejos planos y curvados, 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 eclipses lunares y solares y paralaje astronómico. También fue capaz de deducir correctamente el papel de la retina como el órgano real que grabó las imágenes, finalmente fue capaz de cuantificar científicamente los efectos de los diferentes tipos de lentes que los fabricantes de gafas habían estado observando en los últimos 300 años. Después de la invención del telescopio, Kepler estableció las bases teóricas sobre cómo funcionaban y describió una versión mejorada, conocida como el telescopio Keplerian., usando dos lentes convexos para producir una mayor ampliación.
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, al suponer que la luz era emitida por los objetos que la producían. Esto difería sustancialmente de la antigua teoría de emisión griega. A finales de la década de 1660 y principios de la de 1670, Isaac Newton amplió las ideas de Descartes a una teoría corpuscular de la luz, estableciendo que la luz blanca era una mezcla de colores que se puede separar en sus partes componentes con un prisma. En 1690, Christiaan Huygens propuso una teoría ondulatoria para la luz basada en sugerencias que Robert Hooke había hecho en 1664. Hooke mismo criticó públicamente las teorías de la luz de Newton y la disputa entre ambos duró hasta la muerte de Hooke. En 1704, 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.
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 establecía firmemente la naturaleza ondulatoria de la luz. El famoso experimento de doble rendija de Young demostró que la luz seguía la ley de la superposición, que es una propiedad ondulatoria no prevista por la teoría del corpúsculo de Newton. Este trabajo condujo a una teoría de la difracción de la luz y abrió un área completa de estudio en óptica física. La óptica de ondas se unificó con éxito con la teoría electromagnética por James Clerk Maxwell en la década de 1860.
El siguiente desarrollo en la teoría óptica llegó en 1899 cuando Max Planck modeló correctamente la radiación del cuerpo negro al asumir que el intercambio de energía entre la luz y la materia solo ocurría en cantidades discretas que él llamaba quanta.. En 1905 Albert Einstein publicó la teoría del efecto fotoeléctrico que estableció firmemente la cuantificación de la luz misma. En 1913, Niels Bohr demostró que los átomos solo podían emitir cantidades discretas de energía, lo que explica las líneas discretas observadas en los espectros de emisión y absorción. La comprensión de la interacción entre la luz y la materia que siguió a estos desarrollos no solo formaron la base de la óptica cuántica, sino que también fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. La última culminación, la teoría de la electrodinámica cuántica, explica todas las ópticas y los procesos electromagnéticos en general como resultado del intercambio de fotones reales y virtuales.
La óptica cuántica ganó importancia práctica con los inventos del maser en 1953 y del láser en 1960. Siguiendo el trabajo de Paul Dirac en la teoría del campo cuántico, George Sudarshan, Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en los años 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y las estadísticas de la luz.
Óptica clásica
La óptica clásica se divide en dos ramas principales: óptica geométrica (o de rayos) y óptica física (u ondulada). En óptica geométrica, se considera que la luz viaja en línea recta, mientras que en óptica física, la luz se considera como una onda electromagnética.
La óptica geométrica se puede ver 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 en el sistema que se está modelando.
Óptica geométrica
La óptica geométrica , o óptica de rayos , describe la propagación de la luz en términos de "rayos" que viajan en líneas rectas, y cuyos caminos se rigen por las leyes de reflexión y refracción en las interfaces entre diferentes medios. Estas leyes fueron descubiertas empíricamente desde 984 AD y se han utilizado en el diseño de componentes e instrumentos ópticos desde entonces hasta el presente. Se pueden resumir de la siguiente manera:
Cuando un rayo de luz alcanza el límite entre dos materiales transparentes, se divide en un rayo reflejado y un rayo refractado.
- La ley de la reflexión dice que el rayo reflejado se encuentra en el plano de incidencia, y el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia.
- La ley de la refracción dice que el rayo refractado se encuentra en el plano de incidencia, y el seno del ángulo de refracción dividido por el seno del ángulo de incidencia es una constante:
-
- ,
donde n es una constante para dos materiales 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 pueden derivarse del principio de Fermat, que establece que el camino recorrido entre dos puntos por un rayo de luz es el camino que se puede atravesar en el menor tiempo posible.
Aproximaciones
La óptica geométrica a menudo se simplifica haciendo la aproximación paraxial, o "aproximación de ángulo pequeño". El comportamiento matemático se vuelve lineal, permitiendo que los componentes ópticos y los sistemas se describan mediante matrices simples. Esto lleva a las técnicas de la óptica gaussiana y el trazado de rayos paraxiales , que se utilizan para encontrar las propiedades básicas de los sistemas ópticos, como la imagen aproximada y la posición de los objetos y los aumentos.
Reflexiones
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 manera simple 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 roca. Los reflejos de estas superficies solo se pueden describir estadísticamente, con la distribución exacta de la luz reflejada dependiendo de la estructura microscópica del material. Muchos reflectores difusos se describen o se pueden aproximar por la ley del coseno de Lambert, que describe superficies que tienen la misma luminancia cuando se ven desde cualquier ángulo. Las superficies brillantes pueden dar una reflexión tanto especular como difusa.
En la reflexión especular, la dirección del rayo reflejado está determinada por el ángulo que hace el rayo incidente con la superficie normal, una línea perpendicular a la superficie en el punto donde golpea el rayo. Los rayos incidentes y reflejados y la normal se encuentran en un solo plano, y el ángulo entre el rayo reflejado y la superficie normal es el mismo que entre el rayo incidente y la normal. Esto se conoce como la Ley de 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 de espejo están invertidas en paridad, lo que percibimos como una inversión de izquierda a derecha. Las imágenes formadas a partir de la reflexión en dos (o cualquier cantidad par de) espejos no son paridad invertida. Los reflectores de esquina retrorreflejan la luz, produciendo rayos reflejados que viajan en la dirección de donde provienen los rayos incidentes.
Los espejos con superficies curvas se pueden modelar mediante trazado de rayos y usando la ley de reflexión en cada punto de la superficie. Para los espejos con superficies parabólicas, los rayos paralelos incidentes en 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 causa que el foco se corra en el espacio. En particular, los espejos esféricos exhiben aberración esférica. Los espejos curvados pueden formar imágenes con una ampliación mayor o menor que uno, y la ampliación puede ser negativa, lo que indica que la imagen está invertida. Una imagen vertical formada por reflejo en un espejo siempre es virtual, mientras que una imagen invertida es real y se puede proyectar en una pantalla.
Refracciones
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 hay 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 la normal (a la interfaz) y las ondas incidentes y refractadas, respectivamente.
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 deflexión de los rayos de luz a medida que 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 da como resultado 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.
Algunos medios tienen un índice de refracción que varía gradualmente con la posición y, por lo tanto, los rayos de luz en el medio son curvos. Este efecto es responsable de los espejismos observados en los días calurosos: un cambio en el índice de refracción del aire con 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 índice de refracción variable se denominan materiales de índice de gradiente (GRIN). Dichos materiales se usan para hacer ópticas de gradiente de índice.
Para los rayos de luz que viajan de 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 cuándo es grande. En este caso, no ocurre 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 por una fibra óptica, se somete a una reflexión interna total que permite que prácticamente no se pierda luz a lo largo del cable.
Lentes
Un dispositivo que produce rayos de luz convergentes o divergentes debido a la refracción se conoce como lente . 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 la lente.
El trazado de rayos se puede usar para mostrar cómo se forman las imágenes con una lente. Para una lente delgada en el aire, la ubicación de la imagen viene dada por la ecuación simple
- ,
¿Dónde está la distancia desde el objeto a la lente, es la distancia desde la lente a la imagen, y es la distancia focal de la lente. En la convención de signos utilizada aquí, las distancias del objeto y la imagen son positivas si el objeto y la imagen están en lados opuestos de la lente.
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 el punto focal posterior de la lente. Los rayos de un objeto a distancia finita se enfocan más lejos de la lente que la distancia focal; cuanto más cerca esté el objeto de la lente, más lejos estará la imagen de la lente.
Con lentes divergentes, los rayos paralelos entrantes divergen después de atravesar la lente, de tal manera que parecen haberse originado en un punto una distancia focal enfrente de la lente. Este es el punto focal frontal de la lente. Los rayos de un objeto a una distancia finita se asocian con una imagen virtual que está más cerca de la lente que el 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 con los espejos, las imágenes verticales producidas por una sola lente son virtuales, mientras que las imágenes invertidas son reales.
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 único punto en 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.
Óptica física
En óptica física, se considera que la luz se propaga como una onda. Este modelo predice fenómenos tales como la interferencia y la difracción, que no son explicados por la óptica geométrica. La velocidad de las ondas de luz en el aire es de aproximadamente 3,0 × 10 m / s (exactamente 299,792,458 m / s en vacío). La longitud de onda de las ondas de luz visibles varía entre 400 y 700 nm, pero el término "luz" también se aplica a menudo a radiación infrarroja (0.7-300 μm) y ultravioleta (10-400 nm).
El modelo de onda se puede usar para hacer predicciones sobre cómo se comportará un sistema óptico sin requerir una explicación de qué se está "agitando" 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 leve. La existencia de ondas electromagnéticas fue predicha en 1865 por las ecuaciones de Maxwell. Estas ondas se propagan a la velocidad de la luz y tienen diferentes campos eléctricos y magnéticos que son ortogonales entre sí, y también a la dirección de propagación de las olas. Actualmente, las ondas de luz se tratan generalmente como ondas electromagnéticas, excepto cuando se deben tener en cuenta los efectos mecánicos cuánticos.
Modelado y diseño de sistemas ópticos utilizando óptica física
Muchas aproximaciones simplificadas están disponibles para analizar y diseñar sistemas ópticos. La mayoría de estos usan una sola cantidad escalar para representar el campo eléctrico de la onda de luz, en lugar de usar un modelo vectorial con vectores magnéticos y eléctricos ortogonales. La ecuación de Huygens-Fresnel es uno de esos modelos. Esto fue derivado empíricamente por Fresnel en 1815, basado en la hipótesis de Huygens de que cada punto en un frente de onda genera un frente de onda esférico secundario, que Fresnel combinaba con el principio de superposición de ondas. La ecuación de difracción de Kirchhoff, que se deriva utilizando las ecuaciones de Maxwell, coloca la ecuación de Huygens-Fresnel sobre una base física más firme. Los ejemplos de la aplicación del principio de Huygens-Fresnel se pueden encontrar en las secciones sobre difracción y difracción de Fraunhofer.
Se requieren modelos más rigurosos, que impliquen el modelado de campos eléctricos y magnéticos de la onda de luz, cuando se trata de la interacción detallada de la luz con materiales en los que la interacción depende de sus propiedades eléctricas y magnéticas. Por ejemplo, el comportamiento de una onda de luz interactuando con una superficie de metal es bastante diferente de lo que sucede cuando interactúa con un material dieléctrico. Un modelo de vector también se debe usar para modelar luz polarizada.
Las técnicas de modelado numérico, como el método de elementos finitos, el método del elemento límite y el método de la matriz de línea de transmisión, se pueden usar para modelar la propagación de la luz en sistemas que no se pueden resolver analíticamente. Tales modelos son computacionalmente exigentes y normalmente solo se utilizan para resolver problemas a pequeña escala que requieren una precisión superior a la que se puede lograr con soluciones analíticas.
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 simple de óptica física paraxial para la propagación de radiación coherente, como los rayos láser. Esta técnica explica parcialmente la difracción, permitiendo 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 la brecha entre la óptica geométrica y física.
Superposición e interferencia
En ausencia de efectos no lineales, el principio de superposición se puede usar para predecir la forma de las ondas que interactúan mediante la simple suma de las perturbaciones. Esta interacción de ondas para producir un patrón resultante generalmente se denomina "interferencia" y puede dar lugar a una variedad de resultados. Si dos ondas de la misma longitud de onda y frecuencia están en fase, tanto las crestas de las olas como los canales de las olas se alinean. Esto resulta en interferencia constructiva y un aumento en la amplitud de la onda, que para la luz se asocia con un brillo de la forma de onda en esa ubicación. Alternativamente, si las dos ondas de la misma longitud de onda y frecuencia están desfasadas, las crestas de onda se alinearán con los canales de onda y viceversa. Esto da como resultado una interferencia destructiva y una disminución en la amplitud de la onda, que para la luz se asocia con un oscurecimiento de la forma de onda en esa ubicación. Vea a continuación una ilustración de este efecto.
forma de onda combinada |  | |
| onda 1 | ||
| onda 2 | ||
| Dos olas en fase | Dos ondas 180 ° fuera de fase | |
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 se interfiera de manera constructiva o destructiva en diferentes lugares produciendo franjas brillantes y oscuras en patrones regulares y predecibles. La interferometría es la ciencia de la medición de estos patrones, por lo general como un medio para hacer determinaciones precisas de distancias o resoluciones angulares. El interferómetro de Michelson era un famoso instrumento que utilizaba efectos de interferencia para medir con precisión la velocidad de la luz.
La aparición de películas delgadas y recubrimientos se ve directamente afectada por los efectos de interferencia. Los revestimientos antirreflectantes usan interferencia destructiva para reducir la reflectividad de las superficies que recubren, y se pueden usar para minimizar el deslumbramiento y los reflejos no deseados. El caso más simple es una sola capa con un grosor 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 exactamente desfasadas 180 °, lo que causa interferencia destructiva. Las ondas solo están exactamente desfasadas para una longitud de onda, que típicamente se elegiría para estar cerca del centro del espectro visible, alrededor de 550 nm. Los diseños más complejos que utilizan capas múltiples 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 un rango de longitudes de onda, que puede ser estrecha o amplia dependiendo del diseño del recubrimiento. Estas películas se utilizan para hacer espejos dieléctricos, filtros de interferencia, reflectores de calor y filtros para la separación del color en cámaras de televisión en color. Este efecto de interferencia también es lo que causa los coloridos patrones de arcoiris que se ven en las mareas negras.
Difracción y resolución óptica
La difracción es el proceso por el cual la interferencia de luz se observa más comúnmente. El efecto fue descrito por primera vez en 1665 por Francesco Maria Grimaldi, quien también acuñó el término del latín diffringere , "para romper en pedazos". Más tarde en ese siglo, Robert Hooke e Isaac Newton también describieron los fenómenos que ahora se conocen como difracción en los anillos de Newton, mientras que James Gregory registró sus observaciones de los patrones de difracción de las plumas de las aves.
El primer modelo de óptica física de difracción 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 ranuras estrechamente espaciadas. Young demostró que sus resultados solo podían explicarse si las dos ranuras actuaban como dos fuentes únicas de ondas en lugar de corpúsculos. En 1815 y 1818, Augustin-Jean Fresnel estableció firmemente las matemáticas de cómo la interferencia de onda puede explicar la difracción.
Los modelos físicos más simples de difracción usan 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 está la separación entre dos fuentes de frente de onda (en el caso de los experimentos de Young, fueron dos ranuras), es la separación angular entre el borde central y el margen del orden th, donde está el máximo central .
Esta ecuación se modifica ligeramente para tener en cuenta una variedad de situaciones tales como la difracción a través de un espacio único, la difracción a través de múltiples rendijas o la difracción a través de una red de difracción que contiene un gran número de rendijas a igual espacio. Los modelos de difracción más complicados requieren trabajar con las matemáticas de la difracción Fresnel o Fraunhofer.
La difracción de rayos X hace uso del hecho de que los átomos en un cristal tienen un espaciado regular a distancias que están en el orden de un angstrom. Para ver los patrones de difracción, los rayos X con longitudes de onda similares a ese espaciado se pasan 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 de acuerdo con la reflexión de Bragg, con los puntos brillantes asociados que ocurren en patrones únicos y que son el doble del espacio entre los átomos.
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 abertura experimentará difracción y las mejores imágenes que se pueden crear (como se describe en óptica de difracción limitada) aparecen como una mancha central con anillos brillantes circundantes, separados por nulos oscuros; este patrón se conoce como un patrón Airy, y el lóbulo brillante central como un disco Airy. 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 del objetivo. Si la separación angular de los dos puntos es significativamente menor que el radio angular del disco Airy, entonces los dos puntos no se pueden resolver en la imagen, pero si su separación angular es mucho mayor que esta, se forman imágenes distintas de los dos puntos y se por lo tanto, se puede resolver. Rayleigh definió el "criterio Rayleigh" algo arbitrario de que dos puntos cuya separación angular es igual al radio del disco Airy (medido al primer nulo, es decir, al primer lugar donde no se ve luz) pueden considerarse resueltos. Se puede ver que cuanto mayor es el diámetro de la lente o su apertura, más fina es la resolución. La interferometría, con su capacidad para imitar aperturas de línea base extremadamente grandes, permite la mayor resolución angular posible.
Para las imágenes astronómicas, la atmósfera impide que se logre una resolución óptima en el espectro visible debido a la dispersión y dispersión atmosférica que hace que las estrellas centelleen. Los astrónomos se refieren a este efecto como la calidad de la visión astronómica. Las técnicas conocidas como óptica adaptativa se han utilizado para eliminar la alteración atmosférica de las imágenes y lograr resultados que se acercan al límite de difracción.
Dispersión y dispersión
Los procesos de refracción tienen lugar en el límite de la óptica física, donde la longitud de onda de la luz es similar a otras distancias, como un tipo de dispersión. El tipo más simple de dispersión es la dispersión Thomson que ocurre cuando las ondas electromagnéticas son desviadas por partículas individuales. En el límite de la dispersión Thomson, en la que la naturaleza ondulatoria de la luz es evidente, la luz se dispersa independientemente de la frecuencia, en contraste con la dispersión Compton que depende de la frecuencia y es estrictamente un proceso mecánico cuántico que involucra 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 el proceso similar para dispersar partículas similares o mayores en longitud de onda se conoce como dispersión Mie con el efecto Tyndall siendo comúnmente observado resultado. Una pequeña proporción de la luz que se dispersa desde átomos o moléculas puede experimentar dispersión Raman, en donde la frecuencia cambia debido a la excitación de los átomos y las moléculas. La dispersión de Brillouin ocurre cuando la frecuencia de la luz cambia debido a los cambios locales con el tiempo y los movimientos de un material denso.
La dispersión se produce cuando diferentes frecuencias de luz tienen diferentes velocidades de fase, ya sea debido a las propiedades del material ( dispersión del material ) o a la geometría de una guía de onda óptica ( dispersión de guía de onda ). La forma más familiar de dispersión es una disminución en el índice de refracción con el aumento de 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 la luz. En los rangos de longitud de onda donde un medio tiene una absorción significativa, el índice de refracción puede aumentar con la longitud de onda. Esto se llama "dispersión anómala".
La separación de colores por 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 a la normal se refracta en un ángulo arcsin (sin (θ) / n ). Por lo tanto, la luz azul, con su índice de refracción más alto, se dobla con más fuerza que la luz roja, lo que da como resultado el conocido patrón del arco iris.
La dispersión de 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 onda depende de la constante de propagación. Ambos tipos de dispersión provocan cambios en las características del 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 dispersión de la "envolvente" de señal de la radiación y se puede cuantificar con un parámetro de retardo de dispersión de grupo:
donde esta la velocidad del grupo Para un medio uniforme, la velocidad del grupo es
donde n es el índice de refracción yc es la velocidad de la luz en el vacío. 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 una dispersión negativa . Si un pulso de luz se propaga a través de un medio normalmente dispersivo, el resultado es que los componentes de frecuencia más alta ralentizan más que los componentes de frecuencia más baja. El pulso, por lo tanto, se transmite de forma positiva o se escucha un chirrido, aumentando en frecuencia con el tiempo. Esto hace que el espectro que sale de un prisma aparezca con luz roja la menos refractada y la luz azul / violeta más refractada. Por el contrario, si un pulso se desplaza a través de un medio dispersivo anómalo (negativo), los componentes de alta frecuencia viajan más rápido que los inferiores, y el pulso se transmite de forma negativa , o desciende , disminuyendo en frecuencia con el tiempo.
El resultado de la dispersión de la velocidad del grupo, ya sea negativa o positiva, es la dispersión temporal del pulso. Esto hace que el manejo 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 extenderá en el tiempo y se fusionará, haciendo imposible extraer la señal.
Polarización
La polarización es una propiedad general de las ondas que describe la orientación de sus oscilaciones. Para las ondas transversales, como muchas ondas electromagnéticas, describe la orientación de las oscilaciones en el plano perpendicular a la dirección de desplazamiento de la onda. Las oscilaciones pueden estar orientadas en una sola dirección (polarización lineal), o la dirección de oscilación puede rotar a medida que la onda se desplaza (polarización circular o elíptica). Las ondas polarizadas circularmente pueden girar hacia la derecha o hacia la izquierda en la dirección de desplazamiento, y cuál de esas dos rotaciones está presente en una onda se denomina quiralidad de la onda.
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 de campo eléctrico de una onda plana puede dividirse arbitrariamente en dos componentes perpendiculares etiquetados x y y (con z que indican la dirección de desplazamiento). La forma trazada en el plano xy por el vector de campo eléctrico es una figura de Lissajous que describe el estado de polarización . Las siguientes figuras muestran algunos ejemplos de la evolución del vector de campo eléctrico (azul), con el tiempo (los ejes verticales), en un punto particular en el espacio, junto con su x y y componentes (rojo / izquierda y verde / derecha), y la ruta trazada por el vector en el plano (violeta): la misma evolución ocurriría al mirar el campo eléctrico en un momento particular mientras se desarrolla el punto en el espacio, a lo largo de la dirección opuesto a la propagación.
En la figura del extremo izquierdo anterior, los componentes xey de la onda de luz están en fase. En este caso, la relación de sus resistencias es constante, por lo que la dirección del vector eléctrico (la suma del vector de estos dos componentes) es constante. Como 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.
En la figura del medio, las dos componentes ortogonales tienen las mismas amplitudes y están 90 ° desfasadas. En este caso, un componente es cero cuando el otro componente está en amplitud máxima o mínima. Hay dos posibles relaciones de fase que satisfacen este requisito: el componente x puede estar 90 ° por delante del componente y o puede estar 90 ° por detrás del componente y . En este caso especial, el vector eléctrico traza un círculo en el plano, por lo que esta polarización se denomina polarización circular. El sentido de rotación en el círculo depende de cual de las dos relaciones de fase existe y corresponde a la mano derecha de polarización circular y de la izquierda de polarización circular .
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 denomina 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 polarización se hacen usando el cálculo de Jones y se caracterizan por los parámetros de Stokes.
Cambio de polarización
Los medios que tienen diferentes índices de refracción para diferentes modos de polarización se denominan birrefringentes. Manifestaciones bien conocidas de este efecto aparecen en placas / retardadores de ondas ópticas (modos lineales) y en rotación / rotación óptica de Faraday (modos circulares). 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 offset, ortogonalmente polarizadas de lo que sea que se vea a través de ellas. Fue este efecto el que proporcionó el primer descubrimiento de la polarización, por Erasmus Bartholinus en 1669. Además, el cambio de fase, y por lo tanto el cambio en el estado de polarización, suele ser dependiente de la frecuencia, lo que, en combinación con el dicroísmo, a menudo da lugar a colores y efectos tipo arcoiris. En mineralogía, tales propiedades, conocido como pleocroismo, se explota con frecuencia con el fin de identificar minerales utilizando microscopios de polarización. Además, muchos plásticos que normalmente no son birrefringentes llegarán a serlo cuando estén sujetos a estrés mecánico, un fenómeno que es la base de la fotoelasticidad. Los métodos no birrefringentes, para rotar la polarización lineal de haces de luz, incluyen el uso de rotadores de polarización prismáticos que usan reflexión interna total en un conjunto de prismas diseñado para una transmisión colineal eficiente.
Los medios que reducen la amplitud de ciertos modos de polarización se llaman dicroicos , con dispositivos que bloquean casi toda la radiación en un modo conocido como filtros de polarización 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 atraviesa viene dada por
dónde
- I 0 es la intensidad inicial,
- y θ i es el ángulo entre la dirección de polarización inicial de la luz y el eje del polarizador.
Se puede pensar 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 la práctica, se pierde algo de luz en el polarizador y la transmisión real de luz no polarizada será algo menor que esto, alrededor del 38% para los polarizadores tipo Polaroid pero considerablemente más alta (> 49.9%) para algunos tipos de prismas birrefringentes.
Además de la birrefringencia y el dicroísmo en los medios extendidos, los efectos de polarización también pueden ocurrir en la interfaz (reflectante) entre dos materiales de diferente índice de refracción. Estos efectos son tratados por las ecuaciones de Fresnel. Parte de la onda se transmite y parte se refleja, y la relación depende del ángulo de incidencia y el ángulo de refracción. De esta manera, la óptica física recupera el ángulo de Brewster. Cuando la luz se refleja desde una película delgada sobre una superficie, la interferencia entre las reflexiones de las superficies de la película puede producir polarización en la luz reflejada y transmitida.
Luz natural
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 hay una 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 se puede describir como una superposición de un componente completamente no polarizado, y uno completamente polarizado. Entonces, uno puede describir la luz en términos del grado de polarización y los parámetros de la elipse de polarización.
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 permitieron desarrollar los primeros modelos matemáticos de luz polarizada. La polarización ocurre cuando la luz se dispersa en la atmósfera. La luz dispersa produce el brillo y el color en cielos despejados. Esta polarización parcial de la luz dispersa se puede aprovechar al usar filtros polarizadores para oscurecer el cielo en las fotografías. La polarización óptica es principalmente de importancia en química debido al dicroísmo circular y a la rotación óptica (" birrefringencia circular ") exhibida por moléculas ópticamente activas (quirales).
Óptica moderna
Óptica moderna abarca las áreas de ciencia óptica e ingeniería que se hicieron populares en el siglo XX. Estas áreas de la ciencia óptica típicamente se relacionan con las propiedades electromagnéticas o cuánticas de la luz pero incluyen otros temas. Un importante subcampo de la óptica moderna, la óptica cuántica, se ocupa específicamente de las propiedades mecánicas cuánticas de la luz. La óptica cuántica no es solo teórica; algunos dispositivos modernos, como los láseres, tienen principios de funcionamiento que dependen de la mecánica cuántica. Los detectores de luz, como fotomultiplicadores y channeltrones, responden a fotones individuales. Los sensores de imagen electrónicos, como los CCD, exhiben un ruido de disparo que corresponde a las estadísticas de eventos de fotones individuales. Los diodos emisores de luz y las células fotovoltaicas tampoco pueden entenderse sin la mecánica cuántica. En el estudio de estos dispositivos,
Las áreas de especialidad de investigación óptica incluyen el estudio de cómo la luz interactúa con materiales específicos, como la óptica de cristal y los metamateriales. Otra investigación se centra en la fenomenología de las ondas electromagnéticas como en la óptica singular, la óptica sin imágenes, la óptica no lineal, la óptica estadística y la 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.
Hoy en día, la ciencia pura de la óptica se llama ciencia óptica o física óptica para distinguirla de las ciencias ópticas aplicadas, a las que se hace referencia como ingeniería óptica. Los subcampos prominentes de 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 sujetos que significan cosas ligeramente diferentes en diferentes partes del mundo y en diferentes áreas de la industria. Una comunidad profesional de investigadores en óptica no lineal se ha desarrollado en las últimas décadas debido a los avances en la tecnología láser.
Láser
Un láser es un dispositivo que emite luz (radiación electromagnética) a través de un proceso llamado emisión estimulada . El término láser es un acrónimo de Amplificación de Luz por Emisión de Radiación Estimulada . La luz láser suele ser espacialmente coherente, lo que significa que la luz se emite en un haz estrecho de baja divergencia o puede convertirse en uno con la ayuda de componentes ópticos como lentes. Debido a que el equivalente de microondas del láser, el maser , se desarrolló primero, los dispositivos que emiten microondas y frecuencias de radio generalmente se llaman masers .
El primer láser en funcionamiento fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman en Hughes Research Laboratories. Cuando se inventaron por primera vez, se los llamó "una solución que busca un problema". Desde entonces, los láseres se han convertido en una industria multimillonaria, encontrando utilidad en miles de aplicaciones muy variadas. La primera aplicación de láser visible en la vida cotidiana de la población general fue el escáner de códigos de barras del supermercado, introducido en 1974. El reproductor de discos láser, presentado en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso en incluir un láser, pero el reproductor de discos compactos era el primer dispositivo equipado con láser para ser verdaderamente común en los hogares de los consumidores, a partir de 1982. Estos dispositivos de almacenamiento óptico utilizan un láser semiconductor de menos de un milímetro de ancho para escanear la superficie del disco para la recuperación de datos. La comunicación de fibra óptica depende de los 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 de láser y en aplicaciones militares como sistemas de defensa de misiles, contramedidas electroópticas (EOCM) y lidar. Los láseres también se usan en hologramas, diagramas de burbujas, espectáculos de luz láser y depilación láser. contramedidas electroópticas (EOCM) y lidar. Los láseres también se usan en hologramas, diagramas de burbujas, espectáculos de luz láser y depilación láser. contramedidas electroópticas (EOCM) y lidar. Los láseres también se usan en hologramas, diagramas de burbujas, espectáculos de luz láser y depilación láser.
Efecto Kapitsa-Dirac
El efecto Kapitsa-Dirac hace que los haces de partículas se difracten como resultado de encontrarse con una onda estacionaria de luz. La luz se puede usar para colocar la materia usando varios fenómenos (ver pinzas ópticas).
Aplicaciones
La óptica es parte de la vida cotidiana. La ubicuidad de los sistemas visuales en biología indica el papel central que juega la óptica como la ciencia de uno de los cinco sentidos. Muchas personas se benefician con anteojos o lentes de contacto, y la óptica es esencial para el funcionamiento de muchos bienes de consumo, incluidas las cámaras. Los arco iris y los espejismos son ejemplos de fenómenos ópticos. La comunicación óptica proporciona la red troncal tanto para Internet como para la telefonía moderna.
Ojo humano
El ojo humano funciona enfocando la luz sobre 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. La luz luego continúa a través del fluido justo detrás de la córnea, la cámara anterior, luego pasa a través de la pupila. La luz luego pasa a través de la lente, que enfoca más la luz y permite el ajuste del enfoque. La luz luego pasa a través del cuerpo principal de fluido en el ojo, el humor vítreo, y alcanza la retina. Las células en la retina recubren la parte posterior del ojo, excepto donde sale el nervio óptico; esto resulta en un punto ciego.
Hay dos tipos de células fotorreceptoras, varillas y conos, que son sensibles a diferentes aspectos de la luz. Las células de varilla son sensibles a la intensidad de la luz en un amplio rango de frecuencias, por lo que son responsables de la visión en blanco y negro. Las células de vara no están presentes en la fóvea, el área de la retina responsable de la visión central, y no son tan sensibles como las células cónicas a los cambios espaciales y temporales en la luz. Sin embargo, hay veinte veces más células de barra que células de cono en la retina porque las células de barra están presentes en un área más amplia. Debido a su distribución más amplia, las varillas son responsables de la visión periférica.
Por el contrario, las células de cono son menos sensibles a la intensidad general de la luz, pero se presentan en tres variedades que son sensibles a diferentes rangos de frecuencia y, por lo tanto, se utilizan en la percepción del color y la visión fotópica. Las células cónicas están altamente concentradas en la fóvea y tienen una agudeza visual alta, lo que significa que son mejores para la resolución espacial que las células bastón. Dado que las células de cono no son tan sensibles a la luz tenue como las células de barra, la mayoría de la visión nocturna se limita a las células de barra. Del mismo modo, dado que las células cónicas se encuentran en la fóvea, las células cónicas realizan la visión central (incluida la visión necesaria para realizar la mayor parte de la lectura, los pequeños detalles como el cosido o el examen cuidadoso de los objetos).
Los músculos ciliares alrededor de la lente permiten ajustar el enfoque del ojo. Este proceso se conoce como alojamiento. El punto cercano y el punto lejano definen las distancias más cercanas y más lejanas al ojo en el que un objeto se puede enfocar nítidamente. Para una persona con visión normal, el punto lejano se encuentra en el infinito. La ubicación del punto cercano depende de cuánto pueden aumentar los músculos la curvatura de la lente y cuán inflexible se ha vuelto la lente con la edad. Los optometristas, los oftalmólogos y los ópticos generalmente consideran que un punto cercano apropiado está más cerca de la distancia de lectura normal, aproximadamente 25 cm.
Los defectos en la visión pueden explicarse utilizando principios ópticos. A medida que las personas envejecen, la lente se vuelve menos flexible y el punto cercano se aleja del ojo, una condición conocida como presbicia. Del mismo modo, las personas que sufren de hipermetropía no pueden disminuir la distancia focal de sus lentes lo suficiente como para permitir que los objetos cercanos se vean en su retina. Por el contrario, las personas que no pueden aumentar la distancia focal de sus lentes lo suficiente como para permitir que los objetos distantes se vean 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 es más curva 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.
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.
La potencia óptica de las lentes correctoras se mide en dioptrías, un 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 las lentes que también corrigen el astigmatismo, se dan tres números: uno para el poder esférico, uno para el poder cilíndrico y otro para el ángulo de orientación del astigmatismo.
Efectos visuales
Las ilusiones ópticas (también llamadas ilusiones visuales) se caracterizan por imágenes visualmente percibidas que difieren de la realidad objetiva. La información recopilada por el ojo se procesa en el cerebro para dar 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 que son diferentes de los objetos que los producen, 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.
Las ilusiones cognitivas incluyen algunas que resultan de la mala aplicación inconsciente de ciertos principios ópticos. Por ejemplo, las ilusiones de Ames room, Hering, Müller-Lyer, Orbison, Ponzo, Sander y Wundt se basan en la sugerencia de la aparición de distancia mediante el uso de líneas convergentes y divergentes, del mismo modo que los rayos de luz paralelos (o incluso cualquier conjunto de líneas paralelas) parece converger en un punto de fuga en el infinito en imágenes de dos dimensiones con perspectiva artística. Esta sugerencia también es responsable de la famosa ilusión lunar donde la luna, a pesar de tener esencialmente el mismo tamaño angular, parece mucho más grande cerca del horizonte que en el cenit. Esta ilusión tan confundió a Ptolomeo que la atribuyó incorrectamente a la refracción atmosférica cuando la describió en su tratado, Óptica.
Otro tipo de ilusión óptica explota patrones rotos para engañar a la mente para que perciba simetrías o asimetrías que no están presentes. Los ejemplos incluyen la pared del café, Ehrenstein, espiral de Fraser, Poggendorff y las ilusiones de Zöllner. Relacionadas, pero no estrictamente ilusiones, son 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 de moiré, mientras que la superposición de patrones transparentes periódicos que comprenden líneas o curvas opacas paralelas produce patrones de moiré de línea.
Instrumentos ópticos
Las lentes individuales tienen una variedad de aplicaciones que incluyen lentes fotográficos, lentes correctivos y lupas, mientras que los espejos individuales se utilizan en reflectores parabólicos y retrovisores. La combinación de varios espejos, prismas y lentes produce instrumentos ópticos compuestos que tienen usos prácticos. Por ejemplo, un periscopio es simplemente 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 que fueron inventados por los holandeses a fines del siglo XVI.
Los microscopios se desarrollaron primero con solo dos lentes: una lente objetivo y un ocular. La lente del objetivo es esencialmente una lupa y se diseñó 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. En general, se utiliza una fuente adicional de iluminación ya que las imágenes ampliadas son más tenues debido a la conservación de la energía y la difusión de los rayos de luz sobre un área de superficie mayor. Microscopios modernos, conocidos como microscopios compuestos tienen muchos lentes (generalmente cuatro) para optimizar la funcionalidad y mejorar la estabilidad de la imagen. Una variedad ligeramente diferente de microscopio, el microscopio de comparación, observa las imágenes una al lado de la otra para producir una vista binocular estereoscópica que aparece en tres dimensiones cuando es utilizada por humanos.
Los primeros telescopios, llamados telescopios refractores también se desarrollaron con un solo objetivo y lente ocular. A diferencia del microscopio, la lente del objetivo del telescopio se diseñó con una gran distancia focal 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 con una distancia focal mucho más pequeña. El objetivo principal de un telescopio no es necesariamente la ampliación, sino más bien la recolección de luz que está determinada por el tamaño físico de la lente del objetivo. Por lo tanto, los telescopios se indican normalmente por los diámetros de sus objetivos más que por la ampliación que se puede cambiar cambiando los oculares. Debido a que la ampliación de un telescopio es igual a la distancia focal del objetivo dividido por la distancia focal del ocular,
Como la creación de lentes grandes es mucho más difícil que la creación de grandes espejos, la mayoría de los telescopios modernos son telescopios reflectores , es decir, telescopios que usan un espejo primario en lugar de un objetivo. Las mismas consideraciones ópticas generales se aplican a los telescopios reflectores que se aplican a los telescopios de refracción, a saber, cuanto mayor es el espejo primario, más luz se recoge, y la ampliación es igual a la distancia focal del espejo primario dividido por la distancia 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.
Fotografía
La óptica de la fotografía involucra tanto a las lentes como al 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 la toma que se resume en la relación
- Exposición α ApertureArea × ExposureTime × SceneLuminance
En otras palabras, cuanto menor sea la abertura (proporcionando una mayor profundidad de enfoque), menor será la cantidad de luz que entrará, por lo que deberá aumentarse el tiempo (lo que puede provocar una imagen borrosa 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 durante el día.
La apertura de una cámara se mide con un número sin unidad llamado f-number o f-stop, f / #, a menudo anotado como , y dado por
dónde está 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 de f / # se escriben reemplazando el signo de número con el valor. Las dos formas de aumentar el f-stop son disminuir el diámetro de la pupila de entrada o cambiar a una distancia focal más larga (en el caso de un lente 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 puede enfocar todas las imágenes perfectamente, independientemente de la distancia, pero requiere tiempos de exposición muy largos.
El campo de visión que proporcionará la lente cambia con la distancia focal de la lente. Hay tres clasificaciones básicas basadas en la relación con el tamaño diagonal de la película o el tamaño del sensor de la cámara con respecto a la distancia focal de la lente:
- Lente normal: ángulo de visión de aproximadamente 50 ° (llamado normal porque este ángulo se considera aproximadamente equivalente a la visión humana) y una distancia focal aproximadamente igual a la diagonal de la película o sensor.
- Lente gran angular: ángulo de visión más ancho que 60 ° y distancia focal más corta que una lente normal.
- Objetivo de enfoque largo: ángulo de visión más angosto que un objetivo normal. Esta es una lente con una distancia focal más larga que la medida diagonal de la película o sensor. El tipo más común de objetivo de enfoque largo es el teleobjetivo, un diseño que usa un grupo de teleobjetivo especial para ser físicamente más corto que su distancia focal.
Las lentes de zoom modernas pueden tener algunos o todos estos atributos.
El valor absoluto del tiempo de exposición requerido depende de qué tan sensible sea la luz al medio utilizado (medido por la velocidad de la película o, para los medios digitales, por la eficiencia cuántica). La fotografía temprana utilizaba medios que tenían una sensibilidad a la luz muy baja, 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.
Otros resultados de la óptica física y geométrica se aplican a la óptica de la cámara. Por ejemplo, la capacidad de resolución máxima de una configuración particular de la cámara está determinada por la difracción limitada con el tamaño de la pupila y dada, más o menos, por el criterio de Rayleigh.
Óptica atmosférica
Las propiedades ópticas únicas de la atmósfera causan una amplia gama de fenómenos ópticos espectaculares. El color azul del cielo es un resultado directo de la dispersión de Rayleigh que redirige la luz solar de mayor frecuencia (azul) de vuelta 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 un amanecer o un atardecer. Material particulado adicional en el cielo puede dispersar diferentes colores en diferentes ángulos creando coloridos cielos brillantes al anochecer y al amanecer. La dispersión de cristales de hielo y otras partículas en la atmósfera es responsable de los halos, resplandores, coronas, rayos del sol y perros solares. La variación en este tipo de fenómenos se debe a diferentes tamaños de partículas y geometrías.
Los espejismos son fenómenos ópticos en los que los rayos de luz se curvan 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 elevarse antes de lo previsto con una forma distorsionada. Una forma espectacular de refracción ocurre 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".
Los arco iris son el resultado de una combinación de reflexión interna y refracción dispersiva de la luz en las gotas de lluvia. Una sola reflexión en la parte posterior de una serie de gotas de lluvia produce un arcoíris con un tamaño angular en el cielo que varía de 40 ° a 42 ° con rojo en el exterior. Los dos arcoíris dobles son producidos por 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 arcoiris son más prominentes cuanto más cerca está el sol del horizonte.
Obtenido de: https://en.wikipedia.org/wiki/Optics