Óptica: Principios, Aplicaciones y Formación de Imágenes con Lentes

Óptica: Principios y Aplicaciones

Fotometría: estudia el flujo luminoso. Conceptos importantes:

• Flujo luminoso: cantidad de luz emitida por una fuente.
• Intensidad luminosa: flujo luminoso por unidad de ángulo sólido. Se mide en candelas (cd).
• Iluminancia: flujo luminoso incidente por unidad de superficie. Se mide en lux (lx), donde 1 lux = 1 lumen/m².
• Brillo: se refiere a la luz reflejada por una superficie.

Principios Ópticos

1. Óptica física: estudia los fenómenos relacionados con la naturaleza de la luz, como la refracción, la reflexión y la polarización.
2. Óptica fisiológica: se centra en el ojo humano y los fenómenos que corrigen la visión.
3. Óptica geométrica: analiza cómo la luz atraviesa las lentes y cómo se forman las imágenes.

Visión Humana

La retina funciona en dos modalidades según el nivel luminoso:

• Visión fotópica: se activa con luminosidades altas. La máxima sensibilidad se alcanza para 555 nm. Permite una visión nítida y cromática.
• Visión escotópica: se activa con bajas luminosidades. La máxima sensibilidad se alcanza para 510 nm. La visión es borrosa y monocromática.
• Visión mesotópica: presenta un comportamiento intermedio entre la visión fotópica y la escotópica.

Teorías sobre el Proceso de la Visión

Teoría Tricromática de Young y Helmholtz: Young, basándose en la teoría de Newton sobre la descomposición de la luz blanca, propuso que la retina contiene tres tipos de fotorreceptores cromáticos sensibles al rojo (R), verde (G) y azul (B). Si estos receptores son estimulados simultáneamente y en la proporción adecuada, se produce la sensación de blanco. De lo contrario, se percibe un color específico. Esta teoría está ampliamente aceptada.

La sensación de color se produce cuando una luz con una mezcla no uniforme de longitudes de onda incide en la retina y estimula los conos sensibles al color.

Teorías sobre los Conos

1. Existen tres tipos de conos, cada uno sensible a un color primario (RGB), y su combinación permite percibir todos los colores.
2. Existe un solo tipo de cono formado por tres partes, cada una sensible a un color primario (RGB), y la parte que se activa depende de cómo llega la luz.

Lentes Simples: Formación de Imágenes

Las lentes simples se basan en el fenómeno de reversibilidad de los rayos luminosos o principios de astigmatismo. Si un punto de un objeto (origen de un rayo) atraviesa una lente, se forma un punto de imagen, y viceversa. La cámara estenopeica se basa en este principio.

Lente: conjunto de prismas (triangular, trapezoidal y de caras paralelas).

Lentes Convergentes o Compositivas

Forman imágenes reales e invertidas. Todas las partes tienen el mismo índice de refracción. Las zonas de las lentes con forma triangular presentan mayor refracción y desviación, las trapezoidales menor refracción y desviación, y las rectangulares desvían la luz sin cambiar su ángulo significativamente.

Las aberraciones son inevitables porque la luz blanca, al llegar a una lente, se dispersa o desvía en función de la longitud de onda.

Lentes asféricas: no terminan en pico, sino que son más rectangulares para evitar aberraciones en los extremos. Son resultado de investigación y desarrollo (I+D) y tienen un alto costo.

Lentes Divergentes o Negativas

Los rayos divergen al pasar por la lente. Las zonas son iguales a las de las lentes convergentes, pero los rayos, en lugar de converger, divergen. Crean imágenes virtuales (no reales) y se utilizan para construir aparatos de visión.

Tipos de Lentes Según su Forma

• Biconvexa ()
• Plano convexa (|
• Menisco convergente ((

Estas tres son lentes convergentes, que forman imágenes reales e invertidas.

• Bicóncava )(
• Plano cóncava )|
• Menisco divergente ))

Estas tres son lentes divergentes, que forman imágenes virtuales.

Partes de las Lentes

1. Eje óptico: línea que une los centros de curvatura de la lente y siempre es horizontal. Si la lente solo tiene un centro de curvatura (CC), el eje óptico es la línea que pasa por él y es perpendicular a la cara plana.
   • Sistema centrado: los radios de curvatura están sobre el eje óptico.
   • Sistema descentrado: el punto o centro de curvatura está por debajo del eje óptico central (es decir, hay dos ejes ópticos).
2. Centro de curvatura: punto de origen cuyo radio forma la curvatura de la lente (el radio es un vínculo, su centro, como un compás). Estos centros pueden estar en lugares diferentes (no horizontales entre sí) dependiendo del tamaño de la lente.
3. Centro óptico: punto en el eje óptico tal que todo rayo que pasa por él tiene sus recorridos externos paralelos. Puede estar fuera de la lente en casos excepcionales.
4. Punto nodal: puntos en los que los trayectos externos de un rayo continúan al eje si se prolongasen. Hay un punto nodal anterior si se sitúa en el lado del objeto y un punto nodal posterior si se sitúa en el plano de la imagen. Sirven para definir posteriormente la distancia focal. Son paralelos. Se da cuando hay varias lentes (objetivos).
5. Punto focal: punto de la lente donde se reúnen los rayos que provienen del infinito, antes o después de la lente. Antes de la lente se denomina punto focal anterior y después punto focal posterior.
6. Plano focal: plano que pasa por el punto focal del eje óptico y es perpendicular a este. Es aquel plano que corta al eje y que tiene como centro el punto focal. Hay dos planos focales, anterior y posterior.
7. Distancia focal: distancia entre el centro óptico de la lente y el punto focal posterior o anterior. Determina la potencia de una lente. La potencia es el poder de convergencia o divergencia de una lente. Se calcula como P = 1/f(m) y se mide en dioptrías. Las lentes convergentes tienen potencia positiva (+) y las divergentes negativa (-).