Tema 4. LA IMAGEN ÓPTICA

4.1. La luz

4.1.1. Naturaleza de la luz.

Cuerpo luminoso es cualquier cuerpo que alcanza y mantiene más de 500 ºC y que, a esa temperatura, emite luz. La luz no es más que un conjunto de radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda varía según la temperatura, así a mayor temperatura, menor longitud de onda (es más penetrante).

La luz tiene una doble naturaleza, una ondulatoria (como energía) y otra corpuscular (como materia, porque los fotones tienen masa).

Es una fuente de energía irradiada por una fuente energética (cuerpo luminoso).

Se propaga:

• Por ondas: el fenómeno ondulatorio transmite energía, pero no masa (es capaz de mover un objeto de forma perpendicular al desplazamiento de la onda, pero no arrastrarlo).

• De forma rectilínea (como rayos), a 299,776 km/sg.

• Naturaleza ondulatoria.

Una onda es la propagación de energía en un medio sin propagación de materia.

Cada punto alcanzado por la onda se mueve perpendicularmente a la dirección del desplazamiento originando 2 puntos extremos:

• la cresta: punto más alto.

• el valle: punto más bajo.

Como va perdiendo energía, la onda pierde amplitud hasta que desaparece.

• Características:

• Ciclo: es una vibración completa que se mide desde los puntos extremos.

• Periodo (T): tiempo en completar un ciclo.

• Frecuencia (N): ciclos por segundo (Hz o Hertz).

• Longitud de onda (λ): longitud de un ciclo. Distancia entre puntos extremos (cresta-cresta) o recorrida en un periodo.

• Amplitud de onda: altura de la onda. Distancia entre dos posiciones extremas (cresta-valle)

• Espectro REM.

(1Å = 1 diezmillonésima de mm)

(1  = 1 milésima de mm.)

• Transmitida.

La luz transmitida es aquella que pasa a través de sustancias no opacas. La transmisión puede ser:

• Directa: no pierde intensidad ni varía la dirección (materias transparentes).

• Difusa: pierde intensidad y varía la dirección (materias traslúcidas).

• Selectiva: la luz blanca se filtra a través de un color para dejar pasar sólo una longitud de onda.

• Absorbida.

La luz es absorbida cuando incide en sustancias opacas, produciendo:

• calor (ropa negra),

• transformaciones químicas (fotografía),

• electricidad (células fotoeléctricas).

• Reflejada.

La luz es reflejada cuando llega hasta un cuerpo y rebota. La reflexión puede ser:

• Especular: en superficies brillantes y pulidas el ángulo del rayo que incide sobre la materia es igual al ángulo del rayo que rebota (a. incidencia = a. reflexión).

• Difusa: en superficies rugosas a un solo ángulo de incidencia le corresponden infinitos ángulos de reflexión.

• Refractada.

La refracción es el cambio de dirección que sufren los rayos de luz que atraviesan de forma oblicua un material transparente como consecuencia de un cambio de densidad del medio.

Si las ondas de luz inciden en un cuerpo de forma oblicua y pasan de una menor a una mayor densidad, una parte del frente de onda atraviesa el medio y el resto se frena, con lo cual la onda se gira. Al salir del medio más denso al menos denso ocurre lo mismo.

El índice de refracción es la comparativa de los ángulos de incidencia y refracción.

La refracción depende del tipo del material y de la longitud de onda que lo atraviesa.

Un efecto secundario de la refracción es la dispersión de la luz. De la luz blanca, por ejemplo, se disgregan los componentes del espectro (cada una de las longitudes de onda).

El principio óptico de la cámara oscura consiste en que si tenemos un cuerpo vacío estanco a la luz con un orificio puntual (estenopo) en una de sus caras y lo dirigimos hacia un objeto iluminador, éste proyecta su imagen invertida en la cara opuesta (imagen estenopeica).

Este principio fue ya mencionado por Aristóteles (348-332 a.C.), Alhazen (965-1038), Bacon (1214-1294) y Leonardo da Vinci (1452-1519).

• Características (de la imagen estenopeica):

• Se encuentra invertida de arriba abajo como consecuencia de la trayectoria rectilínea de la luz.

• Es muy tenue ya que es poca la luz que logra penetrar hasta la pantalla.

• No está definida muy nítidamente.

Los rayos surgen de un cuerpo luminoso que está en un punto del espacio, estos rayos no son paralelos ,sino divergentes.

Para obtener mayor nitidez y luminosidad en la imagen, Girdano Gardano acopla, en 1550, una lente biconvexa en el orificio estenopeico.

En 1568 Daniel Barbaro recomienda el uso del diafragma para aumentar o disminuir la apertura a voluntad y para controlar la luminosidad y la nitidez en los distintos planos.

En 1573 Esnatio Danti sugiere utilizar un espejo cóncavo para enderezar la inversión de la imagen obtenida.

4.1.2. Las lentes.

Al hacer pasar un haz de luz a través de un bloque de vidrio de caras paralelas en la primera cara se aproxima a la normal y en la segunda se aleja. El haz resultante se encuentra desplazado pero paralelo al original.

Cuando el haz incide oblicuo sobre un bloque de vidrio de caras no paralelas, se acerca a la normal en la primera cara y se aleja en la segunda. Se produce un cambio de dirección general.

N

N

Mientras mayor sea la diferencia entre la velocidad de la luz en el aire y dentro del cuerpo, mientras mayor sea la densidad del cuerpo donde la luz penetra, mayor será el cambio de dirección en lentes no paralelas y mayor será el desplazamiento en lentes paralelas.

Atendiendo a estas características, ajustando en un disco de vidrio de superficies esféricas no paralelas (cóncavo o convexo) se puede hacer converger un haz de rayos divergentes sobre el sujeto. Es el principio básico de la construcción de lentes y objetivos (lupa).

Las lentes son cuerpos transparentes y refringentes limitados por dos superficies esféricas o por una esférica y una plana.

Los objetivos son instrumentos ópticos que proporcionan imágenes reales, a diferencia de los subjetivos que proporcionan imágenes virtuales. Constituyen un conjunto de varios cuerpos de vidrio o lentes simple (lente compuesta), con lo que se consigue un efecto de suma y resta.

• Centros de curvatura: centros geométricos de las esferas que forman las caras de la lente.

• Centro óptico: punto interior de la lente por el que todos los rayos pasan sin desviarse.

• Eje óptico principal: eje que pasa por el centro óptico y los centros de curvatura.

• Ejes secundarios: cualquiera de los ejes que pasan sólo por el centro óptico.

• Focos: puntos de convergencia de los rayos tras incidir paralelos al eje principal. Podemos generar dos focos, uno a cada lado de la lente y ambos a la misma distancia del eje principal.

• Distancia o longitud focal: distancia en mm. entre el foco y el centro óptico.

• Plano del objeto: plano imaginario que contiene el objeto del que vamos a hacer la imagen.

• Plano focal o de la imagen: plano real que contiene la proyección del objeto (la imagen).

• Lentes simples: constituidas por un solo cuerpo.

• Convergentes o positivas:

• Biconvexa o doble-convexa,

• Plano-convexa,

• Menisco convergente o cóncavo-convexo.

• Divergentes o negativas:

• Bicóncava o doble-cóncava,

• Plano-cóncava,

• Menisco divergente o convexo-cóncavo.

• Lentes compuestas: constituidas por varias lentes simples o grupos de lentes dentro de un barrileto o cilindro de sujeción (objetivos).

El poder de desviación de la luz que posee un objetivo es la combinación de los factores que regulan la refracción. La potencia de una lente, por tanto, depende de:

• El índice de refracción del vidrio del objetivo, que depende de la densidad del vidrio (a mayor densidad, mayor índice de refracción).

• El ángulo de incidencia del haz luminoso regulado por la curvatura de las caras del vidrio (mayor curvatura, mayor ángulo de incidencia).

• La longitud de onda del haz luminoso. Este factor es prácticamente inapreciable, ya que queda reducido por la utilización de varios elementos en los objetivos compuestos.

La combinatoria de la forma y el índice de refracción del vidrio nos da la distancia focal, que es la medida del poder de desviación de la luz que tiene el objetivo: a menor distancia focal, mayor potencia de lente.

Otra medida nos la dan las dioptrías. Una dioptría es la recíproca de la distancia focal expresada en metros.

El tamaño de la imagen obtenida por un objetivo es proporcional a la DF del mismo:

• Objetivo de DF corta: imagen pequeña.

• Objetivo de DF larga: imagen grande.

El tamaño de la imagen obtenida también se ve afectado por la distancia entre el objeto y el objetivo.

Cuando relacionamos la altura de la imagen con la del referente obtenemos el grado de ampliación (que puede ser positivo o negativo. La ampliación siempre se entiende lineal, no de superficie.

Puede resultar interesante prever el tamaño de las imágenes y la distancia a la que se forma la imagen, lo que podemos conseguir conociendo la distancia focal del objetivo, que nos proporciona el punto focal en ambos sentidos, y ayudándonos de la trayectoria de tres rayos:

• El primer rayo se desplaza paralelo al eje óptico principal, por lo que se refracta hacia el foco.

• El segundo es el opuesto al primero, pasa por el foco refractándose paralelo al eje principal.

• El tercer rayo toma la dirección de un eje secundario, atravesando el centro óptico, por lo que no se desvía.

Los tres rayos refractados coinciden en un punto por debajo del eje principal, donde se encuentra el análogo del punto del objeto, resultándonos la misma imagen invertida. De esta manera conocemos la altura de la imagen y su distancia del objetivo.

• Circunstancias de ampliación:

• Fotografía distante: cuando el referente se encuentra a más de 2 DF, se forma una imagen invertida más pequeña que el referente y situada en el tramo entre 1-2 DF.

• Fotografía a tamaño: cuando el sujeto se encuentra a 2 DF, la imagen invertida se forma también a 2 DF con el mismo tamaño.

• Ampliación: cuando el sujeto se encuentra entre 2-1 DF, la imagen obtenida se sitúa a más de 2 DF y con un tamaño superior al del referente (diapositivas proyectadas).

• Otros casos especiales:

• Con el referente a 1 DF no se forma imagen ya que los rayos deben refractarse paralelos.

• Con el referente a menos de 1 DF se forma una imagen virtual, sólo para el ojo.

• Con el referente tan lejos que los rayos de su punto llegan paralelos al objeto, su imagen será una punto, el foco.

Fuente



A

sen  incidencia

sen  refracción

DF= 1000/d

M = h imagen / h referente

2 DF

1 DF

1

3

2

1

4

3

2