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Óptica: Es la parte de la física que comprende el estudio de la luz y los fenómenos de la visión. Generalmente, se divide en dos ramas principales: la física se ocupa de la naturaleza y propiedades de la luz; la goemétrica del estudio del comportamiento de la luz en los distintos medios y en diversos instrumentos ópticos. Además, una tercera rama se ocupa del estudio del ojo desde el punto de vista óptico.

Óptica física .

El desarrollo de la óptica comenzó durante las primeras décadas del siglo XVII, cuando se inventaron el microscopio y el telescopio . En 1791, Newton publicó su tratado, que registraba cuidadosamente los fenómenos de refracción , dispersión, interferencia, difracción y polarización .

La teoría ondulatoria de la luz establece que ésta se propaga en forma de ondas, que vibran en ángulo recto a la dirección de su propagación. Faraday descubrió interrelaciones entre la luz, el magnetismo y la electricidad. Maxwell, tiempo después, postuló la teoría electromagnética de la luz. Según ella, la luz consiste en ondas eléctricas y magnéticas, que vibran sin diferencia de fases en ángulo recto unas con otras. En el siglo XX, Planck publicó su famosa teoría de los cuantos, que sugiere que la luz se propaga en unidades indivisibles, "paquetes" o cuantos, de energía electromagnética. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la misma es reflejada y parte absorbida. El ángulo que forma el rayo de luz que incide sobre una superficie y la normal 0 perpendicular a la misma en el punto de incidencia, se llama ángulo de incidencia. Este es exactamente igual al ángulo de reflexión, es decir, el que se forma entre la normal y el rayo reflejado en aquel punto.

La refracción se define como el cambio de dirección de los rayos de luz al pasar de un medio a otro, como por ejemplo, del aire al vidrio , o del aire al agua. Esto se debe a que la velocidad de la luz resulta diferente en distintos medios. La ley de la refracción dice que cuando un haz de luz, de una longitud de onda determinada, pasa de un medio a otro, la relación sen i / sen r = n es constante, siendo sen, el seno; i el ángulo entre la normal y el rayo incidente; r el ángulo entre la normal y el rayo refractado, y n una constante. Ésta se conoce como índice de refracción para esos dos medios y para la citada longitud de onda.

El estudio de la luz y los fenómenos de la visión son el objeto específico de la óptica , una rama de la física .

Las leyes que gobiernan la reflexión y la refracción se pueden encontrar fácilmente en forma experimental :

1- El rayo reflejado y el rayo refractado están en el plano formado por el rayo incidente y la normal a la superfície en el punto de incidencia , como se ve en la figura a la izquierda .

2 - Para la reflexión los ángulos i = r

3- Para la refracción : sen i / sen r = n

Siendo n una constante que se llama ínidice de refracción del medio 2 ( en la figura es el agua ) con respecto al medio 1 ( en la figura es el aire )

Medio Indice de refracción
Agua 1.33
Alcohol etílico 1.36
Bisulfuro de carbono 1.63
Aire (1 atm y 20°C) 1.0003
Yoduro de metileno 1.74
Cuarzo fundido 1.46
Cristal (crown) 1.52
Cristal (flint denso) 1.66
Cloruro de sodio 1.53
Polietileno 1.50 - 1.54
Fluorita 1.43

Tabla 1 - Algunos índices de refracción para λ = 5890 angstrom , medidos con respecto al vacío . El índice con respecto al aire (excepto , por supuesto el índice del aire mismo , véase en el cuarto renglón ) difiere muy poco en la mayoría de los casos .

El índice de refracción de un medio con respecto a otro generalmente varía con la longitud de onda . Debido a esta circunstancia , se puede usar la refracción y no la reflexión , para descomponer un haz de luz en sus longitudes de ondas componentes .

En un arco iris observamos el fenómeno de la refracción de la luz. La luz blanca es un "haz" de rayos que vibran con distintas frecuencias, cada una de las cuales corresponde a un color en particular. Cuando los rayos del sol pasan a través de una gota de agua de lluvia en un ángulo cualquiera, los rayos de distintas frecuencias se refractan en diferentes ángulos. La luz solar, descompuesta en su espectro de colores, se dispersa aún más al salir de la gota y vemos así la gama de colores del arco iris.

Luz blanca incidente sobre una gota de lluvia , y su posterior descomposición espectral .

Se llama interferencia al fenomeno que resulta cuando dos ondas que se propagan en distintas trayectorias pasan por un mismo punto en el cual se combinan o suman sus efectos. La longitud de onda de la luz está dada por su velocidad dividida por su frecuencia. Si, al encontrarse las dos ondas o los dos haces, la diferencia de longitud de ambas ondas o de fase fuera de media longitud de onda, es decir que actúa en oposición de fase, se anulan entre sí y dan por resultado la oscuridad. Esto es interferencia destructiva, pues luz más luz origina oscuridad. Si, al encontrarse aquellas ondas no están en oposición de fase, pero sí en igualdad de fase, se refuerzan, produciendo más luminosidad.

La difracción ocurre cuando las ondas de luz se difunden alrededor de un obstáculo. La luz blanca que emana de un orificio practicado en una pantalla por la punta de un alfiler puede mostrar bordes coloreados por este fenómeno.

La polarización de la luz se obtiene al reflejarse ésta en una superficie en un ángulo determinado (ángulo de Brewster) o cuando atraviesa una sustancia tal, como la turmalina. Las vibraciones de la luz ocurren en todos los planos que se hallen en ángulos rectos a la dirección de su propagación. Cuando la luz está polarizada, las vibraciones se producen en un solo plano.

Óptica geométrica

El instrumento óptico más sencillo es la lupa, constituida por una lente biconvexa, es decir, con dos superficies convexas. Cada una de éstas tiene una curvatura esférica y la distancia de cada una al centro de su respectiva esfera representa el radio de curvatura de cada una. La línea que atraviesa el centro de ambas superficies de la lente se llama eje. Sobre éste se encuentra el radio de curvatura.

Si tomamos una fuente de luz y la colocamos sobre el eje de la lente a gran distancia, toda la luz de dicha fuente que pase por la lente, puede considerarse paralela al eje. Estos rayos, salvo los del eje mismo, se refractarán hacia el eje al atravesar la lente y se unirán en un punto del otro lado.

Este punto se llama foco. La imagen de la fuente de luz que se forma denomínase imagen real, pues puede recibirse sobre una pantalla, situada en ese punto. Si acercamos la luz a la lente, deslizándola sobre el eje, la imagen del otro lado de la lente se aleja. Cuando la fuente haya llegado al centro de curvatura, la imagen estará en el otro centro.

Si la fuente se coloca sobre el foco, todos los rayos que de ella emanan y atraviesan la lente resultarán paralelos, y la imagen se formará en el infinito. Esto representa exactamente lo opuesto a lo que sucede con una fuente situada en el infinito (en la práctica a gran distancia de la lente) que da una imagen en el foco.

Si la fuente se acerca mas a la lente de lo que está el foco, los rayos que la atraviesan divergen. Dan la impresión de provenir de una imagen del mismo lado que la fuente, pero desde más lejos. Esto se llama imagen virtual, pues no puede recibírsela en una pantalla.

Las lentes sufren varias imperfecciones o aberraciones, distorsionan las imágenes. Si su superficie es esférica, los rayos refractados cerca de su borde tendrán su foco en otro plano que los del foco principal. La imagen se verá borrosa (aberración esférica). La cromática consiste en la dispersión de la luz blanca por el vidrio de la lente. Otorga a la imagen contornos coloreados. Otros defectos se producen cerca de los bordes de una lente esférica. La "coma" produce imágenes de fuentes puntuales con cola de cometa. El astigmatismo constituye una aberración que se traduce en una diferéncia de nitidez entre las líneas verticales y las horizontales de la imagen. Estos defectos pueden corregirse utilizando sistemas de varias lentes con distintas curvaturas, separaciones e índices de refracción .

La visión

La vista es el más valioso de nuestros sentidos, ya que es el más especializado y complejo. Representa tres cuartas partes del total de nuestras percepciones.

Para que podamos ver, los rayos de luz entran en las pupilas y se registran en las retinas, en el fondo de los ojos, donde se crean imágenes invertidas. Estas se convierten en impulsos eléctricos, llevados a través del nervio óptico de cada ojo al cerebro, al lóbulo occipital, donde son interpretados.

Las neuronas –células nerviosas encargadas de la conducción de los impulsos hacia y desde el cerebro– que permiten este proceso están ubicadas en la retina y son de dos tipos: los bastones, que contienen un pigmento sensible a la luz y son capaces de discernir lo claro y lo oscuro, la forma y el movimiento; y los conos, que necesitan más luz que los bastones para ser activados.

Los conos son de tres tipos; cada uno contiene un pigmento que responde a diferentes longitudes de onda de la luz –verde, rojo y azul–. La combinación de estas longitudes de onda permite distinguir cada uno de los colores.

Cada ojo ve una imagen ligeramente diferente, pero ambos campos visuales se superponen parcialmente. Esta zona de visión binocular permite la percepción en profundidad, la capacidad para juzgar la distancia de un objeto con respecto al ojo.

Los músculos del ojo responden automáticamente a la proximidad o distancia de un objeto cambiando la forma del cristalino. Eso altera el ángulo de los rayos de luz que llegan y permite un enfoque más agudo sobre la retina. La elasticidad del cristalino disminuye con la edad. Lo mismo sucede con la velocidad y la capacidad de adaptación.

Algunas partes del ojo

• Conjuntiva: membrana mucosa transparente que cubre y humedece la esclerótica y el interior de los párpados.
• Córnea: membrana dura y transparente situada en la cobertura externa del globo ocular.
Consta de cinco capas.
• Coroides: membrana intermedia pigmentada que oscurece el ojo para que se destaque la imagen.
• Cristalino o lente: estructura transparente y curva que se encuentra entre el iris y el cuerpo vítreo.
• Esclerótica: membrana opaca y blanca que ayuda a mantener la forma del ojo.
• Glándulas lagrimales: producen las lágrimas que ayudan a limpiar el ojo.
• Iris: parte de forma circular, situada entre la córnea y el cristalino, que separa las cámaras anterior y posterior del ojo. La contracción del iris altera el tamaño de la pupila. Su cantidad de pigmento determina el color del ojo.
• Pupila: abertura circular en el centro del iris, a través de la cual penetra la luz en el ojo.
• Órbita: cavidad donde se encuentra contenido el globo ocular, formada por los huesos del cráneo y la cara.
• Retina: membrana donde converge la luz y se forman las imágenes.

Para su seguridad, los ojos están profundamente hundidos en las cuencas óseas del cráneo.

Revistiendo las órbitas oculares, hay una capa de grasa que amortigua los golpes y proporciona una superficie altamente lubricada para el continuo movimiento del globo ocular.

Son seis los músculos que permiten la movilidad del ojo en ocho direcciones distintas y lo sostienen. Cuatro de ellos parten del fondo de la órbita y se dirigen en línea recta hacia adelante -se denominan rectos-. Los otros dos, se insertan en el globo ocular partiendo del contorno de la órbita, moviendo el ojo en sentido vertical, por lo que reciben el nombre de oblicuos.

El globo, de 2,5 centímetros de diámetro, tiene tres capas, llamadas túnicas. La túnica fibrosa exterior tiene dos partes: la córnea, transparente y curvada, y la esclerótica. La túnica vascular media contiene el iris, el cuerpo ciliar -ligamentos que sostienen el cristalino del ojo y el coroides, cuyos vasos sanguíneos riegan todas las túnicas. La tercera capa, en el fondo, es la retina.

El ojo tiene dos cavidades, la frontal y la del fondo. Las cámaras anterior y posterior de la cavidad frontal están llenas de humor acuoso, un fluido que aporta oxígeno, glucosa y proteínas. La cavidad del fondo contiene un gel claro llamado humor vítreo. Producidas por el cuerpo ciliar, ambas sustancias contribuyen a lograr una presión interna constante que mantiene la forma del ojo.

Los ojos dependen de estructuras accesorias que los apoyan, mueven, lubrican y protegen. Estas son los huesos orbitales -que son los que contienen el globo ocular-, los músculos del globo, las cejas, los párpados, las pestañas y las glándulas y conductos lagrimales. La visión puede ser afectada si cualquiera de estas estructuras está irritada, infectada o malformada.

LA MIOPIA

El miope ve mal de lejos, pero muy bien de cerca.

Un ojo miope es un ojo demasiado largo o demasiado potente. El foco imagen se forma delante de la retina, el cerebro recibe una imagen borrosa.

Un lente cóncavo (o negativo) disminuye su potencia y transporta el foco imagen a la retina haciendo divergir los rayos.

Funcionamiento del ojo miope

LA HIPERMETROPIA

El hipermétrope ve bien de lejos y mal de cerca. Contrariamente a la miopía, el ojo es demasiado pequeño o no es suficientemente potente. El foco de la imagen se forma detrás de la retina, el cerebro recibe una imagen borrosa.

Funcionamiento del ojo hipermétrope

Un lente convexo (o positivo), aumenta su potencia y lleva el foco de la imagen a la retina haciendo converger los rayos.

EL ASTIGMATISMO

El astigmata ve de forma mediocre de cerca como de lejos, frecuentemente confunde las letras parecidas como la H y la M. Un astigmata tiene una visión deformada de los objetos.

El astigmatismo es un defecto de la curvatura de la córnea (o del cristalino) tanto si se trata de un eje (horizontal o vertical u oblicuo) y desnaturaliza la visión.

Un lente tórico (o cilíndrico), restablece la buena percepción de los ejes.

Funcionamiento del ojo astigmata

LA PRESBICIA

La presbicia no es un defecto de refracción, sino un envejecimiento inevitable del cristalino.

Al cabo del tiempo el cristalino pierde su elasticidad y no puede asegurar la acomodación para objetos cercanos.
La presbicia se combina con los otros defectos ópticos del ojo.

El présbita está obligado a leer su diario lejos de sus brazos, pero ve distintamente los objetos distantes.

Un lente convexo ( o positivo), compensa la falta de acomodación del cristalino.

El funcionamiento del ojo présbita.

 

 

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