Óptica

La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz, incluidas sus interacciones con la materia y la construcción de instrumentos que la usan o la detectan. La óptica generalmente describe el comportamiento de la luz visible, ultravioleta e infrarroja. Debido a que 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. Sin embargo, las descripciones electromagnéticas completas de la luz son a menudo difíciles de aplicar en la práctica. La óptica práctica generalmente se realiza utilizando modelos simplificados. La más común de estas, la óptica geométrica, trata la luz como una colección de rayos que viajan en línea recta y se doblan cuando pasan o se reflejan en las superficies. La óptica física es un modelo más completo de la luz, que incluye efectos de onda como la difracción y la interferencia que no se pueden explicar en la óptica geométrica. Históricamente, el modelo de luz basado en rayos se desarrolló primero, seguido por el modelo de onda de luz. El progreso en la teoría electromagnética en el siglo XIX condujo al descubrimiento de que las ondas de luz eran, de hecho, radiación electromagnética.

Algunos fenómenos dependen de que la luz tenga propiedades tanto ondulatorias como corpusculares. La explicación de estos efectos requiere de la mecánica cuántica. Al considerar las propiedades de 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 se estudia en muchas disciplinas relacionadas, incluida la astronomía, varios campos de la ingeniería, la fotografía y la medicina (en particular, la oftalmología y la optometría, en las que se denomina óptica fisiológica). Las aplicaciones prácticas de la óptica se encuentran en una variedad de tecnologías y objetos cotidianos, incluidos espejos, lentes, telescopios, microscopios, láseres y fibra óptica.

Historia

La óptica comenzó con el desarrollo de lentes por parte de los antiguos egipcios y mesopotámicos. Las lentes más antiguas conocidas, hechas de cristal pulido, a menudo cuarzo, datan del año 2000 a. C. en Creta (Museo Arqueológico de Heraclión, Grecia). Las lentes de Rodas datan de alrededor del 700 a. C., al igual que las lentes asirias, como la lente de Nimrud. Los antiguos romanos y griegos llenaban esferas de vidrio 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 el desarrollo de la óptica geométrica en el mundo grecorromano. La palabra óptica proviene de la palabra griega antigua 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 intromisión consideraba que la visión provenía de objetos que emitían copias de sí mismos (llamados eidola) que eran captados por el ojo. Con muchos propagadores, incluidos Demócrito, Epicuro, Aristóteles y sus seguidores, esta teoría parece tener algún contacto con las teorías modernas de lo que realmente es la visión, pero siguió siendo solo una especulación sin ningún fundamento experimental.

Platón articuló por primera vez la teoría de la emisión, la idea de que la percepción visual se logra mediante rayos emitidos por los ojos. También comentó sobre la inversión de la paridad de los espejos en Timeo. Unos cien años más tarde, Euclides (siglos IV-III a. C.) escribió un tratado titulado Óptica en el que vinculaba la visión a 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 cualitativamente los efectos de la refracción, aunque cuestionó que un haz de luz del ojo pudiera iluminar instantáneamente las estrellas cada vez que alguien parpadeaba. Euclides estableció el principio de la trayectoria más corta de la luz y consideró múltiples reflejos en espejos planos y esféricos. Ptolomeo, en su tratado Óptica, sostuvo una teoría de la visión de extramisión-intromisión: los rayos (o flujo) del ojo formaban 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 éste y el ángulo de incidencia.Plutarco (siglos I-II d. C.) describió reflejos múltiples en espejos esféricos y discutió la creación de imágenes ampliadas y reducidas, tanto reales como imaginarias, incluido el caso de la quiralidad de las imágenes.

Durante la Edad Media, las ideas griegas sobre la óptica fueron resucitadas y extendidas por escritores del mundo musulmán. Uno de los primeros fue Al-Kindi (c. 801–873), quien 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 la quema de espejos 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 la experimentación. Rechazó la "teoría de la emisión" de la óptica ptolemaica con sus rayos emitidos por el ojo y, en cambio, propuso la idea de que la luz se reflejaba en todas las direcciones en líneas rectas desde todos los puntos de los objetos que se miraban y luego entraba en el ojo, aunque él no pudo explicar correctamente cómo el ojo captaba los rayos. El trabajo de Alhazen fue ignorado en gran medida en el mundo árabe, pero se tradujo de forma anónima al latín alrededor del año 1200 d. C. y el monje polaco Witelo lo resumió y amplió, 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 traducidas recientemente, 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 lentes de aumento 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 esmerilar y pulir lentes para estos "anteojos", primero en Venecia y Florencia en el siglo XIII, y luego en los centros de fabricación de anteojos tanto en el Holanda y Alemania. Los fabricantes de anteojos crearon tipos mejorados de lentes para la corrección de la visión basándose más en el conocimiento empírico obtenido al observar los efectos de los lentes en lugar de usar la teoría óptica rudimentaria del día (teoría que en su mayor parte ni siquiera podía explicar adecuadamente cómo funcionaban los anteojos).).Este desarrollo práctico, dominio y experimentación con lentes condujo directamente a la invención del microscopio óptico compuesto alrededor de 1595 y el telescopio refractor en 1608, los cuales aparecieron en los centros de fabricación de anteojos en los Países Bajos.

A principios del siglo XVII, Johannes Kepler amplió la óptica geométrica en sus escritos, cubriendo lentes, la reflexión de espejos planos y curvos, 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 como eclipses lunares y solares y paralaje astronómico. También fue capaz de deducir correctamente el papel de la retina como el órgano real que grababa imágenes, y finalmente pudo cuantificar científicamente los efectos de los diferentes tipos de lentes que los fabricantes de gafas habían estado observando durante los 300 años anteriores. Tras la invención del telescopio, Kepler expuso las bases teóricas sobre su funcionamiento y describió una versión mejorada, conocida como telescopio kepleriano., usando dos lentes convexas para producir mayor aumento.

La teoría óptica progresó a mediados del siglo XVII con los tratados escritos por el filósofo René Descartes, que explicaban una variedad de fenómenos ópticos, incluida la reflexión y la refracción, asumiendo que la luz era emitida por los objetos que la producían. Esto difería sustancialmente de la antigua teoría griega de emisión. A fines de la década de 1660 y principios de la de 1670, Isaac Newton amplió las ideas de Descartes en una teoría del corpúsculo de la luz y determinó que la luz blanca era una mezcla de colores que se pueden separar en sus componentes con un prisma. En 1690, Christiaan Huygens propuso una teoría ondulatoria de la luz basada en las sugerencias que había hecho Robert Hooke en 1664. El propio Hooke criticó públicamente las teorías de la luz de Newton y la disputa entre los dos duró hasta la muerte de Hooke. En 1704, Newton publicóÓptica 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 establecieron firmemente la naturaleza ondulatoria de la luz. El famoso experimento de la doble rendija de Young mostró que la luz seguía el principio de superposición, que es una propiedad ondulatoria no predicha por la teoría del corpúsculo de Newton. Este trabajo condujo a una teoría de la difracción de la luz y abrió todo un campo de estudio en óptica física. La óptica ondulatoria se unificó con éxito con la teoría electromagnética por James Clerk Maxwell en la década de 1860.

El siguiente desarrollo en la teoría óptica se produjo en 1899, cuando Max Planck modeló correctamente la radiación del cuerpo negro al suponer que el intercambio de energía entre la luz y la materia solo ocurría en cantidades discretas que denominó cuantos. En 1905, Albert Einstein publicó la teoría del efecto fotoeléctrico que establecía firmemente la cuantización 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 que se ven 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 formó la base de la óptica cuántica, sino que también fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. La culminación última, la teoría de la electrodinámica cuántica, explica todos los procesos ópticos y electromagnéticos en general como resultado del intercambio de fotones reales y virtuales. La óptica cuántica ganó importancia práctica con las invenciones del máser en 1953 y del láser en 1960.

Siguiendo el trabajo de Paul Dirac en la teoría cuántica de campos, George Sudarshan, Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en las décadas de 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: la óptica geométrica (o de rayos) y la óptica física (u ondulatoria). 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 puede verse como una aproximación de la óptica física que se aplica cuando la longitud de onda de la luz utilizada es mucho más pequeña que el tamaño de los elementos ópticos en el sistema que se está modelando.

óptica geométrica

La óptica geométrica, u óptica de rayos, describe la propagación de la luz en términos de "rayos" que viajan en línea recta y cuyas trayectorias se rigen por las leyes de reflexión y refracción en las interfaces entre diferentes medios. Estas leyes se descubrieron empíricamente ya en el año 984 dC y se han utilizado en el diseño de componentes e instrumentos ópticos desde entonces hasta la actualidad. Se pueden resumir de la siguiente manera:

Cuando un rayo de luz golpea el límite entre dos materiales transparentes, se divide en un rayo reflejado y 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 incidencia dividido por el seno del ángulo de refracción es una constante:,

donde n es una constante para dos materiales cualesquiera y un color de luz dado. Si el primer material es aire o vacío, n es el índice de refracción del segundo material.

Las leyes de la reflexión y la refracción se pueden derivar del principio de Fermat que establece que el camino recorrido entre dos puntos por un rayo de luz es el camino que se puede recorrer en el menor tiempo.

Aproximaciones

La óptica geométrica a menudo se simplifica haciendo la aproximación paraxial o "aproximación de ángulo pequeño". Entonces, el comportamiento matemático se vuelve lineal, lo que permite que los componentes y sistemas ópticos se describan mediante matrices simples. Esto conduce 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 las posiciones aproximadas de imágenes y 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 piedra. Los reflejos de estas superficies solo se pueden describir estadísticamente, y la distribución exacta de la luz reflejada depende de la estructura microscópica del material. Muchos reflectores difusos se describen o se pueden aproximar mediante 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 tanto reflexión especular como difusa.

En la reflexión especular, la dirección del rayo reflejado está determinada por el ángulo que forma el rayo incidente con la superficie normal, una línea perpendicular a la superficie en el punto donde incide el rayo. Los rayos incidente y reflejado 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 la 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 especulares tienen paridad invertida, lo que percibimos como una inversión de izquierda a derecha. Las imágenes formadas a partir de la reflexión en dos (o cualquier número par) de espejos no tienen inversión de paridad. Los reflectores de esquina producen rayos reflejados que viajan de regreso en la dirección de donde provienen los rayos incidentes. Esto se llama retrorreflexión.

Los espejos con superficies curvas se pueden modelar mediante trazado de rayos y utilizando la ley de reflexión en cada punto de la superficie. Para espejos con superficies parabólicas, los rayos paralelos que inciden 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 hace que el foco se desvanezca en el espacio. En particular, los espejos esféricos exhiben aberración esférica. Los espejos curvos pueden formar imágenes con un aumento mayor o menor que uno, y el aumento puede ser negativo, lo que indica que la imagen está invertida. Una imagen vertical formada por el 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 interfase 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 incidente y refractada, 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 desviación de los rayos de luz cuando 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 hace que el rayo de luz se desvíe según la forma y la 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 que se ven en los días calurosos: un cambio en el índice de refracción del aire con la altura hace que los rayos de luz se doblen, creando la apariencia de reflejos especulares en la distancia (como si estuvieran en la superficie de una piscina de agua). Los materiales ópticos con índices de refracción variables se denominan materiales de índice de gradiente (GRIN). Dichos materiales se utilizan para fabricar ópticas de índice de gradiente.

Para los rayos de luz que viajan de un material con un alto índice de refracción a un material con un bajo índice de refracción, la ley de Snell predice que no hay cuando es grande. En este caso, no se produce 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, lo 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 lentes.

El trazado de rayos se puede utilizar para mostrar cómo una lente forma las imágenes. Para una lente delgada en el aire, la ubicación de la imagen viene dada por la ecuación simple,

donde es la distancia del objeto a la lente, es la distancia de la lente a la imagen y es la distancia focal de la lente. En la convención de signos utilizada aquí, las distancias entre el objeto y la imagen son positivas si el objeto y la imagen están en lados opuestos de la lente.

Los rayos paralelos entrantes son enfocados por 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 trasero de la lente. Los rayos de un objeto a una distancia finita se enfocan más lejos de la lente que la distancia focal; cuanto más cerca está el objeto de la lente, más lejos está 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 de una distancia focal frente a la lente. Este es el punto focal frontal de la lente. Los rayos de un objeto a una distancia finita están asociados con una imagen virtual que está más cerca de la lente que del punto focal y en el mismo lado de la lente que el objeto. Cuanto más cerca está el objeto de la lente, más cerca está 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 se producen porque la geometría de la lente no dirige perfectamente los rayos desde cada punto del objeto a un solo punto de la imagen, mientras que la aberración cromática se produce porque el índice de refracción de la lente varía con la longitud de onda de la luz.

Las imágenes de letras negras en una lente convexa delgada de distancia focal

f se muestran en rojo. Los rayos seleccionados se muestran para las letras

E,

I y

K en azul, verde y naranja, respectivamente. Nótese que

E (en 2

f) tiene una imagen real e invertida del mismo tamaño;

I (en

f) tiene su imagen en el infinito; y

K (en

f /2) tiene una imagen de doble tamaño, virtual y vertical.

óptica física

En óptica física, se considera que la luz se propaga como una onda. Este modelo predice fenómenos 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 el vacío). La longitud de onda de las ondas de luz visible varía entre 400 y 700 nm, pero el término "luz" también se aplica a menudo a la radiación infrarroja (0,7 a 300 μm) y ultravioleta (10 a 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 está "ondeando" 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 de la luz. 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 campos eléctricos y magnéticos variables que son ortogonales entre sí y también a la dirección de propagación de las ondas. Las ondas de luz ahora se tratan generalmente como ondas electromagnéticas, excepto cuando se deben considerar los efectos de la mecánica cuántica.

Modelado y diseño de sistemas ópticos mediante óptica física

Muchas aproximaciones simplificadas están disponibles para analizar y diseñar sistemas ópticos. La mayoría de estos utilizan una única cantidad escalar para representar el campo eléctrico de la onda de luz, en lugar de utilizar un modelo vectorial con vectores eléctricos y magnéticos 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 combinó con el principio de superposición de ondas. La ecuación de difracción de Kirchhoff, que se deriva usando las ecuaciones de Maxwell, pone la ecuación de Huygens-Fresnel sobre una base física más firme. Se pueden encontrar ejemplos de la aplicación del principio de Huygens-Fresnel en los artículos sobre difracción y difracción de Fraunhofer.

Cuando se trata de materiales cuyas propiedades eléctricas y magnéticas afectan la interacción de la luz con el material, se requieren modelos más rigurosos, que impliquen el modelado de campos eléctricos y magnéticos de la onda de luz. Por ejemplo, el comportamiento de una onda de luz que interactúa con una superficie metálica es bastante diferente de lo que sucede cuando interactúa con un material dieléctrico. También se debe usar un modelo vectorial para modelar la luz polarizada.

Las técnicas de modelado numérico, como el método de elementos finitos, el método de elementos de contorno y el método de matriz de línea de transmisión, se pueden utilizar para modelar la propagación de la luz en sistemas que no se pueden resolver analíticamente. Dichos modelos son computacionalmente exigentes y normalmente solo se usan para resolver problemas a pequeña escala que requieren una precisión más allá de 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 que se utilizan en la ingeniería acústica y el procesamiento de señales.

La propagación del haz gaussiano es un modelo óptico físico paraxial simple para la propagación de radiación coherente, como los rayos láser. Esta técnica tiene en cuenta parcialmente la difracción, lo que permite 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 así la brecha entre la óptica geométrica y la física.

Superposición e interferencia

En ausencia de efectos no lineales, el principio de superposición se puede utilizar para predecir la forma de las formas de onda que interactúan mediante la simple suma de las perturbaciones. Esta interacción de ondas para producir un patrón resultante generalmente se denomina "interferencia" y puede generar una variedad de resultados. Si dos ondas de la misma longitud de onda y frecuencia están en fase, tanto las crestas como los valles de las olas se alinean. Esto da como resultado una interferencia constructiva y un aumento en la amplitud de la onda, que para la luz se asocia con un aumento de la luminosidad 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 las ondas se alinearán con los valles de las ondas 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 una atenuación de la forma de onda en esa ubicación. Vea a continuación una ilustración de este efecto.

forma de onda combinada
ola 1
ola 2
	Dos ondas en fase	Dos ondas desfasadas 180°

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 interfiera consigo mismo de manera constructiva o destructiva en diferentes lugares, produciendo franjas brillantes y oscuras en patrones regulares y predecibles. La interferometría es la ciencia de medir estos patrones, generalmente como un medio para hacer determinaciones precisas de distancias o resoluciones angulares. El interferómetro de Michelson fue un instrumento famoso que utilizó efectos de interferencia para medir con precisión la velocidad de la luz.

La apariencia de películas y recubrimientos delgados se ve afectada directamente por los efectos de interferencia. Los revestimientos antirreflectantes usan interferencias destructivas para reducir la reflectividad de las superficies que recubren y pueden usarse para minimizar el deslumbramiento y los reflejos no deseados. El caso más simple es una sola capa con un espesor 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 desfasadas exactamente 180°, lo que provoca una interferencia destructiva. Las ondas solo están exactamente desfasadas para una longitud de onda, que normalmente se elegiría para estar cerca del centro del espectro visible, alrededor de 550 nm. Los diseños más complejos que utilizan varias capas pueden lograr una reflectividad baja 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 estrecho o ancho según el diseño del recubrimiento. Estas películas se utilizan para hacer espejos dieléctricos, filtros de interferencia, reflectores de calor y filtros para la separación de colores en cámaras de televisión en color. Este efecto de interferencia es también lo que causa los coloridos patrones de arcoíris que se ven en las manchas de petróleo.

Difracción y resolución óptica

La difracción es el proceso mediante el cual se observa con más frecuencia la interferencia de la luz. El efecto fue descrito por primera vez en 1665 por Francesco Maria Grimaldi, quien también acuñó el término del latín diffringere, 'romper en pedazos'. Más tarde ese siglo, Robert Hooke e Isaac Newton también describieron fenómenos que ahora se conocen como difracción en los anillos de Newton, mientras que James Gregory registró sus observaciones de patrones de difracción de plumas de aves.

El primer modelo de difracción de óptica física 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 rendijas muy juntas. Young demostró que sus resultados solo podrían explicarse si las dos rendijas actuaran 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 ondas puede explicar la difracción.

Los modelos físicos más simples de difracción usan ecuaciones que describen la separación angular de las franjas claras y oscuras debido a la luz de una longitud de onda particular (λ). En general, la ecuación toma la forma

donde es la separación entre dos fuentes de frente de onda (en el caso de los experimentos de Young, eran dos rendijas), es la separación angular entre la franja central y la franja de orden th, donde el máximo central es .

Esta ecuación se modifica levemente para tener en cuenta una variedad de situaciones, como la difracción a través de un solo espacio, la difracción a través de múltiples rendijas o la difracción a través de una red de difracción que contiene una gran cantidad de rendijas a la misma distancia. Los modelos de difracción más complicados requieren trabajar con las matemáticas de la difracción de 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 del orden de un angstrom. Para ver los patrones de difracción, se pasan a través del cristal rayos X con longitudes de onda similares a ese espacio. 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, y los puntos brillantes asociados aparecen en patrones únicos y tienen el doble de 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 apertura experimentará difracción y las mejores imágenes que se pueden crear (como se describe en la óptica limitada por difracción) aparecen como un punto central con anillos brillantes circundantes, separados por nulos oscuros; este patrón se conoce como patrón de Airy, y el lóbulo central brillante como disco de 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 de la lente. Si la separación angular de los dos puntos es significativamente menor que el radio angular del disco de Airy, entonces los dos puntos no se pueden resolver en la imagen, pero si su separación angular es mucho mayor que esto, se forman imágenes distintas de los dos puntos y se por lo tanto, puede ser resuelto. Rayleigh definió el "criterio de Rayleigh" algo arbitrario de que dos puntos cuya separación angular es igual al radio del disco de Airy (medido hasta el primer cero, es decir, hasta el primer lugar donde no se ve luz) pueden considerarse resueltos. Se puede observar 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 de 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 atmosféricas que hacen que las estrellas parpadeen. Los astrónomos se refieren a este efecto como la cualidad de la visión astronómica. Se han utilizado técnicas conocidas como óptica adaptativa para eliminar la perturbación atmosférica de las imágenes y lograr resultados que se acerquen al límite de difracción.

Dispersión y dispersión

Los procesos refractivos tienen lugar en el límite de la óptica física, donde la longitud de onda de la luz es similar a otras distancias, como una especie de dispersión. El tipo más simple de dispersión es la dispersión de Thomson, que ocurre cuando las ondas electromagnéticas son desviadas por partículas individuales. En el límite de la dispersión de 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 de 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 la dispersión por partículas que son similares o más grandes en longitud de onda se conoce como dispersión de Mie, siendo el efecto Tyndall un observado comúnmente. resultado. Una pequeña proporción de la dispersión de luz de los átomos o moléculas puede sufrir dispersión Raman, en la que la frecuencia cambia debido a la excitación de los átomos y moléculas. La dispersión de Brillouin ocurre cuando la frecuencia de la luz cambia debido a cambios locales con el tiempo y los movimientos de un material denso.

La dispersión ocurre 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 ondas óptica (dispersión de la guía de ondas). La forma más familiar de dispersión es una disminución del índice de refracción al aumentar 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 luz. En 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 que incide en un ángulo θ con respecto a la normal se refractará en un ángulo arcsen(sen (θ) / n). Por lo tanto, la luz azul, con su mayor índice de refracción, se desvía con más fuerza que la luz roja, lo que da como resultado el conocido patrón de arco iris.

La dispersión del 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 ondas depende de la constante de propagación. Ambos tipos de dispersión provocan cambios en las características de 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 la señal de la radiación y se puede cuantificar con un parámetro de retardo de dispersión de grupo:

donde es la velocidad del grupo. Para un medio uniforme, la velocidad de grupo es

donde n es el índice de refracción y c es la velocidad de la luz en el vacío. Esto da 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 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 se ralentizan más que los componentes de frecuencia más baja. Por lo tanto, el pulso se convierte en chirrido positivo o chirrido ascendente., aumentando en frecuencia con el tiempo. Esto hace que el espectro que sale de un prisma aparezca con la luz roja como la menos refractada y la luz azul/violeta como la más refractada. Por el contrario, si un pulso viaja a través de un medio dispersivo anómalo (negativamente), los componentes de alta frecuencia viajan más rápido que los de baja, y el pulso se vuelve chirrido negativo o chirrido descendente, disminuyendo su frecuencia con el tiempo.

El resultado de la dispersión de la velocidad del grupo, ya sea negativa o positiva, es, en última instancia, la dispersión temporal del pulso. Esto hace que la gestión de la dispersión sea extremadamente importante en los sistemas de comunicaciones ópticas basados ​​en fibra óptica, ya que si la dispersión es demasiado alta, un grupo de pulsos que representan información se dispersarán en el tiempo y se fusionarán, imposibilitando la extracción de la señal.

Polarización

La polarización es una propiedad general de las ondas que describe la orientación de sus oscilaciones. Para ondas transversales como muchas ondas electromagnéticas, describe la orientación de las oscilaciones en el plano perpendicular a la dirección de viaje de la onda. Las oscilaciones pueden estar orientadas en una sola dirección (polarización lineal), o la dirección de oscilación puede rotar a medida que se propaga la onda (polarización circular o elíptica). Las ondas polarizadas circularmente pueden rotar hacia la derecha o hacia la izquierda en la dirección de viaje, y cuál de esas dos rotaciones está presente en una onda se llama quiralidad de la onda.

La forma típica de considerar la polarización es realizar un seguimiento de la orientación del vector de 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 denominadas x e y (donde z indica la dirección de viaje). 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 campo eléctrico (azul), con el tiempo (los ejes verticales), en un punto particular del espacio, junto con su x y ycomponentes (rojo/izquierdo y verde/derecho), y la trayectoria trazada por el vector en el plano (morado): La misma evolución ocurriría al mirar el campo eléctrico en un momento particular mientras se hace evolucionar el punto en el espacio, a lo largo de la dirección opuesto a la propagación.

Lineal

Circular

polarización elíptica

En la figura de arriba a la izquierda, los componentes x e y de la onda de luz están en fase. En este caso, la relación de sus fuerzas es constante, por lo que la dirección del vector eléctrico (la suma vectorial de estos dos componentes) es constante. Dado que la punta del vector traza una sola línea en el plano, este caso especial se denomina 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 desfasadas 90°. 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: la componente x puede estar 90° por delante de la componente y o puede estar 90° por detrás de la componente y. En este caso especial, el vector eléctrico traza un círculo en el plano, por lo que esta polarización se llama polarización circular. La dirección de rotación en el círculo depende de cuál de las dos relaciones de fase exista y corresponde a la polarización circular derecha y la polarización circular izquierda.

En todos los demás casos, donde las 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 anterior a la derecha. Las matemáticas detalladas de la polarización se realizan utilizando 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 de ondas ópticas/retardadores (modos lineales) y en rotación de Faraday/rotación óptica (modos circulares).Si la longitud de la trayectoria 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 polarizadas ortogonalmente desplazadas de lo que se ve a través de ellos. 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 depender de la frecuencia, lo que, en combinación con el dicroísmo, a menudo da lugar a brillantes colores y efectos de arcoíris. En mineralogía, tales propiedades, conocidas como pleocroísmo, se explotan con frecuencia con el fin de identificar minerales utilizando microscopios de polarización. Además,Los métodos no birrefringentes, para rotar la polarización lineal de los haces de luz, incluyen el uso de rotadores de polarización prismática que usan la 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 denominan dicroicos, con dispositivos que bloquean casi toda la radiación en un modo conocido como filtros polarizadores 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 linealmente, la intensidad, I, de la luz que lo atraviesa viene dada por

dondeI ₀ es la intensidad inicial,y θi _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

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 polarizadores de tipo Polaroid, pero considerablemente mayor (>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 (reflexiva) 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, dependiendo la relación del ángulo de incidencia y del ángulo de refracción. De esta forma, la óptica física recupera el ángulo de Brewster. Cuando la luz se refleja en una película delgada sobre una superficie, la interferencia entre los reflejos 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 correlación parcial entre los emisores, la luz está parcialmente polarizada. Si la polarización es consistente 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 se 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 le permitieron desarrollar los primeros modelos matemáticos para la 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 utilizando filtros polarizadores para oscurecer el cielo en las fotografías. La polarización óptica es principalmente de importancia en química debido al dicroísmo circular y la rotación óptica (" birrefringencia circular ") exhibida por moléculas ópticamente activas (quirales).

óptica moderna

óptica modernaabarca las áreas de la ciencia óptica y la ingeniería que se hicieron populares en el siglo XX. Estas áreas de la ciencia óptica generalmente se relacionan con las propiedades electromagnéticas o cuánticas de la luz, pero incluyen otros temas. Un subcampo importante 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 los fotomultiplicadores y los canaltrones, responden a fotones individuales. Los sensores de imagen electrónicos, como los CCD, exhiben ruido de disparo correspondiente 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 la investigación en óptica incluyen el estudio de cómo la luz interactúa con materiales específicos como en la óptica de cristal y los metamateriales. Otras investigaciones se centran en la fenomenología de las ondas electromagnéticas en óptica singular, óptica sin imágenes, óptica no lineal, óptica estadística y 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 denomina ciencia óptica o física óptica para distinguirla de las ciencias ópticas aplicadas, a las que se hace referencia como ingeniería óptica. Los subcampos destacados de la ingeniería óptica incluyen la ingeniería de iluminación, la fotónica y la optoelectrónica con aplicaciones prácticas como el diseño de lentes, la fabricación y prueba de componentes ópticos y el 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.

Láseres

Un láser es un dispositivo que emite luz, un tipo de radiación electromagnética, a través de un proceso llamado emisión estimulada. El término láser es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. La luz láser suele ser espacialmente coherente, lo que significa que la luz se emite en un haz estrecho de baja divergencia o se puede convertir en uno con la ayuda de componentes ópticos como lentes. Debido a que el equivalente de microondas del láser, el máser, se desarrolló primero, los dispositivos que emiten microondas y radiofrecuencias generalmente se denominan máseres.

El primer láser funcional fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman en Hughes Research Laboratories. Cuando se inventaron por primera vez, se les llamó "una solución en busca de 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 láseres visible en la vida diaria de la población en general fue el lector de códigos de barras de supermercados, introducido en 1974. El reproductor de discos láser, introducido en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso en incluir un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer dispositivo equipado con láser que se volvió 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 recuperar datos. La comunicación por fibra óptica se basa en 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 de captura con láser y en aplicaciones militares como los sistemas de defensa antimisiles, las contramedidas electro-ópticas (EOCM) y lidar. Los láseres también se utilizan en hologramas, bubblegrams, espectáculos de luces láser y depilación láser.

Efecto Kapitsa-Dirac

El efecto Kapitsa-Dirac hace que los haces de partículas se difracten como resultado del encuentro con una onda de luz estacionaria. La luz se puede usar para posicionar 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 de anteojos o lentes de contacto, y la óptica es parte integral del funcionamiento de muchos bienes de consumo, incluidas las cámaras. Los arcoíris y los espejismos son ejemplos de fenómenos ópticos. La comunicación óptica proporciona la columna vertebral tanto para Internet como para la telefonía moderna.

Ojo humano

El ojo humano funciona enfocando la luz en 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 ingresa al ojo pasa primero a través de la córnea, que proporciona gran parte de la potencia óptica del ojo. Luego, la luz continúa a través del líquido justo detrás de la córnea, la cámara anterior, y luego pasa a través de la pupila. Luego, la luz pasa a través de la lente, que enfoca aún más la luz y permite el ajuste del enfoque. Luego, la luz atraviesa el cuerpo principal de líquido del ojo, el humor vítreo, y llega a la retina. Las células de la retina recubren la parte posterior del ojo, excepto por donde sale el nervio óptico; esto resulta en un punto ciego.

Hay dos tipos de células fotorreceptoras, bastones y conos, que son sensibles a diferentes aspectos de la luz. Los bastones 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. Los bastones no están presentes en la fóvea, el área de la retina responsable de la visión central, y no responden tan bien como los conos a los cambios espaciales y temporales de la luz. Sin embargo, hay veinte veces más bastones que conos en la retina porque los bastones están presentes en un área más amplia. Debido a su distribución más amplia, los bastones son responsables de la visión periférica.

Por el contrario, las células cónicas son menos sensibles a la intensidad general de la luz, pero vienen 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. Los conos están altamente concentrados en la fóvea y tienen una alta agudeza visual, lo que significa que tienen una mejor resolución espacial que los bastones. Dado que los conos no son tan sensibles a la luz tenue como los bastones, la mayor parte de la visión nocturna se limita a los bastones. Del mismo modo, dado que las células cónicas se encuentran en la fóvea, la visión central (incluida la visión necesaria para realizar la mayor parte de la lectura, el trabajo de detalles finos, como la costura o el examen cuidadoso de los objetos) se realiza mediante células cónicas.

Los músculos ciliares alrededor del cristalino permiten ajustar el enfoque del ojo. Este proceso se conoce como acomodación. El punto cercano y el punto lejano definen las distancias más cercana y más lejana del ojo en las que un objeto puede enfocarse 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 del cristalino y de lo inflexible que se ha vuelto el cristalino con la edad. Los optometristas, oftalmólogos y ópticos suelen considerar que un punto cercano apropiado está más cerca que la distancia de lectura normal, aproximadamente 25 cm.

Los defectos en la visión se pueden explicar utilizando principios ópticos. A medida que las personas envejecen, el cristalino 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 su lente lo suficiente como para permitir que los objetos cercanos se visualicen en su retina. Por el contrario, las personas que no pueden aumentar la distancia focal de su lente lo suficiente como para permitir que los objetos distantes se visualicen 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 está más curvada 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 brinda la curvatura adicional necesaria para acercar el punto cercano al ojo, mientras que para la miopía, una lente divergente brinda la curvatura necesaria para enviar el punto lejano al infinito. El astigmatismo se corrige con una lente de superficie cilíndrica que se curva más 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, 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 lentes que también corrigen el astigmatismo, se dan tres números: uno para el poder esférico, uno para el poder cilíndrico y uno para el ángulo de orientación del astigmatismo.

Efectos visuales

Las ilusiones ópticas (también llamadas ilusiones visuales) se caracterizan por imágenes percibidas visualmente 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 fotografiando. Las ilusiones ópticas pueden ser el resultado de una variedad de fenómenos, incluidos los efectos físicos que crean imágenes que son diferentes de los objetos que las crean, 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 la habitación de Ames, Hering, Müller-Lyer, Orbison, Ponzo, Sander y Wundt se basan en la sugerencia de la apariencia de la distancia mediante el uso de líneas convergentes y divergentes, de la misma manera que los rayos de luz paralelos (o de hecho cualquier conjunto de líneas paralelas) parecen converger en un punto de fuga en el infinito en imágenes bidimensionales con perspectiva artística. Esta sugerencia también es responsable de la famosa ilusión de la luna en la que la luna, a pesar de tener esencialmente el mismo tamaño angular, parece mucho más grande cerca del horizonte que en el cenit.Esta ilusión confundió tanto a Ptolomeo que incorrectamente la atribuyó 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, la espiral de Fraser, las ilusiones de Poggendorff y Zöllner. Relacionados, pero no estrictamente ilusiones, hay patrones que ocurren debido a la superposición de estructuras periódicas. Por ejemplo, los tejidos transparentes con una estructura de cuadrícula producen formas conocidas como patrones muaré, mientras que la superposición de patrones transparentes periódicos que comprenden líneas o curvas opacas paralelas produce patrones muaré de líneas.

Instrumentos ópticos

Los lentes simples tienen una variedad de aplicaciones que incluyen lentes fotográficos, lentes correctivos y lupas, mientras que los espejos simples se usan en reflectores parabólicos y espejos 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 la visualización alrededor de las obstrucciones. Los instrumentos ópticos compuestos más famosos en la ciencia son el microscopio y el telescopio, ambos 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 fue diseñada 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. Generalmente, se utiliza una fuente de iluminación adicional, ya que las imágenes ampliadas son más tenues debido a la conservación de la energía y la dispersión de los rayos de luz sobre un área de superficie más grande. Los microscopios modernos, conocidos como microscopios compuestos, tienen muchas lentes (generalmente cuatro) para optimizar la funcionalidad y mejorar la estabilidad de la imagen.Una variedad ligeramente diferente de microscopio, el microscopio de comparación, mira imágenes una al lado de la otra para producir una vista binocular estereoscópica que parece tridimensional cuando la usan los 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 fue diseñada 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 de una distancia focal mucho más pequeña. El objetivo principal de un telescopio no es necesariamente el aumento, sino la recolección de luz que está determinada por el tamaño físico de la lente del objetivo. Por lo tanto, los telescopios normalmente se indican por los diámetros de sus objetivos en lugar de por el aumento que se puede cambiar cambiando los oculares. Como el aumento de un telescopio es igual a la distancia focal del objetivo dividida por la distancia focal del ocular,

Dado que fabricar lentes grandes es mucho más difícil que fabricar grandes espejos, la mayoría de los telescopios modernos son telescopios reflectores, es decir, telescopios que usan un espejo principal en lugar de una lente objetivo. Las mismas consideraciones ópticas generales se aplican a los telescopios reflectores que se aplican a los telescopios refractores, es decir, cuanto más grande es el espejo primario, más luz se recolecta y el aumento sigue siendo igual a la distancia focal del espejo primario dividida por la distancia focal del ocular.. Los telescopios profesionales generalmente no tienen oculares y en su lugar colocan un instrumento (a menudo un dispositivo acoplado por carga) en el punto focal.

Fotografía

La óptica de la fotografía involucra tanto lentes como el 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 el plano que se resume en la relaciónExposición ∝ Área de apertura × Tiempo de exposición × Luminancia de escena

En otras palabras, cuanto más pequeña es la apertura (lo que proporciona una mayor profundidad de enfoque), menos luz entra, por lo que se debe aumentar el período de tiempo (lo que genera una posible borrosidad 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 a la luz del día.

La apertura de una cámara se mide mediante un número sin unidades llamado número f o número f, f /#, a menudo anotado como , y dado por

donde es la distancia focal, y es el diámetro de la pupila de entrada. Por convención, " f /#" se trata como un solo símbolo 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 una lente de 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 entre el tamaño de la diagonal de la película o el tamaño del sensor de la cámara y la distancia focal de la lente:

• Lente normal: ángulo de visión de unos 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 del sensor.
• Lente gran angular: ángulo de visión más amplio que 60° y distancia focal más corta que una lente normal.
• Lente de enfoque largo: ángulo de visión más estrecho que una lente normal. Esta es cualquier lente con una distancia focal mayor que la medida diagonal de la película o el sensor. El tipo más común de lente de enfoque largo es el teleobjetivo, un diseño que utiliza un grupo de teleobjetivo especial para ser físicamente más corto que su distancia focal.

Los lentes de zoom modernos pueden tener algunos o todos estos atributos.

El valor absoluto del tiempo de exposición requerido depende de cuán sensible a la luz sea el medio que se utiliza (medido por la velocidad de la película o, para medios digitales, por la eficiencia cuántica). Las primeras fotografías usaban 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 de cámara en particular está determinada por el límite de difracción asociado con el tamaño de la pupila y dada, aproximadamente, por el criterio de Rayleigh.

óptica atmosférica

Las propiedades ópticas únicas de la atmósfera provocan 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) hacia el 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 el amanecer o el atardecer. Las partículas adicionales en el cielo pueden dispersar diferentes colores en diferentes ángulos creando cielos brillantes y coloridos al atardecer y al amanecer. La dispersión de cristales de hielo y otras partículas en la atmósfera son responsables de halos, resplandores posteriores, coronas, rayos de sol y perros solares. La variación en este tipo de fenómenos se debe a los diferentes tamaños y geometrías de las partículas.

Los espejismos son fenómenos ópticos en los que los rayos de luz se desvían debido a las 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 salir 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 arcoíris son el resultado de una combinación de reflexión interna y refracción dispersiva de la luz en las gotas de lluvia. Un solo reflejo en la parte posterior de una serie de gotas de lluvia produce un arco iris con un tamaño angular en el cielo que varía de 40° a 42° con rojo en el exterior. Los 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 arco iris se ven con el sol a 180° del centro del arco iris, los arco iris son más prominentes cuanto más cerca está el sol del horizonte.