Te encuentras con lentes todos los días. Ya sea el lente de la cámara de su teléfono celular, los lentes de los anteojos o los lentes de contacto que usa para ver con claridad, lupas, microscopios, telescopios o algo completamente diferente, la física de las lentes explica cómo se puede usar una simple pieza de vidrio para ampliar, minimizar o enfocar imágenes para cualquier propósito.
Esencialmente, las lentes funcionan doblando los rayos de luz que las atraviesan a través de la refracción, pero este punto básico se puede implementar de diferentes formas que varían según el tipo de lente. Afortunadamente, los conceptos básicos de estos lentes son fáciles de entender cuando aprende un poco más sobre su funcionamiento.
¿Qué es una lente?
Una lente es una pieza de material transparente que tiene la forma de hacer que los rayos de luz se doblen de una manera específica a medida que pasar a través de él, ya sea que eso signifique hacer que los rayos converjan en un punto específico o que diverjan como si fueran de un punto específico. punto. El material utilizado puede ser una pieza de vidrio o plástico, y la forma de la lente determina si hace que los rayos de luz converjan o diverjan. La palabra "lente" proviene de la palabra latina para "lenteja", debido a la similitud de forma entre una lente convergente y la leguminosa.
La curvatura real de los rayos de luz producidos por una lente se produce porque el material de la lente tiene un índice de refracción diferente al del aire circundante. Este comportamiento está descrito por la ley de refracción de Snell, que relaciona el ángulo diferente entre el rayo de luz incidente y refractado con los índices de refracción de los dos materiales.
En resumen, la ley dice que si va de una sustancia con un índice de refracción más bajo a una más alta (por ejemplo, del aire al vidrio), el rayo de luz se desvía hacia lo "normal" a lo superficie (es decir, hacia la dirección perpendicular a la superficie en ese punto) y que lo contrario es cierto para los rayos de luz que van de un material de índice de refracción más alto a un material de índice de refracción más bajo uno.
Definiciones
Hay bastantes términos únicos que se utilizan en óptica, y comprenderlos es fundamental si está estudiando la física de las lentes.
- La punto focal es el punto donde convergen los rayos paralelos al pasar por una lente.
- La longitud focal de una lente es la distancia desde su centro al punto focal, que define esencialmente el "poder de flexión" de una lente.
- La eje óptico es la línea de simetría de la lente.
- A rayo de luz es una aproximación de la trayectoria de la luz, donde se utilizan líneas rectas para representar el movimiento de las ondas de luz (o fotones). Cada punto de un objeto produce rayos de luz en todas las direcciones posibles, pero generalmente se eligen unos pocos rayos específicos para determinar la ubicación de la imagen resultante.
- Un lente óptica es una sola pieza de material diseñada para hacer que los rayos de luz converjan (lente convexa) o diverjan (lente cóncava).
- A lente biconvexa es una lente óptica simple con dos lados convexos (que produce la forma de lenteja que le dio su nombre a las lentes), a veces llamada lente convexa-convexa y que tiene una distancia focal positiva por definición. Se utilizan en lupas, telescopios, microscopios e incluso en el ojo humano.
- La profundidad de campo describe el rango de distancias a las que los objetos están enfocados cuando se ven a través de una lente, y es una terminología común en la fotografía en particular. Dado que los sensores de luz en las cámaras son de un tamaño fijo, si la imagen es levemente desenfocado, pero la cantidad de error es lo suficientemente pequeña, en realidad no se registrará como desenfocado. Este rango de enfoque es la profundidad de campo.
- La lente principal es un objetivo que se utiliza en fotografía con una distancia focal fija, a diferencia de los objetivos con zoom, donde se puede cambiar la distancia focal. En otros contextos, sin embargo, la lente principal se puede utilizar para referirse a la lente principal en un sistema compuesto por múltiples lentes.
Diagramas de rayos
Los diagramas de rayos son una herramienta extremadamente útil en óptica y se utilizan para encontrar la ubicación donde se formará una imagen en función de la ubicación del objeto y la lente. Al dibujar una luz clave que emerge de un objeto y marcar su camino a medida que pasan a través de la lente, el punto donde se encuentran es donde se formará la imagen.
Este proceso se puede realizar utilizando la ley de refracción de Snell, pero algunos trucos también pueden simplificar el proceso. Por ejemplo, un rayo que atraviesa el centro de la lente apenas se desvía, y uno que golpea la lente perpendicular al eje óptico se refracta para pasar a través del punto focal para el lente.
La imagen producida por la lente puede ser real o virtual. Para una imagen real, los rayos de luz convergen para formar una imagen en una ubicación específica, y podría ver esa imagen si coloca una pantalla en esa ubicación. En el ojo humano y la región detrás de la lente de una cámara, se utilizan células o materiales fotosensibles para captar esta imagen.
Una imagen virtual es diferente: cuando los rayos divergen de una lente, su orientación la hace Mira como si vinieran de la ubicación de la imagen virtual. En otras palabras, si sigue los rayos refractados hacia atrás pero solo siguiendo líneas rectas, todos convergerán en la ubicación de la imagen virtual. Sin embargo, los rayos de luz no convergen físicamente en esta ubicación, y si coloca una pantalla allí, no verá una imagen.
Tipos de lentes y cómo funcionan
La lente de una cámara es uno de los tipos de lentes más familiares con los que te encuentras a diario, y estos vienen en muchos tipos diferentes, aunque todos comparten los mismos principios básicos de funcionamiento descritos previamente.
Una lente principal es una lente básica con una distancia focal fija, y una lente con zoom tiene una distancia focal variable, por lo que no tiene que cambiar físicamente su ubicación para enfocar algo. Una lente gran angular es un tipo de lente con una distancia focal muy pequeña que aumenta drásticamente el campo de visión, y una lente ojo de pez es esencialmente una versión extrema de una lente gran angular.
Otros ejemplos son los teleobjetivos, que tienen distancias focales muy largas y están destinados a capturar sujetos que están lejos de distancia, y lentes macro que están diseñados para enfocar a distancias muy cercanas y producir versiones de tamaño real o ampliadas de objetos.
Otros tipos comunes de lentes son los lentes para anteojos o los lentes de contacto, y ambos funcionan para corregir los problemas de visión. Si es "miope", esto significa que sus lentes oculares crean imágenes frente a la retina sensible a la luz en su ojo, por lo que necesita lentes divergentes (cóncavas) para mover la imagen más atrás.
Si tiene "hipermetropía", los lentes de sus ojos producirían una imagen más atrás que sus retinas, por lo que necesita lentes convergentes para corregir este problema.
Tanto los lentes de contacto como los anteojos corrigen esto de la misma manera: agregando un lente correctivo adicional para que la La distancia focal de su ojo coincide con la distancia a su retina, pero hay diferencias porque los lentes de contacto se colocan directamente en su ojos. En una lente de contacto, la lente no necesita cubrir tanto espacio (solo necesita ser lo suficientemente grande para su pupila en su máxima dilatación) y puede lograr esto con menos material. En el caso de los lentes de anteojos, el lente debe cubrir un área mucho más grande y, como resultado, es más grueso.