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FUNDAMENTO OPTICA FISIOLOGICA
I. Conceptos físicos fundamentaes de !ptica
La luz y los fenómenos relacionados con ella han desempeñado un papel fundamental en la evolución y el
desarrollo de la humanidad. Difícil seria imaginar un mundo envuelto en la eterna oscuridad; lo que sí es
claro es que sería diferente del mundo en que viviríamos… Y mucho menos interesante. La física
macroscópica llego a estalecer sus leyes viendo a los o!etos. De esta manera" #alileo #alilei" estaleció
la ley de la caída lire de los cuerpos y $epler encontró las leyes del moviente de los planetas.
%l agente que lleva la información del sistema físico del oservador" al físico o astrónomo e&perimental"
es la luz que penetra su sentido de la visión. 'omando esto en cuenta" no es de sorprender que la óptica
haya surgido una de las primeras ramas de las ciencias naturales" desde las (pocas muy remotas el homre
se han sentido atraído por los fenómenos luminosos" que despertaan en el gran curiosidad y" que le
aportaan" adem)s una variedad de eneficios pr)cticos.
La óptica es la rama de la física que se ocupa de la propagación y el comportamiento de la luz. %n un
sentido amplio" la luz es la zona del espectro de radiación electromagn(tica que se e&tiende desde los
rayos * hasta las microondas" e incluye la energía radiante que produce la sensación de la visión. %l
estudio de la óptica se divide en dos ramas" la óptica geom(trica y la óptica física
La u"
La luz al igual que el sonido es una onda que propaga energía sin propagar masa. La luz es esencial para
toda clase de vida que hay sore la tierra porque las plantas utilizan la energía solar en forma de luz para
sintetizar los carohidratos a partir de dió&ido de carono y el agua +fotosíntesis,. - su vez" las plantas
son la ase de la cadena alimenticia de los animales.
La luz" como el sonido" tami(n proporciona a los animales información vital acerca acerca de su medio
amiente. Los animales superiores han desarrollado mecanismos comple!os para detectar la luz" aunque
algunos animales con historias evolutivas divergentes" como los artrópodos y cordados han desarrollado
aparatos muy diferentes para detectar la luz. Lo que ve un animal depende de las propiedades físicas
particulares de la luz a la que es sensile su o!o. %l homre tiene uena visión para el color +detección defrecuencias, mientras que las ae!as detectan tanto el color de polarizacion de la luz.
P#opiedades !pticas de a u"$
Espect#o eect#oma%n&tico
e denomina espectro electromagn(tico a la distriución energ(tica del con!unto de las ondas
electromagn(ticas. /eferido a un o!eto se denomina espectro electromagn(tico o simplemente espectro a
la radiación electromagn(tica que emite +espectro de emisión, o asore +espectro de asorción, una
sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera an)loga a una huella dactilar. Los
espectros se pueden contemplar mediante espectroscopios que" adem)s de permitir oservar el espectro"
permiten realizar medidas sore el mismo" como son la longitud de onda" la frecuencia y la intensidad de
la radiación. La longitud de una onda es el período espacial de la misma" es decir" la distancia que hay de
pulso a pulso.
0recuencia es una magnitud que mide el n1mero de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier
fenómeno o suceso periódico.
%l espectro electromagn(tico se e&tiende desde la radiación de menor longitud de onda" como los rayos
gamma y los rayos *" pasando por la luz ultravioleta" la luz visile y los rayos infrarro!os" hasta las ondas
electromagn(ticas de mayor longitud de onda" como son las ondas de radio. e cree que el límite para la
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longitud de onda m)s pequeña posile es la longitud de 2lanc3 mientras que el límite m)&imo sería el
tamaño del 4niverso aunque formalmente el espectro electromagn(tico es infinito y continuo.
2ara su estudio" el espectro electromagn(tico se divide en segmentos o andas" aunque esta división es
ine&acta.
Banda Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Energía (J)
Rayos gamma < 10x10−12m > 30,0x1018Hz > 20·10−15 J
Rayos X < 10x10−9m > 30,0x1015Hz > 20·10−18 J
Ultraviolta xtrmo < 200x10−9m > 1,5x1015Hz > 993·10−21 J
Ultraviolta !r!a"o < 380x10−9m > #,89x101$Hz > 523·10−21 J
%&z 'isi(l < #80x10−9m > 38$x1012Hz > 255·10−21 J
)"*rarro+o !r!a"o < 2,5x10−m > 120x1012Hz > #9·10−21 J
)"*rarro+o m-io < 50x10−m > ,00x1012Hz > $·10−21 J
)"*rarro+o l+a"o.s&(milim/tri!o < 1x10−3m > 300x109Hz > 200·10−2$ J
i!roo"-as < 10−2m > 3x108Hz" 1 > 2·10−2$ J
Ultra lta r!&"!ia 4 Ra-io < 1 m > 300x10Hz > 198·10−2 J
&y lta r!&"!ia 4 Ra-io < 10 m > 30x10Hz > 198·10−28 J
"-a 6orta 4 Ra-io < 180 m > 1,#x10Hz > 1122·10−28 J
"-a -ia 4 Ra-io < 50 m > 50x103Hz > $29·10−29 J
"-a %arga 4 Ra-io < 10x103m > 30x103Hz > 198·10−30 J
&y 7a+a r!&"!ia 4 Ra-io > 10x103m < 30x103Hz < 198·10−30 J
Tipos de #adiaci!n
/adiofrecuencia
Las ondas de radio suelen ser utilizadas mediante antenas del tamaño apropiado +seg1n el principio de
resonancia," con longitudes de onda en los límites de cientos de metros a apro&imadamente un milímetro.
e usan para la transmisión de datos" a trav(s de la modulación. La televisión" los tel(fonos móviles" las
resonancias magn(ticas" o las redes inal)mricas y de radio5aficionados" son algunos usos populares de
las ondas de radio.
6icroondas
La frecuencia super alta +70, y la frecuencia e&tremadamente alta +%70, de las microondas son las
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siguientes en la escala de frecuencia. Las microondas son ondas los suficientemente cortas como para
emplear guías de ondas met)licas tuulares de di)metro razonale. La energía de microondas se produce
con tuos 3listrón y tuos magnetrón" y con diodos de estado sólido como los dispositivos #unn e
862-''. Las microondas son asoridas por la mol(culas que tienen un momento dipolar en líquidos. %n
un horno microondas" este efecto se usa para calentar la comida. La radiación de microondas de a!aintensidad se utiliza en 9i50i.
/ayos '
La radiación de terahertzios +o /ayos ', es una región del espectro situada entre el infrarro!o le!ano y las
microondas. 7asta hace poco" este rango estaa muy poco estudiado" ya que apenas haía fuentes para la
energía microondas en el e&tremo alto de la anda +ondas sumilim(trica o tami(n llamadas ondas
terahertzios,. in emargo" est)n apareciendo aplicaciones para mostrar im)genes y comunicaciones. Los
científicos tami(n uscan aplicar la tecnología de rayos ' en las fuerzas armadas" donde podrían usarse
para dirigirlas a las tropas enemigas" ya que las ondas de alta frecuencia incapacitan los equipos
electrónicos.
/adiación infrarro!a
La parte infrarro!a del espectro electromagn(tico cure el rango desde apro&imadamente los : #7z +<
mm, hasta los = '7z +>? nm,. 2uede ser dividida en tres partes@
/adiación infrarro!a
La parte infrarro!a del espectro electromagn(tico cure el rango desde apro&imadamente los : #7z +<
mm, hasta los = '7z +>? nm,. 2uede ser dividida en tres partes@
• 8nfrarro!o le!ano" desde : #7z +< mm, hasta : '7z +< Am,.
• 8nfrarro!o medio" desde : a <B '7z +< a B.? Am,.
8nfrarro!o cercano" desde <B a = '7z +B? a >? nm,
/adiación visile +luz,
La frecuencia por encima del infrarro!o es la de la luz visile. %ste es el rango en el que el ol y las
estrellas similares a (l emiten la mayor parte de su radiación. Co es proalemente una coincidencia que
el o!o humano sea sensile a las longitudes de onda que el sol emite con m)s fuerza. La luz visile +y la
luz cercana al infrarro!o, son asoridas y emitidas por electrones en las mol(culas y )tomos que se
mueven desde un nivel de energía a otro. La luz que vemos con nuestros o!os es realmente una parte muy
pequeña del espectro electromagn(tico. 4n arco iris muestra la parte óptica +visile, del espectro
electromagn(tico; el infrarro!o +si pudiera verse, estaría localizado !usto a continuación del lado ro!o del
arco iris" mientras que el ultravioleta estaría tras el violeta.
La radiación electromagn(tica con una longitud de onda entre apro&imadamente = nm y > nm es
detectado por el o!o humano y perciida como luz visile. - otras longitudes de onda" sore todo al
infrarro!o cercano +m)s largo de > nm, y al ultravioleta +m)s corto que = nm, tami(n se les llama
luz a veces" sore todo cuando la visiilidad para los humanos no es relevante.
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Luz ultravioleta
La siguiente frecuencia en el espectro es el ultravioleta +o rayos 4," que es la radiación cuya longitud de
onda es m)s corta que el e&tremo violeta del espectro visile.
-l ser muy energ(tica" la radiación ultravioleta puede romper enlaces químicos" haciendo a las mol(culas
e&cepcionalmente reactivas o ioniz)ndolas" lo que camia su comportamiento. Las quemaduras solares"
por e!emplo" est)n causadas por los efectos per!udiciales de la radiación 4 en las c(lulas de la piel" y
pueden causar incluso c)ncer de piel si la radiación daña las mol(culas de -DC comple!as en las c(lulas
+la radiación 4 es un mut)geno,. %l ol emite una gran cantidad de radiación 4" lo que podría
convertir r)pidamente la 'ierra en un desierto est(ril si no fuera porque" en su mayor parte" es asorida
por la capa de ozono de la atmósfera antes de alcanzar la superficie.
/ayos *
Despu(s del ultravioleta vienen los rayos *. Los rayos * duros tienen longitudes de onda m)s cortas que
los rayos * suaves. e usan generalmente para ver a trav(s de algunos o!etos" así como para la física de
alta energía y la astronomía. Las estrellas de neutrones y los discos de acreción alrededor de los agu!eros
negros emiten rayos *" lo que nos permite estudiarlos.
/ayos gamma
Despu(s de los rayos * duros vienen los rayos gamma. on los fotones m)s energ(ticos" y no se conoce el
límite m)s a!o de su longitud de onda. on 1tiles a los astrónomos en el estudio de o!etos o regiones de
alta energía" y son 1tiles para los físicos gracias a su capacidad penetrante y su producción de
radioisótopos. La longitud de onda de los rayos gamma puede medirse con gran e&actitud por medio de
dispersión Eompton.
Natu#ae"a de a u"
e e&plica por medio de las teorías@
Teo#ía Co#puscua#@ 8saac CeFton fue el creador de esta teoría la cual dice que la luz tiene pequeñas
partículas llamadas corp1sculos los cuales no tienen masa" los cuales son emitidos por
las fuentes luminosas. %stos corp1sculos se mueven en línea recta y a gran velocidad" por este motivo son
capaces de atravesar los cuerpos transparentes lo que nos de!a ver a trav(s de ellos" en camio en los
cuerpos opacos los corp1sculos reotan por esta razón no podemos ver a trav(s de ellos.
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'eoría Eorpuscular %sta teoría solo permite e&plicar algunos fenómenos de la luz como la refracción y la
refle&ión pero no las interferencias y la difracción. 2or lo tanto sigue siendo una teoría ya que no permite
aclarar en su totalidad la naturaleza de la luz.
Teo#ía Onduato#ia$ %sta teoría fue creada por el científico Ehristian 7uygens" su teoría postula que la
luz que es emitida por una fuente luminosa forma ondas" las cuales son formadas por
el movimiento natural de las ondas cuando estas se propagan por alg1n medio o por el vacío" ya que la luz pertenece a las ondas electromagn(ticas. %sta teoría si permite e&plicar la difracción y la interferencia
luminosas
Teo#ía Eect#oma%n&tica$ %sta teoría pertenece a 6a&Fell" quien relaciona los fenómenos magn(ticos
con los fenómenos el(ctricos. Lo que postula 6a&Fell es que una variación en el campo el(ctrico genera
una variación en el campo magn(tico y viceversa. 2or lo tanto la luz es una onda transversal y
electromagn(tica que se propaga a trav(s de ondas perpendiculares entre sí. %sta teoría de!a sin
e&plicación la asorción de la luz y la emisión por cuerpos incandecentes.
Teo#ía de os cuantos@ %sta teoría fue creada por 2lanc3" y postula que los intercamios de energía entre
la materia y la luz son posiles pero en cantidades finitas o cuantos de luz" los que llamaremos fotones.
%sta teoría no e&plica los fenómenos de tipo ondulatorios" como las interferencias" la difracción. %sta
teoría se contrapone con la teoría electromagn(tica.
Poa#i"aci!n de a u"
%s una propiedad de las ondas que pueden oscilar con m)s de una orientación. %sto se refiere
normalmente a las llamadas ondas transversales" en particular se suele halar de las ondas
electromagn(ticas" aunque tami(n se puede dar en otras ondas longitudinales. 2or otra parte" las ondas
de sonido en un gas o líquido son ondas e&clusivamente longitudinales en la que la oscilación va siempre
en la dirección de la onda; por lo que no se hala de polarización en este tipo de ondas.
Lentes con'e#%entes ( di'e#%entes
Los entes con'e#%entes son gruesas en el centro y m)s delgadas en los e&tremos superior e inferior"
pueden tener amas caras conve&as o una plana y una conve&a.
Los entes di'e#%entes son delgadas en el centro y m)s gruesas en los e&tremos superior e inferior"
pueden tener amas caras cóncavas o una plana y una cóncava.
Eementos de os entes$
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oco ( ): Punto por el que pasan todos los rayos refractados por la lente –en el caso de la
lente convergente-, o las prolongaciones de éstos –en el caso de la lente divergente-.
Llamaremos primer foco al foco que est antes de la lente y segundo foco al que est detrs.
!entro de la curvatura (! ): !ada lente est compuesta por dos super"cies esféricas, el
centro de esas esferas es el centro de curvatura.
#$e %ptico: L&nea 'ori(ontal que pasa por el foco y el centro de curvatura.
!entro %ptico (): !entro geométrico de la lente
Facto#es de enfo)ue ( fo#maci!n de ima%en de entes con'e#%entes ( di'e#%entes
2ara estudiar la formación de im)genes por lentes" es necesario mencionar algunas de las características
que permiten descriir de forma sencilla la marcha de los rayos.
• 2lano óptico. %s el plano central de la lente.
• Eentro óptico G. %s el centro geom(trico de la lente. 'iene la propiedad de que todo rayo que
pasa por (l no sufre desviación alguna.
• %!e principal. %s la recta que pasa por el centro óptico y es perpendicular al plano óptico.
• 0ocos principales 0 y 0H +foco o!eto y foco imagen" respectivamente,. on un par de puntos"
correspondientes uno a cada superficie" en donde se cruzan los rayos +o sus prolongaciones, que
inciden sore la lente paralelamente al e!e principal.
• Distancia focal f. %s la distancia entre el centro óptico G y el foco 0.
• Lentes convergentes. 2ara proceder a la construcción de im)genes deidas a lentes convergentes"
se deen tener presente las siguientes reglas@
Euando un rayo incide sore la lente paralelamente al e!e" el rayo emergente pasa por el foco imagen 0H.
8nversamente" cuando un rayo incidente pasa por el foco o!eto 0" el rayo emergente discurre paralelamente al e!e. 0inalmente" cualquier rayo que se diri!a a la lente pasando por el centro óptico se
refracta sin sufrir ninguna desviación.
Lente con'e#%ente
Euando se aplican estas reglas sencillas para determinar la imagen de un o!eto por una lente
convergente" se otienen los siguientes resultados@
5 i el o!eto est) situado respecto del plano óptico a una" la imagen es real" invertida y de menor tamaño.
5 i el o!eto est) situado a una distancia del plano óptico igual a Bf" la imagen es real" invertida y de igual
tamaño.
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5 i el o!eto est) situado a una distancia del plano óptico comprendida entre Bf y f" la imagen es real"
invertida y de mayor tamaño.
5 i el o!eto est) situado a una distancia del plano óptico inferior a f" la imagen es virtual" directa y de
mayor tamaño.
Lentes di'e#%entes
La construcción de im)genes formadas por lentes divergentes se lleva a cao de forma seme!ante"
teniendo en cuenta que cuando un rayo incide sore la lente paralelamente al e!e" es la prolongación del
rayo emergente la que pasa por el foco o!eto 0. -simismo" cuando un rayo incidente se dirige hacia el
foco imagen 0H de modo que su prolongación pase por (l" el rayo emergente discurre paralelamente al e!e.
0inalmente y al igual que sucede en las lentes convergentes" cualquier rayo que se diri!a a la lente
pasando por el centro óptico se refracta sin sufrir desviación.
-unque para lentes divergentes se tiene siempre que la imagen resultante es virtual" directa y de menor
tamaño" la aplicación de estas reglas permite otener f)cilmente la imagen de un o!eto situado a
cualquier distancia de la lente.
Const#ucci!n %#*fica de im*%enes en as entes con'e#%entes
I 8m)genes reales" son aquellas capaces de ser reciidas sore una pantalla uicada en tal forma de que
entre ella y el o!eto quede la lente.
I 8magen virtual" est) dada por la prolongación de los rayos refractados" no se puede reciir la imagen en
una pantalla.
<J. %l o!eto est) a una distancia dole de la distancia focal. La imagen otenida es@ real" invertida" de
igual tamaño" y tami(n a distancia dole de la focal.
BJ. %l o!eto est) a distancia mayor que el dole de la distancia focal. /esulta una imagen@ real invertida"
menor" formada a distancia menor que el o!eto.
:J. %l o!eto est) entre el foco y el dole de la distancia focal. La imagen otenida es@ real invertida"
mayor" y se forma a mayor distancia que el dole de la focal.
=J. %l o!eto est) entre el foco y el centro óptico. e otiene una imagen@ virtual" mayor" derecha" formada
del lado donde se coloca el o!eto.
?J. %l o!eto est) en el foco principal" no se otiene ninguna imagen.