Microscopía

CAPÍTULO 2
NOCIONES BÁSICAS DE ÓPTICA.

2.1.-La Luz: Naturaleza y características

2.3.-Lentes, tipos y propiedades. Conceptos Básicos

El término lente es el nombre asignado a una pieza de vidrio, plástico u otro material transparente, generalmente de diámetro circular, que posee dos superficies pulidas y diseñadas de una manera específica para producir la convergencia o divergencia de los rayos luminosos que la atraviesan. La acción de una lente depende de los principios de refracción y reflexión, los cuales pueden entenderse mediante unas sencillas reglas de geometría que rigen el paso y trayecto de la luz a través de la lente. Estos conceptos son materia de estudio de la Óptica Geométrica y permiten comprender el proceso de magnificación, las propiedades de las imágenes real y virtual, así como también los defectos (aberraciones) de las lentes (11, 41).

La palabra lente proviene del latín "lentis" que significa "lenteja" por lo que a las lentes ópticas se les llama así por su semejanza con la forma de la legumbre (42).

Las lentes son instrumentos ópticos que concentran o dispersan los rayos de luz. Sus dos superficies pueden ser curvas (biconvexas, bicóncavas o cóncavo-convexas) o una de ellas puede ser plana (plano-convexas, plano-cóncavas) (fig 2-7). Las lentes de superficies convexas se denominan positivas, convergentes, recolectoras o de aumento. Las lentes de superficies cóncavas son conocidas como negativas, divergentes, de dispersión y producen una imagen reducida (11)

Figura 2-7.-Diversos tipos de lentes. Modificado de Lente. Wikipedia, Enciclopedia Libre (42).

La luz se propaga con una trayectoria rectilínea y con una velocidad constante en cada medio. Cuando incide en un objeto, el rayo luminoso se comporta de diversas maneras, produciéndose: Refracción, Reflexión, Difracción, Absorción-Transmisión, Interferencia y Polarización. Describiremos someramente la refracción y la reflexión por su utilidad en la formación de las imágenes aumentadas por las lentes.

2.3.1.-Refracción:
Las propiedades de las lentes se deben gracias a los fenómenos de refracción que experimentan los rayos luminosos que las atraviesan. Cuando una radiación electromagnética en la forma de rayo luminoso, denominado incidente, viaja de un medio o una superficie y atraviesa otro medio, las ondas luminosas sufren el fenómeno conocido como refracción, el cual se manifiesta mediante una desviación en la dirección de la luz (43). Si el rayo incidente llega de manera perpendicular a la superficie de una lámina de vidrio, de superficies paralelas, no es desviado de su trayecto rectilíneo, pasando del aire al vidrio y de este último al aire nuevamente. Por el contrario, si el rayo incide de manera oblicua sobre la superficie de la lámina de vidrio, es desviado de su dirección rectilínea, en principio al entrar al vidrio, pues pasa de un medio menos denso (aire) a otro medio de mayor densidad (vidrio) y es desviado nuevamente al salir del vidrio hacia el aire (fig. 2-8).

Figura 2-8.-Refracción a través de una lámina de vidrio de superficies paralelas. La flecha representa el rayo de luz que es desviado al pasar del aire al vidrio y nuevamente al aire. Modificado de Puig, E. Ciencia y Tecnología de la imagen (44).

Cuando la luz pasa de un medio a otro, la velocidad de la onda disminuye. La nueva dirección que toma el rayo refractado depende de la densidad del medio que atraviesa. Los efectos de la refracción son responsables de algunos fenómenos que nos son familiares, por ejemplo, la aparente deformidad de un objeto parcialmente sumergido en un vaso de agua (fig 2-9). La refracción de la luz visible en las lentes es de vital importancia, pues les permite concentrar un haz de rayos luminosos en un punto específico (11).

Figura 2-9.-Refracción de los rayos luminosos en la interfase aire-agua. Tomado de Óptica. Laboratorio de demostraciones de física. Departamento de Física. Universidad de Los Andes. La Web Del Profesor (45).

Si dividimos la velocidad de la luz en el vacío entre la que tiene en un medio transparente, obtenemos un valor que llamamos índice de refracción de ese medio y es el cociente entre velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio que se estudia:

n: índice de refracción
c: velocidad de la luz en el vacío
v: velocidad de la luz en el medio material transparente

El índice de refracción de un medio es una medida para saber cuánto se reduce la velocidad de la luz dentro del medio transparente en estudio. Si el índice de refracción del agua es n= 1,33, quiere decir que la luz es 1,33 veces más rápida en el vacío que en el agua y es un valor que tiene que ver con las propiedades de las lentes (5)
(Tabla 2-1).

Material	Índice de refracción
Vacío	1
Aire *	1,00029
Agua (a 20°C)	1,333
Hielo	1,31
Diamante	2,417
Glicerina	1,473

Tabla 2-1.-Ejemplos del índice de refracción en algunos medios transparentes. (*) en condiciones normales de presión y temperatura, se considera 1 el valor. Modificado de García, A. F. Física con ordenador. Curso Interactivo de Física en Internet. La ley de Snell de la refracción (46).

2.3.2.-Reflexión:
Cuando la luz (u otro tipo de radiación electromagnética) incide sobre la superficie de un medio (gas, líquido o sólido) algunos rayos no son absorbidos, por el contrario son rebotados y se dispersan lejos de la superficie del medio en cuestión. El rayo que llega es denominado incidente y el que se desvía es denominado reflejado. La dirección en que sale reflejada la luz será determinada por el tipo de superficie. Si es una superficie brillante o pulida (espejo) se produce la reflexión regular en la que toda la luz sale en una única dirección denominándose reflexión regular o especular. Si la superficie es mate la luz sale esparcida en todas direcciones y se llama reflexión difusa. Sin embargo también puede ser reflexión mixta, en la que predomina una dirección sobre las demás (papel brillante, superficies metálicas sin pulir) (43) (Fig. 2-10).

Figura 2-10.-Diferentes tipos de reflexión de los rayos luminosos. La línea azul gruesa continua representa la superficie sobre la cual el rayo incidente (flechas rojas) se reflecta y los rayos reflejados (líneas negras). La línea azul discontinua representa la normal (línea imaginaria perpendicular a la superficie, en el punto 0, donde incide el rayo luminoso). En la reflexión especular el ángulo de incidencia es igual al angulo de reflexión; lo que no ocurre en la reflexión difusa, debido en parte a las irregularidades de la superficie. Modificado a partir de Molecular expressions. Light and color (47).

2.3.3.-Refracción en las lentes:
En las lentes convexas la refracción se produce de acuerdo a las mismas leyes. El estudio resumido de esos fenómenos es indispensable para comprender las propiedades de las lentes y la formación de las imágenes.
Se tomará primero como ejemplo una lente plano-convexa. Obsérvense tres rayos a, b, y c, cuya incidencia es normal (perpendicular) en relación a la cara plana de la lente. Al inicio, estos rayos no serán refractados; atravesarán la lente, llegaran a la cara convexa en donde si se refractan y su destino será diferente (fig 2-11).

Figura 2-11. Refracción en una lente plano-convexa. a, b, c rayos incidentes paralelos. a’ y c’ rayos refractados. f foco de la lente. Modificado a partir de Langueron (11).

El rayo bn coincide con el eje de la lente y no se refracta: se comporta como si al salir lo hiciera de una cara paralela a la cara de entrada. Los rayos a y c son por el contrario, oblicuos en relación a la cara curva de la lente. Ellos serán refractados porque pasan del vidrio al aire y se aproximan al eje de la lente, cortando el rayo bn en el punto f. Dos leyes resultan de estas consideraciones:

1. Todo rayo que pasa por el centro de la lente NO es refractado.

2. Todo rayo que no pasa por el centro de la lente ES refractado. Mientras más lejos del centro, la desviación será mayor. Los rayos refractados convergen todos en un punto que es el foco o punto focal de la lente.

El punto focal es el punto en donde confluyen los rayos luminosos refractados, después de atravesar la lente. Se puede apreciar, por ejemplo, cuando al recibir los rayos solares sobre una lupa planoconvexa o biconvexa, se forma un punto muy luminoso y muy caliente. Los rayos caloríferos siguen el mismo trayecto que los luminosos. La distancia focal es la distancia que separa el punto focal del centro óptico de la lente (11, 48)
Se verá ahora la refracción en las lentes biconvexas (fig. 2-12). Los fenómenos de refracción que se acaban de estudiar permitirán explicar cómo las lentes pueden formar las imágenes.

Figura 2-12.-Refracción en una lente biconvexa. a, b, c rayos incidentes paralelos. a’ y c’ primera refracción. e’ y e’’ segunda refracción. f foco de la lente. Modificado de Langueron (11).

Tómese la lente biconvexa y un objeto. La imagen de este objeto va a variar dependiendo de si esta cerca o lejos de la lente. Se pueden presentar tres casos:

1. El objeto está muy alejado de la lente, a una distancia más grande que el doble de la distancia focal. La imagen que se formará será real e invertida y cada vez más pequeña cuanto más alejado este el objeto. Es el caso de los objetivos de las cámaras fotográficas (fig. 2-13).

Figura 2-13.-Cuando el objeto QN se coloca a una distancia mayor que la doble de la focal, se forma la imagen IT que está invertida y es de menor tamaño. Tomado de Braun, E. La vista. Biblioteca digital (49).

2. El objeto está colocado un poco más allá del foco. La imagen será real e invertida y cada vez más grande cuanto más cerca este el objeto del foco. Es el caso de los objetivos del microscopio (fig.2-14).

Figura 2-14. Cuando el objeto QN se coloca a una distancia entre el doble de la focal y la focal, la imagen IT está invertida y es de mayor tamaño. Tomado de Braun, E. La vista. Biblioteca digital (49).

3. El objeto se encuentra entre la lente y el foco. La imagen será virtual y derecha y cada vez más pequeña cuanto más cercano este el objeto a la lente. Es el caso de las lupas y de los oculares del microscopio (fig. 2-15).

Figura 2-15.-Cuando el objeto QN se coloca a una distancia menor que la focal, la imagen IT no está invertida y es de mayor tamaño. Se proyecta por detrás del objeto. Tomado de Braun, E. La vista. Biblioteca digital (49).

Al realizar combinaciones de lentes, las cuales se colocan centradas y alineadas, se aplicarán estas mismas leyes (11).

2.4.-Imagen real e imagen virtual

2.5.-Formación de las imágenes en el ojo