Los lentes son objetos transparentes que pueden refractar la luz solar. Están hechos principalmente de vidrio. Las palabras "refractar la luz" se refieren a la capacidad de cambiar la dirección de propagación de los rayos de luz incidentes. Consideremos cómo se construyen las imágenes en una lente delgada.
Antecedentes históricos
Los primeros lentes conocidos por los antiguos griegos y romanos eran recipientes esféricos de vidrio llenos de agua. Estos prototipos de anteojos ópticos modernos se utilizaron para encender fuegos.
Recién a finales del siglo XIII se fabricó la primera lente de cristal en Europa. Desde entonces, el proceso de su fabricación no ha cambiado mucho. La única innovación fue el uso de alquitrán por parte de Isaac Newton en el siglo XVII para pulir las superficies de los objetos ópticos.
Recolección y dispersión de lentes ópticos
Para facilitar la comprensión de la construcción de imágenes en una lente delgada, considerela pregunta es, ¿qué son las gafas ópticas? En general, solo hay dos tipos de lentes, que difieren en su forma y capacidad para refractar el flujo de luz. Se distinguen los siguientes tipos:
- Lentes convergentes. Este tipo tiene un espesor de su parte central mayor que el espesor de los bordes. La imagen resultante en una lente convergente se forma al otro lado de la luz que incide sobre ella. Este tipo tiene la capacidad de recoger la luz en un solo punto (enfoque positivo).
- Lentes divergentes. Su parte central es más delgada que los bordes. Debido a su forma, estas gafas ópticas dispersan la luz que incide sobre ellas, lo que da lugar a la formación de una imagen en el mismo lado de la lente en el que inciden los rayos de un objeto. La imagen generada es mucho más pequeña que el elemento real. Si los rayos esparcidos por este vidrio óptico se continúan de tal manera que determinen su origen, entonces parecerá que emergen de un punto frente a él. Este punto se llama foco, que es negativo o imaginario para una lente divergente.
Distintas formas de lentes ópticos
Los dos tipos de lentes existentes se pueden fabricar de varias formas. Se distinguen las siguientes 6 formas:
- Biconvexo.
- Plano-convexo.
- Con menisco convexo (cóncavo-convexo).
- Bicóncava.
- Plano-cóncavo.
- Con menisco cóncavo (convexo-cóncavo).
Elementos de vidrio convexo
Para comprender la física de la lente y la construcciónlentes finas de imagen, es necesario conocer los elementos básicos de este objeto óptico. Vamos a enumerarlos:
- El centro óptico (O) es el punto por donde pasa la luz sin ser refractada.
- El eje principal es una línea recta que pasa por el punto del centro óptico y el foco principal.
- El foco principal o principal (F) es el punto por donde pasan los rayos de luz o sus prolongaciones si inciden sobre un vidrio óptico paralelos a su eje principal.
- Eje auxiliar: cualquier línea recta que pasa por el centro óptico.
- Los radios de curvatura son los dos radios, R1 y R2, de las esferas que forman la lente.
- Centros de curvatura: dos centros de esferas, C1 y C2, que forman las superficies del vidrio óptico.
- Distancia focal (f) - la distancia entre el punto focal y el centro óptico. Hay otra definición del valor (f): esta es la distancia desde el centro de la lente óptica a la imagen, lo que da un objeto ubicado infinitamente lejos.
Propiedades ópticas
Ya sea un simple vidrio convexo o sistemas ópticos complejos, que son una colección de lentes individuales, sus propiedades ópticas dependen de dos parámetros: la distancia focal y la relación entre la distancia focal y el diámetro de la lente.
La distancia focal se mide de dos formas:
- En unidades de distancia normal, como 10 cm, 1 m, etc.
- En dioptrías, este es un valor inversamente proporcional a la distancia focal, medida en metros.
Por ejemplo, un cristal óptico con una potencia de 1 dioptría tiene una distancia focal de 1 m, mientras que una lente con una potencia de 2 dioptrías tiene una distancia focal de solo 0,5 m.
El diámetro de una lente y su relación con la distancia focal determina la capacidad del vidrio óptico para captar luz o su salida de luz.
Propiedades de los rayos que atraviesan la lente
En las escuelas de octavo grado, la construcción de imágenes en lentes delgadas es uno de los temas importantes de la física. Para aprender a construir estas imágenes, uno debe conocer no solo los conceptos y elementos básicos, sino también las propiedades de algunos rayos que pasan a través de un objeto ópticamente activo:
- Todo rayo que pasa paralelo al eje principal se refracta de tal forma que, o bien pasa por el foco (en el caso de una lente convergente), o su continuación imaginaria pasa por el foco (en el caso de una divergente).
- El haz que pasa por el foco se refracta para que siga su movimiento paralelo al eje principal. Obsérvese que en el caso de una lente divergente, esta regla es válida si la continuación del haz que incide sobre ella pasa por el foco situado al otro lado del objeto óptico.
- Cualquier rayo de luz que pasa por el centro de la lente no experimenta ninguna refracción y no cambia de dirección.
Características de la construcción de imágenes en lentes delgados
Aunque la recolección y dispersión delas gafas tienen propiedades similares, la construcción de imágenes en cada una de ellas tiene sus propias características.
Al construir imágenes, la fórmula de la lente delgada es:
1/f=1/do+1/di, donde do y di es la distancia desde el centro óptico al objeto y a su imagen.
Tenga en cuenta que la distancia focal (f) es positiva para lentes convergentes y negativa para lentes divergentes.
La aplicación de las propiedades anteriores de los rayos que pasan a través de un vidrio óptico colector conduce a los siguientes resultados:
- Si el objeto se encuentra a una distancia de más de 2f, entonces se obtiene una imagen real, que tiene un tamaño más pequeño que el objeto. Lo vemos al revés.
- Un objeto colocado a una distancia de 2f de la lente da como resultado una imagen invertida real del mismo tamaño que el objeto mismo.
- Si el objeto está a una distancia superior a f, pero inferior a 2f, se obtiene una imagen real invertida y ampliada del mismo.
- Si el objeto está en el punto focal, los rayos que atraviesan el cristal óptico se vuelven paralelos, lo que significa que no hay imagen.
- Si un objeto está más cerca que una distancia focal, entonces su imagen resultará ser imaginaria, directa y más grande que el objeto mismo.
Dado que las propiedades de los rayos que pasan a través de una lente convergente y divergente son similares, la construcción de imágenes dadas por una lente delgada de este tipo se lleva a cabo de acuerdo con reglas similares.
Dibujosimágenes para varias ocasiones
En los dibujos, una lente convergente se indica mediante una línea en cuyos extremos hay flechas que apuntan hacia afuera, y una lente divergente se indica mediante una línea con flechas en los extremos que apuntan hacia adentro, es decir, el uno al otro.
En la siguiente figura se muestran diferentes variantes de los dibujos para construir imágenes en lentes delgadas, que se discutieron en el párrafo anterior.
Como puede verse en la figura, todas las imágenes (para cualquier tipo de vidrio óptico y la ubicación del objeto con respecto a ellas) se construyen sobre dos haces. Uno se dirige paralelo al eje principal y el otro pasa por el centro óptico. El uso de estos haces es conveniente porque se conoce su comportamiento después de atravesar la lente. También tenga en cuenta que el borde inferior del objeto (flecha roja en este caso) se encuentra en el eje óptico principal, por lo que es suficiente para construir solo la imagen del punto superior del objeto. Si el objeto (flecha roja) se ubica arbitrariamente en relación con el vidrio óptico, entonces es necesario construir una imagen de sus partes superior e inferior de forma independiente.
Dos rayos son suficientes para construir cualquier imagen. Si hay incertidumbre sobre el resultado, entonces se puede verificar usando el tercer rayo. Debe dirigirse a través del foco (frente a la lente convergente y detrás de la lente divergente), luego, después de atravesar el vidrio óptico y la refracción en él, el haz será paralelo al eje óptico principal. Si se resuelve el problema de construir una imagen en una lente delgadaa la derecha, pasará por el punto de intersección de las dos vigas principales.
El proceso de fabricación de objetos ópticos
La mayoría de los lentes están hechos de tipos especiales de vidrio llamados lentes ópticos. No hay tensiones internas, burbujas de aire y otras imperfecciones en dicho vidrio.
El proceso de fabricación de lentes se lleva a cabo en varias etapas. Primero, se corta un objeto cóncavo o convexo de la forma deseada de un bloque de vidrio óptico utilizando herramientas metálicas apropiadas. Luego se pule con alquitrán. En la etapa final, el vidrio óptico se redimensiona con herramientas abrasivas para que el centro de gravedad coincida exactamente con el centro óptico.
Debido al desarrollo de tecnologías para obtener y procesar varios tipos de plástico, las lentes se fabrican cada vez más con tipos de plástico transparente, que son más baratos, más livianos y menos frágiles que sus contrapartes de vidrio.
Áreas de aplicación
Los anteojos ópticos se utilizan para resolver diversos problemas de visión. Para ello se utilizan tanto lentillas de plástico como de cristal (con gafas).
Además, las gafas ópticas se utilizan en cámaras fotográficas, microscopios, telescopios y otros instrumentos ópticos. Utilizan todo un sistema de lentes. Por ejemplo, en el caso del microscopio más simple, que consta de dos lentes ópticos, el primero forma una imagen real del objeto, yel segundo se utiliza para ampliar su imagen. Por lo tanto, el segundo vidrio se ubica a una distancia adecuada del primero, de acuerdo con las reglas para construir imágenes en una lente delgada.
