Óptica geométrica. Óptica fisiológica

Óptica geométrica

Se ocupa del estudio de la luz tratando mediante representaciones geométricas los cambios de dirección que experimentan los rayos luminosos en los fenómenos de reflexión y de refracción.

Se fundamentan en 3 supuestos:

1) en un medio homogéneo e isotopo. La luz se propaga en línea recta y se representa mediante rayos luminosos (el camino del ojo al objeto es luz)

• Isotopo o isotropía: fenómeno por el que cierto cuerpo presenta una o más propiedades que no dependen de la dirección en que se mire.

Es aquel medio que presenta las mismas propiedades en cualquier dirección. (ej.: la elasticidad)

2) principio de independencia de los rayos. Se aplican las leyes de la reflexión y refracción para calcular la trayectoria de los rayos.

3) el camino de la luz es reversible

Óptica física

Estudia la naturaleza de la luz o sea su emisión, composición y absorción como también analiza la polarización, la interferencia y la difracción.

Óptica fisiológica

Estudia la descripción anatómica del ojo humano y de los mecanismos de la visión.

Óptica cuántica

Estudia la interacción de la luz con átomos y moléculas.

Para este modelo, la luz es corpuscular y sus gránulos se denominan fotones.

• Fotones es la cantidad mínima que la energía de la luz u otra radiación electromagnética.

Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética incluyendo los rayos gamma, los rayos x, la luz ultravioleta, la luz visible (del espectro electromagnético) la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.

A veces útil emplear el concepto de rayo luminoso. En una teoría corpuscular el rayo luminoso seria la trayectoria de un fotón. En la teoría ondulatoria un rayo luminoso es una línea imaginaria en la dirección de propagación de las ondas.

Óptica instrumental

Se estudian y analizan los diversos instrumentos de óptica, su estructura y funcionamiento.

Corpuscular – newton

Ondulatorio – Huygens

Luz

Toda excitación del nervio óptico nos produce la sensación de luz, pero no se les da el nombre solo a esa sensación sino también a la causa que provoca dicha sensación.

Es una forma radiación electromagnética o energía radiante.

La luz corresponde a oscilaciones extremadamente rápidas en un campo electromagnético dentro de un rango de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano.

Fuentes luminosas

Se denominan fuentes luminosas a los cuerpos productores de luz o sea aquellos capaz de emitir luz propia. Se clasifican: naturales, artificiales, puntuales, y extensas.

Una fuente se considera puntual si sus dimensiones son sumamente menores con respecto a las distancias desde las cuales se aprecian su acción. En cambio, una fuente se considera extensa si su tamaño es sumamente mayor si se compara con la distancia que los separa de los objetos iluminados.

Puntual- luz y sombra

Extensa- luz. Sombra y penumbra

Un cuerpo iluminado es aquel que recibe luz de otro origen y la devuelve previamente modificada en su intensidad, muchas veces en su color y de tal manera que se hacen visibles. Cuando no reciben luz son invisibles y esta ausencia de sensación luminosa se denomina oscuridad.

Los cuerpos iluminados o no iluminados se pueden clasificar o dividir en: trasparentes, translucidos y opacos.

Son opacos cuando al ser colocados entre una fuente luminosa y un observador no permiten recibir sensación alguna de luz.

Son transparentes si la luz puede atravesarlos, pero además cuentan con la propiedad de que la luz sigue en su interior en una sola dirección.

Los cuerpos transparentes pueden ser diáfanos si permiten ver los objetos situados atrás detrás de ellos (por ej.: un vidrio) o bien semitransparentes o traslucidos si permiten apreciar la sensación luminosa pero no la forma del objeto observado. Y ello es debido a que la luz se dispersa y no permite nitidez (ej.: papel vegetal)

Fotometría

Es la parte de la óptica encargada de los métodos de medición de energía luminosa, sus intensidades y efectos.

En fotometría se requieren cuatro magnitudes cuyas unidades en el SI se definen como: intensidad, flujo, iluminación y brillo.

Intensidad luminosa:

La unidad básica para el SI es la candela (cd) que caracteriza la fuente luminosa. La candela es la unidad de luz total emitida desde una fuente standard y puntual y se refiere a la potencia total que emite en todas las direcciones dentro de la parte visible del espectro.

• Definición: la candela corresponde a la intensidad emitida en forma perpendicular sobre una superficie de un centímetro cuadrado de un cuerpo negro a la temperatura de fusión del platino a presión normal.
• Cuerpo negro: es un concepto ideal de aquel que absorbe todas las radiaciones que recibe. Esta definición proporciona una fuente de la luz estándar y reproducible cuyo espectro permite hacer comparaciones con otras fuentes de luz.

Flujo luminoso

La luz es una forma de energía que estimula el sentido de la visión y por ello en la práctica lo importante es conocer no simplemente la cantidad de energía luminosa que registra los instrumentos de medida sino la magnitud que caracteriza la acción de la luz sobre el ojo humano.

Dicha magnitud es el flujo luminoso que es la potencia de la parte visible de la radiación que se propaga dentro de un ángulo solido dado y valorado por la acción de esta radiación sobre un ojo humano normal.

Como el ángulo solido es 4 pi entonces:

F= 4pi. Lm/cd. I

El flujo luminoso se mide en LUMENES siempre que la intensidad se mida en CANDELAS.

Iluminación (E)

La cantidad de luz que impacta sobre una superficie se expresa en términos de iluminación que para una superficie normal a los rayos de la luz es proporcional a la energía de la onda.

 Se denomina entonces iluminación o iluminancia a la razón que existe entre el flujo luminoso que incide sobre una superficie determinada y el área de dicha superficie.

Un LUX es la iluminación con la cual sobre un m2 de área se distribuye uniformemente un flujo luminoso de un lumen. Si se considera una fuente puntual de una candela ubicada en el centro de una esfera de radio, entonces.

• E= F/A
• E=I/d2

 UN LUX = LM/m2

Si la fuente se encuentra a una distancia B de la superficie, pero forma un ángulo con lo normal a la superficie entonces la iluminación será proporcional al coseno del ángulo de incidencia del rayo; o sea

• E= I/d2. Cos &

Brillo

Una superficie puede emitir luz debido a que es luminicentro por si misma o debido a que esta iluminada.

El brillo o luminancia de una superficie puede depender del ángulo con que se observa, pero para una dirección dada el brillo puede relacionarse con la unidad de intensidad luminosa expresando en términos de candela por metro cuadrado.

Cd/m2

Principios de la fotometría

 Las intensidades luminosas de dos focos incidentes en forma normal a una superficie y que generan sobre ella igual iluminación son directamente proporcionales al cuadrado de las distancias de las fuentes a la superficie; es decir...

Ea=Eb

Ia/d2a= Ib./d2b

Reflexión de la luz

 Un rayo de la luz es rectilíneo en un medio homogéneo, en el límite entre dos medios el rayo cambia de dirección.

Si este cambia de dirección prueba que el rayo de luz retorne al primer medio, o sea desde donde proviene, se dice que el rayo luminoso se ha reflejado.

La reflexión puede ser: especular o difusa dependiendo de las propiedades del límite de separación entre los medios.

Se dice que la reflexión es difusa o irregular si el límite de separación tiene la forma de superficie cuyas rugosidades son dimensiones mayores que la longitud de la onda luminosa. Ejemplos de dicha superficie pueden ser los de un papel debido a las partículas de polvo, una chapa, cerámicos arena.

Este fenómeno de difusión explicaría porque nos quemamos más la piel en la playa o en la nieve que en la ciudad.

Los rayos de sol, por ejemplo, al incidir en la arena se difunden en múltiples direcciones.

En cambio, si las dimensiones de las rugosidades son menores que la longitud de la onda de la luz, entonces la reflexión es regular o especular.

Los rayos de luz de un haz luminoso que inciden sobre una de estas superficies, al reflejarse lo hacen en direcciones muy próximas.

Son ejemplos: superficies muy pulidas, como vidrios, metales, gotas de mercurio o un espejo común.

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