Los sistemas ópticos son dispositivos que utilizan la luz para formar imágenes o realizar mediciones. Estos sistemas están compuestos por superficies que separan medios con distintos índices de refracción, lo que permite la refracción y reflexión de los rayos de luz. La forma en que se organizan estas superficies determina el funcionamiento y las características del sistema óptico.
Formación de sistemas ópticos
Superficies y medios
En un sistema óptico, las superficies pueden ser planas, esféricas o asféricas, y están diseñadas para controlar la trayectoria de los rayos de luz. Estas superficies separan medios con diferentes índices de refracción, como el aire, el vidrio o cualquier otro material transparente. La diferencia en los índices de refracción es lo que permite la refracción de la luz al pasar de un medio a otro.
Tipos de sistemas ópticos
Existen diferentes tipos de sistemas ópticos, que se clasifican según su funcionamiento. Los sistemas dióptricos son aquellos que utilizan solo refracción para formar imágenes, como las lentes convergentes y divergentes. Los sistemas catóptricos utilizan solo reflexión, como los espejos. Y los sistemas catadióptricos combinan tanto refracción como reflexión, como los telescopios y los prismáticos.
Límites de los haces de rayos
En un sistema óptico, los haces de rayos de luz pueden estar limitados por la montura de la lente o por diafragmas. La montura de la lente es la estructura que sostiene las lentes en su lugar y puede limitar el tamaño del haz que atraviesa el sistema. Los diafragmas, por otro lado, son dispositivos que se utilizan para controlar la cantidad de luz que entra en el sistema. Existe el diafragma de apertura, que limita el haz que penetra en el sistema, y otros diafragmas que se utilizan para controlar la cantidad de luz que llega al detector o al sensor.
Medición de haces ópticos
Apertura relativa y número f
La medida del tamaño de los haces de rayos en un sistema óptico se obtiene mediante la apertura relativa o número f. La apertura relativa se define como la relación entre el diámetro de la lente y la distancia focal. Un número f más pequeño indica una mayor apertura relativa y, por lo tanto, un haz más grande. Por otro lado, un número f más grande indica una menor apertura relativa y un haz más pequeño.
Apertura numérica
La apertura numérica es otra medida utilizada para caracterizar los haces de rayos en un sistema óptico. Se define como el seno del ángulo máximo de aceptación de un haz de luz en un medio. Cuanto mayor sea la apertura numérica, mayor será la cantidad de luz que puede ser recogida por el sistema.
Aproximación paraxial y aberraciones
Aparición de la aproximación paraxial
La aproximación paraxial se produce cuando el diafragma de apertura presenta un orificio muy pequeño en comparación con la distancia focal de la lente. En esta aproximación, los rayos de luz se consideran paralelos al eje óptico y se asume que los ángulos de incidencia y refracción son pequeños. Esta aproximación simplifica los cálculos y permite obtener resultados aproximados para sistemas ópticos complejos.
Defectos y aberraciones
Al aumentar las aperturas o el tamaño de los objetos, aparecen defectos en la formación de imágenes que denominamos aberraciones. Estas aberraciones pueden ser de diferentes tipos, como la aberración esférica, la coma, el astigmatismo, entre otras. Estos defectos pueden afectar la calidad de las imágenes formadas por el sistema óptico y deben ser corregidos mediante el diseño adecuado de las superficies y la selección de los materiales.
Cálculo de sistemas ópticos
Tarea compleja
El cálculo de un sistema óptico es una tarea compleja que requiere el conocimiento de los principios de la óptica, así como la experiencia y la intuición del diseñador. El diseño de un sistema óptico implica la selección de las superficies adecuadas, la determinación de los índices de refracción de los medios, el cálculo de las distancias focales y la corrección de las aberraciones. Además, es necesario tener en cuenta otros factores, como el tamaño y la forma de los objetos a observar o medir, la cantidad de luz disponible y las limitaciones técnicas y económicas.
Conjunción de ciencia, experiencia e intuición
El cálculo de un sistema óptico es una tarea que conjuga ciencia, experiencia e intuición. La ciencia proporciona los principios y las herramientas necesarias para entender y modelar el comportamiento de la luz en un sistema óptico. La experiencia permite al diseñador conocer las limitaciones y los desafíos asociados con el diseño de sistemas ópticos. Y la intuición juega un papel importante en la toma de decisiones y la selección de las mejores soluciones para cada caso particular.