Óptica geométrica (Parte VII)

4개월 전


En primer lugar mi saludo respetuoso para toda la comunidad académica y científica de steemit, en especial a #stem-espanol, #steemstem, #curie, #cervantes y #entropia, con su valioso y constante ayuda podemos llevar a cabo nuestro crecimiento en todos los aspectos de esta prestigiosa plataforma y, también nos permiten apreciar el histórico esfuerzo de la ciencia ya que en muchas ocasiones nos olvidamos de su gran trabajo y dedicación, y con dichas características hace posible el desarrollo exponencial de toda la humanidad, seguimos con el vínculo entre la óptica y la geometría, es decir, la óptica geométrica.


El ser humano a través de su historia ha logrado afinar su fundamental herramienta para la captación del conocimiento de nuestro alrededor, es decir, la ciencia, innumerables son los fenómenos naturales estudiados, analizados y comprendidos por este esencial campo del conocimiento, en donde nos encontramos a la física y a las matemáticas cada una de ellas pilares fundamentales de toda el área científica y además dentro de ellas se encuentra esenciales partes que las conforman tal y como es el caso de la óptica y la geometría respectivamente.

En las anteriores publicaciones nos hemos relacionados con los más esenciales sistemas ópticos como lo son los espejos, lentes y prismas, en donde nos encontramos con diferentes tipos de estos sistemas ópticos, es importante resaltar que cada uno de dichos sistemas los relacionamos con dos extraordinarios fenómenos (reflexión y refracción) que permiten la proyección de ciertos rayos luminosos emitidos por cualquier cuerpo u objeto de nuestro alrededor hacia una determinada estructura receptora (pantalla) de dichos rayos para plasmar una imagen del cuerpo u objeto que transmite el haz de luz.

Al trasladarnos a este artículo podemos decir que ya hemos expresado que tanto los espejos, las lentes y los prismas pueden actuar de manera individual como también lo pueden hacer de forma combinada bien sea varios tipos de espejos, varias lentes o prismas, cuyas formas geométricas pudiesen ser las mismas o diferentes, pero también podríamos encontrarnos con la acción de estos tres tipos de sistemas ópticos en un mismo proceso de proyección de ciertos rayos luminosos o haces de luz, es decir, espejos, lentes y prismas, tal y como lo observamos en el instrumento óptico como el proyector LCD en la anterior publicación.

De esta manera llegamos a los complejos instrumentos ópticos muy utilizados por la humanidad en la actualidad y los cuales han sido mejorados exponencialmente en el transcurrir de esta última década, es por eso que seguimos con la búsqueda de estos dispositivos ópticos debido a su gran impacto positivo en nuestras actividades cotidianas ya que por medio de ellos hemos podido optimizar la calidad de cualquier tipo imagen, además utilizando los principios fundamentales de la óptica geométrica basados en la conceptualización del rayo luminoso, los fenómenos de la reflexión y refracción de la luz, así como las formas o figuras geométricas de dichos sistemas ópticos tanto individuales (espejos, lentes, prismas) como complejos (instrumentos o dispositivos ópticos) hemos logrado la comprensión de la formación de imágenes de calidad.

Es importante antes de avanzar en la profundización de otros instrumentos ópticos poder entrelazarnos o vincularnos con los dispositivos o mecanismos analizados hasta ahora, en donde, ya lo hemos hecho con el microscopio simple o la lupa y su lente convergente biconvexa con distancia focal reducida, permitiéndonos la visualización de pequemos cuerpos u objetos ya que amplía el tamaño del mismo mientras se encuentre en dicha distancia focal, también analizamos a los binoculares o prismáticos con su mezcla de instrumentos ópticos particulares como lentes y prismas, y el mismo nos permite la visualización de cuerpos u objetos muy lejanos como los cuerpos celestes o astros de nuestro universo, por nombrar algún ejemplo de utilización.

De igual forma nos encontramos a los sextantes y su combinación de sistemas ópticos individuales como espejos y lentes y que al igual que los binoculares o prismáticos nos permiten la observación de cuerpos u objetos lejanos e implementado en el mundo de la navegación ya que permite descifrar una determinada ubicación o posición geográfica mediante las observaciones astronómicas, desarrollándose de esta manera gracias a la implementación de este instrumento la actividad conocida como navegación astronómica, pero también nos encontramos al proyector, en donde, analizamos al retroproyector y el proyector LCD , ambos instrumentos con marcadas huellas en nuestras actividades cotidianas e implementando un complejo sistema óptico compuesto por espejos y lentes para el retroproyector, anexando el prisma en el caso del proyector LCD.

En esta oportunidad analizaremos de manera general a los instrumentos ópticos denominados como el telescopio y el microscopio compuesto o complejo, en donde, el primero lo podríamos utilizar para la visualización de cuerpos u objetos lejanos y el segundo implementado para observar objetos muy pequeños, cada uno de estos dispositivos ópticos con sus particulares características y usos, pero de gran beneficio para importantes áreas de la humanidad, al aprovechar al máximo las fundamentales propiedades del fenómeno de la luz a través de la espléndida guía de la óptica geométrica.

El telescopio lo podemos encontrar de tipo refractor por la implementación de lentes en sus sistema óptico interno, pero también tenemos a los telescopios reflectores el cual posee un espejo cóncavo en el lugar de la lente objetivo, al referirnos al instrumento óptico conocido como el microscopio compuesto podemos decir que el mismo nos permite poder visualizar objetos demasiados pequeños que con la visión natural de nuestros ojos no es posible, esta destacada característica le ha permitido a dicho instrumento jugar un importante papal en el mundo microscópico permitiendo de esta forma un avance progresivo de esenciales ramas científicas como la biología y todo lo que ella representa para la humanidad.

De manera general este instrumento podemos decir que está conformado por tres sistemas, representando uno de ellos el sistema mecánico el cual es sirve como soporte a los otros dos sistemas como el sistema de iluminación y el importante sistema óptico, este último permite a dicho instrumento propagar y aumentar algún tipo de imagen a través de varias lentes, este dispositivo generalmente lo utilizamos para analizar objetos cortados en láminas muy finas que llegan a ser transparentes a nuestra vista, esto resalta la gran utilidad del microscopio compuesto en el imprescindible campo científico y académico, ambos determinantes en nuestro desarrollo.


A través de la historia el hombre ha implementado este instrumento para poder visualizar cuerpos u objetos muy distantes, dicha característica le permite ser muy útil en el área de la astronomía mediante la observación de distintos astros o cuerpos celestes de nuestro espacio, estos instrumentos ópticos los podemos encontrarnos de dos tipos y esto dependerá de los componentes del sistema óptico implementado para el tratamiento de la luz o rayos luminosos (emitidos por el cuerpo u objeto a observar) en el interior de dicho instrumento, por lo tanto, existen según este criterio dos tipos de telescopios:

Telescopio refractor

Claramente denominados de esta forma por utilizar lentes (principalmente en el objetivo) para el tratamiento de la luz o rayos luminosos que llegan desde el exterior y los cuales son emitidos por el cuerpo u objeto visualizado para formar la imagen que verán nuestros ojos, para la refracción de un haz luminoso, a través de nuestra historia se han utilizado diferentes tipos de arreglos de lentes entre los cuales encontramos las combinaciones tales como convergente-convergente, convergente-divergente y otras de mayor complejidad como podemos observar en la siguiente figura 1.


En la figura 1 observamos varios tipos de arreglos de lentes que permiten que los rayos luminosos provenientes de un objeto o cuerpo lejano se refracten para lograr la imagen que se desea observar y que a simple vista es imposible hacerlo, estas combinaciones sirvieron de apoyo para la creación o fabricación de estos instrumentos ópticos como podemos observar en la siguiente figura 2.


Telescopio reflector

Denominados de esta manera principalmente por el hecho de tener en el objetivo un espejo en lugar de la lente, por lo tanto, este tipo de instrumento óptico implementa espejos en vez de lentes para poder enfocar los rayos luminosos y originar la imagen deseada, uno de los espejos (curvo) se denomina primario ubicado en el fondo del tubo de dicho instrumento y un espejo pequeño plano colocado de forma diagonal para poder reflejar los rayos luminosos o haces de luz a un ocular ubicado a un lado del dispositivo óptico como podemos observar en la siguiente figura 3.


El nombre de telescopio reflector Newtoniano, es debido a que se le atribuye al gran Sir Isaac Newton la fabricación del primer telescopio de este tipo, también nos encontramos a otros modelos de telescopios reflectores entre los cuales tenemos a los denominados foco Cassegrain, foco Coudé-Cassegrain y foco primario, podemos decir que dicho instrumento se elaboró como alternativa al refractor debido a la aberración cromáticas originadas en las lentes, estos instrumentos ópticos son herramientas esenciales para la ciencia astronómica y cada uno de los avances logrados en dichos dispositivos nos han permitido ampliar la comprensión de nuestro complejo universo.


Para poder conocer cada componente de las células y tejidos de cualquier especie se ha implementado el microscopio compuesto cuyo nombre proviene etimológicamente de dos palabras griegas; mikrós, la cual indica pequeño y la palabra skopéoo, la cual indica o significa observar, por lo tanto, este instrumento óptico se ha utilizado para poder observar o visualizar objetos o estructuras muy pequeñas como las indicada anteriormente, de forma general podemos decir que nos podemos encontrar con dos tipos de microscopio, uno denominado microscopio simple o lupa ya analizada, y el otro microscopio compuesto, ambos utilizan los rayos luminosos o haces de luz para la formación de imágenes ampliadas o aumentadas y además detalladas de cualquier estructura u objeto que con nuestra visión natural no podemos observar.

Muchas décadas han servido para el mejoramiento o perfeccionamiento de estos instrumentos ópticos sobre todo en su parte óptica como en su parte mecánica, ya hemos expresado que nuestro interés se concentra en los elementos, componentes o sistemas ópticos (espejos, lentes o prismas) de estos instrumentos ya que aquí actúa la óptica geométrica y sus esenciales fundamentos o principios relacionados al fenómeno de la luz y la generación de cualquier tipo de imagen de un determinado objeto que se encuentre en nuestro entorno.

Este dispositivo óptico lo llamamos compuesto debido a que la imagen que el mismo genera la produce a través de tres tipos de sistemas ópticos constituidos por lentes tanto convergentes como divergentes, estos tres sistemas de lentes están representados por el condensador, los objetivos y también por los oculares, debido a su gran utilidad en cuanto al estudio de células y tejidos, estos instrumentos los podemos conseguir en diversos laboratorios ubicados bien sea en nuestras academias para la enseñanza de la Biología, Microbiología, Embriología, entre otras áreas, es importante conocer las partes o componentes de este instrumento óptico como se muestra en la siguiente figura 4.


Componentes del microscopio compuesto

Este instrumento óptico está constituido de forma general por tres sistemas, los cuales son los siguientes:

Sistema Mecánico


Este sistema está constituido por todos aquellos componentes que se utilizan como soporte, dar movimiento y sujeción tanto al sistema óptico como al sistema de iluminación incluyendo claro está a cada uno de los objetos o estructuras que deseamos analizar, a continuación detallaremos estos componentes:

-Base o pie, este componente es metálico, amplio y muy sólido, en este soporte apoyamos y sujetamos los demás elementos de este instrumento.

-Brazo, estativo o columna, por esta parte podemos tomar al microscopio para su traslado de un lugar a otro, y además este componente mecánico soporta tanto al tubo óptico, la platina como al revolver.

-Platina, en este componente apoyamos o colocamos a la muestra que vamos a analizar y dicha muestra la sostenemos a la platina con pinzas o carrito que permite movimiento de la muestra bien sea de adelante hacia atrás o de derecha a izquierda, la superficie de la platina es plana y de posición horizontal en cuyo centro contiene un orificio circular.

-Tubo óptico, es de forma cilíndrica y de metal que por lo general tiene una longitud entre 160 y 170 mm, este tubo en uno de sus extremos se conecta con el revólver, mientras que en el otro extremo lo hace con el (los) ocular(es) del microscopio.

-Revolver o porta-objetivos, este componente permite que los objetivos que sostiene pueden coincidir de forma perpendicular con el orificio circular central de la platina, esto lo logra debido al giro que el mismo realiza a través de un eje.

-Tornillo macrométrico y micrométrico, estos elementos le proporcionan movimientos hacia arriba y hacia abajo a la platina con el propósito de acercar o alejar a la muestra hacia las lentes objetivos y de esta manera poder lograr un mejor enfoque de la imagen generada por el objeto o estructura a estudiar.

-Engranajes y cremallera, estos componente representan aquellos mecanismos que ofrecen algún tipo de desplazamiento a las distintas partes de dicho instrumento óptico.

-Cabezal, este componente contiene principalmente prismas o espejos que permiten colocar en el mismo dos o más oculares, o cualquier otro sistema mecánico que pueden sujetar tanto una cámara fotográfica o de vídeo o un determinado sistema de proyección de dicha imagen generada.

Sistema Óptico


Este sistema generalmente se encuentra constituido por los oculares, objetivos y el condensador, en los microscopios actuales podemos también encontrar a los prismas en su sistema óptico, por lo tanto es importante describir tales componentes debido a que ellos representan la parte analizada por la óptica geométrica en cuanto a la propagación de la luz a través de ellos con la finalidad de generar una determinada imagen necesaria para cubrir un requerimiento o estudio a realizar.

-Condensador, esta parte del microscopio compuesto contiene un conjunto de lentes, esta pieza está ubicada debajo de la platina, y su esencial propósito es la de poder concentrar y regular los rayos luminosos o haz de luz que se genera de la fuente luminosa hacia la estructura o espécimen que se desea observar cómo podemos observar en la siguiente figura 5.


En la figura 5 podemos visualizar que el condensador tiene dos lentes convergentes los cuales como sabemos hacen convergen a los rayos luminosos hacia el orificio circular central de la platina y esta última la podemos acercar o alejar por medio de un mecanismo de cremallera, de igual manera podemos observar la presencia de un elemento que se denomina diafragma iris, cuya función principal es la de regular la entrada de los rayos luminosos con el fin de poder concentrar la mayor cantidad haz de luz en el plano en donde se ha colocado la estructura u objeto que deseamos ver.

-Los objetivos, podemos afirmar que estos elementos ópticos se consideran los más relevantes para poder lograr la formación de la imagen del objeto, estructura o espécimen microscópico, las lentes utilizando su poder de resolución pueden establecer la calidad de dicha imagen ofreciéndole tanto la nitidez necesaria y con ello poder captar cualquier detalle de dicha imagen, los objetivos se encuentra compuestos o formados por un conjunto de lentes y los mismos pueden ser tantos convergentes como divergentes, tal combinación permite en lo posible la eliminación de cualquier tipo de aberración originada por los rayos luminosos al refractarse en las lentes ya que estas aberraciones afectan la calidad de la imagen deseada, como se pudo observar en las pasadas publicaciones cuando se trató las aberraciones esféricas y cromática.

Para que las lentes objetivos puedan originar imágenes donde se puedan visualizar mayor cantidad de detalles se deben tomar en cuenta importantes factores o fenómenos tales como, el índice de refracción, ángulo de apertura, apertura numérica (NA), aumento de un objetivo, poder de resolución (PR), características a tomar en cuenta al momento del diseño de estos esenciales elementos ópticos en un microscopio compuesto, las imágenes originadas por los objetivos serán de mayor tamaño, invertidas y reales.

-Ocular, podemos expresar que su nombre se relaciona con el hecho de encontrarse cerca de los ojos ya que se ubican en la parte alta del microscopio, es decir, el extremo superior del tubo óptico, este componente óptico se encarga de la formación de una segunda imagen partiendo claro está de la imagen inicial originada por el lente objetivo, esta imagen en el ocular será de mayor tamaño, virtual y no invertida (derecha), es decir, los oculares aumentaran por segunda vez a la imagen del objeto, estructura o espécimen a estudiar.

Los microscopios actuales bien sean monoculares o binoculares emplean prismas cuya estructura es transparentes como ya lo hemos descrito en pasadas publicaciones, estos elementos ópticos se utilizan para desviar los rayos luminosos o haces de luz hacia el tubo óptico y para que después lleguen al ocular esto en el caso de microscopios monoculares, ya que en los binoculares estos elementos separan los rayos luminosos que vienen del objetivo en dos haces de luz para llevarlo a cada ocular de dicho instrumento óptico, encontrándose siempre la acción de una superficie reflectante con la finalidad de impedir la descomposición de los haces de luz.

Sistema de iluminación


Estos componente aportan al microscopio compuesto energía luminosa, y la fuente de generación de esta luz puede ser tanto natural como artificial, en donde la natural como sabemos proviene del Sol y la obtenemos de forma indirecta a través de un espejo cuya estructura está compuesta por una superficie plana y otra cóncava, y este elemento se encuentra ubicado en la parte superior de la base o pie del microscopio compuesto, con un mecanismo de movilidad dirigimos tales rayos de luz en dirección del lente del condensador, de la otra forma estos rayos los obtenemos de manera artificial mediante la utilización de una lámpara de bajo voltaje.


Al referirnos al positivo impacto que el fenómeno de la luz tiene en nuestras diversas actividades y las cuales nos han llevado a nuestro actual desarrollo, debemos siempre mencionar al importante y esencial papel que ha tenido y sigue teniendo las ramas científicas como la óptica y la geometría, es decir, la óptica geométrica, todo lo que nos rodea lo apreciamos a través de nuestros sistemas ópticos naturales (ojos) y es debido a la acción de los rayos luminosos que bien se reflejan o se refractan en una determinada superficie pulida (espejos) o transparente (lentes, prismas) respectivamente (tomando en cuenta solo estos dos tipos de sistemas), para dar origen a cualquier tipo de imagen real o virtual del objeto o cuerpo que estamos visualizando y que se encuentra en nuestro esplendido universo.

Una gran variedad de dispositivos ópticos tenemos a nuestra disposición, y nuestra intención es poder analizar algunos de ellos para relacionarlos con la maravillosa tarea de la óptica geométrica y sus fundamentales principios físicos relacionados con la luz, cada uno de estos dispositivos ópticos tienen sus particulares características y las cuales nos permiten implementarlos en distintas áreas relacionadas a cualquier profesión u oficio que tengamos, todo instrumento óptico cumple una determinada tarea, es decir, un determinado propósito o fin para el cual fueron fabricados, como lo hemos observado tanto en los anteriores instrumentos ópticos como en los analizados en esta oportunidad, es decir, el telescopio y microscopio compuesto.

Nuestro propósito es mostrar el proceso de los rayos luminosos o haces de luz al chocar o atravesar los componentes ópticos de cualquier instrumento, como los espejos, lentes o prismas como lo pudimos visualizar tanto en el telescopio refractor y sus lentes como en el telescopio reflector y sus espejos, dicho instrumento de gran utilidad en el área de la astronomía por permitirnos observar cuerpos u objetos que se encuentra a grandes distancia de nosotros como es el caso de los astros o cuerpo celestes que conforman nuestro universo espacial, en los telescopios, su componente óptico principal al ser de tipo refractor lo denominamos objetivo utilizando en el mismo una lente como se observó en la figura 2, y al ser reflector al componente óptico principal lo llamamos espejo primario como pudimos notar en la figura 3.

De igual forma pudimos notar la utilidad del microscopio compuesto y sus tres sistemas que lo conforman, el mecánico, el óptico y el de iluminación, el sistema óptico nos muestra la maravillosa acción de cada elemento óptico como los espejos, lentes y prismas, convirtiéndose dicho sistema como el principal componente del microscopio compuesto ya que sin este no sería posible originar la imagen que deseamos observar, que en este caso obtenemos una imagen ampliada de un objeto, cuerpo, estructura o espécimen muy pequeño que a simple vista no podemos detallar sus innumerables detalles, esto es lo que hace del microscopio un valioso instrumento en nuestras vidas.

Todos los instrumentos ópticos tendrán ciertas características similares, esto es debido a que muchos de ellos implementan iguales tipos de espejos, lentes o prismas, de manera general podemos decir que su diferencia se fundamenta básicamente en la forma geométrica de la estructura física de dicho instrumento óptico, esto hace que cada uno de ellos se fabrique para cumplir un determinado fin o propósito, como los observados tanto en el telescopio como en el microscopio compuesto.

Hasta otra oportunidad mis apreciados lectores de steemit, en especial a los miembros de la gran comunidad de #STEM-Espanol, los cuales reciben el apoyo de otras dos maravillosas comunidades como los son #steemstem y #curie, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de este gran proyecto, ya que nos permite resalta la excelente tarea de la academia y de todo el campo científico.

Nota: Todas las imágenes fueron elaboradas usando las aplicaciones Paint, Power Point y el gif animado fue elaborado con la aplicación de PhotoScape, todo esto unido a la importante herramienta de la creatividad la cual nos permite colocar nuestra propia huella.


[1] Charles H. Lehmann. Geometría Analítica. Décima tercera reimpresión. Editorial Limusa. México, D.F. 1989.
[2] Jennings, G.A. Geometría moderna con aplicaciones. Springer, New York, 1994.
[3] Snapper, E., Troyer, R.J. Geometría afín métrica. Dover, New York, 1971.
[4] Raymod A. Serway y John W. Jewett, Jr. Ed. Thomson. Física. Edición 1 y 3. [5] Giancoli, D.C. Física, principios y aplicaciones, Reverté S.A. España, 1985.
[6] Cornejo Rodríguez Alejandro, Urcid Serrano Gonzalo. Óptica geométrica. Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. 2 da edición, octubre 2005.
[7] Cabrera J. Manuel, Fernando J. López, Fernando A. López. Fundamentos de Óptica Electromagnética, Addison-Wesley Iberoamericana, 1993.
[8] Young Hugh D. Fundamentos de la Óptica y Física Moderna, McGraw-Hill, 1971.
[9] Santos Benito Julio. Manual de óptica geométrica. UNIVERSIDAD DE ALICANTE.
[10] Montalvo Arenas César. Microscopía. Agosto, 2010.
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