¿De qué materiales están hechos los sistemas ópticos que forman imágenes? Sistemas como las lentes de las cámaras fotográficas, las de los equipos electrónicos, los espejos de los baños o los de los automóviles.
Sabemos que la mayoría de las lupas son de vidrio, pero también las hay de plástico. Las lentes de las cámaras fotográficas son de vidrio y de plástico. Los espejos son rígidos, como los metales o los vidrios, pero también se fabrican de materiales plásticos rígidos con superficies metalizadas.
La lupa es una “simple lente” (en óptica las llamamos lente simple, lente sencilla, o singlete). Lo que intuitivamente sabemos es que el vidrio es transparente a la luz visible, pero al pasar la luz por el vidrio cambia su dirección. También sabemos que si curvamos una o las dos superficies del vidrio, podemos tener una lupa, es decir, un sistema óptico que forma imágenes. ¿Qué es lo que hace que la luz cambie su dirección al pasar por el vidrio? La respuesta se encuentra en una propiedad de la materia que llamamos refracción. El índice de refracción de cada material varía con el color de la luz, si iluminan la lupa con luz azul y roja, la azul se enfocará más cerca de la lupa que la roja. Esta variación en el enfoque del color de la luz se llama aberración cromática. Esta propiedad permite explicar la dispersión, es decir, la propiedad que tiene un prisma de vidrio para separar la luz en colores.
Aunque los vidrios parecen ser todos iguales, transparentes a la luz visible, el índice de refracción es diferente para cada uno de ellos. Así, combinando índices de refacción, es decir usando dos lentes (pegadas o separadas por aire), se puede corregir la aberración cromática. Estas lentes se llaman dobletes. Usando lentes sencillas, y dobletes, se pueden obtener sistemas ópticos como el triplete, el doble Gauss, o los zoom, entre otros, que producirán mejores imágenes. Los índices de refracción de algunos materiales son 1.0000 del vacío, 1.0003 del aire, 1.3100 del agua. Entre los vidrios, el índice de refracción puede variar de 1.4 hasta 1.9.
Por otro lado, el tamaño y la densidad del vidrio son muy importantes en una cámara fotográfica. El tamaño permite colectar más luz, la densidad tiene que ver con la masa del vidrio y su índice de refracción, y tiene que ver con la portabilidad de la cámara.
En el ámbito de la óptica, dos tipos de vidrios fueron populares, los Flint y los Crown. Los primeros, de mayor densidad que los segundos, es decir, los Flint son más pesados que los Crown. Estos vidrios típicamente tienen índices de refracción de 1.6 y 1.5, respectivamente.
Otras propiedades importantes de los vidrios son su resistencia a la compresión, resistencia a la fractura, temperatura de fusión, conductividad térmica, coeficiente de expansión térmica y resistencia al choque térmico. La importancia de estas propiedades depende de la aplicación.
¿Qué hay con los espejos? Técnicamente un espejo de baño (que utilizamos para peinarnos y muchas cosas más), tiene una superficie plana que refleja la luz. La superficie del agua en una cubeta también hace esta función, pero es poco práctico ya que al moverla, la imagen también se movería. Por esto es que el espejo de baño debe ser plano y reflejante de luz, y rígido si queremos moverlo. Pero, ¿qué tan rígido? Eso dependerá de la aplicación, por ejemplo, si es de uso casero o de automóviles, podrían ser de vidrio, metálicos, o de plástico. Si se trata de reducir peso (masa) en los espejos retrovisores de auto elegiremos el plástico con una cubierta metálica, así que aunque haya deformaciones, por cambios de temperatura, éstos son imperceptibles para el ojo humano. Sin embargo, para la aplicación de un instrumento de precisión, como un telescopio, se puede elegir el vidrio. En esta aplicación no es importante el índice de refracción como en el caso de las lentes. Aquí la luz no pasa por el vidrio, solo la refleja. La característica de estos vidrios, es que su forma no cambia con las variaciones de temperatura del ambiente. Así, en la fabricación de espejos, el coeficiente de expansión térmica es más importante que el índice de refracción.
En la mayoría de los sistemas ópticos formadores de imagen la luz viaja por el aire, atraviesa los vidrios de las lentes y sale de los vidrios al aire para encontrar al detector. Sabemos, que los ojos de los humanos son sistemas ópticos formadores de imagen, y pueden ser considerados como dos lentes “cementadas” (pegadas). Sin embargo, en estos sistemas ópticos la luz viaja por aire, pasa las lentes del ojo y sale a un medio acuoso donde se encuentra la retina (que es el detector). En el caso de los sistemas ópticos de los peces, la luz viaja por agua, pasa a la óptica del ojo del pez, saliendo a otro medio acuoso donde forma la imagen en su retina.
Las lentes de los ojos de los animales son de agua, que está contenida entre membranas que también son transparentes a la luz. El “agua” de estas lentes se caracteriza por tener diferentes densidades, permitiendo tener diferencias en el índice de refracción. Existen varios modelos para simular los ojos de cornea, como el nuestro. En estos modelos el índice de refracción puede variar de 1.336 hasta 1.406, siendo este último valor el que corresponde al cristalino, es el más denso y el de mayor refracción. Mediante la disección de animales se han determinado los valores del índice de refracción de sus ojos. Inclusive en ojos de insectos, que están formados por cientos de omatidium (estos están compuestos por la cornea, el cristalino y el rabdomero). Son elementos ópticos cuyos índices de refracción tienen valores similares a los del ojo de córnea (1.3 ~ 1.4), es decir, elementos ópticos acuosos. Por otro lado, existen ojos de animales que usan espejos para formar la imagen del objeto, tales como algunas ostras. Estos “espejos” están hechos de múltiples capas de proteínas que reflejan la luz.
Casi todas, si no es que todas, las lentes que ha diseñado y fabricado el hombre son de materiales rígidos, de tal manera que no cambian su forma. Y las lentes que ha diseñado y fabricado la naturaleza son de agua, y pueden cambiar su forma, lo que permite, en el caso de los ojos humanos, ajustar el enfoque para objetos lejanos y cercanos.
De manera artificial hemos creado sistemas ópticos que son de vidrio, plástico, agua, o de algún fluido. Entre estos se encuentran los objetivos de microscopio de inmersión (que usan aceite entre el objeto y el objetivo), la lente intraocular (que es una lente de acrílico que sustituye al cristalino en el ojo humano), la escafandra (o visor para nadar) que aunque solo es un pedazo de vidrio o plástico plano y hace las veces de ventana, permite al ojo humano tener buena formación de imágenes dentro del agua.
¿El medio acuoso de los ojos de los animales evolucionará hacia índices de refracción mayores a 1.4?
¿La ciencia desarrollará materiales con índice de refracción mayores a 1.9 o menores a 1.3?
