3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por

¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su
reproducción por computador
Tercera sesión
Hugo Franco, PhD
3 de agosto de 2010
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Contenido
1
¾Qué es la luz?
2
Óptica Geométrica
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
La luz
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Naturaleza de la luz
Teoría corpuscular
Trabajos preliminares (Snell, Descartes,
Newton) describieron a la luz como un
fenómeno de interacción entre objetos
La fuente luminosa expele cuerpos muy
livianos que viajan a enorme velocidad en
línea recta
Se ha comprobado que los haces de luz
están constituídos por fotones, partículas
elementales que gobiernan todas las
interacciones electromagnéticas
Hugo Franco, PhD
Manuscrito de Opticks, Isaac
Newton
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Problemas de la teoría corpuscular
Explica la reexión, pero no explica
La refracción: cambio de dirección de la luz al cambiar de medio)
→
conclusión equivocada: la luz se propaga más rápido en medios
más densos
La difracción: capacidad de la luz de doblar la esquina, rodeando
obstáculos
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Naturaleza de la luz
Teoría ondulatoria
Huygens explicó la refracción y la
difracción mediante un modelo
ondulatorio, lo que implicaba que
Todos los puntos de un frente de ondas
son centros emisores secundarios
De todo centro emisor se propagan
ondas en todas direcciones del espacio
con velocidad distinta en cada medio
Como la luz se propaga en espacios
vacíos, se supuso que ese vacío estaba
ocupado por
éter,
soporte de las ondas.
La teoría ondulatoria explica los fenómenos
citados, pero implica la existencia de una
sustancia imperceptible, el
éter
Hugo Franco, PhD
Manuscrito de Horologium
ondulatorium, Christian Huygens
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Física cuántica: dualidad onda/partícula
En 1924, De Broglie propuso que
toda partícula de materia tiene
asociada una función de onda:
λ=
donde
}
}
mv
es la constante de Planck.
aplica a todos los objetos
materiales, pero es más notoria en
partículas elementales
Se pueden explicar los fenómenos
presión de la radiación y el
efecto fotoeléctrico, conservando
de la
las buenas propiedades de la
aproximación ondulatoria
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Propagación de la luz
Diferentes experimentos y observaciones,
desde Galileo, intentaron medir la
velocidad de la luz.
Michelson y Morley establecieron la
velocidad de la luz con mayor precisión que
experimentos previos:
∼ 290,000
km/s,
Comprobaron que la luz se propaga a una
velocidad constante independientemente
de la velocidad relativa de la fuente,
descartando la existencia del
éter y
causando la Crisis de la Física de
comienzos del siglo XX
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Frecuencia, energía, espectro
A mayores energías, mayor será la frecuencia del haz de luz (y menor
será su longitud de onda):
E
con
ν
= }ν =
}c
λ
la frecuencia, c la velocidad de la luz y
λ
la longitud de onda.
El espectro de luz visible está entre las longitudes de onda de los
∼ 400nm
y los
∼ 750nm
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Al margen: Efecto Doppler
El movimiento de la fuente de luz no
modica la velocidad de propagación, pero
sí produce la compresión de las ondas
lumínicas en el sentido del movimiento
Hallazgo: todas las galaxias se ven con
corrimiento al rojo, luego el universo se
expande
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Percepción del color, frecuencia y tonalidad
Los valores frecuenciales más altos en el
espectro visible corresponden a colores
violáceos.
Los valores más bajos correspondena
colores rojizos
En el medio, se encuentran,
sucesivamente, todos los colores visibles
La respuesta del ojo a los estímulos ópticos
no es lineal, presentándose preferencia por
las tonalidades verdes (naturaleza)
La superposición de las funciones de
respuesta de los conos (retina) permite la
creación de modelos de composición de
color
Diagrama de espacio de color por
cromaticidad de acuerdo a la
percepción humana, según la
Comisión Internacional de
Iluminación
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
Óptica Geométrica
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Reexión
Un haz de luz incidente sobre
una supercie reectante, es
despedido con un ángulo de
reexión igual al ángulo de
incidencia, medidos ambos a
partir del vector normal a la
supercie.
Está relacionado con el índice
de especularidad de un objeto
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Óptica de Espejos
f
F: foco, : distancia focal
Efectos resultantes: cambio de tamaño,
inversión, focalización
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Transmisión: Transparencia y Refracción
Los materiales translúcidos tienen una
conguración molecular que permite el paso
de la luz
La luz se propaga con más lentamente a
medida que la densidad del material
incrementa (índice de refracción,
ni )
Ley de Snell:
n1 sin θ1 = n2 sin θ2
siendo
θ1
el ángulo de incidencia (medio de
partida) del haz y
θ2
el ángulo de refracción
(medio de llegada). Si se supera un ángulo
crítico denido como
θc = arcsin nn ,
2
1
el
Refracción
haz se reeja dentro del medio de partida.
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Aplicaciones de la Refracción: Lentes
Efectos: aumento, reducción /
focalización
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Óptica de la visión humana
La óptica del ojo se basa en
el carácter lenticular de la
cornea y el cristalino
El cristalino es un lente
biconvexo de curvatura
variable
Al variar la curvatura,
cambia la distancia focal,
permitiendo el enfoque de
imágenes a diferentes
distancias
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Dispersión. Descomposición de la luz
La refracción no es idéntica para
todos los haces de luz: a mayor
frecuencia, mayor ángulo de
refracción
Este fenómeno produce la
descomposición de un haz
aparentemente monocromático en
sus diferentes componentes
frecuenciales
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Color y componentes frecuenciales, emulación del color
Modelo aditivo
Modelo Sustractivo
Modelo bioinspirado
Otros:
Optimizada para TV: YUV
Tramados
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Difracción, Interferencia
La difracción puede generar
nuevos frentes de onda a partir
de obstáculos (esquinas)
La luz, dado su carácter
ondulatorio, también presenta
fenómenos de interferencia de
señales
La Interferometría usa este hecho
como método de medida
experimental
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Radiación de cuerpo negro y cromaticidad
Un modelo de cuerpo negro (que
no reeja luz incidente) permite
relacionar temperatura y color
Permite explicar desde la
incandescencia hasta el color de las
estrellas
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Perspectiva
La perspectiva es resultado de la
proyección recta de cada punto de una
escena sobre la supercie de visión (área
de dibujo retina)
Dada la convergencia de los rayos captados
por una supercie de observación, la
misma magnitud espacial aparecerá más
pequeña a medida que se aleja de ésta
La variación de la ubicación del observador
respecto de los objetos de la escena puede
agregar puntos de fuga
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Perspectiva, Puntos de fuga
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com
¾Qué es la luz?
Óptica Geométrica
Paralaje y visión estereoscópica
A está más cerca que B. La diferencia en la
retina de los dos ángulos de convergencia es
llamada paralaje relativo entre los objetos y
produce la impresión de relieve (αB
< αA )
El ángulo de convergencia (posición del
objeto) se mide mediante la distancia de la
proyección del objeto en la retina a la
Para generar imágenes
posición de la fóvea (origen)
Los ánguos paralácticos
αA
y
αB
estereoscópicas se deben
están dados
separar las tomas en una
por la convergencia de las líneas entre el
distancia equivalente a la de
objeto (A o B) y la pupila respectiva. Se
los ojos (∼ 6,5 cm) y centrar el
aproxima como
foco de ambas cámaras en un
αi ' dE
i
objeto dado (misma posición
en la imagen)
Hugo Franco, PhD
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por com