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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
3. Física de la luz, fenómenos ópticos y sureproducción 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 computador
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 computador
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 computador
¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Naturaleza de la luzTeoría corpuscular
Trabajos preliminares (Snell, Descartes,Newton) describieron a la luz como unfenómeno de interacción entre objetos
�La fuente luminosa expele cuerpos muylivianos que viajan a enorme velocidad enlínea recta�
Se ha comprobado que los haces de luzestán constituídos por fotones, partículaselementales que gobiernan todas lasinteracciones electromagnéticas
Manuscrito de �Opticks�, IsaacNewton
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Problemas de la teoría corpuscular
Explica la re�exión, pero no explica
La refracción: cambio de dirección de la luz al cambiar de medio)→ conclusión equivocada: la luz se propaga más rápido en mediosmás densos
La difracción: capacidad de la luz de �doblar la esquina�, rodeandoobstáculos
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Naturaleza de la luzTeoría ondulatoria
Huygens explicó la refracción y ladifracción mediante un modeloondulatorio, 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 fenómenoscitados, pero implica la existencia de unasustancia imperceptible, el éter
Manuscrito de �Horologiumondulatorium�, Christian Huygens
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Física cuántica: dualidad onda/partícula
En 1924, De Broglie propuso quetoda partícula de materia tieneasociada una función de onda:
λ =}mv
donde } es la constante de Planck.aplica a todos los objetosmateriales, pero es más notoria enpartículas elementales
Se pueden explicar los fenómenosde la presión de la radiación y el
efecto fotoeléctrico, conservandolas buenas propiedades de laaproximación ondulatoria
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Propagación de la luz
Diferentes experimentos y observaciones,desde Galileo, intentaron medir lavelocidad de la luz.
Michelson y Morley establecieron lavelocidad de la luz con mayor precisión queexperimentos previos: ∼ 290,000 km/s,
Comprobaron que la luz se propaga a unavelocidad constante independientementede la velocidad relativa de la fuente,descartando la existencia del éter ycausando la Crisis de la Física decomienzos del siglo XX
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Frecuencia, energía, espectro
A mayores energías, mayor será la frecuencia del haz de luz (y menorserá su longitud de onda):
E = }ν =}cλ
con ν 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
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Al margen: Efecto Doppler
El movimiento de la fuente de luz nomodi�ca la velocidad de propagación, perosí produce la compresión de las ondaslumínicas en el sentido del movimiento
Hallazgo: todas las galaxias se ven concorrimiento al rojo, luego el universo seexpande
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Percepción del color, frecuencia y tonalidad
Los valores frecuenciales más altos en elespectro visible corresponden a coloresvioláceos.
Los valores más bajos correspondenacolores rojizos
En el medio, se encuentran,sucesivamente, todos los colores visibles
La respuesta del ojo a los estímulos ópticosno es lineal, presentándose preferencia porlas tonalidades verdes (naturaleza)
La superposición de las funciones derespuesta de los conos (retina) permite lacreación de modelos de composición decolor
Diagrama de espacio de color porcromaticidad de acuerdo a lapercepción humana, según laComisión Internacional de
IluminaciónHugo Franco, PhD 3. Física de la luz, fenómenos ópticos y su reproducción por computador
Óptica Geométrica
¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Re�exión
Un haz de luz incidente sobreuna super�cie re�ectante, esdespedido con un �ángulo dere�exión� igual al �ángulo deincidencia�, medidos ambos apartir del vector normal a lasuper�cie.
Está relacionado con el índicede especularidad de un objeto
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Óptica de Espejos
F: foco, f: distancia focal Efectos resultantes: cambio de tamaño,inversión, focalización
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Transmisión: Transparencia y Refracción
Los materiales translúcidos tienen unacon�guración molecular que permite el pasode la luz
La luz se propaga con más lentamente amedida que la densidad del materialincrementa (índice de refracción, ni )
Ley de Snell:
n1 sin θ1 = n2 sin θ2
siendo θ1 el ángulo de incidencia (medio departida) del haz y θ2 el ángulo de refracción(medio de llegada). Si se supera un ángulo
crítico de�nido como θc = arcsin(n2n1
), el
haz se re�eja dentro del medio de partida.
Refracción
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Aplicaciones de la Refracción: Lentes
Efectos: aumento, reducción /focalización
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Óptica de la visión humana
La óptica del ojo se basa enel carácter lenticular de lacornea y el cristalino
El cristalino es un lentebiconvexo de curvaturavariable
Al variar la curvatura,cambia la distancia focal,permitiendo el enfoque deimágenes a diferentesdistancias
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Dispersión. Descomposición de la luz
La refracción no es idéntica paratodos los haces de luz: a mayorfrecuencia, mayor ángulo derefracción
Este fenómeno produce ladescomposición de un hazaparentemente monocromático ensus diferentes componentesfrecuenciales
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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
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Difracción, Interferencia
La difracción puede generarnuevos frentes de onda a partirde obstáculos (esquinas)
La luz, dado su carácterondulatorio, también presentafenómenos de interferencia deseñales
La Interferometría usa este hechocomo método de medidaexperimental
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Radiación de cuerpo negro y cromaticidad
Un modelo de �cuerpo negro� (queno re�eja luz incidente) permiterelacionar temperatura y color
Permite explicar desde laincandescencia hasta el color de lasestrellas
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Perspectiva
La perspectiva es resultado de laproyección recta de cada punto de unaescena sobre la super�cie de visión (áreade dibujo � retina)
Dada la convergencia de los rayos captadospor una super�cie de observación, lamisma magnitud espacial aparecerá máspequeña a medida que se aleja de ésta
La variación de la ubicación del observadorrespecto de los objetos de la escena puedeagregar puntos de fuga
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Perspectiva, Puntos de fuga
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¾Qué es la luz?Óptica Geométrica
Paralaje y visión estereoscópica
A está más cerca que B. La diferencia en laretina de los dos ángulos de convergencia esllamada �paralaje relativo� entre los objetos yproduce la impresión de relieve (αB < αA)
El ángulo de convergencia (posición delobjeto) se mide mediante la distancia de laproyección del objeto en la retina a laposición de la fóvea (origen)
Los ánguos paralácticos αA y αB están dadospor la convergencia de las líneas entre elobjeto (A o B) y la pupila respectiva. Seaproxima como αi ' E
di
Para generar imágenesestereoscópicas se debenseparar las tomas en unadistancia equivalente a la delos ojos (∼ 6,5 cm) y centrar elfoco de ambas cámaras en unobjeto dado (misma posiciónen la imagen)
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