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Breve historia de la óptica geométrica
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Material preparado por José Villasuso Gato
[email protected]
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http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/
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Debe reconocerse la autoría
No debe usarse con fines comerciales
Debe distribuirse de la misma manera que el presente material
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I. Los fenómenos luminosos
El estudio de las distintas teorías que a lo largo de la Historia han surgido para interpretar los
fenómenos luminosos es un buen ejemplo que ilustra la evolución del método seguido por los
científicos, siempre abierto a cambios y sometido a la prueba definitiva de la verificación
experimental.
En esencia sólo son dos los modelos que se han dado para interpretar los fenómenos
luminosos:
el que considera a la luz como una partícula material (modelo corpuscular), y
el que considera a la luz como una onda que se propaga (modelo ondulatorio).
Estos modelos se han considerado antagónicos pero, sin embargo, en la actualidad se ha llegado
a una situación que en ciertos aspectos engloba ambas concepciones y las ideas que han surgido
en este campo, además de interpretar todos los fenómenos luminosos, han abierto un nuevo
panorama en la interpretación del mundo físico.
Historia
La historia de la Óptica geométrica e instrumental está relacionada con la historia de las
lentes, el descubrimiento de las leyes de la reflexión y de la refracción y de la formación de las
imágenes. Resulta interesante conocer cómo se inventaron y desarrollaron los primeros
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instrumentos ópticos, como el telescopio, el microscopio y el espectroscopio, ya que la mayoría
de los instrumentos ópticos posteriores son modificaciones de éstos.
No se conoce con mucha precisión las nociones que se tenían de la Óptica en la antigüedad. En
los restos de antiguas civilizaciones se encontraron objetos que nos dan una idea de los intereses
de los hombres por los fenómenos ópticos. En tumbas egipcias aparecieron restos de espejos
metálicos que probablemente servían para desviar los rayos del Sol. Las lentes positivas fueron
usadas como lupas desde tiempos muy remotos. Los hallazgos arqueológicos demostraron que
fueron utilizadas para hacer las pequeñas inscripciones que aparecen en objetos hallados en las
esfinges de la Tumba de Minos, en Knosos.
En Pompeya se halló una lente de 5 cm de diámetro y se sabe que 3 000 años aC, en
Mesopotamia, se hacían lentes plano-convexas y biconvexas (algunas se conservan en museos como
el de Berlín). En Creta se encontró una caja con seis lentes convexos, la mayor de 0,8 pulgadas de
diámetro y de 10 aumentos. En el Museo Arqueológico de Berlín, hay una lente positiva de 7
mm de espesor y un foco de 152 cm .
En el siglo XV a.C., durante el reinado de Tutmés III, aparecen los primeros vasos de vidrio
y esmaltes artísticos de este material. En el SIGLO VI a.C. Confucio (China entre el 551 y
el 479 a.C.) habla de un zapatero que usaba "vidrios" en los ojos. Esto hace suponer el uso
de este material como decorativo o medicina y Empédocles de Agrigento (Sicilia hacia el
año 495 a.C.) menciona por primera vez el campo visual.
En el siglo V a.C. los griegos, romanos, árabes... conocían las propiedades de los espejos,
cauterizaban las heridas con lentes positivas y para encender usaban unas esferas de vidrio
llenas de agua llamadas "cristales encendedores". Quizá la primera lente que hubo en el mundo
fue la que construyó Aristófanes en el año 424 a.C. con un globo de vidrio soplado, lleno de
agua. Sin embargo, su propósito no era la de amplificar imágenes, sino la de concentrar la luz
solar.
Los matemáticos griegos se preocuparon también por la óptica en sus aspectos geométricos.
En los escritos del gran geómetra alejandrino Euclides (siglo IV-siglo III), "Óptica" y
"Catróptica", aparecen observaciones geométricas tan importantes como la propagación
rectilínea de la luz, que él consideraba como un tentáculo lanzado desde el ojo hasta el objeto.
Arquímedes (287-212), según cuenta la tradición, defendió su ciudad natal, Siracusa,
empleando espejos "ustorios", que son espejos cóncavos de gran tamaño, para concentrar los
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rayos del Sol en los barcos enemigos y quemar las naves de los romanos. Hace unos años,
científicos británicos realizaron un experimento para comprobar si fue posible y descubrieron
que para que un barco se incendiara, se necesitaba un espejo de 420 metros cuadrados, espejo
que era totalmente imposible construir en su época.
II. El fenómeno de la visión
Los filósofos de la antigua Grecia idearon teorías sobre la naturaleza de la luz en las que
confundían la luz con el fenómeno de la visión. Según decían los pitagóricos, "la visión es causada
por la proyección de imágenes lanzadas desde los objetos hacia los ojos". Por el contrario, los platónicos
afirmaban que la sensación visual se produce cuando los "haces oculares" enviados desde los
ojos chocan con los objetos. El griego Epicuro (341 a.C.-270 a. C.) dice que "de los objetos brotan
partículas que hieren los ojos e impresionan la vista". Conocía la ley de la reflexión de la luz, como lo
expresa Lucrecio en su libro "De la naturaleza de las cosas" donde se dice claramente que el
ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. También habla de la refracción de la luz,
indicando que una varilla, parcialmente sumergida en el agua se ve quebrada, pero no ofrece
ninguna explicación del fenómeno.
Aristóteles (284-348 a.C.) rechazaba estas dos teorías de la visión y proponía que el medio
existente entre el objeto y el ojo desempeñaba un papel esencial. Decía que cuando este medio
(que puede ser o aire o agua, por ejemplo) está en reposo hay oscuridad pero que, excitado por
la "lumbre" de un objeto, el medio pasa al estado activo y se vuelve transparente. Los colores
del objeto pueden entonces viajar hasta nuestros ojos. Según sea el "estado de actividad" del
medio los colores varían. Aristóteles es el primero en mencionar la vista corta y la vista larga.
Séneca (3 a 65 d.C.) fue el primero en mencionar la capacidad amplificadora de las lentes
convergentes al describir como se veían las cosas a través de un globo de vidrio lleno de agua.
Describe los colores que se ven a través de un prisma transparente.
Herón (siglo II a.C. Alejandría) era mecánico y constructor de máquinas. Estudió los espejos de
diversas formas: planos, cóncavos y convexos, y logró fusionar en una las dos leyes de la
reflexión especular: "El rayo, sea o no reflejado, sigue siempre el camino más corto entre el
objeto y el, ojo." (Esta afirmación fue recogida en el siglo XVIII por Fermat de manera más
general).
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El astrónomo Claudio Tolomeo (siglo II d.C. Alejandría), en su “Libro quinto de óptica”
informa de la construcción de un aparato para medir con exactitud los ángulos de incidencia y
de refracción e intentó obtener una relación entre los ángulos de incidencia y de refracción,
aunque no logró formular las leyes. Escribió tablas de valores para diversos medios
transparentes y sostuvo que los rayos que llegan de las estrellas se refractan en el aire, por lo
cual la dirección observada difiere de la real.
Aetius de Amida (siglo VI), educado en la Universidad de Alejandría, menciona la miopía en
sus escritos científicos designándola como "Vista Corta" y haciendo la observación de que
algunos miopes tienen los ojos saltones.
En la Edad Media, sólo los árabes hicieron estudios sobre la óptica, ya que una de las ramas de
la medicina islámica más desarrollada fue el estudio de las enfermedades de los ojos por lo que
se interesaron especialmente por su estructura. Los físicos árabes entendieron la dióptrica en el
sentido de "paso de la luz por los cuerpos transparentes”, llegándose a partir de ahí a la fundación de la
óptica moderna. El cristalino indicó el modo de emplear lentes de cristal o de vidrio para
ampliar la imagen o para leer, especialmente los ancianos. En las lentes tenemos la primera
prolongación del aparato ocular humano.
Destacó sobre todo el físico iraquí Al-Haitham (965-1039), conocido en occidente como
Al-hazen. Es considerado el padre de óptica moderna. Fue uno de los físicos más eminentes y sus
aportaciones al sistema óptico y a los métodos científicos fueron enormes. Hizo importantes
adelantos en la óptica de lentes y de espejos, realizó numerosos estudios (sombras, eclipses,
naturaleza de la luz) y experimentos, y descubrió las leyes de la refracción. Realizó también
las primeras experiencias de la dispersión de la luz en sus colores. Fabricó lentes, construyó
equipos parabólicos como los que ahora se usan en los modernos telescopios y estudió las
propiedades del enfoque que producen. Estuvo a punto de descubrir la teoría del aumento de
las lentes que fue desarrollada en Italia tres siglos más tarde. Estudió la propiedad que tienen
los vidrios de caras curvas de aumentar las dimensiones de los objetos y experimentó con
garrafas de vidrio llenas de agua la refracción de los rayos en un medio transparente. Fue el
primero en describir exactamente las partes del ojo y dar una explicación científica del
proceso de la visión. Contradiciendo la teoría de Tolomeo y de Euclides de que el ojo emite
los rayos visuales a los objetos, él considera que son los rayos luminosos los que van de los objetos al ojo.
Fue el primero en analizar correctamente los principios de la cámara oscura, que consiste en un
cuarto o cajón oscuro que tiene en una de sus paredes un pequeño orificio. En la pared opuesta
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se forma una imagen invertida de los objetos exteriores. Este aparato es el antecesor de la
moderna cámara fotográfica.
Además, anticipó un descubrimiento: la luz viaja con una velocidad finita. Escribió más de 200
libros, pero se conservan muy pocos, entre ellos un Tratado monumental del sistema óptico,
''Opticae", que sobrevivió gracias a su traducción al latín en el siglo XIII. Este tratado no
logró superarse hasta el siglo XVII y tuvo una gran influencia sobre Roger Bacon (siglo XIII),
sobre Witelo (Vitellio) y sobre todos los escritores occidentales medievales del sistema óptico
que conocían la enciclopedia de Al-Haitham. Influyó también en Leonardo Da Vinci y en
Johann Kepler. Su aproximación al sistema óptico generó nuevas ideas e hizo avanzar los
métodos experimentales. De la obra de Al-Hazén se conservan palabras usadas para identificar
las partes del ojo: retina, córnea, humor acuoso...
Hacia el año 1000 d.C. y siguiendo las teorías de Al-hazen, los frailes de la Edad Media
desarrollaron las llamadas "piedras para leer". Posiblemente eran de cristal de roca o de alguna
de las llamadas piedras semipreciosas (posiblemente berilio). Estaban talladas en forma de una
media esfera y aumentaban la letra.
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En la Edad Media tenían pasión por la luz y por los colores vivos que para ellos tenían un
significad místico. El filósofo Roberto Grossatesta, en el siglo XII, elaboró una doctrina, según
la cual la energía creadora del mundo era la luz que procede de Dios, que se condensa y origina
las sustancias naturales. Esta teoría se acerca bastante a las conclusiones de la física moderna
que señala a la energía como fundamento del universo y componente último de toda la materia.
Averroes, Abu I-Walid ibn Rusd (Córdoba 1126-1198) disipó con sus escritos la antigua idea de
que los rayos luminosos partían del ojo e hizo aportaciones importantes a la óptica en general.
Al-Gafiqui vivió entre los siglos XII y XIII. Fue un oculista de gran experiencia y escribió la
obra "Guía del oculista".
Roger Bacon (entre 1210 -1292) fraile franciscano inglés, estudió a fondo la obra de la escuela
árabe. Después del globo de Aristófanes, tuvo que pasar casi 1 500 años hasta que en el año
1266 Bacon talló los primeros lentes con la forma de lenteja que ahora conocemos (de ahí su
nombre). En su libro "Opus maius", Bacon describe claramente las propiedades de una lente
para amplificar la letra escrita y escribe: "Esta ciencia es indispensable para el estudio de la teología y del
mundo... Es la ciencia de la visión y un ciego, se sabe, no puede conocer nada de este mundo." La óptica será la
base; de la nueva actitud filosófica ante el conocimiento: la que descuenta las creencias
tradicionales para oponerles la experiencia del observador, quien sólo afirma lo que "ha visto
por sus propios ojos". Algunos consideran que Bacon fue el inventor de los anteojos porque
comprobó que las personas que veían mal podían volver a ver las letras si utilizaban vidrios
tallados. Se dice que aconsejaba su uso a los ancianos y a las personas de vista débil.
En los primeros anteojos se utilizó el cuarzo y el agua marina, pero conforme aumentó la
demanda fue necesario elaborar vidrio óptico que se rompe con facilidad por lo que resulta
peligroso. A partir de este momento, las gafas han evolucionado según las necesidades de la
sociedad.
Las primeras lentes convergentes aparecen a finales del siglo XIII en el norte de Italia. En esta
zona estaba muy desarrollada la tecnología del pulido de los cristales. Los primeros lentes se
fabricaron para la presbicia y eran convexos. Las lentes para miopes aparecen cien años más
tarde. No se conoce la fecha exacta de su invención pero existe un texto de un sermón del fraile
dominicano Giordano de Pisa, en 1306 que dice: " Aún no han pasado veinte años desde que se
encontró la manera de fabricar lentes de vidrio que permiten una buena visión de las cosas... "
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Posiblemente fueron los vidrieros venecianos los inventores de las lentes. Del taller de los
famosos sopladores de vidrio de Venecia en la isla de Murano proceden los primeros cristales
tallados ideados en principio para un sólo ojo.
El paso siguiente fue montar las lentes en un armazón lo que ocurrió entre 1285 y 1300: le
pusieron un borde de madera, hierro, cuero, plomo, cobre, o concha a dos de esos cristales
tallados y los unieron con remaches de manera para que formaran una unidad. Se les agregó un
mango para mayor comodidad y se les llamó "Lentes de Remache". La armadura se colocaba
sobre la nariz al estilo "pince-nez" o quevedos. Existen dudas sobre si fue Alexandro della
Spina, un monje dominico de Pisa, o su amigo Salvino de Armati, en Florencia, el primero
que lo hizo. En esta época la lupa era usada por relojeros, joyeros y mercaderes de tejidos.
En el libro "Lilibian Medicinae” (Florencia, 1299) se menciona el uso de anteojos para facilitar
la visión. Eran lentes de aumento de forma plano-convexas que se utilizaban para ayudar a
corregir la presbicia y se colocaban encima de los libros para hacer las letras más grandes.
Muchos nombres conocidos de esta época relacionados de alguna manera con la óptica eran
monjes. En la Edad Media, tener unas gafas significaba tener grandes conocimientos.
A partir del siglo XIV se desarrolló en Europa la construcción de lentes para corregir defectos
de la vista. Aparecen las lentes cóncavas para la miopía. Sabemos que las usaba Petrarca (13041374). En la iglesia de San Nicolás de Treviso, existe el primer cuadro de una persona con
lentes, se trata del cardenal Hugo de Provenza, pintado por Tomás de Modena en 1352. La
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primera mención de la existencia de fabricantes de anteojos, data del año 1300 (aparece en el
listado de oficios de Venecia).
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En el siglo XV destacó Leonardo da Vinci (14521519). Estudió la estructura y el funcionamiento del
ojo, pero tuvo el defecto, como sus predecesores, de
creer que la función visual residía en el cristalino en
lugar de en la retina. Formuló una teoría de la visión,
en la que comparaba el ojo a una cámara oscura. Es
muy probable que igual que otros pintores de la época,
Leonardo usara una cámara oscura para incorporar a
su pintura los principios de la perspectiva. Leonardo
da Vinci, conociendo la tradición de Arquímedes,
diseñó por lo menos siete máquinas para tallar espejos
de gran tamaño y radio de curvatura, aunque
probablemente nunca construyó ninguna.
Fue la primera persona que habló de la posibilidad de usar lentes de contacto para corregir
problemas visuales. Tradicionalmente, se atribuye a Leonardo da Vinci la primera descripción
de un dispositivo que podría asimilarse a una lente de contacto (Codex D, Folio 3, verso).
Leonardo describe minuciosamente un dispositivo para eliminar los vicios de refracción del ojo
(astigmatismo). En el margen de uno de sus escritos añadió el dibujo de un sistema óptico
consistente en una semiesfera de vidrio llena de agua y con un rostro sumergido en ésta. La
relación de este esquema con las lentes de contacto deriva sólo del hecho de que los ojos están
en contacto con el agua, pero Leonardo dibujó también unas lentillas semejantes a las actuales,
así como la ampolla de cristal de la que debían tallarse. A l igual que otros inventos suyos, este
no pudo ser llevado a la práctica por la limitación tecnológica del siglo XIV.
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Durante los siglos XVI y XVII se dio una revolución artística y científica. Los científicos
empezaron a estudiar la naturaleza a través de los experimentos. En esta época, surgen las
monturas con varillas, se añade un puente a las gafas para que descansen mejor sobre la nariz y
se empieza a diversificar el uso de nuevos materiales. Se inventaron muchos instrumentos que
permitían una mayor experimentación cuantitativa. Destacan sobre todo dos: el telescopio y el
microscopio.
No se sabe con exactitud quien fue el inventor del telescopio ya que hay tres posibles
candidatos. El primero es el italiano Gianbattista della Porta, que en 1589 escribió en su libro
Magia Naturalis una descripción de lo que parece ser un telescopio. El segundo es el holandés
Zacarías Jansen en 1590, ya que se han encontrado escritos donde se afirma esto. Pero el más
probable descubridor de este instrumento es un fabricante de anteojos holandés llamado Hans
Lippershey, ya que según cuidadosas investigaciones históricas construyó un telescopio en el
año de 1608.
Estos descubrimientos se encuentran en su libro “Siderius Nuntius”, ("El mensajero de las estrellas").
Una vez publicado y agotado en unos cuantos días los fabricantes de lentes se pusieron a hacer
telescopios cada vez más grandes y más potentes.
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Galileo (1564 -1642) se enteró de la invención
de Lippershey en mayo de 1609, y rápidamente
construyó su primer telescopio que consistía en
dos lentes simples, una planoconvexa y otra
bicóncava, colocadas en los extremos de un
tubo de plomo. Este telescopio tenía una
amplificación de 3X.
Entendió como funcionaba el telescopio y esto
le permitió construir uno de 30X que se
encuentra actualmente en el Museo de Historia
de la Ciencia en la ciudad de Florencia.
Posteriormente, construyó varios telescopios de
hasta 36X. Con ellos pudo estudiar el cielo y la
Tierra, y hacer, durante 30 años, numerosos
descubrimientos, como cuatro de los satélites de
Júpiter.
Algunos escolásticos lo atacaron duramente llegando a afirmar que los fenómenos celestes
vistos por Galileo "no son más que ilusiones ópticas, y para verlos es preciso fabricar un anteojo que los
produzca”. Envió uno de sus primeros telescopios al célebre astrónomo Johannes Kepler y
vendió otro a la alcaldía de Venecia, ya que era una herramienta muy útil en las batallas navales y
para ver antes a los navíos en el horizonte.
Kepler (1571-1630) diseñó un microscopio compuesto en que, ambos, el objetivo y el ocular,
eran de tipo convexo, y lo utilizó para compilar las tablas de datos sobre el movimiento de los
planetas que fueron la base de sus trascendentales leyes sobre el movimiento planetario. En el
año 1611 publicó el libro "Dioptrice" (1611) que contiene los resultados de ese trabajo y se
convirtió en un texto para los estudiosos de la óptica durante muchos años. Kepler, en su obra
Ad Vitellionem Paralipomena (1604), es el primero que admite que la imagen se forma en la retina, que
esta imagen está invertida con relación al objeto y que el cerebro es el encargado de volverla a
invertir y ponerla derecha.
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Willebrord Snellius (Snell) (1581-1626)
matemático y astrónomo holandés (profesor
en la universidad de Leiden) que se dedicó al
estudio
de
la
óptica
geométrica.
Catorce siglos después de los experimentos
de Tolomeo, Snell consiguió medir los
ángulos que forman los rayos incidentes a la
superficie de separación de dos medios, así
como los que forman los rayos refractados y
a partir de tales mediciones, formuló la ley
de la refracción, también conocida como ley
de Snell, desarrollada posteriormente por
Descartes. Esta ley es fundamental para
diseñar lentes y aparatos ópticos.
Entre los papeles hallados a la muerte de Snellius se encontró la deducción de esta ley que
desempeñó un importantísimo papel en el desarrollo tanto del cálculo como de la teoría de
ondas de la luz.
Benito Daza de Valdés (Córdoba, 1592-1634), con grandes conocimientos de matemáticas y
de óptica, es el autor del primer libro de óptica en castellano titulado «El uso de los anteojos»
publicado el año 1623 y dedicada a Nuestra Señora de la Fuensanta. Contiene abundante
información sobre el uso de las lentes para mejorar la visión, sobre la operación de cataratas y
sobre la corrección óptica de la hipermetropía y la presbicia. Explicaba además la conveniencia
de protegerse del Sol con gafas.
Descartes (1596-1650) descubrió los fundamentos de la óptica moderna. A él se debe la idea de
colocar una lente directamente sobre la superficie de la córnea; su diseño constituyó el principio
de las lentes de contacto. Hacia 1626 se estableció en París donde se dedicó a la construcción de
elementos ópticos hasta 1629. Escribió "La Dioptrique", un trabajo sobre óptica donde dice: “Si
uno aplicase sobre el ojo un tubo lleno de agua, en cuyo extremo hay un vidrio en forma exactamente igual a la
piel (córnea) no existiría refracción alguna a la entrada del ojo”. Intentó por primera vez fabricar algo
que se asemejaba a un lente de contacto. Consistía de un tubo cilíndrico de vidrio que se llenaba
de agua. Un extremo del tubo se apretaba contra el ojo, mientras que en la otra punta se ponía
un lente de vidrio para corregir el problema visual. Descartes consideraba que su idea no era
práctica debido a las dificultades para obtener un vidrio de radio adecuado en el extremo del
tubo, colocar éste en contacto con el globo ocular y mantenerlo en posición correcta. Por tales
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dificultades admitidas a priori, optó por un simple cono de vidrio, anticipándose así al cono
diseñado por Steinheil a mediados del siglo XIX. Parece ser que la ley de la refracción hallada
por Snell en 1621 tenía una forma diferente a la que conocemos actualmente, en términos de
senos, que es debida a Descartes. En su libro La Dioptrique, dedujo la misma ley usando un
modelo en el cual la luz se veía como una presión transmitida a través de un medio elástico.
Pierre de Fermat (1601- 1665) dedujo de nuevo la ley de refracción de la luz a partir de su
propio principio de tiempo mínimo (1657), sin tener en cuenta las suposiciones de Descartes.
Apartándose del postulado de Herón, según el cual la luz seguiría el camino más corto para ir
desde un punto hasta otro, Fermat mantuvo que la luz se propaga siempre a lo largo aquella trayectoria que
le suponga el mínimo tiempo, incluso si para lograrlo tuviera que desviarse del camino geométricamente más corto.
Es como decir que la luz decide por sí misma su propio camino.
Philippe de la Hire (1640-1718), matemático francés, perfeccionó la idea de Descartes y
sugirió utilizar un "vidrio" cóncavo sobre el globo ocular: La curvatura interna del vidrio
debería ser igual a la curvatura de la córnea, eliminando así la refracción de la córnea y el humor
acuoso y el vidrio pueden ser considerados como el mismo medio óptico.
Marcelo Malpighi (1628-1694). Fisiólogo italiano. Consideró que podía diseñarse una
combinación de lentes que aumentara el tamaño de los objetos pequeños y así llegó a inventar el
microscopio y la microscopía, que se desarrollaron ampliamente a mediados del siglo XVII.
Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) en 1674, en Holanda, se enteró de que los objetos
cercanos vistos a través de una lente convergente se observaban de mayor tamaño. Incitado por
la curiosidad aprendió a tallar las pequeñas lentes que necesitaba. Queriendo observar los
objetos cada vez de mayor tamaño, hizo las lentes cada vez más pequeñas y de distancia focal
más corta, construyendo así el primer microscopio simple. Con este instrumento descubrió los
primeros microorganismos: glóbulos de la sangre, varios protozoos y las bacterias. Durante los
años siguientes, los sistemas ópticos se caracterizaron por sus limitaciones, distorsión, poco
poder de resolución y aberraciones cromáticas.
Robert Hooke (1635-1703), sin relación alguna con Leeuwenhoek, construyó el primer
microscopio compuesto en 1665 y lo describe en su libro "Micrographia". Usaba como objetivo
una lente muy pequeña para formar una imagen amplificada del objeto frente a otra lente
convergente llamada ocular. Tenía un soporte mecánico muy perfeccionado para su época. Las
lentes eran aún muy rudimentarias y tenían defectos y el microscopio compuesto no producía
muy buenas imágenes por eso tuvo más éxito el microscopio simple de Leeuwenhoek.
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Hasta mediados del siglo XVII se creía que la luz estaba formada por corpúsculos que eran
emitidos por los focos luminosos tales como el Sol o la llama de una vela, que viajaban en línea
recta y que atravesaban los objetos transparentes pero no los opacos, excitando el sentido de la
vista al penetrar en el ojo. Sobre esas fechas, sin embargo, empezó a abrirse paso la teoría de
que en realidad se trataba de algún tipo de fenómeno ondulatorio.
James Gregory, (1638-1675). Célebre catedrático de matemáticas de la universidad escocesa de
Saint Andrews. Estudió geometría, mecánica y astronomía. Publicó su primera obra, "Optica
promota" en 1663. No conocía ni la "Dióptrica" de Descartes (1637) ni la ley de refracción y a
pesar de ello, basándose en la experiencia, formuló una ley equivalente a la ley del seno y
construyó un modelo para la medida de la refracción. En esa época se establece los principios
teóricos del instrumento que se conoce como "telescopio refractor de Gregory".
El físico holandés Christian Huygens (1629-1695)
Huygens tenía sus propias ideas acerca de la luz y
elaboró la teoría ondulatoria. Señaló que de manera
semejante al sonido, la luz es también una vibración
que se propaga utilizando un soporte material que
llamó éter (en esto se equivocó). Para explicar la
refracción, supuso que la velocidad de la luz era menor
en el vidrio o en el agua que en el aire, justo lo contario
de lo que suponía Newton. La comprobación de este
dato era imposible en aquella época.
Su teoría es incapaz de explicar la propagación rectilínea y la polarización al atravesar cristales
como el de espato de Islandia.
En 1678 escribe "Traité de la lumière", que fue el primer intento de desarrollar la teoría
ondulatoria de la luz. Sus ideas sobre la naturaleza ondulatoria de la luz no fueron aceptadas por
la mayoría de sus contemporáneos ya que esta había adoptado la teoría corpuscular de Newton.
Huygens, además de ser un gran teórico de la óptica, era especialmente hábil para fabricar
instrumentos. Con uno de sus telescopios descubrió un satélite de Saturno y distinguió
claramente los anillos que circundan este planeta.
La teoría ondulatoria tenía aún un problema, era una teoría mecanicista, precisaba de un medio
en el que se propagara la onda, el éter. Esta sustancia debía poseer una elasticidad infinita para
que la luz se pudiera propagar con la velocidad que lo hacía
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Isaac
Newton
(1642-1727)
descartaba
la
hipótesis ondulatoria de Huygens, entre otras
cosas, porque no explicaba la propagación
rectilínea de la luz y elaboró la teoría
corpuscular, según la cual la luz era un chorro de
partículas que se originaba en el foco de luz y
que se desplazaban a gran velocidad.
Con ayuda de la teoría corpuscular pudo explicar
las leyes de la reflexión (rebote de las partículas
sobre un cuerpo) y de la refracción. Sin embargo
su deducción de la ley de la refracción dependía
de la hipótesis de que la luz se movía con mayor
rapidez en el agua o vidrio que en el aire, lo cual
posteriormente se demostró que era falso.
En 1660, a los 18 años ya había fabricado un telescopio pequeño y poco potente, pero con una
novedad: usó espejos en vez de lentes para evitar la aberración cromática que da lugar a
imágenes con franjas de colores: el telescopio de reflexión. A Newton, más que el instrumento, lo
que le interesaba era estudiar esas franjas de colores, entender su origen y aprender a eliminarlas
para mejorar la calidad de las imágenes. Empezó así una serie de estudios con prismas y con luz
blanca y obtuvo el espectro de dicha luz.
Dedujo erróneamente que las lentes tienen intrínsecamente un defecto para determinar
imágenes claras de los objetos, puesto que los rayos de diferentes colores no pueden ser
concentrados en el foco a la misma distancia de la lente ( la aberración cromática no puede ser
eliminada de las lentes aunque se utilice una combinación de ellas). Pero en el año 1758 se
consiguió una combinación acromática de lentes que significó la confirmación de su error y un
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paso adelante para la astronomía y la microscopía. Newton resumió sus experimentos con
prismas en su libro Optics.
Durante el siglo XVIII el microscopio sufrió diversos adelantos mecánicos que aumentaron su
estabilidad y su facilidad de uso aunque no se desarrollaron mejoras ópticas.
Thomas Young (1773 -1829). Médico inglés que se
dedicó a estudiar el funcionamiento del ojo humano
estableciendo que existen tres tipos de receptores, cada
uno de ellos sensible a uno de los colores primarios.
Descubrió cómo cambia la curvatura del cristalino para
enfocar objetos a distintas distancias y el origen del
astigmatismo.
En una célebre experiencia que lleva su nombre,
encontró que si dejaba pasar luz que procedía de una
única fuente a través de dos pequeñas rendijas muy
próximas, se formaban unas bandas brillantes que
alternaban con otras más oscuras. Basándose en el
fenómeno de interferencia que se producía, estableció
definitivamente la naturaleza ondulatoria de la luz.
Young creía que las vibraciones luminosas se efectuaban en dirección paralela a la propagación
de las ondas luminosas. Esto le impidió tener la capacidad para percatarse, en la imagen
ondulatoria, de los fenómenos de polarización descubiertos hacia 1805 por el geómetra francés
Louis Etienne Malus.
Se cree que Young fue el primero en modificar la refracción del ojo mediante un sistema
dióptrico aplicado a la córnea. Utilizó el principio de la neutralización córnea. Su mecanismo,
que más tarde se conoció con la denominación de "hidrodiascopio", era un tubo de un cuarto de
pulgada de longitud. En uno de sus extremos Young colocó una lente pequeña. El terminal
ocular del dispositivo estaba rodeado de cera y el tubo estaba lleno de agua. Aplicó el
instrumento a su ojo, experimentó y escribió lo siguiente:
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"De un pequeño microscopio para las investigaciones botánicas he
extraído una lente bicóncava de aproximadamente 20 milímetros de
distancia focal. He colocado esta lente en un pequeño tubo de 5
milímetros de longitud que he recubierto con un poco de cera y llenado
en tres cuartas partes con agua fría. Lo he aplicado a mi ojo, de tal
manera que la córnea penetró en su mitad en el tubo y se encontraba en
todas partes en contacto con el agua: el ojo se hizo inmediatamente
hipermetrópico".
Su invento resultó un elemento básico para plantear esta posibilidad de corrección óptica por
procedimientos distintos a las gafas comunes. Su intención era simplemente eliminar la córnea y
sustituirla por una lente bien tallada, lo que resultaba lógico dado que el humor acuoso, la
córnea y el agua tienen casi el mismo índice de refracción y por tanto actúan como un único
medio óptico. Las lentes de contacto actuales parten de este mismo principio.
A finales del siglo XVIII se inventaron las lentes bifocales en Norteamérica. Se atribuyen a
Benjamín Franklin (1706- 1760) por hablar de ellas en unas cartas del año 1784. Estaban
formadas por dos mitades de lentes: la de visión lejana y la de visión próxima montadas en un
mismo aro. Cuenta la historia que cada vez que tenía que abrir un libro Franklin, debía de
cambiar de lentes, lo que lo desesperaba. Mandó cortar sus lentes en dos y luego unirlos para
que cada vez que tuviera que leer, sólo tuviera que bajar la vista.
Este siglo nos trae las gafas con varillas, primero cortas que sujetan a presión sobre los
temporales y a finales del siglo, las varillas son más largas y se sujetan detrás de las orejas.
George Louis Leclerc (1707 - 1788), escritor y naturalista francés. En el año 1748 sugirió que
se podía disminuir el peso de las lentes si la superficie esférica en lugar de ser continua estuviera
dividida en anillos concéntricos sucesivos. Si se montan de manera adecuada los anillos,
formarían una lente esférica pero en una superficie plana.
Karl Friedrich Gauss (1777-1855) Matemático alemán. Estableció la teoría de primer orden de
la óptica geométrica, que se basa en la ley de la refracción y en consideraciones geométricas para
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calcular las posiciones de las imágenes y sus tamaños en los sistemas ópticos formados por
lentes y espejos. Esta teoría se sigue usando para diseñar todo tipo de instrumentos ópticos, y
con ella es posible calcular las posiciones del objeto y de la imagen formada por una lente
convergente simple. Afirmó que eran posibles las lentes de contacto. Siendo director del
observatorio de Gotinga construyó un heliotropo, instrumento que reflejaba la luz solar a grandes
distancias y de esta manera los rayos de luz se podían emplear como líneas rectas que marcaban
la superficie terrestre. Obtuvo así determinaciones trigonométricas más precisas de la forma del
planeta.
Sir John Frederick William Herschel, (1792-1871), astrónomo inglés de origen alemán,
aportó en 1823 una interpretación teórica y justificó la posible aplicación práctica de las lentes
de contacto, concebidas y esbozadas por Leonardo Da Vinci. Herschel sugirió que era posible
corregir el astigmatismo por este ingenioso procedimiento. Mencionó también que podía
obtenerse un molde del ojo y consecutivamente tallar un cristal de la forma y dimensiones
correspondientes. Propuso la posibilidad de corregir la ametropía astigmática aplicando al ojo
una cápsula de vidrio llena de sustancia gelatinosa de origen animal, pero su idea no tuvo éxito.
La exponía así en una nota al pie en la Encyclopedia Metropolitana que apareció el año 1845:
"En algunos casos de irregularidades de la córnea sería interesante experimentar si poniendo algunos geles
transparentes de origen animal, contenidos en una cápsula esférica de vidrio, en contacto con la superficie del ojo,
podría conseguirse una visión nítida, siquiera transitoria; o si podría tomarse un molde verdadero de la córnea y
traspasarlo a un medio transparente."
William Hyde Wollaston (1766- 1828) físico y químico británico que perdió la vista y se
dedicó a la investigación electroquímica y a la óptica. Fue el primero en informar sobre las
líneas oscuras del espectro solar y realizó importantes observaciones sobre la refracción de la
luz. Inventó un aparato para medir el poder de refracción de los sólidos.
Augustín Fresnel (Francia, 1788-1827), físico francés que realizó numerosos experimentos
sobre interferencias y difracción y dio un gran avance a la teoría ondulatoria ya que la
desarrolló sobre una rigurosa base matemática. En esta época se conocían los reflectores de
metal curvos para enfocar la luz. Fresnel puso en práctica la idea de Leclerc e inventó un
aparato de enfoque que se emplea actualmente y que proporciona una luminosidad cuatro veces
mayor que la de un reflector ordinario.
Consistió en reducir el tamaño y peso de la lente y lograr un poder iluminador mayor
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Recortó una lente esférica y la redujo
a una serie de anillos que son
prismas
parabólicos
concéntricos
que recogen la luz dispersa y la
concentran.
Se instaló por primera vez en un faro
en Chassiron (Francia) en 1827. El
Fresnel es la fuente más usada de luz
en los estudios de cine y televisión y
se
usa
con
iluminaciones
frecuencia
en
las
teatrales.
Posteriormente, a partir de 1945
estas se moldean en plástico llegando
a tener menos de 1 mm de espesor.
El tipo de lente de Fresnel se utiliza
actualmente para producir rayos
paralelos de luz en los faros
marítimos.
J.J. Lister en 1826 inventó el objetivo acromático con lo que se progresó en la construcción del
microscopio compuesto. A partir de este momento, dejó de utilizarse el microscopio simple y el
compuesto se hizo indispensable en los laboratorios.
L. Seidel, en 1856, desarrolló y publicó por primera vez una teoría más completa que la de
Gauss para el diseño de sistemas ópticos. Esta teoría fue perfeccionada y ampliada por muchos
investigadores a principios del siglo XX, entre los que destaca A. E. Conrady, que en 1929
publicó su famoso libro "Applied Optics and Optical Design", estableciendo así las bases
fundamentales para el diseño de lentes de alta calidad.
George Biddell Airy. Astrónomo y matemático inglés (1801 -1892). Fue astrónomo real entre
los años 1835 y 1881, dedicándose a la modernización del observatorio de Greenwich y
colocándolo a la altura de los mejores de la época. Llevó a cabo diversos descubrimientos en el
campo de la óptica entre los que destacan la invención de las lentes que permiten corregir el
astigmatismo. Dio instrucciones al óptico Fuller para que le confeccionara unas lentes
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cilíndricas. En 1850 desarrolló el telescopio Transit Circle, que usó para definir la longitud 0º, el
punto a partir del cual se miden los horarios y los mapas mundiales.
Ernst Abbe Alemania (1840-1905) hizo un trabajo teóricomatemático muy detallado del microscopio. En 1880, por
encargo de Carl Zeiss, introdujo el ocular ortoscópico formado
por cuatro lentes en dos grupos que corregía muchos defectos
que tenían los microscopios anteriores. Mejora la microscopía
de inmersión sustituyendo el agua por aceite de cedro lo que
permite obtener aumentos de 2000. Proporcionan una imagen
luminosa y nítida sobre todo en distancias focales cortas.
En el año 1884, se crean los bifocales de porciones dependientes. Estas consistían en un lente
común, al cual se le agregaba una lentilla cementada con bálsamo de Canadá.
En el siglo XIX se explica con bastante rigor la adaptación del sistema óptico del ojo a
diferentes distancias de visión ("acomodación"), describiéndose el astigmatismo, su medida y el
tipo de lentes para tratarlo, así como el uso de lentes prismáticas. En este período aparece la
unidad básica de medida de la potencia de un sistema óptico: la "dioptría", el concepto de
"agudeza visual" y la descripción del "campo visual".
La lente de contacto empezó a utilizarse sobre la córnea en 1887 cuando el médico Adolf
Eugen Pick (1829-1901) ideó las lentes de contacto, pequeñas lentes (lentillas) que se aplicaban
directamente sobre el iris, con lo que se corregía la visión sin que nadie se percatara de ello.
A principios del siglo XX, John Borsh padre e hijo producen los cristales bifocales
denominados Kriptock. Estas lentes se usan para ver de cerca y de lejos.
En 1906 Bentson y Emerson, introducen los cristales bifocales de una sola pieza, conocidos
con el nombre de ULTEX. Son muy útiles para aquellas personas con problemas en visión
próxima que necesiten utilizar, habitualmente, la graduación de cerca y no quieran sacarse sus
gafas cada vez que miran de lejos.
En los años 20 se puso de moda el uso de gafas solares. Los fabricantes de vidrio sacaron al
mercado por primera vez muestrarios con una colección de lentes coloreadas. A partir de este
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momento las gafas de sol se han convertido en un elemento de uso común y en un
complemento de la moda.
En 1927 fueron inventados los cristales Panópticos formados por un segmento de vidrio de alto
índice de refracción y poco poder dispersivo que se coloca en forma de cuña en un anillo de
vidrio Crown común y posteriormente se crean los trifocales pero con dos vidrios de distinto
índice de refracción.
Max Knoll y Ernst Ruska en Alemania en 1931 desarrollaron el microscopio electrónico de
transmisión (T.E.M.): fue el primer tipo de microscopio electrónico. Utiliza un haz de
electrones en lugar de luz para enfocar la muestra consiguiendo aumentos de 100.000 X. En
1942 se desarrolla el microscopio electrónico de barrido (SEM).
William Fleinbloom en 1936 empleó plásticos sintéticos en combinación con el vidrio para
fabricar lentes y en 1948 Kevin Tuohy fabricó las primeras lentes corneales de metacrilato con
un diámetro de 11mm que se popularizaron rápidamente. Eran rígidas, pero poco después
aparecieron las lentes rígidas permeables a gases, hechas de Silicón o diversos polímeros de
silicón y plástico y también varias lentes de contacto suaves hechas de diversos plásticos.
E. W. H. Selwyn y J. L. Tearly inventaron en 1946 el concepto de la "función de
transferencia" de una lente, que es el análogo de la "respuesta de frecuencias" de un
amplificador electrónico.
Fritz Zernike (1888-1966), físico holandés, inventó el microscopio de contraste de fase, gracias
al cual le fue otorgado el premio Nobel de Física en 1953. Con este microscopio se pueden
observar microorganismos transparentes, sin necesidad de teñirlos, lo que es imposible con el
microscopio ordinario.
Javal, en 1948, diseñó un oftalmómetro para medir parte de la topografía corneal que pronto
fue usado en la toma de medidas, para la adaptación de lentes de contacto. Este mismo año
empezó la fabricación de lentes de contacto corneales con metacrilato de metilo.
En 1952, se introdujeron los hidrogeles, materiales blandos, permeables e hidratables, que
mejoraron la comodidad de las lentes de contacto ya que hasta este momento los materiales que
se usaban no eran permeables al gas ni hidratables.
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A mediados del siglo el francés Maitenaz idea una nueva lente de potencia variable llamada
"VARILUX", las llamadas lentes progresivas. La cara cóncava de este cristal es esférica o tórica
y la cara convexa es casi esférica en su mitad superior, y en la inferior el radio de curvatura
decrece progresivamente desde el centro de la lente hasta un punto situado alrededor de 14 mm
por debajo del centro de visión lejana. Dan una visión continua sin los inconvenientes de las
lentes trifocales que al tener dos líneas divisorias dificultan la visión. Tiene tres curvaturas
diferentes: para ver objetos lejanos, para distancias intermedias y para objetos cercanos.
WITCHERLE y LIN (1960), desarrollaron en Praga las primeras lentes fabricadas con
hidrogeles (Poliglicol-metacrilato).
Baush & Lomb en 1964 comercializa las primeras lentes fabricadas con moldes en lugar de
torneadas. Patentaron el Hema (Hidroxi2 etil-metacrilato) en los Estados Unidos, bajo el
nombre de Hydron, implantando el sistema de centrifugado que consistía en polimerizar el
material a la vez que se daba forma a la lente, mediante un sistema giratorio.
Johnson & Johnson, en 1965, lanza al mercado las primeras lentes de contacto blandos
desechables y de reemplazo frecuente con la marca ACUVUE, y en la década de los 80
aparecieron las lentes de uso prolongado.
En 1976 se empiezan a comercializar lentes fabricadas con materiales rígidos permeables al gas
llamados semirígidos.
En la década de los 80, la incorporación del NVP (N-vinil-pirrolidona) a los polímeros consigue
alcanzar hidrataciones de hasta el 70%, lo que permite la aparición de las lentes de contacto de
uso prolongado. En 1999 Ciba Vision presenta la primera lente que, por su revolucionario
material, permite para poder dormir con ella durante 30 días: Night Day Focus. Son unas lentillas
desechables de uso continuo que, por su revolucionario material, permiten el uso continuo
durante un mes y tienen hasta 6 veces más transmisión de oxígeno que las lentillas blandas.
Aparecen también las primeras lentes bifocales reusables.
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