Introducción a la reflexión de la luz
La reflexión de la luz se produce cuando un rayo de luz entra en contacto con una superficie y rebota cambiando de dirección. A través de este artículo introductorio, se ofrece toda la información que necesita saber sobre la reflexión de la luz, desde una definición completa de la «reflexión de la luz» a los distintos tipos de reflexión e imágenes como ejemplo.
¿Qué es la reflexión de la luz?
La reflexión de la luz (y otras formas de radiación electromagnética) se produce cuando las ondas entran en contacto con una superficie o límite que no absorbe la energía de radiación y hace rebotar las ondas lejos de la superficie.
Ejemplo de la reflexión de la luz
El ejemplo más sencillo de la reflexión de luz visible es la superficie de un lago liso, en el que la luz incidente se refleja de manera ordenada para producir una imagen clara de la escena que rodea el charco. Si tiramos una piedra en el lago (ver Figura 1), el agua se altera formando ondas y después perturba el reflejo al dispersar los rayos de luz que se reflejan en todas las direcciones.
¿Quién descubrió la reflexión de la luz?
Algunas de las primeras explicaciones sobre la reflexión de luz se atribuyen al matemático griego Euclides, quien llevó a cabo una serie de experimentos alrededor del año 300 a. de C., y parece haber llegado a un buen entendimiento sobre de la reflexión de la luz. Sin embargo, no fue hasta un milenio y medio después que el científico árabe Alhazen propuso una ley en la que se describía exactamente lo que ocurre con un rayo de luz cuando entra en contacto con una superficie lisa y rebota en el espacio.
La onda de luz entrante se denomina onda incidente y la onda que rebota lejos de la superficie recibe el nombre de onda reflejada. La luz blanca visible que se orienta a la superficie de un espejo en ángulo (incidente) vuelve a reflejarse en el espacio usando la superficie del espejo a partir de otro ángulo (reflejado) que es igual al ángulo incidente. Esta acción se demuestra en la Figura 2 donde un rayo de luz proveniente de una linterna se emite hacia un espejo liso y plano. Por lo tanto, el ángulo de incidencia de la luz visible es igual a su ángulo de reflexión, así como con las otras longitudes de onda del espectro de radiación electromagnética. Este concepto a menudo se conoce como Ley de reflexión. Es importante señalar que la luz no se separa en sus colores componentes, ya que no se «dobla» o refracta, y todas las longitudes de onda se reflejan en ángulos idénticos. Las mejores superficies para que el fenómeno de reflexión de luz se produzca son planas, como un espejo de vidrio o un metal pulido, aunque la mayoría de las superficies reflejarán la luz en algún grado.
Reflexión de la luz
Cuando las ondas de luz inciden en una superficie lisa y plana, se reflejan lejos de la superficie en el mismo ángulo en el que llegan. A través de este tutorial, se analiza la relación entre los ángulos incidente y reflejado en el caso de una onda de luz sinusoidal virtual.
Debido a que algunas veces la luz se manifiesta en forma de onda y otras veces como si estuviera compuesta de partículas, han emergido diversas teorías independientes sobre la reflexión de la luz. Según las teorías asociadas a las ondas, las ondas de luz se dispersan desde su punto de origen hacia todas las direcciones y, tras chocar contra un espejo, se reflejan en un ángulo determinado a partir del ángulo en el que llega la luz. El proceso de reflexión invierte cada onda de atrás a delante y por ello se observa una imagen invertida. La forma de las ondas de luz depende del tamaño de la fuente de luz y de la longitud de desplazamiento de las ondas hasta llegar al espejo. Los frentes de onda que se originan en una fuente cercana al espejo serán muy curvados, mientras que aquellos que son emitidos por fuentes de luz distantes serán casi lineales: un factor que afectará al ángulo de reflexión.
Según la teoría de partículas, que difiere en algunos detalles importantes del concepto de onda, la luz llega al espejo en forma de un flujo de partículas diminutas, que rebotan en la superficie tras el impacto y se alejan. Dado que las partículas son muy pequeñas, se desplazan muy cerca entre ellas (prácticamente en paralelo) y rebotan desde diversos puntos, por lo que su orden se invierte por medio del proceso de reflexión, lo que genera una imagen espejo. Independientemente de si la luz actúa como partículas u ondas, el resultado de la reflexión es el mismo. La luz reflejada genera una imagen espejo.
La cantidad de luz reflejada por un objeto y cómo se refleja depende en gran medida del grado de uniformidad o textura de la superficie. Cuando las imperfecciones de la superficie son más pequeñas que la longitud de onda de la luz incidente (como en el caso de un espejo), prácticamente toda la luz se refleja de forma uniforme. Sin embargo, en el mundo real la mayoría de objetos tienen superficies intrincadas que exhiben un reflejo difuso, con la luz incidente reflejada en todas las direcciones. Muchos de los objetos que vemos de manera despreocupada todos los días (personas, vehículos, casas, animales, árboles, etc.) no emiten luz visible por ellos mismos, sino que reflejan la luz solar natural incidente y la luz artificial. Por ejemplo, una manzana muestra un color rojo brillante porque tiene una superficie relativamente lisa que refleja la luz roja y absorbe las otras longitudes de onda de luz que no son rojas (como el verde, el azul y el amarillo).
¿Cuántos tipos de reflexión de luz existen?
La reflexión de luz puede categorizarse a grandes rasgos en dos tipos de reflexión. La reflexión especular se define como la luz reflejada a partir de una superficie lisa en un ángulo determinado, mientras que la reflexión difusa se produce en las superficies rugosas que tienden a reflejar la luz en todas las direcciones (como puede verse en la Figura 3). En nuestro entorno diario, se producen muchas más ocurrencias de reflexión difusa que de reflexión especular.
Reflexión especular y difusa
La cantidad de luz reflejada por un objeto y cómo se refleja depende en gran medida del grado de uniformidad o textura de la superficie. Este tutorial interactivo estudia las variaciones de reflectividad en las superficies a partir de su transición en texturas lisas similares a un espejo hasta texturas rugosas e irregulares.
Para visualizar las diferencias entre la reflexión especular y difusa, tenga en cuenta el uso de dos superficies muy diferentes: un espejo liso y una superficie rugosa rojiza. El espejo refleja todos los componentes de la luz blanca (como las longitudes de onda rojas, verdes y azules) de forma casi idéntica, y la luz especular reflejada sigue una trayectoria que tiene el mismo ángulo normal como la luz incidente. Sin embargo, la superficie rugosa rojiza no refleja todas las longitudes de onda porque absorbe la mayor parte de los componentes azules y verdes, y refleja la luz roja. Del mismo modo, la luz difusa que se refleja a partir de la superficie rugosa se dispersa en todas las direcciones.
¿De qué forma reflejan la luz los espejos?
El mejor ejemplo de la reflexión especular, al que tenemos acceso todos los días, es la imagen producida por un espejo casero que puede servir a las personas para ver su aspecto varias veces al día. La superficie reflectante del cristal liso que forma el espejo genera una imagen virtual del observador a partir de la luz reflejada directamente en los ojos. La imagen recibe la definición de «virtual» debido a que no existe realmente (no se produce luz) y parece estar detrás del plano del espejo, ya que se asume que el cerebro la produce naturalmente. La forma en que esto se produce es más sencillo de visualizar si miramos el reflejo de un objeto colocado al lado del observador, a fin de que la luz del objeto choque contra el espejo.
El tipo de reflexión que se ve en un espejo depende de la forma del espejo y, en algunos casos, de la distancia a la que se coloca el objeto reflejado del espejo. Los espejos no son siempre planos y pueden fabricarse en diversas configuraciones para proporcionar características de reflexión interesantes y útiles. Los espejos cóncavos, que usualmente se hallan en los telescopios ópticos más grandes, son usados para recuperar la luz tenue emitida por las estrellas muy distantes. La superficie cóncava concentra los rayos paralelos a partir de una gran distancia en un punto único para mejorar la intensidad. Este diseño de espejo también puede encontrarse comúnmente en los espejos cosméticos o de afeitado en los que la luz reflejada produce una imagen ampliada del rostro. El interior de una cuchara brillante es un ejemplo común de una superficie de espejo cóncava y puede usarse para demostrar algunas propiedades de este tipo de espejo. Si colocamos el interior de la cuchara cerca del ojo, se verá una imagen íntegra ampliada del ojo (en este caso el ojo está más cerca que el punto focal del espejo). Si alejamos la cuchara, veremos una imagen reducida e invertida de todo el rostro. Aquí la imagen está invertida porque se forma después de que los rayos reflejados hayan cruzado el punto focal de la superficie del espejo.
Otro espejo común que presenta una superficie curvada, el espejo convexo, suele usarse en aplicaciones de retrovisores para los automóviles donde la curvatura hacia fuera del espejo produce una imagen panorámica más pequeña de lo que ocurre detrás del vehículo. Cuando los rayos paralelos impactan en la superficie de un espejo convexo, las ondas de luz se reflejan hacia fuera y se desvían. Cuando el cerebro traza nuevamente los rayos, estos parecen venir de atrás del espejo donde convergen, lo que produce una imagen vertical más pequeña (la imagen es vertical porque la imagen virtual se forma antes de que los rayos hayan cruzado el punto focal). Los espejos convexos también sirven como espejos de gran angular o ángulo amplificado que se instalan en pasillos y empresas para fines de seguridad y protección. Las aplicaciones más divertidas en el caso de los espejos curvadas son los espejos deformados que podemos encontrar en las ferias, carnavales y parques de atracciones. Estos espejos suelen incorporar una mezcla de superficies cóncavas y convexas, o superficies que cambian ligeramente de curvatura para producir reflejos distorsionados y extraños cuando las personas no observan a sí mismas.
Es posible usar cucharas para simular los espejos cóncavos y convexos, como podemos ver en la Figura 4 con el reflejo de una mujer joven de pie junto a una baranda de madera. Cuando la imagen de la mujer en la baranda se reflejan desde la superficie exterior de la paleta (convexa) de la cuchara, la imagen es vertical pero se distorsiona en los bordes donde la curvatura de la cuchara varía. En cambio, cuando el lado inverso de la cuchara (la parte interna de la paleta o superficie cóncava) es usado para reflejar la escena, la imagen de la mujer en la baranda se invierten.
Espejos esféricos cóncavos
Un objeto más allá del centro de la curvatura de un espejo cóncavo forma una imagen real e invertida entre el punto focal y el centro de la curvatura. El siguiente tutorial interactivo explica cómo alejar el objeto a partir del centro de la curvatura puede afectar el tamaño de la imagen real formada por el espejo.
Los patrones de reflexión obtenidos a partir de los espejos cóncavos y convexos se muestran en la Figura 5. El espejo cóncavo presenta una superficie de reflexión que se inclina hacia dentro, semejante a una porción interna de una esfera. Cuando los rayos de luz, paralelos al eje principal u óptico, se reflejan desde la superficie de un espejo cóncavo (en este caso, los rayos de luz a partir de las patas del búho), estos convergen en el punto focal (punto rojo) por delante del espejo. La distancia a partir de la superficie de reflexión hacia los puntos focales se conoce como longitud focal del espejo. El tamaño de la imagen depende de la distancia del objeto a partir del espejo y su posición con respecto a la superficie del espejo. En este caso, el búho se encuentra lejos del centro de la curvatura y la imagen reflejada se invierte y ubica entre el centro de la curvatura del espejo y su punto focal.
El espejo convexo presenta una superficie reflectante que se inclina hacia fuera, semejante a una porción externa de una esfera. Los rayos de luz paralelos al eje óptico se reflejan a partir de la superficie en una dirección que se desvía del punto focal, detrás del espejo (Figura 5). Las imágenes formadas por los espejos convexos siempre están mirando hacia arriba y presentan un tamaño reducido. Estas imágenes también son conocidas como imágenes virtuales, ya que se producen cuando los rayos reflejados parecen desviarse de un punto focal detrás del espejo.
Reflexión de la luz en gemas
La forma de seccionar las gemas es una de las aplicaciones más interesantes e importantes a nivel estético sobre los principios de la reflexión de la luz. Especialmente en el caso de los diamantes, la belleza y el valor económico de una piedra individual vienen determinados en gran medida por las relaciones geométricas de las caras externas (o facetas) de una gema. Las facetas que se originan tras el corte de un diamante son planificadas, de tal modo que la gran parte de luz que choca contra la cara frontal de la piedra sea reflejada de vuelta hacia el observador (Figura 6). Una porción de la luz se refleja directamente desde las facetas superiores externas, pero una parte entra en el diamante y, tras la reflexión interna, vuelve a reflejarse fuera de la piedra desde las superficies internas de las facetas inferiores. Estas trayectorias de rayos internos y las múltiples reflexiones son responsables del brillo de los diamantes, a menudo conocidos como «fuegos» (dispersión de luz). Un resultado encantador de una piedra cortada a la perfección es que mostrará un reflejo brillante cuando se visualice desde la parte frontal, pero parecerá más oscura u opaca si se visualiza desde la parte posterior, como puede verse en la Figura 6.
Los rayos de luz se reflejan en espejos a partir de todos los ángulos a los que llegan. Sin embargo, en algunas circunstancias, es posible que la luz solo se refleje a partir de algunos ángulos y no otros, lo que genera un fenómeno conocido como reflexión total interna. Es posible ilustrar este fenómeno a través de un buceador que trabaja por debajo de la superficie de un mar calmado y enciende una linterna directamente hacia arriba de la superficie. Si la luz impacta en la superficie a partir de los ángulos adecuados, seguirá saliendo del agua como un haz vertical proyectado al aire. Si el haz de luz se dirige a la superficie con una ligera inclinación, de forma a chocar con la superficie en ángulo oblicuo, el haz emergerá del agua pero después se inclinará por acción de la refracción hacia el plano de la superficie. El ángulo entre el haz emergente y la superficie del agua será más pequeño que el ángulo entre el haz de luz y la superficie debajo del agua.
Si el buceador continúa inclinando la luz a más de un ángulo oblicuo con respecto a la superficie, el haz que sale del agua estará más y más cerca de la superficie, hasta que en algún punto se encontrará paralelo a la superficie. Dado que la luz se inclina a causa de la refracción, el haz emergente será paralelo a la superficie antes de que la luz debajo del agua haya alcanzado el mismo ángulo. El punto en el que el haz emergente es paralelo a la superficie se sitúa en el ángulo crítico del agua. Si la luz sigue siendo inclinada, no emergerá nada. En lugar de producirse la refracción, toda la luz se reflejará en la superficie del agua y de vuelta en el agua como si se tratara de un espejo.
Espejos esféricos convexos
Sin importar la posición del objeto reflejado por un espejo convexo, la imagen formada siempre es virtual, vertical y de tamaño reducido. El tutorial interactivo a continuación explica cómo alejar el objeto a partir del centro de la curvatura afecta al tamaño de la imagen real formada por el espejo.
Reflexión de luz interna total
El principio de la reflexión interna total es la base en la transmisión de luz mediante fibra óptica, la cual hace posible procedimientos médicos como la endoscopía, las transmisiones de voz por teléfono codificadas —como impulsos de luz— y los dispositivos como los iluminadores de fibra óptica que se usan ampliamente en la microscopía y otras tareas que requieren efectos de iluminación muy precisos. Los prismas usados en los binoculares y en las cámaras réflex de una lente también emplean la reflexión interna total para dirigir las imágenes a través de varios ángulos de 90 grados y al ojo del usuario. En el caso de las transmisiones por fibra óptica, la luz que entra por un extremo de la fibra se refleja internamente varias veces desde la pared de la fibra en zigzag hasta el otro extremo, y ninguna parte de la luz escapa por las paredes finas de la fibra. Este método de «canalización» la luz puede mantenerse durante largas distancias y con diversos giros a lo largo de la trayectoria de la fibra.
La reflexión interna total es posible sólo en algunas circunstancias específicas. La luz requiere un medio para propagarse, ya que tiene un índice de refracción alto y este valor debe ser más alto que el valor del medio circundante. Por lo tanto, el agua, el vidrio y muchos plásticos son adecuados para su uso cuando están rodeados por aire. Si los materiales son seleccionados adecuadamente, los reflejos de la luz dentro de la fibra o el conducto de luz se producirán en un ángulo poco profundo con respecto a la superficie interna (ver Figura 7), y toda la luz se concentrará completamente dentro del conducto hasta salir por el otro extremo. No obstante, en la entrada de la fibra óptica, la luz debe chocar con el extremo en un ángulo de incidencia alto para poder viajar por el límite hasta la fibra.
Los principios de la reflexión son aprovechados al máximo por muchos dispositivos e instrumentos ópticos; a ello, se le suele adicionar la aplicación de diversos mecanismos para reducir los reflejos de las superficies que participan en la formación de la imagen. El concepto subyacente de la tecnología antirreflectante es el control de la luz a partir de un dispositivo óptico de manera que los rayos de luz se reflejen a partir de las superficies previstas y ventajosas, y no se reflejan lejos de las superficies cuando puede existir un efecto negativo en la imagen observada. Uno de los avances más importantes en el diseño de lentes modernas, ya sea para microscopios, cámaras u otros dispositivos ópticos, es la mejora de la tecnología de revestimiento antirreflectante.
Revestimientos de superficie antirreflectante
Ahora, se analizarán las diversas combinaciones de los revestimientos antirreflectantes y cómo afectan al porcentaje de luz transmitida o reflejada desde la superficie de la lente. El tutorial también analiza la reflectividad como una función del ángulo de incidencia.
Utilización de revestimientos antirreflectantes para reducir los reflejos de luz indeseados
Los revestimientos finos de algunos materiales, cuando son aplicados a las superficies de las lentes, pueden ayudar a reducir los reflejos indeseados de las superficies que se generan cuando la luz pasa por un sistema de lente. Las lentes modernas que ofrecen una alta corrección de aberración óptica suelen formarse por diversas lentes individuales, o elementos de lentes, que se sostienen de forma mecánica y conjunta en un cilindro o un tubo de lente; a estas se les conoce de forma más apropiada como sistema óptico o sistema de lente. Cada interfaz aire-vidrio en estos sistemas, de no presentar un revestimiento para reducir los reflejos, puede reflejar entre el cuatro y el cinco por ciento de un haz de luz incidente normal a la superficie, lo que genera un valor de transmisión del 95 % al 96 % en una incidencia normal. La aplicación de un revestimiento antirreflectante grueso de un cuarto de longitud de onda, dotado de un índice de refracción específico, puede aumentar el valor de transmisión en un tres o cuatro por ciento.
Las lentes de objetivo modernas para microscopios, así como las lentes diseñadas para cámaras y otros dispositivos ópticos, cada vez son más sofisticadas y complejas, y pueden dotarse de 15 o más elementos de lente individuales con diversas interfaces aire-vidrio. Si ninguno de los elementos estuviera revestido, las pérdidas de reflexión en la lente de los rayos axiales reducirían los valores de transmitancia de cerca el 50 por ciento. En el pasado, se usaban revestimientos de una capa para reducir el deslumbramiento y mejorar la transmisión de luz, pero estos revestimientos han sido reemplazados en su mayoría por revestimientos multicapa que pueden generar valores de transmitancia superiores al 99,9 por ciento para la luz visible.
En la Figura 8, es posible ver un esquema de ondas de luz que se reflejan o que pasan por un elemento de lente revestido con dos capas antirreflectantes. La onda incidente choca en la primera capa (Capa A en la Figura 8) de forma angular, haciendo que una parte de la luz se refleje (R0) y otra parte de la luz se transmita a través de la primera capa. Tras llegar a la segunda capa antirreflectante (Capa B), otra porción de la luz (R1) se refleja en el mismo ángulo e interfiere con la luz reflejada desde la primera capa. Parte de las ondas de luz restantes permanecen en la superficie de vidrio, a partir de la cual se reflejan y transmiten otra vez de forma parcial. La luz que se refleja desde la superficie de vidrio (R2) interfiere (a nivel constructivo y destructivo) con la luz reflejada a partir de las capas antirreflectantes. Los índices de refracción de las capas antirreflectantes difieren de los del vidrio y el medio circundante (aire), y son seleccionados cuidadosamente en función de la composición del vidrio que se usa en el elemento de lente determinado para producir los ángulos de refracción deseados. A medida que las ondas de luz pasan por los revestimientos antirreflectantes y la superficie de la lente de vidrio, casi toda la luz (dependiendo del ángulo de incidencia) se transmite en última instancia a través del elemento de la lente y se focaliza para formar una imagen.
El fluoruro de magnesio es uno de los muchos materiales que se usan para los revestimientos antirreflectantes ópticos de capa fina, aunque la mayoría de fabricantes de microscopios y lentes ahora producen sus propias formulaciones para revestimientos patentados. El resultado general de estas medidas antirreflectantes es una mejora drástica de la calidad de imagen en los dispositivos ópticos, debido al aumento de la transmisión de longitudes de onda visibles, la reducción del deslumbramiento procedente de reflejos indeseados y la eliminación de las interferencias de longitudes de onda indeseadas que residen fuera del rango espectral de luz visible.
El reflejo de la luz visible es una propiedad del comportamiento de la luz, fundamental en el funcionamiento de todos los microscopios modernos. La luz algunas veces se refleja debido a uno o varios espejos planos que se hallan en el microscopio para orientar la trayectoria de luz por las lentes que forman las imágenes virtuales vistas a través de los oculares (visor). Los microscopios también usan divisores de haz a fin de permitir que una parte de la luz se refleje al mismo tiempo que se transmite una porción de la luz a diversas partes del sistema óptico. Otros componentes ópticos en el microscopio, como los prismas, los filtros y los revestimientos de las lentes diseñados de forma especial, también desempeñan un papel importante en la formación de la imagen con una dependencia crucial del fenómeno de la reflexión de luz.
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