Una lente es un dispositivo óptico transmisivo que emplea la refracción para concentrar o dispersar la luz. Una lente simple está formada por un único componente transparente, mientras que una lente compuesta presenta numerosas lentes simples (elementos) que suelen estar alineados a lo largo de un eje común. Esmeriladas y pulidas o moldeadas con una forma específica, las lentes se crean a partir de materiales como el vidrio o el plástico. A diferencia de un prisma, que refracta la luz sin concentrarla, una lente puede concentrar la luz para producir una imagen.
Las lentes tienen diversas aplicaciones en dispositivos de formación de imágenes, como telescopios, prismáticos y cámaras. Las lentes pueden ser cóncavas o convexas, según su función.
Concavidad y convexidad
Existen dos tipos de lentes, según la naturaleza de los rayos una vez que inciden en la lente, que pueden clasificarse en convergentes o divergentes.
Lentes convergentes y divergentes
Las dos caras de una lente convexa (convergente) se curvan hacia dentro. También se conoce como lente convergente porque hace converger los rayos de luz que inciden sobre ella en un punto focal. En una pantalla, por ejemplo, una lente convergente puede proporcionar una imagen real o virtual. La convexidad también es una propiedad del cristalino del ojo humano.
Las dos caras de una lente cóncava (divergente) están dobladas hacia fuera. También se conoce como lente divergente porque, cuando inciden sobre ella rayos paralelos, los rayos emergentes se extienden o divergen. Una lente divergente crea una imagen virtual, pero no una imagen real.
El eje principal es una línea horizontal que pasa por el centro de la lente y es perpendicular a ella. Los rayos de luz paralelos al eje principal se concentran -o parecen divergir de él, en el caso de una lente divergente- en el punto focal F. La distancia focal f se refiere a la distancia entre el centro de la lente y el punto focal. La distancia focal de una lente está parcialmente controlada por su forma: una lente con una distancia focal corta sería muy curvada (con un radio de curvatura pequeño).
La lente del ojo
La lente del ojo hace converger los rayos de luz incidentes de un objeto, llevándolos a un punto de enfoque en la retina. La longitud focal del cristalino debe fluctuar para concentrar la luz de los objetos lejanos y cercanos. Para conseguirlo, los músculos modifican la curvatura del cristalino.
El cristalino está conectado a los ligamentos, que, a su vez, están conectados a los músculos ciliares, que permiten al cristalino cambiar de forma y tamaño.
La acomodación es la capacidad del cristalino del ojo para variar su distancia focal, de modo que los objetos situados a distintas distancias puedan enfocarse en la retina. El poder de enfoque del cristalino (sobre los objetos más cercanos) aumenta cuando tiene una superficie muy curvada. La potencia de una superficie refringente se calcula como sigue
\[Potencia = \frac{1}{f}\]
Aquí, f es la distancia focal en metros. La dioptría (D) es una unidad de potencia equivalente a m-1. La potencia positiva se asigna a una lente convergente, mientras que la negativa se asigna a una lente divergente. La suma de las potencias refractoras de un grupo de lentes o superficies es su potencia refractora total.
Figura 3. Ojo enfocando la luz de un objeto a una distancia mayor (arriba) y a una distancia menor (abajo). Fuente: Cancer Research UK, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0).
Diagramas de rayos
Se puede utilizar un diagrama de rayos para determinar dónde se creará una imagen mediante una lente de potencia conocida. El eje de la lente se representa como una línea recta vertical, el eje principal como una línea horizontal, el punto focal F como puntos sobre el eje principal a cada lado de la lente, y un objeto expandido como una flecha situada sobre el eje principal. La ilustración está hecha a escala.
Del objeto salen tres rayos distintos. Según los criterios indicados debajo de cada figura, se puede prever el paso de éstos por el objetivo y localizar la imagen enfocada. La imagen se escalará en función de la distancia a la lente y del tamaño. En los diagramas de rayos, se representa que los rayos cambian de dirección únicamente en el eje de la lente.
En el diagrama de rayos, hay tres rayos que tenemos en cuenta. Un rayo atraviesa el centro óptico sin refractarse. Un rayo de luz que viaja paralelo al eje principal se refracta a través de la lente y pasa por el punto focal del otro lado. Un rayo de luz que viaja desde el punto focal hasta la lente se refracta a través de la lente y continúa su camino en una trayectoria paralela al eje principal.
Figura 4. Diagrama de rayos de luz que atraviesa una lente convexa.
La fórmula de la lente
La fórmula del objetivo también puede utilizarse para calcular la ubicación de una imagen enfocada. La siguiente fórmula relaciona la distancia focal de un objetivo, f, con la distancia del objeto, u, y la distancia de la imagen, v:
\[\frac{1}{f} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v}].
Hay una convención de signos cuando se utiliza la fórmula de la lente. Es posible tener una distancia imagen negativa, v. En este caso, la imagen es virtual, en el mismo lado de la lente que el objeto, y vertical si el valor de v es negativo. Cuando la distancia del objeto es menor que la distancia focal, será una imagen virtual en el mismo lado de la lente que el objeto real. La situación de las lentes convexas se muestra en el diagrama siguiente.
Figura 5. Formación de una imagen virtual por una lente convexa.
Aumento
La imagen de una lente puede ser más pequeña o más grande que el objeto que está formando. La relación entre la altura de la imagen y la altura del objeto determina el aumento de la imagen generada por una lente. Así, en la figura siguiente, tenemos:
Figura 6. Aumento.
\[Aumento = \frac{A'B'}{AB} = \frac{v}{u}\]
Si v es negativo, el aumento también debe ser negativo, lo que indica que la imagen es virtual y vertical, en lugar de real e invertida.
Lentes - Puntos clave
Una lente convergente es una lente convexa. Si la distancia del objeto es mayor que la distancia focal, produce una imagen real. El cristalino del ojo es una lente convergente.
Una lente divergente es una lente que es cóncava y forma una imagen virtual.
La potencia de las lentes convergentes es positiva, mientras que para las divergentes es negativa.
El proceso por el que el ojo ajusta la potencia de su lente para mantener enfocada la imagen de los objetos a distintas distancias se conoce como acomodación.
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Preguntas frecuentes sobre lentes
¿Qué son las lentes en física?
Las lentes son dispositivos ópticos que refractan la luz para enfocar o dispersar rayos luminosos.
¿Cuáles son los tipos de lentes?
Hay dos tipos principales de lentes: convergentes (convexas) y divergentes (cóncavas).
¿Cómo funciona una lente convexa?
Una lente convexa enfoca los rayos de luz que pasan a través de ella convergiéndolos en un punto focal.
¿Qué aplicaciones tienen las lentes cóncavas?
Las lentes cóncavas se utilizan en dispositivos ópticos como cámaras y anteojos para corregir la visión.
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Lily Hulatt
Digital Content Specialist
Lily Hulatt is a Digital Content Specialist with over three years of experience in content strategy and curriculum design. She gained her PhD in English Literature from Durham University in 2022, taught in Durham University’s English Studies Department, and has contributed to a number of publications. Lily specialises in English Literature, English Language, History, and Philosophy.
Gabriel Freitas is an AI Engineer with a solid experience in software development, machine learning algorithms, and generative AI, including large language models’ (LLMs) applications. Graduated in Electrical Engineering at the University of São Paulo, he is currently pursuing an MSc in Computer Engineering at the University of Campinas, specializing in machine learning topics. Gabriel has a strong background in software engineering and has worked on projects involving computer vision, embedded AI, and LLM applications.