Un dioptrio es una superficie de separación entre dos medios de diferente índice de refracción.
Vamos a estudiar dos: el esférico y el plano.
Dioptrio esférico
Vamos a trabajar con rayos paraxiales: rayos próximos a los ejes, con ángulos pequeños de forma
que se confundan el arco, el seno y la tangente.
Criterio de signos:
Distancias horizontales: positivas a la derecha del dioptrio, negativas a la izquierda.
Distancias verticales: positivas por encima del eje óptico, negativas por debajo.
Ángulos con el eje óptico: Positivos si el camino más corto para hacerlo coincidir con el eje
óptico va en sentido antihorario. ¡Ojo,
σ
1es negativo!
Ángulos con la normal: son positivos.
Supongamos un rayo paraxial que sale del punto P
1se refracta en el punto A y llega al punto P
2. Si
aplicamos la ley de Snell tenemos:
1 2
n seni
=
n senr
y al ser rayos paraxiales
n i
1=
n r
2(1)
En el triángulo P
1AC:
−σ + β +
1(180
−
i)
=
180
luego
i
= β − σ
1En el triángulo CAP
2:
σ + +
2r
(180
− β =
)
180
luego
r
= β − σ
2Si sustituimos estos valores en la expresión (1) tenemos:
1 1 2 2
n (
β − σ =
)
n (
β − σ
)
(2)
Teniendo en cuenta que estamos trabajando en la zona paraxial:
1 1 2 2 1 2
h
h
h
tg
;
tg
;
tg
s
s
R
σ ≅
σ =
σ ≅
σ =
β ≅
β =
Sustituyendo estos valores en la expresión (2):
i r β h P1 σ1 σ2 P2 s1 s2 R A B C n2 n1 EJE OPTICO EJE OPTICO DIOPTRIO DIOPTRIO
1 2 1 2
h
h
h
h
n
n
R
s
R
s
−
=
−
o lo que es lo mismo
1 1 2 21
1
1
1
n
n
R
s
R
s
−
=
−
que es la invariante de
Abbe, a partir de la que se pueden obtener todas las fórmulas de la óptica.
También se puede escribir como
2 1 2 12 1
n
n
n
n
s
s
R
−
−
=
Focos del dioptrio
Todos los rayos que llegan paralelos al eje óptico se refractan y pasan por el mismo punto, al que
vamos a llamar foco imagen F
2. La distancia desde el vértice hasta ese punto es la distancia focal f
2.
Para calcular la distancia focal aplicamos la ecuación del
dioptrio con
s
1= −∞
y
s
2=
f
2 2 1 2 1 2 2 2 2 1n
n
n
n
f
R
n
f
R
n
n
−
−
=
−∞
=
−
Todos los rayos que pasan por un punto al que vamos a llamar foco objeto salen paralelos al eje
óptico. A ese punto le vamos a llamar foco objeto F
1y f
1a la distancia focal objeto.
Para calcular la distancia focal aplicamos la ecuación del
dioptrio con
s
2= +∞
y
s
1=
f
1 2 1 2 1 1 1 1 2 1n
n
n
n
f
R
n
f
R
n
n
−
−
=
+∞
= −
−
La suma de las distancias focales es:
1 2 1 2 2 1 2 1
n
n
f
f
R
R
R
n
n
n
n
+
= −
+
=
−
−
El cociente de las distancias focales es:
1 1
2 2
f
n
f
= −
n
Si la ecuación del dioptrio la dividimos entre el segundo miembro obtenemos una nueva ecuación
del dioptrio, más sencilla:
2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 1 2 1 2 1
n
n
n
n
n R
n R
;
1
s
s
R
s (n
n )
s (n
n )
f
f
1
s
s
−
−
=
−
=
−
−
+
=
que es la ecuación de Gauss (¡…!) del dioptrio esférico.
f1f2
Formación de imágenes en un dioptrio
Los rayos paralelos al eje óptico pasan por el foco 2.
Los rayos que pasan por el centro de curvatura no se
desvían.
Los rayos que pasan por el foco 1 salen paralelos al
eje óptico.
El punto de corte de las tres líneas determina el
final de la imagen que comienza en el eje óptico.
La imagen es real si los rayos se cortan y virtual si se
cortan las prolongaciones hacia atrás de los rayos.
Aumento de un dioptrio
El aumento de un dioptrio es la relación entre los
tamaños de la imagen y del objeto. Si aplicamos la ley
de Snell, tenemos:
n seni
1=
n senr
2y como estamos
en la zona paraxial:
seni
= =
i
tg i
y
senr
= =
r
tgr
con lo que
n tg i
1=
n tgr
2;
1 2 1 2 1 2y
y
n
n
s
=
s
y el aumento
del dioptrio es:
2 1 2 1 2 1n s
y
A
y
n s
=
=
Lentes
Una lente es un medio transparente limitado por dos dioptrios, al menos uno es esférico. Vamos a
trabajar solo con lentes delgadas; en las que la anchura es despreciable frente al radio de
curvatura.
Lentes convergentes: son más gruesas en el centro que en los
extremos y pueden ser biconvexa (R
1>0 y R
2<0) planoconvexa
(R
1>0 y R
2=
∞
) y menisco convergente (R
1>0, R
2>0, R
2>R
1)
Lentes divergentes: son más gruesas en los extremos y pueden
ser biconcava (R
1<0 y R
2>0) planoconcava (R
1=
∞
y R
2<0) y
menisco divergente (R
1>0, R
2>0, R
1>R
2)
Para deducir la fórmula de las lentes sólo hay que tener en
cuenta que se trata de dos dioptrios en el aire:
y1 y2 F2 C F1 y1 y2 i r s2 s1
Dioptrio 1: n
1=1; n
2=n; R=R
1y al sustituir en la ecuación del dioptrio:
1 1
n
1
n 1
s
s
R
−
−
=
′
Dioptrio 2: n
1=n; n
2=1; R=R
1y al sustituir en la ecuación del dioptrio:
2 2
1
1
1 n
s
s
R
−
−
=
′
Si sumamos las dos expresiones, para eliminar s’ tenemos:
2 1 1 2
1
1
1
1
(n 1)
s
s
R
R
−
=
−
−
(3)
Todos los rayos que vienen paralelos al eje óptico se refractan pasando por el foco. La distancia
focal de la lente se calcula a partir de (3) teniendo en cuenta que:
1 2 2 2 1 2
s
1
1
1
(n 1)
s
f
f
R
R
= −∞
=
−
−
=
(4)
Comparando las expresiones (3) y (4) obtenemos la ecuación de las lentes:
2 1 2
1
1
1
s
−
s
=
f
Aumento de una lente
Tenemos dos triángulos semejantes A
1B
1O y A
2B
2O.
Definimos el aumento de una lente como la relación de
tamaño entre la imagen y
2y el objeto y
1.
2 2 1 1
y
s
A
y
s
=
=
21
P
f
=
P>0 CONV; P<0 DIV
Se define la potencia de una lente como la inversa de su distancia
focal expresada en metros. La unidad es la dioptría que es la
potencia de una lente que tiene una distancia focal de 1m.
Formación de imágenes en las lentes
Para formar imágenes, al igual que en el dioptrio esférico hay que tener en cuenta:
1. Rayo que llega paralelo al eje óptico sale por el foco
2. Rayo que pasa por el centro óptico no se desvía
3. La imagen se forma desde el eje óptico hasta el punto de corte de los dos anteriores.
y
1y
2s
1s
2 O A2 A1 B2 B1Lentes convergentes.
Dependiendo de la posición del objeto tenemos cinco posibilidades:
Si el objeto está
la imagen se forma
y la imagen es
antes de 2F
entre F y 2F
menor, real e invertida
en 2F
en 2F
igual, real e invertida
entre F y 2F
entre 2F y
+∞
mayor, real e invertida
en F
no hay imagen
no hay imagen
entre F y la lente
entre
−∞
y F
mayor, virtual y derecha
Lentes divergentes.
Sólo hay una posibilidad de formación de imagen que siempre es menor, virtual y derecha.
F 2F 2F F F 2F 2F F F 2F F
Espejos
Vamos a considerar un espejo como un dioptrio esférico en el que el índice de refracción n
2
es igual
y de sentido contrario al n
1
. El rayo llega, se refleja y vuelve por el primer medio pero en sentido
contrario.
En la ecuación del dioptrio esférico:
2 1 2 12 1
n
n
n
n
s
s
R
−
−
=
si
n
2= −
n
1, tenemos:
1 1 1 1 2 1n
n
n
n
s
s
R
−
−
−
−
=
o bien
2 11
1
2
s
+
s
=
R
que es la fórmula de los espejos.
¡Cuidado con los signos de los radios!
Los espejos cóncavos tienen radio negativo y los convexos tienen radio positivo.
De la fórmula de los espejos podemos deducir inmediatamente que la distancia focal es la mitad del
radio.
Formación de imágenes en los espejos
1. Los rayos paralelos al eje óptico se reflejan pasando por el foco.
2. Los rayos que pasan por el foco se reflejan y salen paralelos al eje óptico.
3. Los rayos que pasan por el centro no se desvían.
Espejos cóncavos
Se pueden dar cinco posibilidades, dependiendo de la posición del objeto.
F C C F F C C F F C
Espejos convexos
Sólo hay una posibilidad de formación de imagen.
Independientemente de dónde esté el objeto, la imagen
siempre es menor, derecha y virtual.
Aumento de un espejo
Se obtiene a partir del aumento de un dioptrio, sin más que hacer la sustitución
n
2= −
n
11 2 2 2 1 2 1 1