Breve historia de la óptica geométrica y de las lentes

Introducción
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.

Modelo organicista
Los primeros modelos físicos se basaban fundamentalmente en analogías sacadas del comportamiento de los seres vivos de aquí que algunos autores califiquen a esta etapa de la Ciencia con el término de organicista. La óptica era una rama de las Ciencias Naturales.

Lo mismo que todas las demás ciencias la óptica evolucionó lenta y progresivamente hasta llegar a ser lo que es hoy en día. Los autores de la antigüedad clásica no resolvieron el dilema emisor-receptor al referirse a la naturaleza de la luz. No estaban de acuerdo sobre si los rayos pasan del objeto al ojo o del ojo al objeto. Demócrito, Aristóteles, Epicúreo y Lucrecio eran partidarios de la primera teoría, mientras que Euclides, Empédocles y Tolomeo lo eran de la segunda. La idea de la emisión de rayos visuales fue indudablemente útil y avanzada para su tiempo, ya que permitió elaborar una teoría acertada de la formación de las imágenes en los espejos

Modelo mecanicista

Sin embargo, a partir de Newton, la Física se hizo mecanicista en el sentido de que eran modelos mecánicos, basados en materia y movimiento, los que surgían para interpretar los hechos observados. Referente a esta tendencia es famosa la frase de Lord Kelvin: "Nunca estoy satisfecho hasta que consigo el modelo mecánico de una cosa. Si puedo construir un modelo mecánico, entiendo el fenómeno".

La cuestión de si la luz está formada por partículas o es un cierto tipo de movimiento ondulatorio fue una de las más interesantes de la historia de la ciencia. Entre los defensores de la teoría corpuscular se encuentra Newton. Con ella pudo explicar las leyes de la reflexión y de la refracción. Defensores destacados de la teoría ondulatoria fueron Christian Huygens, Robert Hooke y Thomas Young. Pulsa aquí para ver sus argumentos

La concepción mecanicista del mundo, aunque en muchos casos puede ser una poderosa ayuda para la imaginación, no es siempre válida y la historia de la Física ha demostrado como a veces una fe demasiado grande en un modelo mecánico puede dar lugar a un estancamiento en el progreso científico.

Modelo conceptual

La tendencia de la Física actual es cada vez mayor hacia esquemas conceptuales que parten de imágenes mentales expresadas a veces en términos matemáticos. Esto, en cierta medida, es una vuelta a la elaboración científica de los filósofos de la época del esplendor griego (Platón y Aristóteles), aunque con una considerable diferencia que radica en la ausencia de implicaciones metafísicas de la Física moderna, presentes, por otra parte, en todos los razonamientos de los filósofos a que nos hemos referido.


Estas tres etapas que pueden señalarse en la evolución de la Ciencia Física aparecen bastante claras en el estudio de los distintos procesos que han llevado a la idea que actualmente se tiene sobre la naturaleza de la luz. En esencia sólo son dos los modelos que se han dado para interpretar los fenómenos luminosos:

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 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 conocen 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 los restos de las 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 aparecieron en objetos hallados en las esfinges de la Tumba de Minos, en Egipto. En Pompeya se halló una lente de 5 cm. de diámetro y se sabe que 3000 años a. C. en Mesopotamia se hacían lentes plano-convexas y biconvexas (algunas se conservan en museos como el de Berlín). Lo mismo ocurría en Creta donde se utilizaban como objetos sagrados para encender el fuego.

En el siglo XV antes de Cristo, durante el reinado de Tumes III, aparecen los primeros vasos de vidrio y esmaltes artísticos de este material. La relación entre el vidrio y la óptica es importantísima.

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), "Optica" 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 rayos del Sol en los barcos enemigos y quemar las naves de los romanos. Hace unos 4 años científicos británicos realizaron un experimento para comprobar si era 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.

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).

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 debido a lo cual se interesaron especialmente por su estructura. Los fisicos 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 Alhazen. 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. Sus experimentos se aproximaron mucho al descubrimiento de las propiedades ópticas de las lentes. Construyó equipos parabólicos como los que ahora se usan en los modernos telescopios y estudió sus propiedades de enfoque

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 se forma una imagen invertida de los objetos exteriores. Este aparato es el antecesor de la moderna cámara fotográfica.

 

Construyó equipos parabólicos como los que ahora se usan en los modernos telescopios y estudió sus propiedades de enfoque. Fabricó lentes y estudió el enfoque que producen. 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 Alhazen 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.

En la Edad Media tenían pasión por la luz y por los colores vivos que para ellos tenían un significad místico. El filósofo Roberto Grossatestaen 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 establece 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 tuvieron que pasar casi 1500 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 solo afirma lo que "ha visto por sus propios ojos". Algunos consideran que Bacon fue el inventor de los anteojos. Comprobó que las personas que ven mal pueden volver a ver las letras si utilizan 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... "

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 (1304-1374). 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 primera mención de la existencia de fabricantes de anteojos, data del año 1300 (aparece en el listado de oficios de Venecia).

 

 

En el siglo XV destacó Leonardo da Vinci (1452-1519). Estudió la estructura y el funcionamiento del ojo. Realizó varios progresos pero tuvo el defecto, como sus predecesores, de creer que la función visual residía en el cristalino en vez 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, pero 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.

Durante los siglos XVI y XVII se dio una revolución artística y científica. Los científicos empezaron estudiar la naturaleza a través de los experimentos. La óptica salió favorecida. Las gafas empiezan a considerarse como un elemento de moda, signo de opulencia, intelectualidad y sabiduría. 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: 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.

 

 

 
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, que solamente 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 36 aumentos. 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.


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 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.

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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 Hero 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. El principio de Fermat, en su forma más moderna dice [Hecht-Zajac, 1990]: "Al ir un rayo de luz desde un punto S hasta un punto P, debe recorrer una longitud de camino óptico que es estacionaría con respecto a variaciones de ese mismo 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 í 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.

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 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. Mantuvo correspondencia con Newton. Publicó su primera obra, "Optica promota" en 1663. No conocía ni la "Dióptrica" de Descartes (1637) ni la ley de refracción y apesar de ello, formuló una ley y construyó un modelo para la medida de la refracción equivalente a la ley del seno, basándose en la experiencia. Es en esa época cuando 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. Semejante al sonido, decía, la luz es también una vibración que se propaga utilizando un soporte material que llamó éter (en esto se equivicó). Las leyes de la óptica se explican fácilmente con esta teoría y 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

El físico holandés Christian Huygens (1629-1695) Huygens tenía sus propias ideas acerca de la luz y elaboró la teoría ondulatoria. Semejante al sonido, decía, la luz es también una vibración que se propaga utilizando un soporte material que llamó éter (en esto se equivicó). Las leyes de la óptica se explican fácilmente con esta teoría y 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 debido a la gran reputación de Newton la mayoría de ellos aceptaba la teoría corpuscular.
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

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.

Utilizando 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 en el 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: es 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 año1758se consiguió una combinación acromática de lentes que significó la confirmación de su error y un enorme paso adelantepara la astronomía y la microscopía. Newton resumió sus experimentos con prismas en su libro Opticks.

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 preferentemente al funcionamiento del ojo humano estableciendo que existen tres tipos de receptores cada uno de ellos sensible a uno de los colores primarios. Descubrió como 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. Explicó de esta manera los colores que se forman en la películas finas, como las burbujas.

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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 cornea. lSu 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: "

 

 

 

 

"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 así, 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 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 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 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

 

Recortó una lente esférica y la redujo a una serie de anillos que son prismas parabólicos concentricos 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 y se usa con frecuencia en las iluminaciones 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 y aplanático 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 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 teórico- matemático 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 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.): fué 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 plasticos sintéticos en combinación con el vidrio para fabricar lentes y en 1948 Kevin Tuohy fabricó las primeras lentes corniales 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 Silicon o diversos polímeros de silicon 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.

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 en1965 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 semirrígidos.

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 usao 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.

El gran avance tecnológico ha generado distintos tipos de lentes de contacto. La diferencia entre ellos radica en las moléculas que componen el plástico empleado y otros factores encargados de determinar características como la permeabilidad al oxígeno o su concentración de agua. La ventaja de las lentes de contacto frente a las gafas está en que tienen una mayor amplitud de campo visual ya que acompaña al ojo durante todo el recorrido visual mientras que las gafas están limitadas por la montura. Algunas de las lentes de contacto que existen en el mercado son: Duras o rígidas, blandas, de uso prolongado, de materiales híbridos y diseños especiales.

Cuando existe mucha diferencia de graduación entre un ojo y otro, es recomendable el uso de lentes de contacto y según el problema refractivo que se presente (miopía, presbicia, astigmatismo o hipermetropía), un tipo de lente presentará ventajas sobre los otros.

Después de la aparición de los ordenadores los avances en óptica han sido enormes ya que con ellos es posible diseñar con alta precisión y además se pueden hacer simulaciones y estudiar cómo se comporta la luz a través de las lentes sin necesidad de construirlas. En 1952 se logró el primer diseño semiautomático de lentes en la Universidad de Harvard. Con los ordenadores, y con la ayuda del rayo láser, la construcción de lentes se perfecciona día a día y actualmente los instrumentos ópticos de precisión son muy perfectos. Todo esto contribuye a mejorar diferentes estudios de investigación astronómica, de la superficie terrestre....