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Historia de la Visión Artificial. Capítulo 2: objetivos y lentes
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H ISTOR IA TÉCN ICA DEL
LENTES
VOL. 2
PROCESAMIENTO DE IMÁGENES
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A fin de lograr un procesamiento de imágenes estable, es esencial disponer de la selección
correcta de los lentes más adecuados para cada aplicación, con base en el conocimiento de
las características del lente. Existen muchos tipos de lentes diferentes, de los cuales cada uno
ofrece efectos distintos, y se clasifican según su forma y características de sus materiales. Este
folleto presenta la historia del lente desde sus orígenes hasta la actualidad.
Mecanismo de refracción y funciones de los lentes cóncavos y convexosFig. 1
1. Creación de lentes cóncavos y convexos
La palabra lente proviene del nombre en latín de la lenteja, nativa de la zona del Mediterráneo. Es un ejemplo de
una palabra importada por Japón, que durante la Segunda Guerra Mundial se llamaba ‘tokio (espejo transparente)’.
Su origen se remonta a las bolas de cristal o de vidrio utilizadas como herramientas para hacer fuego en
ceremonias religiosas o como accesorios en las civilizaciones antiguas. Se acepta generalmente que el origen del
lente se remonta al filósofo romano Séneca, que describe hace unos 2000 años que “las letras se podían magnificar
mediante una bola de cristal”.
El lente funciona con un principio conocido como la “refracción” de la luz: la luz se pliega cambiando la dirección
de su trayectoria. El lente convexo, de forma esférica con la parte media más gruesa, converge los rayos de luz;
mientras que el lente cóncavo, con forma de reloj de arena y más grueso en su periferia, diverge los rayos de luz.
Trayectoria de los rayos de luz
Rayos de luz convergentes hacia un punto
Rayos de luz divergentes
A
A
A
A
A
A
A
A
Función del lente convexo
Función del lente cóncavo
Cuando se ve un objeto cercano
Cuando se ve un objeto distante
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2. Usos de los lentes cóncavos y convexos
El lente ha evolucionado en dos ámbitos: en los anteojos que usamos a diario en nuestras vidas, y en aplicaciones
de herramientas tales como los lentes utilizados para los microscopios, telescopios y cámaras. Los primeros
anteojos, puestos en uso práctico en el siglo 13, eran en realidad un vidrio de lectura (lupa simple), que empleaba un
lente convexo. Al principio, se le llegó a considerar “instrumento del diablo”. Mientras tanto, aparecieron los anteojos
con dos lentes, y en el siglo 16 se inventaron las gafas para la miopía (visión corta), que utilizan lentes cóncavos.
¿Qué se inventó primero, el microscopio o el telescopio?
La respuesta correcta es: el microscopio, que se inventó a finales del siglo 16. Posteriormente un inglés, Hooke,
desarrolló un microscopio compuesto empleando dos lentes convexos (objetivo y ocular), y en casi el mismo período,
se desarrolló por primera vez un microscopio de un solo lente en los Países Bajos. El telescopio fue inventado por un
holandés, Lippershey, que utilizó un lente convexo como el objetivo y uno cóncavo, como el lente ocular. Fue Galileo
quien de inmediato refinó este invento y lo utilizó para sus observaciones astronómicas; con este dispositivo pudo
descubrir los anillos de Saturno. Además, un astrónomo alemán, Johannes Kepler, ideó el telescopio Kepler que
utiliza lentes convexos para el objetivo y ocular.
Mecanismos de miopía y anteojos con lentes cóncavosFig. 2
(A) Mecanismo de la miopía
La imagen de un objeto distante se forma delante de la retina.
Globo ocular
Lente cristalino RetinaLa imagen se forma aquí.
Más de varios metros
25 cmPunto lejano Punto cercano
Rango de visión clara
Retina
La imagen se forma aquí.
Lente cóncavo
(b) Corregido con un lente cóncavo
La imagen de un objeto distante se forma sobre la retina, después de la divergencia con un lente cóncavo.
Lente con refracción en la superficie
Lente esférico
Lente asférico
Lente cilíndrico
Lente toroidal
Lente de Fresnel
Lente con un mecanismo distinto a la refracción superficial
Lente GRIN (gradiente de índice)
Lente difractivo
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3. Tipos de lentes
Los lentes cóncavos y convexos se subdividen en muchos tipos diferentes, que incluyen: el lente esférico de
superficie redondeada; asférico de perfil curveado pero no esférico; cilíndrico con perfil de lomo de cerdo; toroidal
con la forma de parte de una dona; y el lente de Fresnel con una superficie como tabla de lavar. En estos lentes
la luz se refracta en la superficie del lente. Si bien existen otros tipos de lentes, incluyendo el lente GRIN (de
gradiente de índice) que produce efectos ópticos, al proporcionar una variación gradual del índice de refracción
al material del lente y no por la refracción en la superficie del lente, o el lente difractivo que utiliza el fenómeno de
la propagación de las ondas de luz. El lente GRIN se utiliza comúnmente para endoscopias y el difractivo en los
reproductores de CD y DVD.
Mecanismos de la presbicia (hipermetropía) y anteojos con lentes convexosFig. 3
25 cmPunto cercano
Rango de visión clara
La imagen se forma aquí. La imagen se forma aquí.
Lente convexo
(a) Mecanismo de la presbicia
La imagen de un objeto cercano se forma detrás de la retina.
(b) Corregido con un lente convexo
La imagen se forma sobre la retina, al prevenir que un punto cercano se haga más distante, mediante un lente convexo.
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Tipos de formas de lentesFig. 4
Eje óptico
Lente de Fresnel
Lente cilíndrico
(a) Lente convexo (b) Lente cóncavo
Punto focal
Eje óptico
Punto focal
Eje óptico
Punto focal
Un lente con una cara cilíndrica se utiliza comúnmente cuando se necesita leer marcas de escala muy finas.
El lente delgado de la derecha se forma cortando finamente el lente grueso de la izquierda. El efecto de ambos lentes es equivalente al del otro.
Este lente se utiliza para los faros, ya que puede proyectar una fuerte luz paralela a distancias lejanas.
t 2t1 t1 > t 2
A
B
D
C
Forma de lomo de cerdo
Superficie A-B: lenteSuperficie C-D: sin efecto de lente
Este recorte se convierte en un lente.
(parte de un lente en forma de dona)
Vista ampliada
Curvatura amplia
Todos los lentes de abajo utilizan refracción en su superficie.
Curvatura cerrada Superficie
toroidal
Lente asférico
Superficie toroidal
Índice de refracción Número de Abbe (Dispersión) Propiedades de los materiales
Vidrio de corona Pequeño Grande (pequeño) Duro y ligero
Vidrio de pedernal Grande Pequeño (grande) Suave y pesado
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4. Cambio en el material de los lentes: de vidrio a plástico
Los primeros lentes y el cristal eran artículos de lujo que no se obtenían fácilmente. La producción de lentes de cristal comenzó a aumentar gracias a las mejoras en las técnicas de fabricación del vidrio en el siglo 12, y posteriormente en el siglo 19 cuando se inventó el lente de vidrio de alta transparencia óptica. El lente óptico jugó el papel clave en el siglo 20, y ahora hay más de 200 tipos de ellos. Se pueden dividir principalmente en dos tipos: el de vidrio de corona con bajo índice de refracción que contiene cal sodada, y el de vidrio de pedernal con un índice de refracción más alto que contiene plomo. El lente óptico de plástico apareció en el siglo 20, pero la tasa de transmisión de la luz y el índice de refracción fueron bajos en los primeros modelos. Se extendió rápidamente después de que se desarrollara el plástico termoestable en la década de los 40. A raíz de este nuevo desarrollo, se logró que los lentes termoplásticos tuvieran una transparencia similar a la del vidrio óptico, pero sólo la mitad del peso. Este lente de plástico contribuyó al desarrollo de los lentes de contacto y de las cámaras instantáneas, ya que es fácil de moldear, difícil de romper y económico de producir. Recientemente, estos lentes se han utilizado en las gafas y en las cámaras de los teléfonos celulares. Otros materiales para los lentes son el cuarzo, la fluorita, cerámicas ópticamente transparentes, halita con transparencia infrarroja, el silicio y el germanio.
5. Cambio en los lentes de las cámaras: del enfoque único al zoom
Cuando un lente consta de un solo elemento óptico, se denomina “lente simple”; un lente compuesto por un
número de elementos ópticos se llama “lente compuesto”. Después de 1839, cuando se inventó la primera cámara
de haluro de plata, un daguerrotipo, la tecnología del lente compuesto mejoró enormemente, estimulando el
desarrollo de nuevos tipos de lentes. Estos lentes incluyen el tipo Davidson, en el que dos lentes meniscos unidos
se colocan simétricamente; el tipo Petzval que acortó el tiempo requerido para fotografiar; el tipo triplete con tres
lentes separables, que sucedió al tipo Petzval; el tipo Tessar y el Sonnar. En el siglo 20, se inventó el lente zoom. La
llegada del lente zoom que puede cambiar la longitud focal dentro de un lente, marcó un hito en el desarrollo de
los lentes de alto rendimiento. Estos lentes abarcan un amplio campo de visión utilizando longitudes estándar, de
gran angular y de teleobjetivo, así como de gran aumento. Subsecuentemente se han desarrollado muchos tipos
de variantes, gracias a la ampliación mejorada aún más, la reducción del peso y la miniaturización. El mundo de los
lentes también ha entrado en un período de sistematización.
Mecanismos de diversos lentes de cámara y de zoomFig. 6
Lente óptico (vidrio de corona, vidrio de pedernal)Fig. 5
La distancia entre estos dos lentes es corta.
Cañón del objetivo
Cañón del objetivo
Cañón del objetivo
Plano de formación de la imagen
La distancia entre estos dos lentes es larga.
(a) Lente de gran angular Ángulo amplio de visión (b) Lente estándar (c) Lente teleobjetivo Ángulo estrecho de visión
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6. Lo último en tecnología de lentes
Los lentes se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos: por ejemplo, el lente de colimación en las unidades
de CD-ROM, que leen rayos láser de LED rojos; el lente de barrido, en las impresoras láser; y el lente en el campo
de la fibra óptica, que se utiliza para los lectores de códigos de barras y endoscopios. Otro ejemplo es el lente de
proyección de un stepper de vanguardia (sistema de exposición de proyección de paso y repetición), que permite
el procesamiento de semiconductores en la escala del micrón, y es un lente de precisión hecho de capas de sílice
vítrea de alta calidad. Se le conoce como el “rey de los lentes”.
En resumen, uno se podría preguntar “¿Cuál es el mejor lente en la historia humana?” La respuesta es el “ojo
humano (lente cristalino)”, que ajusta libremente su grosor para obtener la longitud focal apropiada. De hecho, un
lente de tecnología de punta, inspirado en el lente cristalino, está ahora en fase de desarrollo. Se le ha denominado
lente líquido. Este lente hecho de dos clases de líquido con diferente conductividad, propiedad de aislamiento e
índice de refracción, puede cambiar libremente la longitud focal ajustando su espesor y forma, utilizando efectos
de tensión superficial. Dado que no requiere un mecanismo de enfoque, ni de una unidad que lo maneje, se
espera que sea utilizado en una variedad de aplicaciones a lo largo de una amplia gama de industrias, desde la
electrónica para el hogar y equipos médicos hasta el campo de la seguridad.
Mecanismos de la tecnología del lente líquidoFig. 7
La luz converge.La luz diverge.
Luz incidente
Electrodo
Membrana hidrofóbica
Aislante
Vidrio
Fluido conductor
Cuando no se aplica voltaje Cuando se aplica voltaje
Fluido aislante
KMX1-1072
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