Óptica Adaptativa

El pasado mes de septiembre tuvo lugar en Stellenbosch, Sudáfrica, el 9^o Taller/Congreso de Óptica Adaptativa al cuál tuve el placer de poder asistir.

Óptica Adaptativa

Microscopios, telescopios, objetivos de las cámaras de fotos (las profesionales, las de nuestros móviles...), nuestros ojos... todos ellos están diseñados para formar imágenes. La luz llega al sensor digital, o a la película fotográfica o a nuestra retina tiene que atravesar muchos medios que distan de ser perfectos (ópticamente hablando). Pensemos por ejemplo, para abrir el apetito científico, en un telescopio profesional. La luz de las estrellas antes de llegar a las avanzadas y carísimas cámaras de estos gigantes tiene que revotar en el espejo primario, en el espejo secundario y atravesar las lentes que hacen las veces de ocular, a veces incluso una lámina correctora a la entrada del telescopio. Todos los elementos ópticos por los que la luz tiene que pasar y por los que tiene que reflejar que conforman telescopio están diseñados de manera inteligente pero... ¿y la atmósfera?

La Óptica Adaptativa se entiende como cualquier conjunto de elementos ópticos destinados a manipular, corregir o compensar las aberraciones ópticas. A día de hoy se ha convertido en una herramienta indispensable para alcanzar la máxima resolución posible con un sistema óptico, ya sea telescopio, oftalmoscopio o microscopio. En los últimos tiempos esta tecnología se está aplicando a la óptica del ojo humano.

Frente de onda y Aberración de onda

Para manipular, corregir o compensar las aberraciones ópticas primero debemos saber qué son y cómo se miden. 

Desde un punto de vista geométrico se define el frente de onda como la superficie que forman, en la propagación de la luz, los rayos con igual camino óptico. A modo de ejemplo, imaginad que tenemos encendemos una bombilla. En ese instante la luz empezará a propagarse en todas direcciones. Si pudiésemos unir todas las partículas de luz que han salido a la vez de la bombilla estaríamos dibujando el frente de onda en un instante concreto. 

Figura 1. Frentes de onda esféricos provocados por la perturbación de una gota en el agua.

La aberración de onda se define como la diferencia entre el frente de onda ideal (normalmente plano) y el frente de onda real. Esta aberración se expresa como una función de onda y ésta se define en la pupila de salida del sistema óptico.

Figura 2. Definición gráfica de aberración de onda.

Manipulación

Para manipular el frente de onda se pueden utilizar dos elementos: espejos deformables y moduladores espaciales de cristal líquido.

Los espejos deformables están formados por una membrana reflectante muy fina. Esta membrana se coloca encima de un conjunto de electrodos (actuadores) sobre los cuales se aplica un potencial eléctrico que deforman el espejo para modificar el frente de onda (en este caso el camino óptico) del haz que incide en el mismo.

Figura 3. Espejo deformable y modulador de cristal líquido.

Los moduladores espaciales de cristal líquido son dispositivos compuestos por moléculas con forma alargada altamente anisótropas. Debido al alto momento bipolar que presentan, su orientación puede controlarse mediante campos eléctricos. Este cambio de orientación produce un cambio en el índice de refracción y en definitiva un cambio en el camino óptico del haz que lo atraviesa.

Medición

El frente de onda se mide (existen otros métodos menos precisos que no comentaré aquí) con un sensor de Shack-Hartmann (llamado así por sus creadores). Este ingenioso dispositivo funciona de la siguiente manera. Imaginad que colocásemos delante de un sensor de cámara digital una matriz de microlentes todas separadas a la misma distancia entre ellas. Si el frente de onda que llegase a las microlentes fuese plano (libre de aberraciones) todas las lentes crearían un patrón de puntos en el sensor, todos a la misma distancia unos de otros. Sin embargo, si el frente de onda no es plano (está aberrado) cada punto se desplazará de la posición ideal. Todo esto se ve resumido en la siguiente imagen.

Figura 3. Izquierda: esquema del funcionamiento del sensor S-H.
Derecha: imágenes recogidas por el sensor.

Para los que tengáis conocimientos de matemáticas podréis suponer que el desplazamiento que sufren los puntos con respecto al lugar ideal donde deberían estar está relacionado con la derivada del frente de onda en ese punto. Es justamente esto lo que nos permite reconstruir el frente de onda.

Métodos

Existen dos métodos para manipular el frente de onda, el llamado método directo y el método indirecto (también llamado sensorless). Ambos métodos funcionan en bucle cerrado (se mide, se corrige, se vuelve a medir, se vuelve a corregir...). 

Figura 4. Métodos de manipulación/corrección del frente de onda

El método directo utiliza un sensor de frente de onda y sobre la información del mismo se manda información al espejo deformable o modulador espacial para corregirlo. Por otro lado, el método indirecto no utiliza sensor de frente de onda. En su lugar este método trabaja para mejorar una métrica concreta del a imagen obtenida, por ejemplo la intensidad de la imagen: se mide la intensidad total registrada en la imagen, se modifica mediante algún algoritmo el frente de onda, se vuelve a medir la intensidad para ver si mejor a o empeora... así hasta alcanzar el máximo de intensidad. 

Aplicaciones de la Óptica Adaptativa

Astronomía

La óptica adaptativa se desarrolló para conseguir mejoras en imágenes astronómicas. El objetivo de estos sistemas es (como se puede haber intuido al principio de la entrada) el de compensar las perturbaciones producidas por la atmósfera en tiempo real.

Figura 5. Esquema de la corrección del frente de onda en una imagen astronómica.

Microscopía

Este tipo de tecnología se está volviendo en un estándar a la hora de obtener imágenes de microscopía. Así, la corrección o inducción de aberraciones se ha convertido en una herramienta casi esencial para alcanzar la máxima resolución posible.

Ejemplos del uso de óptica adaptativa en microscopía son varias. A continuación nombro unas pocas:

• Corrección de las aberraciones inducidas por la propia óptica del microscopio.
• Corrección de 

Óptica clínica

Como todas las tecnologías desarrolladas para la industria de la exploración espacial era cuestión de tiempo que éstas también llegaran a nuestros "hogares", al igual que ya pasase con los LCD y las cámaras CCD.

Uno de los ejemplos de esta tecnología que en poco tiempo estará muy cerca de nosotros es el Foróptero avanzado, también llamado simulador visual, desarrollado por el Laboratorio de Óptica de la Universidad de Murcia y comercializado por Voptica, una Spin off de la misma universidad. 

Figura 6. Esquema del simulador visual.

En la figura anterior se pueden observar los elementos principales de este simulador visual. Este aparato permite grandes avances en mediciones que hasta ahora se realizan (y muchas tendrán que seguir realizándose) en un foróptero, un aparato cuyo funcionamiento no se ha visto modificado desde hace ya casi un siglo.

Figura 7. Foróptero tradicional utilizado en ópticas y clínicas oftalmológicas para la medida de estado refractivo, forias, vergencias, amplitud acomodativa...

El foróptero avanzado facilita algunos aspectos del foróptero tradicional. Por ejemplo, uno de los principales inconvenientes de los test visuales es que deben colocarse a una distancia de 6 metros, en el llamado "infinito optométrico", distancia de la que muchas ópticas o clínicas no disponen. Este simulador acaba con ese problema al incorporar él mismo pantallas en las que se puede colocar cualquier test (incluso vídeo). Sin embargo, se podría argumentar que la diferencia de precio entre el convencional y el avanzado se podría invertir en remodelar el gabinete de optometría. Si el problema es que el local no tiene más espacio no habrá mucho que se pueda hacer.


Las ventajas del simulador visual van más allá:

• Simulación visual: El foróptero avanzado permite mostrarle al paciente una escena a través de cualquier óptica simulada mediante su frente de onda. Por ejemplo, se le podría mostrar a un paciente con una alta miopía cómo vería un paisaje si se le colocase una lente intraocular sin necesidad de ningún tipo de operación, simplemente simulando e integrando en los moduladores espaciales el perfil de frente de onda resultante, calculado mediante la medida del frente de onda del ojo del paciente y las características ópticas de la lente intraocular.

• Ensayos clínicos: Siguiendo la misma filosofía que en el punto anterior, mediante esta tecnología se pueden hacer simulaciones visuales de un perfil de lente novedoso del cuál sólo se ha desarrollado el concepto. Se puede por ejemplo pensar en el desarrollo de una lente para aumentar la profundidad de campo de un paciente con presbicia y probar ese mismo día "la lente" en el paciente y comprobar si la idea tiene futuro. Esto es un avance importantísimo ya que hoy en día es necesario crear el prototipo, fabricarlo y realizar ensayos clínicos antes de probar el funcionamiento de la lente. Esto conlleva mucho tiempo y dinero y en un gran número de casos al llegar a los ensayos clínicos se observa que la lente no funcionaba como se quería, lo que se traduce en tener que volver a empezar todo el proceso.

• "Graduación avanzada": en el marco de la optometría se podría resumir este punto como la unión casi perfecta entre los autorefractómetros actuales, los aberrómetros y la potencia de un test subjetivo. Es también posible estudiar forias y vergencias mediante la adición de prismas virtuales a los moduladores espaciales, sin embargo no tengo constancia de que esto se haya hecho hoy en día. De todas maneras el principal inconveniente en este y otros aspectos radica en que las condiciones de este simulador (mirar dentro de una caja y que los objetos provengan de pantallas) son bastante alejadas de la visión natural, algo que en estos últimos aspectos estoy convencido de que tiene que tener un impacto no despreciable.

Imagen de la Montaña Cabeza del león realizada desde la Table Mountain en una de las excursiones organizadas por el congreso

Google Glass

Google Glass

Google Glass es un dispositivo desarrollado por Google con el cuál la compañía pretende revolucionar el modo al que accedemos a Internet.

En qué consiste

El objetivo de Google Glass es el de presentarnos una pantalla semitransparente (podemos ver el mundo real a través de ella) en un área del campo visual desde la que podemos acceder a Internet mediante comandos de voz sin necesidad de sacar el móvil del bolsillo. El tamaño de esta pantalla es equivalente a un televisor de 25" colocado a 2,5 metros (aproximadamente 15º del campo visual o el tamaño de un puño y medio con el brazo estirado).

Podéis ver las Google Glass en la siguiente imagen.

Figura 1. Foto de Google Glass con su diadema

Con un peso de tan solo 36 gramos cuenta con un control táctil (trackpad), cámara de fotos y vídeo y el sistema de proyección. La diadema se puede quitar del dispositivo mediante un tornillo y presumiblemente éste perimtirá, mediante la ayuda de un adaptador, colocar Google Glass en cualquier gafa graduada.

Figura 2. Parte del sistema de proyección sin la carcasa

Además de los elementos descritos en el párrafo anterior Google Glass cuenta también con un botón disparador para realizar rápidamente vídeo y fotografías, un micrófono y un auricular de conducción ósea. Este sistema transmite directamente los sonidos de Google Glass al oído interno mediante vibraciones. Esta tecnología presenta dos ventajas: la primera es que nadie más puede escuchar el sonido que reproduce el dispositivo. La segunda es que al dejar el pabellón auditivo totalmente libre no nos impide escuchar los sonidos de nuestro entorno.

Cómo funcionan y para qué sirven (y/o servirán)

Desde hace ya unos meses este dispositivo está disponible para un número controlado de desarrolladores, lo que nos permite conocer ya bastantes detalles sobre el mismo. Su salida para el gran público estaba programada para finales de 2013 pero últimas informaciones indican su puesta a la venta para el primer semestre de 2014 con un precio estimado de 300$, aunque este valor es tan sólo un rumor basado en los costes de producción y del margen de beneficio estimado.

En este artículo intentaré hacer un resumen detallado sobre el sistema y trataré de extender otro punto, el sistema de proyección, del cuál he encontrado poca información en la red y la que he encontrado resulta ser poco precisa y, en algunos casos, errónea.

Las Google Glass se conectan a Internet mediante vinculación bluetooth a nuestro terminal móvil o mediante la conexión directa a una red WiFi. El software cuenta con toda la potencia del buscador de la compañía, ofreciendo hoy en día búsquedas por voz de manera similar a las búsquedas que ofrece en la actualidad Google Now, además de acceso a algunas aplicaciones que sin duda irán siendo cada vez más y más durante estos meses y los meses posteriores a su salida.

Figura 3. Trackpad de Google Glass

Imaginad que tenéis las Google Glass puestas. Bastará con tocar el trackpad o levantar la cabeza 10º o 40º (según lo tengamos configurado) y nos aparecerá la pantalla de espera indicándonos la hora y en la parte de abajo las letras "ok glass". Tened en cuenta que el fondo de estas capturas del sistema es negro mientras que en la proyección esta zona negra es una zona transparente, por la que podremos ver lo que tenemos delante nuestro.

Figura 4. Pantalla de espera de Google Glass.

Una vez que hemos "despertado" a las Google Glass de su estado de reposo ya estamos listos para decir el ya famoso "Ok glass" (no sé si será distinto en español...) para empezar a mandar comandos. Nada más decir esas palabras mágicas pasamos a ver esta pantalla:

Figura 5. Comandos de Google Glass.

Los comandos disponibles a día de hoy son los que veis en la imagen anterior. Navegación GPS, fotografías, vídeos, envío de emails, videollamadas mediante Hangouts y llamadas GPRS. No he conseguido activar las aplicaciones de Facebook y Twitter pero ya están disponibles para Google Gass.

En la pantalla de espera (la del reloj) podemos desplazarnos con el trackpad a izquierda y a derecha. Desplazándonos hacia la derecha podemos ver notificaciones de aplicaciones, de correo electrónico y nuestras últimas búsquedas con el comando "google...". Desplazándonos hacia el otro lado de la pantalla de espera tenemos las tarjetas de Google Now: recordatorios, resultados de nuestros equipos favoritos, el tiempo en nuestra ciudad y en nuestra localización...

Sistema de proyección

Los esquemas que circulan por la red sobre el funcionamiento del sistema de proyección de Google Glass son como el de la siguiente imagen.

Figura 6. Esquema óptico que circula por la red (erróneo)

Hay dos problemas con este esquema. El primero es óptico. Si realmente fuese así el cono de luz del proyector que se va abriendo debería seguir abriéndose después de la reflexión, y no salir paralelo como pasa en el esquema. Resumiendo: si la luz del proyector siguiese ese camino sería imposible que pudiésemos enfocar la imagen porque sería igual de difícil que intentar enfocar a la punta de nuestra nariz. (No cuentan personas de más de 10 dioptrías sin corregir).

Abordado el problema óptico queda otro no menos pertubador. Si miramos imágenes reales del prisma de Google Glass ¡vemos que realmente el corte de los dos prismas va al revés que en ese esquema! Podéis observarlo en detalle tanto en la Figura 2 como en la siguiente imagen.

Figura 8. Imagen real del prisma de Google Glass

Uno de los detalles más curiosos del prisma de Google Glass es que una de sus caras (la más alejada del proyector) es un espejo. Tanto en la siguiente figura como en la Figura 2 se puede apreciar claramente que este espejo no es plano, sino cóncavo (visto desde fuera convexo).

Figura 9. Imagen del espejo cóncavo de Google Glass

La clave de este sistema es justamente el espejo. El funcionamiento del sistema de proyección es el siguiente (no puedo estar seguro al 100% pero sí creo estar seguro al 95%).

1. El proyector crea la imagen del sistema.
2. Esta imagen atraviesa el corte de los prismas.
3. La imagen refleja en el espejo. Al ser el radio del espejo mucho mayor que la distancia al proyector éste crea una imagen virtual a una distancia de unos 35-40 cm. Este dato lo presupongo porque suele ser la distancia de trabajo en cerca. Además en una conferencia donde nos hicieron una demostración de Google Glass, el conferenciante (@julianmb) se quitó sus gafas graduadas y admitió ver desenfocado a un chico de la primera fila (miopía) y ver "casi" perfectamente la imagen de Google Glass.
4. La imagen reflejada del espejo refleja en el la separación de los prismas y llega hasta el ojo.

Figura 10. Trazado de rayos del sistema de proyección de Google Glass

En el trazado de rayos podéis observar (de manera muy esquemática y aproximada) que los rayos que llegan al ojo (flechas grises) son más paralelas entre sí que las que salen del proyector. Si prolongamos estas flechas hacia el lado opuesto al ojo éstas se juntarán en un punto donde creeremos ver la pantalla. Desde mi punto de vista creo que sería mejor que la imagen estuviese en el infinito (flechas grises paralelas). Lo creo principalmente por tres motivos:

1. No tendríamos que acomodar para ver la imagen (más tiempo de uso sin cansancio aunque no creo que nadie se canse).
2. No nos pondríamos "bizcos" al mirar la pantalla. Esto puede ser otro punto de fatiga.
3. Para conducir no tendríamos que cambiar el punto de enfoque de lejos a cerca, siendo más cómodo y seguramente más seguro.

Por otra parte no estoy seguro de dónde se hace semitransparente la imagen del proyector pero supongo que cuando la luz vuelve del espejo, ya que supongo que si fuese a la salida del proyector al atravesar el corte de los prismas se produciría una imagen fantasma y por lo tanto se produciría imagen doble. O quizás, simplemente la transparencia se produce porque el mundo real tiene mucha más luz de la que el proyector puede emitir.

Proyección de venta

Según una encuesta realizada por la prestigiosa Forrester Research un 11% de los estadounidenses comprarían hoy las Google Glass si estuviesen a la venta a un precio de 1500$ (el precio para desarrolladores). Esto supondría una venta de 21 millones de unidades. Estas cifras son realmente esperanzadoras para Google ya que, poniéndolo en perspectiva, el iPhone, siendo en su momento una total revolución, vendió en su lanzamiento 9 millones de unidades. (Fuente @julianmb)

Ejemplos de Google Glass en funcionamiento

Por último os dejo un par de vídeos de los chicos de Phandroid en los que podréis ver las Google Glass en funcionamiento incluso desde el punto de vista como si las llevásemos puestas (o parecidas)

Review del Software

Demostración del funcionamiento de las gafas como si las llevásemos puestas

Conclusiones

Respuestas a cientos de preguntas sin tener que sacar nuestro móvil del bolsillo mediante Google Now, fotografías y vídeos desde nuestro punto de vista, direcciones GPS mediante toda la potencia de Google Maps, llamadas de voz y vídeo mediante voz... No tengo ninguna duda de que Google Glass revolucionará el modo al que accedemos a la información, más que nada por ser Google el que está detrás de este producto tan ambicioso. Personalmente estoy convencido de que me haré con unas en el momento en el que salgan al mercado (y más si el precio ronda los 300$/€).

Tenéis a vuestra disposición los comentarios para cualquier duda o comentario sobre este dispositivo.

Un saludo y espero que os haya gustado

Comunicación inalámbrica

Hoy vamos a hacer un recorrido por los distintos medios que ha ido creando la humanidad con el fin de comunicarse más cómodamente o simplemente mucho más lejos.
En la parte de "más comodamente" está, por supuesto, la manía que tienen muchas madres de que el ordenador tiene demasiados cables. ¿Y si no estuviesen? En la parte de "más lejos" está, obviamente, la comunicación vía satélite, cumbre actual de la comunicación inalámbrica. Pero vamos a ir poco a poco.

Empezando con un poquito de historia tenemos que remontarnos a 1896, año en el que Guglielmo Marconi patentó, en Reino Unido, el telégrafo inalámbrico.

Desde entonces y hasta ahora infinidad de aparatitos se comunican "sin cables" (wireless): radio, televisión, telefonía móvil, televisión por satélite, telefonía satélite, un simple mando a distancia...

 Pero...¿cómo funcionan?
Como muchos de vosotros sabéis la comunicación inalámbrica se basa en la emisión y recepción de ondas electromagnéticas. Depende de la longitud de onda y la frecuencia de las mismas se clasifican en el espectro de la siguiente manera:

Como podéis ver en este cuadro se resume prácticamente todo lo que uno tiene que tener en cuenta sobre ondas electromagnéticas y su uso en nuestra vida cotidiana.

Mandos a distancia IR: Emiten en una longitud de onda de unos 850 nm, bastante cercana a nuestro límite de sensibilidad espectral. Como ya comenté en LEDs, debida a la cercanía de esta forma de comunicación a nuestra franja sensible del espectro, somos capaces de verlos a través de un móvil, ya que estos siempre se expanden un poco más a la zona del infrarrojo cercano.
¿Qué problema hay con este tipo de mandos infrarrojos? Pues algo que si se piensa unos segundos tiene mucha lógica: el efecto invernadero se produce porque gases como el CO2 absorben estas radiaciones infrarrojas y no las dejan escapar al espacio durante la noche. Entonces, la luz que emiten los mandos a distancia que funcionan con infrarrojos... también será absorbida la señal, ¿verdad? Es por esto que en el momento que nos alejamos una distancia de unos cuantos metros del televisor esta señal deja de llegar en buenas condiciones para su lectura.
La comunicación entre mando y televisor (o aire acondicionado, DVD...) se hace mediante trenes de impulsos. Cada botón del mando tiene asociados un tren de impulsos que el televisor reproduce y, si lo tiene en su memoria identifica y realiza la acción. Es por esto que cada mando funciona con su televisor  (excepto los universales) ya que cada compañía codifica estos trenes de impulsos a su gusto.

Imagen de un LED infrarrojo, detectable mediante los chips de las cámaras digitales

Mandos a distancia RF(radiofrecuencia): La frecuencia de emisión de estos mandos (también utilizados en aviones teledirigidos) se encuentra por la zona de las ondas de radio, como su nombre indica. La principal ventaja que se obtiene en esta franja del espectro para la comunicación es algo que todos experimentamos día a día: a las ondas de radio le importan poco las paredes convencionales de una casa (dejando a un lado las de seguridad...). Esto es debido a que la longitud de onda de estas RF son de 3-4 metros y eso hace que esquiven fácilmente los obstáculos de una casa. En el ámbito de los mandos a distancia tenemos pues la ventaja de poder utilizarlos desde distintas habitaciones, incluso en plantas diferentes.

Los mandos inalámbricos de control de juegos funcionan por RF

Típico mando de control de aviones teledirigidos, también por RF

Telefonía móvil: Las ondas de móviles oscilan (nunca mejor dicho) entre los 800 y los 1800 MHz. Sin embargo, también emiten exactamente a 216,7 Hz ¿Cuando ocurre esto? Pues, con el fin de que muchos móviles puedan utilizar la misma antena se utilizan unos "slots" para que no se solape la comunicación entre dos dispositivos. La duración de estos "slots" es de tan solo 0,577 ms y se producen para un mismo dispositivo cada 4,615 ms, esto es, una frecuenca de 216,7 Hz. ¿Y qué consecuencia tiene esto? Bueno, estas frecuencias son detectables por el oído humano (rango entre 20 Hz y 20.000Hz) y por lo tanto cuando estas señales de "¡hola, tienes un sms! o¡ hey, te están llamando! interfieren con un altavoz somos capaces de oirlas.

Bluetooth: Funciona a 2,4 GHz cerca de los microondas. Se llama así al protocolo de comunicaciones diseñado especificamente para dispositivos de bajo consumo. Sigue siendo una comunicación por radiofrecuencia y por lo tanto los dispositivos no tienen que estar alineados al igual que pasaba con los IR. La velocidad de transmisión actual con la versión 3 es de unos 24 Mbits/s.

Comunicación por satélite: Esta forma de comunicación ronda los 4-6GHz y consiste "simplemente" en reflejar la señal en satélites para conseguir mejores recepciones a grandes distancias, cosa que en linea recta (geodésica quizás fuera más correcto) no sería posible debido a obstáculos tales como montañas, ciudades o, simplemente, la curvatura de la Tierra.

Esquema de todo el entramado que puede llevar una red de satélite

Wi-Fi: El señor de las comunicaciones hoy en día (además del 3G) por la cantidad de información que podemos conseguir a través de él en teléfonos móviles, tablets, ordenadores portátiles y un largo etcétera. Al igual que bluetooth, Wi-Fi es una marca bajo la cuál se certifica la interoperabilidad de los equipos según la norma IEE 802.11b. Wi-Fi viene de WIreless FIdelity.
Hay varios tipos de Wi-Fi. Ahora están muy de moda los anuncios vendiendo Wi-Fi N, el cuál comentan que es más rápido y alcanza mayor distancia que el normal. Esto es cierto ya que además del estandar 802.11b están el 802.11g y el 802.11n, siendo la velocidad de estos de 11, 54 y 300 Mbps respectivamente, todos ellos con emisiones en los 2,4GHz.
En la actualidad ya existe el bautizado como Wi-Fi 5 (IEE 802.11a) con emisión en los 5GHz, cuya principal ventaja es que no cuenta con las interferencias que tienen los de 2,4GHz por emitir en la misma banda (bluetooth, microondas y WUSB). Sin embargo, al trabajar a mayor frecuencia cuenta de un menor alcance.

Son muchas más de las que podríamos hablar pero creo que con esto será suficiente...de momento :D

Ilusiones ópticas

En esta entrada voy a tratar de haceros una amena recopilación de ilusiones ópticas, unas menos conocidas y otras más conocidas, centrándome un poco en la explicación o explicaciones que se creen correctas de por qué pasan.

Hay algunas de ellas que tienen una explicación conocida y clara y otras que no tanto pero se supone que va por tal dirección o por tal otra. Entremos en materia.

Aftereffect (post-efecto)
Unas de las que a mi más me gustan son las llamadas en inglés aftereffect que en español se puede traducir como "post-efecto". La mayoría de la gente piensa este efecto está causado por fatiga de las neuronas encargadas del procesado del movimiento, sin embargo hoy sabemos que es debido a una adaptación neuronal de estas celulas.

Hay distintos ejemplos para este fenómeno entre los cuales se encuentran los siguientes:

A pantalla completa (y en mute a ser posible :D) mantened fija la mirada al centro de la espiral aguantad todo el tiempo que dura el video con la mirada fija en ese punto y después mirad hacia una pared blanca y observad lo que sucede.

Otro quizás más impactante es el siguiente. Lo podéis encontrar en esta página (como todos los demás)

Pulsad el icono de "Full Screen" y también el que pone Buddha-. Observad un ratito la animación y a los 30 o 40 segundos pulsad (sin cambiar la vista) el icono Buddha+ (el mismo pero que cambia al pulsarlo). Notaréis como que la imagen estática hace lo contrario a lo que hace la "cascada". Tiene lógica suponer que esto es debido a una fatiga de las neuronas encargadas de procesar el movimiento porque, después de un rato siendo estimuladas en una dirección si cambiamos a una imagen estática (puede ser el Buddha o simplemente cualquier cos estática que tengáis cerca del monitor) las neuronas suponen que eso sigue moviéndose pero al estar quieto...  creemos que se mueve en sentido contrario. Sin embargo, como hemos comentado, las neuronas encargadas de percibir el movimiento se "acostumbran" a ese movimiento y al quitárselo percibimos el movimiento en la dirección opuesta.
También podemos pensarlo como: las neuronas se acostumbran a ese movimiento y dejan de emitir información de la misma manera y dicen: bueno, esto es lo que hay, dejo de transmitir todo el rato porque es un patrón continuo. Entonces al cambiarlo por una imagen estática empiezan a informar de que eso se mueve en sentido contrario (cosa que on es verdad).

Ilusión de la serpiente
Esta ilusión es muy conocida y en muchas tiendas incluso venden posters con este dibujo.

Voy a poneros una versión menos conocida pero que funciona de la misma manera.

Figura 1

Fijaros que la imagen parece que se contraiga siempre hacia dentro (por el centro) y que se expanda (por la periferia) pero sin embargo el efecto desaparece si dejamos los ojos fijos en un punto de la imagen.

Está comprobado que se produce un movimiento acorde con el siguiente diagrama

Figura 2

Lo cual quiere decir que si creamos un patrón de lineas con esa diferencia de luminosidad nos parece que haya un movimiento en esa dirección. Si visitáis este enlace podéis comprobar que si pulsáis el botón "invert" el patrón parece entonces cambiar de expansión a contracción o al contario. Esto hace que podamos crear muchísimas figuras de distinta forma y consigamos el mismo efecto, por ejemplo, la conocida "Serpiente".

Figura 3

aftereffect

aftereffect

Aquí como véis volvemos a tener el mismo patrón: amarillo-negro-azul-blanco y de nuevo azul, correspondiente con las tonalidades de luminancia  de la figura 2.

Mirada fantasmal
Creo que estas ilusiones no son muy conocidas sin embargo creo que son bastante impresionantes.

Para notar la diferencia tenemos que desenfocar la imagen de alguna manera. La más fácil es ser miope (como en muchos otros aspectos de la vida :D). Si tienes la "suerte" de ser miope simplemente mira la imagen con las gafas y acto seguido quítatelas. Si eres muy miope tendrás que acercarte a la pantalla porque tanto desenfoque hará que no veas nada. Si no tienes la suerte de ser miope habrá que miopizarse de alguna manera. La más fácil e indolora consiste en cerrar un ojo, interponer un dedo entre la imagen y vuestro ojo y enfocar al ojo. Ajustando la distancia del dedo desenfocareis más o menos. Podréis notar entonces en el fondo el efecto. Si tenéis a mano unas gafas de vuestros padres o vuestros abuelos también podéis desenfocar la imagen con ellas (a poder ser que no sean progresivas)
Para lo más tecnológicos copiaros la imagen en Gimp o en Photoshop y añadirle un efecto "desenfoque gaussiano".

Imagen añadida a posteriori. Gracias a Alexandre por el chivatazo

Otro ejemplo muy conocido es el llamado Dr Angry and Mr Smile:

Estas fotos están creadas utilizando el concepto de "frecuencia espacial". La frecuencia espacial. En el caso de la "mirada fantasmal" la imagen está construida por dos imágenes independientes que tan solo difieren en la dirección de mirada. Si enfocamos sobre la imagen, la fotografía de mayor frecuencia espacial "gana" y por tanto es la que vemos. Cuando la imagen está desenfocada la imagen construida con frecuencia espacial baja es la que vemos.

El efecto está basado en la separacion de nuestros fotorreceptores en retina lo que hace que, si algo tiene una frecuencia espacial muy alta se produzca un submuestreo (el conocido aliasing en inglés). Es por esto que al desenfocar la imagen que veíamos al estar enfocada desaparece, queda submuestreada y no somos capaces de verla, dejando paso a la imagen submuestreada.

Hay muchas más de las que me gustaría hablaros pero prefiero dejarlas para otra entrada y no saturar mucho vuestros cerebros (porque estas cosas cansan) así que estad atentos como siempre a nuevas entradas.

Fuente: Michael Bach, un auténtico genio en este tema

Holografía

Qué es

Pues básicamente la holografía consiste en un tipo de fotografía que captura muchísima más información que la fotografía convencional: somos capaces de simular un frente de onda. Esto conlleva cosas tan impresionantes como que si nos movemos vemos otra perspectiva del objeto como si estuviese ahí realmenete y cosas tan curiosas como que si rompemos el holograma cada uno de los trozos nos dará una perspectiva completa de la imagen.

Podéis pensar en un holograma como si estuviésemos creando una ventana por la cuál podemos mirar. Si tapamos toda la ventana menos un trocito pequeño podemos seguir viendo todo lo que hay fuera solo que tenemos que acercarnos más.
Aquí os dejo una pequeña definición de lo que es el frente de onda:


Se denomina frente de onda al lugar geométrico en que los puntos del medio son alcanzados en un mismo instante por una determinada onda

La fotografía convencional captura intensidad de luz: si un objeto es más brillante o menos brillante y si esto lo hacemos con 3 filtros (rojo,verde,azul)  pues ya tenemos una foto en color. Pero ahí se termina la historia: capturamos sólo la intensidad.

Cada circunferencia es un frente de onda

¿Cómo se crean?

La técnica fue inventada en 1947 por Dennis Gabor. Sin embargo no fue hasta la invención del laser 10 años más tarde cuando esta técnica se pudo realizar con "facilidad".

Hay diversos tipos de hologramas: de transmisión, de reflexión, enfocados, visibles con luz blanca, con luz monocromática, en color... pero básicamente el objetivo de todos es el mismo: interferometría.

Nuestro objetivo va a ser grabar en una película holográfica -con resoluciones altísimas y una sensibilidad bajísima- (aproximadamente 1 ASA!!) la interferencia de dos ondas: la de el rayo de referencia y la de la luz que emite el objeto (también proveniente de la misma fuente).Esto hace que los objetos tengan que estar muy quietos y que además consiguamos una profundidad de campo bastante limitada...

Hologramas de Transmisión

Set-up para crear un holograma de transmisión

Como podéis ver en la figura iluminamos el objeto con el láser y además directamente la película holográfica también con el láser (rayo de referencia). Con esto conseguimos que en la película se creen franjas oscuras donde las ondas se suman constructivamente y zonas blancas (no expuestas a la luz) donde las ondas del objeto y del rayo de referencia se suman desctructivamente (se restan, se anulan) -por venir de la misma fuente los dos rayos, si no no sería posible-. Para  ver cómo funciona a nivel microscópico mejor utilizar algo más simple y luego extrapolarlo.

Imaginemos un objeto pequeño y un rayo de referencia: al grabarlo por este proceso obtendremos franjas en la película holográfica de esta manera:

Grabado holográfico de un objeto puntual

Como podéis ver el rayo de referencia (más bien frente de onda) es plano. Esto quiere decir que nuestro rayo viene del infinito.Con esto eliminamos la variable de "donde tenemos el rayo de referencia"-lo ponemos en el infinito (colimarlo) y listo-. También véis que las ondas que emite el objeto (siempre refelejada de la misma fuente láser) emite ondas. Podéis ver que en el plano de la emulsión se crean zonas con exposición y otras sin exposición.

Bueno, ya tenemos grabado nuestro holograma. Ahora ¿qué necesitamos para verlo? Pues necesitamos iluminar el holograma con el mismo rayo de referencia que hemos utilizado (utilidad en criptografía)

Reconstrucción del Holograma de transmisión

Y ya lo tenemos. Como por arte de magia (más bien por el principio de Huygens-Fresenl) al hacer pasar el rayo original por nuestro entramado de franjas ¡¡¡conseguimos que a la salida obtengamos un frente de onda exactamente igual al que produciría nuestro objeto si estuviese ahí!!!
Para objetos complejos el patrón será mucho más complicado pero todo será igual que para un objeto sencillo.

Imagen de microscopio de un holograma (No es la emulsión completa)

Imagen reconstruida a partir del holograma de la figura anterior

Hologramas de Reflexión
Como hemos visto en los hologramas de transmisión necesitamos un láser para el visionado del holograma y además el holograma se ve en un sólo color (el del láser). Pero esto no tiene por que ser siempre así.

Set-up para crear un holograma de reflexión

Lo bueno de estos hologramas es que pueden ser reproducidos con luz blanca (una lámpara, el Sol...) lo que nos permite prescindir del láser para su visionado. La emulsión holográfica para este tipo de hologramas es diferente. Es una emulsión más gruesa que funciona por la interferencia de la luz procedente de ambos lados de la emulsión: por un lado el láser y por otra la luz láser reflejada en el objeto. La emulsión se graba de manera que sólo deja pasar a su través luz de la misma longitud de onda con la que se grabó. Si se grabó con un láser verde aunque iluminemos con luz blanca el objeto aparecerá con ese color (¿recordáis los de las baterías de los móviles?).

Además están los llamados "Hologramas de arco iris" los cuales cuando los observamos con luz blanca y los movemos en cada dirección se ve de un color diferente. Podéis verlos en el papel moneda y también en etiqueteas de seguridad en muchos establecimientos.

Holograma de arco iris

También podemos encontrar hologramas de color verdadero (True Color Holograms). Básicamente consisten en poner filtros de colores a modo de píxeles (rojo verde y azul) delante de la emulsión holográfica y 3 lásers, también cada uno de cada color para "holografiarlos". Con esto conseguimos 3 interferencias, una para cada color que luego serán posibles de observar.

El futuro de la holografía
Bueno, aparte de los hologramas que se pueden crear hoy en día con varios proyectores y demás yo veo que la holografía pura será el futuro del cine y de la televisión.
Yo pienso (y esto es algo personal y seguramente mucha gente lo considere una locura...) que en un futuro con la tecnología OLED y sobre todo el OLET será posible hacer pantallas con resoluciones bestiales y simular matemáticamente el patrón de que deberá hacer la pantalla para que al iluminarla (por detrás al igual que todos los televisores actuales) crear el frente de onda exacto que produciría. Por ejemplo, toda una panorámica de Time Square. Supongo que también se inventará una tecnología capaz de captar esas imágenes con la velocidad que capturamos todas las imágenes que hay en una película de video.

El cine seguramente irá por otro camino ( manteniendo la proyección) pero estoy 200% seguro de que el futuro de la televisión pasa por la holografía: imágenes sin límite de profundidad en 3D y sin necesidad de gafas. Pronto será posible ver los hologramas que tanto impactaron en Star Wars pero además: a todo color.

Además esta técnica tiene otras utilidades como medidas microscópicas de deformaciones en materiales, criptografía...pero no he querido alargarme más en esta entrada.
Espero que os haya gustado

El ojo y sus errores refractivos

El ojo es el instrumento óptico que nos permite ver. Realmente con lo que vemos es con nuestro cerebro, el ojo "simplemente" es el encargado de focalizar las imágenes de los objetos en nuestra película fotográfica (o sensor CCD en la era digital) que es nuestra retina.

Partes del ojo
Básicamente nuestro ojo está formado por dos lentes: cornea y cristalino, un diafragma: el iris, y una capa de fotorreceptores que llamamos retina. En la siguiente imagen podéis ver estos elementos y algunos más en los cuales no entraremos a detallar.

Figura 1

Los medios transparentes del ojo (en ausencia de patologías, es decir, en buen estado) que atraviesa la luz en orden son:

• Cornea: Lente de mayor potencia del ojo.
• Humor acuoso: líquido con propiedades ópticas muy parecidas al agua
• Cristalino (Lens en la Figura 1):  Responsable del enfoque del ojo a distintas distancias. Este mecanismo se conoce como "acomodación".
• Humo vitreo: También con propiedades ópticas muy cercanas a las del agua
• Retina: nuestra película fotográfica encargada de convertir los estímulos luminosos en químicos.

Al llegar la luz a la retina ésta envía impulsos a través del nervio óptico que más adelante serán procesados por el cerebro.

En la figura 1 podéis observar la Mácula o Fóvea que es nuestra zona de mayor agudeza visual y con la cuál "apuntamos" a los objetos de interés.

Errores refractivos: miopía, hipermetropía y astigmatismo

Al igual que en cualquier cámara nuestro objetivo es que la imagen de el objeto de interés caigan enfocadas en retina, esto es, que el foco de nuestro sistema óptico coincida con la posición de el sensor.

Siempre que decimos que un ojo es miope, hipermétrope o astígmata lo consideramos cuando el cristalino está en reposo, es decir, está desacomodado, sin esforzarse.

Este sería el trazado de rayos de un ojo emétrope, es decir, sin error refractivo:

Ojo emétrope

Pero por desgracia es bastante frecuente que esto no pase.

La miopía es el estado del ojo por el cuál, sin acomodar, las imágenes de un objeto muy alejado enfocan delante de la retina. Esto puede darse porque la cornea sea demasiado curvada o porque el ojo sea demasiado largo. Generalmente será una combinación de ambos. El resultado es que en retina en vez de un punto tendríamos una mancha.

Ojo miope

Consecuencias

Pensad que si acercamos el objeto al ojo el punto donde focalizan las imágenes se va a cercando a la retina, por lo tanto una persona miope podrá ver de cerca sin problemas (si es simplemente miope y no padece otra patología).

Para calcular el punto aproximado donde una persona miope empieza a ver borroso según alejamos el objeto tenemos que dividir 1 entre las dioptrías que tenga y lo que nos salga será la distancia (en metros) donde su mundo empezará a ponerse borroso (aproximadamente, estamos obviando la profundidad de campo)

Un ejemplo: Una persona de -2,5D de miopía podrá ver nítido hasta 1/2,5=0,4m -> 40cm. Más lejos verá los objetos borrosos.

Para corregirlo tendremos que interponer entre el objeto y el ojo una lente (ya sea en gafa o lente de contacto) que reste potencia al ojo (lente negativa). 

La hipermetropía se caracteriza por todo lo contrario: cornea demasiado plana u ojo demasiado corto. Por lo tanto la luz de un objeto alejado focalizaría detrás de la retina, con el ojo en reposo, recordemos.

Hipermetropía

Esta ametropía se corrige con lentes positivas, ya que ópticamente es lo contrario a la miopía.

Consecuencias

Pues las consecuencias son, que, si la persona puede acomodar estará todo el rato acomodando (si es posible) para ganar la potencia que le falta a su ojo. Esto puede derivarse en dolores de cabeza, cansancio... Por lo tanto para ver de cerca tendrá que acomodar lo que acomodaría un emétrope y algo más por lo que suele manifestarse como un problema de visión cercana aunque realmente se da a todas las distancias.

Y, entonces, ¿qué es el astigmatismo? 

Pues el astigamtismo es algo distinto a la miopía y a la hipermetropía. En estas dos el resultado es que, por ser el ojo más grande o más pequeño la imagen se forma antes o después de la retina respectivamente, sin embargo el astigmatismo se produce cuando la cornea no es circular, sino que es más curvada por uno de sus ejes que por otro.

En la siguiente imagen se aprecia bastante bien ya que está muy exagerado

Astigmatismo

En la misma imagen también podéis ver las consecuencias de este error refractivo: Si la imagen es un punto antes teníamos el punto por delante o detrás de la retina y la consecuencia es que veríamos una mancha, pues bien, en el astigmatismo un punto se convertiría en 2 lineas, cada una formada por uno de los ejes del astigmatismo, las llamadas focales de Sturm

Focales de Sturm

Por lo tanto se puede dar que las dos focales estén por delante de la retina (astigmatismo miópico), que estén por detrás (hipermetrópico) o una por delante y otra por detrás (mixto).

Consecuencias

Al tener dos focales y entre ellas el llamado "círculo de mínima confusión" el cerebro está mandando constantemente (si es posible) señales al cristalino para que acomode a una o a otra linea. Esto con el tiempo produce dolores de cabeza, sobre todo a la hora de leer o ver la televisión.

Para corregir el astigmatismo tenemos que utilizar lentes tóricas, llamadas así por la figura matemática llamada "toro"