Foco (óptica)

En óptica geométrica un foco es el punto donde convergen los rayos de luz originados desde un punto en el objeto observado.^[1]​ Aunque el foco es conceptualmente un punto, físicamente el foco tiene una extensión espacial, llamada círculo borroso. Este enfoque no ideal puede ser causado por aberraciones ópticas en la imagen. En ausencia de aberraciones de importancia, el menor círculo borroso posible es el disco de Airy, el cual es causado por difracción de la apertura del sistema óptico. Las aberraciones tienden a hacerse peores en la medida en que aumenta el diámetro de la apertura, mientras que el disco de Airy es menor en aperturas grandes.^[2]​

Una imagen, o punto de imagen, se dice que está en foco si la luz de los puntos del objeto es convergida lo más posible en la imagen, y fuera de foco si la luz no es bien convergida. El límite entre esto es algunas veces definido usando un criterio denominado círculo de confusión. Si un haz de rayos estrecho que se propaga en la dirección del eje óptico incide sobre la superficie esférica de un espejo o una lente delgada, los rayos se reflejan o refractan de forma que se cortan, o parecen cortarse, en un punto situado sobre el eje óptico. La distancia entre ese punto (foco) y el espejo o lente se denomina distancia focal. Si las dos superficies de una lente no son iguales, ésta puede tener dos distancias focales, según cuál sea la superficie sobre la que incide la luz.

En óptica geométrica, en el caso de un sistema centrado (es decir, con un eje de simetría de revolución), existen dos focos principales denominados foco objeto^[3]​ (u objeto^[4]​,^[5]​ ). La posición de estos focos puede determinarse mediante varios métodos, denominados focometría, de los cuales la autocolimación es uno de ellos.

El foco principal del objeto, F F, es el punto del objeto cuya imagen está en el infinito en el eje óptico principal.

En un sistema óptico convergente, los rayos luminosos incidentes en F F salen paralelos al eje óptico principal. En un sistema divergente, los rayos luminosos incidentes hacia F F salen paralelos al eje óptico principal. El foco del objeto es real si está situado antes de la cara de entrada del sistema óptico; es virtual si está situado después^[6]​..

• Ejemplos
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  Sistema óptico convergente
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  Sistema óptico divergente
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  Sistema óptico divergente con un número impar de reflexiones

El foco imagen principal F ′ F' es la imagen de un punto objeto situado en el infinito sobre el eje óptico principal.

Los rayos incidentes paralelos al eje óptico salen pasando por F ′ F' para un sistema óptico convergente y pareciendo proceder de F ′ F' para un sistema divergente. El foco de la imagen es real si está situado después de la cara de salida del sistema óptico; es virtual si está situado antes.^[6]​

• Ejemplos
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  Sistema óptico convergente
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  Sistema óptico divergente
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  Sistema óptico divergente con un número impar de reflexiones

En los casos en que el sistema óptico no es centrado, sino que presenta otras simetrías (lentes astigmáticas, lentes cilíndricas), pueden definirse varias distancias focales en función del eje estudiado.

Un sistema afocal es un sistema estigmático sin enfoque del objeto ni de la imagen. Al ser estigmático, significa que los rayos que entran en el sistema paralelos entre sí también salen de él paralelos entre sí. También puede considerarse como un sistema cuyos focos han sido rechazados en el infinito.

Los focos secundarios (en oposición a los focos principales) son los focos de la imagen o del objeto conectados a haces de luz paralelos entre sí pero no paralelos al eje óptico.

Todos los focos secundarios de la imagen (respectivamente del objeto) están contenidos en el plano focal de la imagen (respectivamente del objeto), que corresponde al plano perpendicular al eje óptico y que pasa por el foco de la imagen (respectivamente del objeto)^[7]​.

Según el principio del retorno inverso de la luz, los espejos tienen la particularidad de tener sus focos imagen y objeto fusionados. Lo mismo ocurre con todos los sistemas ópticos centrados con un número impar de espejos. Por ello, en lo sucesivo hablaremos en general de "foco" en lugar de "foco primario del objeto o de la imagen".

• Espejos planos: un espejo plano puede considerarse como un sistema afocal, o como un sistema cuyos focos se han rechazado en el infinito. En efecto, los rayos que llegan paralelos al espejo salen paralelos entre sí.
• Espejos esféricos: los espejos esféricos tienen su foco a medio camino entre el centro (centro geométrico del casquete esférico que forma el espejo) y el vértice del espejo (intersección del espejo con el eje óptico). Si el espejo es cóncavo, el foco es real; si es convexo, el foco es virtual.
• Espejos parabólicos: el foco de un espejo parabólico coincide con el foco de la parábola en su definición matemática. Los espejos parabólicos son sistemas rigurosamente estigmáticos para el foco principal.

Lentes convergentes: una lente convergente tiene su foco imagen después de la lente, y su foco objeto antes de la lente. Ambos focos son reales. Lentes divergentes: una lente divergente tiene su foco imagen antes de la lente y su foco objeto después de la lente. Ambos focos son virtuales.

• Autofoco
• Distancia focal
• Follow focus
• Profundidad de campo
• Cáustica (óptica)

• Hecht, Eugene (1987). Optics (2nd edición). Addison Wesley. ISBN 978-0-201-11609-0. (requiere registro).  Chapters 5 & 6.
• Hecht, Eugene (2002). Optics (4th edición). Addison Wesley. ISBN 978-0-321-18878-6. 
• Greivenkamp, John E. (2004). Field Guide to Geometrical Optics. SPIE Field Guides vol. FG01. SPIE. ISBN 978-0-8194-5294-8. 
• Born, Max; Wolf, Emil (2002). Principles of Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-64340-5. 
• Hecht, Eugene (2002). Optics (4 edición). Addison-Wesley Longman, Incorporated. ISBN 978-0-8053-8566-3. 
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for scientists and engineers (6, illustrated edición). Belmont, CA: Thomson-Brooks/Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.