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Los binoculares y sus sistemas

Los binoculares y sus sistemas

Autor: Patti Salvador Daniel

Fecha publicación: 21/10/2020

Auspicia: LaserHawk Mayorista

Muchas notas hemos hecho sobre miras pero casi ninguna obre binoculares. Tanto para el que gusta de observar aves, paisajes, astronomía, o para caza, el binocular es un elemento irremplazable, y es este último punto haremos hincapié, tal es así, que dicen los cazadores que saben, que se caza con el binocular. Nos centraremos en sus sistemas de trabajo, dejando otras cuestiones técnicas para otra nota.

Cuando uno piensa en la palabra “prisma” se nos viene la mente inmediatamente el prisma de tipo triangular que usara Newton para descompones la luz blanca. Lo cierto es que hay varios tipos de ellos.

Algunos de estos son los que utilizan los prismáticos (de allí el nombre) o binoculares para poder enderezar la imagen, tal como hace el par inversor compuesto por lentes en las miras telescópicas. Existen básicamente dos tipos de binoculares según el diseño del sistema de prismas que utilicen para este fin (invertir la imagen), ellos son sistema de porro y sistema con prismas de techo o “roof” (en realidad existen varios sistemas de prismas mas aplicables a binoculares, pero estos dos son los más populares). Cada tipo tiene sus ventajas y desventajas como veremos a lo largo de la nota. En general, los prismáticos de porro nos dan una mejor percepción de la profundidad, distinguiendo mejor entre el objeto enfocado y el fondo (nos proporcionan una imagen tridimensional más real). También, a igual calidad de los elementos ópticos, suelen ser más baratos que los de techo porque son más fáciles de fabricar. Los prismáticos de techo tienen un cuerpo más pequeño y son más livianos y manejables para un mismo tamaño de los objetivos.

Los prismáticos de porro, que deben su nombre al ingeniero italiano Ignazio Porro, tienen los prismas dispuestos de manera no lineal, lo que les da su característica forma externa con los oculares no alineados respecto a los objetivos. La siguiente imagen muestra la marcha de rayos por reflexión interna total en un prisma porro.

Como dijimos, Utilizando el concepto llamado en óptica de ángulo limite y su consecuencia que es la reflexión interna total (una consecuencia de la ley de Snell) se utilizan dos prismas porros cruzados exactamente por sus bases a 90º para invertir la imagen. Por el contrario, los prismáticos "de techo" tienen una estructura interna más compleja, con los prismas alineados, confiriéndole así su forma recta y más compacta.

Los prismas de Porro se utilizan para obtener prismáticos cortos y anchos. Puesto que la distancia entre los objetivos es más bien grande en este tipo de sistema, esto nos permite ver los objetos algo más “plásticos”. Sin embargo, esto sólo ocurre con aumentos grandes y distancias cortas. Sin duda alguna como dijimos más arriba, los prismáticos con sistema de prismas de techo son más compactos, manejables y más fáciles de usar.

Debido al desplazamiento de fases de los haces de rayos de luz que se presentan en sistemas de prismas de techo no corregidos, la calidad de imagen en el centro de la imagen es ligeramente inferior a la de un modelo con prismas de porro. En la práctica, el usuario trata de reducir el efecto desventajoso que se presenta en la calidad de imagen por el desplazamiento de las fases en función de la estructura del objeto, desplazando excéntricamente sus pupilas respecto a las pupilas de salida de los prismáticos o reenfocando a menudo el objeto. Esto sucede inconscientemente, pero provoca cansancio ocular durante una observación prolongada.

Carl Zeiss logró desarrollar por primera vez un tratamiento especial de la superficie de los prismas de techo, el “P* Coating” (P de Phase en ingles y coating de recubrimiento por traducirlo de alguna forma), que evita el desplazamiento de fases de ambos haces parciales de la luz. Así fue posible optimizar la calidad de imagen de los prismáticos con prisma de techo, evitando las desventajas antes mencionadas en la observación. Hoy día, todas las fábricas de primera línea tratan este tipo de prismáticos de esta manera.

Una disyuntiva que se nos puede plantear a la hora de adquirir y observar con prismáticos, es qué sistema nos permite aprovechar todas las posibilidades ópticas y sacar el máximo rendimiento: el prismático tipo “porro” (el clásico) o el prismático tipo “roof” (de techo o recto). Si bien casi siempre, el sistema “porro” ha sido el más utilizado, no es menos cierto, que en la actualidad, y gracias al abaratamiento de los costos de producción y mejoras tecnológicas, los prismáticos “roof” se están popularizando mucho más. En igualdad de condiciones, el prismático clásico es superior al de techo, pero existen una serie de ventajas e inconvenientes en ambos, que si las conocemos, al menos nos servirán para valorar nuestra elección.

Las ventajas del sistema de porro son las siguientes:

- Posibilidad de grandes diámetros de lentes objetivos, por su construcción mecánica no lineal.
- Reflexión total de la luz en los prismas, al haber sólo cuatro reflexiones se minimiza la pérdida de luz.
- Efecto 3D más pronunciado que resalta sobre todo en objetos cercanos, debido a la separación de los objetivos, que mejoran este efecto.
- Más económicos en relación con los rectos.
- La tolerancia de cualquier error en la construcción de los prismas es mayor que en los rectos con un máximo de unos 10 minutos de arco

Los dos mayores inconvenientes de este sistema es que es menos compacto y más pesado que el de techo. Problema importante a la hora de observar y que el enfoque suele variar y generalmente hay que reenfocar constantemente. Esto es debido a la propia construcción del aparato.

Con respecto a los prismáticos de sistema roof, de techo o rectos podemos resaltar como principales ventajas las siguientes:

- Son más ergonómicos y en general, más livianos
- La distancia de enfoque en objetos cercanos es menor que en los prismáticos de sistema porro. Además el campo visual que abarcan se iguala, en muchos casos a estos últimos.
- Son más fáciles de hacerlos impermeables, a causa del enfoque interno y permite que modelos no tan sofisticados puedan ser nitrogenados.

Las desventajas que este sistema presentan son:

- Reflexión parcial de la luz en los prismas pues se producen seis reflexiones respecto a las cuatro de los prismas porro por consiguiente dan menos transmisión de la luz debido a esta pérdida por reflexión, Hay que aplicar mayor cantidad de tratamientos coating metálicos o dieléctricos para corregir o minimizar este problema.
- Se produce una división del haz de luz en una de las caras del prisma, provocando un desfase de ésta, con la consiguiente pérdida de contraste. Es necesario aplicar un tratamiento corrector de fase (phase coating) y los aparatos de este tipo de mediana y baja calidad no los tienen.
- La tolerancia de cualquier error en la construcción de los prismas es menor que en los clásicos con un máximo 2 segundos de arco.

No obstante para una reparación muy común por golpes como es el colimado (doble imagen) son muchísimo más fáciles de corregir los de tipo porro que los de techo.

En otro orden de cosas, Pero como es lógico, la calidad de los elementos ópticos, tanto lentes como prismas es el factor fundamental a la hora de elegir unos prismáticos.

Lo primero que hay que desechar son prismas y lentes de material orgánico, que son muy popularizados en óptica oftálmica para el armado de anteojos, aquí NO sirven para nada. Normalmente están fabricados con plásticos de poca calidad.

Hay que elegir dentro de lo que se pueda pagar, siempre marcas conocidas, como decimos por aquí “de medio pelo para arriba” ya que nos garantizaran piezas ópticas de cristal mineral (de vidrio en el peor de los casos y de cristal en el mejor). Normalmente estos pueden ser de dos tipos: BK-7 (vidrio de boro-silicato) y BAK-4 (vidrio de bario). Las piezas ópticas hechas con BK-7 son más económicas, pero también de menor calidad. La mejor opción son los sistemas hechos con BAK-4, son de mayor calidad y proporcionan imágenes más nítidas y contrastadas, además de dar más luminosidad gracias a su mayor índice de refracción (densidad, por decirlo en un término que se entienda más fácilmente, aunque son cosas realmente diferentes, ver nota anterior sobre el numero de ABBE).

En cuanto a las lentes, al igual que ocurre con los prismas, rechazaremos las orgánicas. Las lentes minerales nos proporcionarán la calidad y el rendimiento que buscamos en función del tratamiento que hayan recibido. El tratamiento de las lentes consiste en recubrimientos con capas antirreflectantes de fluoruro de magnesio entre otros, que evitan o minimizan la pérdida de luz por reflejos internos y las aberraciones cromáticas, logrando así imágenes más nítidas, contrastadas, luminosas, sin reflejos y con colores más reales.

Un párrafo aparte merecen los modelos de gama alta, en los que se pueden encontrar lentes de fluorita, y fluoruro de magnesio, que como nombramos, evitan más las aberraciones cromáticas entre otras y proporcionan más luminosidad e imágenes más brillantes. Veamos sus principales características.

Los vidrios ópticos conocidos como CaF2, BaF2, MgF2, Lif2, etc. se conocen por ser ampliamente utilizados en óptica UV (ultra violeta) e IR (infrarrojo) debido a su alto grado de transparencia. Veamos las diferencias entre dos de los más utilizados: MgF2 y CaF2.

El fluoruro de magnesio (MgF2) es el único material óptico que combina una banda de transmisión espectral amplia con un fenómeno de birrefringencia y un coeficiente de expansión termal satisfactoria a la vez. Se utiliza fundamentalmente para fuentes de radiación UV, para filtros de polarización interferencial, para aplicación láser Excimer, y también como óptica de resonancia láser en electrónica cuántica y como material activo en la banda IR y sub milimétrica debido a su buena transmisión entre los 0.15 y 6.5 µm.

MgF2 es resistente al choque térmico y mecánico y tiene un umbral de daño energético alto. El fluoruro de magnesio es uno de los materiales con un nivel más bajo en el infrarrojo, por lo que normalmente no requiere de tratamientos antirreflejantes en su superficie. Es un material extraordinariamente duro comparado con otros materiales transparentes entre el UV y el IR. Se trata de una opción muy habitual en aplicaciones de imagen en ámbitos militares que requieren pulsos de láser de banda estrecha.

Por su parte, el fluoruro de calcio (CaF2 ó fluorita) es transparente en una amplia banda del espectro. Se utiliza fundamentalmente en lentes operando en la región profunda del UV y hasta el IR debido a sus propiedades no birrefringentes. CaF2 tiene una transmisión superior al 90% entre los 0.25 y las 7 µm, y se utiliza de manera habitual en óptica láser debido a su nivel de absorción y su alto umbral de daños. Sin embargo, el fluoruro de calcio tiene propiedades termales más bien pobres debido a su alto coeficiente de expansión térmica y no se utiliza en operaciones expuestas a altas temperaturas. Puede utilizarse sin tratamientos antirreflejantes debido a su bajo índice de refracción.

Con estos cristales se fabrican binoculares de alta gama cuyo precio no está al alcance de todos.

Zeiss tiene la designación de FL para aparatos construidos con este tipo de cristales. También son muy utilizados para objetivos y tele objetivos de fotografía, con un precio sideral con respecto a comunes. Las siguientes imágenes muestran las franjas de control utilizadas por la empresa Zeiss. A la izquierda, imagen producida por un cristal común, a la derecha con un cristal FL.

En la siguiente fotografía se aprecia mejor el tema de la reducción de la aberración cromática y su consecuente mejor de calidad de imagen al utilizar cristales FL.

Aquí se aprecia cómo se reduce notablemente lo que llamamos banda de indeterminación con respecto al foco de los diferentes colores que componen la luz blanca.

En esta nota solo nos centramos en los sistemas prismáticos de trabajo de los binoculares, sin haber entrado en otros detalles técnicos, los cuales dejaremos para otra nota, pero a modo de cerrar esta, haremos mención muy brevemente a otros aspectos, para quien tenga que adquirir uno. Las características ópticas principales de unos prismáticos vienen designadas por dos cifras separadas por una "x", al igual que en las miras telescópicas. Por ejemplo: "8x42". La primera cifra indica la potencia de amplificación de imágenes (en otras palabras, los aumentos que proporciona). La segunda cifra nos indica la abertura, esto es, el diámetro en milímetros de las lentes frontales o lentes objetivos, en óptica instrumental se miden así.

El número de aumentos que necesitemos dependerá del uso que vayamos a dar a los prismáticos, pero en general, para observar la naturaleza y para muchísimas situaciones de caza, se suelen usar prismáticos de 7, 8 ó 10 aumentos. A partir de 12 aumentos se hacen muy visibles las vibraciones producidas al tomar y sostener para observar el aparato, por lo que ya es recomendable el uso de un trípode.

El diámetro de los objetivos, además de ser un factor decisivo en el tamaño y peso de los prismáticos, determina la capacidad de los prismáticos para captar la luz exterior, lo cual influye en la resolución o nitidez de las imágenes. Lógicamente, cuanto mayor sea la abertura (lente objetivo) más luz captan los prismáticos. Unos prismáticos con objetivos de 50 milímetros captan aproximadamente 1,5 veces más luz que unos con objetivos de 42 milímetros, y casi unas 2,7 veces más luz que unos con objetivos de 30 milímetros. Sin embargo, el rendimiento en condiciones de poca luz también depende de los aumentos, ya que la relación entre objetivos y aumentos nos proporciona otros dos factores importantes: la luminosidad relativa y el tamaño de la pupila de salida, de la que hemos hablado ya en otras notas de miras telescópicas. En fin, espero como siempre que esta nota les haya sido de utilidad, y desearles buenas observaciones y mejores tiros.

Patti Salvador Daniel

Licenciado en Optica Oftálmica
Titular del Laboratorio Óptico LaserHawk