¿Cuál es la diferencia entre magnificación y resolución? El perro de la ciencia nos explica.

Blog original en inglés por Tom Keuch
Traducido por Mercedes Ruiz. Corregido por Elvin A. Morales.

Ver objetos pequeños no será una tarea simple pero si es esencial para los científicos de diversas ramas como la astronomía y la nanotecnología.  Para poder ver cosas chiquitas tenemos que magnificar la imagen y conservar los detalles de la imagen. Entonces que es más importante ¿hacer las imágenes más grandes o mantener la precisión de los detalles?

Voy a utilizar dos fotos, una de alta resolución y una de baja resolución de Jackson el PERRO HONORARIO DE LA CIENCIA para explicar el concepto.

¿Cuáles fotos son de alta resolución?

¿Cuáles fotos son de alta resolución?

Inmediatamente se darán cuenta que ese perro es guapísimo.  También notaran  que la imagen en la izquierda ha sido magnificada con alta resolución mientras que la imagen en la derecha fue magnificada pero no se aumentó su resolución. Cuando las fotos no están magnificadas (la foto de esa cara adorable en la parte superior) no hay diferencia discernible entre las dos imágenes. Las imágenes se ven iguales es porque estamos viendo a Jackson suficientemente lejos para que no veamos el límite de resolución (el punto en que perdemos la imagen definida).  En las fotos de abajo la foto de la izquierda conserva la imagen definida y la de la derecha no. Lo que implica que llegamos al límite de resolución de la imagen de la derecha.

Explicándolo numéricamente

Si me fijo bien en la nariz de mi perro puedo notar más detalles de los que son observables que en las imágenes de la izquierda. Si mido los espacios entre las arrugas de la nariz de mi perro puedo estimar el límite de resolución de las imágenes presentadas. Esto es un trabajo que requiere paciencia  por lo menos Jackson es dedicado a la ciencia.

El sacrificio de Jackson por la ciencia, ese soy yo poniéndole una regla en su nariz.

El sacrificio de Jackson por la ciencia, ese soy yo poniéndole una regla en su nariz.

Las pequeñas arrugas en su nariz están a menos de 1 mm de distancia.  Como las arrugas  se  pueden observar en la imagen de la izquierda y no en las de la derecha podemos decir que las imágenes en la izquierda tiene un límite de resolución menor que 0.1 mm mientras que el  límite de resolución de la imágenes de la derecha es mayor que 0.1 mm. Si regresamos a las fotos que no están magnificadas (esa cara preciosa) el límite de resolución no importa. En este caso en particular la resolución no es tan importante porque no nos estamos fijando en los detalles precisos.

Usualmente mientras más grande mejor, pero a veces no tiene sentido magnificar una imagen si no tiene la resolución suficiente para definir los detalles. Jackson nos va a demostrar este caso.

Magnificación con resolución la imagen a la izquierda es mejor al menos que te guste el arte abstracto.

Magnificación con resolución la imagen a la izquierda es mejor al menos que te guste el arte abstracto.

La resolución es la habilidad de un sistema para definir detalles. Mientras más magnifiques una imagen más importante es la resolución. ¿Cuál es el límite de resolución cuando magnificamos algo de manera innumerable?

 ¿Cómo podemos sobrepasar los límites?

Existe una resolución máxima fundamental para cada sistema y se determina por el proceso de difracción. Cundo un rayo de luz entra por un lente ocurre difracción expandiendo la luz causando que un punto en el objeto se convierta en un disco levemente más grande en la imagen. Si hay dos puntos en el objeto que están demasiado cerca los discos capturados van a sobre poner uno sobre el otro y no podemos observar bien los detalles de cada punto. Cuando la resolución solamente está limitada por difracción la distancia necesaria entre los puntos para poder diseñarlos está dada por ΔL en la siguiente ecuaciónCropperCapture[26]donde D es el tamaño de la abertura (usualmente el tamaño del lente más grande) y λ es el largo de onda de la radiación electromagnética utilizada (en este caso la luz visible). De esta ecuación matemática podemos deducir que la mejor resolución se obtiene cuando se utiliza un lente bien grande o se utiliza largos de ondas pequeños.

Muchas veces el material a ser fotografiado determina que lentes y largos de ondas se utilizan para obtener una imagen. Aunque las nanopartículas se pueden ver con la luz visible (λ va de 400 nm para azul a 700 nm para rojo) estos largos de ondas son muy grandes para definir los pequeño detalles. Por lo tanto los nano-científicos utilizan electrones. Estas partículas subatómicas tienen propiedades de onda y en los microscopios electrónicos sus largos de ondas pueden ser 2.5 picometros (¡más de 100,000 largos de onda más pequeños que la luz visible!). Este es el concepto primordial de como los microscopios electrónicos producen imágenes como las que puedes observar a continuación (pronto escribiremos un artículo explicando a fondo cómo funcionan los microscopios electrónicos). A diferencia de los microscopios de luz visible los microscopios electrónicos no producen imágenes a color. A continuación les presento dos imágenes que tome con un microscopio electrónico.

Imagen de nanopartículas de oro tomada con un microscopio electrónico

Imagen de nanopartículas de oro tomada con un microscopio electrónico.

Imagen de una hormiga tomada con un microscopio electrónico

Imagen de una hormiga tomada con un microscopio electrónico.

En cambio los astrónomos utilizan otra ruta para capturar imágenes bellas.  Como los astrónomos toman imágenes de gigantescos objetos celestiales con tamaños que sobrepasan billones de millas, ellos no requieren distinguir en detalles nanoscopicos. Lo más seguro también prefieren sus imágenes a color. Esto significa que pueden usar luz visible y otras formas de energía electromagnética para capturar sus imágenes. Como están limitados en la cantidad de largos de ondas que pueden usar, ellos se enfocan en la creación de lentes monumentales y espejos para utilizar en los telescopios (aumentando así el parámetro D en la ecuación). Un ejemplo famoso es el telescopio Hubble, ¡que tiene un espejo de alrededor de ocho pies de diámetro!

Telescopio Hubble. Imagen por cortesía de NASA

Telescopio Hubble. Imagen por cortesía de NASA.

Lente del telescopio Hubble. Imagen por cortesía de NASA.

Lente del telescopio Hubble. Imagen por cortesía de NASA.

Lo inimaginable se convierte en lo posible con un lente tan grade. A continuación hay algunas imágenes que Hubble nos ha enviado en sus últimos 23 años de operación. La imagen a la derecha es una de las imágenes más famosas obtenidas por Hubble es la nebulosa Cabeza de caballo, ubicada en la constelación de Orión a unos meros 1500 años luz de distancia (¡aproximadamente 14,000,000,000,000,000 kilometros!). La resolución de esta imagen es aproximadamente 34.2 miles de millones km (dado a la distancia tan grande de la nebulosa).

Horsehead Nebula as imaged by the Hubble space telescope. Image courtesy of NASA.

La nebulosa llamada Cabeza de caballo tomada por el telescopio Hubble. Imagen por cortesía de NASA.

Auroras de Saturno tomada por el telescopio Hubble. Imagen por cortesía de NASA.

Auroras de Saturno tomada por el telescopio Hubble. Imagen por cortesía de NASA.

¿Entonces qué es más importante, magnificación o resolución?

En conclusión…

Depende, ¿de qué depende?  De que objeto vamos a fotografiar y cuál es su tamaño. Aunque  la magnificación y la resolución son cosas totalmente distintas están relacionadas. La magnificación es comúnmente un elemento crítico en la investigación científica, pero solamente cuando puedes llegar a la resolución necesaria para definir los detalles. Por lo tanto ambos son importantes para los científicos, la diferencia es como cada campo de la ciencia busca la mejor manera para capturar imágenes. Al fin y al cabo, al igual que otras situaciones en la vida, es bueno tener un poquito de todo, la mejor resolución para una magnificación dada. Cuando encontramos la combinación perfecta de las dos podemos crear imágenes maravillosas. Espero que hayan aprendido algo de este artículo, por que Jackson y yo estamos muertos del cansancio. ¡Entreténganse con la ciencia!13 - Science Dog Jackson - cropped

Nota súper científica:

Calcule la resolución de la imagen de la nebulosa de Cabeza de caballo utilizando la mejor resolución angular teórica para el telescopio Hubble, cual es 0.5 arcsec or 0.00014 grados. Luego use la geometría de un ángulo recto para determinar la resolucion lateral de la imagen, queriéndose decir  resolviendo por x en la ecuación tan(0.00014)=x/(distancia hacia la nebulosa) .


Para leer el blog original en ingles, presione aquí. 

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