Aula 4.8 - Instrumentos óticos/ Ótica da visão

Escrito por Wanderson Faustino Patricio

Introdução

Estamos rodeados por instrumentos óticos por todos os lados. Desde óculos até computadores, os princípios teóricos estudados até esse momento são utilizados em grande parte dos aparrelhos no nosso cotidiano.

Nessa aula analisaremos o funcionamento de alguns dos instrumentos óticos mais comuns no nosso dia a dia.

1) Câmera fotográfica

Esse é talvez o instrumento ótico mais comum em nossa vida. As câmeras fotográficas estão presentes em todos os telefones celulares atuais. Por meio delas, podemos capturar imagens do mundo ao nosso redor com apenas um clique, e com o avanço tecnológico atual, vemos a resolução das nossas imagens cada vez melhores. Essa qualidade, porém, não foi sempre tão boa, as primeiras câmeras não conseguiam ao menos capturar as cores da paisagem.

A câmera fotográfica é um dispositivo destinado à fixação de imagens. Em linhas gerais, ocorre o seguinte: a objetiva da câmera (sistema convergente formado por uma ou mais lentes) projeta a imagem real e invertida da paisagem da fotografia sobre um anteparo fotossensível em que, devido a fenômenos fotoquímicos ou fotoeletrônicos, ela fica gravada.

O funcionamento da câmera se baseia no comportamento da câmara escura.

A câmara escura é como se diz pelo próprio nome, uma caixa que "não" permite a entrada da luz, ou quase não permite a entrada da luz. Nela, há um pequeno orifício, suficiente apenas para deixar uma pequena parte da luz.

 Perceba que a luz que é refletida pela pare superior do objeto estará na parte inferior da imagem, e a parte inferior da imagem estará na parte superior da imagem. Portanto, a imagem resultante estará invertida em relação ao objeto refletido.

A quantidade de luz que penetra na câmera é graduada por um mecanismo denominado diafragma. Outro importante componente das câmeras é o obturador, que regula o intervalo de tempo durante o qual o filme (ou conversor eletrônico) fica exposto à luz.

2) Projetor

Trata-se de um dispositivo que fornece, de um objeto real (arquivo eletrônico, diapositivo ou filme), uma imagem real projetada em uma tela. A imagem final é invertida (na vertical e na horizontal) e ampliada e pode comportar-se como objeto real para vários espectadores ao mesmo tempo. É importante salientar que, para uma melhor visualização da imagem projetada, o equipamento deve operar no interior de um ambiente escurecido.

O projetor de imagens é basicamente constituído de lentes esféricas do tipo convergente objetiva, uma fonte de luz muito intensa e um espelho côncavo cujo centro de curvatura coincide com a posição ocupada pela fonte de luz, a fim de se ter melhor aproveitamento da luz emitida pela fonte.

3) Lupa ou microscópio simples

Como visto na aula passada, uma associação de dioptros esféricos gera um instrumento ótico capaz de alterar o tamanho das imagens.

Em outras aulas vimos que o aumento de uma lente é dado por: $A=-\dfrac{p'}{p}=\dfrac{i}{o}$.

A equação da lente é:

$\dfrac{1}{p}+\dfrac{1}{p'}=\dfrac{1}{f}$; onde $\dfrac{1}{f}=\left(\dfrac{n_2}{n_1}-1\right)\left(\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}\right)$

Para certas posições de objeto a imagem deste será maior do que o original ($\left|A\right|>1$).

A utilização de uma ou mais lentes pode ser usada para focar os raios de luz em um certo ponto e aumentar a sua intensidade.

Quando você era criança possivelmente já deve ter usado uma lente para focar os raios do sol e queimar uma folha de papel. Esse experimento exemplifica claramente o poder de uma lente convergente.

4) Microscópio composto

É um instrumento de aumento constituído basicamente de dois sistemas convergentes de lentes
associados coaxialmente: o primeiro é a objetiva (distância focal da ordem de milímetros), que responde pela captação da primeira imagem do objeto; o segundo é a ocular, que, operando como lupa, forma a imagem final, a qual se comporta como objeto para o olho do observador

Suponhamos que a imagem do primeiro sistema de lentes possua altura $i_1$, o  objeto possua altura $o$ e a imagem final possua altura $i$.

O aumento da objetiva é:

$A_{ob}=\dfrac{i_1}{o}$

O aumento da ocular é:

$A_{oc}=\dfrac{i}{i_1}$

O aumento total da lente é:

$A=\dfrac{i}{o}=\dfrac{i}{i_1}\cdot \dfrac{i_1}{o}$

$A=A_{ob}\cdot A_{oc}$

Perceba que se os aumentos da objetiva e da ocular forem ambos maiores que 1, o aumento total do sistema será maior do que eles. Portanto, o poder de um microscópio composto é maior do que o poder de um microscópio simples, chegando até mesmo a ser possível a visualização de coisas microscópicas, como células.

A ótica da visão

O ser humano (e quase todos os animais da terra) se localizam principalmente com o auxílio da visão. Assim como tudo que se encontra no universo, os nosso sistema de visão não funciona por mágica. Nos nossos olhos ocorrem fenômenos óticos semelhantes aos que vimos anteriormente nos outros instrumentos. No sistema sensitivo visual ocorrem mudanças de trajetória na luz que chega até o nosso olho, que são interpretadas pelo nosso cérebro afim de formar as imagens.

O bulbo do olho humano

O bulbo do olho tem a forma aproximada de uma esfera de 22 mm de diâmetro, que possui, em sua parte anterior, uma região mais convexaa, denominada córnea.

Com exceção da região da córnea, o bulbo do olho é revestido por uma parede opaca composta
de três camadas principais: a externa, chamada esclerótica, com uma constituição esbranquiçada de couro, que serve para dar estabilidade mecânica ao olho (é a parte branca do olho que conseguimos enxergar); a intermediária, chamada corioide, altamente vascularizada, cuja função é fazer a irrigação sanguínea do bulbo do olho; e a interna, chamada retina, composta das células sensoriais da visão, que se comunicam com o cérebro por meio de um cordão nervoso denominado nervo óptico. A retina reveste apenas parte da região posterior do bulbo do olho, denominada fundo do olho (é na retina que a imagem é formada).

Adentrando o bulbo do olho a partir da córnea, passa-se por um líquido transparente de nome humor aquoso. Logo após fica a pupila, um orifício circular de diâmetro variável, cuja função é graduar a quantidade de luz que penetra no olho. A pupila é a região preta no centro do olho humano. Quando estamos em uma região com uma iluminação fraca, a pupila dilata com o intuito de permitir a entrada de uma maior quantidade de luz. A variação no diâmetro desse oríficio circular é produzida por um conjunto de músculos. Esse conjunto de músculos constitui a íris.

Logo após a íris está a lente, que é uma das principais partes do olho humano, é ela que é responsável por alterar a trajetória dos raios de luz. A lente é composta por um sistema de músculos que conseguem alterar os raios de curvatura dessa lente, alterando a vergência dela, possibilitando enxergar objetos em diferentes distâncias.

O sistema óptico do bulbo do olho conjuga a um determinado objeto uma imagem real e invertida,
projetada no fundo do olho (retina). Essa imagem é transmitida por meio de um impulso nervoso através do nervo ótico até o cérebro, onde ela é decodificada no centro da visão.

Alteração na vergência da lente

Como vimos na aula passada a vergência de uma lente é dada por:

$V=\left(\dfrac{n_2}{n_1}-1\right)\left(\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}\right)$

A equação de uma lente é:

$\dfrac{1}{p}+\dfrac{1}{p'}=V$

Como a imagem é sempre formada na retina, e a distância da lente até a retina é sempre constante, a distância da lente à imagem ($p'$) é constante. Seja: $\dfrac{1}{p'}=C$.

$\rightarrow \dfrac{1}{p}=V-C$

Se a distância de um objeto aumenta, a razão $\dfrac{1}{p}$ diminui, portanto, a vergência deve diminuir, e consequentemente os raios de curvatura devem aumentar.

Se a distância de um objeto diminui, a razão $\dfrac{1}{p}$ aumenta, portanto, a vergência deve aumentar, e consequentemente os raios de curvatura devem diminuir.

Para a visualização nítida de um objeto ele deve atender alguns requisitos de distância máxima e mínima para que haja nitidez. Esse intervalo é chamado de intervalo de acomodação visual.

•  Ponto remoto (PR): É o ponto objeto para o qual a vista conjuga imagem nítida sem nenhum esforço de acomodação. Nesse caso, os músculos ciliares mostram-se relaxados e a lente assume máxima distância focal.
• Ponto próximo (PP): É o ponto objeto para o qual a vista conjuga imagem nítida com máximo esforço de acomodação. Nesse caso, os músculos ciliares  mostram-se contraídos e a lente assume mínima distância focal. A distância do ponto próximo ao olho é denominada distância mínima de visão distinta.

Defeitos visuais e sua correção

1) Miopia

Este defeito consiste em um alongamento do bulbo do olho na direção anteroposterior.

Como o bulbo é alogado para a frente, a vergência do olho é maior do que precisa para objetos distantes. A imagem de um objeto distante é gerada antes de chegar a retina.

A correção é feita mediante o uso de lentes divergentes, que diminuem a vergência do sistema ocular.

Como visto em aulas passadas, a vergência de uma associassão de lentes é:

$V_R=V_1+V_2$

A vergência de uma lente divergente é negativa, portanto, a vergência será menor e a pessoa conseguirá enxergar os objetos distantes.

2) Hipermetropia

Podemos dizer que a hipermetropia é o oposto da miopia. Este defeito consiste em um encurtamento do bulbo do olho na direção anteroposterior. Pessoas hipermétropes tem dificuldade em enxergar objetos próximos. A vergência é menor do que é necessário, e, portanto, a imagem se forma após a retina.

 

A correção é feita mediante o uso de lentes convergentes, que aumentam a vergência do sistema ocular.

A vergência de uma lente divergente é positiva, portanto, a vergência será maior e a pessoa conseguirá enxergar os objetos próximos.

3) Astigmatismo

Este defeito consiste em imperfeições na simetria de revolução do sistema óptico ocular em torno de seu eixo óptico. Em geral, o astigmatismo deve-se a irregularidades na curvatura da córnea, eventualmente abrangendo também as paredes da lente natural do olho. A correção é feita mediante o uso de lentes cilíndricas, que têm o objetivo de compensar a assimetria do sistema óptico ocular.

4) Estrabismo

O estrabismo é um defeito que consiste na incapacidade de dirigir simultaneamente as retas visuais dos dois olhos para o ponto visado.

A correção pode ser feita com o uso de lentes prismáticas, exercícios da musculatura de sustentação do bulbo do olho ou, em casos mais graves, cirurgia.