Visual axis. Cristalline. Optic axis

Óptica Geométrica

OpE - MIB 2007/2008

Faculdade de Engenharia

Óptica Geométrica (2ª aula)

Instrumentos Ópticos O olho humano Os óculos A lupa O microscópio O telescópio A máquina fotográfica O espectrofotômetro

OpE 0708 InstOpt 3

Faculdade de Engenharia

O olho humano

Estrutura do olho humano

Cristalline

Optic axis

Visual axis

Acomodação

A focagem fina ou acomodação do olho é função do cristalino. É o processo no qual este altera a sua forma de modo a focar na retina quer objectos distantes quer objectos próximos.

O ponto aquém do qual a acomodação não é mais possível designa-se por ponto próximo.

O ponto próximo varia consoante a idade do indivíduo: 28 – 40 cm Adulto > 100 cm Idoso (>60 anos) 12 cm Jovem 7 cm Criança

Ponto próximo

Idade

O olho humano

OpE 0708 InstOpt 5

Definições - olho emétrope e olho amétrope

Um olho normal, ou emétrope, é capaz de focar na retina raios paralelos sem necessidade de acomodação; i.e., é um olho cujo foco imagem situa-se na retina.

Este olho dito normal não é muito frequente.

Remoto de um olho não-acomodado é o ponto objecto cuja imagem se forma na retina. Num olho normal, o remoto situa-se no infinito – para efeitos práticos infinito são distâncias > 5m!

Quando o foco imagem não se encontra sobre a retina, o olho diz-se amétrope

Miopia Hipermetropia Astigmatismo

As ametropias podem ser devidas a alterações anómalas do mecanismo de refracção (da córnea, do cristalino, etc), e a alterações no comprimento do globo ocular, com alteração da distância entre o cristalino e a retina.

25% jovens adultos necessitam compensação ocular de ± 0,5 D 65% jovens adultos necessitam compensação ocular de ± 1,0 D

Faculdade de Engenharia

Miopia – lentes negativas (ou divergentes)

O olho humano

Os feixes de raios paralelos convergem num ponto em frente da retina.

A imagem de todos os objectos para além do remoto não se formará com nitidez, embora os objectos próximos sejam vistos claramente.

A compensação da miopia exige lentes adicionais, colocadas antes do olho, de modo a que o foco imagem se forme sobre a retina.

São usadas lentes negativas (ou divergentes).

A compensação ocular afasta ligeiramente o ponto remoto: por isso os míopes tiram os óculos para enfiar agulhas ou ler letras de pequenas dimensões.

OpE 0708 InstOpt 7

Faculdade de Engenharia

Hipermetropia – lentes positivas

O olho humano

O ponto focal imagem de um olho não-acomodado situa-se para além da retina.

O hipermétrope pode e deve acomodar para ver objectos distantes com nitidez, mas esta acomodação não é suficiente para objectos aquém do ponto próximo, que está muito mais afastado do que o normal. A visão não é pois perfeita para objectos ao perto.

A compensação da miopia exige lentes adicionais, colocadas antes do olho, de modo a que o foco imagem se forme sobre a retina.

São usadas lentes positivas (ou convergentes) pois permitem que um olho não-acomodado visualize objectos no infinito.

Faculdade de Engenharia

Astigmatismo – lentes anamórficas

O olho humano

É devido ao formato irregular da córnea ou do cristalino, conduzindo há formação da imagem em vários focos que se encontram em eixos diferenciados.É talvez o defeito mais frequente da visão humana, sendo hereditário.

Todos os objectos – tanto próximos como distantes- ficam distorcidos. Refira-se, como exemplo, a visão nítida das colunas de um tabuleiro de xadrez, enquanto que as linhas ficam desfocadas.

Sistemas ópticos com valores diferentes de MTou de D

segundo dois meridianos principais dizem-se anamórficos.

O sistema pode ser construído com lentes cilíndricas, mas a imagem virá distorcida, por ter sido ampliada segundo uma única direcção. Mas é esta distorção que compensa o

OpE 0708 InstOpt 9 Os óculos são dispositivos ópticos utilizados para compensação

de ametropias e/ou protecção dos olhos. São utilizados na parte superior da face, próximos aos olhos, mas sem entrar em contacto físico com eles; em geral, são constituídos por duas lentes oftálmicas e uma armação.

Em óptica fisiológica, é usual e conveniente utilizar potência dióptrica, D, de uma lente:

1

1

=

f em metros

em m

D

dioptrias

f

⇒

⇒

= →

D

D

Uma simples lente positiva constitui uma lupa (ou microscópio simples): permite obter imagens de objectos próximos com dimensões superiores às das imagens obtidas em condições normais.

A lupa

É desejável que a lupa forme uma imagem ampliada e não invertida, o que sugere que o objecto deve ser colocado entre a lente e o foco objecto.

Ampliação angular MAé a razão entre a

dimensão da imagem na retina quando vista através do instrumento e a dimensão da mesma imagem quando vista pelo olho desarmado. No caso da lupa: 0 np A

x

M

f

θ

θ

=

=

OpE 0708 InstOpt 11 Faculdade de Engenharia

Terminologia

Microscópio

Microscópio composto

Microscópio

O microscópio é um instrumento óptico que permite grandes ampliações angulares (superiores a 30x) para objectos próximos. Na sua forma mais simples é composto por duas lentes, designando-se por microscópio composto.

A lente mais próxima do objecto chama-se objectiva – forma uma imagem real, invertida e aumentada do objecto.

A lente mais próxima do olho do observador, a ocular, é uma simples lupa para ver a imagem formada pela objectiva.

A ampliação lateral da objectiva é:

A ampliação angular da ocular é:

' 0 0

y

L

m

y

f

=

= −

x

M

f

=

x

L

M

m M

f

f

=

= −

OpE 0708 InstOpt 13

Terminologia

Faculdade de Engenharia

Telescópio

O telescópio tem como função primária ampliar a imagem de um objecto longínquo (do grego

teleskopos que significa ver à distância).

Telescópio astronómico de Kepler

Consiste de duas lentes positivas – a objectiva, que forma uma imagem real e invertida, e a ocular, com a função de uma simples lupa para ver essa imagem.

Mostra-se que a potência de ampliação é:

0 0 e e

f

M

f

θ

θ

=

= −

OpE 0708 InstOpt 15

Faculdade de Engenharia

Telescópio

Telescópio astronómico de Galileu

f

< 0

f

> 0

A análise deste telescópio é um exercício para casa!

Faculdade de Engenharia

Telescópio

Telescópio astronómico de Cassegrain

Object

A principal consideração de um telescópio astronómico não é o seu poder de ampliação, mas sim a sua capacidade em colectar potência óptica – tal depende do tamanho da objectiva. Quanto maior a objectiva mais brilhantes as imagens.

É mais fácil construir grandes espelhos do que grandes lentes – apenas a superfície necessita de ser precisa.

Parece, do esquema, que a imagem terá um buraco – tal só acontece se estiver fora-de-foco!

OpE 0708 InstOpt 17

Telescópio astronómico de Cassegrain

Algumas

imagens!

Galaxy Messier 81 Urânio rodeado

pelos seus 4 anéis principais e por 10 das suas 17 luas

NGC 6543-Cat's Eye Nebula - uma das mais complexas nebulosas planetárias jamais observada

Faculdade de Engenharia

Máquina fotográfica

Câmara Reflex - é conveniente que as objectivas devem ter

aberturas relativamente grandes [1/(f/#)]

tempos de exposição reduzidos

- devem formar imagens planas e sem distorção.

- dependendo da aplicação, as objectivas devem ter angulares adequadas (fracção da cena registada na fotografia).

OpE 0708 InstOpt 19

Faculdade de Engenharia

Máquina fotográfica

Lentes fotográficas

As lentes fotográficas são complexas. Especialmente as lentes “zoom”: podem conter até 20 elementos!!

Canon 17-85mm

f/3.5-4.5 zoom

Canon EF 600mm f/4L IS

USM Super Telephoto Lens

17 elements in 13 groups

~ 12 000

Faculdade de Engenharia

Espectrofotômetro

A espectrofotometria é o método de análises óptico mais usado na investigação biológica e físico-química.

O espectrofotômetro é o instrumento que permite comparar a radiação absorvida ou transmitida por uma solução que contém uma quantidade desconhecida de soluto, com uma quantidade conhecida da mesma substância, em função do comprimento de onda.

A precisão dos comprimentos de onda para análise são chamados de bandas de passagem (~ 10 nm). O espectro de análise mais comum é de 360 nm a 1000 nm na zona do visível.

f

f

f

θ ∝ λ−λ