Óptica Geométrica
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Faculdade de Engenharia Óptica Geométrica OpE - MIB 2007/2008 Óptica Geométrica (2ª aula) Faculdade de Engenharia Instrumentos Ópticos O olho humano Os óculos A lupa O microscópio O telescópio A máquina fotográfica O espectrofotômetro OpE 0708 InstOpt 2 1 O olho humano Faculdade de Engenharia Estrutura do olho humano Visual axis Cristalline Optic axis Fluid OpE 0708 InstOpt 3 O olho humano Faculdade de Engenharia 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: Idade Ponto próximo Criança 7 cm Jovem 12 cm Adulto 28 – 40 cm Idoso (>60 anos) > 100 cm OpE 0708 InstOpt 4 2 O olho humano Faculdade de Engenharia 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! Miopia Quando o foco imagem não se encontra sobre a retina, o olho diz-se amétrope 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 OpE 0708 InstOpt 5 O olho humano Faculdade de Engenharia Miopia – lentes negativas (ou divergentes) 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 6 3 O olho humano Faculdade de Engenharia Hipermetropia – lentes positivas 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. OpE 0708 InstOpt 7 O olho humano Faculdade de Engenharia Astigmatismo – lentes anamórficas 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 MT ou 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 astigmatismo. OpE 0708 InstOpt 8 4 Óculos Faculdade de Engenharia 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: D= 1 ⇒ f em metros ⇒ D em m −1 = D → dioptrias f Exemplo: Lente convergente: distância focal 1 m ⇒ +1 D Lente divergente: distância focal -2 m ⇒ -1/2 D OpE 0708 InstOpt 9 A lupa Faculdade de Engenharia 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. 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 MA é 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: MA = x θ = np θ0 f OpE 0708 InstOpt 10 5 Microscópio Faculdade de Engenharia Terminologia OpE 0708 InstOpt 11 Microscópio Faculdade de Engenharia Microscópio composto 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: m0 = y' L =− y f0 M0 = xnp A ampliação angular da ocular é: fe M = m0 M 0 = − L xnp f0 fe Poder de ampliação do microscópio OpE 0708 InstOpt 12 6 Telescópio Faculdade de Engenharia Terminologia OpE 0708 InstOpt 13 Telescópio Faculdade de Engenharia 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: M= θe f =− 0 θ0 fe f0 grande M elevado! fe pequena OpE 0708 InstOpt 14 7 Telescópio Faculdade de Engenharia Telescópio astronómico de Galileu f1 < 0 f2 > 0 A análise deste telescópio é um exercício para casa! OpE 0708 InstOpt 15 Telescópio Faculdade de Engenharia Telescópio astronómico de Cassegrain 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. Object Parece, do esquema, que a imagem terá um buraco – tal só acontece se estiver fora-de-foco! OpE 0708 InstOpt 16 8 Telescópio Faculdade de Engenharia Telescópio astronómico de Cassegrain Algumas bonitas 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 OpE 0708 InstOpt 17 Máquina fotográfica Faculdade de Engenharia - 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). Câmara Reflex OpE 0708 InstOpt 18 9 Máquina fotográfica Faculdade de Engenharia 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 USD OpE 0708 InstOpt 19 Espectrofotômetro Faculdade de Engenharia 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 Camera de análise mais comum é de 360 nm a 1000 nm na zona do visível. f f Entrance slit θ ∝ λ−λ0 f Diffraction grating f OpE 0708 InstOpt 20 10
