Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Instituto de Física / Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física

Mestrando Patrese Vieira

Porto Alegre, junho de 2013

A Óptica e a

Fotografia Analógica

O Legado de Euclides

Uma das características mais importantes acerca da luz foi atribuída por Euclides (325 a.C. - 265 a.C.), importante matemático da Grécia Clássica.

Conhecido por suas contribuições à Geometria, resolveu utilizá-la na Óptica, resultando na hoje chamada Óptica Geométrica, que basicamente estuda a formação de imagens, principalmente por meio de espelhos e de lentes.

Euclides postulou que a luz se movia em linha reta, assim ela poderia ser representada graficamente dessa forma, posteriormente batizada como raio luminoso.

Devido à criação do conceito de raio luminoso Euclides conseguiu descrever a formação de imagens em espelhos, utilizando para tal uma versão preliminar da Lei da Reflexão, inventada por ele com base em ideias de Aristóteles.

Lei da Reflexão de Euclides: o ângulo de incidência de um raio luminoso é igual ao seu ângulo de reflexão.

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Euclides explicou a reflexão nos espelhos utilizando poucos raios luminosos para isso, chamados de raios luminosos principais. A convenção dos raios luminosos principais simplifica o estudo da formação de imagens, pois poucos raios luminosos são considerados, geralmente dois.

ESPELHO

msdns

Enxergando

o Infinito e Além

As lentes atuais possuem os mais variados formatos e finalidades. É graças a elas que pessoas conseguem enxergar melhor ou ver coisas das quais seriam naturalmente incapazes, por exemplo.

Não se sabe ao certo quando as lentes foram inventadas. De certo modo, é possível dizer que elas “sempre existiram”, pois efeitos de distorção de imagem podem ser contemplados na natureza.

A lente mais antiga conhecida é proveniente da Assíria, região que ocupava grande parte do Oriente médio. Foi chamada Lente de Nimrud devido a cidade onde foi encontrada, tendo sua idade estimada em 3000 anos. Acredita-se que ela era útil como uma lente de aumento ou para atear fogo.

Nessa época ainda não era sabido, ao menos fisicamente, por quais motivos as lentes possuíam esses “poderes”, assim o fato de ampliar imagens e incendiar coisas eram encaradas como uma propriedade intrínseca das lentes.

O fenômeno físico da refração, descrito na Grécia Antiga, foi bastante estudado por Claudius Ptolomeu (85 – 165). Simplificadamente, a refração consiste em um desvio que a luz sofre quando o meio onde está se propagando é alterado.

AR

VIDRO

NORMAL

i

r

Ptolomeu pode aferir que, dependendo do meio onde a refração ocorria, tal desvio poderia ser maior ou menor.

AR

ÁGUA

AR

VIDRO

Ptolomeu atribuiu essa diferença nos desvios a uma propriedade do meio, que foi chamada de índice de refração. Assim, quanto maior fosse o índice de refração, maior seria o desvio observado em relação ao raio incidente.

Hoje sabemos que, na verdade, a refração ocorre devido à mudança da velocidade da luz quando o meio de propagação é alterado. A razão entre a velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz no meio secundário (v) é que define o índice de refração (n) desse meio:

n = c/v

Meio material Índice de Refração

Vácuo 1

Ar 1,0003

Gelo 1,31

Água 1,33

Álcool Etílico 1,36

Vidro 1,50

Sal de Cozinha 1,54

Glicerina 1,47

Diamante 2,42

A refração ocorre com mais facilidade em meios transparente, já que uma quantidade maior da luz atravessa esses materias. Dessa forma, era sabido que a refração explicava por que objetos parecem estar localizados em pontos diferentes quando olhados através de um meio transparente, como uma lente, mas ainda era desconhecido o porquê do aumento.

O motivo do aumento foi apresentado por Alhazen (965 – 1040). Todas as lentes apresentam uma característica em comum: pelo menos uma das faces é curva. É a curvatura da lente que define o aumento ou redução da imagem do objeto.

Alhazen chegou a tal conclusão realizando estudos sobre a estrutura dos olhos. Ele percebeu que o cristalino, espécie de “lente” posicionada atrás da pupila, é o responsável por focalizar a imagem na retina – o fundo dos olhos.

O cristalino possui a habilidade de mudar seu formato, achantando-se ou esticando-se, o que nos permite enxergar com precisão objetos tanto perto quanto distante, porém sua a elasticidade é reduzida com o passar do tempo.

A aliança entre a refração e a curvatura da lente forneceu uma base física para as propriedades das lentes, tornando possível compreender tanto o aumento das imagens quanto a capacidade de queimar alguns materiais.

Existem diferentes tipos de lentes, mas vamos nos deter as lentes esféricas, que possuem esse nome porque sua curvatura coincide com o arco de uma esfera.

LENTE ESFÉRICA

Os diferentes formatos de lentes esféricas podem gerar imagens tanto ampliadas quanto reduzidas.

LENTES CONVERGENTES LENTES DIVERGENTES Menisco

As lentes biconvexas são as mais comuns, empregadas em lupas, câmeras fotográficas, telescópios e microscópios, por exemplo. Isso acontece devido ao bom aumento que proporcionam. É possível conhecer o aumento ou redução que uma lente fornecerá através de um velho conceito: os raios principais.

Primeiro é necessário conhecer algumas características das lentes esféricas. As lentes não fornecem sempre o mesmo caminho para os raios luminosos. Algumas lentes os refratam direcionando-os para um mesmo ponto, o foco, por isso são chamadas de lentes convergentes.

FOCO

Isso explica o motivo pelo qual era possível colocar fogo em determinados materiais utilizando lentes. Por serem convergentes, as mesmas concentravam a luz do Sol que incidia sobre elas no foco. Essa concentração da luz solar aumenta muito a temperatura do ponto onde o foco está posicionado, iniciando a ignição.

FOCO

Já em outras lentes os raios luminosos são refratados como se tivessem sido espalhados a partir do foco, sendo estas as lentes divergentes.

LENTES CONVERGENTES LENTES DIVERGENTES

Um raio luminoso que incide em uma lente convergente, paralelamente ao seu eixo, refrata-se passando pelo primeiro foco.

Um raio luminoso que incide em uma lente

divergente, paralelamente ao seu eixo, refrata-se de tal modo que o seu prolongamento passa pelo primeiro foco.

Um raio luminoso que incide em uma lente

convergente e cuja direção passa pelo segundo foco, emerge da lente paralelamente ao seu eixo.

Um raio luminoso que incide em uma lente divergente, de tal modo que seu prolongamento passe pelo segundo foco, emerge da lente paralelamente ao seu eixo.

F F

F F

F F

F F

As lentes convergentes, como as biconvexas ou as plano-convexas, são amplamente utilizadas em instrumentos ópticos. Por essa razão vamos nos deter somente nestes casos. Dependendo do posicionamento do objeto em relação à lente, pode-se obter diferentes tipos de imagem.

Objeto posicionado antes do foco:

F F

F F

Invertida Reduzida

Real

Invertida Ampliada

Real

Objeto posicionado entre o foco e a lente:

F F

Direita Ampliada

Virtual

Estes esquemas foram importantes na construção dos primeiros instrumentos ópticos, como os óculos, e também para os que utilizam acoplamento de lentes, como binóculos, telescópios e microscópios.

A Escrita da Luz

Tanto pelo uso de lentes convergentes na antiguidade quanto pela câmara escura inventada por Alhazen, uma coisa era sabida: é possível capturar imagens.

Assim, o problema não estava contido em como conseguir uma imagem que tivesse grande fidelidade com a realidade, mas sim em registrá-la para posteridade.

Antigamente, os registros visuais poderiam ser guardados, basicamente, por duas formas artísticas principais: a pintura e a escultura.

Entretanto, tanto a escultura quanto a pintura estão sujeitas à subjetividade do artista, pois são frutos de uma interpretação. Dessa forma, não necessariamente descrevem com exatidão o que está ocorrendo. Essa barreira poderia ser ultrapassada caso houvesse um meio de registrar as imagens produzidas pela luz. E teve.

Quem leva a fama pelo feito é o francês Joseph Nicéphore Niépce (1765 - 1833). Ele obtinha imagens com o uso da câmara escura com lentes acopladas e buscava uma forma de armazená-la.

Niépce tinha conhecimento de que a imagem era formada pela luz, assim precisa encontrar um meio de registrá-la, o que na sua concepção poderia ser feito com algum material sensível à luz.

A ideia de Niépce foi passar betume branco da Judeia sobre uma placa de estanho, posicionada dentro da câmara escura. Esse tipo de betume endurece quando exposto a luz, assim as regiões da placa onde a luz incidia com mais intensidade ficaram com betume fixado, enquanto nas demais ele foi posteriormente removido.

Dessa forma Niépce conseguiu registrar uma imagem formada em uma câmara escura em 1826, precisando de um tempo de exposição de oito horas. Ao processo ele deu o nome de heliografia.

Hoje, a imagem capturada por Niépce é considerada a primeira fotografia da história. Assim, uma foto que hoje levamos frações de segundos para obter já precisou de oito horas para ser batida. Felizmente, a partir de então as técnicas fotográficas passaram por muitos aperfeiçoamentos.

Niépce estava bastante interessado em facilitar o processo da heliografia, assim forma uma sociedade com o também francês Louis Jacques Mandé Daguerre (1787 - 1851), em 1829. A parceria de ambos consistia na procura por novas e mais eficazes formas de se obter heliografias. Porém Niépce morreu logo após, em 1833, deixando seu legado para Daguerre.

Ainda por Niépce, a placa de estanho original já havia sido substituída por uma de prata, mas ele continuava utilizando o betume, o que ainda fazia com que horas fossem necessárias para o registro.

Daguerre, por sua vez, começou a utilizar outros materiais. Constatou que ao sensibilizar uma placa metálica com iodeto de prata obtinha uma imagem mais nítida. O iodeto de prata, assim como outros sais de prata, como visto posteriormente, só permite o registro das imagens devido a interação entre a luz e a matéria, o que é explicado do ponto de vista quântico, embora isso não fosse conhecido na época.

O iodeto de prata era passado sobre a placa, onde minúsculos grãos ficavam aderidos. Quando a luz interage com cada grão, uma reação fotoquímica é iniciada. O que ocorre é que um fóton, ao atingir uma molécula do iodeto de prata, ejeta um elétron, fazendo com que a estrutura da molécula seja desfeita, o que resulta em prata metálica, que registrará a imagem.

O problema desse processo é que, ao retirar a placa da câmara escura, a luz continuava agindo sobre o iodeto de prata, fazendo com que a imagem desaparecesse aos poucos.

A solução encontrada foi mergulhar a placa numa solução com sal de cozinha, o que interrompia o efeito de sensibilização do iodeto de prata e possibilitava a fixação da imagem. Esse processo foi finalizado em 1837, sendo conhecido pelo público somente em 1839, chamado de daguerreótipo.

Ateliê de Daguerre (1837)

Panorama de Paris, registrado por Daguerre (1838)

Eclipse Solar (1851)

O projeto do daguerreótipo foi vendido por Daguerre e pelo herdeiro de Niécpe ao governo da França, que o declarou como domínio público.

Já em 1840, conhecendo o trabalho de Daguerre através da publicação do governo francês, o inglês William Henry Fox Talbot (1800 - 1877) reclama a Royal Society a autenticidade de seu invento, chamado por ele de calótipo.

Em 1835, Talbot utilizou exatamente o mesmo processo de Daguerre, porém substituía a placa metálica por papel sensibilizado com cloreto de prata, simplificando e barateando o processo. Entretanto Talbot obteve um negativo da fotografia, que depois era posto em contato com outro papel, obtendo-se o positivo.

NEGATIVO POSITIVO

Londres (1845)

Fotógrafos registrados por Talbot (1853)

A “invenção” de Talbot apresenta um grande vantagem, pois como o negativo pode ser guardado diversos positivos podem ser feitos. Essa técnica foi amplamente utilizada na fotografia até a obtenção das câmeras digitais, por meio dos filmes fotográficos.

As incertezas pela história da fotografia também passam por aqui. Em 1833, o franco-brasileiro Hércules Florence teria obtido imagens também pelo uso da câmara escura, usando papéis sensibilizados por nitrato de prata.

Infelizmente, Florence não conhecia técnicas de fixação da fotografia. Ele as protegia da luz colocando-as no meio de livros e olhando-as somente à noite, mas assim elas foram se apagando aos poucos, boa parte desaparecendo ao longo do tempo.

Diploma (1839)

Em seu diário, Florence utilizou a palavra photographie (fotografia, ou escrita da luz) para descrever seu feito, cinco anos antes do termo ter sido citado na Europa, por John Herschel, ao conhecer o trabalho de Talbot.

Desde então outros produtos começaram a ser utilizados com o objetivo de obter fotografias com melhores qualidades, além de simplificar o processo, e muito tempo foi empregado nisso. O próximo passo marcante na revolução fotográfica também guarda seus mistérios...

Para Colorir

A fotografia ainda devia algo em relação a outras formas de arte: as cores. Inicialmente todas eram em preto e branco, e mesmo com a alteração em métodos de sensibilização ou revelação da fotografia, o resultado aparecia em duas cores: branco, a cor do papel, e a cor gerada pelo produto químico, sendo preto a mais comum, mas também havia fotografias marrons ou azuis.

A primeira fotografia colorida obtida data de 1861, tomada pelo importante físico James Clerk Maxwell (1831 – 1879) e seu assistente, o fotógrafo Thomas Sutton (1819 – 1875).

Maxwell propôs teoricamente a fotografia colorida em 1855, baseando-se na teoria das cores de Young. Tal teoria defende que nossos olhos possuem estruturas celulares capazes de detectar somente três cores: azul, vermelho e verde. As demais cores que enxergamos são combinações das mesmas.

Essa combinação é possível devido ao fenômeno da difração. Considerando duas fontes luminosas, quando a luz emitida por elas passa por um pequeno orifício, espera-se que haja duas manchas: uma de cada fonte.

Porém, dependendo da distância que estão as fontes e o seu tamanho, as luzes proveniente podem se combinar, fomando apenas uma mancha.

É isso que ocorre quando assitimos televisão ou utilizamos um computador ou celular, por exemplo. A imagem da tela desses aparelhos são formadas por pequenos pontos com apenas três cores: vermelho, verde e azul. Quando passam pela pupila, a abertura que temos no olho, a luz vinda de cada ponto se combina, fazendo com que enxerguemos uma imagem contínua (como uma mancha) e colorida.

Dessa forma Maxwell propôs a utilização de três filtros, feitos de vidros coloridos, cada um com uma das cores primárias. Eram retiradas três fotos separadamente, sempre com um filtro diferente.

Cada foto produzida possuía uma tonalidade diferente de cinza. Elas foram convertidas em slides e cada uma colorida com a cor do filtro com a qual foi tirada. Esses slides foram projetados utilizando lanternas, permitindo assim a visualização da primeira fotografia colorida.

Primeira fotografia colorida (1861)

Outro importante legado para a fotografia colorida foi fornecida pelo francês Louis Ducos du Hauron (1837 - 1920), patenteado em 1868.

Hauron também utilizou a Teoria das Cores, só que ao contrário. Enquanto no processo de Maxwell eram utilizadas cores aditivas primárias, para as luzes, Hauron se valeu das cores secundárias para os pigmentos:

VIOLETA LARANJA VERDE

Ele utilizava filtros dessas três cores para produzir três diferentes tipos de negativos. O positivo obtido para cada filtro era revelado utilizando pigmentos que produziam imagens com sua complementar:

VIOLETA – AMARELO

LARANJA – CIANO (azul)

VERDE – MAGENTA (vermelho) Os negativos eram revelados sobre uma placa trasparente, que sobrepostas produziam uma fotografia colorida, ou todos eram revelados sobre o mesmo positivo.

Vista da cidade francesa de Agen, registrada por Hauron (1877)

A Foto é Pop

Conseguir tirar fotos e vê-las coloridas foi um grande passo para o homem, mas um pequeno passo para a humanidade. A popularização da fotografia era o último passo, algo sempre almejado desde os primeiros esforços de Niépce e Daguerre.

Essa popularização começou em 1887, com a utilização dos filmes fotográficos.

Os filmes são feitos na sua maioria por celuloide, uma espécie de plástico, sensibilizado por uma emulsão fotossensível. Como geram negativos, quando bem guardados podem ser utilizados para a reprodução de diversos positivos.

Já no século XIX, em 1888, começou a comercialização de câmeras fotográficas, por uma grande companhia, ainda existente.

Devido à utilização dos filmes fotográficos e da comercialização das câmeras mais pessoas tiveram acesso à fotografia, incluindo os irmãos Auguste e Louis Lumière, que em 1895 patentearam o cinematógrafo, um projetor que mostra diversas fotografias rapidamente, dando a impressão de movimento.

Também foram os irmãos Lumière que desenvolveram o autochrome, uma forma diferente de fotografia colorida, porém ela necessitava um tempo longo de exposição.

Fotografia registrada por Sergei Mikhailovich Prokudin-Gorskii – Rússia (1915)

Soldado francês na Primeira Guerra Mundial (1917)

Em 1935 foi lançado o kodachrome, que consiste em um filme sensibilizado por três camadas de emulsão, uma sensível a cada cor aditiva primária, gerando assim um negativo que quando revelado produz um positivo colorido. Por gerar imagens em transparências, era bastante útil ao cinema, mas não aos fotógrafos. Acabou substituído pelo kodacolor, que produzia um negativo para revelação do positivo em papel, sendo comercialmente atrativo para o grande público.

Fotografia retirada com kodachrome - Londres (1949)

Desde então outras melhorias foram feitas nas câmeras fotográficas. Seus tamanhos foram reduzidos, lentes mais eficientes foram utilizadas, o flash foi incorporado, os filmes aperfeiçoados. Entretanto, mesmo com essas mudanças, a forma da captação da imagem sempre foi, basicamente, a mesma.

A fotografia nada mais é que a captura da luz, seja por longos períodos ou em um instante de tempo, como fazemos agora. Diversos avanços da Óptica, como a elaboração do conceito de raio luminoso por Euclides, a investigação da refração por Ptolomeu, a construção da câmara escura por Alhazen e o caráter ondulatório da luz por Huygens, que levou à teoria das cores de Young, são exemplos de estudos acerca da natureza e do comportamento da luz foram fundamentais nesse processo.

Talvez limitados pela Física da época, nenhum dos que contribuíram para a evolução da fotografia poderia imaginar o passo definitivo para sua popularização:

a FOTOGRAFIA DIGITAL

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: BASSALO, J.M.F (1986). A Crônica da Ótica Clássica. Caderno Catarinense de Ensino de Física. v. 3, n. 3, p. 138-159, dez. Florianópolis. BASSALO, J.M.F (1989). A Crônica da Ótica Clássica (Parte III: 1801-1905). Caderno Catarinense de Ensino de Física. v. 6, n. 1, 37-58, abr. Florianópolis. HEWITT, P.G. (2009). Fundamentos de Física Conceitual. Bookman. Porto Alegre.

MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. (2009). Física: Volume 2. Scipione. São Paulo.

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CRÉDITOS DAS IMAGENS E ANIMAÇÕES: A seguir estão relacionadas as fontes utilizadas e os slides nos quais foram utilizadas. Autor: slides 04, 06, 21, 23, 37, 39, 41, 43, 44, 53, 81, 82, 88. Iconic Photos: slide 84. Disponível em <http://iconicphotos.wordpress.com /tag/thomas-sutton/>. Acessado em 30 mar 2012. Suren Manvelyan: slide 31. Disponível em <http://paronsuren.1x.com/ gallery/5569>. Acessado em 29 fev 2012. Wikipedia: slides 03, 05, 07, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 18, 19, 22, 24, 27, 28, 29, 32, 34, 35, 38, 40, 47, 49, 50, 51, 55, 57, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 70, 71, 73, 75, 80, 86, 87, 90, 93, 96, 98, 99, 101.