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Faculdade de Engenharia Óptica Geométrica OpE - MIB 2007/2008 OpE 0708 InstOpt 2 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

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Faculdade de Engenharia

Óptica Geométrica

OpE - MIB 2007/2008

OpE 0708InstOpt 2

Faculdade de EngenhariaÓptica Geométrica (2ª aula)

Instrumentos Ópticos

O olho humano

Os óculos

A lupa

O microscópio

O telescópio

A máquina fotográfica

O espectrofotômetro

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Faculdade de EngenhariaO olho humano

Estrutura do olho humano

Cristalline

Optic axis

Visual axis

Fluid

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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 maispossível designa-se por ponto próximo.

O ponto próximo varia consoante a idade do indivíduo:

28 – 40 cmAdulto

> 100 cmIdoso (>60 anos)

12 cmJovem

7 cmCriança

Ponto próximoIdade

O olho humano

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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!

O olho humano

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

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 D65% jovens adultos necessitam compensação ocular de ± 1,0 D

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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.

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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) poispermitem que um olho não-acomodado visualize objectosno infinito.

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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 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.

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Faculdade de Engenharia

Os óculos são dispositivos ópticos utilizados para compensação

de ametropias e/ou protecção dos olhos. São utilizados na partesuperior da face, próximos aos olhos, mas sem entrar em

contacto físico com eles; em geral, são constituídos por duaslentes oftálmicas e uma armação.

Óculos

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

11= Df em metros em m dioptrias

f−⇒ ⇒ = →D D

Exemplo:

Lente convergente:distância focal 1 m ⇒ +1 D

Lente divergente:distância focal -2 m ⇒ -1/2 D

OpE 0708InstOpt 10

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.

A lupa

É desejável que a lupa forme uma imagemampliada e não invertida, o que sugere que

o objecto deve ser colocado entre a lentee o foco objecto.

Ampliação angular MA é a razão entre a

dimensão da imagem na retina quando vistaatravés do instrumento e a dimensão da

mesma imagem quando vista pelo olhodesarmado.

No caso da lupa:

0

npA

xM

fθθ

= =

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Faculdade de Engenharia

Terminologia

Microscópio

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Faculdade de Engenharia

Microscópio composto

Microscópio

O microscópio é um instrumento óptico que permite grandes ampliações angulares (superioresa 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-seobjectiva – 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 imagemformada pela objectiva.

A ampliação lateral da objectiva é:

A ampliação angular da ocular é:

'

00

y Lm

y f= = −

0np

e

xM

f=

0 00

np

e

xLM m M

f f= = −

Poder de ampliação do microscópio

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Faculdade de Engenharia

Terminologia

Telescópio

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Faculdade de EngenhariaTelescópio

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

fM

fθθ

= = −f0 grande

fe pequenaM elevado!

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Faculdade de EngenhariaTelescópio

Telescópio astronómico de Galileu

f1 < 0 f2 > 0

A análise deste telescópio é um exercício para casa!

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Faculdade de EngenhariaTelescópio

Telescópio astronómico de Cassegrain

Object

A principal consideração de um telescópio astronómico não é o seu poder de ampliação, mas sima 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 seestiver fora-de-foco!

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Faculdade de EngenhariaTelescópio

Telescópio astronómico de Cassegrain

Algumas bonitas imagens!

Galaxy Messier 81Urânio rodeadopelos seus 4 anéisprincipais e por 10 das suas 17 luas

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

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Faculdade de EngenhariaMáquina fotográfica

Câmara Reflex

- é conveniente que as objectivas devem teraberturas relativamente grandes [1/(f/#)]

tempos de exposição reduzidos

- devem formar imagens planas e semdistorção.

- dependendo da aplicação, as objectivas

devem ter angulares adequadas (fracção dacena registada na fotografia).

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Faculdade de EngenhariaMáquina 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 Lens17 elements in 13 groups~ 12 000 USD

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Faculdade de EngenhariaEspectrofotômetro

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

O espectrofotômetro é o instrumento que permite comparar

a radiação absorvida ou transmitida por uma solução quecontém uma quantidade desconhecida de soluto, com uma

quantidade conhecida da mesma substância, em função docomprimento de onda.

A precisão dos comprimentos de onda para análise sãochamados de bandas de passagem (~ 10 nm). O espectro

de análise mais comum é de 360 nm a 1000 nm na zonado visível.

f

f

Entrance slit

Diffraction grating

ff

Camera

θ ∝ λ−λ0