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Instrumentos ópticos

Física

Os instrumentos ópticos, como microscópios, lunetas e telescópios, utilizam os fenômenos da luz para produzir imagens mais nítidas ou mais ampliadas dos objetos.
Os telescópios são instrumentos ópticos usados para focalizar objetos distantes, ampliando em muitas vezes o seu tamanho.
Os telescópios são instrumentos ópticos usados para focalizar objetos distantes, ampliando em muitas vezes o seu tamanho.
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Instrumentos ópticos são dispositivos capazes de processar a luz de forma a melhorar a formação de imagens, ampliando-as e detalhando-as. A maior parte dos instrumentos ópticos, como as lunetas, telescópios e microscópios, funciona como aplicações diretas dos princípios da óptica geométrica. Confira uma lista com alguns dos mais importantes instrumentos ópticos:

→ Olho humano

→ Câmera fotográfica

→ Óculos

→ Lupa

→ Microscópio

→ Luneta

→ Telescópio

→ Binóculo

A seguir, confira detalhes sobre a utilização e aprenda como funcionam esses importantes instrumentos.

Olho humano

O olho humano é um complexo instrumento óptico.
O olho humano é um complexo instrumento óptico.

O olho humano saudável (emetrope) é um instrumento óptico capaz de projetar imagens diretamente sobre a retina, na qual se localiza o nervo óptico, fornecendo para o nosso cérebro o estímulo luminoso necessário para a formação de imagens. A grosso modo, podemos dizer que o olho humano funciona de maneira similar a uma câmera escura: os raios de luz refletidos pelos objetos ao nosso redor ou provenientes de fontes primárias, como Sol ou iluminação artificial, incidem sobre a córnea e sobre o cristalino, sofrendo múltiplas refrações, cruzando-se e formando uma imagem real e invertida no fundo dos nossos olhos. O cérebro, por sua vez, fica encarregado de interpretar o estímulo percebido pelo nervo óptico e inverter essa imagem.

O olho humano também é capaz de controlar a quantidade de luz captada, por meio da abertura ou fechamento da pupila, assim como fazem as máquinas fotográficas. Além disso, nosso olho também é capaz de mudar sua curvatura para focalizar objetos próximos ou distantes. Quando perdemos essa capacidade, a visão fica comprometida em virtude da perda de elasticidade do cristalino, uma das características da presbiopia ou vista cansada.

Quando não é capaz de fazer com que uma imagem seja formada corretamente sobre a retina, dizemos que o olho apresenta algum tipo de erro de refração.

Veja também: Defeitos da visão humana

Erros de refração

Os erros de refração são defeitos de visão que surgem em virtude de deformações nos formatos dos olhos ou de suas estruturas internas, como o comprimento dos olhos ou a curvatura da córnea. Esses erros podem, na maioria das vezes, ser corrigidos com o uso de lentes ou de óculos. Os erros de refração mais comuns são:

  • Miopia: o olho míope não é capaz de focalizar objetos distantes, a luz cruza-se antes da retina em decorrência do alongamento do globo ocular.

  • Hipermetropia: o olho hipermetrope converge os raios de luz depois do nervo óptico em decorrência de um achatamento do globo ocular, tornando difícil a focalização de objetos próximos.

  • Astigmatismo: o relevo da córnea ou do cristalino pode ser irregular, fazendo com que a luz não seja focalizada de maneira uniforme, produzindo uma visão embaçada.

Veja também: Conheça a diferença entre imagens reais e virtuais

Câmera fotográfica

As câmeras fotográficas utilizam lentes esféricas para formar imagens.
As câmeras fotográficas utilizam lentes esféricas para formar imagens.

Por meio de mecanismos similares àqueles usados pelo olho humano, as câmeras fotográficas projetam a luz sobre um filme ou sobre um sensor fotossensível e, assim, captam e registram a luz de um ambiente. A quantidade de luz que entra nas câmeras fotográfica é determinada pela abertura da lente, que é controlada por um dispositivo chamado diafragma. Quanto maior for sua abertura, mais luz entrará na câmera.

Veja também: Conheça a predecessora da câmera fotográfica

A abertura do diafragma das câmeras funciona exatamente como a pupila do olho humano. Quanto mais aberto estiver o diafragma, menor será a profundidade de campo. Assim, a faixa de distância nítida ficará reduzida, objetos colocados à frente ou atrás de uma certa posição parecerão desfocados. Caso queiramos observar todos os planos com nitidez, será necessário diminuir a abertura do diafragma, aumentando a profundidade de campo.

A abertura das câmeras fotográficas é determinada pela razão entre a distância focal da câmera e um número. Por exemplo: f/2,2 (f – distância focal da lente usada na câmera).

Tão importante quanto o diafragma é a lente: sua curvatura e índice de refração determinam a qualidade das fotografias, a ampliação produzida pelo zoom óptico e, até mesmo, as distâncias máximas e mínimas para focalização de objetos (distância focal).

Veja também: Conheça a equação do fabricante de lentes

Óculos

Óculos são um conjunto de lentes esféricas divergentes ou convergentes, que são ajustadas de acordo com o erro de refração presente no olho.
Óculos são um conjunto de lentes esféricas divergentes ou convergentes, que são ajustadas de acordo com o erro de refração presente no olho.

Os óculos são usados para corrigir defeitos de refração, como miopia, hipermetropia e astigmatismo. Na maior parte dos casos, os óculos utilizam lentes esféricas, côncavas ou convexas para correção desses problemas. Em alguns casos, como no astigmatismo, são utilizados outros tipos de lentes, como as lentes cilíndricas.

Para correção da miopia, utilizam-se lentes divergentes, ou seja, lentes que fazem a luz convergir em uma distância maior, compensando o alongamento do globo ocular. As lentes esféricas divergentes são lentes de formato convexo.

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A correção da hipermetropia, por sua vez, é feita com uso de lentes convergentes, capazes de convergir a luz em distâncias menores para compensar o encurtamento do globo ocular. As lentes esféricas convergentes apresentam formato côncavo.

O “grau” das lentes utilizadas nos óculos mede sua capacidade de refratar a luz. Quanto maior for o grau de uma lente, maior será o desvio sofrido pela luz ao passar por ela. A grandeza física que mede essa capacidade é chamada de dioptria. Quando uma lente tem 2 graus, dizemos que sua dioptria é de 2 di. Caso a lente seja convergente, + 2 di; se divergente, -2 di.

Lupa

As lupas são usadas para ampliar as imagens de objetos próximos.
As lupas são usadas para ampliar as imagens de objetos próximos.

As lupas são lentes esféricas convexas e convergentes feitas com um material de índice de refração maior que o do ar atmosférico. Quando fixas, as lupas podem ser chamadas de microscópios simples.

Quando a luz passa através de uma lupa, os raios de luz são convergidos em um ponto, chamado de foco. Nos casos em que os objetos encontram-se posicionados em uma distância da lupa menor que sua distância focal, sua imagem será aumentada em virtude do desvio sofrido pela luz, provocado por sua refração. Dessa forma, passaremos a ver esse objeto ampliado.

Microscópio

Os microscópios usam lentes convergentes para ampliar a imagem de objetos pequenos.
Os microscópios usam lentes convergentes para ampliar a imagem de objetos pequenos.

Em virtude de sua capacidade de ampliar imagens, os microscópios são usados para observar objetos pequenos. São, geralmente, formados por duas lentes esféricas e convergentes, sendo uma objetiva (próxima ao objeto) e outra ocular (próxima ao olho). As lentes alinhadas funcionam como pequenas lupas, e suas ampliações individuais multiplicam-se: se uma das lentes apresentar um aumento de 3x e a outra apresentar um aumento de 5x, a imagem observada será 15x maior que o objeto.

Luneta

As lunetas usam duas lentes espaçadas entre si para produzir imagens ampliadas de objetos distantes.
As lunetas usam duas lentes espaçadas entre si para produzir imagens ampliadas de objetos distantes.

A luneta é um instrumento óptico simples usado para observar objetos distantes. As lunetas podem ser divididas em lunetas astronômicas e lunetas terrestres, que são usadas, respectivamente, para a observação de astros e de objetos longínquos localizados na superfície da Terra. A diferença entre elas é que a imagem da luneta astronômica é invertida (formada de ponta cabeça).

A montagem das lunetas é similar à dos microscópios: são constituídas por duas lentes, uma ocular e uma objetiva. No entanto, a lente objetiva das lunetas apresenta uma grande distância focal (capaz de focalizar objetos distantes), diferentemente da pequena distância focal das lentes usadas em microscópios.

Telescópio

As imagens produzidas por um telescópio podem ser milhares de vezes maiores que seus objetos.
As imagens produzidas por um telescópio podem ser milhares de vezes maiores que seus objetos.

Os telescópios ou lunetas astronômicas são instrumentos ópticos usados para ampliar imagens de corpos distantes, como outros planetas ou estrelas. Os telescópios ópticos captam a luz visível. No entanto, existem telescópios (radiotelescópios) capazes de captar infravermelho, raios X, ondas de rádio e micro-ondas.

Existem duas categorias de telescópios ópticos: os telescópios refletores e os telescópios refratores. Os telescópios refratores são lunetas com grande, porém limitado, poder de ampliação. Quando são usadas lentes com grande poder de ampliação, um fenômeno chamado de aberração cromática faz com que a luz branca sofra dispersão e passe pelo eixo óptico do telescópio em pontos diferentes.

Os telescópios refletores utilizam diferentes configurações de espelhos esféricos e planos para ampliar as imagens dos astros, eliminando o efeito da aberração cromática. Em sua primeira e mais simples montagem, criada pelo físico inglês Isaac Newton, o telescópio refletor captou os raios de luz provenientes dos astros em um espelho côncavo, refletindo-os, por meio de um espelho plano, em direção aos olhos do observador.

Binóculo

O binóculo é formado por lentes objetivas, oculares e prismas inversores.
O binóculo é formado por lentes objetivas, oculares e prismas inversores.

O binóculo é um instrumento óptico composto de prismas e lentes, que, juntas, são capazes de ampliar as imagens de objetos distantes. Quando a luz passa através da lente objetiva (geralmente uma lente convexa) do binóculo, ela é convergida e incide sobre uma dupla de prismas (geralmente de três faces) alinhados com o feixe de luz. Dessa forma, a luz é totalmente refletida pela face interna dos prismas, seguindo em direção à lente ocular, também convergente.

A luz que entra na lente objetiva do binóculo sofre reflexão total no prisma e é, então, direcionada à lente ocular.
A luz que entra na lente objetiva do binóculo sofre reflexão total no prisma e é, então, direcionada à lente ocular.


Por Me. Rafael Helerbrock

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "Instrumentos ópticos"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/fisica/instrumentos-opticos.htm>. Acesso em 18 de janeiro de 2019.

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