Base geral da terminologia �ptica
1� parte
Organizado por L. Paracampo
Introdu��o:
Este pequeno artigo visa esclarecer e normalizar o conhecimento na terminologia usada na tecnologia e na industria de �ptica instrumental.
O conhecimento desta mat�ria esclarecer� e vira dirimir d�vidas comuns e correntes aos usu�rios de instrumentos �pticos tais como bin�culos, telesc�pios microsc�pios e c�maras de fotografia e cinema.
Este assunto � fruto de uma serie de quest�es que me foram inquiridas ao longo dos anos e o bom conhecimento destas premissas tornara o usu�rio muito mais seguro no saber o que entender e como fazer para obter os resultados desejados.
A metodologia de apresenta��o e desenvolvimento � baseada no mesmo sistema adotado na Universidade Lomonosov para ensino da l�ngua Russa. Voc� vive a ocasi�o e n�o tem interfer�ncia de outra mat�ria. Durante o aprendizado de sua l�ngua natal, e dos conhecimentos comuns adquiridos ao longo de sua vida, voc� se aprimora em aprender, captar e adquirir m�todos pr�prios, at� desenvolver sua pr�pria metodologia em ENSINAR-SE. Este � o m�todo que empregamos.
Receba os conhecimentos sem ir al�m. Siga adiante naturalmente. N�o pule etapas, pois o caminho entre dois pontos sempre tem uma s�rie de pontos intermedi�rios indispens�veis para a realiza��o do caminho com �xito.
Para a perfeita assimila��o e compreens�o das premissas aqui descritas � necess�rio uma certa viv�ncia e familiaridade do leitor para com equipamentos �pticos. Todavia leia, compreenda e confira as figuras que s�o valiosos auxiliares na compreens�o da mat�ria.
O texto est� mais voltado aos usu�rios de c�maras foto de alto n�vel.
E serve tanto para usu�rios como vendedores de lojas visando o perfeito conhecimento do produto em m�os.
Neste setor abordaremos:
Tipos b�sicos de lentes.
A terminologia em �ptica b�sica explicada.
Classifica��o das aberra��es em �ptica.
Par�metros em geral.
Defeitos geom�tricos.
Demonstra��o das aberra��es.
�ndice de refra��o.
Tipos b�sicos de lentes:
1� conceito.
As unidades de lentes s�o chamadas tecnicamente de ELEMENTOS.
As figuras acima demonstram os v�rios tipos de lentes ou elementos de lentes existentes.
Podem ser produzidas nos mais diversos materiais transparentes, nos mais variados di�metros e mais variadas curvaturas.
A linha central das �ticas corresponde ao chamado Eixo �ptico.
Terminologia:
A terminologia aqui desenvolvida n�o est� em ordem alfab�tica, mas em ordem de sensibilidade individual ou de etapas de conhecimento. Ao longo dos anos, e de acordo com as dificuldades dos alunos, organizei uma seq��ncia l�gica de apresenta��o dos termos usados em �ptica que claramente facilitam a assimila��o da mat�ria atrav�s de uma ordem seq�encial de est�gios do aprendizado. Vamos aqui evitar a introdu��o � matem�tica e � f�sica �ptica, mas vamos refor�ar os conceitos b�sicos para posterior compreens�o em qualquer n�vel.
Conceito Fundamental:
O primeiro conceito a se ter em mente � o de LENTE =simples elemento destinado a compor uma unidade �ptica = seja ela uma OBJETIVA, uma OCULAR, ou qualquer grupo �ptico destinado a uma fun��o especifica no instrumento. Estes (Objetiva e ocular) podem ser compostos de um ou mais ELEMENTOS (lentes), conforme demonstrado anteriormente em Tipos B�sicos de Lentes.
O segundo ser� o Eixo �ptico que � o eixo imagin�rio que passa no centro �ptico de todas as lentes de qualquer elemento sistema ou instrumento �ptico.
Defini��o de objetiva-
Sistema �ptico para forma��o de imagem a partir de um objeto. - Onde raios paralelos ingressos formam um ponto. (ponto de foco). Nesta, a imagem dever� sempre ser formada fora do corpo f�sico da objetiva.
Defini��o de ocular-
Sistema �ptico para observa��o de objeto ou da imagem formada. - Onde um ponto egressa em raios paralelos. Nesta, a imagem poder� ser formada dentro ou fora do corpo f�sico da ocular.
Conceito B�sico: Uma objetiva � teoricamente uma ocular em sentido reverso, por�m o contr�rio nem sempre ser� verdadeiro.
Saiba o que s�o objetivas e oculares nos diversos instrumentos e conhe�a os tipos b�sicos destas pelas figuras que vir�o em seguida.
Onde est�o as objetivas e oculares nos diversos instrumentos:
C�mara fotogr�fica tipo reflex
C�mara fotogr�fica de visor e tel�metro
Bin�culo prism�tico Luneta terrestre prism�tica
Teodolito Telesc�pio reflector
microsc�pio Estereosc�pico
Classifica��o das objetivas pela evolu��o no grau de corre��o das aberra��es
Este texto dar� uma ilustra��o geral das dificuldades que os projetistas tiveram at� chegar �s objetivas mais recentes. O acompanhamento desta historinha ilustrativa visa dar uma vis�o geral dos par�metros envolvidos nos c�lculos e desenho de �pticas de qualidade.
As objetivas
fotogr�ficas de acordo com o grau de aberra��es s�o subdivididas nos seguintes
grupos: Acrom�ticas, Apocrom�ticas, Aplan�ticas, e Anastigmaticas.
Recentemente surgiram muitos tipos de objetivas fotogr�ficas que introduziram
v�rios aperfei�oamentos desenvolvidos ao longo dos anos.
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A primeira e mais simples das objetivas consiste em uma lente convergente. Esta lente, contudo pode vir nas mais variadas formas: biconvexa, plano-convexa, c�ncavo-convexa (menisco). Esta objetiva possui todas as defici�ncias de uma lente simples � aberra��es crom�ticas e esf�ricas, distor��o e astigmatismo, Portanto, n�o pode ser tecnicamente aplicada em produtos de certa seriedade, encontram, todavia uso em c�maras e bin�culos de brinquedo. A observa��o por estas lentes requer forte ilumina��o, devido e sua pequena luminosidade, -- da ordem de 1:10. O campo da imagem produzida � tamb�m muito pequeno. A melhor imagem do menisco � obtida com a concavidade para frente e com o diafragma situado � frente da lente. |
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Menisco ou Mon�culo
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Para uma
melhor corre��o da objetiva foi necess�rio aumentar a quantidade de lentes,
ou elementos, isto levou a cria��o das objetivas de dois elementos. |
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Acrom�tica ou Dublet-acrom�tio |
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O melhor arranjo de dupla lente poss�vel. Este � o chamado �Periscope� (do grego ��Vejo em volta�), consiste de dois meniscos sim�tricos a um diafragma central. A KMZ usou esta configura��o na c�mara Yunkor e aqui no Brasil conhecemos a mesma configura��o na antiga Orwolette. Conhecida como �Periscope de Steinheil� |
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Sim�tica ou Duplo-menisco |
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Objetiva concebida para o portrait (retrato), esta � uma conjuga��o dos dois tipos anteriores, ou seja um tipo sim�trico, composto por duas acrom�ticas. Na verdade introduziu-se uma certa assimetria entre os componentes para compensar a distor��o. O astigmatismo e a curvatura e campo contudo n�o est�o corrigidos. |
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Dupla acrom�tica 1� tipo |
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Neste segundo tipo inverteu-se a ordem do grupo traseiro, o que levou a uma corre��o superior. Os dois conjuntos operam em forma reversa O conjunto frontal apresenta uma distor��o em barril, o traseiro apresenta uma distor��o travesseiro (ver adiante) e o sistema se compensa. �Voigtl�nder Portrait� |
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Dupla acrom�tica 2� tipo |
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A cria��o da objetiva dita como �aplanat� tamb�m conhecida como sim�trica de quatro elementos foi um grande avan�o na tecnologia �ptica. Esta objetiva � composta de dois conjuntos id�nticos de elementos negativo e positivo (divergente �convergente). O diafragma situa-se entre os grupos colocando as pupilas de sa�da e de entrada em simetria aos planos do sistema. Este processo propicia as corre��es em conjunto de cromatismo, de aberra��es esf�ricas e distor��es de geometria. Continuam existindo o astigmatismo e a curvatura de campo. Uma boa imagem � obtida contudo com o diafragma fechado. Nas grandes aberturas, n�o se consegue uma imagem n�tida no centro e na periferia da imagem. Este tipo de objetiva pode ser usado sem o conjunto frontal, Neste caso, a focal dobra criando �gratis� uma tele com o diafragma � frente do grupo �ptico traseiro.
configura��o como �ptica de grande focal. Os erros geom�tricos do conjunto frontal s�o revertidos no conjunto traseiro propiciando uma boa corre��o. Quando usado como conjunto simples de grande dist�ncia focal o erro � minimizado por ser apenas aproveitada uma �rea parcial da imagem formada. |
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Dupla acrom�tica 3� tipo ou Aplanat |
A remo��o do astigmatismo e da curvatura da imagem levou a constru��o de
sistemas complexos. A objetiva Anastigmat (�A� prefixo de negativo --
�astigmat� que n�o reproduz corretamente os pontos) veio a trazer uma reprodu��o
praticamente uniforme da imagem dando boa densidade e nitidez em todo o campo da
imagem fotogr�fica. Todas
as
objetivas
modernas
s�o
anastigmats.
Existem
diversos
esquemas
de
constru��o.
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Anastigm�tico sim�trico de seis lentes com dois grupos de lentes coladas. Cada grupo possui tr�s lentes coladas. O diafragma � posicionado entre os grupos. Conhecido como grupo Dagor. |
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Dagor |
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Anastigm�tico sim�trico de quatro lentes constru�do com dois grupos id�nticos e dispostos sim�tricamente em rela��o ao diafragma. Uma lente convergente uma lente divergente, outra divergente e outra convergente todas com espa�o de ar. Conhecido como grupo Celor.
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Anastigmat sim�trico |
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A anastigmat assim�trica de quatro elementos consiste de dois grupos (ou componenentes) O grupo frontal � composto de duas lentes (positiva e negativa) com espa�o de ar enquanto o grupo traseiro � composto de dois elementos colados. O diafragma fica no meio dos dois grupos. Este sistema recebeu grande aceita��o e existem diversas variantes. Este sistema foi tamb�m o desenvolvimento direto da Dupla Acrom�tica do 2� tipo visto anteriormente.
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Anastigmat assim�trico |
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A primeira vers�o (degenerada) da anastigmat assim�trica de quatro elementos (tr�s grupos de lentes) foi o triplet de Cooke que tinha apenas tr�s elementos. |
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Triplet de Cooke |
Par�metros de uma �ptica:
Dist�ncia focal de um conjunto �ptico - objetiva ocular etc.:
� a distancia do centro �ptico ao plano de forma��o de uma imagem situada no infinito. Tamb�m chamado de plano focal.
Nota: � pr�tica usual colocar-se o caminho dos raios de luz (tra�ado dos raios luminosos) da esquerda para a direita, portanto os objetos ficar�o sempre a esquerda e as imagens a direita.
A dist�ncia focal corresponde ao segmento <O-f> ou <O-f>
Os raios paralelos vindos do infinito que s�o representados na figura anterior s�o uma aproxima��o de raios de fato divergentes vindos de um objeto muito distante.
� importante que o leitor entenda que quando vemos um objeto, isto �, ele forma imagem em nossa retina, � porque cada ponto dele reflete ou emite luz que s�o emitidos em diverg�ncia, mas os mais brilhantes (com mais energia) chegam a nossa pupila e s�o convergidos para um ponto �nico na retina. A objetiva promove este comportamento para a c�mara.
No Anexo
1 conhe�a as partes e fun��es de nossos olhos.
Imagem real e imagem virtual:
S�o as imagens formadas pelas lentes convergentes e divergentes respectivamente. A primeira � visualmente detect�vel sobre um plano. A segunda � uma imagem a�rea e s� ser� visualizada atrav�s da pr�pria lente.
Imagens reais s�o as imagens verdadeiras obtidas por converg�ncia. Ela ocorre quando os objetos s�o colocados al�m do ponto da distancia focal de uma lente ou um espelho convergente.
Imagens virtuais s�o formadas por lentes divergentes ou pela coloca��o de um objeto entre o ponto da distancia focal e o corpo f�sico da lente convergente. As imagens virtuais s�o formadas nos locais onde os raios de luz convergem.
Os desenhos acima explicam a disserta��o.
Dioptria de uma lente ou conjunto �ptico:
Corresponde a quantas vezes a dist�ncia focal esta contida em 1 metro �ou � o inverso da dist�ncia focal.
Dioptria de um prisma:
Desvio do raio luminoso proporcionado pelo prisma. Uma dioptria � igual ao desvio de 1cm num alvo a 1 metro de dist�ncia do prisma.
Conjunto �ptico �
� o conjunto que forma uma unidade no sistema �ptico- a objetiva,a ocular o sistema de prismas ou a �ptica inversora.
Sistema �ptico �
� o complexo de unidades que formam um instrumento. De um telesc�pio , bin�culo ou teodolito etc.
Esquema �ptico de uma c�mara tipo reflex.
Ao associarem-se v�rios elementos de lentes , a dioptria resultante � equivalente ao somat�rio das unidades de dioptrias.
Centro �ptico:
� o ponto (Matem�tico) de converg�ncia e cruzamento dos raios luminosos
Corresponde ao ponto �O� na figura de par�metros �pticos.
Pot�ncia:
� uma nomenclatura relativa e de duplo sentido, pois para um telesc�pio e tele objetivas corresponde ao maior valor de distancia focal portanto menos dioptria � Verifique-se grandes dist�ncias. Para uma lupa ou microsc�pio correspondem ao menor valor de distancia focal ou maiores dioptrias correspondente, portanto ao maior aumento a curta dist�ncia.
Portanto, pot�ncia tem como sentido apenas quanto a combina��o de �ptica conseguida para um determinado tipo de instrumento n�o podendo ser comparado a um outro de qualquer outro tipo diferenciado.
Amplia��o de um sistema �ptico:
Para cada determinado instrumento ou combina��o de �ptica, existe um crit�rio espec�fico
Amplia��o de um telesc�pio ou luneta:
Amplia��o de um bin�culo:
Amplia��o de uma lupa:
Amplia��o de um microsc�pio:
Na m�quina Fotogr�fica:
Estes conceitos ser�o detalhadamente explicados na segunda parte da obra.
Pois abordaremos em conjunto �pticas principais e aditamentos �pticos, tamb�m conhecidos como �pticas f�sicas e af�sicas.
Abertura ou Abertura relativa:
Vem a ser a raz�o (fra��o) representada pelo numerador pela dist�ncia focal e com seu denominador pelo di�metro da pupila de sa�da do conjunto �ptico . (em mm)
Pupila de sa�da (ou de entrada):
Abertura real da objetiva ou conjunto �ptico. Este valor depende basicamente da formula da objetiva ; na maioria das vezes corresponde ao circulo da lente frontal, mas h� muitas exce��es. O valor exato ser� o do maior di�metro do diafragma nas �ticas que o possu�rem. O fato de ser de entrada ou de sa�da dependem exclusivamente do uso da �ptica. Se for uma objetiva de observa��o ou tomada de cena ser� de entrada, for se for uma objetiva de proje��o ou uma ocular ser� de sa�da,
Nodo ou ponto nodal:
E o ponto te�rico de cruzamento dos raios luminosos. Existem sempre dois pontos nodais em qualquer conjunto �ptico ou objetiva. Devido � espessura f�sica do conjunto.
A rota��o da objetiva nos pontos nodais n�o altera o posicionamento da imagem. Dependendo da formula��o da �ptica este ponto poder� ser � frente, atr�s ou interno ao conjunto.
Defeitos de geometria:
Os defeitos de Geometria �ptica s�o tamb�m conhecidos como Aberra��es de Seidel
S�o elas:
Aberra��o esf�rica:
Ocorre quando na margem da imagem o foco ocorre � frente ou atr�s do exato foco no centro da imagem.
Coma ou efeito com�tico ou efeito de cometa:
� um caso particular em que pontos fora do eixo �ptico aparecem em forma de cometa na imagem.
Astigmatismo:
� a indesejada propriedade do sistema �ptico ser mais perfeito em uma dire��o do que em outra.
Curvatura de campo:
Corresponde a forma��o de uma imagem n�tida fora de um plano. Ela � formada numa superf�cie curva, portanto incompat�vel com placas ou sensores planos.
Distor��o:
N�o corresponde � nitidez, mas a incapacidade de reproduzir linhas retas na imagem.
Demonstra��es:
Astigmatismo. � O astigmatismo corresponde ao principal defeito e para o qual se procuram corrigir todos os erros de manufatura para que se obtenham �pticas de qualidade.
Existem diversas causas de Astigmatismo.
S�o elas:
Os baseados na estrutura assim�trica:
� Astigmatismo planar - devido ao plano de foco em formato irregular.
� Astigmatismo lenticular - devido a lentes de formato irregular.
Os baseados nos meridianos principais:
� Astigmatismo regular. �erro constante nos meridianos de um eixo.
� Astigmatismo irregular. �erro n�o repetitivo nos meridianos de um mesmo eixo.
Os baseados no foco dos meridianos principais:
� Astigmatismo simples: �erro de uma s� natureza na produ��o da lente.
� Astigmatismo composto: �erro proveniente de duas ou mais causas na produ��o da lente.
� Astigmatismo misto �erro proveniente da interfer�ncia de causas na produ��o da lente.
Exemplo demonstrativo cl�ssico da defici�ncia causada pelo Astigmatismo
efeito de coma
Estigmatismo
Chama-se estigmatismo � propriedade que determinados sistemas �pticos apresentam de fazer concorrer numa imagem pontual os raios provenientes de outro ponto (ou objeto).
O estigmatismo � um caso particular de astigmatismo causado pelas distor��es entre meridianos ortogonais. (Plano meridional-o vertical- e o plano Sagital �o horizontal)
Explica��o gr�fica da forma��o do astigmatismo (estigmatismo)
fig 1: Cruzamento dos raios no Plano Meridional.
fig 2: Cruzamento dos raios no Plano Sagital.
fig 3: Forma��o de uma imagem no ponto de foco do plano Meridional.
-Deveria-se formar apenas um ponto-
fig 4: Forma��o de uma imagem no ponto de foco do plano Sagital.
-Deveria-se formar apenas um ponto-
Fig 5: Ao afastarmos o plano de foco do ponto Meridional, em dire��o ao ponto Sagital vemos a forma��o de uma elipse neste caso horizontal.
Fig 6: Ao continuarmos afastando o plano de foco do ponto Meridional, em dire��o ao ponto Sagital vemos a forma��o de um c�rculo extraordin�rio causado pela conflu�ncia dos dois erros.
fig 7: Em nossa trajet�ria de afastamento do plano de foco do ponto Meridional, em dire��o ao ponto Sagital vemos agora a forma��o de uma elipse neste caso vertical.
fig 8: Nesta vista geral observamos de uma s� vez as diversas figuras que s�o geradas nas diversas posi��es de posicionamento do plano coletor de imagem.
Aqui visualizamos este fen�meno derivado da irregularidade entre os meridianos da �ptica, como se manifestam na imagem real.
d = 0.0mm d = -1.0mm d = +1.0mm
No estigmatismo n�o h� condi��o de se reproduzir um ponto. Ele ser� sempre na melhor condi��o um c�rculo e quando desfocado � frente ou atr�s, reproduzir� uma elipse com eixos alternadamente maiores e menores.
Analogia: Meridianos e Paralelos de uma esfera.
O paralelo ccntral ou Equador � o meridiano horizontal e considerado como plano Radial ou Sagital
A esfera � medida pelos seus meridianos.
Uma esfera perfeita ter� sempre meridianos iguais em qualquer dire��o.
Aberra��o esf�rica
Na aberra��o esf�rica os raios paralelos que incidem nos diversos pontos da superf�cie �ptica n�o convergem no mesmo ponto de foco. Isto causa uma certa confus�o, pois o ponto se transforma num c�rculo. Este � chamado c�rculo de confus�o e � determinante da qualidade final da imagem.
Esta qualidade depender� da Resolu��o e da Defini��o que a �ptica propicia. Estes conceitos ser�o abordados no pr�ximo segmento.
Raios periferais ou perif�ricos s�o os que incidem nas extremidades das lentes raios paraxiais s�o os que est�o pr�ximos ao eixo da lente.
Superf�cies de foco uniforme para imagens tangenciais (T) e sagitais (S).
(P) corresponde a superf�cie de Petzval.
Quando uma objetiva possui coincid�ncia das superf�cies S T e P (em A) sua imagem � boa. Pois h� uma melhora de astigmatismo.
Quando uma objetiva possui planos de foco como as superf�cies S e T (em B) esta � considerada como uma anastigmat.
No Anexo 1, nas conclus�es 1 e 2, V. ver� uma interessante curiosidade.
Curvatura de campo:
Nestas figuras observa-se a perda de qualidade sagital (radial) na terceira imagem com 4.5mm fora da nitidez do ponto central.
Distor��o:
Estas s�o as distor��es geom�tricas .
A imagem correta � chamada de Ortosc�pica e suas distor��es s�o respectivamente a de Barril ou Travesseiro tamb�m chamada de Len�ol-na-corda.
� a incapacidade da objetiva reproduzir fielmente linhas paralelas.
Conceito especial:
�ndice de refra��o:
Neste �ltimo item, prepara��o para o quadro a seguir, diremos que os objetos transparentes n�o fazem com que a luz se comporte igualmente em todos os meios. Isto j� se conhecia desde a mais remota antiguidade quando as pessoas viam sua imagem num espelho d��gua e observavam sua imagem distorcida ao mergulhar.
�ndice de refra��o vem a ser, portanto a medida da capacidade de um meio transparente em modificar o curso dos raios de luz. � medida pela rela��o entre os senos dos �ngulos de incid�ncia entre os dois meios.
Fim da primeira parte > Continua >>
