Refração, dispersão e vidros ópticos para lentes fotográficas

Refração

Refração é o fenômeno pelo qual a luz muda de direção quando passa de um meio a outro. Em uma lente fotográfica este é o caso quando a luz passa do ar para o vidro e depois do vidro novamente para o ar. Ocorre também quando passa de um vidro a outro vidro diferente, pois não são todos iguais como veremos abaixo.

A possibilidade de mudar a direção da luz é crucial para qualquer formação de imagem. Isso porque os raios de luz divergem no espaço e então, para se formar imagens, é preciso que a lente os faça convergir novamente, mudando portanto de direção.

A causa física da refração é a mudança na velocidade da luz. A Luz tem sua velocidade máxima no vácuo, menor no ar e ainda menor no vidro. Isto, combinado com a sua natureza de onda, leva a uma mudança de direção na qual ela se propaga.

Na animação acima nós vemos frentes de onda (podemos pensar em fileiras de soldados marchando), descendo da esquerda para a direita. Elas têm uma certa velocidade e direção indicada pela flecha. Assim que chegam à segunda metade da nossa janela de observação a velocidade diminui (podemos pensar que os soldados entraram em um pântano ou algo assim). Isso poderia ser uma onda de luz passando do ar para o vidro. O número de fileiras entrando da esquerda é igual ao número de fileiras saindo pela direita (ondas, como soldados, não somem). Então, como consequência da velocidade mais baixa nós temos o efeito de que as frentes de onda ficam mais compactas (o comprimento de onda diminui) e ocorre uma mudança de direção pois partes da mesma frente de onda diminuem velocidade antes de outras, não ao mesmo tempo.

Se a direção dos raios fosse perpendicular à borda entre as duas zonas de velocidades diferentes, então não haveria mudança de direção. Este é o caso quando a luz atinge o vidro perpendicularmente.

O tanto que a luz entorta a direção depende de quanto a velocidade cai e do ângulo de incidência. A velocidade muda dependendo do meio no qual ela se propaga. Cada material transparente tem um Índice de Refração, quanto mais a velocidade diminui, maior é o índice de refração.

Quando a luz passa obliquamente de ar para vidro (alta para baixa velocidade) o raio de luz se aproxima da perpendicular ao ponto de incidência.

Quando a luz passa obliquamente de vidro para ar (baixa para alta velocidade) o raio de luz se afasta da perpendicular ao ponto de incidência.

Dispersão

Dispersão é o fenômeno pelo qual o índice de refração é diferente para diferentes cores (comprimentos de onda). Isso produz o efeito de que um feixo de luz branca, depois de refratar no vidro, “se dispersa” em diferentes direções mostrando as cores do arco-iris. Isso é o que se observa em um prisma.

Índices de dispersão e de refração são características do vidro e variam de um para outro. Então eles precisam ser selecionados de acordo com as finalidade e usos. Alto índice de refração e dispersão são desejáveis para prismas, quando a separação das cores é desejável. Em lentes, alta dispersão dificulta a correção cromática, este é o efeito da lente não ser capaz de focar todas as cores no mesmo plano focal. Algumas cores focam perto e outras mais longe da lente. A figura abaixo ilustra este efeito.

Nós podemos pensar uma lente como uma composição de infinitos micro-prismas arranjados para dar, por exemplo, uma forma bi-convexa. Então o mesmo efeito de separação de cores que se produz no prisma acontece também com a lente para cada feixe de luz branca atingindo cada porção da lente. O resultado é um foco indefinido. Isto é a aberração cromática.

Todos os vidros tem um certo índice de refração e de dispersão. O que os projetistas de lentes fazem é combinar vidros e formas diferentes com o objetivo de preservar o poder de convergencia, para formar imagens, enquanto produzem uma lente que trabalha como se a dispersão não existisse, uma lente acromática

Vidro óptico

Vidro é basicamente dióxido de silício SiO2, sendo silício um dos elementos mais comuns na Terra e no Universo. O vidro é muito conhecido desde tempos imemoriais em muitas culturas. Mas o vidro óptico é um desenvolvimento que começou apenas no século XVIII. Os primeiros problemas foram como produzir um vidro sem bolhas ou estrias, limpo e puro. O segundo foi como controlar as suas qualidade ópticas, sendo que índices de refração e dispersão eram as variáveis mais importantes. Também estabilidade química, resistência a intempéries, abrasão e facilidade de manufatura foram obviamente considerados.

O que muda de um vidro óptico a outro é a adição de pequenas quantidades de substâncias como chumbo, zircônio, titânio, lantânio e bário, entre outras, geralmente na forma de óxidos. Com estes ingredientes, os fabricantes de vidros ópticos podem oferecer uma variedade indo de baixos índices de refração e dispersão, geralmente nomeados Vidros Crown até altos índices de refração e dispersão, conhecidos como Vidros Flint.

O progresso no desenho de lentes tem sido sempre dependente da disponibilidade de vidros para os designers trabalharem. Por exemplo, a famosa solução dada por Paul Rudolph ao desenhar as primeiras lentes anastigmáticas de grande abertura em 1890, foi possível apenas por causa de um novo crown de bário desenvolvido em Jena na Alemanha.

Amostras de vidro óptico – Optik Industrie Museum – Rathenow, Germany.

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