04-BIÓPTICA

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BIÓPTICA
PROFa. NUBIA MAIA
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COMO E PORQUÊ VOCE VÊ????
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ÓPTICA
A óptica é um ramo da Física que estuda a luz ou, mais amplamente, a radiação electromagnética, visível ou não 
Geralmente, a disciplina estuda fenômenos envolvendo a luz visível, infravermelha, e ultravioleta; 
entretanto, uma vez que a luz é uma onda electromagnética, fenômenos análogos acontecem com os raios X, microondas, ondas de rádio, e outras formas de radiação electromagnética. A óptica, nesse caso, pode se enquadrar como uma subdisciplina do electromagnetismo. 
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Segundo o modelo para a luz utilizada, distingue-se entre os seguintes ramos, por ordem crescente de precisão (cada ramo utiliza um modelo simplificado do empregado pela seguinte):
Óptica geométrica: Trata a luz como um conjunto de raios. Utiliza-se no estudo da transmissão da luz por meios homogêneos (lentes, espelhos), a reflexão e a refração. 
Óptica ondulatória: Considera a luz como uma onda plana, tendo em conta sua freqüência e longitude de onda. Utiliza-se para o estudo da difração e interferência. 
Óptica eletromagnética: Considera a luz como uma onda eletromagnética, explicando assim a reflexão e transmissão, e os fenômenos de polarização e anisotrópicos. 
Óptica quântica ou óptica física: Estudo quântico da interação entre as ondas eletromagnéticas e a matéria, no que a dualidade onda-corpúsculo joga um papel crucial. 
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Amplitude: intensidade luminosa 
Comprimento: período da onda (nm) 
Freqüência: no. de vibrações/tempo
LUZ VISÍVEL: 400 a 700nm (10-9 m)
Onda de energia que tem freqüência, comprimento e amplitude
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FONTES DE LUZ
Todos os corpos que emitem luz são chamados fontes de luz. Podemos distinguir dois tipos:
Fontes primárias ou corpos luminosos são as fontes que possui luz própria. Exemplos: O Sol, as estrelas, uma lâmpada acesa, etc.
Fontes secundárias ou corpos iluminados são as fontes que não têm luz própria. Exemplos: a Lua, o livro, sua roupa, uma caneta, uma parede, etc.
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Tipos de Luz
Quanto ao tipo, classificamos a luz emitida pelas fontes em:
 
Luz monocromática ou simples é a luz de uma única cor, como a luz monocromática amarela emitida pelo vapor de sódio, nas lâmpadas.
Luz policromática ou luz composta é a luz resultante da mistura de duas ou mais cores, como a luz branca do Sol ou a luz emitida pelo filamento incandescente da lâmpada comum.
A luz branca emitida pelo Sol, é uma luz policromática constituída por um número infinito de cores, as quais podem ser divididas em sete cores principais (as cores do arco íris) : vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta.
 
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VELOCIDADE DA LUZ
Para qualquer que seja o tipo de luz, verifica-se que sua velocidade de propagação no vácuo é constante e, aproximadamente, igual a 300.000 km/s. Mas nos meios materiais a velocidade da luz assume valores diferentes, sempre menores que 300.000 km/s, e em qualquer meio decresce no sentido da luz vermelha para a violeta
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RAIO DE LUZ
Linha orientada que representa a trajetória seguida pela luz.
 
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FEIXE LUMINOSO OU PINCEL DE LUZ
É um conjunto de raios luminosos. Existem três tipos de feixes ( pincel ) luminosos.
 
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MEIOS ÓPTICOS
Meio Transparente é aquele meio que permite a propagação regular da luz possibilitando a formação de uma imagem nítida dos objetos. Exemplos: ar, vidro, papel celofane, etc.
Meio Translúcido é o meio que permite a propagação irregular da luz e observador não vê o objeto com nitidez através do meio. Exemplos: vidro fosco, papel vegetal, tecido fino, etc.
Meio Opaco é o meio que não permite a propagação da luz. Exemplos: parede, madeira, tijolo, etc.
 
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FENÔMENOS ÓPTICOS
Efeito de polarização
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REFLEXÃO
REFRAÇÃO 
ABSORÇÃO
FENÔMENOS ÓPTICOS
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FENÔMENOS ÓPTICOS
 
Reflexão regular: a luz incidente em S volta ao mesmo meio, regularmente. Ocorre quando S é uma superfície metálica bem polida ( espelhos ).
 
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Reflexão regular
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Reflexão irregular ou Difusão: a luz incidente em S volta ao mesmo meio, irregularmente. Ocorre quando S é uma superfície rugosa.
 
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Refração: a luz incidente atravessa S e continua a se propagar no outro meio. Ocorre quando S separa dois meios transparentes (ar e água, água e vidro, etc.)
 
Índice de refração do meio= velocidade da luz no vácuo
 velocidade da luz no meio
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Refração
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Absorção: a luz incidente em S não se reflete e nem se refrata. A luz, que é uma forma de energia radiante, é absorvida em S, aquecendo-a. Ocorre, por exemplo, nos corpos de superfície preta ( corpos negros ).
 
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PRINCÍPIOS DA ÓPTICA GEOMÉTRICA
Nossos estudos sobre a óptica é feito basicamente através do conceito do raio de luz e princípios da propagação geométrica. 
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"Nos meios transparentes e homogêneos a luz se propaga em linha reta."
Exemplo: A formação de sombras e penumbras.
 
 
Princípio da propagação retilínea da luz
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Princípio da independência dos raios luminosos
"Se dois ou mais raios de luz, vindos de fontes diferentes, se cruzam, eles seguem suas trajetórias de forma independente, como se os outros não existissem."
Exemplo: O uso simultâneo de vários refletores durante um show.
 
 
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Princípio da reversibilidade dos raios de luz
"Se um raio de luz se propaga em uma direção e em sentido arbitrários, outro poderá propagar-se na mesma direção e em sentido oposto."
Exemplo: É o que observamos quando olhamos pelo espelho de um retrovisor e percebemos que alguém nos observa através dele."
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Cores do espectro visível 
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A cor é uma percepção visual provocada pela ação de um feixe de fótons sobre células especializadas da retina, que transmitem através de informação pré-processada no nervo óptico, impressões para o sistema nervoso.
A cor de um material é determinada pelas médias de frequência dos pacotes de onda que as suas moléculas constituintes refletem. Um objeto terá determinada cor se não absorver justamente os raios correspondentes à freqüência daquela cor.
Assim, um objeto é vermelho se absorve preferencialmente as frequências fora do vermelho.
A cor é relacionada com os diferentes comprimento de onda do espectro eletromagnético. São percebidas pelas pessoas, em faixa específica (zona do visível), e por alguns animais através dos órgaos de visão, como uma sensação que nos permite diferenciar os objetos do espaço com maior precisão.
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A COR DOS OBJETOS
A cor apresentada por um corpo, ao ser iluminado, depende do tipo de luz que ele reflete difusamente. Um observador vê cada corpo com uma determinada cor, da seguinte maneira: se a luz incidente no corpo é branca ( composta de todas as cores ) e o corpo absorve toda a gama de cores, refletindo apenas a azul, o corpo é de cor azul.
Então, o corpo branco é aquele que reflete difusamente toda a luz branca incidente e o corpo negro é aquele que absorve todas as cores, não refletindo difusamente nenhuma cor 
 
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Índice de Refração
A refração ocorre quando um feixe luminoso incide sobre um meio material transparente e sofre um desvio. Considerando-se um meio transparente, como o vidro, a luz ao incidir sobre o vidro sofre uma diminuição da sua velocidade de propagação, quando comparada com a velocidade de propagação do feixe luminoso no ar. 
Vidro
Ar
Feixes luminosos
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Índice de Refração
n = 
 vAr
 vVidro
Índice de refração do vidro
Uma forma de quantificar a refração de um meio material é por meio do índice de refração. O índice de refração é determinado pela divisão da velocidade de propagação da luz no ar (vAr), pela velocidade da luz no vidro (vVidro), conforme a equação abaixo. 
Quanto maior a redução da velocidade de propagação da luz, ao entrar no vidro, maior será seu índice de refração. O índice de refração pode ser usado
para caracterizar qualquer sistema óptico, tais como, lentes, instrumentos ópticos e o olho. 
Velocidade de propagação da luz no vidro
Velocidade de propagação da luz no ar
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Índice de Refração
n = = = 1,5 
 vAr
 vVidro
Se a velocidade de propagação da luz no vidro passa para 200.000 km/s, temos que o índice de refração do vidro (n) é de 1,5, como mostrado abaixo. 
Observe que o índice de refração é uma grandeza física adimensional.
300.000 km/s
200.000 km/s
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Lente Convexa
A lente convexa focaliza os feixes luminosos de uma fonte distante, do lado esquerdo da figura, focalizando-o para um ponto, no outro lado da lente. Esse ponto é chamado de foco, e a distância da lente até o foco de distância focal.
foco
Lente convexa
Feixes luminosos
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Lente Côncava
A lente côncava diverge os feixes luminosos de uma fonte distante. 
Lente côncava
Feixes luminosos
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Poder de Refração
Podemos medir o poder de refração de uma lente a partir do conceito de dioptria. 
Definimos dioptria como a razão entre 1 metro e a distância focal da lente, assim uma lente com distância focal de 1 metro apresenta poder de refração de 1 dioptria, se a distância focal for de 0,5 m o poder de refração é de 2 dioptrias, com uma distância focal de 10 cm temos 10 dioptrias.
Portanto, Dioptria é o inverso da distância focal medida em metros.
1m
f
D = 1
 f em metros
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Formação de Imagem
O
Eixo Óptico
F2
F1
P
f1
f2
i
Figura A. Formação de Imagem – Objeto no infinito.
O objeto está tão longe da lente, que os raios que chegam à lente são paralelos entre si .Nesse caso, todos os raios refratados pela lente, passam pelo foco. A imagem se forma no plano focal, pequena e invertida.
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Raios principais para lentes convergentes
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Raios principais para lentes convergentes
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Construção Gráfica de Imagens:
Lentes Convergentes:
 Objeto antes de AO :
Imagem
Natureza: Real 
Posição: Entre FI e AI
Tamanho: Menor 
Orientação: Invertida 
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 Objeto em AO :
Imagem
Natureza: Real 
Posição: Em AI
Tamanho: Igual 
Orientação: Invertida 
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Objeto entre AO e FO :
Imagem
Natureza: Real 
Posição: Depois de AI
Tamanho: Maior 
Orientação: Invertida 
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Objeto em FO :
Natureza: Imprópria 
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Objeto entre FO e O:
Imagem
Natureza: Virtual 
Posição: Atrás do Objeto
Tamanho: Maior 
Orientação: Direita 
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Raios principais para lentes divergentes
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Raios principais para lentes divergentes
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Lentes Divergentes:
Imagem
Natureza: Virtual 
Posição: Entre FI e O
Tamanho: Menor 
Orientação: Direita 
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RECURSOS ÓPTICOS
Microscópio
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Luneta astronômica
RECURSOS ÓPTICOS
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Humor aquoso
Disco óptico
Fóvea
Retina
Músculo ciliar
Câmara posterior
Nervo óptico e vasos retinais
Córnea
Pupila
Breve Anatomia do Olho
Cristalino
Humor vítreo
Íris
Zônula
Esclera
Coróide
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Breve Anatomia do Olho
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Principais Elementos do Olho Humano
O bulbo ocular apresenta três túnicas concêntricas:
a) túnica fibrosa, a mais externa;
b) túnica vascular, média;
c) túnica interna = a retina, onde se localizam os fotorreceptores.
O Bulbo Ocular
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Túnica Fibrosa
Compreende a esclera e a córnea.
A córnea é a parte anterior do olho, uma camada curva, transparente, responsável por 2/3 da focalização da luz na retina, e funciona como meio dióptrico, isto é, como meio de refração para os raios luminosos. 
A esclera é a parte opaca, posterior, tendo uma coloração esbranquiçada e servindo como meio de proteção e para inserção de tendões dos músculos motores do olho.
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Túnica Vascular
Compreende três partes: coróide, corpo ciliar e íris. 
A coróide é posterior, marrom, e forra a maior parte da esclera.
O corpo ciliar é um espessamento da túnica vascular e une a coróide com a íris.
A íris é um diafragma circular, pigmentado, apresentando uma abertura central, a pupila.
A lente (cristalino) está presa ao corpo ciliar. 
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Túnica Interna = Retina
A porção receptora (fundo do olho) da retina contém células especiais, fotorreceptoras, os cones e os bastonetes.
Cones: são sensíveis às cores primárias (azul, verde, vermelho). São responsáveis pela visão detalhada à luz do dia. 
Bastonetes: funcionam mais eficiente que os cones quando se está sob luz fraca, são pouco sensíveis às cores.
Os impulsos luminosos captados na retina, onde ocorre a conversão da imagem luminosa em impulsos elétricos nervosos são levados ao cérebro pelo nervo óptico. 
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Formação de Imagem no Olho
Podemos fazer uma analogia de uma câmara fotográfica com o olho. Em ambos, temos um sistema de lente, que foca a imagem de um objeto sobre uma região específica, no caso dos olhos, a retina, na câmara, o filme. 
Como na câmara, a imagem no olho forma-se invertida, o cérebro corrige e interpreta a informação como se a imagem estivesse na posição original.
cristalino
olho
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MÀQUINA
Distância focal variável: Lentes móveis
Íris: diâmetro regulável
 
O OLHO É UMA CAMERA SUPER-AUTOMÁTICA
OLHO
Procura e focaliza o objeto de interesse por meio de movimentos oculares precisos e complexos.
Revela e transmite a imagem praticamente em tempo real
Filme de sensibilidade variável 
Visão tridimensional
Sistema de lentes 
Córnea (42 D; fixa)
Cristalino (12 D; curvatura variável)
Controle da quantidade de luz
Pupila de diâmetro regulável 
(miose e midriase)
Sistema autolimpante de transparência
Poder focal= (nr-ni)/R
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Olho Humano
Está localizado na órbita e funciona como uma máquina fotográfica, isto é, dotado de um sistema de lentes que fazem convergir os raios luminosos para os fotoreceptores, um sistema de diafragma variável e uma retina que corresponde a um filme a cores.
O olho tem características especiais, muitas das quais inexistentes mesmo nas câmaras fotográficas mais sofisticadas :
um sistema automático de focalização que permite ver, por exemplo, objetos a 25 cm e logo a seguir outros a grande distâncias;
a íris, que corresponde ao diafragma, controla automaticamente a quantidade de luz que entra no olho;
eficiência de operação para ver tanto em ambientes com muita luz como em outros pouco iluminados;
visão angular muito grande: horizontal: 90º na direção da têmpora e 50º na direção do nariz ; e vertical 50º para cima e 65º para baixo, a partir do ponto central do olho;
a imagem de um objeto formado na retina é invertida. 
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Humor aquoso (n=1,33)
Disco óptico
Fóvea
Retina
Músculo ciliar
Câmara posterior
Nervo óptico e vasos retinais
Córnea (n=1,38)
Pupila
Índice de Refração do Olho
Cristalino
(n=1,40)
Humor vítreo (n=1,34)
Íris
Zônula
Ar (n=1,0)
Esclerótica
Coróide
Poder focal= (nr-ni)/R
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O Caminho da Luz
Os raios luminosos incidentes na superfície externa da córnea são refratados devido a sua curvatura e à diferença entre o seu índice de refração (1,38) e o do ar (1,00).
Atrás da córnea existe um fluido claro, praticamente incolor, chamado humor aquoso (1,33).
A seguir vem a íris, um diafragma que controla o tamanho da abertura da pupila, por onde entra a luz.
Depois de ter atravessado a córnea, o humor aquoso e a pupila, a luz encontra o cristalino (1,40), funcionando como lente, responsável por praticamente o terço restante da focalização da luz na retina.
Na seqüência, o raio luminoso atinge o humor vítreo (1,34), uma substância clara e gelatinosa que preenche todo o espaço entre o cristalino e a retina. Como seu índice de refração é próximo ao do cristalino, ele mantém os raios luminosos no curso estabelecido pela lente.
Finalmente, o raio luminoso chega à retina.
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Sistema óptico – olho humano
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Miopia e Hipermetropia
B) Miopia
C) Hipermetropia
A) Emetropia
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HIPERMETROPIA
Olho pequeno ou cristalino achatado, a imagem se forma depois da retina
A formação da imagem depende:
 Forma do globo
ocular
 Forma das lentes
MIOPIA
Olho alongado ou cristalino arredondado, a imagem se forma antes da retina
lentes divergentes 
lentes convergentes
O míope não enxerga bem os objetos distantes 
O hipermétrope não enxerga bem os objetos próximos
Sense Web
http://vision.psy.mq.edu.au/%7Epeterw/corella/315/sensesweb/L1Eye/L1Eye.swf
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A correção da miopia se faz com a colocação de lentes côncavas, que leva a imagem a se formar mais longe. Com o poder de refração adequado, a imagem se formará sobre a retina. 
Correção da Miopia
Miopia
Visão normal
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Correção da Miopia
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A correção da hipermetropia se faz com a colocação de lentes convexas, que leva a imagem a se formar mais perto. Com o poder de refração adequado, a imagem se formará sobre a retina. 
Correção da Hipermetropia
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Correção da Hipermetropia
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Astigmatismo
O astigmatismo ocorre quando a córnea apresenta um formato oblongo, ou, mais raramente, o cristalino apresenta tal formato. Para corrigir essa anomalia é necessário o uso de lentes cilíndricas. Tais lentes tem a capacidade de mudar a distância focal do olho, na direção onde o raio de curvatura da córnea difere de suas demais partes. 
Uma forma de saber se uma pessoa tem astigmatismo é olhando para a figura abaixo sem óculos. Veja se consegue ver nitidamente todas as linhas.  
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Astigmatismo
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Presbiopia
É a perda da acomodação visual com a idade. A acomodação varia de 14 a 4 dioptrias (7 a 25 cm), e sua correção é feita de modo semelhante à hipermetropia. 
A acomodação varia com a idade, sendo máxima na infância e mínima ou ausente, na idade avançada.
Uma criança de 10 anos pode ter seu ponto máximo de visão nítida a 7 cm (14 dioptrias). Entre 20 e 30 anos, o ponto próximo está a 25 cm (4 dioptrias). Dos 30 aos 40 anos, o ponto próximo vai se afastando, a ponto das pessoas terem que esticar o braço para poder ler.
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Curvatura menor
Maior raio
Menor poder
Curvatura maior
Menor raio
Maior poder
Poder focal= nr-ni
 r
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Acomodação – Visão para Perto e para Longe
No olho de visão normal, a imagem se forma sempre na retina. Para que isto aconteça, é necessário que o olho mude o seu poder dióprico, conforme a distância do objeto, e esse mecanismo denomina-se Acomodação. 
O responsável pelo foco é o cristalino. Para focar ele muda de forma:
	1. Os músculos ciliares se contraem, deixando-o mais avolumado.
	2. Os músculos ciliares relaxam, deixando-o de forma achatada.
Humor aquoso
Cristalino
Córnea
Íris
Músculo ciliar
Humor vítreo
Ligamento suspensor
1
2
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Acomodação – Visão para Perto e para Longe
Quando olhamos para um objeto próximo, o cristalino fica arredondado, para provocar maior curvatura da luz, formando uma imagem nítida.
Quando olhamos para um objeto distante, o cristalino fica achatado, para focalizar a luz exatamente na retina.
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Objetos próximos
> REFRAÇAO
Objetos distantes
< REFRAÇAO
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A distancia focal do olho é FIXA.
O cristalino focaliza objetos próximos mudando a curvatura.
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Cirurgia refrativa corneana
Mudança da curvatura corneana, através de ablação a laser
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ESTIMULO ELETRICO
NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
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BASTONETE
95%
ALTA SENSIBILIDADE A LUZ
VISÃO NOTURNA
(ESCOTÓPICA)
RECEPTOR FOTOQÚIMICO
RODOPSINA
LOCALIZAÇÃO
RETINA PERIFÉRICA
CONE
5%
BAIXA SENSIBILIDADE A LUZ
VISÃO DIURNA
(FOTÓPICA)
VISÃO DE CORES
DETALHES
RECEPTOR FOTOQÚIMICO
IODOPSINA
(VERMELHO, VERDE, AZUL)
LOCALIZAÇÃO
MÁCULA
FOTORRECEPTORES
NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
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NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
CICLO DE WALD
RODOPSINA
OPSONINA
TODO-TRANS-RETINAL
TODO-TRANS-RETINOL
(VIT.A)
11-CIS-RETINOL
11-CIS-RETINAL
LUZ
ISOMERIZAÇÃO
RETINAL ISOMERASE
SANGUE
ISOMERIZAÇÃO
RETINAL ISOMERASE
BATORRODOPSINA
LUMIDORRODOPSINA
METARRODOPSINA I
METARRODOPSINA II
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NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
VITAMINA A
CITOPLASMA FR E EPR
VITAMINA A +  LUMINOSIDADE
 VISÃO
CEGUEIRA NOTURNA
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NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
SEGMENTO EXTERNO
(CORÓIDE)
SEGMENTO INTERNO
(DENTRO DO OLHO)
BASTONETE
Na++
Na++
CANAL MANTIDO
ABERTO PELO GMPc
REPOUSO
(ESCURO)
EFLUXO NO SEGMENTO INTERNO
=
INFLUXO NO SEGMENTO EXTERNO
POTENCIAL
- 40mV
LUZ
(1 FÓTON)
RODOPSINA  RODOPSINA ATIVADA (METARRODOPSINA II)
TRANSDUCINA ATIVADA (VÁRIAS)
FOSFODIESTERASES (VÁRIAS)
HIDROLISA VÁRIOS GMPc
FECHA INFLUXO DE NA++ NO SEGMENTO EXTERNO
 POSITIVIDADE  NEGATIVIDADE
HIPERPOLARIZAÇÃO
(-70 A -80mV)
ESTÍMULO ELÉTRICO
X
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FOTOTRANSDUÇAO
*
FOTOTRANSDUÇAO
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NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
CONES
FOTOQUÍMICA SEMELHANTE A DOS BASTONETES
3 TIPOS DE CONES
PIGMENTO SENSÍVEL AO AZUL
445nm
PIGMENTO SENSÍVEL AO VERDE
535nm
PIGMENTO SENSÍVEL AO VERMELHO
570nm
RELAÇÃO DE CAPTAÇÃO ENTRE OS CONES

INTERPRETAÇÃO DE CORES PELO CÉREBRO
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NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
FALTA DE CONE VERDE OU VERMELHO
DIFICULDADE PARA DISTINGUIR ENTRE CORES VERDE A VERMELHO
(VERDE, AMARELO, LARANJA E VERMELHO)
DALTONISMO
RECESSIVO LIGADO AO X
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Normal
Daltonismo
NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
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NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
FOTOQUÍMICA DA VISÃO
ADAPTAÇÃO AO ESCURO
CLARO
QUASE TODA RODOPSINA DEGRADADA
 RODOPSINA +  LUZ
 VISÃO
RODOPSINA REGENERA
 VISÃO
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NERVO ÓPTICO E VIAS ÓPTICAS
CAMINHO DO ESTÍMULO NERVOSO
N1
FOTORRECEPTOR / CÉLULA BIPOLAR
N2
CÉLULAR GANGLIONAR
FIBRAS NERVOSAS
DA RETINA
NERVO ÓPTICO
ESTIMULO ELETRICO