Light

Ronaldo Morant

A Técnica do Audiovisual 75

A LUZ E SEUS E SEUS COMPONENTES E DEUS disse:

“Faça-se a LUZ...

e DEUS viu que a Luz era Boa. Depois disso DEUS criou o Diretor de Fotografia

para trabalha-la”.

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A LUZ e a ÓTICA

O que nós chamamos de luz é uma forma de onda de radiação eletromagnética, capaz de afetar nosso sentido da visão e que se transmite em linha reta. Ela faz parte da faixa de freqüência eletromagnética. É por essa faixa que também são emitidas a radiodifusão, RX, Microndas, etc. Chamamos de luz a parte visível dessas radiações, que fica entre as freqüências infravermelhas e ultravioletas. Na faixa visível temos aproximadamente cerca de 600.000 matizes de cor, e todas somadas formam a luz branca. Características da luz visível: � Se move em ondas. � Se propaga em linha reta. � É formada por partículas de energia chamadas fótons. � Caminha em uma velocidade de 300.000 km por segundo. Comprimento de ondas É a distância entre duas zonas correspondentes de onda.

Atingindo determinado comprimento, as ondas tornam-se visíveis produzindo aquilo

que chamamos de luz. Freqüência de onda

É o numero de ondas que passam por um ponto em um determinado espaço de tempo. Ondas longas Baixa freqüência caracterizada pela cor vermelha. (infravermelho):

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Ondas Curtas Alta freqüência caracterizada pela cor azul. (ultravioleta):

Espectro Luminoso (Visível)

A escala Kelvin de temperatura de cor

estabelece várias faixas coloridas, em ordem crescente de temperatura, variando do vermelho ao azul. Esse conjunto de faixas é o espectro luminoso completo (ou contínuo), onde todas as faixas encontram-se representadas. Cada fonte de luz possui seu espectro próprio - a presença de todas as faixas ou mesmo suas intensidades não é uma constante. Quando faltam algumas faixas no espectro (ou sua presença é mínima), diz-se que o espectro da fonte de luz em questão é descontínuo.

Parte do espectro eletromagnético (parte escura) e o espectro de luz visivel (parte colorida). Se as cores se misturam intensamente, segundo as proporções indicadas, à luz se torna branca.

Luz e Superfície Interação da luz com os obstáculos:

Quando a luz incide sobre um objeto reage conforme a superfície desse objeto produzindo os chamados fenômenos óticos: Feixe de raios de luz

Um único raio de luz, ao incidir em um

ponto de um objeto qualquer, é em determinada parte absorvido pelo mesmo e em parte refletido - este percentual depende das características do objeto. Porém o que ocorre de maneira geral é que não um raio e sim uma quantidade imensa deles, vindos das mais variadas direções atinge o objeto naquele determinado ponto: são provenientes diretamente da fonte de luz que ilumina o objeto (lâmpada, Sol,...) ou refletidos

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a partir de outros objetos. Como a cada raio corresponde um raio refletido, se inúmeros raios atingem

determinado ponto do objeto, a partir do mesmo estarão saindo também inúmeros raios nas mais variadas direções e é por isso que continuamos vendo o ponto do objeto mesmo ao nos deslocarmos de posição. Absorção , Dispersão, Reflexão, Refração e Difração

Quando os raios luminosos que se deslocam num meio interagem com um obstáculo

colocado no seu trajeto, podem assumir comportamentos diferentes. A luz pode ser, no todo ou em parte, absorvida pelo obstáculo. Quando a absorção é

total toda a energia da luz é transferida para o obstáculo e cessa a propagação luminosa. É uma situação limite, que se verifica, por exemplo, quando um feixe de luz branca incide sobre um objeto negro, quando luz vermelha incide sobre algo verde, etc... Na maioria dos casos, a absorção não é total, e continuará a verificar-se a propagação de alguma radiação luminosa, só que quase sempre em direções diferentes, e, muito provavelmente, com algumas das suas características alteradas.

Abstraindo os casos em que há alteração das características da luz (assunto que será referido no capítulo de Sensitometria), interessa acompanhar com mais detalhe as condições em que se verifica a mudança de direção dos raios que incidem sobre a superfície de um obstáculo. Como se disse, é a situação mais provável, e que poderá comportar algumas variantes: a radiação ao encontrar o obstáculo passa a propagar-se no seu interior, fenômeno denominado refração, ou é completamente desviada e está-se perante uma difusão, ou então se verificam em simultâneo ambos os efeitos, com parte da luz a refratar-se e parte a difundir-se. Dispersão

É o desvio, em diferentes graus, dos diferentes comprimentos de onda (cores) de um raio de luz ao atravessar um meio (ar, por exemplo) e atingir outro (vidro, por exemplo). Após ter penetrado no outro meio os raios separam-se por comprimento de onda: os que possuem maior comprimento, como os de tons avermelhados, desviam-se menos do que os de tons azulados, formando um leque luminoso, em um fenômeno chamado dispersão. A dispersão é uma propriedade que todos os materiais transparentes tem quando raios de luz os atravessam. Assim, ocorre também dispersão em uma janela de vidro por exemplo. No entanto, na maioria das situações ela é praticamente invisível aos olhos humanos, como a dispersão da luz que ocorre no ar, no vidro comum, na água e plásticos transparentes, devido ao seu pequeno desvio (em torno de 1%).

Em determinados tipos de prisma onde é possível observar o fenômeno com mais facilidade (prisma de 60

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graus) também ocorre o mesmo (desvio de 1%): neste caso é a forma do prisma que amplia esse desvio e o torna mais perceptível ao olho humano. Enquanto que em um bloco de vidro no formato de um cubo também ocorre desvio após os raios penetrarem em seu interior, o mesmo acontecendo em um prisma do tipo reflexão total, no prisma de 60 graus cada raio tem seu primeiro desvio ampliado na saída, pois ocorre outro desvio para o mesmo lado, reforçando o primeiro: Difusão

Objetos que permitem a passagem da luz ( translúcidos) -

Papel vegetal ou vidro branco. Objetos opacos com a superfície fosca - parede branca, casca de ovo. A difusão pode apresentar vários graus e intensidades: pode ser bastante ampla, sem predomínio de nenhuma direção em especial, ou, mais geralmente, pode contemplar mais umas direções do que outras; no limite pode ser quase total e realizar-se segundo direções bem definidas.

Concretamente, pode realizar-se de tal modo que o ângulo que os raios desviados fazem com a vertical à superfície do obstáculo no ponto de incidência (ângulo de reflexão) seja igual ao ângulo que os raios incidentes fazem com a mesma vertical no mesmo ponto (ângulo de incidência). Neste caso a difusão tem a designação de reflexão. Reflexão

Refração

Quando a luz atravessa obliquamente um objeto transparente: água, plástico transparente, vidro, cristal; tem o angulo de sua trajetória alterada, em um grau

diretamente relacionado com a densidade do meio

Fig. 1

Objetos opacos de Superfície lisa, brilhante ou fosca.

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Quer a refração quer a reflexão seguem regras geométricas bem definidas. A regra básica da reflexão diz respeito à igualdade dos ângulos de incidência e de reflexão, conforme foi dito no parágrafo anterior. Analogamente, a lei básica que rege a refração relaciona os ângulos de incidência e refração (o primeiro definido do mesmo modo e o segundo estabelecido como sendo o

ângulo entre o raio refratado e a normal à superfície): na refração de um raio luminoso é constante a relação entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração. Estas constantes, conhecidas por índice de refração, dependem do tipo de radiação e da natureza dos meios onde se desloca.

No caso particular de os meios serem ar e vidro (o que interessa na câmara escura) os raios ao passarem do ar para o vidro reduzem o ângulo com a normal (o ângulo retratado é menor do que o

incidente). Quando o raio passa do vidro para o ar dá-se o fenômeno oposto: o raio afasta-se da normal, pelo que o ângulo retratado é maior do que o incidente. Também convém ter presente que o índice de refração não é o mesmo para todas as cores: o vermelho tem menor índice, seguindo-se o amarelo, o verde, o azul e o violeta (fig. 2). Difração

Difração é o espalhamento das ondas de luz quando atravessam uma pequena fenda ou barreira. A interferência ocorre quando ondas luminosas idênticas se encontram, de modo que ou elas ficam em fase, com suas cristas perfeitamente alinhadas, ou fora de fase, com o pico de uma alinhado com o vale da outra. O cientista inglês Thomas Young fez uma experiência em que a luz sofria uma difração através de uma fenda estreita. As ondas luminosas interferiam umas com as outras, produzindo faixas claras onde se encontravam em fase e faixas escuras onde estavam fora de fase.

O fenômeno da difração somente é nítido quando as dimensões da abertura ou do obstáculo forem da ordem de grandeza do comprimento de onda da onda incidente. A difração ocorre com qualquer tipo de onda. Nas ondas sonoras, por exemplo, permite que

Fig 2

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escutemos a voz de uma pessoa que nos chama, mesmo que esta pessoa esteja atrás de um obstáculo.

Com a luz também ocorre a difração, porém é mais difícil percebermos a difração de ondas luminosas, porque os obstáculos e aberturas em que a luz incide são normalmente bastante grandes em relação ao seu comprimento de onda. Entretanto, se fizermos a luz passar por orifícios cada vez menores, observaremos que a luz sofrerá difração ao passar por esse orifício.

Para a luz visível, usa-se uma rede de difração, formada por uma superfície reflectiva ou transparente em que se marcam vários sulcos, bem próximos uns dos outros (décimos ou centésimos de milímetro). Exemplos destas redes e suas propriedades: quando se olha um tecido de trama fina contra uma lâmpada distante, quando olhamos o reflexo num CD ou quando olhamos a Lua através de uma nuvem, vemos faixas ou halos coloridos, devido à difração da luz por pequenos obstáculos (a trama, os sulcos do CD ou as gotículas de água na nuvem).

Objetos Ópticos

Mediante a aplicação das relações entre os ângulos válidos para a reflexão e para a

refração é possível prever o comportamento dos raios luminosos quando interacionam com obstáculos. Na óptica aplicada na câmara escura têm especial interesse os objetos transparentes com faces planas ou com faces curvas esféricas. Lâminas de faces planas paralelas

Estes sistemas são formados por dois meios transparentes: os raios luminosos propagam-se no primeiro meio, incidem na primeira face plana e imergem no segundo meio;

depois atravessam a segunda face e continuam o seu percurso novamente no primeiro meio.

A análise do comportamento de um raio luminoso neste sistema é muito simples: refratam-se ao atravessar a primeira face, reduzindo o ângulo com a normal no ponto de incidência, e volta a refratar-se na segunda face, agora segundo uma relação exatamente oposta. Como as faces são paralelas, o raio que incide na lâmina será paralelo ao raio que dela emerge, se bem que com um deslocamento lateral, que depende do ângulo de incidência. A fig 3 Ilustra o

mecanismo descrito.

Fig 3

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O PRISMA É o elemento óptico do qual se origina a lente: quando um raio de luz atinge a superfície de um bloco de material transparente de forma não perpendicular ao mesmo e as superfícies opostas deste bloco não são paralelas entre si o raio sofre um desvio em sua trajetória: O desvio é conseqüência do fenômeno chamado refração (que significa passagem de um raio de luz de um meio a outro, por exemplo ar-vidro). Nem sempre o desvio ocorre: se o raio incidir perpendicularmente à superfície, a atravessará sem sofrer nenhum desvio: Por outro lado, quando ocorre, não é idêntico para todas as cores: tons próximos do azul possuem comprimentos de onda menores do que o dos tons próximos do vermelho. Este fato faz com a cor vermelha não sofra tanto desvio quanto sofre a cor azul ao passar de um meio a outro. Um cientista inglês chamado Sir Isaac Newton utilizou este fato para mostrar que a luz branca era, na verdade, composta por várias outras cores:

Um maior ou menor desvio dos raios, irá depender do ângulo de incidência do raio de luz branca que chega

ao prisma, do ângulo de abertura das faces superiores do prisma (o melhor para obter este efeito é 60 graus, ou seja, o prisma tem o formato de um triângulo eqüilátero) e do índice de refração do material. Diferentes tipos de vidro ou acrílico desviam mais ou desviam menos os raios. Os raios de luz saem deste prisma, após o terem atravessado (refração) formando um leque luminoso: à formação deste leque de luz dá-se o nome de dispersão. Existem vários formatos geométricos de prismas e nem sempre o raio de luz o atravessa completamente como no exemplo acima. Em alguns casos, ele é totalmente refletido internamente, como no chamado prisma de ângulo reto (ou de reflexão total), mostrado

abaixo: Neste tipo de prisma, raios que o atingem perpendicularmente em uma de suas faces são integralmente refletidos internamente pela face maior devido ao ângulo formado com a mesma. Isso sempre acontece quando o ângulo de incidência nessa face é maior do que 41 graus, passando a mesma a agir como se fosse

um espelho. Instrumentos ópticos, como periscópios utilizam este prisma. A imagem produzida é invertida, à semelhança do que ocorre com um espelho comum (o periscópio utiliza outro prisma semelhante para reverter a imagem). Uma variação no uso do prisma de reflexão total é o prisma de Porro:

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Neste prisma os raios são direcionados perpendicularmente à sua face maior, ocorrendo duas reflexões internas: a imagem fica de ponta cabeça, mas não invertida lateralmente como nos espelhos e no prisma visto acima. Este tipo de prisma é muito utilizado em binóculos (os chamados binóculos prismáticos) para, entre outros, aumentar seu ângulo de visão. Um segundo prisma desinverte a imagem. Estes e outros instrumentos ópticos utilizam prismas onde normalmente poderia ser usado um espelho, porque nos prismas a reflexão é mais perfeita, mais uniforme e mais precisa do que a efetuada pela camada metálica do espelho, ocorrendo menos perdas. AS LENTES

Uma lente funciona como uma série de prismas sobrepostos, onde os prismas situados nas bordas da mesma possuem os ângulos entre as suas faces mais acentuados, fazendo com que os raios de luz que atingem estes pontos sofram um desvio maior em sua trajetória ao atravessarem a mesma do que os que atingem pontos localizados mais próximos ao centro da lente. A combinação das diferentes naturezas de faces pode dar origem a vários tipos de lentes, conforme se mostra na fig 4.

Este tipo específico de lente

(convergente) faz com que os raios de luz que a atravessam convirjam para um mesmo ponto situado adiante da mesma:

A lente resolve o problema de falta de luz na câmera de orifício: como ela capta uma quantidade bem maior de raios de luz e desvia todos eles para o mesmo ponto, a imagem torna-se bem mais luminosa (e continua invertida, como na câmera escura). Porém a lente introduz um outro problema: o da profundidade de foco.

A análise da evolução de um raio luminoso num meio desta natureza pode ser analisada rigorosamente de maneira análoga ao que foi feito para a lâmina de faces paralelas. A única particularidade reside no conceito de normal, necessária à definição dos ângulos: enquanto que numa face plana a normal é a direção da vertical à face no ponto de incidência, numa face esférica é a direção do raio da esfera nesse mesmo ponto. Concretizando, as lentes desviam a luz segundo as mesmas regras, ou seja, os raios incidentes são desviados de modo a aproximarem-se da normal e os emergentes de modo oposto.

Uma lente é o cojunto de vários prismas.

fig 4.

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Na figura 5 ressalta uma particularidade resultante do caráter esférico das superfícies,

e que se aplica ao caso da incidência de raios paralelos à rata que passa pelo centro geométrico das faces curvas: verifica-se que os raios emergentes tendem a concentrar-se (ou a afastar-se) numa zona muito pequena. Ou melhor, se a lente for formada por duas faces convexas, uma plana e uma convexa ou uma côncava e uma convexa, mas em que a convexa

tem maior curvatura, os raios tendem a convergir nessa área (têm a

designação genérica de

lentes

convergentes); se for o contrário, tendem a divergir dessa área (são designadas genericamente por lentes divergentes). Verifica-se também que quanto menos espessa for à lente mais definida é esta zona de convergência (ou divergência), a ponto de tender para se tornar um ponto, a que se dá o nome de foco. Como os raios podem incidir em qualquer dos lados da lente, há sempre dois focos, um de cada lado dela. Lentes compostas e Aberração Cromática (ou de refrangibilidade)

A incapacidade das lentes espessas (e no fim de contas todas as lentes são mais ou menos espessas) provoca tipos de comportamentos indesejados em fotografia, como a dificuldade em focar num ponto e que é conhecida como aberração esférica. Paralelamente à aberração esférica, há o astigmatismo, a aberração cromática e várias outras, sendo a aberração cromática a mais conhecida.

Como a luz pode se abrir em um leque luminoso de várias cores ao atravessar um prisma (dispersão) e como uma lente é equivalente a uma sucessão de prismas sobrepostos, o mesmo efeito luminoso ocorrerá normalmente em uma lente comum. O desvio (abertura do leque) nos 'prismas' que compõem a lente, no entanto é muito pequeno, porque suas superfícies não são tão inclinadas (ângulo) umas em relação às outras; onde isso acontece com maior intensidade (devido à curvatura da lente) é nas bordas: ali o ângulo se fecha mais. No

Fig 5

Fig 4

Foco

Zona de convergência

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centro da lente praticamente não há desvio, pois as superfícies são quase paralelas. Por isso, o desvio em questão aparece mais próximo das bordas da lente, ou seja, próximo das bordas da imagem.

Este tipo de aberração provém do fato de as várias cores terem refrações diferentes, pelo que a convergência de raios paralelos de cores distintas também não se verifica num ponto, mas sim numa pequena zona. Elas deformam a imagem em vários sentidos, a aberração cromática, por exemplo, faz com que a lente não tenha a capacidade de focalizar as diferentes cores no mesmo ponto, impedindo que os objetos coloridos sejam convenientemente focalizados. Para compensar e.corrigir tais defeitos, as lentes convergentes simples foram conjugadas com uma série de outras lentes que anulam mutuamente suas aberrações. As aberrações impedem, portanto, que uma lente simples possam proporcionar boas imagens, pelo que se estudaram alternativas tendentes a reduzi-las ao máximo.

O processo para correção desse fenômeno consiste em agrupar criteriosamente várias lentes de características diferentes, de tal modo que, no seu conjunto, formam um meio óptico com aberrações mínimas. Este conjunto, que tem o nome de lente composta, é projetado em função das necessidades específicas de cada aplicação, existindo, portanto, uma multiplicidade enorme, cada um deles adaptado à solução de casos muito particulares.

A imagem formada em um anteparo por essa lente apresentará assim, de maneira mais visível próximo de suas bordas, as cores do arco-íris misturadas com o desenho da imagem. Esta distorção

é chamada aberração

cromática: ou seja, em outras palavras, uma imperfeição na reprodução correta das cores da imagem. Este fato ocorre porque, como cada cor tem um desvio diferente ao passar pela lente (o azul desvia mais do que o vermelho, por exemplo, devido ao fato de possuírem comprimentos de onda diferente), a imagem formada pela lente no anteparo, correspondente aos raios azuis forma-se antes (mais próximo da lente) do que a dos raios vermelhos, fato mais acentuado nas bordas, como mencionado acima.

Para contornar este problema, fabricantes de objetivas lançam mão de várias técnicas, entre elas o uso de várias lentes combinadas, em formatos diferentes e fabricadas com material diferente umas das outras, de forma que o desvio causado pelos raios em uma lente acabe sendo bastante compensado pela outra. Este é um dos motivos da existência de diversas lentes dentro de uma objetiva. Além disso, a parte da imagem formada pelas bordas da lente é descartada: só a parte mais próxima do centro da lente é que forma a imagem sobre o CCD. E

Fig 6

F1 N1 F2 N2

Correção da aberração cromática

R G B

R G B

Fig 7

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é também um dos motivos das lentes das câmeras em geral serem de diâmetro bem maior do que o que seria necessário para produzir a imagem, normalmente projetada em diminutos fotogramas ou CCDs. Eixo óptico

É a reta que une os centros geométricos das faces das lentes. Na figura 6 é a linha onde

estão os pontos F1, N1, N2 e F2. Convergência

Em uma câmera escura utilizando uma lente convergente para formar a imagem de

determinado objeto situado na frente da mesma, o local onde esta é formada depende do grau de convergência da lente. Assim, supondo-se dois pontos A e B situados no objeto, a imagem produzida pelo feixe de raios de luz dentro da câmera forma-se mais ou menos próximo da lente, conforme o grau de curvatura das superfícies externas da mesma. Como uma lente é um conjunto de prismas sobrepostos, aumentar a curvatura da lente significa aumentar o ângulo de inclinação das superfícies do prisma, fazendo com que aumente também a deflexão dos raios de luz: Flare

O efeito mais conhecido relacionado à reflexão é o flare, aquelas famosas manchinhas coloridas circulares ou não, que aparecem nas imagens quando fotografamos ou gravamos de frente para uma fonte de luz intensa, como o sol. Como a fonte de luz é muito intensa e dirigida diretamente sobre a objetiva, ela pode gerar esse tipo de reflexo. O flare também pode surgir de outra forma, não tão evidente como as bolinhas coloridas, mas sim como uma perda generalizada de contraste na cena, como se houvesse uma névoa fina na foto.

Para evitar esse problema, os fabricantes investem cada vez mais na melhoria da qualidade do coating, além disso, toda objetiva tem um modelo adequado de para-sol, que nada mais é do que um acessório plástico, acomplado à objetiva, que reduz a entrada de luz indesejada pela lateral da mesma, infelizmente, poucos fotógrafos decidem gastar um pouco mais de dinheiro comprando esse acessório. Por fim, lentes com menor número de elementos tendem a ter menor flare que lentes com maior número de elementos opticos, pois são mais vidros para causarem reflexos, como é o caso das objetivas zoom.

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A Câmera Escura Primeira forma utilizada para a reprodução de uma imagem da natureza: os antigos

observaram que em um quarto escuro onde a luz penetrava somente através de um orifício minúsculo uma imagem formava-se na parede oposta ao mesmo. Foram então construídas caixas reproduzindo a situação, que eram posicionadas em frente à imagem a ser reproduzida enquanto alguém em seu interior desenhava os contornos da mesma na parede:

Por que a imagem aparece sempre invertida: como, dos inúmeros raios provenientes do feixe de raios emitidos pelo ponto A somente uma quantidade ínfima - os que seguem a trajetória descendente - passam através do orifício em direção ao interior da câmera e idem na direção ascendente para os do ponto B, a imagem aparece invertida na parede da câmera. Derivou-se dela mais tarde a câmera de orifício. Câmera de Orifício

Baseada no princípio da

câmera escura, possui construção extremamente simples: trata-se de uma caixa vedada à entrada de luz onde em um dos lados é feito um minúsculo orifício utilizando por exemplo a ponta de um alfinete. O orifício é a seguir tampado - com uma fita colante, por exemplo - enquanto que na parede oposta da caixa é afixado um pedaço de filme

fotográfico virgem (em local totalmente escuro). Aponta-se então a caixa para a imagem a ser fotografada e destampa-se o orifício mantendo-o assim durante um certo tempo: a imagem será registrada no filme.

Embora as fotos obtidas desta maneira possam ficar nítidas e detalhadas, como o orifício permite a entrada de uma quantidade muito pequena de luz o tempo necessário para uma exposição correta é muito longo - pode chegar a horas. Aumentando-se o tamanho do orifício, aumenta-se a quantidade de luz:

Porém a imagem perde em nitidez, pois o mesmo ponto A passou a ser representado por 3 pontos dispersos na parede da câmera. Na tentativa de se solucionar este problema o orifício foi trocado por uma lente.

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