II.6. Ochiul uman. Instrumente optice.

• II.6.1. Ochiul uman. Defectele de vedere.
• II.6.2. Instrumente optice.
  • II.6.2.1. Aparatul de fotografiat.
  • II.6.2.2. Lupa.
  • II.6.2.3. Microscopul.
  • II.6.2.4. Luneta*.
  • II.6.2.5. Telescopul*.

Clasificarea instrumentelor optice după felul imaginii formate:

• Instrumente care dau imagini reale, ce pot fi capturate pe un ecran sau film foto.

Ca exemple avem aparatul foto, aparatul de proiecție, retroproiectorul.

• Instrumente care dau imagini virtuale, care nu pot fi prinse pe un ecran sau film foto.

Ca exemple avem lupa, microscopul, luneta, telescopul.

II.6.1. Ochiul uman. Defectele de vedere.

Văzul este cel mai important simț al omului. Cu ajutorul lui putem vedea stările de agregare ale corpurilor, forma lor, dimensiunea lor, culoarea lor, transparența lor etc.

Cum vede omul obiectele din jur ?

În primul rând are nevoie de lumina care se reflectă pe corpurile din jurul nostru.

Lumina reflectată de un obiect intră prin cornee (o membrană transparentă), apoi trece prin umoarea apoasă (un lichid transparent) și traversează irisul (partea colorată a ochiului) prin pupilă (orificiu de culoare neagră).

Când lumina ajunge la cristalin (membrană transparentă elastică) ea se refractă ca printr-o lentilă convergentă, deoarece cristalinul este convex și transparent. Imaginea formată este reală, răsturnată și mai mică decât obiectul.

Imaginea obiectului se formează pe retină (strat de celule fotosensibile) care o transformă imaginea în impulsuri nervoase trimise la creier, prin intermediul nervului optic.

Creierul prelucrează semnalele electrice, îndreaptă imaginea și dă senzația de văz.

👀 Experiment: Un borcan cu apă pe post de ochi.
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

Materiale necesare:
Borcan sferic de sticlă plin cu apă, lumânare, chibrit, carton, cameră slab luminată (semiobscură).

Modul de lucru:

• Poziţionează borcanul cu apă aproape de perete.
• Fă cu vârful unui creion (compas) un orificiu în mijlocul cartonului şi aşază-l pe verticală, sprijinindu-l de borcan.
• Aşază lumânarea aprinsă în faţa cartonului astfel încât flacăra să fie în dreptul orificiului.

  Pe perete se formează imaginea lumânării: mai mică decât obiectul, răsturnată şi reală, asemeni celei formată de ochi.
  Lumina lumânării este refractată de vasul cu apă asemeni unei lentile convergente(cristalinul ochiului).
  Orificiul din carton joacă rolul pupilei care lasă să intre în ochi lumina reflectată de obiecte.

Concluzia experimentului:
Borcanul cu apă este pe post de cristalin, focalizând razele ce îl traversează. Peretele joacă rolul retinei, loc în care se formează imaginea obiectului.

🔦 Observație

Deoarece distanța de la cristalin la retină este fixă, modificarea distanței focale a cristalinului pentru obiecte aflate la diferite distanțe se numește acomodarea ochiului. Ea este datorată elasticității cristalinului și mușchilor oculari și se realizează prin modificarea formei cristalinului (bombare sau alungire) și, implicit, a distanței focale a acestuia.

Acomodarea cristalinului unui ochi normal are două limite:

• Punctul proximum aflat la o distanță minimă care, pentru un tânăr este la 10-15 cm și pentru adulți cam la 25 cm. Acomodarea ochiului este posibilă până la această distanță minimă (distanță optimă a vederii clare).

• Punctul remotum este cel mai îndepărtat punct al vederii de la care nu mai este necesară acomodarea, fiind la 6 m spre infinit. De la acest punct ochiul privește neacomodat (relaxat).

Defectele de vedere ale ochiului omenesc sunt :

1. Miopia este defectul de vedere când nu se văd clar obiectele îndepărtate. Imaginea obiectelor se formează în fața retinei, ochiul miop fiind prea convergent. Prin urmare miopia se corectează cu lentile divergente (negative).

2. Hipermetropia este defectul de vedere când nu se văd clar obiectele apropiate. Imaginea obiectelor se formează în spatele retinei, ochiul hipermetrop fiind prea puțin convergent. Prin urmare hipermetropia se corectează cu lentile convergente (pozitive).

Aplicații

Primii ochelari cu lentile slabe care corectau hipermetropia au apărut după anii 1200. După circa 200 de ani a fost descoperită tehnica fabricării ochelarilor cu lentile concave, astfel a putut fi corectată și miopia.

Majoritatea dintre noi petrecem mult timp în fața unui ecran: la birou, în fața unui computer, urmărind emisiunile la TV sau stând pe rețelele sociale. Toate aceste lucruri sunt resimțite de ochii noștri. Devin uscați, apar durerile de cap sau problemele cu somnul. Pentru a diminua aceste simptome, medicii recomandă folosirea ochelarilor de vedere cu protecție pentru calculator.

Atunci când îți sunt prescriși ochelarii de vedere, purtarea lor trebuie făcută conform sfaturilor medicale, în funcție de afecțiunea oculară. Dacă nu respecți aceste sfaturi sau uiți să porți ochelarii de vedere, riști să-ți expui ochii la un efort în plus sau chiar la agravarea problemelor oculare.

În caz de miopie, hipermetropie, astigmatism sau chiar presbiopie (când ai nevoie doar de ochelari de citit) dacă nu porți ochelari de vedere, provoci încordarea ochilor care duce la dureri de cap, lipsă de focalizare sau vederea dublă. Pe lângă disconfort lipsa purtării ochelarilor de vedere va conduce la o vedere și mai slabă.

🔦 Observație

Prezbitismul este același defect de vedere ca și hipermetropia și apare la persoanele în vârstă, datorită scăderii elasticității cristalinului.

🔦 Observație

Aproximația gaussiană descrie condițiile ce trebuie impuse fasciculelor de lumină pentru ca imaginea să fie stigmatică, adică unui punct-obiect să îi corespundă un punct-imagine și invers (aceste puncte se numesc conjugate). Ele trebuie să fie înguste, învecinate axului optic și puțin înclinate față de axul optic (fascicule paraxiale).

În practică, lentilele reale (inclusiv cristalinul ochiului) nu au o formă perfectă și intersecția razelor de lumină din fasciculul emergent (care iese din lentilă) nu este un punct, ci o pată luminoasă.

Acest fenomen se numește astigmatism și el se corectează cu lentile cilindrice dacă pata-imagine este mai mare de 5 ∙ 10^-6 m.

Astigmatismul este un defect comun datorat curburii corneei sau cristalinului care este neuniformă (nu este sferică). Astfel, astigmatismul duce la o vedere (atât la cea apropiată, cât și la cea depărtată) neclară și încețoșată, deoarece apar pe retină două imagini diferite, în locul uneia.

👀 Experiment: De ce un om nu vede clar sub apă?

De ce un om nu vede clar obiectele când înoată sub apă? Care om, cu miopie sau cu hipermetropie, vede mai clar sub apă?

Chiar dacă apa este limpede noi nu vedem clar în apă, deoarece apa are indicele de refracție aproximativ egal cu cel al umoarei apoase și sticloase astfel încât refracția luminii în ochi se produce puțin diferit ca în aer. În apă imaginea obiectelor nu se mai formează pe retină (ca în aer), ci în spatele ei și de aceea obiectele se văd cețoase (ca la hipermetropi).

Miopii văd mai clar sub apă decât oamenii normali sau cei cu hipermetropie, deoarece imaginea obiectelor la ei în aer se formează în fața retinei, iar sub apă se va deplasa mai spre retină.

Ochelarii de scafandru au lentile plan-concave (convergente), goale în interior, pentru ca lumina să intre în aerul din interiorul căștii și vederea să aibă loc ca în aer.

II.6.2. Instrumente optice.

II.6.2.1. Aparatul de fotografiat.

👀 Experiment: Cel mai simplu aparat foto.
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

Materiale necesare:
Cutie de carton fără capac, foarfecă, marker negru sau acuarelă neagră cu pensulă, o foaie de hârtie de calc ( hârtie de copt ), bandă adezivă, compas, lumânare, chibrit, cameră slab luminată (semiobscură).

Modul de lucru:

• Vopseşte interiorul cutiei cu acuarelă neagră sau cu marker negru.
• Fixează cu bandă adezivă foaia de calc pe partea deschisă a cutiei (cea din locul capacului).
• Fă un mic orificiu cu ajutorul compasului în mijlocul peretelui opus celui cu hârtie de calc.
• Aşază lumânarea aprinsă în faţa orificiului cutiei şi priveşte peretele translucid într-o cameră întunecată.
• Îndepărtează uşor cutia până vei observa pe hârtia de calc imaginea clară a flăcării .

  Pe hârtie se formează imaginea micşorată, reală şi răsturnată a flăcării, asemenea imaginii formată de ochiul omenesc.

Concluzia experimentului:
Cutia construită reprezintă camera obscură, piesa de bază a unui aparat foto.
La aparatele foto camera obscură este chiar cutia aparatului, înnegrită în interior. Pentru a da luminozitate şi claritate imaginii obiectului aparatul foto este prevăzut cu un obiectiv, format dintr-un sistem de lentile convergente.

🔦 Scurt istoric al fotografiei

Cele trei fenomene necesare obținerii imaginilor fotografice sunt cunoscute de mult timp:

• Încă de pe vremea lui Aristotel s-a știut de camera obscură.

• Alchimiștii știau că lumina înnegrește clorura de argint.

• John Herschel, în 1819, a descris proprietățiile hiposulfitului de sodiu, care va deveni "fixatorul" fotografiei.

Joseph Niépce a folosit toate aceste trei proceduri pentru a fixa o imagine pe o plăcă metalică cu depunere de halogenură de argint (1829). Iată prima fotografie a lui Niépce.

George Eastman realizează primul negativ flexibil din nitoceluloză (roll film), în 1884.

Prima fotografie cu culori permanente a fost făcută în 1861 de fizicianul James Clerk Maxwell.

Fotografia instantanee cunoscută sub numele de Polaroid a apărut în anul 1948, fiind pusă la punct de dr. Edwin Land, la început în alb/negru, iar din 1962 în culori.

În 1990, compania Kodak a prezentat publicului DCS 100, primul aparat de fotografiat digital disponibil în comerț.

Părțile principale ale aparatului foto sunt:

1. Camera obscură poate fi definită ca fiind o copie mecanică a ochiului. Prin analogie, camera obscură este asemeni ochiului omenesc, aceasta fiind formată dintr-o cutie paralelipipedică cu un interior de culoare neagră (globul ocular), cu o deschidere foarte mică. Pe peretele opus deschizăturii se află un ecran translucid pe care se formează imaginea obiectului, reală, mai mică decât obiectul și răsturnată.

2. Obiectiv cu distanță focală fixă

• Macroobiectiv - obiectiv cu distanță focală scurtă de 20, 30, 40 mm.
• Obiectiv cu distanță focală normală (standard) de 50 mm. Obiectivul "vede" ca un ochi uman.
• Teleobiectiv - obiectiv cu distanță focală lungă mai mare de 50 mm.

Obiectivul cu distanță focală variabilă se numește zoom. El este compus dintr-o lentilă convergentă și una divergentă, aflate la o anumită distanță, d. Prin schimbarea distanței dintre cele două lentile se schimbă distanța focală (f) a sistemului și, implicit, schimbarea dimensiunii imaginii.

3. Diafragma variabilă controlează deschiderea obiectivului și determină cantitatea de lumină care ajunge pe film.

4. Obturatorul face reglarea timpului de expunere. Sistemul de obturare al aparatului de fotografiat asigură controlul luminii către senzorul de imagine (ori către peliculă, în cazul aparatului clasic)

5. Film fotografic (pentru aparatul foto analogic) sau detector CCD cu card de memorie (pentru aparatul digital).

6. Sistemul de vizare permite controlul încadrării subiectului fotografiei. De asemenea, acesta ajută la controlul clarităţii imaginii.

Aparatul foto digital are multe în comun cu aparatul de fotografiat clasic (cu film foto). Foloseşte obiective, sisteme de obturare, vizoare şi sisteme de focalizare. Se diferenţiază prin modul în care captează, memorează şi prelucrează imaginile fotografice. Ele folosesc senzori de imagine pentru memorarea iniţială a imaginii.

Senzorul de imagine realizează transformarea imaginii într-un semnal electric, care apoi este transformat într-un semnal digital, prin intermediul căruia informaţia este înmagazinată pe un mediu de stocare (card de memorie).

Senzorul de imagine lucrează împreună cu un procesor de imagine. Acesta din urmă preia semnalul analogic de la senzorul de imagine, îl transformă în semnal digital (în biţi - şiruri de 0 şi 1). Semnalul digital, purtător al informaţiei despre imaginea captată cu aparatul foto, este apoi stocat pe un card de memorie.

Imaginea digitală este formată din elemente pătrate denumite pixeli ("pixelii" imaginii clasice, realizate pe film, sunt granulele de argint).

Pixelii au aceeaşi dimensiune, dar pot avea diferite valori sub aspectul culorii.

Fotografiile digitale sunt alcătuite din sute de mii sau milioane de pixeli. Un pixel este un mic pătrat ce are o anumită culoare.

Dacă mărim foarte mult o imagine, vom observa pixelii colorați în cele trei culori primare din optică (roșu, verde și albastru).

Calitatea unei imagini depinde în mare măsură de rezoluție (numărul de pixeli din imagine). Dacă imaginea are o rezoluție mare, atunci detaliile și contururile vor fi percepute mult mai bine decât la o imagine cu rezoluție scăzută.

Numărul de pixeli ai aparatului foto este dat de senzorul de imagine al aparatului.

Dimensiunile unei imagini digitale pot fi exprimate în două moduri.

În primul mod ne referim la numărul de pixeli de pe lungime și de pe lățime, de exemplu 6000 x 4000, unde prima cifră ne indică faptul că lungimea imaginii este de 6000 de pixeli și a doua cifră se referă la lățimea imaginii.

A doua variantă este să înmulțim dimensiunile și astfel obținem numărul total de pixeli din imagine 24.000.000 de pixeli (6000 ∙ 4000), adică 24 mega pixeli (24 ∙ 10⁶ pixeli).

🔓 Problemă rezolvată

1. Un fotograf se află la o distanță de 40 m de o clădire cu înălțimea de 20 m. Obiectivul aparatului foto are distanța focală de 120 mm. Ce înălțime va avea imaginea acestei clădiri pe filmul foto?

Rezolvare:

Notăm datele problemei (ținem cont de convențiile de semne) și le transformăm în SI:
x₁ = - 40 m
y₁ = 20 m
f = 120 mm = 12/100 m
y₂ = ?

Scriem formula fundamentală a lentilelor și calculăm pe x₂ (distanța de la im. la lentila obiectivului):

Scriem formula măririi liniare transversale și scoatem necunoscuta y₂:

II.6.2.2. Lupa.

Lupa este unul dintre cele mai vechi și mai simple dispozitive optice.

În urmă cu mii de ani egiptenii foloseau bucăţi mici de cristal sau obsidian (un tip de piatră lucios) pentru a vedea mai bine obiectele mici.

Prima lupă construită în scopuri științifice se crede că a fost proiectată de către filozoful englez Roger Bacon, în anul 1250. El era lector la Universitatea din Oxford. Bacon a realizat diverse experimente cu lupe și oglinzi și a descris principiile reflexiei și refracției.

Lupa, cunoscută şi ca lentilă de mână, este o lentilă convergentă (convexă) care este folosită pentru a mări imaginea unui obiect.

Mărirea lupei este dată de puterea optică (P) și este dată de convergența lupei:

α₂ = unghiul sub care se vede obiectul prin lupă y₁ = dimensiunea obiectului

Deoarece obiectul este foarte aproape de focar, tg α₂ ≈ y₁/f.

O lupă uzuală are o distanță focală de circa 25 cm, corespunzând unei convergențe și puteri optice de 4 dioptrii.

Lupa de ceasornicar sau de bijutier are o distanță focală de 5 cm, adică 0,05 m și o putere de 20 dioptrii.

II.6.2.3. Microscopul.

Știind că microscopul are două lentile convergente, obiectivul are o distanță focală foarte mică și este așezat în apropierea obiectului și că ocularul preia imaginea formată de obiectiv și o mărește și mai mult decât obiectivul, imaginea finală fiind virtuală, desenează formarea imaginii unui obiect într-un microscop.

Cristale de sare văzute la microscop

Mărirea microscopului este caracterizată de o mărime numită grosisment (G).

α₁ = unghiul sub care se vede obiectul direct cu ochiul liber α₂ = unghiul sub care se vede obiectul prin microscop

Puterea microscopului (P) este dată de relația:

d = distanța dintre focarele obiectivului și ocularului

f_obiectiv = distanța focală a obiectivului

f_ocular = distanța focală a ocularului

P = P_obiectiv ∙ P_ocular

🔦 Observație

Puterea maximă de mărire a unui microscop optic este de 2000 x, care se poate obține folosind un obiectiv cu o putere de 100 x și un ocular cu o putere de mărire de 20 x.

II.6.2.4. Luneta*.

Luneta este un sistem de două lentile convergente folosit pentru observarea obiectelor aflate la mare depărtare.

Ca și la microscop cele două lentile se numesc obiectiv și ocular, având focarele în același punct (sistem afocal/telescopic).

Pentru punerea la punct a lunetei (imaginea să fie clară) se deplasează ocularul față de obiectiv astfel încât imaginea intermediară (formată de obiectiv) să se formeze în apropierea focarului negativ al ocularului (F'₁).

Luneta deviază razele de lumină paralele care vin de la obiect și le focalizează pe retina ochiului observatorului ce privește prin ocular. Cu cât această schimbare de direcție a razelor paralele prin lunetă este mai mare, cu atât crește imaginea obiectului observat și luminozitatea lui.

Obiectivul produce o imagine reală și răsturnată a obiectului situat departe de observator.

Prin lentila ocularului lumina ajunge la ochi, care vede o imagine virtuală mărită.

Mărirea imaginii văzută prin ocular depinde de distanța focală a lentilei obiectivului (f_obiectiv) și de distanța focală a lentilei ocularului (f_ocular)

🔦 Observație

Luneta terestră poate observa detalii importante ale unor corpuri de la distanțe foarte mari. De exemplu, animalele pot fi studiate de la distanțe chiar mai mari de 1 km, fără să le deranjăm cu prezența noastră.

Însă, luneta terestră, față de luneta astronomică și de telescop, trebuie să dea o imagine dreaptă.Pentru redresarea imaginii (întoarcerea ei) se plasează un dispozitiv optic (pereche de prisme sau de lentile convergente identice) între obiectiv și ocular.

Pe o lunetă se scriu două numere, de exemplu “40x62”, primul arată puterea de mărire, iar al doilea diametrul obiectivului în milimetri. Cu o lunetă care mărește de 40 de ori, vei vedea un animal aflat la 40 m distanță ca și cum are fi la 1 m de tine.

Diferența dintre o lunetă (ochean) și un binoclu este faptul că binoclul are câmpul vizual mult mai mare decât luneta și ne permite vedere binoculară. Amândouă servesc pentru observarea obiectelor îndepărtate.

🔥 Atenție! Nu privi direct Soarele prin lunetă, binoclu sau telescop! Poate produce orbire!

II.6.2.5. Telescopul*.

Telescopul este un instrument optic folosit pentru observarea obiectelor aflate la mare distanță de Pământ . Este un sistem afocal, permițând să se conjuge un obiect (stea, planetă, galaxie etc) la infinit cu ochiul.

Telescoapele sunt de două feluri:

a) Telescopul de refracție folosește lentile care focalizează lumina în timp ce se deplasează spre celălalt capăt.

Are două lentile, una mai mare numită obiectiv (plasat în partea frontală) care colectează lumina de la stele și una mai mică numită ocular (în partea posterioară), care focalizează razele luminoase în ochiul observatorului.

Telescopul refractor a fost folosit de Galileo Galilei în anul 1609 cu care a văzut Luna de 30 de ori mai aproape decât cu ochiul liber.

b) Telescop de reflexie folosește ca piesă de bază o oglindă în care lumina se va opri și apoi va fi focalizată într-o zonă mai mică.

Are obiectivul cu un diametru mult mai mare prin folosirea oglinzilor concave în loc de lentile și colectează lumina de la obiectele de pe cer.

Cu ajutorul unei oglinzi plane sau sferice (focalizator), imaginea dată de obiectiv este îndreptată spre ocular prin devierea razelor perpendicular pe axa optică.

Ocularul se mișcă înainte și înapoi cu ajutorul unei roți dințate.

Datorită folosirii oglinzilor se elimină aberația cromatică dată de lentile.

Telescopul reflector a fost inventat de Isaac Newton în anul 1668.