AULA 8 - Espetro eletromagnético e meios ópticos atravessados pela luz.pdf

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ÁREA CIENTÍFICA DE ORTÓPTICA
ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DA SAÚDE DE LISBOA
Espectro electromagnético e meios
ópticos atravessados pela luz
Luís Mendanha
Carla Lança
Wilson Quintino

2
2
Fotometria
 A radiação luminosa (parte da energia radiante) emitida por uma fonte
luminosa ou refletida por um corpo é projetada na retina, pelo sistema
óptico do olho.
 A absorção de energia radiante pela retina desencadeia o processo
visual.
 A energia radiante é constituída por ondas eletromagnéticas com uma
gama de frequências ( ) que variam entre 108 e 1024 seg-1.
 Cada um dos componentes denomina-se de radiação monocromática e
pode definir-se pela sua frequência ou comprimento de onda (λ).
Fotometria: é a parte da radiometria que tem por objetivo a medição da
energia radiante enquanto ativadora de sensações visuais.
Fonte: ARTIGAS, J. M., CAPILLA, P., FELIPE, A., PUJOL, J. (1995). Optica Fisiologica - Psicofísica de la visión.
Madrid: Interamericana McGraw-Hill,.


3
Espetro eletromagnético
Fonte: http://www.igeo.pt/gdr/projectos/agro130/s2p2p1.html
O Espetro eletromagnético é constituído por raios Gama, raios x, radiação ultravioleta (UV),
radiação visível, radiação infravermelha (IV), micro-ondas e ondas rádio.

4
Espetro eletromagnético: luz visível
 A luz visível varia entre 380 nm a 780 nm.
 Normalmente nos estudos sobre visão utiliza-se o intervalo 400nm-
700nm.
 No entanto, o olho humano quando adaptado ao escuro pode ser
sensível a comprimentos de onda entre 360 a 830 nm.
Cor
Comprimento de onda
(Å=10-10m)
Comprimento de onda
(nm=10-9m)
Frequência
(1012 Hz)
violeta 4550 - 3900 455 - 390 769 - 659
azul 4920 - 4550 492 - 455 659 - 610
verde 5770 - 4920 577 - 492 610 - 520
amarelo 5970 - 5770 597 - 577 520 - 503
laranja 6220 - 5970 622 - 597 503 - 482
vermelho 7800 - 6220 780 - 622 482- 384
Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/rad/rad/rad.htm

5
Observador de referência fotométrico
 A caracterização do sistema visual como recetor de energia
radiante concretiza-se através da determinação da curva de
eficácia luminosa relativa espetral ou curva de visibilidade espetral.
 Esta curva mostra a sensibilidade relativa do sistema visual para
diferentes comprimentos de onda do espetro visível.
 A sua determinação experimental é dada por um observador de
referência fotométrico standard.

6
Espetro eletromagnético: luz visível
 Curva de sensibilidade do olho humano ao espectro luminoso.
 Valor máximo da curva = 555nm.
Fonte: http://www.energylabs.com.br/el/ver-documento/401

7
Umbral de luminância
 Umbral absoluto: é a menor quantidade de luz (limiar) em termos
radiométricos (energia) ou fotométricos (luminância) necessários
para que um estímulo seja claramente detetado.
Os parâmetros que afetam o umbral absoluto estão relacionados
com as condições de observação:
 Estado de adaptação prévio à realização da medição;
 Tamanho do “teste” e sua localização na retina;
 Tempo de exposição ao “teste”;
 Comprimento de onda ou cromaticidade do “teste”.

8
Aplicação clínica
dos limiares
Fonte: http://www.cephalon.dk/perimetry.htm
Fonte: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0034-
72802008000400008&script=sci_arttext
Fonte: http://www.neec.com/Pages/Services/Other_Specialties/Visual_Electrophysiology.php

Grandezas fotométricas
 Acordou-se internacionalmente utilizar um emissor
de luz padrão e a unidade de intensidade luminosa a candela -
unidade fundamental do Sistema Internacional para a fotometria.
 É utilizada para fontes pontuais e traduz a medida da capacidade
de uma fonte ou uma superfície iluminada para emitir luz numa
determinada direção.
 Corresponde ao fluxo luminoso emitido por um cone muito estreito
que contém determinada direção dividida pelo ângulo sólido do
cone.
9
Madrid: Interamericana McGraw-Hill.
Fonte imagens: http://www.prof2000.pt/users/eta/Iluminacao.htm

10
Intensidade luminosa
Exemplos:
lâmpada de incandescência de 100 W = 120 cd
lâmpada de bicicleta = 1cd
lâmpada de bicicleta com refletor = 100 cd
Fonte: http://2.bp.blogspot.com/_f5p0-GTrrFw/S-wVCwQIWRI/AAAAAAAAAIU/AlYRqa0P1eg/s320/tabela.JPG

11
Fluxo luminoso
A quantidade de luz emitida por uma fonte
de luz ou recebida por uma superfície
é expressa em lumens.
Unidade de fluxo luminoso SI = lúmen (lm)
1 lúmen é o fluxo luminoso emitido num esterradiano por uma
fonte luminosa pontual uniforme no vértice do ângulo sólido e cuja
intensidade luminosa é de 1 candela.
str
lm
cd
1
1 
Fonte:
http://www.prof2000.pt/users/eta/Iluminacao.htm
http://www.profelectro.info/?tag=luminotecnia

12
Iluminância
Quando um raio de luz alcança uma superfície
recebe o nome de iluminação.
A quantidade de iluminação ou iluminância define-se como o fluxo
luminoso que incide numa área de superfície determinada, ou seja, por
unidade de área.
Unidade de iluminância SI = lux (lx) ou lumens por m2
1 lux é a iluminação de uma superfície quando recebe normalmente e
uniformemente distribuído um fluxo luminoso de 1 lm por cada m2. 2
1
1
m
lm
lux 
área
oso
fluxolu
ância
Ilu
min
min 
Fonte: http://2.bp.blogspot.com/_pBvpfvR9hwU/TErVhhaHOwI/AAAAAAAAAxo/TxCEJV53eUA/s1600/Iluminancia.jpg

13
Iluminância
A iluminância é medida por um aparelho chamado luxímetro, que é
basicamente constituído por uma célula fotoelétrica.
Exemplos:
Dia de sol aberto = aprox. 100 000 lx
Céu enevoado no verão = aprox. 20 000 lx
Boa iluminação de trabalho = aprox. 1000 lx
Boa iluminação rodoviária = aprox. 20 lx
Noite de lua cheia = aprox. 0,25 lx
Rebelo, F. (2004). Ergonomia no dia a dia. Edições Sílabo: Lisboa.
http://www.grx.com.br/MaisProduto.asp?Produto=1009

14
Iluminância
Fonte: Pais, A. (2011). Condições de Iluminação em Ambiente de Escritório: Influência no conforto visual.
Dissertação de Mestrado em Ergonomia na Segurança no Trabalho. Universidade Técnica de Lisboa, Faculdade de
Motricidade Humana.

Baixa visão
Níveis de iluminância aconselhados para indivíduos com albinismo
e retinopatia diabética:
 Para orientação = 1000-1500 lux;
 Para o local de trabalho = 600 lux;
15
Grandezas fotométricas – aplicações
Bivar et al. (2003) Subvisão: Retalhos de Saberes na Reabilitação Visual. Lusociência: Loures.

16
luminância
É a intensidade de luz emitida ou refletida em uma direção
determinada por área projetada de uma superfície luminosa ou
reflectante.
Quando parte da luz incidente é refletida,
olho humano perceciona esta
superfície como uma fonte de luz.
É a medida do brilho de
de uma superfície.
Fonte: http://www.wikienergia.pt/~edp/index.php?title=Lumin%C3%A2ncia_(medida)
Rebelo, F. (2004). Ergonomia no dia a dia. Edições Sílabo: Lisboa.

17
luminância
A sua unidade no Sistema Internacional expressa-se em candela/m2
(também pode ser convertida para sb - stilb).
Exemplos:
Sol = aprox. 150 000 sb
Lâmpada de incandescência = aprox. 200 sb
Lâmpada fluorescente = aprox. 1 sb
Lua = aprox. 0,25 sb

Testes de acuidade visual e sensibilidade ao
contraste
É recomendado um nível de luminância ≥ 85 cd/m2
CSV-1000
Equipamento calibra
automaticamente
para valores de
85 cd/m2.
18
http://www.vectorvision.com/html/educationContrastSensitivityBackground.html

 Baixa visão:
 Recomenda-se um contraste entre caracteres e o fundo
(fundo branco 80-120cd/m2; fundo negro 20-25cd/m2).
19
Bivar et al. (2003) Subvisão: Retalhos de Saberes na Reabilitação Visual. Lusociência: Loures.
http://www.afb.org/seniorsite.asp?SectionID=65
http://institutoprovisao.com.br/pam.html
http://www.retinaplus.com/?opc=serv&servico=DIABETES%20OCULAR

Astenopia e fadiga visual
 Luz natural ou artificial
direcionada para o ecrã do
computador por trás do
utilizador leva ao
deslumbramento e dificulta a
visualização.
20
Alcon. Manual de ergoftalmologia para usuários de computador. [Internet]. [cited 2014 March 21]; Available from:
http://www.schaefer.com.br/pub/publicacoes/manual_ergoftalmologia.pdf

Deslumbramento
21
Occupational Safety & Health Council. A simple guide to health risk assessment: Office environment series OE 2/2003. (internet) 2003. [cited 2014 March
23]; Available from: http://www.labour.gov.hk/eng/public/oh/OHB50.pdf

Acomodação – trabalho de escritório
 Com a idade há um declínio
natural da acomodação
(presbiopia).
 Após os 40/45 anos de idade as
queixas começam por se
manifestar à noite com baixa
iluminação devido à dilatação
pupilar que aumenta os círculos
de difusão.
 É por essa razão que os presbíopes gostam de ler com maiores níveis
de iluminação – a contração pupilar diminui o circulo de difusão,
diminuindo as queixas - as necessidades de iluminação aumentam
com a idade (consultar gráfico).
22
Duke-Elder’s (1997). Refracção prática. Rio de Janeiro: Rio Med Livros.
Rebelo, F. (2004). Ergonomia no dia a dia. Lisboa: Edições Sílabo
Bommel WJM ; Beld GJ (2004). Lighting for work: a review of visual and biological effects. Lighting Res. Technol. 36 (4): 255–269.

Necessidades de iluminação
 A maior necessidade de
iluminação também se
relaciona com o cristalino
que com a idade se torna
amarelado – o nível de
transmitância é menor
(existe menos luz azul a
chegar à retina).
23

Necessidades de iluminação
 Influência da quantidade de luz na performance visual de acordo
com a idade.
24
Escritório ou ambiente industrial Tarefas finas como a inspeção de cor
- níveis de iluminação requeridos
Jovens
Indivíduos adultos

25
Estruturas atravessadas pela luz
1. Córnea (superfície anterior e posterior e substância da
córnea);
2. Humor aquoso;
3. Cristalino (superfície anterior
e posterior e substância do
cristalino);
4. Humor vítreo;
5. Retina.
1
2
3
4
5
DUKE-ELDER’S (1997). Refracção Prática. 10ª ed. Rio Janeiro: Rio Med Livros.

26
Córnea
Córnea
A luz que penetra no olho é refratada acentuadamente
na superfície anterior da córnea por dois motivos:
1. Devido à sua curvatura, a parte central esférica possui
um raio de curvatura normalmente inferior a 8mm.
2. Existe uma diferença entre os índices de refração do ar (1)
da córnea (1,37).
 Poder óptico = 40 a 45 dioptrias, duas vezes maior do que o do
cristalino (menos que 20 dioptrias).
 Durante o crescimento do olho há uma elevada correlação entre a
curvatura da córnea e o comprimento axial (quanto mais longo o último,
mais achatada a córnea).
Fonte imagem: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/eyescal.html

27
Córnea
D
A
S
CD 30
,
49
0075
,
0
1
37
,
1
.)
.
( 



N1= 1,00
N3= 1,336
N2
N3
N2= 1,376
R1
R2
R= 0,0075m
(<8mm)
r
n
CD
1


Curva dióptrica
Para 1 dióptro esférico.
Dióptro: superfície que separa 2 meios com índices de refração diferentes.

28
Humor aquoso
Humor aquoso
 Índice de refração = 1,336
Fonte imagem: http://www.cirurgiadecatarata.com.br/learn-about-cataracts/glaucoma.asp
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/eyescal.html

29
Cristalino
 A refração no olho ocorre de
forma significativa em duas
estruturas: superfície anterior da
córnea e cristalino.
 Embora o índice de refração da
substância do cristalino seja superior
ao do aquoso e do vítreo, a diferença
não é tão acentuada como a que ocorre entre a córnea e o ar.
 Não é uma estrutura homogénea, é composto por diversas
camadas, entre elas a central (núcleo) com índice de refração
superior do que na periferia o que aumenta o poder de
convergência.
Fonte imagens: http://www.visionsource-belltown.com/index.cfm?fuseaction=eyecyclopedia.main&Criteria=Results&ID=48

30
Cristalino
 O córtex pode ser considerado como dois meniscos encapsulantes.
 As camadas não são concêntricas, sendo as mais internas mais
curvas o que aumenta o poder de convergência juntamente com o
aumento do índice de refração.
 A superfície anterior do cristalino é mais plana que a posterior.
 Índice de refração na periferia n=1,386
no núcleo n=1,41
média n=1,398
 No entanto, devido à complexidade
de toda a estrutura, o índice de refração médio
uniforme é de 1,42, se o cristalino fosse homogéneo.
Fonte imagens: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/eyescal.html

Cristalino
31
Fonte: http://eprints.ucm.es/14823/1/Puell_%C3%93ptica_Fisiol%C3%B3gica.pdf

32
Cristalino
Potência = 16 a 20 D
r1 (sup. ant.) ≈ 10mm
r2 (sup. post.) ≈ 6mm
D
D 40
,
22
006
,
0
1
01
,
0
1
)
336
,
1
42
,
1
( 









Ar
D
R1>0
R2<0
É mais curva.

Vítreo
 Humor Vítreo - Índice de refração = 1,33.
33
Fonte imagem: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/eyescal.html

34
Refração no globo ocular
1. Lâmina de vidro com densidade óptica
diferente que refrata o raio luminoso;
2. Se o ponto de maior densidade óptica
se localizar no centro da lente de faces
paralelas, ela atua como uma lente
convergente;
3. Se além disso as faces forem curvas, a
influência das superfícies refratoras é
dupla e aumenta o poder de
convergência.
1 2
3

35
Refração no globo ocular
1. Lâmina de vidro com densidade óptica
diferente que refrata o raio luminoso;
2. Se o ponto de maior densidade óptica
se localizar no centro da lente de faces
paralelas, ela atua como uma lente
convergente;
3. Se além disso as faces forem curvas, a
influência das superfícies refratoras é
dupla e aumenta o poder de
convergência.
1 2
3

36
Aberrações esféricas e cromáticas
 A estrutura do cristalino diminui os erros ópticos das aberrações
esféricas e cromáticas e reduz a quantidade de luz dispersa no
interior do globo ocular.
 No olho o efeito dos erros ópticos ou
aberrações é reduzido devido ao
diâmetro pupilar e à curvatura do
cristalino mais plana na periferia.
 A aberração cromática também é compensada por diversos
mecanismos de natureza psicofísica.
A luz amarela é direcionada
para a retina. O olho é míope
para o azul e hipermétrope
para o vermelho.
Fonte: http://cepa.if.usp.br/e-fisica/otica/universitario/cap03/cap3_08.php

37
Aberrações ópticas – relembrando…
 Existem dois grupos de aberrações:
cromáticas = consequência de n ser função da frequência ou cor
monocromáticas ou de Seidel = ocorrem com luz monocromática e
podem ser subdivididas:
1. nas que deterioram a imagem tornando-a pouca nítida - aberração
esférica, o coma (a aberração esférica tem uma forma circular ou
com coma, forma de cometa) e o astigmatismo.
2. e nas que deformam a imagem (curvatura de campo e distorção).
Fonte: Hecht, E (2002). Óptica (2ªed.). Lisboa: fundação Calouste Gulbenkian

38
Aberrações ópticas – relembrando…
 Aberração esférica
Raios que incidem na
superfície a maior
distância do eixo
convergem mais perto do vértice.
Reduz-se diminuindo a curvatura do centro para a periferia.
Lente aplanática
Curvatura maior no centro e menor na periferia
http://cepa.if.usp.br/e-fisica/otica/universitario/cap03/cap3_08.php

39
Aberrações ópticas– relembrando…
 Aberração cromática
Os comprimentos de onda curtos ao passar
por um meio de refração, através de uma
lente, são mais acentuadamente inclinados
que os comprimentos de onda longos, pelo
que atingem um foco primeiro.
Raios mais periféricos que atingem a periferia
da lente. Raios azuis convergem mais que os vermelhos.
Para diminuir este efeito combina-se lentes com 2 índices de refração
diferentes - LenteAcromática - Exemplo: lente convexa de 1,5 e lente
concava de 1,7.
Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/telesc/node2.htm

A formação de imagens na retina
 A imagem que é rececionada pela retina é invertida e diminuída, de
modo idêntico às imagens formadas por lentes convexas, sendo re-
invertida no córtex cerebral.
40
Fonte imagem: http://blog.clickgratis.com.br/artigosdoutrinarios/407043/O+LIVRO+DOS+M%C9DIUNS+-+Estudo+39.html

41
Retina
 A retina é uma membrana fotossensível do olho e contém
fotorreceptores:
Cones
Bastonetes
http://www.encolombia.com/medicina/materialdeconsulta/Tensiometro150/Tensiometro150CLaretina.htm

42
Fotoreceptores
 Cones: concentração
aproximada a 0º (fóvea)
150000 cones/mm2
descendo bruscamente
até 4000 a 5000 cones/mm2
permanecendo assim em
quase toda a superfície da retina.
 Bastonetes: concentração aproximada a 20º fora da fóvea
(150000 bastonetes/mm2) diminuindo para a periferia de uma
forma menos brusca que os cones chegando aos 30000 a 40000
bastonetes/mm2.
Fonte: http://webvision.med.utah.edu/spanish/fotorre.html

43
Fotoreceptores
 Os fotoreceptores têm nos seus segmentos
externos substâncias químicas específicas
que se decompõem quando expostas à luz.
Bastonetes = Rodopsina – 498nm
Cones = Eritrolabo (vermelho) – 564nm
Clorolabo (verde) – 534nm
Cianolabo (azul) – 420 nm
(máxima sensibilidade)
A proporção entre cones é de aproximadamente de 40 vermelhos para 20 verdes e 1
azul (sem confirmação).
Fonte: http://abcine.org.br/site/index.php?option=com_content&task=view&id=179&Itemid=176

44
Dualidade retiniana
 A retina humana é como um recetor duplo com sensibilidade
espectrais distintas consoante seja em condições fotópicas ou
escotópicas.
 Esta dualidade manifesta-se de várias formas, sendo que a variação
do diâmetro pupilar em função da luminância muito importante.
Condições fotópicas – só os cones estão ativos > 102cd/m2.
Condições escotópicas – só bastonetes ativos < 10-3cd/m2.
Condições mesópicas – cones e bastonetes ativos > 10-3cd/m2 e
<102cd/m2.

45
Efeito de Purkinje
 Purkinje, fisiólogo Checo, descobriu em 1825 que duas superfícies, uma vermelha e
outra azul, pareciam ter a mesma claridade durante o dia mas, à noite na
obscuridade a superfície azul parecia mais luminosa que a vermelha.
 A claridade define-se como o atributo da perceção visual que corresponde à
luminosidade de um campo quando comparada com outro.
 A luminosidade define-se como o atributo da perceção visual segundo o qual um
campo parece mostrar mais ou menos quantidade de luz.
 Como nestas condições a sensação de cor desaparecia a superfície azul era
percebida como cinzenta clara e a vermelha como negra.
 Esta observação demonstrava a variação da eficiência luminosa relativa do sistema
visual ao passar-se de condições fotópicas para condições escotópicas.
A esta variação dá-se o nome de
efeito de Purkinje.

46
Efeito de Purkinje
 O efeito de purkinje não se manifesta quando as superfícies não
excedem 1º, uma vez que, só abrangem a área da retina que
apresenta cones.
Fonte: http://www.lip.pt/outreach/oldweb/experiments/e+05+40.gif

47
Efeito de Purkinje
 A perceção visual da luz visível sobre diferentes intensidades de
luz é ilustrada através da curva de sensibilidade espectral.
 Existem uma mudança na sensibilidade
para o azul-violeta quando se está sob
condições escotópicas.
 Em condições fotópicas o olho é
mais sensível a comprimentos de
onda longos (vermelho) e em condições
escotópicas o olho é mais sensível a
comprimentos de onda curtos
(azul/violeta).
Fonte: http://www.palagems.com/gem_lighting1.htm

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