Lente
Lente é um elemento que atua por refração, introduzindo descontinuidades no meio em que a luz se propaga inicialmente, e que reconfigura a distribuição da energia transmitida, independente da frequência da luz, isto é, tanto no ultravioleta como no domínio óptico, infravermelho, micro-ondas, ondas, rádio ou mesmo ondas acústicas. A forma da lente irá depender do tipo de reformatação da onda luminosa que se deseja.
Não se tem certeza de quando foram criadas as primeiras lentes, mas já no século VIII a.C. existia um cristal de rocha com propriedades de ampliação da imagem. No entanto, foi só no século XIII que esse cristal passou a ser conhecido e utilizado, surgindo então os primeiros óculos. Desde a sua origem esse instrumento óptico tem sido muito utilizado. Na época, logo após sua criação, houve uma rápida popularização, de modo que muitos pesquisadores começaram a fazer combinações entre lentes para a aplicação nos chamados instrumentos ópticos, como microscópios, telescópios.
Johannes Kepler foi quem pela primeira vez sugeriu a utilização de superfícies cônicas em lentes e espelhos, mas dificilmente poderia aprofundar a sua ideia sem o auxílio da Lei de Snell. Ainda com base nessa lei e na sua própria Geometria Analítica, René Descartes pode estabelecer as bases teóricas da óptica das superfícies asféricas. As lentes mais espessas no eixo do que na borda são chamadas de lentes convexas ou convergentes (essas lentes convergem os raios luminosos incidentes se o índice de refração da lente for maior do que o do meio no qual ela está envolvida) e são responsáveis pelo aumento da convergência do feixe incidente. As lentes mais finas no eixo do que nas bordas são chamadas de lentes côncavas ou divergentes (aqui também, essas lentes divergem os raios luminosos incidentes se o índice de refração da lente for maior do que o do meio no qual ela está envolvida) e aumentam a divergência dos raios luminosos em relação ao eixo central. Quando iluminadas por feixes colimados (de raios paralelos) dão origem a feixes divergentes.
Duas peças de material com superfícies esféricas, uma côncava e outra convexa, ambas com o mesmo raio de curvatura, encaixam perfeitamente uma na outra, seja qual for a sua orientação relativa. Quando dois objetos aproximadamente esféricos com a curvatura adequada, sendo um deles um utensílio de polimento e o outro um disco de vidro, separados por um abrasivo, são friccionados um contra o outro com movimentos aleatórios, os pontos salientes desaparecem e as superfícies tornam-se cada vez mais esféricas com o desgaste. Atualmente, a maior parte das lentes de qualidade que se utilizam possuem superfícies esféricas. Estas superfícies permitem a formação de imagens de objetos extensos com luz não necessariamente monocromática. Os erros de formação de imagens, ou aberrações, são inevitáveis e estão sempre presentes, mas a tecnologia atual permite construir sistemas de lentes esféricas de alta qualidade, com aberrações controladas ate o limite da difração.
As lentes podem ter uma grande variedade de formas. Uma lente é normalmente um sistema óptico constituído por dois ou mais dioptros um dos quais pelo menos é curvo. As superfícies não planas tem os respectivos centros de curvatura sobre um eixo comum. São quase sempre esféricas e frequentemente revestidas de filmes dielétricos que permitem controlar a sua transmissão. Uma lente constituída por um só elemento (dois dioptros) é uma lente simples. Uma lente composta é constituída por vários elementos (dioptros). As lentes podem ser classificadas de acordo com a sua espessura, sendo as convexas, convergentes ou positivas as lentes mais espessas no centro e que tendem a fazer diminuir o raio de curvatura das frentes de onda incidentes (pressupondo-se que o índice da lente é superior ao do meio em que esta se encontra). Por outro lado, as lentes côncavas, divergentes ou negativas são mais finas no centro, e facilitam um avanço mais rápido da frente de onda nessa zona, aumentando o raio de curvatura e fazendo-a divergir mais acentuadamente.
O conjunto constituído por dois meios transparentes e a interface entre eles recebem o nome de dioptro. A forma da superfície de separação entre os meios, superfície dióptrica, caracteriza o tipo de dioptro: plano, esférico, cilíndrico. Tomando como base os meios ar-água de um lago em repouso, por exemplo. Inicialmente o objeto encontra-se submerso na água (meio mais refringente) e o observador encontra-se fora dela, no ar (meio menos refringente). Sabemos que do objeto submerso partem raios de luz em todas as direções; sabemos também que esses raios sofrem refração na superfície da água e chegam aos olhos do observador. A imagem do objeto é definida como virtual por ser formada pela intersecção dos prolongamentos dos raios refratados. A imagem é formada no mesmo meio em que o objeto está. Tanto a imagem quanto o objeto estão sobre a mesma reta perpendicular em relação a superfície dióptrica, portanto a imagem forma-se mais próxima da superfície da água.
Aqui três coisas são importantes: objetos, lentes, imagens. As lentes podem fazer com que os objetos tenham algumas características diferentes dos objetos que a geraram. Para entender quais as características de uma imagem gerada por uma lente, deve-se conhecer o comportamento de alguns raios de luz, que serão chamados de principais. Um raio de luz que se propaga paralelamente ao eixo principal da lente, sofre refração passando pelo foco da imagem. Um raio de luz que se propaga pelo foco objeto da lente, sofre refração saindo paralelamente ao eixo principal da lente. Um raio de luz que incide sobre seu próprio centro óptico, irá refratar sem sofrer desvio algum. Um raio de luz que se propaga paralelamente ao eixo principal da lente sofre refração, e o prolongamento do raio refratado vai passar sempre pelo foco da imagem. Um raio de luz que se propaga de tal forma que o seu prolongamento passe pelo Fo, irá refratar paralelamente ao eixo principal da lente.
Método de Bessel
Podemos encontrar a distância focal de uma lente convergente utilizando o Método de Bessel, batizado em homenagem à Friedrich Wilhelm Bessel, matemático alemão. O método consiste em utilizar um objeto, um anteparo (onde a imagem será formada) e a própria lente da qual queremos descobrir o foco. Para uma distância fixa "A" e duas posições diferentes da lente separadas por uma distância "D", Bessel provou que a distância focal se dá pela seguinte fórmula: f = ( A 2 − D 2 ) / 4 A {\displaystyle f=(A^{2}-D^{2})/4A} Como mostra a figura ao lado, devemos mover a lente até acharmos as duas posições em que a imagem do objeto se tornará nítida e aplicarmos essas medidas.
Pontos conjugados
Utilizamos a, já citada, fórmula de Gauss e com o auxílio novamente de um objeto e um anteparo, medimos a distância O do objeto até a lente e I da lente até a imagem formada no anteparo. Como se trata de um procedimento experimental é importante que se repita o processo algumas vezes com distâncias diferentes para uma maior precisão no resultado. 1 / f = 1 / i + 1 / o {\displaystyle 1/f=1/i+1/o}
Lentes divergentes
O processo para se determinar a distância focal de lentes divergentes é um pouco mais complexo. É preciso um objeto virtual (mostrado tracejado na figura) obtido através de uma lente convergente. Para certa posição do objeto, localize e anote a posição i da imagem (objeto virtual) no anteparo e a distância da imagem real da lente convergente i.. A seguir coloque (como mostra a figura) uma lente divergente entre a lente convergente e o anteparo. A posição da imagem real dada pela lente convergente (tracejada) será a posição do objeto virtual para a lente divergente. Localize a imagem da lente divergente mudando a posição do anteparo (e da lente divergente caso seja preciso) para um ponto diferente (anteparo com linhas contínuas na figura), e determine a distância i' da imagem da lente divergente. Meça também a distância o' entre o objeto virtual e a lente divergente.
Lente de aumento simples
O olho humano normal só é capaz de focalizar uma imagem de um objeto na retina se a distância entre o objeto e o olho for maior que a de um ponto conhecido como ponto próximo. Quando o objeto está a uma distância menor do que a do ponto próximo a imagem na retina se torna indistinta. A posição do ponto próximo normalmente varia com a idade. Quando objeto está a uma distância menor que o ponto próximo ele não está mais em foco, ou seja, não pode mais ser visto com nitidez. É possível tornar a imagem novamente nítida observando o objeto através de uma lente convergente. Com o uso da lente a imagem estará mais distante do olho do que o ponto próximo, pode ser vista com mais nitidez.
Microscópio composto
É formado por uma objetiva (a lente mais próxima do objeto) e uma ocular (a lente mais próxima do olho). Este instrumento é usado para observar pequenos objetos que estão muitos próximos da objetiva. A distância entre as lentes é ajustada para que a imagem (real, aumentada e invertida) produzida pela objetiva fique um pouco mais próxima da ocular. Como a distância entre a imagem e a ocular é ligeiramente menor que a distancia focal, a ocular se comporta como uma lente de aumento simples, produzindo uma imagem virtual, aumentada e invertida, que é a imagem observada pelo operador do instrumento. A amplificação lateral total conseguida pelo instrumento é o produto da amplificação produzida pela objetiva e pela amplificação angular produzida pela ocular.
Telescópio
Lentes rudimentares escavadas na ilha de Creta datam de 2000 a.C. Lentes e óculos já eram usados desde cerca de 1350, e a maioria dos historiadores aceita que o primeiro telescópio foi construído pelo fabricante de óculos holandês Hans Lippershey (1570-1619), que em 1608 inventou um instrumento para olhar coisas a distância, constituído por um tubo com uma lente em cada extremidade. Em maio de 1609, Galileo construiu seu primeiro telescópio, com aumento de 3 vezes; aprimorou-o rapidamente e em novembro do mesmo ano já tinha um telescópio com aumento de 20 vezes, muito mais potente que qualquer outro existente na época. Foi com esse instrumento que ele iniciou os estudos da astronomia moderna. Porém não cabe a Galileo o crédito da invenção do telescópio.
