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2.7: A câmera

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Descreva a ótica de uma câmera
    • Caracterizar a imagem criada por uma câmera

    As câmeras são muito comuns em nossa vida cotidiana. Entre 1825 e 1827, o inventor francês Nicéphore Niépce fotografou com sucesso uma imagem criada por uma câmera primitiva. Desde então, um enorme progresso foi alcançado no design de câmeras e detectores baseados em câmeras.

    Inicialmente, as fotografias foram registradas usando a reação sensível à luz de compostos à base de prata, como cloreto de prata ou brometo de prata. O papel fotográfico à base de prata era de uso comum até o advento da fotografia digital na década de 1980, que está intimamente conectada a detectores de dispositivos de carga acoplada (CCD). Resumindo, um CCD é um chip semicondutor que grava imagens como uma matriz de pequenos pixels, cada pixel localizado em uma “caixa” na superfície. Cada pixel é capaz de detectar a intensidade da luz que incide sobre ele. A cor é realçada colocando filtros de cor vermelha, azul e verde sobre os pixels, resultando em imagens digitais coloridas (Figura\(\PageIndex{1}\)). Em sua melhor resolução, um pixel CCD corresponde a um pixel da imagem. Para reduzir a resolução e diminuir o tamanho do arquivo, podemos “dividir” vários pixels CCD em um, resultando em uma imagem menor, mas “pixelizada”.

    Uma fotografia de um dispositivo de carga acoplada é mostrada. Uma pequena parte disso é ampliada e mostra vários pixels com quadrados vermelhos, azuis e verdes. Isso é rotulado como “sensores para comprimentos de onda de luz vermelha, azul ou verde” e “conversão em voltagens”. Uma fotografia de flores é mostrada, rotulada como “saída de imagem”.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Um dispositivo de carga acoplada (CCD) converte sinais de luz em sinais eletrônicos, permitindo o processamento eletrônico e o armazenamento de imagens visuais. Essa é a base para imagens eletrônicas em todas as câmeras digitais, de telefones celulares a câmeras de cinema. (crédito restante: modificação da obra de Bruce Turner)

    Claramente, a eletrônica é uma grande parte de uma câmera digital; no entanto, a física subjacente é a ótica básica. De fato, a ótica de uma câmera é praticamente a mesma de uma única lente com uma distância de objeto significativamente maior do que a distância focal da lente (Figura\(\PageIndex{2}\)).

    A figura mostra a vista lateral de uma câmera digital. Na frente da câmera há um disco chamado abertura, seguido por uma lente biconvexa, uma lente bicôncava, um espelho inclinado denominado espelho flip-up, um obturador e um sensor. O caminho da luz é mostrado de forma que a luz entre na câmera através da abertura e das lentes e atinja o espelho. É refletido para cima no sistema de visualização. Aqui, ele reflete em mais dois espelhos antes de passar por uma lente biconvexa e sair da câmera.
    Figura\(\PageIndex{2}\): As câmeras digitais modernas têm várias lentes para produzir uma imagem nítida com o mínimo de aberração e usam filtros vermelho, azul e verde para produzir uma imagem colorida.

    Por exemplo, vamos considerar a câmera em um smartphone. Uma câmera média de smartphone é equipada com uma lente grande angular estacionária com uma distância focal de cerca de 4—5 mm. (Essa distância focal é aproximadamente igual à espessura do telefone.) A imagem criada pela lente é focada no detector CCD montado no lado oposto do telefone. Em um telefone celular, a lente e o CCD não podem se mover em relação um ao outro. Então, como podemos garantir que as imagens de um objeto distante e de um objeto próximo estejam focadas?

    Lembre-se de que um olho humano pode acomodar imagens distantes e próximas alterando sua distância focal. A câmera de um celular não pode fazer isso porque a distância entre a lente e o detector é fixa. É aqui que a pequena distância focal se torna importante. Vamos supor que tenhamos uma câmera com uma distância focal de 5 mm. Qual é a distância da imagem para uma selfie? A distância do objeto para uma selfie (o comprimento da mão segurando o telefone) é de cerca de 50 cm. Usando a equação de lente fina, podemos escrever

    \[\frac{1}{5mm}=\frac{1}{500mm}+\frac{1}{d_i} \nonumber \]

    Em seguida, obtemos a distância da imagem:

    \[\frac{1}{d_i}=\frac{1}{5mm}−\frac{1}{500mm} \nonumber \]

    Observe que a distância do objeto é 100 vezes maior que a distância focal. Podemos ver claramente que o termo 1/ (500 mm) é significativamente menor do que 1/ (5 mm), o que significa que a distância da imagem é praticamente igual à distância focal da lente. Um cálculo real nos dá a distância da imagem d i = 5,05 mm. Esse valor está extremamente próximo da distância focal da lente.

    Agora vamos considerar o caso de um objeto distante. Digamos que gostaríamos de tirar uma foto de uma pessoa parada a cerca de 5 m de nós. Usando novamente a equação da lente fina, obtemos a distância da imagem de 5,005 mm. Quanto mais longe o objeto estiver da lente, mais próxima será a distância da imagem da distância focal. No caso limite de um objeto infinitamente distante, obtemos a distância da imagem exatamente igual à distância focal da lente.

    Como você pode ver, a diferença entre a distância da imagem para uma selfie e a distância da imagem para um objeto distante é de aproximadamente 0,05 mm ou 50 mícrons. Mesmo uma curta distância do objeto, como o comprimento da mão, é duas ordens de magnitude maior do que a distância focal da lente, resultando em variações mínimas da distância da imagem. (A diferença de 50 mícrons é menor do que a espessura de uma folha de papel média.) Essa pequena diferença pode ser facilmente acomodada pelo mesmo detector, posicionado na distância focal da lente. O software de análise de imagens pode ajudar a melhorar a qualidade da imagem.

    As câmeras convencionais de apontar e disparar geralmente usam lentes móveis para alterar a distância entre a lente e a imagem. As lentes complexas das câmeras reflex espelhadas, mais caras, permitem imagens fotográficas de excelente qualidade. A ótica dessas lentes de câmera está além do escopo deste livro didático.