Introdução à Óptica Oftálmica  (1°aula)
Autor: Anderson.optometria@hotmail.com | Publicado: 2010-04-25T12:51:00-07:00

UNIVERSIDADE BRAZ CUBAS – Tecnologia em Óptica e Optometria
Introdução à Óptica Oftálmica
Observação: O presente texto é destinado a profissionais que
necessitam somente das informações básicas relativas a alguns conceitos da
óptica física que se aplicam à área de óptica oftálmica, por isso não existem
grandes desenvolvimentos matemáticos ou outra forma de aprofundamento
teórico.
Objetivo: Compreender conceitos básicos da natureza da luz e sua
aplicação em alguns elementos na área de óptica oftálmica como filtros
destinados a tratamentos terapêuticos, revestimentos anti-reflexo em lentes,
filtros polarizadores e aplicação do conceito de frente de onda e difração.
Natureza da luz
Durante muito tempo os homens vêm procurando desvendar os
mistérios relativos à luz. Do que a luz é feita? Como e por que se comporta de
maneira característica? Como podemos usá-la?
Diversos estudiosos desenvolveram teorias para explicar a natureza da
luz ao longo dos séculos. Assim criaram diversos modelos de forma a tentar
prever e entender seu comportamento.
Desenvolver um modelo significa propor um conjunto de conceitos que
nos permitam descrever um fenômeno, sendo muitas vezes necessário o
desenvolvimento de símbolos que permita uma visualização através do
estabelecimento de comparações com elementos da natureza que possuem
comportamento semelhante e são mais concretos. Entender o comportamento
da luz exige um pouco da nossa imaginação!
O físico holandês Christiaan Huygens (1629 -1695) descreveu a luz
como uma onda, semelhante às ondas que se propagam na água, enquanto de
Isaac Newton (1642 – 1727) tentava explicar luz com se fosse composta de
pequenas partículas, conceito que prevaleceu por quase um século.
Posteriormente no século XIX Thomas Young e Augstin Fresnel, através de
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alguns experimentos trouxeram de volta a proposta de Huygens, porém mais
detalhada e embasada em novos conceitos. Finalmente com James Clerk
Maxwell e Heinrich Rudolf Hertz estabeleceu-se a relação da luz com a
eletricidade e o magnetismo, caracterizando a luz como uma onda
eletromagnética.
Porém no inicio do século XX com a observou-se fenômenos, como o
efeito fotoelétrico, de ordem microscópica, onde determinados matérias ao
serem bombardeados pela luz emitem elétrons e que não podiam ser
explicados através do entendimento da luz com uma onda, voltando então ao
desenvolvimento do conceito de partícula, porém trazendo conceitos relativos
ao modelo ondulatório como a freqüência.
Assim atualmente os estudiosos do assunto consideram a natureza
dupla da luz, onde, para determinados fenômenos o modelo de onda ou
ondulatório oferece melhores explicações e o modelo de partícula que em
outros casos, normalmente a nível microscópico, explicar melhor.
Assim se quisermos definir a luz simplesmente como um fenômeno
físico referente a ondas eletromagnéticas ou fótons ou, numa forma mais
lúdica, como a “sensação consciente de um observador cuja retina é atingida
por ondas eletromagnéticas ou fótons” (Sears, 1961) ou como a “modalidade
de energia radiante da qual um observador se apercebe mediante sensações
visuais que provêm do estímulo da retina” (Optical Society of America).
Eletricidade e Magnetismo
A luz é têm mesma natureza que a
eletricidade e o magnetismo, que são elementos
básicos da natureza. A eletricidade já conhecida
através dos raios e relâmpagos na natureza, foi
observada quando um filósofo grego chamado
Tales de Mileto percebeu que ao esfregar um
pedaço de lã de carneiro em uma pedra de
âmbar (pedras amarelas resultados de seiva de arvores pré-históricas
fossilizadas) esta adquiria a propriedade de atrair objetos como folhas secas, é o mesmo fenômeno que observamos quando ao pentear os cabelos
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verificamos que o pente passa atrair pedaços de papel. O nome eletricidade
surgiu somente no século 16, porque o nome do âmbar em grego é “elektron”,
e daí a palavra eletricidade. Tales também observou que existiam umas
estranhas pedras pretas que atraiam metais, em particular o ferro das espadas utilizadas na época, e como a região onde foram encontradas estas pedras chamava-se Magnésia, na Turquia, foram chamadas de “Magnetos” e mais
tarde “Imãs”. Ao longo dos séculos os pesquisadores observam que
Magnetismo e Eletricidade se relacionavam, era possível produzir eletricidade através do magnetismo e produzir magnetismo através da eletricidade e que eles se propagavam através do espaço na forma de ondas eletromagnéticas,ou seja, energia elétrica e magnética pulsando e sendo transmitida!O conceito de onda O conceito de onda é semelhante aos das ondas que observamos na superfície da água quando a agitamos. A perturbação produzida faz com que a água se movimente criando “cristas” que se espalham pela superfície com uma determinada velocidade. No caso da eletricidade é do magnetismo acontece a mesma coisa, quando “agitamos’ um corpo carregado de eletricidade ou magnetismo nos geramos ondas eletromagnéticas.
Características das ondas Entender o conceito de comprimento de onda e o modelo de onda utilizado para descrever a luz é importante porque através deles podemos explicar como funcionam alguns recursos ópticos utilizados na área de óptica Alex Dias – Óptica Oftálmica UNIVERSIDADE BRAZ CUBAS – Tecnologia em Óptica e Optometria oftálmica como os filtros utilizados para tratamento terapêutico, as técnicas de medição que aplicam o conceito de frente de onda para correção de problemas de visão e projeto de lentes oftálmicas e o funcionamento tratamento antireflexo.
Foram as propriedades como refração, reflexão, difração e polarização
que levaram os pesquisadores a atribuir a luz a natureza ondulatória. Existem dois tipos de onda, as transversais e as longitudinais, a luz se propaga na forma de ondas transversais, por isso nos prenderemos aos detalhes deste tipo de onda. Na figura abaixo ilustramos os dois tipos de onda, as longitudinais produzidas pela compressão de uma mola e as transversais produzidas pela agitação de uma corda. O nome transversal e longitudinal vem em função do sentido da vibração.
Em uma corda, se a mantivermos esticada e fizermos um rápido movimento lateral (transversal) com a mão observaremos uma perturbação, uma onda se propagando através dela. Se prosseguirmos com o movimento terá uma série de ondas se propagando.
Algumas características das ondas devem ser observadas, o primeiro é
o comprimento de onda, que é a distância entre duas cristas, ou dois picos das ondas, representada pela letra grega “lambda” (λ).Outra característica para observar é o período, representado pela letra T, que é o intervalo de tempo Alex Dias – Óptica Oftálmica Sentido da Senti do da vibração
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entre a ocorrência de duas cristas. Mais utilizado do que período tem a
freqüência (f), que é o inverso período, que indica quantas ondas ocorreram
num determinado espaço de tempo, normalmente é o utilizado o segundo como
unidade de tempo e a unidade da freqüência é o Hertz (Hz - períodos por
segundo).
Como curiosidade podemos citar as estações de rádio quando
apresentam seu prefixo ao longo da sua programação se referem ao seu
comprimento de onda e freqüência que operam.
A luz como onda eletromagnética
A luz é um tipo particular de onda eletromagnética, assim como as
ondas de rádio, as microondas, os raios ultravioleta, os raios infravermelhos, os
raios x e raios gama. Cada família de ondas eletromagnéticas é identificada por
sua freqüência ou seu comprimento de onda. Cada cor de luz também possui
um comprimento de onda específico.
A tabela a seguir nos dá uma idéia da ordem de grandeza das ondas de
cada “família”.
Onda Comprimento (metros) Freqüência (Hz)
Radio 10.000 até 0,0001 103 a 1010
Microondas 0,1 a 0,001 109 a 1012
Infravermelho 0,0001 até 0,000001 1012 a 1014
Luz 0,0000001 1014 a 1015
Ultravioleta 0,0000001 1015 a 1016
Raios X 0,00000001 até 0,00000000001 1016 a 1021
Raios Gama 0,00000000001 até 0,000000000001 1019 a 1024
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ll
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Quanto menor o comprimento de onda, maior é a quantidade de energia
que possui a radiação eletromagnética. Assim as radiações ultravioletas, raios
x e raios gama, em determinadas intensidades podem produzir sérios danos no
organismo humano a nível celular, podendo inclusive produzir doenças como o
câncer.
Como o metro passa a ser uma unidade de medida muito grande para
avaliar o comprimento de onda da luz, utilizaremos o nanômetro que equivale a
um metro dividido por um bilhão, e representaremos pela notação “ηm”. A
tabela a seguir indica a faixa de comprimentos de onda correspondentes a
cores do espectro luminoso. A luz branca não nada mais do que a soma de
todas estas cores.
Para termos uma idéia do “tamanho” de uma onda, basta dizer o
comprimento de onda de luz amarela é cerca de180 vezes mais fino do que um
fio de cabelo.
Cor Comprimento de onda
(nanômetros)
Infravermelho (*) 2800 a 760
Vermelho 760 a 620
Laranja 620 a 590
Amarelo 590 a 560
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Verde 560 a 490
Azul 490 a 450
Violeta 450 a 380
Ultravioleta A (*) 380 a 315
Ultravioleta B (*) 315 a 280
Ultravioleta C (*) 280 a 100
(*) não é considerada luz visível
Ao longo do curso retomaremos as características das ondas para poder
explicar os conceitos de polarização, interferência e frente de onda.
Princípios relativos a aplicação de filtros
em lentes oftálmicas
Transmitância
Ao incidir sobre um material transparente, grande parte a luz atravessa o
material, porém uma parte é refletida ou absorvida. Para medir a quantidade de
luz que atravessa o material defini-se uma grandeza chamada de
Transmitância, indicado pela letra “T” ou pela letra grega “tao” (t ) onde “I” é
quantidade de luz que efetivamente atravessou o material e “I0“ é a quantidade
de luz que incidiu.
100 0 = ´I T I
Normalmente tratamos com a Transmitância Espectral, ou seja, a
quantidade de cada cor de luz que atravessa o material e assim criamos um
gráfico denominado Gráfico de Transmitância que indicará todos os valores
relativos a um material específico.
Existem diversas lentes filtrantes com finalidades terapêuticas que
necessitam possuir características especificas de transmitância. Para obter o
efeito desejado precisam bloquear ou deixar somente algumas cores
específicas. O objetivo é melhorar o contraste e ou evitar que alguma parte da
radiação, como a da cor azul, acelere o desenvolvimento de alguma patologia
verificada. Mesmo os óculos solares sem função terapêutica são classificados
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em função de sua transmitância, a tabela abaixo tirada da norma ABNT 15094-
3 mostra como devem ser classificadas as lentes utilizadas em óculos segundo
a sua transmitância.
Tabela 1 - Categorias para transmitância luminosa e transmitância
permissível relativa na região espectral do ultravioleta solar
Categorias Região espectral no
visível
Região espectral no ultravioleta
Região de
transmitância
luminosa
tv
Valor máximo de
transmitância de
UV-A solar
tSUVA
Valor máximo de
transmitância de
UV-B solar
tSUVB
Acima de
%
até % Acima de 315nm
até 380nm
UV-A
Acima de 280nm
até 315nm
UV-B
0 80,0 100,0
tv
tv
1 43,0 80,0
2 18,0 43,0 0,125 tv
3 8,0 18,0 0,5 tv
4 3,0 8,0 1,0%absoluto
NOTA 1 Lentes fotocromáticas para óculos pertencem em geral a duas
categorias, correspondentes respectivamente ao estado mais claro e ao estado
mais escurecido.
NOTA 2 Os requisitos de UV para lentes fotocromáticas para óculos no estado
mais escurecido podem ser verificados no estado mais claro, se os requisitos
de UV para o estado mais escurecido são atingidos no estado mais claro.
NOTA 3 Recomenda-se que colorações uniformes ou com gradientes sejam
encomendadas ao fabricante por meio de código de identificação, nome ou
número de referência.
Assim é obrigação do fabricante dos filtros apresentar o gráfico de
transmitância do material oferecido, assim os óculos solares devem indicar a
categoria de filtragem em que se enquadram. Normalmente destes filtros se
refere ao valor limite de comprimento de onda que é filtrado, ou seja, qualquer
valor inferior ao especificado será filtrado nesta lente. No exemplo abaixo
mostramos um gráfico de transmitância onde observamos que no eixo vertical
temos a transmitância e no eixo horizontal estão os comprimentos de onda
correspondentes a cada cor. Para facilitar indicamos as faixas de comprimento
de onda correspondentes a cada cor. Para ilustrar, pegamos dois pontos
quaisquer do gráfico para verificar a transmitância correspondente. No ponto 1,
que se encontra dentro da faixa da cor azul, em aproximadamente 470 nm,
verificamos um transmitância de 0%, ou seja, esta cor é particular é
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completamente filtrada por estes óculos. Ao observarmos o ponto 2, que
corresponde a aproximadamente 670 nm, dentro da faixa do vermelho,
verificamos uma correspondência de aproximadamente 37% de transmitância
para esta cor. Em função da limitação da escala apresentada que
apresentamos os valores como aproximados, se necessitássemos de maior
precisão precisaríamos de um gráfico com uma escala mais bem definida.
Podemos através de uma análise concluir que estes óculos em particular filtram
toda a luz que possua um comprimento de onda inferior a 560 nm e deixa
passar os demais comprimentos, porém num valor de transmitância não
superior a 40%. Assim podemos dizer que a recomendação para utilização
deste filtro ocorrerá provavelmente em locais altamente iluminados, como sob a
luz solar no horário próximo ao meio dia.
O gráfico a seguir mostra outro filtro largamente utilizado, não só com
finalidade terapêutica como para utilização no período noturno, particularmente
para motoristas. Podemos perceber que ele possui uma capacidade menor de
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380
780
590
490
440
630
560
VERMELHO
LARANJA
ANARELO
VERDE
AZUL
VIOLETA
1
~37% 2
0 %
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filtragem, uma vez que sua transmitância é elevada para a maioria das cores,
sendo especialmente reduzida na faixa da cor azul, onde podemos considerar
uma transmitância máxima de aproximadamente 20% dentro desta faixa. Para
o limite superior da faixa correspondente ao azul, no valor de 450 nm, no
entanto a transmitância é de 15% aproximadamente. Vemos que para a faixa
superior a 550 nm a transmitância atinge valores próximos de 100% onde
podemos concluir que sua aplicação em locais de iluminação de menor
intensidade como o ambiente externo a noite ou mesmo outros de iluminação
fraca. Os comprimentos de onda relativos à radiação ultravioleta são
completamente filtrados nestes óculos, pois observamos uma transmitância de
0% abaixo de 380 nm.
O conceito de contraste
Aqui também vale uma pausa para explicar o conceito de contraste.
Consideremos a letra da “A” da figura abaixo em cor preta, impressa sobre um
fundo branco. Contraste é justamente a diferença de luminosidade existente
entre o fundo da figura e a própria e figura e que nos permite perceber os
contornos da figura com nitidez. Já, se utilizarmos dois tons de cinza para o
fundo e para a letra esta diferença de luminosidade, o contraste, diminui
dificultando a percepção dos contornos. Sob iluminação muito intensa este
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efeito se acentua, por isso nem sempre uma iluminação exagerada pode ser a
melhor solução se não houver preocupação com o contraste.
A utilização de filtros permite
justamente acentuar o contraste,
aumentando a diferença entre a
luminosidade do fundo e a do objeto,
que facilita a percepção de
contornos, melhorando a acuidade
visual do usuário, porém
prejudicando a discriminação de cores.
Neste ponto se aplica um breve parêntese para um interessante artigo
da Dr. Érika Magalhães:
Efeitos nocivos da luz azul sobre o epitélio pigmentar da
retina
DRA. ERIKA MAGALHÃES
Existem, atualmente, estudos experimentais demonstrando que a
lipofuccina, que é um pigmento que se acumula na retina de pessoas mais
velhas, apresenta um mecanismo fotoquímico que provoca lesão nessa
estrutura do olho.
O que ocorre é que o cristalino de pacientes acima de 50 anos absorve,
naturalmente, mais luz azul do que o cristalino de uma criança ou de pacientes
pseudofácicos que têm implantes de LIOs convencionais que absorvem apenas
a luz ultravioleta.
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Após sofrer excitação pela luz azul, a lipofuccina libera oxigênio singleto,
que provoca lesão no epitélio pigmentar da retina. Teoricamente, isso seria um
fator que levaria a um agravamento da degeneração macular relacionada à
idade.
Um grupo de pesquisadores da Universidade de Colúmbia, nos EUA,
publicou na Investigative Ophthalmology and Visual Science, no ano de 2000,
um trabalho demonstrando que um componente da lipofuccina (a lipofuccina
A2E) é responsável por essa absorção da luz, com conseqüente apoptose das
células do epitélio pigmentar da retina e degeneração macular relacionada à
idade.
· Todas as pessoas devem usar óculos com proteção contra luz UV
(ultravioleta) o mais cedo possível.
· Mas além da UV, a luz azul também tem um papel potencialmente
lesivo para a retina envelhecida.
· O comprimento de onda da luz azul nociva é 430 a 470 nanômetros
maior do que o comprimento de onda da luz ultravioleta.
· Os óculos e LIOs convencionais têm apenas proteção contra UV.
Não absorvem a luz azul, porque só oferecem proteção para
comprimentos de onda de até 400 nanômetros.
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Diante disso, alguns fabricantes têm incorporado às LIOs convencionais
filtros amarelos que absorvem a luz azul. Entretanto, apesar de já existir um
embasamento teórico bem sustentado através de estudos experimentais,
somente o acompanhamento dos pacientes a longo prazo, com amostragem
significativa, poderá comprovar se essa proteção acoplada às LIOS terá
realmente um efeito benéfico sobre o epitélio pigmentar da retina e
conseqüente redução do risco de DMRI.
Como os filtros influenciam na discriminação de cores sua utilização nos
casos de condução de veículos de ser particularmente considerada uma vez
que pode prejudicar a visualização da sinalização de trânsito, como no caso
dos semáforos, a lentes de cor azul filtram particularmente a cor vermelha.”
(Retirado do site www.portaldaoftalmologia.com.br/home/artigos.asp?
cod=11)
Observação: o assunto dos riscos da luz azul é um assunto amplamente
discutido na comunidade médica, vale a pena pesquisar e procurar a opinião
de outros profissionais quanto ao assunto.
Associação de filtros
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Se alinharmos dois filtros, a transmitância resultante será o produto das
transmitâncias individuais de cada filtro.
Exemplo: Consideremos um filtro com transmitância de 70% e outro com
transmitância de 60%, a transmitância total será de 42%
T = 0,7 ´ 0,6 = 0,42
Polarização
Uma vez que a luz viaja na forma de ondas no espaço tridimensional,
temos ondas vibrando em todas as direções. Fenômeno da polarização é um
dos argumentos para justificar a natureza da luz com uma onda transversal.
Quando verificamos que todas as ondas de luz vibram numa mesma
direção observamos um fenômeno denominado polarização. Existem diversas
formas de polarização, neste caso dizemos que as ondas são planas
polarizadas, outras formas são a polarização circular e a elíptica, mas que não
nos interessam no caso da óptica oftálmica.
Existem alguns materiais que, em função de sua estrutura molecular,
filtram a luz permitindo que somente a luz que vibra em uma determinada
direção vibre. Alguns materiais denominados bi-refringentes (que possuem dois
índices de refração) fazem com que a luz que os atravessam se divida em dois
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Uma corda vibrando ilustra a propagação
de uma onda transversal.
Dependendo dos obstáculos, pode permitir ou limitar o
sentido de vibração da corda.
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feixes polarizados, outros simplesmente absorvem um dos feixes deixando
somente que o outro passe. A figura abaixo mostra um cristal de calcita
(CaCO3) onde a imagem dupla da escala da régua ocorre justamente porque a
luz é decomposta em dois feixes polarizados.
Quando a luz incide sobre uma superfície plana, parte da luz que é
refletida é normalmente polarizada em um plano paralelo a superfície refletora.
Então superfícies como pisos muito lisos, vidros de pára-brisa de
automóveis, superfícies de rios e lagos refletem uma quantidade significativa
de luz polarizada. Este tipo de reflexo acaba prejudicando a qualidade visão,
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Luz refletida
de alguma
superfície.
Somente a luz que
vibra na direção
vertical passa pelo
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pois geram certo ofuscamento e perda da percepção de contraste, assim filtros
polarizadores tornam-se interessantes nestes casos.
As imagens a seguir mostram a mesma cena vista sem um filtro
polarizador, à esquerda, e a outra através de um filtro polarizador.
Assim ao serem montados em óculos este tipo de filtro tem uma posição
exata, caso contrário não produzirá o efeito desejado e, lembrando um caso
comum, de uma vitrine que está na vertical produz um reflexo polarizado
verticalmente, paralelo ao plano da vitrine, então não será filtrado pela lente.
É importante corrigir a terminologia, as lentes são chamadas de
polarizadoras, quem é polarizada é a luz.
Ao alinhar dois filtros polarizadores cruzados da 90º estará barrando
completamente a passagem da luz. Nas figuras abaixo, onde as lentes da parte
superior da folha estão alinhadas e deixam a luz passar, já as lentes da parte
inferior estão cruzadas em um ângulo de 90º uma em relação à outra.
Uma outra curiosidade ocorre com materiais transparentes submetidos à
tensão, como lentes que sofrem um aperto excessivo na hora de montagem
onde elas passam a agir como filtros polarizadores nas regiões submetidas à
pressão da montagem. O choque térmico, produzido pelo resfriamento
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acelerado de um material, como no caso de endurecimento de lentes e na
produção de lentes de policarbonato, também produz este tipo de efeito.
Existe um equipamento denominado polariscópio, simples de ser
fabricado e que possibilita a verificação deste efeito. São dois filtros polarizados
montados a 90º um relação a outro. Caso a lente colocada entre os dois filtros
apresente algum problema ela modificará a forma de polarização da luz,
permitindo que a luz passe através dos filtros.
No caso da figura à esquerda temos um exemplo de polariscópio e à
direita o aspecto colorido da lente é característico do policarbonato que é
produzido através de um resfriamento muito rápido e que gera o acumulo de
tensões, além disso, observamos um furo mal feito que acabou produzindo
mais tensões no material.
É freqüente ouvir reclamações de pessoas que ao colocarem lentes
polarizadas observam manchas em determinados vidros como portas de
banco, vitrines ou pára-brisas de automóveis mais antigos, pois normalmente
estes materiais são tratados termicamente para aumentar sua resistência
gerando este tipo de fenômeno.
O problema do asfalto citado em muitos sites deve ser visto com
cuidado, pois existem dois tipos de fenômenos envolvidos na luz vem dele. Um
deles é o reflexo que produz a luz polarizada horizontalmente que pode ser
filtrada por uma lente. Outro fenômeno é relativo à refração que acontece
porque o sol que incide sobre o asfalto gera um aquecimento na camada de ar
que está em contato com ele alterando seu índice de refração. A diferença
entre o índice de refração desta camada de ar que está em contato com o
asfalto com as camadas superiores gera um fenômeno denominado reflexão
total, que produz a ilusão de uma um superfície liquida, uma miragem e que
pode não ser completamente filtrada pela lente.
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Em nosso próximo texto daremos continuidade tratando de outras
características das ondas, a Interferência.
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