Então, como funcionam os binóculos?
Neste guia abrangente, abordarei a ciência por trás de como a óptica em um par de binóculos é capaz de coletar luz e, então, apresentar a você uma imagem ampliada da visão à sua frente. Em artigos futuros, também planejo abordar a mecânica principal por trás de como os mecanismos de foco e ocular funcionam e a gama de diferentes opções disponíveis.
Dessa forma, tenho certeza de que ao final você entenderá como funcionam os binóculos e, assim, estará muito mais preparado para escolher o instrumento certo para suas necessidades e, então, quando ele chegar, poderá configurá-lo corretamente e usá-lo para que você tire o melhor proveito dele. Vamos começar:
Dois Telescópios
Em sua forma mais simples, um conjunto de binóculos é essencialmente composto por dois telescópios colocados lado a lado. Então, para começar e para tornar as coisas um pouco mais simples, vamos cortar nosso binóculo ao meio e primeiro aprender como um telescópio funciona e então vamos montá-los novamente no final:
Lentes, Luz e Refração
Basicamente, a maneira como os binóculos funcionam e ampliam uma visão é usando lentes que fazem com que a luz faça algo conhecido como refração:
Através do vácuo do espaço, a luz viaja em linha reta, mas ao passar por diferentes materiais ela muda de velocidade.
Então, quando a luz passa por um meio espesso como vidro ou água, ela desacelera. Isso geralmente faz com que as ondas de luz se dobrem e é essa curvatura da luz que é chamada de refração. A refração da luz é o que faz com que um canudo pareça estar dobrado quando está em um copo d'água. Ela também tem muitos propósitos úteis e é a chave para poder ampliar o que você está olhando.
Lentes
Em vez de usar apenas uma simples folha plana ou bloco de vidro, instrumentos como telescópios, binóculos e até mesmo óculos de leitura usam lentes de vidro com formatos especiais, geralmente feitas de vários elementos de lentes individuais que conseguem controlar melhor a curvatura das ondas de luz.
A lente objetiva
(a mais próxima do objeto que você está olhando) em um binóculo é convexa em forma, o que significa que o centro dela é mais grosso que o exterior. Conhecida como lente convergente, ela captura a luz de um objeto distante e então, por meio da refração, faz com que a luz se curve e se junte (converja) ao passar pelo vidro. As ondas de luz então focam em um ponto atrás da lente.
A lente da ocular
então pega essa luz focada e a amplia, onde ela então passa para seus olhos.
Ampliação
Primeiramente a luz viaja do sujeito e uma imagem realAé produzida pela lente objetiva. Esta imagem é então ampliada por uma lente ocular e é vista como uma imagem virtualB. O resultado é que os objetos ampliados parecem estar na sua frente e mais próximos do que o sujeito.
6x, 7x, 8, 10x ou mais.
A quantidade de ampliação da imagem é determinada pela razão entre a distância focal da lente objetiva dividida pela distância focal da lente ocular.
Então, um fator de ampliação de 8, por exemplo, produzirá uma imagem virtual que parece 8 vezes maior que o objeto.
A quantidade de ampliação necessária depende do uso pretendido e muitas vezes é um erro presumir que quanto maior a potência, melhor o binóculo, pois ampliações maiores também trazem muitas desvantagens. Para mais, dê uma olhada neste artigo: Ampliação, Estabilidade, Campo de Visão e Brilho
Como você também pode ver no diagrama acima, a imagem virtual é invertida. Abaixo, veremos por que isso acontece e como é corrigido:
Imagem de cabeça para baixo
Isso é ótimo e a história pode terminar aqui se você estiver simplesmente construindo um telescópio para usos como astronomia.
Na verdade, você pode facilmente fazer um telescópio simples pegando duas lentes e separando-as com um tubo fechado. De fato, foi mais ou menos assim que o primeiro telescópio foi criado.
No entanto, o que você notará ao olhar através dela é que a imagem que você vê estará virada de cabeça para baixo e espelhada. Isso ocorre porque uma lente convexa faz com que a luz cruze conforme converge.
Na verdade, você pode demonstrar isso facilmente se segurar uma lupa a aproximadamente um braço de distância e olhar para alguns objetos distantes através dela. Você verá que a imagem estará de cabeça para baixo e espelhada ao contrário.
Para observar estrelas distantes, isso não é realmente um problema e, de fato, muitos telescópios astronômicos produzem uma imagem não retificada, mas para usos terrestres, isso é um problema. Felizmente, há algumas soluções:
Correção de Imagem
Para binóculos e a maioria dos telescópios terrestres (lunetas de observação), há duas maneiras principais de fazer isso: usando uma lente côncava para a ocular ou um prisma de montagem de imagem:
Óptica Galileana
Usada em telescópios inventados por Galileu Galilei no século XVII, a Óptica Galileana usa uma lente objetiva convexa da maneira normal, mas muda isso para um sistema de lente côncava para a ocular.
Também conhecida como lente divergente, a lente côncava faz com que os raios de luz se espalhem (diverjam). Então, se posicionada na distância correta da lente objetiva convexa, ela pode evitar que a luz cruze e, assim, impedir que a imagem fique invertida.
De baixo custo e fácil de fazer, esse sistema ainda é usado em binóculos de ópera e teatro até hoje.
No entanto, as desvantagens são que é difícil obter uma ampliação alta, você obtém um campo de visão bastante estreito e um alto nível de desfoque nas bordas da imagem.
É por estas razões que, para a maioria dos usos, um sistema de prismas é visto como uma alternativa melhor:
Óptica Kepleriana com Prismas
Ao contrário da Óptica Galileana, que usa uma lente côncava na ocular, o sistema óptico Kepleriano usa lentes convexas para as objetivas, bem como lentes da ocular, e é geralmente considerado uma melhoria no design de Galileu.
Entretanto a imagem ainda precisa ser corrigida e isso é feito com o uso de um prisma:
Corrija a imagem invertida
Funcionando como um espelho, a maioria dos binóculos modernos usa prismas verticais que refletem a luz e, assim, alteram a orientação, corrigindo a imagem.
Embora um espelho comum seja perfeito para se olhar de manhã, em um binóculo não seria bom se a luz fosse simplesmente refletida 180 graus e retornasse para onde veio, pois você nunca conseguiria ver a imagem.
Prismas Porro
Este problema foi resolvido primeiramente usando um par de prismas de Porro. Nomeado em homenagem ao inventor italiano Ignazio Porro, um único prisma de Porro, como um espelho, também reflete a luz 180 graus e de volta na direção de onde veio, mas o faz paralelamente à luz incidente e não diretamente ao longo do mesmo caminho.
Isso realmente ajuda porque permite que você coloque dois desses prismas Porro em ângulos retos entre si, o que significa que você pode refletir a luz para que ela não apenas reoriente a imagem invertida, mas também permita que ela continue efetivamente na mesma direção e em direção às oculares.
Na verdade, são esses dois prismas de Porro colocados em ângulos retos que dão aos binóculos seu formato tradicional e icônico, e é por isso que suas oculares ficam mais próximas do que as lentes objetivas.
Prismas de telhado
Além do prisma Porro, há vários outros designs, cada um com suas próprias vantagens exclusivas.
Dois deles, o prisma Abbe-Koenig e o prisma Schmidt-Pechan, são tipos de prismas de teto que agora são comumente usados em binóculos.
Destes, o prisma Schmidt-Pechan é o mais comum porque permite que os fabricantes produzam um binóculo mais compacto e fino com as oculares alinhadas com as objetivas. A desvantagem é que eles exigem uma série de revestimentos especiais para atingir a reflexão interna total e eliminar um fenômeno conhecido como deslocamento de fase.
Por que os binóculos são mais curtos que os telescópios
O segundo benefício de usar prismas é que, como a luz é invertida duas vezes ao passar pelo prisma e, assim, retorna sobre si mesma, a distância que ela percorre naquele espaço é aumentada.
Portanto, o comprimento total do binóculo pode ser encurtado, pois a distância necessária entre as lentes objetivas e a ocular também é reduzida. É por isso que os binóculos são mais curtos do que os telescópios refratores com a mesma ampliação, pois não possuem prisma.