Luz

A luz é o elemento fundamental para a fotografia! É muito comum escutar ou ler que a fotografia é a arte de esculpir com a luz. Mas o que é a luz?

Para a ciência a luz é formada por um conjunto de partículas, denominados fótons. Estes objetos foram propostos pela primeira vez por Albert Einstein, em 1905 para explicar o chamado efeito fotoelétrico. Mas para uma vasta gama de situações, podemos aproximar o comportamento da luz não como um conjunto de partículas, mas como uma tipo de oscilação que denominamos ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas descrevem não apenas a luz, mas descreve  também as ondas de rádio, as microondas,o infravermelho , a luz ultravioleta , o raio-X. A luz é apenas uma pequena parte do que denominamos espectro eletromagnético. A figura 1 ilustra o que denominamos espectro eletromagnético ( o texto do wikipédia e a ilustração podem ser acessadas  aqui, aonde os números estão mais visívies ).

Figura 1. O espectro eletromagnético (fonte wikipédia)

Na figura 1, na parte superior é apresentado de forma ampliada, a região do espectro eletromagnético que contém a parte da luz visível. Notemos que é uma fração muito pequena do espectro eletromagnético.  O que caracteriza o espectro eletromagnético? Podemos utilizar uma grandeza física   denominado comprimento de onda para caracterizar o espectro (outra possibilidade é a frequência).  Deslocando para o lado esquerdo do espectro  temos comprimentos de onda diminuindo  (e frequência aumentando ) e deslocando para o lado  direito do espectro temos os comprimento de onda aumentando (e frequência diminuindo).   Na figura 2, indicamos o que entendemos como comprimento de onda: é a distância entre os máximos de oscilação.

Figura 2: Uma ilustração da onda eletromagnética. (fonte wikipédia)

Do espectro, já podemos notar que a cor depende do comprimento de onda! Uma luz vermelha tem um comprimento de onda maior que uma luz azul, que por sua vez tem um comprimento de onda maior que a luz violeta. Mas atenção, a cor que associamos aos objetos , não dependem apenas do  comprimentos de onda da luz que observamos! Depende da nossa fisiologia (nossa olho e nosso cérebro) e também do ambiente. Alguns autores preferem dizer "cor espectral" para fazer referência a cor associada a uma onda eletromagnética com comprimento de onda bem definido. Por exemplo, a luz amarela espectral é definida como uma onda eletromagnética com comprimento de onda na faixa de 570–590 nm (nm significa nanômetro ou um bilionésimo de metro ou  0,0000000001 metro). Por que esta necessidade de especificarmos o temo "espectral"? A luz amarela pode ser obtida combinando outras cores, e esta luz amarela, apesar de percebermos como amarela, não é na verdade uma onda com um único comprimento de onda. E isto vale para as outras cores também. Pode parecer um simples capricho, afinal "amarelo é amarelo", mas é necessário para que possamos entender melhor a natureza. Além destes fato (a possibilidade de obter diferentes cores combinado cores diferentes), a cor também depende do ambiente. Nosso cérebro - produto de uma longa evolução - procura interpretar os sinais que recebe, com um padrão previamente aprendido. Mas este é um outro tópico, que vamos tratar em outro momento.

A descrição ondulatória da luz, nos permite compreender quase todos os fenômenos que são importantes na fotografia. No entanto, para o estudo de lentes de uma maneira simplificada, utilizamos uma aproximação: a ótica geométrica. Nela, a luz é considerada como um "feixe de retas" (as retas representam o "caminho" da luz, ou de forma mais precisa a frente de onda eletromagnética, mas não vamos nos preocupar com isto), como na figura 3 . Em geral, esta aproximação é boa quando os objetos que interagem com a luz, tem tamanhos muito maiores que o comprimento de onda típico da onda eletromagnética em estudo. Mas mesmo nesta situação, se olharmos a borda do objeto, a aproximação deixa de ser válida.

Figura 3. A utilização da ótica geométrica, simplifica o estudo das lentes.

Dependendo da luz utilizada, esta aproximação se torna muito boa, como podemos ver na figura 4, que foi obtida utilizando uma fonte de luz laser.

Figura 4. O funcionamento de lentes utilizando um feixe de lus laser.

Esta aproximação de ótica geométrica, nos permite estudar muitas propriedades de uma lente utilizada em fotografia: a distância focal, a abertura, o f-stop. Mas para explicar algumas aberrações que ocorrem nas lentes ou outros fenômenos,  a utilização da  ótica geométrica não é adequada. Por exemplo, a existência de uma abertura mínima para que não ocorra a degradação de uma imagem, não pode ser explicada pela ótica geométrica, nem a existência das aberrações cromáticas (na verdade dependendo do grau da aberração cromática, ainda podemos utilizar a ótica geométrica, mas não conseguimos explicar a razão da aberração). A foto na figura 5, mostra o que denominamos efeito de difração, sendo a foto de um feixe de laser que passa por um orifício pequeno. Se não tivesse o efeito da difração, teríamos apenas a região central iluminada e os anéis concêntricos de luz não iriam existir.

Figura 5.Efeito de difração (fonte wikipédia).

O efeito de difração se torna pronunciado para aberturas pequenas. Em uma foto, significa que a qualidade a imagem é reduzida. É importante lembrarmos que a difração sempre ocorre, mas caso os efeitos sejam inferiores em tamanho ao círculo de confusão, acaba não tendo muita importância dependendo da ampliação da foto ou da distância que observamos a foto.

No início escrevemos que a luz é na verdade uma coleção de partículas , os fótons. Não precisamos dos fótons para descrever nada da fotografia? Na verdade podemos utilizar apenas a descrição da luz como fótons e obter todos os resultados acima, desde o comportamento ondulatório até a descrição da  ótica geométrica. E caso esteja curioso, recomendamos o livro QED de Richard Feynmann. (QED são as inicias em inglês de Eletrodinâmica Quântica que é um tópico bem especializado da física), que propõe a discutir em forma simples a eletrodinâmica quântica.

Mas tem um tópico que a não tem como utilizar a luz como uma onda eletromagnética para explicar corretamente: é o efeito fotoelétrico citado no começo do texto. E aonde este efeito é utilizado em fotografia? Nos sensores digitais (e em última análise, na descrição também da fotografia analógica, aonde o filme faz o papel do sensor) que são o "coração" das modernas câmeras digitais!

No próximo texto, vamos então explicar o que é o efeito fotoelétrico e porque precisamos da descrição da luz como  fóton (partícula)


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