Przyrządy optyczne i ich praktyczne zastosowanie Magda Drzazga Ula Karwasz

P r z y r z ą d y o p t y c z n e Przyrządy wykorzystujące światło. Niektóre z nich wspomagają oko ludzkie – ich działanie poszerza zdolności odbiorcze oka. W przypadku pozostałych odbiornikami światła są różnego rodzaju elementy światłoczułe, jak np. emulsje fotograficzna. Do najpopularniejszych przyrządów optycznych można zaliczyć: latarki, reflektory, okulary, lupy, mikroskopy, lunety, lornetki, teleskopy, wizjery, aparaty projekcyjne, rzutniki do przezroczy, rzutniki pisma, projektory filmowe, epidiaskopy, aparaty fotograficzne, kamery filmowe, kamery wideo oraz przyrządy chirurgiczne (mikroskopy operacyjne – laparoskopy, gastroskopy, endoskopy itp.).

O k u l a r y Budowa oka Proces widzenia rozpoczyna się w oku. Promienie padające na rogówkę docierają przez źrenicę do soczewki. Tam ulegają załamaniu i na siatkówce oka, która pełni rolę ekranu, tworzą obraz rzeczywisty, pomniejszony i odwrócony. twardówka rogówka oś optyczna oka tęczówka siatkówka plamka żółta nerw wzrokowy soczewka ciało szkliste źrenica

Normalne, zdrowe oko ludzkie ma zdolność akomodacji, czyli zmiany ogniskowej soczewki, co umożliwia ostre widzenie przedmiotów odległych od oka w granicach od 20 cm do bardzo dużych odległości, np.: ciał niebieskich na niebie. Jednak niemożliwe jest ostre widzenie równocześnie przedmiotów bliskich i dalekich, soczewka dopasowuje bowiem ogniskową do tego przedmiotu, na który w danej chwili człowiek patrzy. Jeśli przedmiot jest blisko oka, soczewka staje się bardziej wypukła (ogniskowa zmniejsza się), natomiast gdy obserwowany przedmiot jest odległy, soczewka oczna staje się bardziej płaska (tzn. jej ogniskowa się zwiększa).

Człowiek mający zdrowe oczy, gdy chce przeczytać drukowany tekst lub obejrzeć niewielkie szczegóły, bezwiednie umieszcza oglądany przedmiot w odległości ok.. 25 cm od oka. Jest to tzw. Odległość dobrego widzenia dla zdrowego oka. A co ciekawe odległość minimalna zmienia się w ciągu życia człowieka od ok. 12 cm w wieku 20 lat do 40 cm w wieku 50 lat. Jednak u wielu ludzi występują wady wzroku. Należą do nich m.in. krótkowzroczność i dalekowzroczność.

Krótkowzroczność To wada soczewki, która skupia promienie świetlne przed siatkówką. Osoba z taką wadą widzi wyraźnie jedynie obrazy bliskie. Aby temu zapobiec, stosuje się korygujące soczewki wklęsłe, rozpraszające promienie tuż przed rogówką. Potocznie mówi się, że krótkowidz nosi okulary, np. – 2. Oznacza to, że jego okulary zbudowane są z soczewek rozpraszających o zdolności skupiającej – 2 D (minus dwie dioptrie).

Dalekowzroczność Jest również wadą soczewki, która powoduje, że promienie światła są skupione dopiero za siatkówką. Dlatego osoba mająca taką wadę widzi wyraźnie obrazy dalsze. Odpowiednio dopasowana soczewka wypukła załamuje promienie, zanim osiągną oko. Zatem okulary dalekowidza to soczewki skupiające o zdolności zbierającej dodatniej, np. + 2 D (plus dwie dioptrie).

Astygmatyzm (niezborność) Jest wynikiem zmiany kształtu rogówki, która ma kształt nieregularny, przez co następuje zniekształcenie obrazu. Przejawia się to brakiem ostrości widzenia. W takim wypadku stosujemy korygującą soczewkę cylindryczną, załamującą tylko niektóre promienie świetlne, co powoduje powstanie normalnego obrazu. Astygmatyzm często połączony jest z krótkowzrocznością lub dalekowzrocznością.

L u p a Lupa to soczewka o stosunkowo krótkiej ogniskowej. Jest ona najprostszym przyrządem optycznym. Zbudowana jest z jednej soczewki skupiającej, zaopatrzonej w uchwyt. Lupa powiększa kąt widzenia przedmiotu, oglądany obiekt powinien znajdować się blisko lupy. Oglądany obraz jest obrazem pozornym, powiększonym (powiększanie lup jest maksymalnie 10-krotne) i nie odwróconym. Obraz oglądanego przedmiotu powstaje w tzw. odległości dobrego widzenia x (przyjmuje się x=250 mm).

L u n e t a Lunety służą głównie do obserwacji odległych przedmiotów. Składają się z dwóch podstawowych części: obiektywu i okulara, osadzonych współosiowo na przeciwległych końcach metalowej rury. Długość rury jest tak dobrana, aby ognisko obrazowe obiektywu pokrywało się z ogniskiem przedmiotowym. Luneta jest zatem układem bezogniskowym, tzn. że równoległa wiązka światła wchodząca do lunety wychodzi z niej również jako równoległa. Rozmiary obrazu otrzymywanego za pomocą lunety nie są większe od rzeczywistych rozmiarów przedmiotu; działanie jej polega jedynie na powiększeniu kąta widzenia pod jakim patrzymy na przedmiot, czyli na pozornym zbliżeniu przedmiotu do obserwatora.

Niekiedy wynalazek lunety przypisuje się XII-wiecznemu angielskiemu filozofowi Rogerowi Baconowi. Jednak o wiele bardziej prawdopodobne jest to, że wymyślili ją wcześniej uczeni arabscy. Pierwszą lunetę skonstruował optyk holenderski Z. Jansen w 1604. Istnieją dwa zasadnicze rodzaje lunet soczewkowych: luneta Keplera luneta Galileusza

LUNETA KEPLERA ( astronomiczna ) W 1611 roku astronom Johannes Kepler jako pierwszy opisał taką dwusoczewkową lunetę. Nakreślił on również bieg promieni w tej lunecie . Nazywamy ją kleperowską lub astronomiczną. Można przez nią oglądać planety i ich księżyce, gwiazdy itp. Lunetę tworzą dwie soczewki. Pierwsza soczewka pełni rolę obiektywu, tworząc pomniejszony i odwrócony obraz. Ten obraz z kolei oglądamy przez drugą soczewkę skupiającą speł- niającą rolę lupy. Lunety posiadają lupy o małych średnicach. W miejscu, w którym powstaje obraz, wbudowuje się dodatkową soczewkę polową. Działa ona tak samo jak kondensor w projektorze – kieruje biegnące promienie świetlne na lupę i poszerza pole widzenia obrazu. Lupa i soczewka polowa tworzą wspólnie okular. Im większa jest ogniskowa obiektywu, tym dłuższa jest luneta, a tym samym uzyskujemy w niej większe powiększenie. Lunety astronomiczne są obecnie używane do obserwacji nieba.

LUNETA GALILEUSZA Galileusz był wybitnym włoskim uczonym i astronomem LUNETA GALILEUSZA Galileusz był wybitnym włoskim uczonym i astronomem. Aby móc dokładnie obserwować niebo, zbudował swoją pierwszą lunetę. Luneta ta szybko rozpowszechniła się w Europie. W lunecie Galileusza obiektyw jest soczewką skupiającą, a okular rozpraszającą. Otrzymany obraz pozorny jest powiększony, prosty i nieodwrócony. Obserwując niebo dokonał wielu rewolucyjnych, bardzo ważnych odkryć astronomicznych. Między innymi 4 księżyce Jowisza, a przede wszystkim zaobserwował, że Słońce podobnie jak Ziemia obraca się wokół własnej osi. Obecnie zasadę działania lunety Galileusza wykorzystuje się w konstruowaniu lornetek teatralnych. Składają się one z dwóch takich lunet.

L o r n e t k a p r y z m a t y c z n a Lornetka jest to przyrząd ułatwiający oglądanie obojgiem oczu odległych przedmiotów. Składający się z odpowiednio połą- czonych dwóch lunet. Lornetka pryzmatyczna posiada zarówno okular, jak i obiektyw o dodatniej ogniskowej, pomiędzy nimi znajduje się układ pryzmatyczny umożliwiający otrzymanie prostego, nie odwróconego obrazu. Najczęściej w lornetkach pryzmatycznych, uzyskuje się powiększenia od 6-do 12-krotnych. Aby powiększyć obraz uzyskany przez obiektyw i skierować go do naszego oka w formie równoległych wiązek światła używa się okularu, który w najprostszej postaci może składać się z jednej soczewki rozpraszającej lub skupiającej. W lornetce znajdują się jeszcze pryzmaty, które służą do odwrócenia obrazu uzyskiwanego przez obiektyw, tak aby po przejściu przez okular był on prosty.

T e l e s k o p Urządzenie optyczne do obserwacji ciał niebieskich, o konstrukcji lunety. Teleskop odbiera promienie światła pochodzące z odległych obiektów astronomicznych i skupia je, dając rzeczywisty obraz obserwowanego obiektu. Rozróżniamy dwa rodzaje teleskopów: tzw. reflektory i refraktory. W teleskopach zwierciadłowych (tzw. reflektorów do skupienia światła używa się zwierciadeł wklę- słych. Natomiast w teleskopach soczewkowych (tzw. refraktorach) do ogniskowania odbieranego światła służą soczewki. Teleskop soczewkowy to to samo co luneta Galileusza.

W latach 60. XVII wieku Isaac Newton skonstruował teleskop zwierciadlany – reflektor, w którym soczewkę obiektywu zastąpił zwierciadłem wklęsłym. Dzięki temu uzyskał o wiele lepszą jakoś obrazu, gdyż promienie odbite od zwierciadła nie były zniekształcone tak jak promienie przechodzące przez soczewkę. Refraktor o średnicy 102 cm zbudowano w obserwa- torium Yerkes w USA w 1897 r. Jednak w badaniach astronomicznych reflektory zupełnie wyparły refra- ktory. Trzy największe obecnie na świecie reflektory to: reflektor o średnicy 5 m zbudowany w 1948r. w USA i ustawiony na Mount Palomar, reflektor o średnicy 6 m w obserwatorium astronomicznym na Kaukazie w Rosji reflektor o średnicy 10 m – teleskop Kecka postawiony w 1992 r. na Hawajach na górze Mouna Kea.

Ponieważ atmosfera ziemska ogranicza widoczność odległych ciał niebieskich, obserwatoria astronomiczne, a właściwie teleskopy (refraktory, później reflektory budowano na wysokich górach. Obecnie obserwatoria te przenosi się w kosmos. W 1990 r. prom kosmiczny Discovery umieścił na orbicie okołoziemskiej teleskop Hubble’a (czyt. Habla) o średnicy zaledwie 2,4 m. Można jednak za jego pomocą obserwować znacznie więcej szczegółów niż przy zastosowaniu teleskopów pracujących na Ziemi. W badaniach astronomicznych oprócz reflektorów stosuje się obecnie również radioteleskopy, które pozwalają rejestrować nie tylko promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, pochodzące z kosmosu. Teleskop Hubble’a Teleskop

M i k r o s k o p Mikroskop jest to przyrząd optyczny służący do uzyskiwania silnie powiększonych obrazów małych przedmiotów niedostrzegalnych gołym okiem. Pierwszy mikroskop powstał ok. 1600 roku. Zbudował go holenderski optyk van Jansen. Był on bardzo prostym przyrządem a tak właściwie był bardzo silną lupą. Za pomocą tego przyrządu można było oglądać komórki drożdży, bakterii, jajka owadów. W 1665 roku angielski fizyk Robert Hooke zbudował mikroskop , którego konstrukcja przypominała dzisiejsze mikroskopy. Posiadał już dwa odrębne układy optyczne – obiektyw i okular, który działał jak lupa. Przyrząd ten umożliwił badaczowi odkrycie komórek roślinnych i porów w ludzkiej skórze.

Najprostszy mikroskop – podobnie jak najprostsza luneta – składa się z dwóch soczewek skupiających: obiektywu OB o ogniskach F1 i okularu OK o ogniskach F2. OK F2 B’ A’ F1 OB B A B” A” Konstrukcja obrazu otrzymanego w mikroskopie Umieszczając bardzo mały przedmiot AB, półprzezroczysty dla światła, na szkiełku mikroskopu w odległości nieznacznie większej niż ogniskowa f1 obiektywu, otrzymuje się obraz rzeczywisty, odwrócony i powiększony. Położenie soczewki okularu jest tak dobrane, aby powstający obraz A’B’, po przejściu światła przez obiektyw, leżał pomiędzy okularem a jego ogniskiem F2. Obraz F2 jest więc przedmiotem dla okularu. Patrząc przez ten ostatni jak przez lupę, widzi się obraz A’’B’’ pozorny, prosty i powiększony w stosunku do obrazu A’B’. Ostateczny obraz A’’B’’ jest więc dwukrotnie powiększany, raz przez obiektyw, a raz przez okular.

Miarą postępu w badaniach przyrodniczych są zmiany, którym podlegało jedno z podstawowych narzędzi badawczych w biologii – mikroskop. Najlepsze są mikroskopy optyczne (świetlne), wykorzystujące krótkofalowe światło ultrafioletowe, osiągają zdolność rozdzielczą około 100-200 nm, dzięki czemu możliwe są powiększenia rzędu 1200 razy. Od połowy 20 wieku w poznaniu szczegółów budowy komórki odgrywa mikroskop elektronowy. Jego konstrukcja umożliwia obserwacje preparatów z rozdzielczością teoretycznie nawet 0,2 nm. Źródło wysyła wąski strumień elektronów, które z ogromną prędkością biegną w próżni wzdłuż kolumny mikroskopu. Funkcje soczewek, czyli układu skupiającego i korygującego przebieg strumienia elektronów pełnią cewki elektromagnetyczne.

Zdjęcie mikroskopu optycznego, schemat ilustrujący zasadę jego działania oraz mikrofotografia powstała przy użyciu takiego mikroskopu (nazwy części optycznych mikroskopu są podświetlone).

W elektronowym mikroskopie transmisyjnym (TEM) wiązka elektronów przechodzi przez cieniutki skrawek odpowiednio przygotowanego preparatu. Bardzo mała grubość preparatów powoduje, że powstający w ten sposób obraz jest dwuwymiarowy. Zdjęcie transmisyjnego mikroskopu elektronowego, schemat ilustrujący zasadę jego działania i kolorowana mikrofotografia uzyskana przy użyciu takiego mikroskopu.

Ograniczenie to w pewnym zakresie można pominąć, stosując skaningowy mikroskop elektronowy (SEM). Po przetworzeniu danych powstają trójwymiarowe obrazy obiektów o dość znacznej głębi ostrości. Zdjęcie transmisyjnego mikroskopu elektronowego z przyssawką skaningowa, schemat ilustrujący zasadę działania i kolorowa mikrofotografia uzyskana przy użyciu tego mikroskopu.

OKULAR LUSTERKO OBIEKTYW MIKROSKOPU TUBUS SOCZEWKA POLOWA KONDENSOR Za pomocą dzisiejszego mikroskopu możemy oglądać przedmioty powiększone nawet do 1800 razy. Mikroskop optyczny pozwala uzyskać bardzo powiększony obraz przedmiotu lub jego części, niedostrzegalnych dla ludzkiego oka. Lusterko odbija światło na obserwowany preparat, a dwie, znajdujące się blisko badanego obiektu soczewki (zwane soczewkami obiektywu) dają jego powiększony obraz rzeczywisty w pobliżu soczewek okularu. Obserwacja obrazu przez okular pozwala na uzyskanie jeszcze większego powiększenia. Mikroskop optyczny składa się z następujących części: OKULAR LUSTERKO OBIEKTYW MIKROSKOPU TUBUS SOCZEWKA POLOWA KONDENSOR

LUSTERKO odbija światło z lampy lub z okna (w słoneczny dzień ) wprost na badany preparat. OKULAR są to soczewki lub układ soczewek. Używany jest do obserwacji obrazu tworzonego przez obiektyw. Znajduję się on od strony oka. Okular pełni rolę lupy. Powiększa obraz rzucany przez soczewki obiektywu (okular znajdujący się w górnej części przedmiotu jest wymienialny).

OBIEKTYW MIKROSKOPU zbudowany jest z soczewki o ogniskowej rzędu kilku milimetrów. Wytwarza on bardzo silnie powiększony obraz pośredni we wnętrzu mikroskopu. Często w miejscu powstania tego obrazu wstawia się dodatkową soczewkę zwaną soczewką polową. (mikroskopy maja najczęściej wieele obiektywów) TUBUS jest elementem mikroskopu, który utrzymuje zwierciadło główne i płaskie oraz wyciąg okularowy w stałych miejscach względem siebie.  SOCZEWKA POLOWA jest dodatkową soczewką której zadaniem jest wyłącznie skupianie promieni biegnących do obiektywu, tak by padały na powierzchnię okularu. SOCZEWKI KONDENSATORA skupiają światło rzucane przez lusterko wprost na badany preparat.

Obraz powstający w mikroskopie jest powiększony i odwrócony względem rzeczywistego obiektu. Mikroskop powiększa również kąt widzenia przedmiotu. Powiększenie mikroskopu jest równe iloczynowi powiększenia obiektywu i okularu. Np. jeśli obiektyw powiększa 30-krotnie, a okular 10-krotnie, oznacza to, że za pomocą tego mikroskopu można uzyskać powiększenie 30x10=300-krotne. Erytrocyty oglądane w skaningowym mikroskopie elektronowym Wnętrze chloroplastu oglądane w transmisyjnym mikroskopie elektronowym

A p a r a t f o t o g r a f i c z n y Aparat fotograficzny to urządzenie, które wykorzystując soczewkę i migawkę, skupia przez ułamek sekundy na błonie filmowej światło odbite od przedmiotu. Prototypem aparatu fotograficznego jest znana już w starożytności i uzupełniona w obiektyw w 1519 roku przez Leonarda da Vinci ciemnia optyczna (camera obscura z łaciny – ciemna izba). Jest to światłoszczelne pomieszczenie ograniczone sześcioma ściankami. Niewielki otworek w jednej ze ścian przepuszcza wiązkę promieni świetlnych, które na przeciwległej ścianie tworzą obraz rzeczywisty - odwrócony.

Dziś we współczesnym aparacie fotograficznym można wyodrębnić części zasadnicze i części specjalne. Do części zasadniczych zalicza się: Korpus aparatu (jego obudowa) – tworzy ciemnie optyczną Obiektyw, osadzony w czołówce aparatu na przedniej ściance Celownik lub matówka – urządzenie do kontroli wycinka fotografowanego obrazu Kaseta – urządzenie do podtrzymywania materiału światłoczułego Migawka – urządzenie do ustalania czasu naświetlania

Do części specjalnych czyli ułatwiających użytkowanie aparatu, możemy zaliczyć: Licznik zdjęć Kontakt do lampy elektronowej Samowyzwalacz Dalmierz Skala głębi ostrości Obraz widoczny w wizjerze aparatu fotograficznego (lustrzanki jednoobiektywowej)jest dokładnie taki sam, jak obraz utrwalony na zdjęciu po wciśnięciu przycisku wyzwalacza. Lusterko, umocowane zawiasowo i pryzmat odbijają światło z soczewki do celownika. W chwili robienia zdjęcia lusterko odchyla się do góry, następuje zwolnienie migawki i naświetlenie filmu.

Jedną z podstawowych i najważniejszych części aparatu fotograficznego jest obiektyw. Urządzenie to jest układem optycznym, składającym się z jednej lub kilku soczewek – całego zespołu – wykonanych z różnego rodzaju szkła i mających różne krzywizny powierzchni kulistych. Układy skupiające działają podobnie jak pojedyncza soczewka skupiająca i dają obrazy rzeczywiste, kiedy przed- mioty znajdują się poza głównym ogniskiem układu. Obraz taki powinien być wyraźny czyli ostry i równomiernie naświetlony na całej płaszczyźnie zdjęcia oraz podobny pod względem geometrycznym do fotografowanego obiektu.

A p a r a t p r o j e k c y j n y (rzutnik do przezroczy) Urządzenie optyczne służące do rzutowania na ekran znacznie powiększonych obrazów. Soczewka kondensora skupia światło lampy na filmie. Bez kondensora jedynie obraz środko- wej części przezrocza jest dosta- tecznie jasny. Dopiero dzięki niemu uzysku- jemy silne i równomierne oświetlenie przezro- cza i dobrą jakość obrazu na ekranie. Kondensor musi być przynajmniej taki duży jak przezrocze. Aby jak najlepiej wykorzystać światło wysyłane przez żarówkę, umieszcza się za nią zwierciadło wklęsłe. Kieruje on dodatkową ilość światła na przezrocze.

P r o j e k t o s k o p (rzutnik pisma) Działa prawie tak samo jak rzutnik do przezroczy. Posiada bardzo silną lampę dzięki której można z niego korzystać nawet w świetle dziennym. Folie używane w projektoskopie są znacznie większe od przez- rocza. Stosuje się tutaj specjalną soczewkę schodkową, z przezroczystego tworzywa sztu- cznego. Nie jest ona gruba i ciężka. Zadaniem tej soczewki jest oświetlenie folii i skierowanie wiązki światła na obiektyw. Po przejściu przez obiektyw wiązka światła kierowana jest na ekran za pomocą zwierciadła płaskiego umieszczonego nad nim.