Urządzenia wykorzystujące soczewki

Mikroskop

Mikroskop - urządzenie służące do silnego powiększania obrazów, celem obserwacji małych obiektów, zwykle niewidocznych gołym okiem. Zasadniczo zbudowany jest z tubusu, na którego końcach znajdują się okular i obiektyw. Ponadto posiada układ oświetlenia preparatu i stolik preparatowy. Obiektyw daje rzeczywisty, odwrócony, powiększony obraz przedmiotu, okular pełni rolę lupy, przez którą ogląda się obraz tworzony przez obiektyw. Obraz oglądany w okularze jest obrazem pozornym i silnie powiększonym, powiększenie kątowe wyrażą się wzorem w=(xD)/(fF), gdzie x- długość rury tubusa,, D – odległość dobrego widzenia, f,F – odpowiednio ogniskowa obiektywu i okularu. Przy znanych oddzielnie powiększeniach okularu i obiektywu powiększenie jest iloczynem tych powiększeń. W praktyce stosuje się powiększenia od kilkudziesięcio – do ponad tysiąckrotnych. Najlepsze pozwalają dostrzegać szczegóły przedmiotu o rozm. Kilkuset mniejszych. Dalszy wzrost zdolności rozdzielczej jest ograniczony długości fali światła, pewne poprawienie zdolności rozdzielczej można uzyskać konstruując do obserwacji w nadfiolecie. Jasność obrazu jest proporcjonalna do rozwartości kąta wiązki wchodzącej do obiektywu. W konstrukcji obiektywu pożądane jest też uzyskanie jak najmniejszej ogniskowej, oba te czynniki powodują, że bieg promieni daleki jest od biegu promieni przyosiowych, skąd poważnym problemem przy wykonaniu obiektywów mikroskopowych jest usuniecie powstających wad optycznych.
W tym celu jako obiektywy stosuje się skomplikowane, wielosoczewkowe układy optyczne. Jako okular stosuje się układ Huygensa. Często używane są mikroskopy stereoskopowe, będące układem dwóch prawie równoległych lub mikroskopy wyposażone w binokular.


Lupa

Lupa - układ optyczny służący do uzyskiwania powiększonych obrazów przedmiotów znajdujących się w bliskiej odległości. W najprostszym przypadku zbudowana jest z jednej soczewki skupiającej, zaopatrzonej w uchwyt. Obraz oglądanego przedmiotu powstaje w tzw. odległości dobrego widzenia x (przyjmuje się x=250 mm).
Powiększenie lupy G wyraża się wzorem G=x/f, gdzie: f − ogniskowa soczewki (lub układu soczewek) lupy.


Luneta


Luneta - przyrząd optyczny w formie rury zakończonej z jednej strony obiektywem refrakcyjnym (tj. soczewkowym), a z drugiej strony okularem.
Wyróżnia się tzw. lunety ziemskie (dające obraz prosty: posiadające optyczny układ odwracający i okular skupiający albo posiadające tylko okular rozpraszający, tj. lunety galileuszowskie lub inaczej holenderskie) oraz lunety astronomiczne (inaczej keplerowskie, od nazwiska J. Kaplera) dające obraz odwrócony.
Pierwszą lunetę skonstruował optyk holenderski Z. Jansen w 1604. W 1609 Galileusz wykorzystał lunetę do obserwacji astronomicznych. Zbudowana była z jednosoczewkowego obiektywu (soczewka skupiająca) i okularu będącego soczewką rozpraszającą.
Powiększenie kątowe p dla prostej lunety (zarówno galileuszowskiej, jak i keplerowskiej) wyraża się wzorem: p=fb/fk, gdzie: fb – ogniskowa obiektywu, fk - ogniskowa okularu. Powiększenie lunety nie może być zwiększane dowolnie przez zastosowanie okularów o coraz krótszych ogniskowych. Warunkuje je zdolność rozdzielcza obiektywu ograniczona zjawiskami dyfrakcyjnymi (dyfrakcja fal) zależnymi od wielkości źrenicy wejściowej d.
Obiektyw może rozróżniać dwa przedmioty, gdy różnica kąta ich obserwacji wyraża się wzorem: Δψ ≥1,22λ/d, gdzie: λ - długość fali (kryterium J.W. Rayleigha). W praktyce stosuje się wyrażenie Δψ ≥140"/d, gdzie d wyrażone jest mm (" oznacza sekundy łuku).



Teleskop

Teleskop, teleskop optyczny - przyrząd służący do prowadzenia obserwacji wizualnych lub fotografowania obiektów astronomicznych: duża luneta astronomiczna (tzw. refraktor, inaczej: teleskop refrakcyjny) lub układ optyczny z obiektywem zwierciadlanym (tzw. reflektor, inaczej: teleskop zwierciadlany), względnie zwierciadlano-soczewkowym.



Pierwszą lunetę skonstruowali w latach 1600-1609 optycy holenderscy: Z. Jansen i H. Lippershey. Jako pierwszy zastosował ją do obserwacji astronomicznych Galileusz. Duże teleskopy wykonuje się wyłącznie jako reflektory ze względu na brak w takim układzie aberracji chromatycznej i sferycznej (zwierciadło ma zazwyczaj kształt paraboloidy obrotowej), mniejszą liczbę powierzchni wymagających oszlifowania, brak strat światła w bloku szkła, mniejsze zagrożenie deformacjami układu optycznego itd. Powiększenie p teleskopu oblicza się korzystając ze wzoru analogicznego jak w przypadku lunety, tj.

p = F/f,

gdzie: F - ogniskowa obiektywu, f - ogniskowa okularu.

Istnieje wiele różnych typów reflektorów, pierwszy skonstruował N. Zucchius (1616). Później swoje propozycje w tym zakresie przedstawiali m.in.: Anglik J. Gregory (1663), I. Newton (1668, jego id eę zrealizował dopiero J. Hadley w 1721) czy francuski rzeźbiarz N. Cassegrain (1672). Ten ostatni opracował układ stosowany z pewnymi modyfikacjami do dziś: przewiercone zwierciadło główne i, jako pomocnicze, wypukłe zwierciadło hiperboloidalne, wydłużające ogniskową teleskopu - w odmianach przewiercenie zastępowane bywa dodatkowymi zwierciadłami płaskimi, kierującymi zogniskowaną wiązkę światła przez ekwatoriał do okularu (teleskop coud), stosuje się też niekiedy dwa zwierciadła hiperboidalne.
Teleskopy zwierciadlano-soczewkowe: tzw. kamera Schmidta (wklęsłe zwierciadło sferyczne i szklana płyta o skomplikowanym kształcie korygująca wady obrazu, zbudowane w 1931 przez niemieckiego optyka B.V. Schmidta) i kamera Maksutowa (obiektyw meniskowy ze sferycznym zwierciadłem i wklęsło-wypukłą soczewką, układ skonstruowany w 1941 przez rosyjskiego optyka D.D. Maksutowa), które charakteryzują się szerszym polem widzenia, wolnym od wad układów optycznych, służą głównie do prowadzenia obserwacji fotograficznych.
Przez wiele lat największy był budowany 1936-1948, liczący 508 cm średnicy, teleskop G.E. Hale'a na Mount Palomar (Kalifornia, USA). W 1975 w miejscowości Zielenczukskaja (Kaukaz) oddano do użytku teleskop o średnicy 600 cm - jednak problemy techniczne wywołane przez odkształcenia i naprężenia ważącego 42 t lustra spowodowały, że ma on niedostateczną jakość obrazu.
W celu jej poprawienia konstruuje się teleskopy wielozwierciadłowe, jak np. Multiple Mirror Telescope na Mount Hopkins (Arizona, USA, zbudowany w 1979: 6 zestrojonych zwierciadeł o średnicy 180 cm każde, co odpowiada pojedynczemu zwierciadłu o średnicy 450 cm) czy największy obecnie teleskop, tzw. Keck I, na szczycie Mauna Kea (Hawaje, USA, pracuje od 1992: 36 zwierciadeł dających łączną średnicę 1000 cm. Bliźniaczy Keck II ma być uruchomiony w 1997, razem będą one mogły tworzyć układ interferometru gwiazdowego o bazie 8500 cm).

Konstruuje się też teleskopy o czynnej korekcji odkształceń, gdzie elastyczne, cienkie zwierciadło poddawane jest sterowanym komputerowo wymuszonym odkształceniom, minimalizującym deformacje kształtu lustra - technologię taką wypróbowano w liczącym 350 cm średnicy New Technology Telescope w La Silla (Chile, działa od 1989). Poważnym ograniczeniem jakości obserwacji teleskopowych są drgania atmosfery, czemu można przeciwdziałać umieszczając teleskopy na orbicie ziemskiej, jak w przypadku Hubble Space Telescope (Hubble'a teleskop), lub stosując optykę adaptacyjną, jak w znajdującym się na Mauna Kea Canadian-France-Hawaii Telescope o średnicy 358 cm.