Narzędzia optyczne

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.
Stosuje się lupy zawierające dwie soczewki (lupa achromatyczna, achromat) lub trzy soczewki (lupa aplanatyczna, aplanat), istnieją ponadto tzw. telelupy (z punktu widzenia zasady działania będące modyfikacją lunety Galileusza) oraz lupy stereoskopowe (dwuokularowe) zbudowane z lornetki ze specjalną nasadką pryzmatyczno-soczewkową.

Lornetka, przyrząd optyczny zbudowany z dwóch równoległych lunet, ze względu na szczegóły rozwiązań optycznych wyróżnia się kilka rodzajów lornetek:
1) lornetka Galileusza posiada obiektyw skupiający oraz rozpraszający okular, jej zaletą jest mała liczba elementów optycznych, prosty (nie odwrócony) obraz, duża jasność, wadą jest małe pole widzenia ograniczające w praktyce powiększenie (na ogół mniej niż 3). Taką konstrukcję posiadają zazwyczaj tzw. lornetki teatralne lub morskie.
2) lornetka pryzmatyczna posiada zarówno okular, jak i obiektyw o dodatniej ogniskowej (skupiającej), pomiędzy nimi znajduje się układ pryzmatyczny (tzw. pryzmaty Porro) umożliwiający otrzymanie prostego (nie odwróconego) obrazu.
Konieczność umieszczenia układu pryzmatycznego (pryzmat) powoduje dodatkowe rozsunięcie obiektywów, co poprawia stereoskopowość (plastyczność) obrazu, zaletą lornetek pryzmatycznych jest możliwość uzyskiwania dużych, jasnych obrazów o powiększeniach rzędu 720, wadą jest bardziej złożona i cięższa konstrukcja. Takie lornetki są stosowane jako lornetki polowe.
3) lornetka nożycowa posiadająca obiektywy rozsunięte na znaczną odległość, na peryskopowych ramionach. Układem odwracającym może być układ soczewkowy. Lornetki takie stosuje się dla uzyskania silnie stereoskopowych i znacznie powiększonych (>15) obrazów (służą też jako dalmierze optyczne), ich główną wadą jest nieporęczność i ciężar.
Okular, część układu optycznego (np.: lornetki, lunety, mikroskopu optycznego itp.) umożliwiająca obserwację obrazów tworzonych przez obiektyw: okular działa tu jak lupa powiększająca ten obraz. Powiększeniem okularu nazywany jest stosunek tangensa kąta, pod jakim obserwuje się obraz przez okular, do tangensa kąta obserwacji tego obrazu z tzw. odległości dobrego widzenia (d=250 mm), równoważnie p=d/f, gdzie f - ogniskowa okularu.
Ze względu na konstrukcję okularów wyróżnia się: okular Ramsdena (zbudowany z dwóch jednakowych płasko-wypukłych soczewek (soczewki optyczne) zwróconych do siebie wypukłościami, obraz utworzony przez obiektyw znajduje się tuż przed okularem) lub okular Huygensa (zbudowany z dwóch płasko-wypukłych soczewek o różnych ogniskowych, obraz obiektywowy przedmiotu powstaje pomiędzy tymi soczewkami).


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.
Optimetr, przyrząd optyczno-mechaniczny służący do pomiaru rozmiarów liniowych bardzo małych przedmiotów. Układ optyczny optimetru zawiera: obiektyw, okular z podziałką, pryzmat zmieniający kierunek biegu promieni, lusterko pomiarowe (zawracające bieg promieni) połączone z trzpieniem pomiarowym oraz układ oświetlający.
W polu widzenia okularu optimetru widać obok siebie podziałkę i jej obraz odbity od lusterka pomiarowego. Pomiar możliwy jest dzięki temu, że przesunięcie trzpienia pomiarowego (np. na skutek zmiany grubości badanego przedmiotu) powoduje zmianę położenia obrazu podziałki względem niej samej.
Typowy optimetr pozwala zmierzyć rozmiary rzędu kilkudziesięciu mikrometrów z kilkuprocentowym błędem. Najczulsze optimetry (tzw. ultraoptimetry) są stukrotnie bardziej dokładne.
Obiektyw, układ optyczny tworzący odwrócony, rzeczywisty obraz przedmiotu, mogący być oglądany przez okular lub rzutowany na ekran, kliszę fotograficzną, matrycę czujników półprzewodnikowych, katodę elektronowo-optyczną itp.
Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się obiektywy: fotograficzne (dające obrazy powiększone lub pomniejszone), mikroskopowe (dające obrazy powiększone) i astronomiczne (dające obrazy pomniejszone). Inna klasyfikacja obiektywów opiera się na odległości do przedmiotu: rozróżnia się obiektywy dające obrazy przedmiotów znajdujących się w skończonych odległościach (obiektywy mikroskopów, obiektywy do makrofotografii i reprodukcji oraz obiektywy projekcyjne) lub dające obrazy nieskończenie odległych przedmiotów (pozostałe obiektywy fotograficzne i obiektywy astronomiczne).
Parametrami wykorzystywanymi do scharakteryzowania obiektywów mikroskopowych, projekcyjnych itp. są: powiększenie liniowe, apertura numeryczna, odległość obrazu od przedmiotu. Obiektywy fotograficzne charakteryzuje się podając ich odległość ogniskową, otwór względny i kąt widzenia.
Standardowy obiektyw fotograficzny ma odległość ogniskową równą w przybliżeniu długości przekątnej klatki na kliszy, fotograficzne obiektywy szerokokątne (o kącie widzenia większym od kąta prostego) mają mniejsze ogniskowe, teleobiektywy mają duże wartości ogniskowych. W instrumentach astronomicznych (instrument przejściowy) stosuje się długoogniskowe obiektywy soczewkowe (refraktory) lub zwierciadlane (reflektory).
Najprostszy obiektyw można zbudować z pojedynczej soczewki skupiającej. Obiektyw taki posiada jednak wiele wad układów optycznych, dlatego rzeczywiste obiektywy, a zwłaszcza szerokokątne obiektywy fotograficzne i obiektywy mikroskopów, to układy wielosoczewkowe, dla których możliwe jest częściowe lub całkowite usunięcie wad optycznych (achromat, aplanat, anastygmat, planachromat, planapochromat).
Zwierciadło,
1) element układów optycznych wykorzystujący zjawisko odbicia światła, stosowany w teleskopach optycznych, kondensorach, reflektorach, interferometrach, rezonatorach optycznych. Własności optyczne zwierciadła określone są głównie przez kształt i gładkość jego powierzchni (najwyższą gładkość mają powierzchnie zwierciadeł w teleskopach optycznych, wykonywane są z dokładnością do 100 nm).
Stosuje się zwierciadła płaskie (służą do zmiany kierunku biegu promieni świetlnych lub ich rozdzielenia. zwierciadła półprzepuszczalne) oraz zwierciadła wklęsłe i wypukłe (służą do ogniskowania lub rozogniskowywania promieni, pełniąc rolę analogiczną do soczewek optycznych, przy czym zwierciadła wklęsłe jest analogiem soczewki skupiającej, a zwierciadła wypukłe - rozpraszającej). Zwierciadła wykonuje się najczęściej poprzez napylenie warstwy metalicznej (aluminium, srebro) na odpowiednio przygotowaną powierzchnię szkła, metalu lub tworzywa sztucznego.
Powierzchnia zwierciadeł wklęsłych i wypukłych ma najczęściej kształt wycinka sfery, paraboloidy obrotowej, elipsoidy obrotowej lub hiprerboloidy obrotowej. W najprostszym przypadku zwierciadła sferycznego, jeśli przedmiot leży na osi symetrii zwierciadła w odległości x od punktu S, będącego przecięciem tej osi z powierzchnią zwierciadła (tzw. wierzchołka zwierciadła), to obraz tego przedmiotu powstanie w odległości y od punktu S, przy czym spełniona jest równość:

gdzie R - promień krzywizny zwierciadła. Z powyższego wzoru wynika, że odległość ogniskowa f zwierciadła sferycznego wyraża się wzorem f = R/2. Zwierciadła mają wszystkie wady układów optycznych z wyjątkiem aberracji chromatycznej.
2) przedmiot służący do przeglądania się, znany już w III tysiącleciu p.n.e. w Mezopotamii i Egipcie oraz w okresie kultury mykeńskiej w Grecji. Zwierciadła sporządzano z polerowanego brązu lub srebra. Ręczne miały rączki z kości słoniowej, okrągłe umieszczano na rzeźbionym postumencie przedstawiającym często (w kręgu kultury grecko-rzymskiej) Afrodytę.
Od V w. p.n.e. wyrabiano także zwierciadła składane, używane w podróży. Zwierciadła wkładano kobietom do grobów. Małe szklane lusterka na podkładzie ołowiowym, cynkowym albo srebrnym noszono w starożytności przy sobie, były to przedmioty luksusowe. Rozwój produkcji zwierciadeł nastąpił, gdy nauczono się wytwarzać większe płyty szklane, ujmowane w ozdobne ramy (w zależności od stylu epoki).
Ze zwierciadłami łączy się wiele legend, literackich i artystycznych opracowań, np. magiczne z. Merlina, czarodzieja z poematu The Faerie Queene E. Spensera (1590-1596), które ostrzegało króla przed spiskami, zdradą i zamiarami wrogów.