Lunety i mikroskopy

W przypadku lunet za pomocą soczewki skupiającej o f około 30cm, ustawionej na lewym końcu naszej ławy optycznej, otrzymamy o 30cm. dalej na prawo- zmniejszony, odwrócony obraz oddalonego przedmiotu- może nim być nawet Księżyc. Soczewka nazywa się „obiektywem”, ponieważ jest zwrócona do obiektu. Ten mały obraz obserwujemy, tak jak przez lupę, przez drugą powiększającą soczewkę skupiającą o f około 12cm, która jest oddalona na prawo od matówki na taką samą odległość. Nazywa się ona okularem, ponieważ jest najbliższa oka. Prawe ognisko obiektywu i lewy „okular” pokrywają się. Obraz pozostaje odwrócony.

Przy obserwacjach nieba nie przeszkadza to: stąd nazwa „luneta astronomiczna” lub „luneta niebieska”.

Jako pierwszy opisał ją Johannes Kepler w 1611 r., zbudował zaś ją Ch.Scheiner w 1615r. Dlatego też nazywa się ją również lunetą Keplera. Jeśli zbudujemy lunetę z dwóch rur tekturowych (ikular przesuwany wraz z wsuniętą rurą)- odpada matówka. Przy zastosowaniu obiektywu o ogniskowej +100cm (szkło okularowe o D równym +1 dioprii; D jest stosowaną przez optyków liczbą określoną jako odwrotność ogniskowej mierzonej w metrach) duża rura powinna mieć długość co najmniej 1m. Soczewka okularowa we wsuwanej rurze powinna mieć ogniskową nie mniejszą niż 4cm.

Na Ziemi używa się lunety ziemskiej o prostym obrazie, w owym bowiem przypadku można by było dostać pomieszania zmysłów.

Wyjście jest proste: trzeba wbudować soczewkę odwracającą. Ale teraz luneta jest o wiele za długa i trzeba zastosować pewien trik optyczny: przepuszcza się światło tam i z powrotem przez dwa całkowicie odbijające pryzmaty, dopóki promień nie przebędzie potrzebnej drogi pomiędzy obiektywem a okularem. Jednocześnie pryzmaty ustawia się tak chytrze względem siebie, że odwracają one obraz, a więc nie trzeba stosować soczewki odwracającej. Teraz mamy ziemską lunetę pryzmatyczną, jaką zbudował po raz pierwszy Carl Zeiss w 1895r. w Jenie.

W lunecie Galileusza lub inaczej holenderskiej jako okular wbudowana jest soczewka ujemna. Dostarcza ona prostego obrazu pozornego, jest więc zupełnie odmiennym układem. Zamieniamy każdorazowo soczewkę okularową naszej lunety przez soczewkę ujemną, z ogniskową równą, ale ujemną. Soczewka ta musi tylko stać bliżej obiektywu, przy czym jej prawe ognisko powinno się pokrywać z ogniskiem obiektywu. Obiektywie nazwy tej lunety pochodzą stąd, że w 1609r. pierwsza taka luneta z dwiema soczewkami została zbudowana w Holandii. Galileusz słyszał o tym i natychmiast zbudował lunetę z jedną soczewką dodatnią i jedną ujemną. Później ulepszył ją i dokonał dzięki temu wielu nowych odkryć w astronomii.

Mikroskop

Mikroskop jest to przyrząd optyczny służący do otrzymywania silnie powiększonych obrazów małych przedmiotów. Oko ludzkie o normalnej ostrości widzenia z odległości dobrego widzenia (D= 250mm) może rozróżnić strukturę przedmiotu złożonego z linii lub punktów wtedy, gdy odległość elementów przedmiotu nie jest mniejsza niż 0,08mm. Rozmiary bakterii, komórek, małych kryształków, mikrostruktur metali itp. są znacznie mniejsze od tej wielkości. Za pomocą mikroskopu określa się kształt i rozmiary mikroobiektów. Mikroskopy pozwalają rozróżniać elementy znajdujące się w odległości do 0,25μm.

Zasada działania mikroskopu.
Przedmiot PQ oświetla się za pomocą oświetlacz i kondensora K

Obiektyw Ob. Tworzy rzeczywisty, odwrócony i powiększony obraz P’Q’ przedmiotu PQ. Obraz ten ogląda się przez okular Ok., nadający dodatkowe powiększenie. Okular daje obraz pozorny P’’Q’’ w odległości dobrego widzenia.

Ważną cechą mikroskopu jest jego zdolność rozdzielcza, która jest ograniczona wskutek zjawiska dyfrakcji i zależy od apertury obiektywu oraz długość fali światła. W wyniku dyfrakcji obraz nieskończenie małego punktu świecącego ma kształt okrągłej jasnej plamki otoczonej kilkoma jasnymi pierścieniami. Gdy duże świecące cząstki znajdują się blisko siebie, ich obrazy dyfrakcyjne nakładają się, dając w płaszczyźnie obrazu złożony rozkład oświetlenia. Najmniejszy kontrast, który oko może rozróżnić, wynosi 4 procent. Wówczas najmniejsza rozróżniana przez mikroskop odległość między 2 świecącymi elementami przedmiotu wynosi 0,42d.

Powstawanie obrazu w mikroskopie tłumaczy się wg teorii klas. następująco: w wyniku dyfrakcji równoległe wiązki światła, padającej na siatkę PQ, która stanowi przedmiot, w tylnej płaszczyźnie ogniskowej obiektywu powstają widma dyfrakcyjne kilku rzędów (-2,-1,0,1,2...). W płaszczyźnie P’Q’ promienie pochodzące od różnych widm interfertują dają obraz siatki. Obraz ten jest tym bardziej podobny do przedmiotu, im większa liczba widm dyfrakcyjnych przejdzie przez przesłonę aperturową obiektu. Zasadniczo do powstania obrazu konieczne są co najmniej 2 widma. Do rozróżnienia drobniejszych struktur konieczna jest większa apertura, ponieważ im mniejsza struktura, tym większy jest kąt 2u wiązki ugiętej. Graniczną zdolność rozdzielczą osiąga się przy oświetleniu ukośnym, gdyż wtedy odległość między widmami rzędu 0 i 1, a więc i kąt 2u są największe.

W celu zwiększenia apertury liczbowej przestrzeń między przedmiotem a obiektywem napełnia się tzw. cieczą imersyjną. Wielkość apertury obiektywów imersyjnych o dużym powiększeniu dochodzi do A=1,3. Przy pełnym wykorzystaniu zdolności rozdzielczej mikroskopu odległość między obrazami 2 jeszcze rozróżnialnych punktów powinna wynosić 0,3-0,6μm. Odpowiadające temu warunkowi powiększenie wynosi (500-1000) A i nazywa się powiększeniem użytecznym mikroskopu.

Podczas oglądania preparatu okiem powiększenie większe od 1000 A nie ujawnia nowych szczegółów struktury, chociaż czasami jest stosowane np. w mikrofotografii, przy rzutowaniu na ekran. Duży wpływ na kontrastowość i równomierność oświetlenia obrazu w mikroskopie ma układ oświetlający. Prawidłowe oświetlenie przedmiotu jest następujące (rys.1.): kolektor KL daje obraz źródła światła L w płaszczyźnie przesłony irysowej ab kondensatora K. Kondensator K tworzy w płaszczyźnie przedmiotu PQ obraz przesłony Dp oświetlacza. Otwór przesłony aperturowej dobiera się tak, by jej rzut uzyskany za pomocą kondensatora i obiektywu na wyjściową źrenicę obiektywu ab nie przekracza ⅔ wielkości średnicy źrenicy wyjściowej obiektywu. Przesłonę pola Dp dobiera się tak, by była równa wielkości obserwowanego przesłoną okularu mikroskopu. W takim układzie każdy punkt źródła światła oświetlenia jednakowo wszystkie punkty pola widzenia, co zapewnia równomierne jego oświetlenie. Jest to szczególnie ważne w mikrofotografii.

Stereoskopową (objętościową) obserwację preparatu przeprowadza się za pomocą mikroskopu stereoskopowego, który w zasadzie składa się z 2 zwykłych mikroskopów. Osie opyczne obu mikroskopów tworzą pewien kąt, w wierzchołku którego umieszcza się preparat. Powstają w nich 2 powiększone, nieci różniące się obrazy, które podczas obuocznej obserwacji dają objętościowy obraz przedmiotu.

Podstawowe elementy mikroskopów. Układ optyczny i mechaniczny elementów konstrukcyjnych większości mikroskopów różnych typów z wyjątkiem mikroskopu metalograficznego jest w ogólnych zarysach jednakowy

Zwierciadło 2 kieruje światło do kondensora. Jest to zwykle układ optyczny złożony z dwu lub trzech soczewek i przesłony irysowej; liczbowa aperatura osiąga wartość 1,4. W zależności od stosowanej metody obserwacji stosuje się kondensory jasnego i ciemnego pola, kondensor do obserwacji metodą kontrastu fazowego oraz kondensor z przesuniętą przesłoną aperturową, dający ukośne oświetlenie, co umożliwia osiągnięcie maks. Zdolności rozdzielczej mikroskopu. Osobną grupę tworzą kondensory zwierciadlano-soczewkowe oraz kondensory soczewkowe przezroczyste, stosowane w mikroskopach nadfioletowych.