Instrumenty optyczne

Instrumenty optyczne pomagają nam poznać otaczający świat. Teleskopy umożliwiają badania odległych obiektów kosmicznych podczas gdy mikroskopy dają wgląd w strukturę mikroświata takiego na przykład jak pojedyncza komórka.

Nasze oczy są doskonale zaprojektowanymi instrumentami optycznymi. Gdy spoglądamy na jakikolwiek przedmiot to system soczewek znajdujących się w przedniej części oka tworzy jego obraz na siatkówce. Układ optyczny oka składa się z wypukłej ( skupiającej ) soczewki zbudowanej z przeźroczystych komórek podatnych na zmianę kształtu , oraz znajdującej się przed nią również wypukłej błony wypełnionej płynem , zwaną rogówką.

Najstarsze powiększające przyrządy optyczne datowane są na około 20 wieków wstecz. Źródła greckie i rzymskie opisują jak używać zaokrąglonego szklanego naczynia wypełnionego wodą do otrzymywania powiększonych obrazów przedmiotów . Szklane soczewki powiększające powstał znacznie później. Pierwszymi ich użytkownikami byli prawdo podobnie wczesnośredniowieczni mnisi przepisujący jakieś 1000 lat temu manuskrypty w klasztornych skryptoriach.

Gdy potrafiono już wytwarzać skupiające soczewki powiększające , to naturalnym dążeniem ludzi było uzyskanie jak największych powiększeń przez równoczesne użycie dwóch takich szkieł. Podczas prób ktoś odkrył , że można oglądać powiększone obrazy dalekich przedmiotów jeżeli tylko odpowiednio oddali się obie soczewki od siebie. Takie ustawienie soczewek było punktem do skonstruowania pierwszej lunety , czyli prymitywnego teleskopu soczewkowego. Niekiedy wynalazek lunety przypisuje się XII-wiecznemu angielskiemu filozofowi Rogerowi Baconowi. Jednakże o wiele bardziej prawdopodobne jest , że wymyślili ją wcześniej uczeni arabscy.

Teleskop

Teleskop, teleskop optyczny, jest t przyrząd służący do prowadzenia obserwacji wizualnych lub fotografowania obiektów astronomicznych: dużą luneta astronomiczna ( tzw. refraktor) lub układ optyczny z obiektywem zwierciadlanym ( tzw. reflektor), względnie zwierciadlano soczewkowym

TELESKOP GALILEUSZA ( REFRAKTOR )

Teleskop został skonstruowany w 1608 r. Przez niderlandzkiego optyka Hansa Lippersheya , jednak to Galileusz pierwszy zdał sobie sprawę z użyteczności tego wynalazku i ulepszył jego konstrukcję . Dzięki temu dokonał wielu znaczących odkryć astronomicznych .
Wypukłe soczewki obiektywu teleskopu soczewkowego skupiają światło pochodzące z obserwowanego obiektu . Znajdujące się za nimi wklęsłe , rozpraszające soczewki okularu pozwalają pokazywać jego powiększony i prosty obraz . Soczewki montowane są w rurach , przesuwanych względem siebie , by można było zmieniać odległość między nimi i tym samym ustawiać ostrość (ogniskować obraz ) na obserwowany obiekt . Podobną konstrukcje mają dzisiejsze lornetki .
Zasada działania teleskopu Galileusza opiera się na załamaniu ( refleksji ) promieni świetlnych na soczewkach i dlatego konstrukcje tego typu nazywamy reflektorami . W innym typie reflektora , nazywanym teleskopem astronomicznym , także soczewki okularu są skupiające . Obraz otrzymywany w takim przyrządzie jest odwrócony .

TELESKOP NEWTONA (REFLEKTOR )

Pierwsze teleskopy refrakcyjne nie były wolne od wad . Jedną z poważniejszych była aberracja chromatyczna , wynikająca z tego , że promienie światła o różnej długości fali załamują się w szkle pod nieco innym kontem i są ogniskowane (czyli skupiane ) w nieco innym miejscu , a przejawiająca się występowaniem wokół obrazu kolorowej obwódki ( dzisiejsze układy soczewek są już skompensowane i wolne od tej wady dzięki łączeniu różnych rodzajów szkła ). Aby ominąć ten problem , znamienity angielski fizyk Izaak Newton skonstruował w latach 60 XVII w. teleskop zwierciadlany , czyli reflektor. Zamiast soczewek użył on w celu skupienia promieni świetlnych wklęsłych luster. Promienie świetlne odbijają się od lustra zawsze pod tym samym kątem pod jakim na padają , niezależnie od długości fali światła , więc reflektor wolny był od aberracji chromatycznej. Małe płaskie lusterko dodatkowo odbijało skupione światło tak , by wpadało ono do soczewki okularu umieszczonej z boku rury teleskopu. Obecnie stosuje się znacznie unowocześnione konstrukcje teleskopów zwierciadlanych , jednakże podstawowy typ newtonowski jest wciąż często używany przez astronomów amatorów.

TELESKOP CASSEGRAINA

Francuski rzeźbiarz N. Cassegrain w 1672 roku 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 ( teleskope coude ) , stosuje się też niekiedy dwa zwierciadła hiperboidalne.


TELESKOPY FOTOGRAFICZNE

Jedną z wad konwencjonalnych teleskopów optycznych było to , że umożliwiały obserwację zaledwie niewielkiego wycinka nieba . Problem ten rozwiązał w 1930 roku estoński optyk Bernhardt Schmidt , który skonstruował tzw. Kamerę Schmidta . W konstrukcji tej zwierciadło sferyczne zostało połączone z soczewkami i płytkami szklanymi , by zapewnić wyjątkowo duży kąt widzenia . Dziś teleskopy Schmidta są podstawowym narzędziem pracy w obserwatoriach.


TELESKOPY ZWIERCIADLANO – SOCZEWKOWE

Kamera Maksutowa jest to obiektyw meniskowy ze sferycznym zwierciadłem i wklęsło – wypukłą soczewką , układ skonstruowany przez rosyjskiego optyka D.D. Maskutowa .
Teleskopy zwierciadlano-soczewkowe charakteryzuje się szerszym polem widzenia , wolnym od wad układu optycznego , służą głównie do prowadzenia obserwacji fotograficznych.


Teleskopy optyczne zbierają więcej światła , niż wpada do ludzkiego oka . Źrenica oka przeciętnego człowieka nie otworzy się szerzej niż na 8 mm . Niewielka luneta o średnicy soczewki 80mm ma 100-krotnie większą od oka powierzchnię zbierającą światło . W ten sposób odbiera 100 razy więcej światła niż oko , dzięki czemu możemy za jej pomocą zauważyć gwiazdy których nie moglibyśmy normalnie dostrzec . Teleskopy używane przez astronomów mają o wiele większe średnice .

NAJWIĘKSZY TELESKOP

Pierwszym wielkim teleskopem o szklanym lustrze był 150cm reflektor ustawiony w roku 1908 na górze Mount Wilson w Kalifornii przez Georgea Halea.
Przez wiele lat największym teleskopem był zbudowany w USA w latach 1936 – 1948 r. Teleskop G.E Hale’a na Mount Palomar w Kaliforni liczył 508 cm średnicy.

Jeszcze większy teleskop oddano w 1975 do użytku na Kaukazie w miejscowości Zielenczukskaja. Teleskop ten liczył 600 cm średnicy – jednak problemy techniczne wywołane przez odkształcenie i naprężenia ważącego 42 tony lustra spowodowały, że ma on niedostateczną jakoś obrazu. W celu jej poprawienia konstruuje się teleskopy wielozwierciadłowe .

Multiple Mirror Telescope zbudowano w 1979 roku na Mount Hopkins w Arizonie w USA . Sześć zestrojonych zwierciadeł o średnicy 180 cm każde , co odpowiada pojedynczemu zwierciadłu o średnicy 450 cm.
Największy obecnie teleskop Keck I stoi na szczycie Mauna Kea na Hawajach , pracuje od 1992r Zwierciadło obiektywu tego teleskopu składa się z trzydziestu sześću ściśle do siebie przylegających zwierciadeł dających łączną średnicę 1000 cm .

W Polsce największy teleskop-reflektor znajduje się w obserwatorium astronomicznym Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Piwnicach koło Torunia Jego zwierciadło ma średnicę 90 cm

Konstruuje się też teleskopy o czynnej korekcji odkształceń, gdzie elastyczne , cienkie zwierciadło poddawane jest sterowanym komputerowo wymuszonym odkształceniom , minimalizującym deformacje kształtu lustra .
Technologię taka wypróbowano w 1989 r. na liczącym 350 cm średnicy zwierciadle teleskopu New Technology w La Silla - Chile .
Poważnym ograniczeniem jakości obserwacji teleskopowych są drgania atmosfery , czemu można przeciwdziałać umieszczając teleskopy na orbicie ziemskiej , jak w przypadku Hubble Space Telescope , lub stosują optykę adaptacyjną , jak w znajdującym się na Mauna Kea Canadian – France – Hawaii Telescope o średnicy 358 cm .