Przyrządy optyczne z punktu widzenia fizyki

1. Oko

Schemat budowy oka przedstawiony jest na rysunku 1.4.

Światło wpadające do oka zanim dotrze do siatkówki przechodzi przez rogówkę, płyn wodnisty, tęczówkę, soczewkę i ciało szkliste. Każda z tych części wykonuje proste zadanie i choć każda z nich posiada wady[1], oko jako całość stanowi wspaniały instrument optyczny, doskonale przystosowany do funkcji, jaką musi spełniać. Ludzkie oko jest bardziej elastyczne, wrażliwsze i niezawodne niż instrumenty optyczne zrobione przez człowieka.Światło wpadając do oka napotyka najpierw na swej drodze błonę ochronną – rogówkę. Następnie przechodzi przez komorę przednią oka i dalej przez otwór źreniczny w tęczówce. Źrenica kontroluje ilość światła przenikającego do oka. Działa w ten sposób, że przy dużym oświetleniu kurczy się, chroniąc oko przed nadmiarem światła, a przy słabym rozszerza, aby wpuścić możliwie najwięcej światła. Zmiana ta dokonuje się w zakresie od maksimum wynoszącego 7-8 mm do minimum w granicy 2-3 mm. Warto zauważyć, że zmiana szerokości źrenicy zmniejsza ilość wpadającego do oka światła około 16 razy (12 dB). Jednak odnosząc to do zakresu pracy systemu wzrokowego określanego na około 140 dB (patrz. Tabela 1.2 ) nie wnosi to znacznej różnicy. Po uświadomieniu sobie tego faktu jasne się staje, że głównym zadaniem źrenicy nie jest regulacja intensywności wpadającego do oka światła; podstawowa jej funkcja polega na uzyskaniu największej głębi ostrości możliwej do uzyskania w danych warunkach oświetlenia. Należy również pamiętać, że rozmiar źrenicy zmienia się w zależności od stanu układu nerwowego, reagując na stan emocjonalny, czy też proces myślenia lub rozwiązywania problemów.

Po przejściu przez źrenicę światło trafia na soczewkę, której zadaniem jest ogniskowanie oglądanego obrazu na siatkówce. Funkcja ta realizowana jest w ten sposób, że w miarę obserwowania dalszych lub bliższych przedmiotów działanie specjalnych mięśni powoduje zmianę grubości soczewki, co w efekcie prowadzi do wyostrzenia widzianego obrazu na powierzchni siatkówki. Soczewka jako przyrząd optyczny jest wysoce niedoskonała. Występują na niej wady optyczne (aberracja sferyczna i chromatyczna) powodujące zniekształcenie widzianego obrazu, dodatkowo w miarę starzenia soczewka traci swoje właściwości, a jej zdolność do ogniskowania obniża się. Mechanizm ogniskowania soczewki jest w zasadzie automatyczny i odbywa się bez udziału naszej świadomości, jednakże można na niego świadomie oddziaływać wymuszając takie ogniskowanie soczewki, aby żaden widziany obraz nie był widziany ostro.
Po przejściu przez soczewkę oraz znajdującą się wewnątrz oka galaretowatą substancję – ciało szkliste, światło pada na siatkówkę gdzie znajdują się elementy światłoczułe. Ponieważ soczewka odwraca widziany obraz, to co pojawia się na siatkówce jest odwrócone w stosunku do rzeczywistości o 180 (por. rys. 1.6).


Siatkówka to składająca się z kilku warstw komórek, tkanka pokrywająca wklęsłą wewnętrzną powierzchnię oka. Głównym jej zadaniem jest przekształcenie wpadającego do oka światła w reakcje fizjologiczne i docelowo w impulsy nerwowe przekazujące informacje do kory wzrokowej w mózgu. Siatkówka składa się trzech warstw oraz pięciu rodzajów komórek. Warstwa pierwsza na drodze światła to warstwa komórek zwojowych, które są komórkami nerwowymi przekazującymi impulsy nerwowe. Drugą warstwę stanowią komórki dwubiegunowe, amakrynowe i horyzontalne, jest to warstwa łącząca między komórkami zwojowymi i fotoreceptorami. Ostatnią trzecią warstwę stanowią fotoreceptory, których są dwa rodzaje: pręciki odpowiedzialne za widzenie w ciemności i czopki odpowiedzialne za widzenie w dzień. Światło na swej drodze do fotoreceptorów musi pokonać dwie warstwy komórek i tylko dzięki temu, że są one przeźroczyste docierając do receptorów nie ulega ono istotnemu rozproszeniu lub osłabieniu.

Na powierzchni siatkówki można wyróżnić dwa istotne obszary. Pierwszy, zwany dołkiem środkowym lub plamką żółtą jest to miejsce o średnicy ok. 1.5 mm, odpowiadające środkowi naszego pola widzenia.. W obszarze tym występuje maksymalne zagęszczenie czopków (w sumie około 2 miliony), pozbawiony jest on natomiast zupełnie pręcików (por. rys. 1.10 i rys. 1.11). Plamka żółta jest miejscem o największej ostrości widzenia.

Drugi punkt to tak zwana plamka ślepa, która stanowi ujście włókien nerwowych z siatkówki, a zarazem początek nerwu wzrokowego. Miejsce to znajduje się w odległości ok. 16 od dołka środkowego i całkowicie pozbawione jest receptorów. Choć w polu widzenia istnieje więc miejsce gdzie nic nie widzimy, to jednak do naszej świadomości to nie dociera ponieważ mózg uzupełnia brakującą informację.

W każdym oku człowieka jest około 126 milionów światłoczułych receptorów, 120 milionów pręcików i 6 milionów czopków. Dla porównania ilość punktów na ekranie monitora komputerowego przy rozdzielczości 1024x768 wynosi zaledwie 786 tysięcy. Ponieważ pręciki i czopki różnią się od siebie zarówno pod względem rozmieszczenia jak i czułości, reakcji na światło, budowy i wreszcie samym przeznaczeniem, możemy powiedzieć, że mamy do czynienia nie z jednym systemem wzrokowym, lecz dwoma, opartymi na czopkach i pręcikach. Pręciki to receptory bardzo czułe, służą głównie do widzenia w ciemności, zajmują zewnętrzne obszary siatkówki. Czopki są mniej wrażliwe na światło, rozmieszczone są głównie w centrum pola widzenia, a w szczególności w rejonie dołka środkowego. Wykorzystywane są do widzenia w dzień, przede wszystkim do postrzegania barw i konturów. Zagęszczenie fotoreceptorów na powierzchni siatkówki nie jest jednolite (por. rys. 1.12 i 1.13): osiąga dla czopków maksimum 200 000 / mm2 w okolicy dołka środkowego, a dla pręcików 160 000 / mm2 w odległości 20 stopni od dołka środkowego.


W przekazywaniu informacji od receptorów do mózgu uczestniczą różne rodzaje komórek. Ze względu na sposób połączeń pomiędzy tymi komórkami możemy mówić o dwóch organizacjach (kierunkach) dróg wzrokowych (por. rys. 1.14).


Organizacja pionowa, która odpowiada za przekazywanie sygnałów nerwowych od receptorów do mózgu, oraz organizacja pozioma, dzięki której informacja wymieniana jest pomiędzy sąsiadującymi ze sobą komórkami. W kierunku pionowym sygnał nerwowy przechodzi przez dwie synapsy - pierwsza znajduje się pomiędzy receptorem a komórką dwubiegunową, druga pomiędzy komórką dwubiegunową i komórką zwojową. Aksony komórek zwojowych tworzą pień nerwu wzrokowego wychodzącego z oka. W kierunku poziomym informacja przekazywana jest pomiędzy receptorami za pośrednictwem komórek horyzontalnych, oraz pomiędzy komórkami dwubiegunowymi i zwojowymi za pośrednictwem komórek amakrynowych. Komórki horyzontalne i amakrynowe odpowiedzialne są za to jak wiele receptorów “widzianych” jest przez pojedynczą komórkę zwojową, z tą różnicą, że komórki amakrynowe zbierają informację z bardziej odległych obszarów.Zagęszczenie połączeń poziomych nie jest takie samo na powierzchni całej siatkówki. Na peryferiach jedna komórka zwojowa może pobierać informacje od setek, a czasem tysięcy receptorów, natomiast w okolicach plamki żółtej pojedynczy czopek może poprzez oddzielną komórkę dwubiegunową łączyć się z pojedynczą komórką zwojową. Takie bezpośrednio połączone ze sobą komórki noszą nazwę karłowatych komórek dwubiegunowych oraz karłowatych komórek zwojowych z uwagi na swoje małe rozmiary.Ponieważ w okolicach dołka środkowego na pojedynczą komórkę zwojową przypada zaledwie kilka receptorów pole widzenia takiej komórki określane jest na ok. 0.03 stopnia. Na peryferiach natomiast z uwagi na to, iż na pojedynczą komórkę zwojową przypada bardzo wiele receptorów pole widzenia takiej komórki wynosi ok. 3 stopni. Ma to decydujące znaczenie przy określaniu rozdzielczości ludzkiego oka oraz możliwości dostrzegania przez nas szczegółów w polu widzenia.
Zazwyczaj komórki zwojowe łączą się wyłącznie z czopkami lub wyłącznie z pręcikami, ale tutaj również czasami zdarzają się wyjątki.
Wszystkie komórki receptorów, komórki horyzontalne oraz komórki dwubiegunowe komunikują się z innymi komórkami wyłącznie poprzez gradientowe zmiany potencjału , natomiast niektóre komórki amakrynowe oraz wszystkie komórki zwojowe wytwarzają potencjały czynnościowe . Gradientowe zmiany potencjału pozwalają na bardzo szybkie i ciągłe przekazywanie informacji. Zaletą potencjałów czynnościowych jest możliwość przekazywania informacji na duże odległości, co nie jest możliwe w przypadku zmian gradientowych.
Mówiąc o komórkach zwojowych musimy wspomnieć również o polach recepcyjnych. Polem recepcyjnym komórki zwojowej nazywamy obszar siatkówki, którego pobudzenie, przez padające nań światło, ma wpływ na zmianę aktywności tejże komórki zwojowej. Przesuwając małym promieniem światła po polu recepcyjnym komórki zwojowej możemy zaobserwować dwojaką reakcję. Reakcja ta może być pobudzająca – zwiększająca liczbę potencjałów czynnościowych w jednostce czasu, lub hamująca (zmniejszająca). Reakcja komórki zwojowej zależy od tego, czy pobudzane receptory są z nią połączone poprzez połączenia synaptyczne pobudzające czy też hamujące. Podobna do powyższej definicja pola recepcyjnego używana jest wobec wszystkich komórek reagujących na światło.
Istnieją dwa główne typy pól recepcyjnych komórek zwojowych siatkówki. Pierwszy rodzaj to komórki, których środek pola recepcyjnego działa pobudzająco, a brzegi działają hamująco. Mówimy, że takie komórki zwojowe są typu ON/OFF (ang. ON center/OFF surround), czyli mają pobudzające centrum oraz hamujące otoczenie. Drugi rodzaj to komórki, których środek działa hamująco, a brzegi pobudzająco, są to komórki typu OFF/ON (ang. OFF center/ON surround)

Zmiany potencjałów czynnościowych komórek zwojowych są wyznacznikiem o ile bardziej obiekt, na który „patrzy” dana komórka jest jaśniejszy (w przypadku komórek typu ON/OFF) lub ciemniejszy od otoczenia (w przypadku komórek OFF/ON). Istnienie tego typu mechanizmów pozwala na wykrywanie krawędzi obiektów znajdujących się w polu widzenia, a to jest podstawą do usunięcia redundancji z przekazywanej informacji, co powoduje jej uproszczenie i skompresowanie.
Akomodacja-zdolność oka do zwiększania refrakcji układu optycznego oka, pozwalająca na uzyskanie na siatkówce ostrego obrazu zarówno przedmiotów odległych jak i bliskich; dzieje się to dzięki sprężystości soczewki oka, która po zwolnieniu połączonych z jej brzegiem koncentrycznie wiązadeł, usiłuje przybrać kształt zbliżony do kulistego, zwiększając w ten sposób zdolność skupiania promieni świetlnych; zwolnienie wiązadeł następuje poprzez skurcz równolegle do nich przebiegających włókien mięśnia rzęskowego, który na kształt pierścienia otacza soczewkę i jest sterowany na drodze odruchowej; rozpiętość zdolności nastawczej maleje wraz z wiekiem
Wady wzroku:
Zaburzenia budowy gałki ocznej, zdolności akomodacyjnych soczewki oraz rogówki są przyczyną najczęściej występujących wad wzroku - krótkowzroczności, dalekowzroczności i astygmatyzmu. Korekty tych nieprawidłowości dokonuje się za pomocą odpowiednich szkieł.
Oko krótkowzroczne - ma wydłużoną gałkę oczną, toteż promienie świetlne skupiają się przed siatkówką, dając tym samym nieostry obraz na siatkówce.


Gałka oczna oka krótkowzrocznego jest zbyt długa, toteż promienie świetlne skupiają się przed siatkówką a na siatkówkę docierają promienie rozproszone. Oko krótkowzroczne można skorygować za pomocą soczewki wklęsłej, która powoduje rozbieżny bieg promieni i tym samym umożliwia oku skupienie ich na siatkówce.
Oko dalekowzroczne - gałka oczna jest zbyt krótka i promienie słoneczne skupiają się poza siatkówką.

Gałka oczna w oku dalekowzrocznym jest zbyt krótka w stosunku do gałki ocznej w oku prawidłowym, toteż promienie świetlne skupiają się za siatkówką a na siatkówce powstaje obraz nieostry (czerwone zakreślenie). Oko dalekowzroczne można skorygować za pomocą soczewki wypukłej. Przy jej zastosowaniu promienie stają się bardziej zbieżne i oko może je skupiać na siatkówce
Astygmatyzm - polega na tym, że na siatkówce powstają obrazy niewyraźne i zniekształcone, gdyż oko nie załamuje z jednakową siłą we wszystkich płaszczyznach, czyli załamuje niesferycznie dając nie tylko obrazy załamane, ale i zniekształcone przez sztuczne wydłużenie lub poszerzenie.


Promienie przechodzące przez soczewkę skupiaja się na siatkówce lub za nią, w wyniku nierównomiernej krzywizny soczewki lub rogówki.W przypadku astgmatyzmu stosuje się soczewki cylindryczne, ułatwiające skupienie promieni światła w tych płaszczyznach, w których promienie krzywizn w oku, a zwłaszcza w rogówce, są zbyt duże i nierówne w stosunku do pozostałych.

Częstą przyczyną utraty wzroku jest zaćma- zmętnienie soczewki oka, spowodowane urazem,chorobą lub po prostu starością. Soczewkę, która utraciła przejrzystość, stosunkowo łatwo usunąć i zastąpić protezą z przezroczystego plastyku.
Niestety, po kilku latach duża część pacjentów ponownie traci wzrok ponieważ pozostałe nieliczne komórki soczewki mnożą się, zarastając protezę. Aby temu zaradzić, konieczna jest kosztowna laseroterapia. Jak donosi "London Press Service", 85/1999 Brytyjskim naukowcom i klinicystom z Norwich udało się znaleźć sposób na wtórną zaćmę. Po powleczeniu wszczepionej do oka soczewki substancją otrzymaną z barszczu (zioła) następuje zahamowanie wchłaniania wapnia przez komórkę, co w rezultacie prowadzi do zahamowania namnażania się komórek, eliminując potrzebę powtórnej operacji.
Ślepota barwna zarówno całkowita, jak i częciowa uniemożliwia człowiekowi rozpoznawanie kolorów. Zupełna ślepota barwna polega na tym, że człowiek widzi wszystko achromatycznie, czyli wyłącznie na podstawie różnych stopni przejścia od białego do czarnego.Częściowa ślepota barwna może polegać na zupełnym braku jednego z trzech typów czopków.
Ta wada może mieć więc trzy odmiany:
- protanopia- nie odczuwanie koloru czerwonego,
- deuteranopia - nie odczuwanie koloru zielonego,
- tritanopia - nie odczuwnie koloru fioletowego.
Częściowa ślepota barwna może polegać także na tym, ze wszystkie trzy barwy podstawowe odczuwa się słabiej niż okiem prawidłowym.

Kolejną wadą oka jest jaskra (glaucoma),która jest powodowana patologicznym wzrostem ciśnienia w gałce ocznej. Ciśnienie w oku może też się zmniejszać, a nawet spadać gwałtownie, np. po wpuszczeniu pewnej ilości cieczy wodnistej podczas zabiegów operacyjnych. Wtedy płyn teorzy się obficiej i cinienie wyrównuje się zazwyczaj już po kilkudziesięciu minutach.

2. Lupa

Lupa-jeden z najprostszych przyrządów optycznych współpracujących z okiem który stanowi po prostu odpowiednio oprawiona soczewka skupiająca (lub układ soczewek),o odpowiednio dużej zdolności skupiającej (krótkiej ogniskowej) i który służy do uzyskiwania powiększonych (od kilka do 20 razy) obrazów niewielkich przedmiotów. Lupy powiększające obraz w mniejszym stopniu zalicza się do szkieł powiększających Bardzo często można się spotkać z terminem mikroskop prosty. Jest to inna nazwa tej samej rzeczy, mianowicie lupy, umożliwiającej obserwowanie drobnych obiektów z powiększeniem ich obrazów wynoszącym kilkanaście a nawet kilkadziesiąt razy Przedmiot oglądany za pomocą lupy umieszcza się w odległości mniejszej niż wynosi ogniskowa soczewki. Powstaje wtedy prosty, powiększony obraz pozorny przedmiotu.Wyróżniamy rodzaje lup :z rączką ,stojące i na statywie. Działanie lupy polega na zwiększeniu kąta pod jakim widzimy obraz. Gdy chcemy dostrzec drobne szczegóły przedmiotu, staramy się widzieć go pod dużym kątem widzenia .W tym celu przedmiot przesuwamy możliwie blisko oka. Oglądanie przedmiotu z tak małej odległości połączone jest z szybkim męczeniem się oka. Dzięki lupie oko się nie męczy. Wszystkie lupy można podzielić na proste i złożone. Do tych pierwszych zalicza się pojedyncze soczewki dwuwypukłe, płaskowypukłe i wklęsłowypukłe . Mają one co najwyżej trzykrotne powiększenie. Lupy proste najczęściej używane są jako szkła powiększające. Lupy złożone w zależności od zasadniczego przeznaczenia mają różne obudowy, a niekiedy nawet specjalne urządzenia oświetlające. W tym przypadku rzeczywiście spełniają funkcję prostego mikroskopu. Lupy o powiększeniach od 25 razy do 30 razy (niekiedy nawet do 40 razy ) składają się z 4 i większej liczby soczewek ,tworzących razem układ anastygmatyczny. Powiększeniem kątowym lupy nazywamy stosunek kąta, pod jakim widzimy dany przedmiot przez lupę ,do kąta , pod jakim widzimy go gołym okiem. d Wk = 1+ f f-ogniskowa soczewki d-odległość obrazu od soczewki równa odległości dobrego widzenia. Przy obliczaniu powiększenia kątowego lupy zakładamy ,że przedmiot oglądany umieszcza się w ognisku przedmiotowym lupy. Jak widzimy powiększenie kątowe jest tym większe ,im mniejsza jest ogniskowa i im większa jest odległość dobrego widzenia .Najkorzystniejsze jest użycie lupy dla dalekowidzów ,dla których odległość dobrego widzenia jest większa od 25 cm .Dla krótkowidzów, dla których odległość dobrego widzenia jest mniejsza niż 10 cm, użycie lupy jest o wiele mniej korzystne. Krótkowidz może przysunąć oglądany przedmiot do oka o wiele bliżej niż człowiek o wzroku normalnym i w ten sposób uzyskać duży kąt widzenia bez użycia lupy.
Lupa

3. Luneta

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 i luneta Galileusza.

Luneta astronomiczna, zwana także lunetą Keplera składa się z dwóch współosiowych układów optycznych, z których każdy ma właściwości soczewki skupiającej. Zadaniem obiektywu Ob jest wytworzenie rzeczywistego, odwróconego i zmniejszonego obrazu odległego przedmiotu. Ten powstający w ognisku obiektywu obraz jest następnie oglądany przez lupę, zwaną okularem Ok. Powiększenie kątowe 1. wyraża się wzorem:

i jest równe stosunkowi odległości ogniskowych obiektywu i okularu. W 1. nastawionej na nieskończoność ogniska obiektywu i okularu pokrywają się. L. przekształca wiązkę promieni równoległych o dużej średnicy w wiązkę promieni równoległych o średnicy mniejszej. Stanowi ona w ten sposób tzw. układ bezogniskowy (afokainy). Dla oka miarowego (nie akomodowanego) światło od przedmiotu znajdującego się w nieskończoności dotrze do ogniska znajdującego się na siatkówce, tworząc obraz rzeczywisty. Gęstość strumienia światła wchodzącego teraz do oka jest wyższa niż dla strumienia wchodzącego przez oprawę obiektywu. Dlatego gwiazdy, które są niewidoczne gołym okiem, można zobaczyć za pomocą 1. Luneta Keplera wytwarza obrazy odwrócone, co nie przeszkadza w obserwacjach astronomicznych. Przystosowanie 1. Keplera do obserwacji ziemskich wymaga zastosowania układu optycznego odwracającego obraz. Przedstawiona na rysunku 1. ziemska jest 1. Keplera zaopatrzoną w dodatkową soczewkę odwracającą obraz.
Bieg promieni świetlnych w lunecie ziemskiej

Lornet
Często stosuje się do odwracania obrazu układy całkowicie odbijających
Luneta Galileusza


LUNETY ZWIERCIADLANE (reflektory, teleskopy zwierciadlane). - Pierwsze teleskopy zwierciadlane powstały w XVII w., tak jak lunety soczewkowe. Zwierciadlanym odpowiednikiem lunety Keplera jest teleskop Newtona (1668 r,), w którym obiektywem jest wklęsłe zwierciadło paraboloidalrie lub kuliste. Pomocnicze zwierciadło płaskie kieruje wiązkę światła odbitego od zwierciadła wklęsłego do okularu umieszczonego z boku tubusa. W 1672 r. Cassegrain zaproponował konstrukcję teleskopu, umieszczając na osi głównego zwierciadła paraboloidalnego pomocnicze zwierciadło hiperboloidalne, które kieruje wiązkę światła ku otworowi w środku zwierciadła głównego. Ognisko złożonego obiektywu Casse-graina (teleobiektywu zwierciadlanego) wypada nieco na zewnątrz zwierciadła głównego, gdzie można umieścić okular. Konstrukcja taka okazała się bardzo dogodna i jest obecnie powszechnie stosowana. Każdy duży teleskop używany do obserwacji nieba jest tak skonstruowany, że może pracować jako teleskop Newtona lub teleskop Cassegraina. Powiększenie kątowe lunet zwierciadlanych jest opisane takim samym wzorem jak powiększenie lunety Keplera:





4. Lornetka

LORNETKA PRYZMATYCZNA-Lornetka jest to przyrząd ułatwiający oglądanie obojgiem oczu odległych przedmiotów. Składający się z odpowiednio połączonych 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.

lornetka

5. Teleskop

Astronomia zajmuje się obiektami, których nie można badać w sposób bezpośredni. Obserwacje wykonywane gołym okiem, z natury rzeczy bardzo niedokładne i ograniczone, prowadzone przez długi czas i właściwie zinterpretowane, doprowadziły jednak już w starożytności do odkrycia kulistości Ziemi, wysunięcia hipotezy ruchu Ziemi, a nawet do opisania tak subtelnego zjawiska, jak precesja. Niemniej dopiero wynalazek teleskopu i jego świadome użycie do obserwacji nieba (Galileusz, 1609) spowodował wielki przełom w astronomii, dzięki bowiem nowej technice znacznie wzrosła dokładność obserwacji pozycyjnych i stało się zarazem możliwe prowadzenie obserwacji typu astrofizycznego. Warto od razu podkreślić, że obecne środki techniczne umożliwiają rejestrację promieniowania elektromagnetycznego o każdej długości fali, od promieniowania gamma do fal radiowych, ale ziemska atmosfera przepuszcza małe tylko fragmenty całego widma tego promieniowania. Z niewielkimi stratami do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie o długości fali w zakresach 300-2000 nm, czyli nanometrów, (jest to tzw. optyczne okno atmosferyczne, w nim mieści się zakres widzialny), część zakresu podczerwonego (8-13 mikometrów; m) oraz krótkofalowe promieniowanie radiowe o długości fali od 1 mm do 20 m (okno radiowe). Dlatego po uruchomieniu sztucznych satelitów, sond kosmicznych i teleskopów orbitalnych nastąpił niemal lawinowy wzrost informacji o Wszechświecie, w tym wielu o fundamentalnym znaczeniu. Mimo to, choć zakres widzialny jest drobnym fragmentem całego widma promieniowania, ciągle jeszcze w nim i w jego sąsiedztwie (podczerwień, nadfiolet) prowadzi się większość obserwacji, ponieważ technologia konstruowania klasycznych teleskopów jest dobrze opanowana, a zbudowanie nawet dużego teleskopu optycznego kosztuje mniej niż wysłanie aparatury na orbitę. Teleskop ma przede wszystkim za zadanie zebrać jak najwięcej promieniowania emitowanego przez odległe, a więc z reguły bardzo słabe obiekty, dlatego podstawowym parametrem charakteryzującym jego możliwości jest średnica jego obiektywu. Od średnicy zależy też możliwość rozróżniania szczegółów obrazu tworzonego przez teleskop, co wynika z falowej natury światła. Mianowicie zdolność rozdzielcza teleskopu o średnicy D odbierającego falę o długości wynosi w przybliżeniu /D radianów (średnica i długość fali w jednakowych jednostkach), co dla światła widzialnego daje 15"/D, gdzie D jest wyrażone w centymetrach. Tę teoretyczną zdolność rozdzielczą może osiągnąć tylko teleskop pracujący poza atmosferą (np. Kosmiczny Teleskop Hubble'a).

Obraz utworzony przez obiektyw w ognisku można np. oglądać przez okular, spełniający tu rolę lupy. Jest to klasyczny układ tzw. teleskopu Keplera (1611). Kątowe powiększenie takiego teleskopu jest równe stosunkowi ogniskowej obiektywu do ogniskowej okularu. O wyborze okularu decyduje obserwator, zatem powiększenie nie jest ustalonym parametrem teleskopu. Obecnie rzadko prowadzi się profesjonalne obserwacje wizualne, gdyż zazwyczaj istotne jest utrwalenie obrazu tworzonego przez teleskop, często w zakresie promieniowania niedostępnym dla oka (bezpośrednio na kliszy fotograficznej lub w obrazowym urządzeniu elektronicznym), albo wykonanie fizycznych badań światła skupianego przez teleskop (natężenia, składu widmowego), do czego służą fotometry i spektrografy umieszczane w ognisku teleskopu.

Obiektyw klasycznego teleskopu optycznego utworzony jest ze skupiającego układu soczewek lub wklęsłego lustra. W pierwszym przypadku teleskop nazywa się refraktorem, w drugim - reflektorem. Pojedyncza soczewka skupiająca nie może stanowić obiektywu dobrego teleskopu, gdyż właściwe jej wady (aberracja sferyczna i chromatyczna) czyniłyby taki teleskop urządzeniem praktycznie bezwartościowym dla profesjonalnej astronomii. Obiektyw refraktora składa się zazwyczaj z co najmniej trzech soczewek, w których odpowiedni dobór krzywizn, współczynników załamania szkła i usytuowania zapewnia znaczne zmniejszenie wspomnianych wad całego układu. Obiektyw lustrzany z natury rzeczy nie ma aberracji chromatycznej, brak aberracji sferycznej zapewnia kształt lustra (zazwyczaj paraboloida obrotowa), a gięcie się szkła pod własnym ciężarem eliminuje się, podpierając tylną ścianę lustra w tylu punktach, w ilu potrzeba (co jest wykluczone w przypadku soczewek). Dlatego największe współczesne teleskopy to reflektory. Ich niedogodnością jest jedynie konieczność odnawiania co jakiś czas aluminiowej powierzchni odbijającej światło.
Każdy teleskop musi mieć możliwość zwracania się w dowolnym kierunku i śledzenia obiektu przez długi czas. Zapewnia to tzw. montaż teleskopu. Jest to mechaniczne zawieszenie tubusu teleskopu, umożliwiające obracanie go wokół dwóch wzajemnie prostopadłych osi. Jeżeli główna oś jest pionowa (a więc druga pozioma), to montaż nazywamy horyzontalnym lub azymutalnym, a śledzenie wybranego obiektu wymaga stałego obracania teleskopu wokół obu osi. Tak są budowane największe teleskopy, a ich obrotami sterują komputery. Teleskopy mniejsze mają zazwyczaj główną oś równoległą do osi ziemskiej (a zatem druga leży w płaszczyźnie równika niebieskiego) i taki montaż nazywamy równikowym lub paralaktycznym. Dla długotrwałego śledzenia wybranego obiektu wystarcza tu obracanie teleskopu wokół jednej, głównej osi, tak by skompensować obrót Ziemi, a pozwala to robić jeden silnik o stałych obrotach, kontrolowanych ewentualnie przez zegar. Każdy teleskop ze zrozumiałych powodów musi stać na fundamencie gwarantującym stabilność całej konstrukcji i mieć osłonę przed wpływem atmosfery. Osłoną tą zazwyczaj jest częściowo otwierana obrotowa kopuła, która wraz z zapleczem techniczno-bytowym tworzy tzw. obserwatorium astronomiczne.
Odbiornik promieniowania (kasetę z kliszą, spektrograf, kamerę CCD czy nawet kabinę dla obserwatora) można zainstalować bezpośrednio w ognisku głównego lustra teleskopu, czyli w tzw. ognisku głównym. System taki jest stosowany w przypadku wielkich teleskopów, gdzie urządzenie umieszczone w ognisku przesłania niewielki ułamek powierzchni lustra. W mniejszych teleskopach wyprowadza się zbieżną wiązkę światła poza teleskop, umieszczając na jej drodze przed ogniskiem głównym tzw. lustro wtórne. Kieruje ono wiązkę w bok poza tubus lub z powrotem w stronę lustra głównego, a wtedy wiązka skupia się poza nim po przejściu przez jego centralny otwór. W pierwszym przypadku wtórne lustro jest płaskie, a system taki, zwany systemem Newtona (1668), stosowany jest praktycznie tylko w małych teleskopach amatorskich.
Rys. teleskop Cassegraina. W drugim przypadku lustro wtórne jest hiperboloidalne, a taki układ optyczny, zwany systemem Cassegraina (1672), jest najpopularniejszym systemem teleskopów profesjonalnych. W dużych teleskopach istnieje też możliwość wyprowadzenia wiązki światła (za pomocą dodatkowego lustra płaskiego) poza teleskop wzdłuż jego głównej osi do pomieszczenia znajdującego się pod teleskopem. Położenie ogniska, zwanego ogniskiem coud, nie zależy wtedy od ustawienia teleskopu, dlatego można zainstalować tam aparaturę dowolnie dużą lub ciężką. W użyciu są też dwa podstawowe typy teleskopów zwierciadlano-soczewkowych. W tzw. kamerze Schmidta (1930) obiektywem jest lustro sferyczne, a jego aberrację sferyczną kompensuje szklana płyta korekcyjna o jednej powierzchni płaskiej, a drugiej opisywanej równaniem czwartego stopnia. Umieszcza się ją w środku krzywizny lustra. Wskutek tego teleskop zachowuje się tak, jakby w ogóle nie miał osi optycznej, dzięki czemu na zdjęciu otrzymuje się dobry obraz dużego obszaru nieba. Zarazem kamera może mieć dużą światłosiłę, jest więc doskonałym narzędziem do badania obiektów o małej jasności powierzchniowej, czyli mgławic i galaktyk. Z kolei w teleskopie Maksutowa (1940), którego obiektywem jest również lustro sferyczne, aberrację sferyczną usuwa szklany menisk (tzn. wypukło-wklęsła soczewka), umieszczony w pobliżu ogniska obiektywu. Zarówno płyta korekcyjna, jak i menisk wnoszą pewną aberrację chromatyczną, lecz tak małą, że zaniedbywalną.

Kosmiczne promieniowanie radiowe może w zasadzie odbierać każda antena, np. dipol półfalowy. Jednak czułość i zdolność rozdzielcza takiego "radioteleskopu" są bardzo niskie. Dlatego zasadniczym elementem współczesnego radioteleskopu jest również "lustro główne", tzn. paraboloidalna metalowa czasza, w której ognisku umieszcza się antenę lub wlot falowodu prowadzącego do radioodbiornika. Największy radioteleskop o całkowicie ruchomej czaszy znajduje się w Effelsbergu pod Bonn (Niemcy); jej średnica wynosi około 100 m (zdjęcie)
Największy radioteleskop o całkowicie ruchomej czaszy (średnica 100 m) w Effelsbergu pod Bonn. Fot. Instytut Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn. Największa czasza - o średnicy blisko 300 m - jest głównym lustrem nieruchomego radioteleskopu pracującego w Arecibo w Puerto Rico. Czaszę tę zbudowano w odpowiedniej kotlinie na wyspie i jej oś skierowana jest w zenit. Anteny zawieszone są nad kotliną w pobliżu ogniska czaszy, a ich przesuwanie na linach zapewnia teleskopowi ograniczoną "ruchomość". Dzięki radioastronomii dokonano wielu fundamentalnych odkryć, np. promieniowania radiowego Galaktyki (K. Jansky, 1931), kosmicznego promieniowania tła (A. Penzias i r. Wilson, 1965) i jego fluktuacji (satelita COBE, 1989), kwazarów (1963). Czasza największego radioteleskopu (ok. 300 m) spoczywa w Arecibo (Puerto Rico) w naturalnym zagłębieniu gruntu. Fot. D. Parker/Arecibo Observatory Nawet dla największych radioteleskopów stosunek /D jest tak duży, że zdolność rozdzielcza pojedynczego radioteleskopu nie dorównuje zdolności rozdzielczej teleskopów optycznych. Dzięki jednak możliwości porównywania sygnałów, odbieranych jednocześnie przez dwa radioteleskopy rozdzielone odległością nawet tysięcy kilometrów, uzyskuje się efekt, jakby te dwa przyrządy były fragmentami fikcyjnego radioteleskopu o średnicy właśnie tysięcy kilometrów (patrz Instrumenty pomocnicze i techniki obserwacyjne). W rezultacie w radioastronomii można uzyskać stosunek /D mniejszy niż w astronomii optycznej, a więc lepszą zdolność rozdzielczą. Obserwacje krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego można prowadzić jedynie z pokładu sztucznych satelitów, gdyż niemal całe to promieniowanie zostaje zużyte na zjonizowanie wysokich warstw ziemskiej atmosfery. Pierwsze teleskopy rentgenowskie działały na zasadzie camera obscura. Przyrząd przypominał kamerę fotograficzną, w której rolę obiektywu spełniał mały otworek przesłonięty tak dobraną folią metalową, by przepuszczała zadany zakres promieniowania rentgenowskiego. Taka kamera wynoszona była poza atmosferę przez rakietę, a zdjęcia otrzymywało się po odzyskaniu aparatury. Tak uzyskano np. pierwsze zdjęcia Słońca w zakresie rentgenowskim. Później umieszczano na sztucznych satelitach teleskopy rentgenowskie, w których obiektywem był mechaniczny kolimator (np. satelita UHURU). Współczesny teleskop rentgenowski wykorzystuje fakt, że promieniowanie rentgenowskie odbija się od metalicznej powierzchni (a nie wnika w głąb), jeżeli kąt padania na tę powierzchnię jest bliski 90o, czyli gdy promieniowanie niemal się po niej ślizga. Nadanie jej kształtu paraboloidalnego zapewnia normalne ogniskowanie tego promieniowania, z tym że praktycznie wykorzystany jest tylko niemal cylindryczny fragment paraboloidy, odległy od jej ogniska. Wiele takich współosiowych cylindrów, z których każdy stanowi fragment innej paraboloidy, ale mających wspólne ognisko, stanowi obiektyw rentgenowski.
Rejestracja promieniowania o jeszcze krótszych falach, promieniowania gamma, nie stanowi obecnie problemu, chociaż określenie kierunku, skąd ono pochodzi, jest dość skomplikowane na skutek znacznej przenikliwości tego promieniowania. Zasadnicza konstrukcja teleskopu gamma (COMPTEL pracujący obecnie na pokładzie sztucznego satelity) zawiera dwie warstwy komór scyntylacyjnych. Foton gamma przelatuje przez którąś komorę pierwszej warstwy i, zmieniwszy kierunek, dociera do komory warstwy drugiej, gdzie jest absorbowany. W obu komorach foton wywołuje błyski, z których natężenia można określić, ile energii stracił w każdej z komór, a stąd (na podstawie wzoru opisującego zjawisko Comptona) kąt, o jaki został odchylony w pierwszej komorze. Kierunek toru fotonu między pierwszą a drugą warstwą komór jest znany, zatem źródło musi leżeć o ten właśnie kąt od punktu nieba wyznaczonego przez powyższy kierunek. Położenie źródła znajduje się dzięki rejestracji wielu rozmaicie odchylonych fotonów. Dość szczególne teleskopy optyczne stosuje się do obserwacji Słońca. Przyczyną jest wielka ilość energii, jaką obserwator ma tu do dyspozycji. Dlatego w tym przypadku można sobie pozwolić na bardzo długą ogniskową teleskopu, dzięki czemu obraz Słońca w ognisku jest bardzo duży i umożliwia badanie drobnych szczegółów. Istniejące na świecie teleskopy słoneczne mają ogniskowe o długości sięgającej 100 m. Tubusem takiego teleskopu, zwanego teleskopem wieżowym, jest szyb w ziemi, pionowy lub równoległy do osi ziemskiej, na którego dnie wypada ognisko obiektywu i tam mieści się pracownia z aparaturą badawczą. Światło słoneczne jest kierowane do teleskopu za pomocą tzw. celostatu, tj. układu dwóch płaskich luster, z których jedno, obrotowe, kieruje światło ku drugiemu, a ono z kolei - w głąb szybu. Jeszcze jednym przyrządem ważnym w badaniach Słońca jest koronograf, umożliwiający śledzenie atmosfery słonecznej praktycznie nieprzerwanie (a nie tylko podczas całkowitych zaćmień Słońca). Idea koronografu polega na tym, że w ognisku umieszcza się krążek o takiej średnicy, by przesłonił obraz widocznej tarczy Słońca. Ponadto koronograf musi spełniać niezwykle wysokie wymagania co do czystości optyki, skuteczności tłumienia światła rozproszonego w przyrządzie, lokalizacji w czystym powietrzu itd., przez co np. amatorskie zbudowanie koronografu jest niemożliwe.
Teleskop Chandra przeznaczony do badania wszechświata w promieniach rentgena, jest cześcią pozaziemskiego kosmicznego obserwatorium. Teleskop ten nazwany na cześć laureata Nagrody Nobla, amerykańskiego astrofizyka, Subrahmanyana Chandrasekhara, został wyniesiony w kosmos przez wahadłowiec Columbia w lipcu 1999. Pracuje w odległościach od ok. 10 tys. do ok. 140 tys. km (osiągniecie tak wysokiej orbity pozwala na uniknięcie efektów zakłóceń wywołanych pasami radiacyjnymi Ziemi)
Teleskop Hubble'a, orbitujący poza atmosferą ziemską, dzięki czemu dostarcza dokładniejsze obrazy kosmosu Joseph Tanner w przestrzeni kosmicznej, zabiegi związane z obsługą kosmicznego teleskopu Hubble'a, luty 1997. Zdjęcie zrobione przez Gregory'ego Harbaugha, którego twarz odbija się w masce hełmu Tannera. W tle wahadłowiec Discovery i Słońce nad horyzontem Ziemi.

6. Mikroskop

Mikroskop, czyli "silny" instrument optyczny do oglądania w powiększeniu małych przedmiotów, został wynaleziony w 1673r. Inni mówią, że mikroskop optyczny wynalazł Holender van Jansen w 1590r. Udoskonalił ten przyrząd Leeuwenhoek, urzędnik z Delft, który biologią zajmował się tylko amatorsko. Szlifował on niezwykle precyzyjnie szklane soczewki w taki sposób, że jego mikroskop powiększał aż 300 razy. Przy takim powiększeniu można już było obserwować mikroorganizmy. W 1683r. Leeuwenhoek opublikował pierwsze rysunki bakterii i pierwotniaków. Te ostatnie nazwał "wymoczkami", gdyż pochodziły z hodowli uzyskanej z siana zalanego wodą. Pierwsze komórki pod mikroskopem zaobserwował w 1655r. angielski uczony Robert Hooke. Pierwsze mikroskopy miały tylko jedną soczewkę i nazywane były mikroskopami prostymi. W mikroskopie światło - po przejściu przez pryzmat załamywane jest przez soczewkę obiektywu i trafia do oka obserwatora. Soczewka sprawia, że przedmiot wydaje się większy niż w rzeczywistości. Mikroskop tzw. złożony ma nie jedną, lecz dwie soczewki. Obiektyw wytwarza powiększony obraz przedmiotu, a okular powiększa ten obraz jeszcze bardziej. Prostym przyrządem optycznym jest też lupa, tj. okrągła soczewka z uchwytem. Mikroskop optyczny, przyrząd optyczny służący do uzyskiwania silnie powiększonych obrazów małych przedmiotów. Zasadniczo zbudowany jest z tubusu zawierającego na swoich końcach okular i obiektyw (oba działające jak soczewki skupiające). Ponadto mikroskop optyczny posiada układ oświetlenia preparatu (kondensor) i stolik preparatowy (czasami wyposażony w mikromanipulator).
Obiektyw mikroskopu optycznego daje rzeczywisty, odwrócony i powiększony obraz przedmiotu, okular pełni rolę lupy, przez którą ogląda się obraz dawany przez obiektyw. Obraz oglądany w okularze jest obrazem pozornym i silnie powiększonym, powiększenie kątowe mikroskopu optycznego wyraża się wzorem: w=(xD)/(fF), gdzie x - długość rury tubusa, D - odległość dobrego widzenia (250 mm), f i F odpowiednio: ogniskowa obiektywu i okularu. Przy znanych oddzielnie powiększeniach okularu i obiektywu powiększenie mikroskopu optycznego jest iloczynem tych powiększeń. W praktyce stosuje się powiększenia od kilkudziesięcio- do ponad tysiąckrotnych. Najlepsze mikroskopy optyczne pozwalają dostrzegać szczegóły przedmiotu o rozmiarach kilkuset nm. Dalszy wzrost zdolności rozdzielczej jest ograniczony długością fali światła, pewne poprawienie zdolności rozdzielczej można uzyskać konstruując mikroskop optyczny do obserwacji w nadfiolecie (tzw. mikroskopy ultrafioletowe). Jasność obrazu mikroskopu optycznego jest proporcjonalna do rozwartości kąta wiązki wchodzącej do obiektywu (tzw. apertura wejściowa mikroskopu optycznego, imersyjny obiektyw mikroskopu). W konstrukcji obiektywu pożądane jest też uzyskanie jak najmniejszej ogniskowej, oba te czynniki powodują, że bieg promieni daleki jest od biegu promieni przyosiowych, stąd poważnym problemem przy wykonywaniu obiektywów mikroskopowych jest usunięcie powstających wad optycznych (aberracje układów optycznych). W tym celu jako obiektywy stosuje się skomplikowane, wielosoczewkowe układy optyczne (najprostszy z nich, tzw. obiektyw aplanatyczny Amiciego, posiada 6 soczewek). Jako okular stosuje się układ Huygensa (rzadziej Ramsdena). Często używane są mikroskopy stereoskopowe, będące układem dwóch prawie równoległych mikroskopów optycznych, lub mikroskopy wyposażone w tzw. binokular (dwuoczny okular). Możliwe jest też stosowanie różnych specjalistycznych nakładek okularowych umożliwiających fotografowanie lub odrysowywanie obserwowanych przedmiotów.
Ze względu na warunki oświetlenia preparatu wyróżnia się kilka metod obserwacji mikroskopowych:
a) metoda obserwacji jasnego pola w świetle przechodzącym (preparaty częściowo pochłaniające światło, np. przezroczyste, ale zabarwione),
b) metoda obserwacji ciemnego pola w świetle przechodzącym (preparaty przezroczyste niebarwione, wykorzystane jest tylko światło rozproszone),
c) metoda obserwacji ciemnego pola w świetle odbitym (preparaty nieprzezroczyste, wykorzystuje się światło rozproszone),
d) metoda kontrastu fazowego (do obserwacji przedmiotów przezroczystych i bezbarwnych, zastosowanie specjalnego układu optycznego ujawnia różnice w drogach optycznych różnych promieni, F. Zernike),

e) metoda interferencyjna (obserwacja interferencji światła przechodzącego przez przezroczysty preparat).

Optyka cząsteczkowa, dział fizyki stosowanej obejmujący ogół reguł i technologii stosowanych do prowadzenia i ogniskowania wiązek cząstek elementarnych, jonów i molekuł. W zależności od rodzaju cząstek będących przedmiotem zainteresowania wyróżnia się optykę: elektronową, jonową, neutronową itp.Optyka cząsteczkowa pozwala m.in. konstruować: akceleratory, mikroskopy nieoptyczne, kineskopy.
Mikroskopy nieoptyczne, przyrządy pozwalające uzyskiwać powiększone obrazy małych przedmiotów, nie wykorzystujące w tym celu fal świetlnych. Zgodnie z teorią mikroskopu (E. Abbe) obraz w mikroskopie (mikroskop optyczny) powstaje na skutek nałożenia się zjawisk dyfrakcyjnych, stąd istnieje fizyczne ograniczenie zdolności rozdzielczej każdego mikroskopu, pozwalające dostrzec szczegóły powierzchni nie mniejsze od położenia użytej do obserwacji długości fali. Mikroskopy elektronowe Wraz z odkryciem falowej natury cząstek (fale Broglie, dualistyczna natura promieniowania) pojawiły się możliwości skonstruowania przyrządów pozwalających znacznie zwiększyć zdolność rozdzielczą. Pierwszą taką konstrukcją był mikroskop elektronowy prześwietleniowy. Jest to przyrząd, w którym preparat oświetlony jest skolimowanym strumieniem przyspieszonych elektronów. Zjawiska dyfrakcyjne powstające przy oddziaływaniu elektronów z przedmiotem (wykorzystuje się falowe własności wiązki elektronów) przetwarzane są na obraz. Wiązka elektronów ogniskowana jest za pomocą soczewek magnetycznych (odpowiednie elektromagnesy lub magnesy trwałe). Mikroskop elektronowy pozwala uzyskać powiększenia 250 000 razy. Powiększenie sięgające 5 mln razy można uzyskać w podobnych konstrukcjach, przy zastąpieniu elektronów wiązką jonów (mikroskop jonowy), w szczególności jonów wodoru, czyli protonów (mikroskop protonowy). Istnieją mikroskopy rentgenowskie, w których próbka oświetlana jest zogniskowaną wiązką niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego. Mikroskopy elektronowe znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i techniki. Zbudowano wiele ich typów, m.in. takie, które pozwalają wizualizować rozkłady pól elektrycznego i magnetycznego na powierzchni ciał stałych w obszarach o wymiarach kilku mikrometrów; zbudowano także mikroskopy jonowe, w których zamiast wiązki elektronów stosuje się wiązkę jonów. Opracowano też wiele specjalnych technik obserwacji za pomocą mikroskopów elektronowych. Współczesna mikroskopia elektronowa pozwala badać budowę wewnętrzną elementów składowych komórki biologicznej i bakterii , pozwala otrzymywać obrazy bakteriofagów i wirusów, dużych molekuł, a nawet ułożenia atomów w sieci krystalicznej.
Mikroskopy skaningowe Innym rodzajem mikroskopu nieoptycznego są mikroskopy skaningowe (rastrowe). W konstrukcjach tych nad próbką przesuwa się sonda skanująca, zależnie od konstrukcji może ona wysyłać wiązkę elektronów (skaningowy mikroskop elektronowy emisyjny),rejestrować prąd płynący pomiędzy sondą a próbką na skutek efektu tunelowego (skaningowy mikroskop tunelowy) lub rejestrować zmiany pola elektrycznego (skaningowy mikroskop polowy). Uzyskane informacje przetwarzane są na obraz. Te konstrukcje mikroskopów pozwalają dostrzec przedmioty rozmiarów pojedynczych atomów. Rozwój technik mikroskopii elektronowej i polowej uhonorowano przyznaniem w 1986 Nagród Nobla (E. Ruska, H. Rohrer, G. Binnig). Pewnego rodzaju mikroskopem nieoptycznym jest każdy akcelerator służący do badań (w zależności od energii przyspieszanych cząstek) struktury jądra (jądro atomowe) lub cząstek elementarnych.

MIKROSKOP OPTYCZNY
Przyrząd do otrzymywania powiększonych (ponad 2000 razy) obrazów przedmiotów lub ich szczegółów, niedostrzegalnych dla oka (mniejszych od ok. 0,1 mm). Obrazy dawane przez mikroskop optyczny mogą być obserwowane bezpośrednio okiem (mikroskop optyczny zwykły), fotografowane (mikrofotografia), rzucane na ekran bezpośrednio (mikroskop optyczny projekcyjny) lub po przetworzeniu (mikroskop optyczny telewizyjny). Zasadniczymi częściami zwykłego mikroskopu optycznego są:

1) układ opt. oświetlający, zawierający kondensor
2) układ opt. wytwarzający obraz i składający się z obiektywu wytwarzającego rzeczywisty, odwrócony, znacznie powiększony (do ok. 100 razy) obraz A'B' przedmiotu AB
3) okularu, dającego pozorny, kilkanaście razy powiększony w stosunku do A'B' obraz A''B''.



Zastosowanie w mikroskopie optycznym obiektywu zwierciadlanego pozwala na zwiększenie odległości przedmiotu od obiektywu i umożliwia wyposażenie mikroskopu optycznego w dodatkowe elementy: komory grzejne lub chłodzące oraz mikromanipulatory. Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi mikroskop optyczny są powiększenie i zdolność rozdzielcza; maks. użyteczne powiększenie jest wyznaczone przez zdolność rozdzielczą, która z kolei jest ograniczona przez dyfrakcję światła; zdolność rozdzielcza mikroskopu optycznego rośnie ze wzrostem apertury i zmniejszeniem długości fali świetlnej. Zależnie od charakteru badań używa się mikroskopów optycznych dostosowanych do obserwacji w różnych zakresach promieniowania: widzialnym, podczerwonym, nadfioletowym (w tych 2 ostatnich przypadkach obrazy są obserwowane za pomocą odpowiednich przetworników); stosuje się też różne metody obserwacji, gł. tzw. metodę jasnego pola (pozwala na obserwację cząstek pochłaniających lub rozpraszających światło cząstka taka daje ciemny obraz na jasnym tle), metodę ciemnego pola (do obiektywu dochodzą tylko promienie rozproszone na cząstkach możliwa jest także obserwacja przedmiotów przezroczystych różniących się od ośrodka współczynnikiem załamania), oraz metodę kontrastu fazowego (do obserwacji obiektów przezroczystych, których różnica grubości lub współczynnika załamania jest przetwarzana w układzie opt. na różny poziom jasności obrazu) i podobną do niej metodę interferencyjną.

Zmiany konstrukcyjne i dodatkowe urządzenia pozwalają na prowadzenie obserwacji zarówno w świetle przechodzącym przez obiekt, jak i odbitym od obiektu, a także przystosowują mikroskop optyczny do specjalnych zadań, m.in. do obserwacji przedmiotów anizotropowych ( mikroskop polaryzacyjny), badania fluorescencyjnych obrazów mikroobiektów oświetlonych promieniowaniem krótkofalowym widzialnym, nadfioletowym (mikroskop optyczny fluorescencyjny), obserwacji stereoskopowej (mikroskop optyczny stereoskopowy), obserwacji cząstek o wymiarach poprzecznych znacznie mniejszych od teoret. zdolności rozdzielczej mikroskopu optycznego (ultramikroskop). Wynalezienie lasera przyczyniło się do zbudowania skanujących mikroskopów optycznych: odbiciowego i fluorescencyjnego, mikroskopu optycznego dopplerowskiego, mikroskopu optycznego elipsometrycznego i in. Mikroskop optyczny został wynaleziony prawdopodobnie 1590 przez Z. van Jansena; ok. 1677 A. Leeuwenhoek zbudował mikroskop optyczny powiększający dobrze ok. 300 razy; podstawy teoret. mikroskopii oprac. 1872 E. Abbe. W 1962 E.N. Leith i J. Upatnieks zbudowali bezsoczewkowy mikroskop optyczny holograficzny. W 1931 roku Ernst Ruska, konstruując mikroskop elektronowy, dokonał rewolucji w biologii. Przy użyciu tego urządzenia stało się możliwe obserwowanie obiektów o wielkości zaledwie jednej milionowej milimetra. Za swoje osiągnięcie Ruska uhonorowany został w 1986 roku Nagrodą Nobla.
Budowa mikroskopu to splecenie dwóch układów: optycznego i mechanicznego. Układ optyczny służy do oświetlenie obiektu oraz powiększenia jego obrazu. Układ mechaniczny ma zapewniać właściwe położenie poszczególnych elementów układu optycznego. Kluczowa jest stabilność, wzajemna równoległość i współśrodkowość składowych układu optycznego; pożądane wszelkie regulacje temu służące.
Elementy mechaniczne to :
Statyw, korpus mikroskopu: zapewnia sztywność całej konstrukcji, generalnie im sztywniejszy i cięższy tym lepiej. Konstrukcja statywu determinuje, czy dla regulacji odległości obiektyw-przedmiot (nastawiania na ostrość) opuszczamy-podnosimy stolik przedmiotowy, czy też wykonujemy te ruchy tubusem (wraz z mocowanymi do niego obiektywami, okularami i innymi akcesoriami). Rozwiązanie pierwsze (podnoszony-opuszczany stolik) jest pod każdym względem lepsze i stosowane w nowszych mikroskopach. Zapewnia ono stałą wysokość okularów - co jest istotne z ergonomicznego punktu widzenia. Ważniejsza jest eliminacja wady tradycyjnej konstrukcji w której dla nastawiania ostrości opuszczany-podnoszony jest tubus z obiektywami i innymi elementami. W takim wypadku część ruchoma ma niejednokrotnie znaczny ciężar co powoduje zjawisko samoistnego opadania, "płynięcia". Walka z tym wymaga odpowiedniego dobrania oporu stawianego przez śrubę ruchu pionowego i niezależnie od regulacji z upływem czasu ponawia się tendencja do "płynięcia". Ta wada wpisana w konstrukcję może wręcz uniemożliwić stosowanie ciężkich nasadek fotograficznych lub innych urządzeń umieszczanych na tubusie. Takiej wady nie ma nowoczesna konstrukcja z podnoszonym stolikiem przedmiotowym, którego ciężar jest z reguły nieduży,
Stolik przedmiotowy: służy do umocowania preparatu i jego przesuwu w poziomie w osiach X, Y, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego (patrz uwagi przy statywie mikroskopu) przez jego ruch w pionie reguluje się odległość obiektyw-przedmiot (tj. nastawia się ostrość). Mogę też być stoliki specjalnego przeznaczenia np. obrotowy do pracy w świetle spolaryzowanym.
śruba makro- i mikrometryczna: śruby służące do ustawiania odległości przedmiot-obiektyw (nastawiania ostrości).
W zależności od konstrukcji śruba podnosi-opuszcza stolik przedmiotowy lub tubus z obiektywami. Śruba ruchu drobnego - mikrometryczna, zaopatrzona jest zwykle w podziałkę mikrometryczną. Może ona wtedy służyć do pomiaru grubości (wysokości) obiektu. Wartości mierzone tą techniką nie odpowiadają wprost odczytowi z podziałki śruby. Opis techniki takiego pomiaru znajdziecie w artykule o pomiarze grubości szkiełka nakrywkowego. Parafokalność: w nowszych modelach mikroskopów (od połowy XX w.) mamy do czynienia z tzw. układem parafokalnym, tzn. różne obiektywy mają niemal tą samą odległość przedmiotową tzn. po nastawieniu ostrości jednym obiektywem, i następnie po zmianie na obiektyw o innym powiększeniu, obraz jest nadal ostro widoczny; ewentualnie wymagana jest nieduża korekta ostrości. W starszych konstrukcjach nie jest to prawdą i przy zmianie obiektywu potrzebna jest nieraz istotna korekta odległości obiektyw-przedmiot.
Rewolwer: obiektywy mikroskopu są osadzone w gniazdach obrotowej tarczy - rewolweru, jego obracanie umożliwia prostą zmianę obiektywu a tym samym używanego powiększenia,
Tubus: przestrzeń pomiędzy obiektywem a nasadką okularową, w której następuje formowanie się obrazu; długość tubusu (tzw. optyczna tubusu) w starszych konstrukcjach jest ustandaryzowana na 160mm (Zaiss i wielu innych) lub 170mm (Laica i nieliczni) i pod jedną lub drugą długość są projektowany obiektywy (ta długość jest wygrawerowana na obiektywach); w nowszych układach (koniec XX w. i obecnie) stosuje się przeważnie tzw. optykę nieskończoną i odpowiednie do tego obiektywy z wygrawerowanym symbolem nieskończoności,
Układ oświetleniowy: w najprostszym przypadku składa się z lusterka, w bardziej złożonych jest to specjalna lampa, z układem kolektora i rozmaitymi regulacjami; oświetlenie jest krytycznym elementem mikroskopowania i znajdziesz tu kilka artykułów poświęconych temu tematowi,
Układ mechaniczny kondensora: pozwala na regulacje położenia kondensora w pionie oraz w bardziej zaawansowanych modelach możliwe jest też centrowanie kondensora względem osi optycznej mikroskopu, niektóre mikroskopy posiadają mechniczną blokadę (hamulec) zabezpieczający przed "wjechaniem" kondensorem w szkiełko przedmiotowe.

Elementy optyczne to :
Oświetlacz: w prostych mikroskopach będzie to lusterko, może też być wbudowana żarówka z reflektorem, lub pełnowymiarowy układ oświetlający z kolektorem, regulacją odległości, centrowaniem, osobnym zasilaniem z regulacją napięcia itd.
Kondensor: jest wtórym źródłem oświetlenia, bezpośrednio oświetla przedmiot,
Szkiełko przedmiotowe, przedmiot, szkiełko nakrywkowe,
Imersja: wypełnienie cieczą przestrzeni pomiędzy szkiełkami a obiektywem i kondensorem,
Obiektywy: zbierają światło wychodzące z przedmiotu i tworzą jego powiększony obraz,
Tubus: tutaj formuje się obraz,
Nasadka okularowa: dłuży do osadzenia okularów i zmiany biegu promieni świetlnych na bardziej ergonomiczy dla obserwatora - pochylony; nasadki okularowe mogą być jednookularowe (w prostszych mikroskopach), dwuokularowe (binokularne) pozwalające na wygodną obserwację dwoma oczami - ważne nie tylko ze względu na ergonomię ale i dla zdrowia, w przypadku nasadek binokularnych może być dostępna regulacja rozstawu okularów (stosownie do odległości pomiędzy źrenicami obserwatora) oraz regulacja dioptrii (dostępna w jednym z okularów) dla wyrównania różnić pomiędzy oczami obserwatora; wreszcie nasadka może mieć wyjście do podłączenia aparatu fotograficznego, kamery cyfrowej, może to być tzw. nasadka trójokularowa lub dedykowana,
stereoskopia - mikroskop z nasadką binokularną to nie to samo co mikroskop stereoskopowy, w mikroskopii stereoskopowej obraz dochodzący do każdego z oczu różni się, obserwator ma wrażenie postrzegania głębi obrazu, w mikroskopie binokularnym jest ten sam; mikroskopy stereoskopowe, ze względów konstrukcyjnych, najczęściej operują na powiększeniach (obiektyw x okular) poniżej 100x,
Okulary: służą do powiększenia (i obserwacji ocznej) obrazu tworzonego przez obiektyw mikroskopu, dodatkowo mogą korygować wady obrazu z obiektywu,


MIKROSKOP POLARYZACYJNY
Mikroskop opt. przystosowany do badania preparatów (gł. anizotropowych) w świetle spolaryzowanym liniowo. Mikroskop polaryzacyjny jest zaopatrzony dodatkowo w polaryzator, analizator oraz soczewkę Bertranda, której włączenie powoduje, że przez okular obserwuje się nie obraz badanego preparatu, lecz obraz źrenicy wejściowej obiektywu. Jeśli polaryzator jest skrzyżowany z analizatorem, w źrenicy obiektywu jest widoczny czarny krzyż tzw. konoskopowy; wstawienie do mikroskopu polaryzacyjnego preparatu anizotropowego modyfikuje krzyż, a nawet przekształca go w zupełnie inną figurę (zależnie od charakteru anizotropowości). Gdy badanym obiektem jest jedno- lub dwuosiowy kryształ, oprócz krzyża obserwuje się barwne prążki i figury interferencyjne (tzw. obrazy konoskopowe), do których analizy służą zwykle załączone kompensatory dwójłomne lub płytki opóźniające (np. ćwierćfalówka). Pierwszy mikroskop polaryzacyjny zbudował 1834 H.F. Tabolt, a D. Brewster wykorzystał do pierwszych systematycznych badań minerałów. Mikroskopy polaryzacyjne są stosowane m.in. w metalografii, przemyśle szklarskim, przemyśle włók., biologii (do badania struktury komórek i tkanek).


MIKROSKOP ELEKTRONOWY SKANINGOWY
(ang. Scanning Elektron Microscope (SEM)) Rodzaj mikroskopu elektronowego, w którym wiązka elektronów, skupiona na powierzchni badanej próbki w plamkę o b. małej średnicy (do 0,1 nm), omiata wybrany prostokątny obszar powierzchni ruchem skanującym, linia po linii. Wiązka elektronów, wytworzona w dziale elektronowym, jest przyspieszana w polu elektr. o potencjale 0,1 30 kV i skupiana przez soczewki elektromagnet.; cewki odchylające nadają jej ruch skanujący. Elektrony wiązki, wnikające w próbkę na niewielką głębokość, częściowo z powrotem z niej wychodzą, ulegając tzw. wstecznemu rozproszeniu; większość z nich jednak pozostaje w próbce, tracąc energię w różnego rodzaju oddziaływaniach, czemu towarzyszy emisja elektronów wtórnych, elektronów Augera, promieni rentgenowskich, światła i in. Różnego rodzaju promieniowanie (po zastosowaniu odpowiedniego detektora) można wykorzystać do tworzenia obrazu próbki oglądanego na ekranie monitora (najczęściej wykorzystuje się emisję elektronów wtórnych, których powstaje najwięcej). Na przykład emitowane przez próbkę elektrony wtórne lub wstecznie rozproszone zostają wychwycone przez detektor, a sygnał wychodzący z detektora, po wzmocnieniu, steruje jasnością wiązki elektronów poruszającej się po ekranie monitora obrazowego synchronicznie z ruchem wiązki skanującej próbkę; obraz jest zatem tworzony czysto elektronicznie, bez udziału soczewek, i jest pewnego rodzaju mapą intensywności emisji elektronów wtórnych lub rozproszonych; różnice w ilości emitowanych elektronów, związane z lokalnymi różnicami kąta padania na nierówności powierzchni albo ze zróżnicowanym składem chem., powodują powstanie kontrastów w obrazie. Zwykle używa się różnych detektorów dla elektronów wtórnych (o małej energii) i dla elektronów wstecznie rozproszonych (o energii zbliżonej do energii elektronów bombardujących próbkę). Zastosowanie do tworzenia obrazu detektora promieniowania rentgenowskiego, sprzężonego z analizatorem energii tego promieniowania (np. spektrometrem rentgenowskim) umożliwia dokonywanie analiz chem. wybranych obszarów, a nawet uzyskanie mapy składu chem. powierzchni próbki.
Powiększenie SEM jest prostym stosunkiem wielkości ekranu monitora obrazowego do wielkości skanowanego obszaru i można go zmieniać w szerokich granicach. Rozdzielczość najlepszych SEM sięga obecnie (1999) 1 nm, a powiększenia dochodzą do kilkuset tysięcy razy. SEM odznaczają się b. dużą głębią ostrości, dzięki czemu stosuje się je do badania preparatów o nierównej powierzchni (przełomów materiałów konstrukcyjnych, całych mikroorganizmów, papieru, tkanin). W ostatnim trzydziestoleciu SEM znalazł zastosowanie we wszystkich prawie dziedzinach nauki i techniki, wszędzie tam, gdzie są potrzebne informacje o morfologii powierzchni i składzie chem. w mikroobszarach. Pomysłodawcą zbudowania SEM był 1938 niem. fizyk M. von Ardenne; jednak został skonstruowany dopiero w poł. lat 60., ponieważ wymagało to użycia zaawansowanych elementów elektronicznych.
Skaningowy mikroskop sił atomowych (skonstruowany po raz pierwszy w laboratoriach firmy IBM) jest połączeniem bardzo prostej idei z zaawansowanymi rozwiązaniami technicznymi, dostępnymi dopiero w obecnych latach. Konstrukcja przyrządu bardzo przypomina ideę gramofonu starego typu. Po powierzchni badanej próbki (lub nad nią) przesuwa się delikatne ostrze umieszczone na końcu małej, płaskiej sprężynki. Pod działaniem siły pomiędzy atomami ostrza i atomami próbki sprężynka ulega ugięciu, zgodnie z prostym równaniem F = k. x, gdzie F jest wartością działającej siły, x wychyleniem, a k stałą opisującą sprężynkę (stałą sprężystości). Zasada działania oparta jest na pomiarze tej siły. Ponieważ aktualne metody pozwalają na pomiar wychylenia x z precyzją wielokrotnie wyższą, niż średnica atomu, dokładność pomiaru siły jest tak duża, że możliwe jest odwzorowanie szczegółów o wielkości porównywalnej z rozmiarami atomu. Można uzyskać mikroskopowe mapy, opisujące zarówno ukształtowanie powierzchni, jak też jej własności jak tarcie, adhezja, rozkład ładunku elektrostatycznego, czy struktura domen magnetycznych. Przeprowadzenie pomiaru zwykle nie wymaga skomplikowanych procedur dla przygotowania badanej próbki i może być dokonane zarówno w powietrzu, jak w cieczy, czy w próżni. Otwiera to nowe, dotychczas nieosiągalne możliwości - tak np. w biologii staje się możliwe obrazowanie i badanie własności żywych komórek w ich naturalnym, ciekłym środowisku, co jest utrudnione w przypadku szeroko dotychczas stosowanej mikroskopii elektronowej. Aby pomiary mogły być przeprowadzane w naturalnym środowisku biologicznym, mikroskop został wzbogacony o specjalną przystawkę, tzw. komorę cieczową. Mikroskop zbudowany w IFJ jest aktualnie wykorzystywany w dwóch obszarach badań. Pierwszy z nich to badanie własności powierzchni materiałów tj. ukształtowania, szorstkości oraz współczynnika tarcia. Drugi obszar obejmuje badania materiału biologicznego, przede wszystkim własności mechanicznych żywych komórek - adhezji oraz elastyczności (modułu Younga), mających ogromne znaczenie dla poznania procesów biologicznych w skali komórki i subkomórkowej, w tym również dla medycyny.

Mikroskopijny mikroskop
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley budują mikroskopijny mikroskop. W przyszłości, dzięki podobnym urządzeniom doktorzy obserwować będą mogli np. wnętrze komórki guza, kiedy wdziera się do niej lek na raka.
Profesor Luke P. Lee i doktoryzujący się u niego Sunghoon Kwon zajrzeli do wnętrza komórki rośliny przez soczewki nie większe niż kropka na końcu tego zdania. Skaner i mikrosoczewki stworzone przez prof. Lee są 500 do 1000 razy mniejsze niż zwyczajne urządzenia podobnej klasy. Testy wykazały, że zdjęcia wykonane przez miniaturowe urządzenie są takie same, jak te zrobione przez duże maszyny. Testowano zdjęcia dwuwymiarowe.
W przygotowaniu są obrazy trójwymiarowe. Maleńki mikroskop wprowadzić będzie można do wnętrza organizmu, aby np. na żywo obserwować proces leczenia. Urządzenie prof. Lee będzie nie tylko mniejsze, ale również dużo tańsze niż duże mikroskopy tej samej klasy, które kosztują około miliona dolarów.