Optyka i soczewki

Soczewki
Soczewkami nazywamy ciało przezroczyste ograniczone dwiema powierzchniami kulistymi (wypukłymi lub wklęsłymi) lub jedną powierzchnią kulistą, a jedną płaską. Ze względu na kształt rozróżniamy następujące typy soczewek:
A. Soczewka dwuwypukła
B. Soczewka płasko - wypukła
C. Soczewka wklęsło - wypukła
D. Soczewka dwuwklęsła
E. Soczewka płasko - wklęsła
F. Soczewka wypukło - wklęsła (Rys21)
O typie soczewki informuje drugi człon wyrazu opisującego soczewkę i tak soczewki A, B, C - należą do soczewek wypukłych, a soczewki D, E, F - wklęsłych. Soczewki dzielimy na skupiające, czyli taki dla których monochromatyczna wiązka promieni równoległych do osi optycznej, po przejściu przez soczewkę skupia się w jednym punkcie, zwanym ogniskiem soczewki; oraz rozpraszające - dla których monochromatyczna wiązka promieni równoległych do osi optycznej staje się rozbieżna po przejściu przez soczewkę, zaś przedłużenia promieni wychodzących z soczewki skupiają się w jednym punkcie, który jest pozornym ogniskiem soczewki. To czy soczewka jest skupiająca czy rozpraszająca zależy nie tylko od jej kształtu, ale również od rodzaju materiału z jakiego została wykonana. Rys.22
Linia łącząca środki ścianek soczewki to oś optyczna soczewki. Punkt na osi optycznej soczewki w którym zbiegają się promienie padające równolegle do niej nazywamy ogniskiem soczewki (F).Odległość od środka soczewki do ogniska to ogniskowa (f) (Rys.22)
Promień równoległy do osi optycznej soczewki po przejściu przez soczewkę przechodzi przez ognisko. I odwrotnie, każdy promień przechodzący przez ognisko, po przejściu przez soczewkę jest równoległy do jej osi optycznej.
Rys23 Promienie wychodzące z ogniska, po przejściu przez soczewkę, są równoległe do jej osi optycznej.





Ogniskową soczewki można obliczyć z zależności:
gdzie: n - współczynnik załamania materiału soczewki względem ośrodka zewnętrznego (n = nsoczewki/nośrodka) | r1,r2 - promienie krzywizn powierzchni otaczających soczewkę
Zależność między odległościami przedmiotu od soczewki (równanie soczewki) ma identyczną postać jak równanie zwierciadła kulistego:


gdzie: x - odległość przedmiotu od środka soczewki | y - odległość obrazu od środka soczewki | f - ogniskowa soczewki

Wyróżniamy przyrządy optyczne:
Teleskop (lustrzany)– teleskop zwierciadlany, czyli reflektor, jest to układ optyczny z obiektywem zwierciadlanym. Jego najważniejszym elementem jest lustro, którego wielkość decyduje o tym, jak odległe i jak jasne ciała możemy oglądać oraz w jakim powiększeniu. Lustro to nie jest płaskie, ma specjalny kształt, co powoduje odbicie promieni w odpowiednim kierunku. Zbudowane jest również ze specjalnego szkła zwanego pyreksem. Lustro zbiera światło, którego wiązka zostaje następnie odbita systemem mniejszych luster do okularu. Teleskopy zwierciadlane mają wiele zalet i dlatego są częściej używane przez naukowców. Mogą mieć też znacznie większe rozmiary od teleskopów refrakcyjnych, dzięki czemu dają możliwość uzyskania lepszych powiększeń. Obecnie najczęściej budowane są teleskopy złożone z wielu połączonych ze sobą zwierciadeł.

Teleskop (obiektywowy) - teleskop obiektywowy, czyli tzw. Refraktor, jest rodzajem dużej lunety. Ma on kształt rury, zwanej tubusem, na której jednym końcu znajduje się obiektyw kierowany na obiekt, jaki chcemy oglądać. Obiektyw stanowi soczewka lub układ soczewek (najczęściej dwóch). Z przeciwnej strony tubusu jest otwór z wyciągiem okularowym, czyli mechanizmem umieszczania i przesuwania okularu, służący do patrzenia. Tubus osadza się na montażu, umożliwiając jego stabilne położenie, a zarazem obracanie nim w dowolnym kierunku. Istnieją różne rodzaje teleskopów obiektywowych, które cechują się rozmaitymi możliwościami korekcji aberracji, czyli wad optycznych powodujących zniekształceniem i nieostrość obrazu. Jakość obrazu jest związana m.in. z rodzajem zastosowanego szkła. Teleskopy te mają ograniczoną wielkość. Największy ma średnicę 102 cm i znajduje się w obserwatorium Williams Bay w USA.

Luneta – służy do powiększenia obrazów obiektów poprzez zwiększanie kąta ich widzenia. Jej główne części to pojedyncza soczewka (obiektyw) i układ soczewek tworzących okular. Elementy te mają odpowiednie ustawienie względem siebie i zazwyczaj są zamocowane w podłużnych, nieprzepuszczających światła tubach. Pierwsze lunety powstały w XVIIW. i bardzo szybko rozpowszechniły się na świecie, co przyczyniło się do rozwoju wielu dziedzin nauki (np. astronomii) i doskonalszego poznania otaczającego nas świata. Wkrótce trudno było wyobrazić sobie bez nich dalekie podróże morskie, badania nieba czy prowadzenie bitew. Luneta powszechnie używa się do dziś, choć skonstruowano znacznie lepsze układy optyczne np. teleskopy służące do oglądania najodleglejszych obiektów w kosmosie.

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.

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).