Przyrządy optyczne. 1. Oko. Schemat budowy oka przedstawiony jest na rysunku 1.4.

Transkrypt

1 Przyrządy optyczne 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. KaŜda z tych części wykonuje proste zadanie i choć kaŝda z nich posiada wady[1], oko jako całość stanowi wspaniały instrument optyczny, doskonale przystosowany do funkcji, jaką musi spełniać. Ludzkie oko jest bardziej elastyczne, wraŝliwsze i niezawodne niŝ 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, Ŝe przy duŝym oświetleniu kurczy się, chroniąc oko przed nadmiarem światła, a przy słabym rozszerza, aby wpuścić moŝliwie najwięcej światła. Zmiana ta dokonuje się w zakresie od maksimum wynoszącego 7-8 mm do minimum w granicy 2-3 mm. Warto zauwaŝyć, Ŝe 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 róŝnicy. Po uświadomieniu sobie tego faktu jasne się staje, Ŝe głównym zadaniem źrenicy nie jest regulacja intensywności wpadającego do oka światła; podstawowa jej funkcja polega na uzyskaniu największej głębi ostrości moŝliwej do uzyskania w danych warunkach oświetlenia. NaleŜy równieŝ pamiętać, Ŝe rozmiar źrenicy zmienia się w zaleŝności od stanu układu nerwowego, reagując na stan emocjonalny, czy teŝ 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, Ŝe w miarę obserwowania dalszych lub bliŝszych 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 obniŝa się. Mechanizm ogniskowania soczewki jest w zasadzie automatyczny i odbywa się bez udziału naszej świadomości, jednakŝe moŝna na niego świadomie oddziaływać wymuszając takie ogniskowanie soczewki, aby Ŝaden 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. PoniewaŜ soczewka odwraca widziany obraz, to co pojawia się na siatkówce jest odwrócone w stosunku do rzeczywistości o 180 (por. rys. 1.6). 1

2 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, Ŝe są one przeźroczyste docierając do receptorów nie ulega ono istotnemu rozproszeniu lub osłabieniu. Na powierzchni siatkówki moŝna wyróŝnić dwa istotne obszary. Pierwszy, zwany dołkiem środkowym lub plamką Ŝółtą 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 i rys. 1.11). Plamka Ŝółta 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 poniewaŝ mózg uzupełnia brakującą informację. 2

3 W kaŝdym 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. PoniewaŜ pręciki i czopki róŝnią się od siebie zarówno pod względem rozmieszczenia jak i czułości, reakcji na światło, budowy i wreszcie samym przeznaczeniem, moŝemy powiedzieć, Ŝe mamy do czynienia nie z jednym systemem wzrokowym, lecz dwoma, opartymi na czopkach i pręcikach. Pręciki to receptory bardzo czułe, słuŝą głównie do widzenia w ciemności, zajmują zewnętrzne obszary siatkówki. Czopki są mniej wraŝliwe 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 i 1.13): osiąga dla czopków maksimum / mm 2 w okolicy dołka środkowego, a dla pręcików / mm 2 w odległości 20 stopni od dołka środkowego. W przekazywaniu informacji od receptorów do mózgu uczestniczą róŝne rodzaje komórek. Ze względu na sposób połączeń pomiędzy tymi komórkami moŝemy 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 róŝnicą, Ŝe komórki amakrynowe zbierają informację z bardziej odległych obszarów.zagęszczenie połączeń poziomych nie jest takie samo na powierzchni całej siatkówki. Na peryferiach jedna komórka zwojowa moŝe pobierać informacje od setek, a czasem tysięcy receptorów, natomiast w okolicach plamki Ŝółtej pojedynczy czopek moŝe 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.poniewaŝ w okolicach dołka środkowego na pojedynczą komórkę zwojową przypada zaledwie kilka receptorów pole widzenia takiej komórki określane jest na ok stopnia. Na peryferiach natomiast z uwagi na to, iŝ 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 moŝliwości dostrzegania przez nas szczegółów w polu widzenia. 3

4 Zazwyczaj komórki zwojowe łączą się wyłącznie z czopkami lub wyłącznie z pręcikami, ale tutaj równieŝ 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 moŝliwość przekazywania informacji na duŝe odległości, co nie jest moŝliwe w przypadku zmian gradientowych. Mówiąc o komórkach zwojowych musimy wspomnieć równieŝ o polach recepcyjnych. Polem recepcyjnym komórki zwojowej nazywamy obszar siatkówki, którego pobudzenie, przez padające nań światło, ma wpływ na zmianę aktywności tejŝe komórki zwojowej. Przesuwając małym promieniem światła po polu recepcyjnym komórki zwojowej moŝemy zaobserwować dwojaką reakcję. Reakcja ta moŝe być pobudzająca zwiększająca liczbę potencjałów czynnościowych w jednostce czasu, lub hamująca (zmniejszająca). Reakcja komórki zwojowej zaleŝy od tego, czy pobudzane receptory są z nią połączone poprzez połączenia synaptyczne pobudzające czy teŝ hamujące. Podobna do powyŝszej definicja pola recepcyjnego uŝywana 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, Ŝe 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 spręŝystości soczewki oka, która po zwolnieniu połączonych z jej brzegiem koncentrycznie wiązadeł, usiłuje przybrać kształt zbliŝony 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 wydłuŝoną gałkę oczną, toteŝ promienie świetlne skupiają się przed siatkówką, dając tym samym nieostry obraz na siatkówce. Gałka oczna oka krótkowzrocznego jest zbyt długa, toteŝ promienie świetlne skupiają się przed siatkówką a na siatkówkę docierają promienie rozproszone. Oko krótkowzroczne moŝna skorygować za pomocą soczewki wklęsłej, która powoduje rozbieŝny bieg promieni i tym samym umoŝliwia oku skupienie ich na siatkówce. Oko dalekowzroczne - gałka oczna jest zbyt krótka i promienie słoneczne skupiają się poza siatkówką. 4

5 Gałka oczna w oku dalekowzrocznym jest zbyt krótka w stosunku do gałki ocznej w oku prawidłowym, toteŝ promienie świetlne skupiają się za siatkówką a na siatkówce powstaje obraz nieostry (czerwone zakreślenie). Oko dalekowzroczne moŝna skorygować za pomocą soczewki wypukłej. Przy jej zastosowaniu promienie stają się bardziej zbieŝne i oko moŝe je skupiać na siatkówce Astygmatyzm - polega na tym, Ŝe na siatkówce powstają obrazy niewyraźne i zniekształcone, gdyŝ oko nie załamuje z jednakową siłą we wszystkich płaszczyznach, czyli załamuje niesferycznie dając nie tylko obrazy załamane, ale i zniekształcone przez sztuczne wydłuŝenie 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 duŝe 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 duŝa część pacjentów ponownie traci wzrok poniewaŝ pozostałe nieliczne komórki soczewki mnoŝą 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 namnaŝania się komórek, eliminując potrzebę powtórnej operacji. Ślepota barwna zarówno całkowita, jak i częciowa uniemoŝliwia człowiekowi rozpoznawanie kolorów. Zupełna ślepota barwna polega na tym, Ŝe człowiek widzi wszystko achromatycznie, czyli wyłącznie na podstawie róŝnych stopni przejścia od białego do czarnego.częściowa ślepota barwna moŝe polegać na zupełnym braku jednego z trzech typów czopków. Ta wada moŝe mieć więc trzy odmiany: - protanopia- nie odczuwanie koloru czerwonego, - deuteranopia - nie odczuwanie koloru zielonego, - tritanopia - nie odczuwnie koloru fioletowego. Częściowa ślepota barwna moŝe polegać takŝe na tym, ze wszystkie trzy barwy podstawowe odczuwa się słabiej niŝ okiem prawidłowym. Kolejną wadą oka jest jaskra (glaucoma),która jest powodowana patologicznym wzrostem ciśnienia w gałce ocznej. Ciśnienie w oku moŝe teŝ 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 juŝ po kilkudziesięciu minutach. 5

6 2. Lupa Lupa-jeden z najprostszych przyrządów optycznych współpracujących z okiem który stanowi po prostu odpowiednio oprawiona soczewka skupiająca (lub układ soczewek),o odpowiednio duŝej zdolności skupiającej (krótkiej ogniskowej) i który słuŝy do uzyskiwania powiększonych (od kilka do 20 razy) obrazów niewielkich przedmiotów. Lupy powiększające obraz w mniejszym stopniu zalicza się do szkieł powiększających Bardzo często moŝna się spotkać z terminem mikroskop prosty. Jest to inna nazwa tej samej rzeczy, mianowicie lupy, umoŝliwiającej obserwowanie drobnych obiektów z powiększeniem ich obrazów wynoszącym kilkanaście a nawet kilkadziesiąt razy Przedmiot oglądany za pomocą lupy umieszcza się w odległości mniejszej niŝ wynosi ogniskowa soczewki. Powstaje wtedy prosty, powiększony obraz pozorny przedmiotu.wyróŝniamy 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 duŝym kątem widzenia.w tym celu przedmiot przesuwamy moŝliwie blisko oka. Oglądanie przedmiotu z tak małej odległości połączone jest z szybkim męczeniem się oka. Dzięki lupie oko się nie męczy. Wszystkie lupy moŝna podzielić na proste i złoŝone. Do tych pierwszych zalicza się pojedyncze soczewki dwuwypukłe, płaskowypukłe i wklęsłowypukłe. Mają one co najwyŝej trzykrotne powiększenie. Lupy proste najczęściej uŝywane są jako szkła powiększające. Lupy złoŝone w zaleŝności od zasadniczego przeznaczenia mają róŝne 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,ŝe 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 uŝycie lupy dla dalekowidzów,dla których odległość dobrego widzenia jest większa od 25 cm.dla krótkowidzów, dla których odległość dobrego widzenia jest mniejsza niŝ 10 cm, uŝycie lupy jest o wiele mniej korzystne. Krótkowidz moŝe przysunąć oglądany przedmiot do oka o wiele bliŝej niŝ człowiek o wzroku normalnym i w ten sposób uzyskać duŝy kąt widzenia bez uŝycia lupy. 3. Luneta Lupa Lunety słuŝą 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. Ŝe równoległa wiązka światła wchodząca do lunety wychodzi z niej równieŝ 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 zbliŝeniu przedmiotu do obserwatora. Niekiedy wynalazek lunety przypisuje się XIIwiecznemu angielskiemu filozofowi Rogerowi Baconowi. Jednak o wiele bardziej prawdopodobne jest to, Ŝe wymyślili ją wcześniej uczeni arabscy. Pierwszą lunetę skonstruował optyk holenderski Z. Jansen w Istnieją dwa zasadnicze rodzaje lunet soczewkowych: luneta Keplera i luneta Galileusza. Luneta astronomiczna, zwana takŝe lunetą Keplera składa się z dwóch współosiowych układów optycznych, z których kaŝdy 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. wyraŝa się wzorem: 6

7 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 duŝej 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 wyŝsza niŝ dla strumienia wchodzącego przez oprawę obiektywu. Dlatego gwiazdy, które są niewidoczne gołym okiem, moŝna zobaczyć za pomocą 1. Luneta Keplera wytwarza obrazy odwrócone, co nie przeszkadza w obserwacjach astronomicznych. Przystosowanie 1. Keplera do obserwacji ziemskich wymaga zastosowania układu opt ycznego odwracającego obraz. Przedstawiona na rysunku 1. ziemska jest 1. Keplera zaopatrzoną w dodatkową soczewkę odwracającą obraz. Bieg promieni świetlnych w lunecie ziemskiej 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 lunet y soczewkowe. Zwierciadlan ym 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 złoŝonego obiekt ywu Cassegraina (teleobiektywu zwierciadlanego) wypada nieco na zewnątrz zwierciadła głównego, gdzie moŝna umieścić okular. Konstrukcja taka okazała się bardzo dogodna i jest obecnie powszechnie stosowana. KaŜdy duŝy teleskop uŝywany do obserwacji nieba jest tak skonstruowany, Ŝe moŝe pracować jako teleskop Newtona lub teleskop Cassegraina. Powiększenie kątowe lunet zwierciadlan ych jest opisane takim sam ym 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 umoŝliwiający otrzymanie prostego, nie odwróconego obrazu. Najczęściej w lornetkach pryzmatycznych, uzyskuje się 7

8 powiększenia od 6-do 12-krotnych. Aby powiększyć obraz uzyskany przez obiektyw i skierować go do naszego oka w formie równoległych wiązek światła uŝywa się okularu, który w najprostszej postaci moŝe składać się z jednej soczewki rozpraszającej lub skupiającej. W lornetce znajdują się jeszcze pryzmaty, które słuŝą do odwrócenia obrazu uzyskiwanego przez obiektyw, tak aby po przejściu przez okular był on prosty. 5. Teleskop 8 lornetka Astronomia zajmuje się obiektami, których nie moŝna badać w sposób bezpośredni. Obserwacje wykonywane gołym okiem, z natury rzeczy bardzo niedokładne i ograniczone, prowadzone przez długi czas i właściwie zinterpretowane, doprowadziły jednak juŝ w staroŝytności do odkrycia kulistości Ziemi, wysunięcia hipotezy ruchu Ziemi, a nawet do opisania tak subtelnego zjawiska, jak precesja. Niemniej dopiero wynalazek teleskopu i jego świadome uŝycie do obserwacji nieba (Galileusz, 1609) spowodował wielki przełom w astronomii, dzięki bowiem nowej technice znacznie wzrosła dokładność obserwacji pozycyjnych i stało się zarazem moŝliwe prowadzenie obserwacji typu astrofizycznego. Warto od razu podkreślić, Ŝe obecne środki techniczne umoŝliwiają rejestrację promieniowania elektromagnetycznego o kaŝdej 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 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, poniewaŝ technologia konstruowania klasycznych teleskopów jest dobrze opanowana, a zbudowanie nawet duŝego teleskopu optycznego kosztuje mniej niŝ 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 moŝliwości jest średnica jego obiektywu. Od średnicy zaleŝy teŝ moŝliwość rozróŝniania szczegółów obrazu tworzonego przez teleskop, co wynika z falowej natury światła. Mianowicie zdolność rozdzielcza teleskopu o średnicy D odbierającego falę o długości wynosi w przybliŝeniu /D radianów (średnica i długość fali w jednakowych jednostkach), co dla światła widzialnego daje 15"/D, gdzie D jest wyraŝone w centymetrach. Tę teoretyczną zdolność rozdzielczą moŝe osiągnąć tylko teleskop pracujący poza atmosferą (np. Kosmiczny Teleskop Hubble'a). Obraz utworzony przez obiektyw w ognisku moŝna 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, gdyŝ 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 (natęŝenia, składu widmowego), do czego słuŝą 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 moŝe stanowić obiektywu dobrego teleskopu, gdyŝ 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

9 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 cięŝarem 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. KaŜdy teleskop musi mieć moŝliwość zwracania się w dowolnym kierunku i śledzenia obiektu przez długi czas. Zapewnia to tzw. montaŝ teleskopu. Jest to mechaniczne zawieszenie tubusu teleskopu, umoŝliwiające obracanie go wokół dwóch wzajemnie prostopadłych osi. JeŜeli główna oś jest pionowa (a więc druga pozioma), to montaŝ 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 leŝy w płaszczyźnie równika niebieskiego) i taki montaŝ 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. KaŜdy 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) moŝna 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 zbieŝną 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 duŝych teleskopach istnieje teŝ moŝliwość wyprowadzenia wiązki światła (za pomocą dodatkowego lustra płaskiego) poza teleskop wzdłuŝ jego głównej osi do pomieszczenia znajdującego się pod teleskopem. PołoŜenie ogniska, zwanego ogniskiem coudé, nie zaleŝy wtedy od ustawienia teleskopu, dlatego moŝna zainstalować tam aparaturę dowolnie duŝą lub cięŝką. W uŝyciu są teŝ 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 duŝego obszaru nieba. Zarazem kamera moŝe mieć duŝą 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 równieŝ lustro sferyczne, aberrację sferyczną usuwa szklany menisk (tzn. wypukłowklęsła soczewka), umieszczony w pobliŝu ogniska obiektywu. Zarówno płyta korekcyjna, jak i menisk wnoszą pewną aberrację chromatyczną, lecz tak małą, Ŝe zaniedbywalną. Kosmiczne promieniowanie radiowe moŝe w zasadzie odbierać kaŝda antena, np. dipol półfalowy. Jednak czułość i zdolność rozdzielcza takiego "radioteleskopu" są bardzo niskie. Dlatego zasadniczym elementem współczesnego radioteleskopu jest równieŝ "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 pobliŝu ogniska czaszy, a ich przesuwanie na linach zapewnia teleskopowi ograniczoną "ruchomość". Dzięki 9

10 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 duŝy, Ŝe zdolność rozdzielcza pojedynczego radioteleskopu nie dorównuje zdolności rozdzielczej teleskopów optycznych. Dzięki jednak moŝliwości 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 moŝna uzyskać stosunek /D mniejszy niŝ w astronomii optycznej, a więc lepszą zdolność rozdzielczą. Obserwacje krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego moŝna prowadzić jedynie z pokładu sztucznych satelitów, gdyŝ niemal całe to promieniowanie zostaje zuŝyte 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, Ŝe promieniowanie rentgenowskie odbija się od metalicznej powierzchni (a nie wnika w głąb), jeŝeli 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 Ŝe praktycznie wykorzystany jest tylko niemal cylindryczny fragment paraboloidy, odległy od jej ogniska. Wiele takich współosiowych cylindrów, z których kaŝdy stanowi fragment innej paraboloidy, ale mających wspólne ognisko, stanowi obiektyw rentgenowski. Rejestracja promieniowania o jeszcze krótszych falach, promieniowania gamma, nie stanowi obecnie problemu, chociaŝ 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 natęŝenia moŝna określić, ile energii stracił w kaŝdej 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 leŝeć o ten właśnie kąt od punktu nieba wyznaczonego przez powyŝszy kierunek. PołoŜenie 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 moŝna sobie pozwolić na bardzo długą ogniskową teleskopu, dzięki czemu obraz Słońca w ognisku jest bardzo duŝy i umoŝliwia badanie drobnych szczegółów. Istniejące na świecie teleskopy słoneczne mają ogniskowe o długości sięgającej 100 m. Tubusem takiego teleskopu, zwanego teleskopem wieŝowym, 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 waŝnym w badaniach Słońca jest koronograf, umoŝliwiający śledzenie atmosfery słonecznej praktycznie nieprzerwanie (a nie tylko podczas całkowitych zaćmień Słońca). Idea koronografu polega na tym, Ŝe w ognisku umieszcza się krąŝek 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 niemoŝliwe. 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 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 10

11 Joseph Tanner w przestrzeni kosmicznej, zabiegi związane z obsługą kosmicznego teleskopu Hubble'a, luty 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, Ŝe 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, Ŝe jego mikroskop powiększał aŝ 300 razy. Przy takim powiększeniu moŝna juŝ było obserwować mikroorganizmy. W 1683r. Leeuwenhoek opublikował pierwsze rysunki bakterii i pierwotniaków. Te ostatnie nazwał "wymoczkami", gdyŝ 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, Ŝe przedmiot wydaje się większy niŝ w rzeczywistości. Mikroskop tzw. złoŝony ma nie jedną, lecz dwie soczewki. Obiektyw wytwarza powiększony obraz przedmiotu, a okular powiększa ten obraz jeszcze bardziej. Prostym przyrządem optycznym jest teŝ lupa, tj. okrągła soczewka z uchwytem. Mikroskop optyczny, przyrząd optyczny słuŝący 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 wyposaŝony 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 wyraŝa 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 moŝna 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 poŝądane jest teŝ uzyskanie jak najmniejszej ogniskowej, oba te czynniki powodują, Ŝe bieg promieni daleki jest od biegu promieni przyosiowych, stąd powaŝnym 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 uŝywane są mikroskopy stereoskopowe, będące układem dwóch prawie równoległych mikroskopów optycznych, lub mikroskopy wyposaŝone w tzw. binokular (dwuoczny okular). MoŜliwe jest teŝ stosowanie róŝnych specjalistycznych nakładek okularowych umoŝliwiających fotografowanie lub odrysowywanie obserwowanych przedmiotów. Ze względu na warunki oświetlenia preparatu wyróŝnia 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), 11

12 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 róŝnice w drogach optycznych róŝnych 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 zaleŝności od rodzaju cząstek będących przedmiotem zainteresowania wyróŝnia 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 nałoŝenia się zjawisk dyfrakcyjnych, stąd istnieje fizyczne ograniczenie zdolności rozdzielczej kaŝdego mikroskopu, pozwalające dostrzec szczegóły powierzchni nie mniejsze od połoŝenia uŝytej do obserwacji długości fali. Mikroskopy elektronowe Wraz z odkryciem falowej natury cząstek (fale Broglie, dualistyczna natura promieniowania) pojawiły się moŝliwości 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 razy. Powiększenie sięgające 5 mln razy moŝna 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 róŝnych 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 takŝe mikroskopy jonowe, w których zamiast wiązki elektronów stosuje się wiązkę jonów. Opracowano teŝ 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, duŝych molekuł, a nawet ułoŝenia atomów w sieci krystalicznej. Mikroskopy skaningowe Innym rodzajem mikroskopu nieoptycznego są mikroskopy skaningowe (rastrowe). W konstrukcjach tych nad próbką przesuwa się sonda skanująca, zaleŝnie od konstrukcji moŝe 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 kaŝdy akcelerator słuŝący do badań (w zaleŝności 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: 12

13 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 umoŝliwia wyposaŝenie mikroskopu optycznego w dodatkowe elementy: komory grzejne lub chłodzące oraz mikromanipulatory. Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi mikroskop optyczny są powiększenie i zdolność rozdzielcza; maks. uŝyteczne 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. ZaleŜnie od charakteru badań uŝywa się mikroskopów optycznych dostosowanych do obserwacji w róŝnych zakresach promieniowania: widzialnym, podczerwonym, nadfioletowym (w tych 2 ostatnich przypadkach obrazy są obserwowane za pomocą odpowiednich przetworników); stosuje się teŝ róŝne 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 moŝliwa jest takŝe obserwacja przedmiotów przezroczystych róŝniących się od ośrodka współczynnikiem załamania), oraz metodę kontrastu fazowego (do obserwacji obiektów przezroczystych, których róŝnica grubości lub współczynnika załamania jest przetwarzana w układzie opt. na róŝny poziom jasności obrazu) i podobną do niej metodę interferencyjną. 13

14 Mikroskop optyczny: A - okular, B - śruba mikrometryczna, C - śruba mikrometryczna, D - obiektyw bagnetowy(wymienny), E - płytka szklana z badaną próbką, F - blaszki mocujące próbkę, G - lusterko, H - pokrętło nastawne lusterka, I - korpus, J - podstawa. Zmiany konstrukcyjne i dodatkowe urządzenia pozwalają na prowadzenie obserwacji zarówno w świetle przechodzącym przez obiekt, jak i odbitym od obiektu, a takŝe 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 A. Leeuwenhoek zbudował mikroskop optyczny powiększający dobrze ok. 300 razy; podstawy teoret. mikroskopii oprac 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 uŝyciu tego urządzenia stało się moŝliwe 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 słuŝy do oświetlenie obiektu oraz powiększenia jego obrazu. Układ mechaniczny ma zapewniać właściwe połoŝenie poszczególnych elementów układu optycznego. Kluczowa jest stabilność, wzajemna równoległość i współśrodkowość składowych układu optycznego; poŝądane wszelkie regulacje temu słuŝące. Elementy mechaniczne to : Statyw, korpus mikroskopu: zapewnia sztywność całej konstrukcji, generalnie im sztywniejszy i cięŝszy tym lepiej. Konstrukcja statywu determinuje, czy dla regulacji odległości obiektyw-przedmiot (nastawiania na ostrość) opuszczamy-podnosimy stolik przedmiotowy, czy teŝ wykonujemy te ruchy tubusem (wraz z mocowanymi do niego obiektywami, okularami i innymi akcesoriami). Rozwiązanie pierwsze (podnoszonyopuszczany stolik) jest pod kaŝdym względem lepsze i stosowane w nowszych mikroskopach. Zapewnia ono stałą wysokość okularów - co jest istotne z ergonomicznego punktu widzenia. WaŜniejsza 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 cięŝar co powoduje zjawisko samoistnego opadania, "płynięcia". Walka z tym wymaga odpowiedniego dobrania oporu stawianego przez śrubę ruchu pionowego i niezaleŝnie od regulacji z upływem czasu ponawia się tendencja do "płynięcia". Ta wada wpisana w konstrukcję moŝe wręcz uniemoŝliwić stosowanie cięŝkich nasadek fotograficznych lub innych urządzeń umieszczanych na tubusie. Takiej wady nie ma nowoczesna konstrukcja z podnoszonym stolikiem przedmiotowym, którego cięŝar jest z reguły nieduŝy, 14

15 Stolik przedmiotowy: słuŝy do umocowania preparatu i jego przesuwu w poziomie w osiach X, Y, w zaleŝności od rozwiązania konstrukcyjnego (patrz uwagi przy statywie mikroskopu) przez jego ruch w pionie reguluje się odległość obiektyw-przedmiot (tj. nastawia się ostrość). Mogę teŝ być stoliki specjalnego przeznaczenia np. obrotowy do pracy w świetle spolaryzowanym. śruba makro- i mikrometryczna: śruby słuŝące do ustawiania odległości przedmiot-obiektyw (nastawiania ostrości). W zaleŝności od konstrukcji śruba podnosi-opuszcza stolik przedmiotowy lub tubus z obiektywami. Śruba ruchu drobnego - mikrometryczna, zaopatrzona jest zwykle w podziałkę mikrometryczną. MoŜe ona wtedy słuŝyć 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. róŝne 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 nieduŝa 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 umoŝliwia prostą zmianę obiektywu a tym samym uŝywanego 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 przewaŝnie tzw. optykę nieskończoną i odpowiednie do tego obiektywy z wygrawerowanym symbolem nieskończoności, Układ oświetleniowy: w najprostszym przypadku składa się z lusterka, w bardziej złoŝonych 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 połoŝenia kondensora w pionie oraz w bardziej zaawansowanych modelach moŝliwe jest teŝ 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, moŝe teŝ być wbudowana Ŝarówka 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: dłuŝy 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 - waŝne nie tylko ze względu na ergonomię ale i dla zdrowia, w przypadku nasadek binokularnych moŝe być dostępna regulacja rozstawu okularów (stosownie do odległości pomiędzy źrenicami obserwatora) oraz regulacja dioptrii (dostępna w jednym z okularów) dla wyrównania róŝnić pomiędzy oczami obserwatora; wreszcie nasadka moŝe mieć wyjście do podłączenia aparatu fotograficznego, kamery cyfrowej, moŝe 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 kaŝdego z oczu róŝni się, obserwator ma wraŝenie postrzegania głębi obrazu, w mikroskopie binokularnym jest ten sam; mikroskopy stereoskopowe, ze względów konstrukcyjnych, najczęściej operują na powiększeniach (obiektyw x okular) poniŝej 100x, 15

16 Okulary: słuŝą 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, Ŝe przez okular obserwuje się nie obraz badanego preparatu, lecz obraz źrenicy wejściowej obiektywu. Jeśli polaryzator jest skrzyŝowany z analizatorem, w źrenicy obiektywu jest widoczny czarny krzyŝ tzw. konoskopowy; wstawienie do mikroskopu polaryzacyjnego preparatu anizotropowego modyfikuje krzyŝ, a nawet przekształca go w zupełnie inną figurę (zaleŝnie od charakteru anizotropowości). Gdy badanym obiektem jest jedno- lub dwuosiowy kryształ, oprócz krzyŝa obserwuje się barwne prąŝki i figury interferencyjne (tzw. obrazy konoskopowe), do których analizy słuŝą 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 róŝnego rodzaju oddziaływaniach, czemu towarzyszy emisja elektronów wtórnych, elektronów Augera, promieni rentgenowskich, światła i in. RóŜnego rodzaju promieniowanie (po zastosowaniu odpowiedniego detektora) moŝna 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; róŝnice w ilości emitowanych elektronów, związane z lokalnymi róŝnicami kąta padania na nierówności powierzchni albo ze zróŝnicowanym składem chem., powodują powstanie kontrastów w obrazie. Zwykle uŝywa się róŝnych detektorów dla elektronów wtórnych (o małej energii) i dla elektronów wstecznie rozproszonych (o energii zbliŝonej do energii elektronów bombardujących próbkę). Zastosowanie do tworzenia obrazu detektora promieniowania rentgenowskiego, sprzęŝonego z analizatorem energii tego promieniowania (np. spektrometrem rentgenowskim) umoŝliwia 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 moŝna go zmieniać w szerokich granicach. Rozdzielczość najlepszych SEM sięga obecnie (1999) 1 nm, a powiększenia dochodzą do kilkuset tysięcy razy. SEM odznaczają się b. duŝą 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., poniewaŝ wymagało to uŝycia 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 16

17 badanej próbki (lub nad nią) przesuwa się delikatne ostrze umieszczone na końcu małej, płaskiej spręŝynki. Pod działaniem siły pomiędzy atomami ostrza i atomami próbki spręŝynka ulega ugięciu, zgodnie z prostym równaniem F = k. x, gdzie F jest wartością działającej siły, x wychyleniem, a k stałą opisującą spręŝynkę (stałą spręŝystości). Zasada działania oparta jest na pomiarze tej siły. PoniewaŜ aktualne metody pozwalają na pomiar wychylenia x z precyzją wielokrotnie wyŝszą, niŝ średnica atomu, dokładność pomiaru siły jest tak duŝa, Ŝe moŝliwe jest odwzorowanie szczegółów o wielkości porównywalnej z rozmiarami atomu. MoŜna uzyskać mikroskopowe mapy, opisujące zarówno ukształtowanie powierzchni, jak teŝ jej własności jak tarcie, adhezja, rozkład ładunku elektrostatycznego, czy struktura domen magnetycznych. Przeprowadzenie pomiaru zwykle nie wymaga skomplikowanych procedur dla przygotowania badanej próbki i moŝe być dokonane zarówno w powietrzu, jak w cieczy, czy w próŝni. Otwiera to nowe, dotychczas nieosiągalne moŝliwości - tak np. w biologii staje się moŝliwe obrazowanie i badanie własności Ŝywych 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 Ŝywych komórek - adhezji oraz elastyczności (modułu Younga), mających ogromne znaczenie dla poznania procesów biologicznych w skali komórki i subkomórkowej, w tym równieŝ 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 niŝ kropka na końcu tego zdania. Skaner i mikrosoczewki stworzone przez prof. Lee są 500 do 1000 razy mniejsze niŝ zwyczajne urządzenia podobnej klasy. Testy wykazały, Ŝe zdjęcia wykonane przez miniaturowe urządzenie są takie same, jak te zrobione przez duŝe maszyny. Testowano zdjęcia dwuwymiarowe. W przygotowaniu są obrazy trójwymiarowe. Maleńki mikroskop wprowadzić będzie moŝna do wnętrza organizmu, aby np. na Ŝywo obserwować proces leczenia. Urządzenie prof. Lee będzie nie tylko mniejsze, ale równieŝ duŝo tańsze niŝ duŝe mikroskopy tej samej klasy, które kosztują około miliona dolarów. 17