Optické prístroje

Optické prístroje
 
Úvod
V tejto téme sa budeme zaoberať optickými prístrojmi. Vybral som si túto tému preto, lebo je fascinujúce že pristroj nám môže priblížiť alebo zväčšiť veci ktoré by sme normálne nevideli. Dokonca aj ľudské oko pracuje na princípe optiky. A myslím si že zrak je jeden s najdôležitejších  zmyslových organov u človeka. Ale teraz sa nebudeme zaoberať okom z biologického hľadiska  ale fyzikálneho hľadiska. Oko je jeden z najdokonalejších optických prístrojov a aj tak nemôže vidieť veci mikroskopických rozmerov, alebo vzdialená milióny svetelných rokov vo vesmíre. Pravé preto ľudia začali vynaliezať vesmírne ďalekohľady, mikroskopy, lupy a ďalšie prístroje založené na optike. Avšak optika nie je len jedným z fyzikálnych vedných odborov. Je to samostatný odbor, ktorý zjednocuje široké pole optického výskumu vo všetkých prírodných i technických vedách. Optika sa začala pôvodne vyvíjať ako náuka o videní. Euklides (365-300 pred n. l.) sformuloval jednu z prvých teórií videnia, zákon priamočiareho šírenia svetla a na jeho základe i zákon odrazu svetla od zrkadiel. V tejto téme sa budeme hlavne zaoberať tým, ako pracujú optické prístroje a ako nám pomáhajú v bežnom živote a vo vedeckých výskumoch.

1 Rozdelenie  optických prístrojov
Optické prístroje rozdeľujeme na dve skupiny:
1. zobrazovacie prístroje – patria sem fotografické aparáty, prístroje k premietaniu, okuliare, lupa, mikroskop alebo ďalekohľad.
 
2. laboratórne prístroje - využívajú vlastnosti svetla a jeho interakcie s prostredím k meracím účelom.
 
2  Popis základných optických prístrojov
 
2.1 OKO
Oko- Očná šošovka je dvojvypuklá spojná sústava a jej vzdialenosť od sietnice je stála. Na rôzne vzdialené predmety sa zaostruje zmenou jej optickej mohutnosti, čo nazývame akomodácia oka. Akomodačná schopnosť zdravého oka má isté hranice. Najbližší bod, ktorý sa ostro zobrazí na sietnici voláme blízky bod a najvzdialenejší bod, ktorý sa ostro zobrazí na sietnici voláme ďaleký bod. Vzdialenosť, z ktorej môžeme predmety dlhodobo pozorovať bez väčšej únavy je 250 mm a nazývame ju konvenčná vzdialenosť – d. Množstvo svetla, ktoré dopadá na sietnicu reguluje dúhovka, ktorá slúži ako clona a plynulo sa mení podľa intenzity dopadajúceho svetla. Zadná stena oka je bohato zásobená živinami z krvných vlásočníc a je pokrytá sietnicou. Na sietnici sa nachádzajú bunky citlivé na svetlo – tyčinky (rozlišujú intenzitu svetla) a čapíky (rozlišujú farby).Veľkosť obrazu na sietnici závisí od veľkosti zorného uhla t, ktorý zvierajú svetelné lúče prechádzajúce optickým stredom šošovky a okrajmi predmetu (obr. 1). Keďže zrakový vnem oka sa zachováva asi 0,1 s, človek vníma deje okolo seba ako plynulý dej. Táto vlastnosť sa nazýva zotrvačnosť oka a je využitá pri premietaní v kine a v televízií. Ak je tvar oka zmenený, nevytvorí sa ostrý obraz na sietnici, ale napríklad pred sietnicou. Hovoríme, že oko je krátkozraké. Aby takéto oko videlo ostro aj vzdialené predmety, treba zmenšiť jeho optickú mohutnosť, čo sa dá dosiahnuť vhodnou rozptylkou. Ak sa ostrý obraz predmetov vytvára za sietnicou, oko je ďalekozraké. Optická mohutnosť takéhoto oka je malá a jej zväčšenie dosiahneme spojnou šošovkou (spojkou).

2.2 Okuliare
Dioptrické okuliare – v prípade dioptrických okuliarov sa rozlišujú šošovky:
- pre korekciu krátkozrakosti – krátkozrakosť je refrakčná chyba zraku, pri ktorej sa lúče svetla usmernené očnou šošovkou zbiehajú už pred sietnicou, a na sietnici tak nevzniká ostrý obraz. Jej prejavom je zlá viditeľnosť postihnutého na vzdialené predmety.
- pre korekciu ďalekozrakosti - ďalekozrakosť  je chyba oka, pri ktorej sa lúče svetla usmernené očnou šošovkou zbiehajú až za sietnicou, preto na sietnici nevzniká ostrý obraz. Oko minimálne odchýlky dokáže čiastočne kompenzovať akomodáciou šošovky (zmenou mohutnosti).Takto postihnutý človek zle vidí blízke predmety, naopak celkom dobre vidí predmety vzdialené.
- cylindrické šošovky – majú rôznu úroveň korekcie v rôznych rovinách,
- bifokálne a multifokálne – majú rôznu lámavosť v rôznych miestach šošovky. Zvyčajne majú v spodnej časti skiel spojky pre čítanie a v hornej časti slabšie spojky alebo rozptylky pre videnie do diaľky.
- ochranné okuliare – chránia zrak pred mechanickým poškodením, tepelným poškodením alebo žiarením.
- špeciálne okuliare – využívajú sa k sledovaniu 3-D filmov, či kresieb, alebo pre vyvolávanie dojmu virtuálnej reality. Dosahuje sa to odlišnými farbami skiel (červená a zelená alebo modrá – výsledný obraz je potom zdanlivo čiernobiely), alebo tým, že sklá fungujú ako polarizačné filtre s kolmými rovinami polarizácie. Tento systém používajú napríklad 3-D Imax kiná.
 
2.3  Ďalekohľad
Najčastejšie používaný ďalekohľad je hvezdársky (Keplerov) ďalekohľad. Skladá sa z dvoch spojných šošoviek. Objektív má veľkú ohniskovú vzdialenosť f1 a okulár má malú ohniskovú vzdialenosť f2. Objektív vytvorí skutočný, zmenšený, prevrátený obraz predmetu, ktorý pozorujeme okulárom ako lupou. Dĺžka ďalekohľadu sa približne rovná súčtu ohniskových vzdialeností objektívu a okulára. Zväčšenie ďalekohľadu vypočítame ako podiel ohniskovej vzdialenosti objektívu f1 a okulára f2. Keďže pre praktické použitie je dôležité, aby ďalekohľad sústredil čo najviac svetla, snaha je, aby objektív mal čo najväčší priemer. Výsledný obraz v oku je prevrátený. Keďže najčastejšie použitie je v astronómii, tam to nevadí, ale na pozorovanie pozemských predmetov vložíme medzi objektív a okulár dva pravouhlé hranoly, ktoré obraz otočia, takže je priamy. Tým sa zároveň aj skráti dĺžka ďalekohľadu. Takto upravený ďalekohľad sa nazýva trieder a používa sa v armáde, pri turistike, v námornej doprave a pod. Poznáme aj iné druhy ďalekohľadov. Napríklad Galileov ďalekohľad má ako objektív spojku a ako okulár rozptylku. Vytvára priamy obraz a dá sa skonštruovať tak, aby mal malé rozmery. Používa sa napr. ako divadelný ďalekohľad. Samostatnú skupinu ďalekohľadov tvoria zrkadlové ďalekohľady (reflektory). Svetlo dopadá na duté zrkadlo a ako okulár je použitá spojná sústava. Keďže zrkadlá nemajú chyby šošoviek a nepohlcujú svetlo, pri konštrukcii väčších ďalekohľadov sa používajú veľmi často. Ich požitie je najmä v astronómii, pretože veľkou plochou zrkadla môžeme sústrediť aj svetlo slabých vzdialených objektov.

2.4 Fotoaparát
Jeho princíp spočíva v tom, že tmavá komora má na jednom konci otvor (clonu), uzávierku a šošovku (objektív), na druhom zasa kúsok filmu s vrstvou citlivou na svetlo. Uzávierka sa na okamih otvorí, aby svetlo prešlo clonou a šošovka premietne na film prevrátený obraz predmetu. Pri vyvolaní filmu sa dokončia chemické procesy, vyvolané dopadom svetla na film.
Priemer clony a čas, po ktorý zostane uzávierka otvorená (rýchlosť uzávierky), sa môžu meniť. Šošovka (objektív) sa zasa môže pohybovať dozadu a dopredu, aby sa zaostrili predmety, umiestnené v rôznej vzdialenosti. V mnohých fotoaparátoch sa tieto parametre nastavujú automaticky.
Malé fotoaparáty majú iba jednu šošovku a oddelený hľadáčik. V jednošošovkových reflexných fotoaparátoch tzv. zrkadlovkách hľadáčik umožňuje, aby fotograf videl predmet priamo cez objektív pomocou zrkadla. To sa po stlačení spúšte na okamih sklopí, aby svetlo dopadlo na film.
V roku 1939 francúzsky maliar Louis Daguerre vytvoril trvalý záznam obrazu na medenú platňu pokrytú vrstvou striebra tzv. daguerrotyp. Ten sa však dal reprodukovať iba tak, že sa znova vyfotografoval. V tom istom roku anglický vedec Henry Fox Talbot z mestečka Lacock Abbey vyvinul negatív, z ktorého sa dalo vyhotoviť akékoľvek množstvo kópii. V r. 1888 George Estman zaviedol ohybný film. Farebný film vivinula firma Kodak v r. 1936.
Fotografický prístroj a ľudské oko sú si podobné z viacerých hľadísk. Očná guľa má na prednej strane priehľadnú vrstvu rohovky, za ktorou je šošovka. Šošovka zaostruje obraz na zadnú stenu oka - sietnicu, tvorenú sieťou miliónov svetlocitlivých buniek, podobne ako objektív fotografického prístroja zaostruje obraz na film. Pred šošovkou je pigmentovaná dúhovka s okrúhlim otvorom - zrenicou. Priemer zrenice sa môže zväčšovať alebo zmenšovať v závislosti od intenzity vonkajšieho osvetlenia podobne ako fotograf mení veľkosť otvoru v clone.
 
2.5  Lupa a mikroskop
Ak je zorný uhol predmetu veľmi malý, pretože predmet má malé rozmery, nepomôže priblížiť predmet k očnej šošovke, a tak zväčšiť zorný uhol. Oko v tomto prípade nie je schopné vytvoriť ostrý obraz. Riešenie je v tom, že pomocou lupy alebo mikroskopu vytvoríme neskutočný obraz v konvenčnej vzdialenosti aj pri malých vzdialenostiach od oka.
 
2.5.1  Lupa
Lupa je vlastne spojka s malou ohniskovou vzdialenosťou. Vhodnou polohou šošovky a predmetu dosiahneme (obr. 6), že šošovka vytvorí neskutočný obraz vo vzdialenosti, v ktorej je oko schopné vytvoriť ostrý obraz. Praktické použitie zväčšenia zorného uhla je obmedzené chybami, ktoré pri zobrazovaní vznikajú. Jednoduchá šošovka je použiteľná do šesťnásobného zväčšenia. Väčšie zväčšenie (až 30-násobné) možno dosiahnuť okulármi, ktoré sú zložené z viacerých šošoviek.

2.5.2  Mikroskop
Mikroskop - je optická sústava, zložená z objektívu a okulára. Obe šošovky sú spojky a sú usporiadané tak, aby ich optická os bola spoločná. Objektív má malú ohniskovú vzdialenosť f1 a okulár väčšiu ohniskovú vzdialenosť f2. Predmet umiestnime pred objektív tak, aby vznikol skutočný, prevrátený a zväčšený obraz. Okulár je od objektívu vzdialený tak, aby obraz vytvorený objektívom bol v ohniskovej rovine okulára. Okulár tu slúži ako lupa a vytvorí neskutočný obraz, ktorý je oko schopné pozorovať. Celkové zväčšenie mikroskopu vypočítame ako súčin zväčšení objektívu a okulára (zväčšenia bývajú obyčajne na objektívoch a okulároch uvedené).
 
ZÁVER
Svetlo a obraz  je pre človeka zdrojom informácií. Aby sme ich mohli lepšie vnímať a využiť potrebujeme optické prístroje. Je jasné, že  napriek svojmu dlhému vývoju nie je optika uzavretou vedou. Je to dej stále dynamický a progresívny. Jej vplyv je citeľný v každej oblasti ľudskej činnosti. Preto mojím záujmom v uvedenej práci bola práve optika a jej využitie. Chcel som touto prácou opísať niektoré optické prístroje, ich funkciu a ďalšie využitie. Okrem týchto prístrojov existuje nespočetné množstvo iných, ktoré využívame či vo výpočtovej technike, pri meracích prístrojoch ako aj  v medicíne pri rôznych chirurgických zákrokoch. Človek už v minulosti pochopil základy optiky, začal to využívať vo svoj prospech. V dnešnej dobe sa ešte stále získavajú nové poznatky v tomto fyzikálnom obore.