Instrumente optice - Marimi fizice ce caracterizeaza instrumentele optice

Instrumente optice

1. Scurt istoric

Cercetatorii au creat din aproape in aproape stiinta fizicii. Aceasta stiinta a evoluat mult si continua sa se dezvolte, dar scopul ei, vast si ambitios, ramane acelasi: studierea fenomenelor naturale si definirea legilor care le guverneaza. Fizica este stiinta care studiaza materia, energia si miscarea.

Plecand de la legile geometrice ale reflexiei si refractiei, au fost inventate numeroase instrumente optice (lupa, ochelari, microscop, telescop,etc) pentru a mari capacitatea de vedere a ochiului liber, cu alte cuvinte, pentru a-l ajuta sa vada ceea ce este prea mic sau prea departe.Lentila - convexa sau concava - este elementul de baza al tuturor acestor instrumente. Aceasta simpla bucata de sticla sau de plastic, cu suprafete curbate, modifica traiectoria razelor de lumina care o traverseaza. Lentila redirectioneaza razele de lumina venind de la un obiect, formand o imagine.

Primele instrumente optice pentru marirea si apropierea obiectelor au fost inventate in secolul al XVII - lea, si anume: luneta si telescopul. Lentilele de sticla au aparut dupa anii 1200 si au folosite de calugari care scriau manuscrise. Dupa anii 1400, s-a descoperit tehnica fabricarii ochelarilor cu lentile concave pentru a corecta miopia la ochi. Cand lentilele au ajuns la indemana oricui s-a incercat sa se foloseasca cate doua lupe, una peste alta, pentru a obtine o marire mare.

Primul model de telescop a fost construit in 1608 de opticianul olandez Hans Lippershey. El a atras atentia omului de stiinta italian Galileo Galilei, care a realizat cat de util ar fi acest instrument optic in astronomie. Astfel, Galileo Galilei a imbunatatit rapid modelul opticianului olandez si, in 1609, a construit primul telescop pentru observarea cerului. Telescopul lui Galilei era construit din doua tuburi ce culisau unul in altul, cu doua lentile la fiecare extremitate, una mai mare, convexa drept obiectiv, si alta mai mica, concava prin care se observa obiectivul. Datorita acestui telescop de refractie, care permitea o marire de 3 ori, Galileo Galilei a observat si studiat Luna, si a descoperit planeta Jupiter. Acest tip de telescop sta la baza binoclului modern.

Una din problemele telescopului refractar era cea creata de defectul de lentila numit "aberatie cromatica" prin care se producea o margine colorata in jurul imaginii. Pentru a elimina aceasta problema, omul de stiinta Isaac Newton, in 1668, a inventat telescopul reflectiv, la care s-au inlocuit lentilele cu oglinzi, numit si telescopul lui Newton.Mai tarziu, in 1758, a fost inventate lentilele acromatice, care nu dispersau culorile.

Lupa este adeseori numita microscopul simplu, pentru ca ea este utila in observarea obiectelor mici. Pentru o marire accentuata a obiectelor cu minimum de deformare, in anul 1609, opticianul olandez Zacharias Janssen a fabricat primul microscop optic.

Oamenii au simtit mereu nevoia sa reproduca lumea inconjuratoare si, mai ales, chipul omenesc. In 1515, Leonardo da Vinci a descris cum se poate crea o imagine pe peretele unei camere intunecate, lasand lumina sa patrunda printr-o gaura mica in peretele opus.

Cand se face o fotografie, o lentila proiecteaza imaginea pe o suprafata care este invelita intr-o substanta chimica fotosensibila. Lumina provoaca schimbari in materialul sensibil si prin prelucrare chimica cu "revelatorul" se obtine fotografia.

Prima fotografie a fost facuta de inginerul francez Joseph Niepce, in 1826. A durat aproximativ 8 ore ca sa se inregistreze o scena in aer liber pe placa fotosensibila de aliaj de cositor si plumb.

In anul 1830, Louis Daguerre - partenerul lui Niepce - a descoperit procedeul Daguerre de a realiza fotografii pe placi de iodat de argint. La 3 saptamani dupa dezvaluirea procedeului de tip Daguerre, inventatorul englez Fox Talbot a gasit modalitatea de a "fixa" iodul de argint si tehnica copierii unei fotografii.Pana in 1888, fotografierea a fost un procedeu complex. In acel an, americanul George Eastman a inventat rola de film si cutia fotografica si a creat aparatul foto de amatori.

2. Marimi fizice ce caracterizeaza instrumentele optice si relatiile de definitie

Un instrument optic se caracterizeaza prin anumite marimi fizice care permit alegerea lui in functie de cerinte impuse, cat si compararea intre ele doua sau mai multe instrumente de acelasi tip.

Aceste marimi sunt:

1. Marirea (β) - este raportul dintre dimensiunea liniara a imaginii si dimensiunea liniara corespunzatoare a obiectului. Pentru marirea transversala, relatia de calcul este:

unde: h₂ -lungimea imaginii, masurata perpendicular pe axa optica;

h₁ - lungimea obiectului, masurata perpendicular pe axa optica.

2. Grosismentul (G) sau marirea unghiulara, este raportul dintre marimea unghiului subintins de obiect sub care acesta se vede prin instrument si marimea unghiului subintins sub care se vede obiectul cand este privit cu ochiul liber, cand obiectul se afla la limita de focalizare a ochiului (Distanta optima de citire pentru un ochi normal de δ=0,25 m).

Relatia de calcul poate fi scrisa ca raport de unghiuri sau de tangente de unghiuri:

unde:

θ - unghiul sub care se vede un obiect prin instrument;

θ₀ - unghiul sub care se vede obiectul prin ochiul liber.

3. Puterea (P) a instrumentului optic, definita ca raportul dintre tangenta unghiului sub care se vede obiectul prin instrument si dimensiunea liniara a obiectului pe o directie perpendiculara pe axa optica:

unde: 

θ - unghiul sub care se vede un obiect prin instrument;

h₁ - lungimea obiectului, masurata perpendicular pe axa optica.

4. Puterea de separare este capacitatea instrumentului optic de a forma imagini distincte, separate, a doua puncte vecine ale obiectului.

Cu cat valoarea sa e mai mare, cu atat pot fi distinse puncte mai apropiate ale obiectului.

Ea poate fi data, fie prin distanta minima intre doua puncte ale obiectului care dau imagini diferite in instrumente (putere separatoare liniara), fie prin unghiul minim dintre razele care vin de la doua asemenea puncte (puterea separatoare unghiulara).

Pentru evaluarea puterii de separare a unui instrument optic se utilizeaza criteriul Rayleigh, conform caruia doua puncte obiect invecinate vor da fiecare separat cate o pata de difractie si ele se vor observa distinct, daca maximul uneia va fi situat pe minimul celei de-a doua pete de difractie. Inversul unghiului minim poate fi considerat ca o masura a puterii de separare.

3. Instrumente optice

Instrumentele optice destinate sa formeze o imagine ce poate fi vazuta cu ochiul liber sau o imagine reala pe un ecran pot fi clasificate dupa mai multe criterii, dintre care se disting:

A) Dupa natura imaginii obtinute:

-Instrumente optice care dau imagini reale, cum sunt: ochiul, aparatul fotografic si aparatul de proiectie;

-Instrumente optice care dau imagini virtuale, fiind folosite, de obicei, pentru examinarea directa, cu ochiul, a obiectelor: lupa, telescopul si microscopul optic. Aceste instrumente sunt formate din doua parti: un obiectiv indreptat spre obiectul de cercetat si un ocular indreptat spre ochiul observatorului;

B) Dupa modul de utilizare, exista:

a) Lupa, un instrument optic cu ajutorul caruia se formeaza imagini virtuale marite;

b) Aparatul foto, dispozitiv optic folosit pentru obtinerea imaginilor unor obiecte pe o pelicula;

c) Microscopul, aparat optic utilizat pentru studierea obiectelor de marimi foarte mici care nu pot fi observate nici cu lupa, folosit in cercetarile stiintifice;

d) Aparat de proiectie, care proiecteaza imaginile unor obiecte, aflate pe un suport transparent (pelicula).

e) Telescopul, instrument optic folosit pentru observarea obiectelor foarte indepartate de Terra, folosit in astronomie;

Toate instrumentele optice, indiferent de constructia lor, sunt alcatuite din una sau mai multe componente optice fundamentale, si anume:

-Lentile, in special sferice

-Oglinzile, indeosebi plane, sferice, parabolice, hiperbolice,etc

Prisme optice, grupate in: prisme acromatice, dispersive si de polarizare

a) Lupa

Este un instrument optic simplu alcatuit dintr-o lentila covergenta cu distanta focala relativ mica de ordinul centimentrilor (intre 10 si 100 mm). Lupa se foloseste pentru marirea obiectelor. Se obtine o imagine virtuala, dreapta si marita a obiectului. Aceasta se afla intre lentila si focar.

b) Aparatul fotografic

In aparatul de fotografiat, lumina intra prin obiectiv, care este format dintr-o lentila convexa capabila sa capteze o parte din imagine.Lumina trece astfel prin obturator intr-un timp foarte scurt si va impresiona pelicula. Pelicula este acoperita de substante speciale, care permite aparitia imaginilor dupa ce pelicula este introdusa intr-un lichid denumit "revelator".

La aparatele foto digitale in locul filmului se gaseste un cip fotosensibil.

Aparatele foto se compun dintr-un corp opac in care se afla filmul si mecanismul de transport, o lentila pentru focalizare, o deschidere reglabila (fereastra) pentru admisia luminii si un obturator (diafragma) pentru timpul de expunere.

In loc sa capteze imaginile pe film, aparatele digitale folosesc cipuri fotosensibile, de regula, un CCD (change coupled device) o matrice de milioane de celule fotosensibile numite pixeli care produc semnale electrice ce variaza odata cu cantitatea de lumina care intra in contact.

Un convertor analog-digital transforma aceste semnale in forma digitala pentru memorare. Imaginile digitale sunt apoi reconvertite in forma analoga pentru a fi afisate pe vizorul aparatului sau pe un ecran.

c)Microscopul

Este un aparat optic care da imagini marite ale obiectelor vizate. El este format din 2 lentile convergente: una obiectiv, cu distanta focala (f_ob) de sub 1 cm si una ocular, cu distanta focala (foc) de ordinul centimetrilor.

Cele doua lentile sunt la o distanta L data, mult mai mare decat distantele focale.

Imaginea marita de lentila obiectiv este apoi marita mai departe de lentila ocularului. Imaginea obtinuta este rasturnata .

d) Aparat de proiectie

Este aparatul optic care formeaza imagini reale, rasturnate si marite ale unor obiecte transparente sau opace, proiectate pe un ecran.

Daca aparatul este destinat proiectiei obiectelor transparente (diapozitive sau film), proiectia el se numeste diascop.

Daca aparatul este destinat proiectiei obiectelor opace, cum sunt paginile de carte, fotografiile si revistele, aparatul se numeste episcop.

Exista insa si aparate care cumuleaza cele doua proiectii, el numindu-se epidiascop.

Aparatul de proiectie cinematografica, numit si "proiector" are rolul de a proiecta pe un ecran alb imaginile fotogramelor insirate pe un film si de a transforma inregistrarea sonora a fotogramei optice sau magnetice in semnale electrice.

Aparatul de proiectie formeaza in miscare cu o anumita frecventa de 24 de cadre pe secunda numita frecventa de proiectie. Aceasta frecventa trebuie sa coincida cu frecventa de filmare, astfel apar dificultati de redare. Daca redarea este cu o frecventa mai mica, recompunerea miscarii pe ecran este lenta; daca redarea este cu frecventa mare, recompunerea va fi accelerata.

e) Telescopul

Telescopul este un instrument optic care perminte observarea obiectelor indepartate de Terra, ca si cum ar fi mult mai luminoase si mai apropiate de observator.

Majoritatea telescoapelor functioneaza colectand lumina emisa de stele sau reflectata de suprafata planetelor.

Cu o lentila parabolica obiectiv sunt colectate razele de lumina si apoi acestea sunt trimise spre o lentila mica plasatap in focar care face posibila observarea obiectului. La multe observatoare din lume se aseaza langa focar camere de luat vederi pentru inregistrarea imaginilor adunate de telescop.

Teloscoapele pot fi:

-Telescoapele refractatoare

Folosesc o lentila convexa de sticla pentra a forma imaginea in focar.

Puterea de a aduna razele de lumina este proportionala cu marimea obiectului.

O limitare importanta a acestor telescoape este data de aberatiile cromatice.

Aberatia cromatica face ca imaginea unei stele sau a unei planete sa fie inconjurata de cercuri de diferite culori.

-Telescoapele reflectatoare

Acestea folosesc o oglinda concava pentru a aduna razele de lumina si formeaza imaginea intr-un focar aflat deasupra oglinzii.Sunt folosite in special pentru a aduna lumina de la obiecte intunecate .

Sensibilitatea luminii unei astfel de telescop creste cu patratul diametrului onglinzii. Daca se dubleaza diametrul oglinzii puterea de a aduna razele de lumina creste de 4 ori.

In 1990 printr-o inovatie deosebita s-a depasit bariera marimii oglinzilor. Fiecare telescop combina 36 de oglinzi hexangonale de 183 de cm ca placutele de gresie asezate pe jos, comportandu-se ca o oglinda imensa de 1016 cm cu puterea de a aduna razele de lumina de 4 ori mai mare.

4. Ochiul ca instrument optic

Ochiul este un organ anatomic care formeaza o imagine focalizata a obiectelor prin refractia luminii.

Lumina intra in ochi prin pupila, un disc negru dispus in centrul irisului (partea colorata a ochiului).

Dupa ce au trecut prin pupila, razele luminoase intalnesc cristalinul, o structura elastica si transparenta care are rol de lentila si care permite , prin contractie si dilatare, sa se focalizeze si sa rezulte o imagine clara.

Imaginea se va forma pe fundul ochiului, adica pe retina, un ecran pe care imaginea este proiectata rasturnat.

La nivelul retinei se gasesc celulele fotoreceptoare: conuri - pentru vederea diurna, bastonase - pentru vederea nocturna.

Celulele retinei sunt cuplate cu nervul optic, care transmite imaginea, sub forma unor impulsuri nervoase, la creier. Acesta o prelucreaza , o recunoaste si o memoreaza .

Acomodarea ochiului se face prin modificarea formei cristalinului cu ajutorul muschilor ciliari. Pentru un ochi normal, punctul cel mai apropiat la care se poate realiza focalizarea,numit punctul proxim este la 25 cm, iar punctul dicolo de care nu mai este nevoie de acomodare,numit punctul remoturm este de 6 m.

5. Tendinte in dezvoltarea instrumentelor optice

a)Aparitia camerelor digitale

Camerele digitale au un sistem de lentile si o diafragma , similar aparatelor foto obisnuite. In locul filmului, ele folosesc pentru detectarea imaginilor o placa fotosensibila realizata din materiale semiconductoare. Circuitele electronice scaneaza placa si transforma informatia in cod digital binar. Un cip de memorie inregistreaza datele care pot fi apoi transferate intr-un calculator mai mare pe care exista aplicatii software pentru ajustarea culorilor si a contrastului fiecarei imagini. Unele dintre aceste aplicatii soflware pot chiar sa deplaseze parti ale imaginii si sa adauge efecte speciale, cum ar fi distorsiuni si colorari. O imprimanta poate reproduce imaginea pe orice material - de la hartie la tricouri.

O matrice de microoglinzi e compusa din peste 500 000 de oglinzi microscopice pe o suprafata cat un timbru postal.

Fiecare microoglinda reprezinta un pixel al imaginii.

In final, imaginile sunt recombinate de prisme pentru a produce imagini colore.

b)Aparitia microscopului electronic

Microscopul electronic ESEM

Inventia microscopului electronic a fost posibila in urma unor studii experimentale si teoretice in fizica si inginerie. Principalul concept pe care microscopul electronic s-a format: electronii au unda asociata. Acesta a fost ipotetizat de catre fizicianul francez Printul Luis Victor de Broglie in 1924. In 1932 inginerii germani Max Knoll si Ernst Ruska construiesc primul microscop de transmisie electronica. Ernst Ruska a realizat primele experimente cu ajutorul microscopului electronic construit de el insusi, primul de acest fel din lume, in care rolul razelor de lumina era indeplinit de un fascicul de electroni ce traversau mai multe lentile electronice. Primul microscop electronic putea mari imaginea obiectelor doar de 400 de ori.

Din punct de vedere constructiv, microscopul electronic are o structura mult mai complexa decat microscopul optic. Totusi, partile principale ale microscopului electronic indeplinesc aceleasi functii ca si lentilele microscopului optic. Ele sunt magnetice sau electrice, dupa cum devierea fasciculului de electroni are loc intr-un camp magnetic sau intr-un camp electric.

In cazul microscopului electronic, electronii pe toata traiectoria lor - de la sursa pana la imaginea finala - se deplaseaza in vid. Pentru ca imaginea electronica sa fie vizibila, este necesar ca aceasta sa fie transformata intr-una luminoasa. In acest scop, in planul imaginii finale se afla un ecran fluorescent.