Przedmioty optyczne: oko i teleskop

OKO jako przyrząd optyczny

Gałka oczna znajduje się w przedniej części oczodołu i porusza się dzięki ruchom mięśni ocznych w zagłębieniu utworzonym przez tkankę tłuszczową oczodołu i liczne powięzie. Wychodzący z niej nerw wzrokowy przechodzi przez otwór kostny do wnętrza czaszki i dalej do mózgu. Oko ma w przybliżeniu kształt kuli o średnicy 24 mm, wypełnionej w większości bezpostaciową substancją (ciałkiem szklistym), znajdującej się pod ciśnieniem pozwalającym na utrzymanie jego kształtu.

Jak działa oko ?
Światło wpadające do oka biegnie przez rogówkę, komorę przednią oka, soczewkę i ciało szkliste, by zakończyć swą podróż na siatkówce wywołując wrażenie wzrokowe przekazywane do mózgu za pośrednictwem nerwów łączących się w nerw wzrokowy. Rogówka, wraz z cieczą wodnistą, soczewką i ciałem szklistym, stanowią układ skupiający promienie świetlne tak, by na siatkówce pojawiał się ostry obraz obserwowanego przedmiotu i dawał jak najostrzejsze wrażenie wzrokowe. Dlatego też soczewka ma możliwość zmiany swojego kształtu, a co za tym idzie mocy optycznej. Pozwala to na ogniskowanie na siatkówce przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach od oka. Zdolność tę nazywamy akomodacją. Ostre widzenie uzyskiwane jest wtedy, gdy ognisko obrazowe pokrywa się z siatkówką. W przypadku, gdy oko nie jest w stanie zogniskować światła dokładnie na siatkówce mówimy o wadach wzroku. Moc optyczna oka nieakomodującego wynosi około +60 dioptrii, przy czym około 2/3 tej mocy przypada na rogówkę.
Na rysunku widzimy charakterystyczne parametry oka jako układu optycznego. Nad osią symetrii oka znajdują się parametry dotyczące oka nieakomodującego (oznaczone indeksem o), natomiast pod osią - akomodującego (oznaczenie indeksem a). Powierzchnie soczewki zaznaczone są liniami przerywanymi.

Siatkówka jako odbiornik promieniowania elektromagnetycznego zbudowane jest z dwóch rodzajów komórek światłoczułych: czopków i pręcików połączonych za pomocą nerwów z mózgiem. Czopki o względnie niskiej czułości przeznaczone są do obserwacji przy świetle dziennym. Ich maksymalne zagęszczenie występuje w dołku środkowym. Jeśli zatem obraz obserwowanego przedmiotu znajdzie się dokładnie w tym obszarze uzyskujemy wtedy najlepsza zdolność rozdzielczą. Wraz ze spadkiem natężenia światła wpadającego do oka rośnie średnica źrenicy. W momencie, gdy czułość czopków jest niewystarczająca do prowadzenia obserwacji, mimo dużych wymiarów źrenicy, funkcję receptorów przejmują pręciki. Pręciki znajdują się poza dołkiem środkowym. Przy dużym natężeniu światła pręciki chronione są przed nadmiarem światła przy użyciu specjalnego barwnika.
Proces przystosowania wzroku do warunków oświetlenia nazywamy adaptacją. W miejscu gdzie połączenia nerwowe elementów światłoczułych z mózgiem tworzą wspólny nerw wzrokowy powstaje plamka ślepa pozbawiona zupełnie czopków i pręcików. Jeśli obraz przedmiotu obserwowanego znajdzie się w tym miejscu wrażenie wzrokowe nie zostanie odebrane i obserwator nie zauważy tego przedmiotu.

Świat do góry nogami...
Obraz przedmiotu na siatkówce jest odwrócony "do góry nogami", co wynika z fizycznej budowy oka (soczewka odwraca obraz). W pierwszych dniach życia mózg człowieka uczy się widzieć prawidłowy obraz obracając go by w późniejszym życiu robić to automatycznie. Oznacza to, że niemowlę widzi świat "postawiony na głowie" i dopiero po pewnym czasie zaczyna widzieć normalnie.

Różne kolory świata...
Oko odbiera tylko część promieniowania nań padającego. Związane jest to z własnościami fizyko-chemicznymi rogówki, czopków i pręcików. Odbieramy zatem tylko światło, które mieści się w zakresie tzw. okna optycznego. Okno optyczne to przedział długości fali elektromagnetycznej (światła) od ok. 400nm (co odpowiada światłu o barwie fioletowej) do ok. 700nm (co odpowiada światłu o barwie czerwonej). Powyżej długości 700nm znajduje się niewidoczna dla człowieka podczerwień, a poniżej 400nm, również niewidoczny, ultrafiolet. Do fal elektromagnetycznych zaliczamy także niewidoczne dla człowieka promienie gamma, promienie X i inne - całość przedstawia poniższy rysunek.

Promieniowanie o długości fali spoza okna optycznego nie jest przepuszczane przez rogówkę oka. Promieniowanie, które wniknie do oka w różnym stopniu wywołuje reakcje elektrochemiczne w czopkach i pręcikach stając się źródłem bodźców. Ze względu na różną budowę czopków i pręcików występują różne właściwości widzenia ciemnego i jasnego. Przyjmuje się maksimum czułości czopków na 550 nm, a pręcików na 510 nm.

Wady wzroku i ich korygowanie
Nadwzroczność Jest wynikiem zbyt małych rozmiarów przednio-tylnych oka (zbyt krótką) w stosunku do jego siły łamiącej lub niewystarczającą siłą łamiącą układu optycznego oka (np. zbyt płaską rogówką w stosunku do jego długości .Promienie równoległe, które w akomodującym oku miarowym ogniskowane są na siatkówce, w nieakomodującym oku nadwzrocznym ogniskowane są za siatkówką. Żeby ostro widzieć przedmiot daleki, dalekowidz musi akomodować. Nieskorygowana nadwzroczność i związane z tym stałe napięcie akomodacji może prowadzić do zaburzeń w całym układzie mięśniowym oka, łącznie z zezem. Do korekcji nadwzroczności stosuje się okulary korekcyjne lub soczewki kontaktowe. Są to soczewki skupiające. Ich moc optyczną podaje się w dioptriach dodając znak plus. Istnieją też metody chirurgiczne.
Krótkowzroczność polegająca na tym, że tor optyczny oka nieprawidłowo skupia promienie świetlne. Promienie równoległe, które w akomodującym oku miarowym ogniskowane są na siatkówce w nieakomodującym oku krótkowzrocznym ogniskowane są przed siatkówką. Obraz na siatkówce w krótkowzroczności jest zamazany, a wrażenie wzrokowe krótkowidza jest nieostre. Krótkowidz patrząc na obiekty odległe nie może pomóc sobie akomodacją, jak to czyni dalekowidz. Jeśli jednak jest wystarczająco jasno to pomaga sobie mrużąc oczy, zmniejszając rozproszenie obrazu na siatkówce poprzez zwiększenie głębi ostrości W celu poprawy ostrości widzenia krótkowidza stosuje się okulary korekcyjne lub soczewki kontaktowe. Są to soczewki rozpraszające wklęsło-wypukłe. Ich moc optyczną podaje się w dioptriach dodając znak minus. Możliwy jest również zabieg chirurgiczny
Ślepota barw , u ludzi jest niezdolnością do spostrzegania różnic pomiędzy niektórymi lub wszystkimi barwami, które normalnie są dostrzegane przez inne osoby. Ślepota barw jest zazwyczaj wadą wrodzoną Zaburzenie rozpoznawania barw może być także wynikiem uszkodzenia dróg wzrokowych począwszy od siatkówki po korę mózgu. Może być również efektem ubocznego działania leków lub związków chemicznych.. Najczęstsza forma ludzkiej ślepoty barw wynika z problemów z czułością czopków na barwy o średniej lub długiej długości fali i pociąga za sobą problemy w odróżnianiu barw czerwonych, żółtych i zielonych od innych barw. Łącznie problemy te określa się jako „ślepotę czerwono-zieloną” (tzw. daltonizm. Nie da się jej skorygować.
Astygmatyzm – wada wzroku (soczewki lub rogówki oka) cechująca się zaburzoną symetrią obrotową oka. Elementy optyczne zdrowego oka są symetryczne względem jego osi. Jeżeli oko ma większą szerokość niż wysokość, to soczewka i rogówka zamiast skupiać światło w okrągłym obszarze siatkówk będzie tworzyć obraz rozmazany w jednym z kierunków. Pacjent z astygmatyzmem będzie np. widział obraz nieostro w pewnych obszarach pola widzenia. Nawet dobre szkła nie są w stanie w pełni skorygować astygmatyzmu i dlatego osoba z astygmatyzmem ma problemy z wykorzystaniem przyrządów optycznych. Wyróżnia się astygmatyzm
• regularny – oku można przypisać dwie prostopadłe osie optyczne, wadę można skorygować okularami ze szkłami cylindrycznymi.
• nieregularny – oko posiada osie optyczne nie prostopadłe, w związku z tym nie ma możliwości korekcji okularami a jedynie soczewkami kontaktowymi.


Dlaczego człowiek ma parę oczu ?
Gdy patrzymy na przedmiot ustawiony bardzo daleko od nas osie patrzenia obu oczu ustawione są prawie równolegle. Jeżeli przedmiot ten będziemy zbliżali w naszym kierunku, to mięśnie gałek ocznych będą zmieniać położenie gałek tak by osie widzenia podążały za tym przedmiotem, a tym samym przecięły się. Zjawisko to nosi nazwę konwergencji. Im bliżej oczu znajdzie się przedmiot, tym osie patrzenia przetną się pod większym kątem. Analizując ten kąt mózg człowieka wnioskuje o odległości obserwowanego przedmiotu od oczu. Gdyby zatem człowiek wyposażony był w tylko jedno oko bardzo trudno byłoby mu określać odległość obserwowanego przedmiotu od siebie.
===================================================================
Teleskop przyrząd optyczny złożony z dwóch elementów optycznych: obiektywu i okularu (teleskop soczewkowy) lub z okularu i zwierciadła (teleskop zwierciadlany) połączonych tubusem. Służy do powiększania odległych obrazów. Teleskop optyczny umożliwia otrzymywanie wiernego, możliwie najjaśniejszego obrazu badanego wycinka nieba lub obiektu astronomicznego. Zastosowanie w teleskopie zwierciadeł lub soczewek o dużej średnicy umożliwia wychwycenie rozproszonego światła pochodzącego od odległych obiektów dzięki czemu możliwa jest obserwacja lub rejestracja fotograficzna nawet bardzo słabo widocznych obiektów.. Powstający na powierzchni ogniskowej obraz może być zarejestrowany na kliszy fotograficznej.
W zależności od tego, czy do skupienia dających obraz promieni wykorzystuje się zjawisko załamania czy odbicia, teleskopy dzielą się na refraktory i reflektory. Do obserwacji fotograficznych nieba używa się teleskopów, w których zwierciadło główne jest sferyczne, a wady optyczne obrazu są zmniejszone przez umieszczenie na drodze wiązki promieniowania asferycznej lub wypukło-wklęsłej soczewki w teleskopie zwanej kamerą Maksutowa soczewki korygującej. Gdy zwierciadła główne i wtórne mają kształt odpowiednio dobranych hiperboloid, jest możliwe uzyskanie w ognisku Cassegraina stosunkowo dużego pola widzenia wolnego od zniekształceń . Ze względu na osiągane powiększenia teleskopy są zazwyczaj wyposażone w dodatkowa lunetę wizualną, umożliwiającą odszukanie i wstępną identyfikację badanego obiektu. Elementy optyczne teleskopu są zwykle montowane tak, by mogły obracać się wokół 2 osi. W montażach paralaktycznych jedna z osi skierowana jest na biegun nieba, a druga jest prostopadłej do niej. Ze względu na zakłócający wpływ atmosfery ziemskiej ograniczający jakość uzyskiwanych obrazów teleskopy umieszcza się w obserwatoriach położonych wysoko w górach jak również w przestrzeni kosmicznej. Jednak ponieważ wielkość teleskopów umieszczanych w kosmosie ograniczona jest dostępnymi środkami transportowymi, a serwisowanie ich na orbicie niezwykle skomplikowane od wielu lat poszukuje się innych rozwiązań mających na celu eliminowanie zakłócającego wpływu atmosfery. Najważniejszym osiągnięciem w tej dziedzinie jest zastosowanie cienkich luster, których kształt jest w czasie rzeczywistym korygowany tak, by anulować zniekształcenia fali światła docierającej do powierzchni lustra. Systemy takie, określane jako układy adaptywnej optyki, pozwalają obecnie osiągać w przypadku największych teleskopów, osiągać rozdzielczość trzydziestokrotnie przewyższającą możliwości HST.
Parametry optyczne
Podstawowe parametry optyczne każdego teleskopu to:
• Średnica zwierciadła lub obiektywu (apertura) – decyduje o zdolności rozdzielczej sprzętu oraz zasięgu obserwacyjnym, większe instrumenty dają zwykle większe możliwości obserwacyjne, lepszą jakość obrazu i większą ilość szczegółów.
• Ogniskowa – odległość pomiędzy ogniskiem układu optycznego a punktem głównym układu optycznego.
• Światłosiła – określająca stosunek średnicy obiektywu i ogniskowej.
• Powiększenie – w praktyce trudno uważać je za parametr teleskopu gdyż zależy od użytego okularu, okulary zaś zwykle są wymienne, co daje możliwość uzyskiwania różnych powiększeń. Można je obliczyć dzieląc ogniskową obiektywu przez ogniskową użytego okularu.
Podstawowe typy teleskopów
Teleskop soczewkowy (refraktor, luneta)
W tego typu teleskopach znajdują się dwie soczewki. Pierwsza z nich (duża), nazywana obiektywem skupia promienie świetlne, tworząc obraz, który możemy oglądać dzięki drugiej mniejszej soczewce nazywanej okularem.
Obraz widoczny przez tego typu teleskop wydaje się być powiększony.
Niestety soczewki o dużych średnicach powodują deformację obrazu, co uniemożliwia budowanie duzych teleskopów tego typu.


Najczęściej spotykane refraktory
• achromat – najbardziej popularny, obiektyw zwykle składa się z 2 elementów, jego konstrukcja kładzie nacisk na możliwie najlepszą korekcję aberracji chromatycznej. Achromat koryguje aberrację chromatyczną dla dwóch najważniejszych fragmentów spektrum (typowo – czerwonej i niebieskiej).
• apochromat – rzadziej spotykany jednak znacznie bardziej zaawansowany optycznie, obiektyw składa się zwykle z większej liczby soczewek, wykonany jest też często ze specjalnych gatunków szkła np. ED lub fluorytowego. Apochromat zapewnia pełniejszą od achromatu korekcje aberracji chromatycznej, Apochromat koryguje aberrację chromatyczną dla trzech najważniejszych fragmentów spektrum (typowo – czerwonej, niebieskiej i zielonej, choć w astrofotografii jedno z pasm może dotyczyć podczerwieni lub ultrafioletu)
• superchromat – koryguje aberrację chromatyczną dla czterech lub więcej najważniejszych fragmentów spektrum dając najlepsze obrazy.

• semiapochromat – określenie raczej komercyjne niż naukowe, stosowane przez producentów sprzętu astronomicznego dla określenia refraktorów, których korekcja aberracji jest oceniana jako nieznacznie tylko ustępująca apochromatom Najczęściej określane są w ten sposób 2-soczewkowe obiektywy ED .
Teleskop zwierciadlany (reflektor)
W tych teleskopach światło jest skupiane przez paraboliczne zwierciadła. Zogniskowane światło tworzy obraz obiektu z tyłu lub z przodu zwierciadła głównego, przy czym im większe jest zwierciadło główne, tym dokładniejszy obraz można uzyskać. Wszystkie większe teleskopy, to teleskopy zwierciadlane. Wiąże się to z łatwiejszym montażem dużych zwierciadeł niż soczewek. Najczęściej stosuje się trzy układy zwierciadeł w teleskopach.

Najpopularniejsze reflektory
• teleskop Newtona – najprostszy w konstrukcji i najpopularniejszy wśród amatorów. Składa się z parabolicznego zwierciadła głównego i mniejszego, płaskiego, kierującego obraz do okularu znajdującego się z boku tubusa. Zwykle posiada większą w porównaniu z innymi reflektorami światłosiłę, dlatego też stosowany jest głównie do oglądania obiektów ciemniejszych – mgławic, galaktyk, gromad. Jest on wolny zarówno od aberracji chromatycznej jak i sferycznej, jednak obdarzony sporą komą.





teleskop Cassegraina – światło padające na zwierciadło główne odbijane jest w kierunku drugiego, mniejszego zwierciadła, które kieruje je z powrotem do otworu w zwierciadle głównym. Powstajacy za zwierciadłem głównym obraz może być oblądany za pomocą okularu lub zarejestrowany przez komputer. Najpopularniejszy i najprostszy typ to Dall-Kirkham obarczony znaczną komą. Teleskopy w systemie Cassegraina zwykle posiadają mniejszą światłosiłę, co czyni je szczególnie użytecznymi przy obserwacji jaśniejszych obiektów takich jak Księżyc i planety

teleskop Coudé - światło wpadające do teleskopu odbijane jest od zwierciadła głównego w kirunku drugiego, mniejszego zwierciadła. Tam z kolei jest odbijane w kirunku trzeciego zwierciadła, które kiruje promienie w bok teleskopu. Dzięki takiemu położeniu ognisko pozostaje niezmienne podczas obracania teleskopu, co pozwala na umieszczenie w nim róznych przyrządów do analizy obrazu.

Teleskop w systemie mieszanym (katadioptryk zwierciadlano-soczewkowy)
Jest to teleskop, w którym przed zwierciadłem głównym lub niekiedy wtórnym umieszczono dodatkowo soczewkę – korektor. Ognisko może być wyprowadzone za zwierciadło główne, w bok na wysokości zwierciadła wtórnego lub w bok na wysokości osi obrotu
Najpopularniejsze teleskopy zwierciadlano-soczewkowe
• teleskop Schmidta-Cassegraina – posiada korektor w postaci asferycznej płyty Schmidta. Cechuje go pewna koma i krzywizna pola. Niestety asferyczny korektor jest stosunkowo drogi w produkcji.


• teleskop Maksutova-Cassegraina – posiada korektor w postaci lekko ujemnej soczewki meniskowej. Ma znacznie zredukowaną komę i obarczony jest niewielką krzywizną pola. Stosowany w konstrukcjach o stosunkowo małej aperturze ze względu na ciężar korektora. Bazujący na podobnej konstrukcji teleskop Klewcowa-Cassegraina przenosi korektor za zwierciadło wtórne dzięki czemu jest lżejszy.


• kamera Ritchey-Chrétiena Ze wszystkich konstrukcji najwyżej cenione są kamery Ritchey-Chrétiena. Wykorzystanie hiperbolicznych zwierciadeł w najlepszych konstrukcjach całkowicie redukuje aberracje geometryczne. Natomiast brak korektorów i soczewek oznacza brak aberracji chromatycznej.
Zwykle uważa się, że najlepsze obrazy dają refraktory – najlepszą ostrość i kontrast, szczególnie cenione są apochromaty. Zwykle są to też instrumenty najdroższe, nawet apochromaty o stosunkowo niewielkich średnicach obiektywu rzędu. Jednak warto pamiętać tutaj, że każda konstrukcja, ma konkretne wady i zalety w związku z czym nadaje się lepiej lub gorzej do konkretnych zastosowań. Newtony i achromaty to proste uniwersalne teleskopy dla początkujących – Newtony, ze względu na większą najczęściej średnicę ze wskazaniem na obserwacje obiektów odległych, achromaty z kolei – do planet i początków astrofotografii. Teleskopy Schmidta-Cassegraina są mobilne i, ze względu na stosunkowo duże pole widzenia, dobrze sprawdzają się podczas przeglądów nieba ). Teleskopy Maksutova-Cassegraina – również stosunkowo mobilne – ze względu na małe pole widzenia najlepiej sprawdzają się w astrofotografii wykorzystującej duże powiększenia.