Ochiul omenesc ca aparat optic

Din punct de vedere anatomic, ochiul este, dupa cum se stie, un organ deosebit de complex, servind la transformarea imaginilor geometrice ale corpurilor in senzatii vizuale. Privind insa numai din punctul de vedere al opticii geometrice, el constituie un sistem optic format din trei medii transparente: umoarea apoasa, cristalinul si umoarea sticloasa (sau vitroasa)

Aceastea se gasesc in interiorul globului ocular, marginit in exterior de o membrana rezistenta, numita sclerotica. Sclerotica este opaca peste tot, exceptand o portiune din fata, care este transparenta si de forma sferica, numita corneea transparenta. Lumina patrunde in ochi prin cornee, strabate cele trei medii transparente si cade pe retina, unde se formeaza o imagine reala si rasturnata a obiectelor privite. Fluxul luminos este reglat automat prin actiunea involuntara (reflexa) a irisului. Aceasta este o membrana (ai carei pigmenti dau "culoarea ochilor") perforata in centru printr-o deschidere circulara, de diametrul variabil, numita pupila. La lumina prea intensa, irisul isi mareste pupila, penru a proteja retina, iar la lumina prea slaba, irisul isi mareste pupila pentru a mari iluminarea imaginilor de pe retina.

Retina este o membrana subtire, alcatuita din prelungirile nervului optic si continand un numar mare de celule senzationale, care percep lumina, numite conuri si bastonase. Conurile sunt celule specializate in perceperea luminii de intensitate slaba, fiind practic incapabile sa distinga culorile. Ochiul omenesc contine aproximativ 7 milioane conuri si 130 milioane bastonase, foarte neuniform raspandite. Conurile ocupa mai ales partea centrala a retinei, in timp ce densitatea bastonaselor creste spre periferie. In partea centrala, putin mai sus de axa optica, exista o regiune numita pata galbena (macula lutea) in mijlocul careia se afla o mica adancitura - foveea centralis - populata exclusiv de conuri, in numar de 13000 - 15000. Sub actiunea involuntara a unor muschi speciali ai ochilului, globul ocular sufera miscari de rotatie in orbita sa, astfel incat imaginea sa se formeze totdeauna in regiunea petei galbene, cea mai importanta regiune fotosensibila a ochiului.

Cristalinul are forma unei lentile nesimetric biconvexe si poate fi mai bombat sau mai putin bombat sub actiunea reflexa a muschilor ciliari, modificandu-si astfel convergenta, incat imaginea sa cada pa retina. El are o structura stratificata, prezentand spre margine indicele de refractie de aproximativ 1,38 , iar in interior de aproximativ 1,41.

Acomodarea. Un ochi normal, aflat in stare de repaus, are focarul situat pe retina. Din aceasta cauza, pentru obiectele situatea la infinit (practic, la distante mai mari decat circa 15 m) ochiul formeaza imaginile pe retina fara nici un efort de modificare a cristalinului.

Apropiind obiectul, cristalinul se bombeaza sub actiunea muschilor ciliari, asa fel incat imaginea sa ramana tot pe retina. Fenomenul se numeste acomodare. Cristalinul insa nu se poate bomba oricat si de aceea obiectul poate fi adus doar pana la o anumita distanta minima - distanta minima de vedere - sub care ochiul nu mai poate forma imaginea pe retina. Acomodarea ochiului este deci posibila in tre un punct aflat la o distanta maxima (punctul remotum), care, pentru ochiul normal este la infinit (practic, peste 15 m) si un punct aflat la o distanta minima (punctul proximum), care pentru ochiul normal este de 10-15 cm la tineri si aproximativ 25 cm la adulti. In mod normal, ochiul vede cel mai bine, putand distinge cele mai multe detalii, la o distanta mai mare decat distanta minima de vedere si anume la aproximativ 25 cm, numita distanta vederii optime.

Pentru ca razele de lumina sa se poata focaliza, trebuie sa se refracteze. Cantitatea de refractie depinde de distanta de la care este vazut obiectul. Un obiect situat la distanta necesita mai putina refractie decat unul situat in apropiere. Cea mai mare parte a procesului de refractie se desfasoara in cornee, care reprezinta o covertura fixa. Restul refractiei necesare are loc in cristalin. La inaintarea in varsta, fiintele umane pierd aceasta capacitate de a-si ajusta focalizarea, deficienta cunoscuta sub numele de prezbitism sau vedere obosita.

Focarul luminii unui obiect aflat la distanta si a unui obiect apropiat

Diagrama ochiului uman. Nota: Nu toti ochii au aceeasi anatomie cu cei umani

Telescopul

Telescopul este un instrument optic care permite observarea obiectelor indepartate si neclare ca si cum ar fi mult mai luminoase si mai apropiate de observator. Telescoapele sunt folosite in astronomie pentru observarea corpurilor ceresti indepartate.

Pentru sute de ani , telescoapele au fost singurele instrumente folosite pentru observarea planetelor si a galaxiilor. Chiar si azi navetele cosmice pot ajunge doar vecinii nostri apropiati din sistemul nostru solar , oamenii de stiinta continuand sa se bazeze pe telescop in studierea stelelor , nebuloaselor si galaxiilor aflate la mare distanta .

Majoritatea telescoapelor functioneaza colectand lumina emisa de stele sau reflectata de suprafata planetelor . Acestea se numesc telescoape optice . Ele folosesc o lentila curba sau o oglinda sferica sau parabolica pentru a colecta razele de lumina si a le trimite spre o lentila mica plasata in focar care face posibila observarea obiectului . In cercetarile astronomice se aseaza langa focar camere de luat vederi pentru a inregistra imaginile adunate de telescop . Lumina vizibila adunata de telescop e descompusa in radiatiile componente cu ajutorul unui spectroscop , in acest fel obtinandu-se informatii despre temperatura obiectului , miscare , compozitie chimica sau prezenta unor campuri magnetice .

Multe telescoape sunt construite in observatoare astronomice in jurul Pamantului dar numai undele radio , lumina vizibila si radiatia infrarosie pot penetra atmosfera Pamantului si pot ajunge la suprafata planetei . Pentru a depasi aceasta problema au fost lansate in spatiu telescoape care pot colecta unde din alte regiuni ale spectrului electromagnetic.

Sunt doua feluri principale de telescoape optice : reflectatoare si refractatoare.

Telescoape refractatoare

Acestea folosesc o lentila de sticla pentru a forma imaginea in focar. Lentila este convexa iar puterea de a aduna razele de lumina a unui astfel de telescop este proportionala cu marimea obiectivului. Aceste telescoape sunt impiedicate de aberatii cromatice care cauzeaza venirea fiecarei culori intr-un focar diferit pentru ca fiecare culoare are propriul sau unghi de refractie. Aberatia cromatica face ca imaginea unei stele sau planete sa fie inconjurata de cercuri de diferite culori.

O alta limitare fundamentala a acestor telescoape este faptul ca lentilele cu diametre mai mari de 1 metru sunt impractice deoarece cantaresc mai mult de jumatate de tona si se prabusesc sub propria lor greutate . Acestea nu pot fi sprijinite de dedesupt ca oglinzile.

Telescoape reflectatoare

Acestea folosesc o oglinda concava pentru a aduna razele de luzmina si formeaza imaginea intr-un focar aflat deasupra oglinzii.

Telescoapele reflectatoare sunt in special folositoare pentru a aduna lumina de la obiecte intunecate. Sensibilitatea luminii unui astfel de telescop creste cu patratul diametrului oglinzii telescopului. Deci daca se dubleaza diametrul oglinzii puterea de a aduna razele de lumina creste de 4 ori. Telescoapele mari pot detecta obiecte a caror stralucire este de un miliard de ori mai mica decat cea mai slab vizibila stea cu ochiul liber. Oglinda telescopului este facuta dintr-o sticla speciala care nu se contracta si mareste la diferite temperaturi. Oglinda e polizata cu ajutorul calculatorului pentru ca diferentele de grosime de pe suprafata trebuie sa fie mai mici decat o fracsiune din grosimea unui fir de par. Pentru a crea un strat reflectator se acopera suprafata oglinzii cu un strat subtire de aluminiu. Principalul dezavantaj al acestor oglinzi este greutatea. Telescopul Hale de pe muntele Palomar din California cantareste 14 tone.

In 1990 un plan indraznet si inovativ a depasit bariera marimii oglinzilor. Fiecare din telescoapele identice de la observatorul Manua Kea din Hawaii combina 36 de oglinzi hexagonale de 183 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 decat cea de la Palomar.

La unele telescoape construite dupa 1990 greutatea oglinzii a fost redusa prin punerea intre o oglinda concava subtire si a unei placi a unui strat de nervuri de sticla.

    

Telescop Mersul razelor de lumina in telescopul de tip Newton

Luneta

Luneta este destinata observarii obiectelor foarte indepartate. De la oricare punct al unui astfel de obiect ajung la noi fascicule practic paralele. Sa consideram un obiect astronomic AB si sa indreptam luneta cu axa optica spre extremitatea A:

Toate razele provenite din A vor fi paralele cu axa optica si vor converge in focarul principal imagine F1` al obiectivului lunetei. In figura de mai sus am luat o singura raza din acest fascicul si anume de-a lungul axei optice principale. De la punctul extrem B va sosi, de asemenea, un fascicul de raze paralele intre ele, dar inclinate cu unghiul ε1 fata de primul fascicul. Unghiul ε1 va fi deci unghiul sub care se vede obiectul ceresc cu ochiul liber. Punctul de convergenta al fasciculului paralel din B va fi in focarul secundar B`, care va defini astfel in planul focal al obiectivului imaginea reala y`. Trebuie remarcat ca obiectul AB fiind foarte departe de focarul F1 al obiectivului,

imaginea intermediara y` este micsorata, spre deosebire de imaginea intermediara a microscopului, care era mult marita, datorita faptului ca obiectul de cercetat era foarte aproape de focarul F1 al obiectivului. Din aceasta cauza, imaginea y` se afla destul de departe de focarul imagine F1`, in timp ce la luneta aceasta se formeaza, practic chiar in planul focal al obiectivului. Asadar, ocularul lunetei preia o imagine intermediara, micsorata a obiectivului si formeaza o imagine definitiva y2 virtuala si marita fata de y`. In aceasta figura imaginea intermediara y` a fost construita ducand planul focal perpendicular pe axa in F1` si afland punctul (B`) in care o raza din B trecand prin varful lentilei obiectiv inteapa acest plan (este figurata urma acestui plan printr-un segment punctat). Imaginea finala y este obtinuta trasand din B` doua raze cu drum cunoscut; una (r`) paralela cu axa optica, va parasi ocularul trecand prin focarul imagine F2` al sau si una (r``) trecand prin centrul optic al ocularului, va trece mai departe nederivata (ocularul este luat -ca si obiectivul-sub forma unei lentile subtiri, convergente). Dupa aflarea punctului B``, s-a putut construi mersul complet al razei din B pana la pupila ochiului, ε2 fiind unghiul sub care se vede imaginea finala y.

Grosismentul lunetei:

Fiind vorba de un aparat ce furnizeaza imagini virtuale ale unor obiecte indepartate, luneta se caracterizeaza prin grosisment. Grosismentul este egal cu produsul dintre distanta focala a obiectivului si puterea ocularului. Se poate mari deci grosismentul marind distanta focala a obiectivului si utilizand oculare cat mai convergente.Luneta este un sistem optic ce consta dintr-o lentila obiectiv (convergenta) si una ocular (divergenta).

Prima luneta a fost construita in Olanda la inceputul anului 1600. Cel care a introdus folosirea lunetei in astronomie a fost Galileo Galilei. Cu luneta construita de el in anul 1609, savantul italian a descoperit muntii de pe Luna, natura stelara a Caii Lactee, patru sateliti ai lui Jupiter, petele solare. Dar la aparitia si perfectionarea lunetei au contribuit multi inventatori ai epocii.

Incepand cu secolul al XV-lea, lentilele de sticla, foarte imperfecte, erau folosite in mod curent pentru corectarea defectelor de vedere. Aberatiile puternice si calitatea proasta a sticlei au facut ca abia in primii ani ai secolului al XVII-lea constructorii olandezi sa-si indrepte atentia asupra instrumentelor optice care aveau drept scop marirea imaginilor unor obiective.

Luneta are in componenta un tub in care se afla un sistem optic numit obiectiv, care este orientat spre cer. Punand ochiul in spatele ocularului, observam direct imaginea obtinuta. In plus o putem fotografia sau chiar inregistra si analiza cu ajutorul aparatelor electrice.

Lunetele folosesc principiul de refractie a luminii. Atunci cand lumina trece prin obiectivul lunetei este refractata (indoita) si ajunge intr-un punct numit focar , unde este examinata printr-un ocular. La inceputurile lunetelor, problema cea mai mare era aberatia cromatica-un halou colorat in jurul obiectelor vazute prin luneta. Problema este inerenta tuturor obiectivelor de luneta formate dintr-o singura lentila si nu se poate corecta , indiferent de forma lentilei sau de tipul sticlei. Singura modalitate prin care problema se poate corecta este construirea unui obiectiv format din doua lentile, fiecare fabricata dintr-un soi diferit de sticla: o sticla numita flint si cealalta numita crown.

Obiectivele respective se numesc acromate. Exista si obiective apocromate (foarte scumpe) formate din trei lentile, fiecare dintre cele trei lentile fiind fabricata dintr-un alt tip de sticla.