Optički mjerni instrumenti

OPTIČKE NAPRAVE

Optičke naprave razna su pomagala, instrumenti i uređaji koji primjenjujući optičke pojave imaju vrlo široku primjenu. Sastavljene su od optičkih sastavnica (zrcala, leća, prizmi, svjetlovoda i dr.). Obično se razvrstavaju na optička pomagala kao jednostavnije naprave, optičke instrumente za promatranje predmeta, optičke mjerne instrumente za mjerenje svjetlosnih pojava i posredno optičkih svojstva tvari, optičke uređaje ili aparate za obrađivanje optičkih slika (prikazivanje, prenošenje, oblikovanje, pohranjivanje) te svjetlila kao izvore svjetlosti za osvjetljavanje i rasvjetu. Važni dijelovi mnogih suvremenih optičkih naprava su optoelektroničke sastavnice i uređaji (fotodiode, fototranzistori, svjetleće diode, pokaznici, kamere, laseri i dr.).

Optički mjerni instrumenti velika su skupina različitih mjernih instrumenata kojima se mjere svjetlosne pojave i svojstva svjetlosti ili svojstva tvari i tijela u međudjelovanju sa svjetlosti ili su pomagala pri mjerenju s drugim instrumentima ili u radu s optičkim uređajima. Nazivaju se prema mjerenoj veličini (fotometrijski instrumenti) prema optičkoj pojavi (reflektometri, refraktometri, polarimetri, spektrometri) ili imaju posebne nazive (daljinomjer, teodolit, sekstant). Opisat će se samo najvažniji optički mjerni instrumenti i navesti njihove najčešće primjene.

Fotometar

Fotometar (prema grč. fos: svjetlost; i metrein: mjeriti) ili svjetlomjer najviše je upotrebljavan optički mjerni instrument. Njime se mjeri osvjetljenje neke površine. Kako je mjerna jedinica osvjetljenja luks (znak lx), često se naziva i luksmetrom. Subjektivni ili vizualni fotometar, u kojem se osvjetljenje dviju površina uspoređivalo okom, potpuno je zastario, pa se danas rabi samo elektronički fotometar. Sastoji se od optoelektroničkog osjetnika, tzv. fotodetektora (fotoelementa, fotodiode, fototranzistora) i analognog ili digitalnog elektroničkog mjernog instrumenta struje, umjerenog u nekoj fotometrijskoj veličini, na primjer svjetlosna jakost ili luminacijski intenzitet (u kandelama; znak cd), svjetljivost ili luminancija (u kandelama po četvornom metru; znak cd/m2), osvjetljenje ili iluminancija (u luksima; znak lx). Prve subjektivne fotometre za uspoređivanje dvaju svjetlosnih izvora konstruirali su ranih 1800-ih godina Benjamin Thompson grof Rumford (1753.–1814.), britanski fizičar i političar američkog podrijetla, začetnik fotometrije, te 1826. godine William Ritchie (~ 1790.–1837.), škotski fizičar. Elektronički fotometri konstruirani su 1920-ih godina, konstruiranjem svjetlosnih pretvornika. Fotometrom se mjeri svjetlost koja upada na neki prijamnik (osvjetljenu površinu). Mjerenjem se uspoređuje osvjetljenje iz dvaju ili više izvora, a u mnogim analitičkim postupcima mjeri se razlika osvjetljenja pri prolasku kroz neku tvar, čime se zaključuje na svojstvo tvari. U astronomiji se obično mjeri svjetlost nebeskih tijela. Osim kao samostalan mjerni instrument često je sastavni dio drugih mjernih instrumenata (kolorimetara, spektrometara, aktinometara i dr.) te optičkih uređaja (fotografskih aparata i kamera) i drugih.

Reflektometar

Reflektometar1 je optički mjerni instrument kojim se na temelju mjerenjem odražavanja ili refleksije svjetlosti mjere neka svojstva tvari ili tijela. Sastoji se od svjetlila, prijamnika reflektirane svjetlosti te elektroničkog analizatora kojim se određuju svojstva reflektirane svjetlosti (vrijeme povratka i udaljenost od mjesta refleksije, promjenu svojstava reflektirane svjetlosti). Najpoznatiji je analitički reflektometar za određivanje sastojaka u pićima (vinu, pivu, sokovima). Poseban oblik reflektometra je optički daljinomjer za određivanje udaljenosti predmeta, svjetlovodni reflektometar za određivanje gušenja i kvara na svjetlovodima te oftalmološki reflektometar za mjerenje izmjera prednjeg dijela ljudskoga oka.

1 Postoje i drugi reflektometri, na primjer antenski reflektometar za određivanje refleksije na kraju antenskoga dovoda, a time i omjera stojnih valova (engl. Standig Wave

Ratio), pa se naziva SWR-metrom.

Fotometar s odvojenim prijamnikom i mjernim instrumentom Reflektometar za mjerenja na svjetlovodnim kabelima Abbeov laboratorijski refraktometar

Najpoznatiji svjetlovodni reflektometar je OTDR (prema engl. Optical Time Domain Reflectometer: optički reflektometar u vremenskoj domeni), koji se rabi za mjerenja u svjetlovodima za optičke komunikacije.

Refraktometar

Refraktometar je optički mjerni instrument kojim se temeljem mjerenja loma svjetlosti ili refrakcije, a to znači kuta otklona i indeksa loma, određuju neka svojstva tvari. Ponajviše se tako određuje udjel primjesa u nekoj otopini. Rabe se mnogi posebni namjenski refraktometri. Wollastonov refraktometar je konstruirao 1802. godine William Hyde Wollaston (1766.–1828.), engleski liječnik, fizičar i kemičar, u kojem se totalnom refleksijom određuje indeks loma neke tvari. Abbeov refraktometar je oko 1869. godine konstruirao Ernest Karl Abbe (1840.–1905.), njemački fizičar, optičar i suvlasnik i suradnik tvrtke Carl Zeiss, za mjerenje indeksa loma tekućina na osnovi totalne refleksije. Pulfrichov refraktometar je konstruirao 1890-ih godina Carl Pulfrich (1858.–1927.) njemački fizičar, optičar i suradnik tvrtke Carl Zeiss, jedan od osnivača stereofotogrametrije. Rabi se za mjerenje indeksa loma tekućina te čvrstih tvari, ponajprije kristala. Reyleighov interferencijski refraktometar je konstruirao John William Strutt Rayleigh (1842.–1919.), engleski fizičar, koji je dobio 1904. godine Nobelovu nagradu za fiziku za otkriće kemijskog elementa argona “za njegovo istraživanje gustoće najvažnijih plinova i za njegovo otkriće argona u vezi s tim studijama”. Rabi se za određivanje indeksa loma plinova pomoću dviju zraka koje prolaze kroz uzorak plina poznatog i nepoznatog indeksa loma. Jelleyev mikrorefraktometar je konstruirao i 1934. godine objavio Edwin E. Jelley (1898.–1965.), američki optičar i fotografski stručnjak. Rabi se za određivanje indeksa loma tekućina. Namjenski refraktometri rabe se za mjerenje indeksa loma na kapljici tekućine koja se stavlja na mjernu podlogu, te se okularom promatra otklon svjetlosti. Služe za brzo određivanje udjela primjesa, na primjer šećera u tekućinama (sokovima, vinu, alkoholnim pićima, mlijeku, ulju i sl.).

Priručni refraktometar za brzo mjerenje primjesa u tekućinama (desno je vidno polje s ljestvicom)

Polarimetar

Polarimetar je optički mjerni instrument kojim se mjeri zakretanje ravnine polarizirane svjetlosti u nekoj tvari, a na osnovi toga određuju neka svojstva te tvari, većinom primjese u njoj. Saharometar je priručni polarimetar koji se rabi za određivanje koncentracije šećera u otopini. Zasniva se na linearnoj polarizaciji svjetlosti koju je pri reflektiranju svjetlosti od ravne površine opazio 1808. godine Étienne-Louis Malus (1775.–1812.), francuski časnik, matematičar i fizičar.

Osnovna sastavnica polarimetra je polarizator svjetlosti, što može biti polarizacijska prizma (Nicolova prizma) ili polarizacijski filtar koji se sastoji od tankog propusnog sloja nekih tvari koje polariziraju svjetlost. Polarimetar se sastoji od osno postavljenih izvora monokromatske svjetlosti, ulaznog polarizatora svjetlosti, ispitivanoga uzorka ili kivete s otopinom optički aktivne tvari te izlaznog polarizatora koji se naziva analizatorom. Kada polarizirana monokromatska svjetlost prolazi kroz otopinu s optički aktivnom tvari, zakreće se ravnina polarizacije. Zakretanjem analizatora mjeri se koliki je kut zakreta. Iz njega se uz umjeravanje uzoraka poznate koncentracije optički aktivne tvari određuje koncentracija optički aktivne tvari ispitivanoga uzorka.

Spektrometar

Spektrometar je optički mjerni instrument za mjerenja u spektru svjetlosti i bliskog elektromagnetskog zračenja (ultraljubičastog i infracrvenog). Mjere se ponajprije valne duljine, a u složenijim instrumentima i svjetlosne jakosti. Razvio se umjeravanjem spektroskopa, instrumenta za promatranje spektra svjetlosti. Glavna sastavnica svakog spektralnog instrumenta je sastavnica koja razlaže svjetlost po valnim duljinama, a to su optička prizma ili optička rešetka koje različitim raspršivanjem ili disperzijom, odnosno ogibom razlažu svjetlost. Okular za promatranje ili optički sustav za snimanje spektra nalazi se na kružnom kutomjeru, umjerenom obično u pripadnim valnim duljinama. Zakretanjem okulara ili optičkog sustava mjeri se valna duljina pojedinih dijelova spektra: spektralnih linija ili tamnih pruga, tzv. Fraunhoferovih linija. Te je tamne linije, dakle nedostatak svjetlosti nekih valnih duljina u Sunčevom spektru, nastale apsorpcijom u plinovima i parama u Sunčevoj atmosferi, zapazio 1814. godine Joseph von Fraunhofer (1787.–1826.), njemački fizičar i optičar. Spektrometar se rabi u spektralnoj analizi za razlaganje i mjerenje svjetlosti pojedinih izvora svjetlosti te apsorpcije pojedinih dijelova spektra prolaskom kroz određene tvari. Instrumenti za promatranje, mjerenje i zapisivanje spektara drugih zračenja (radiofrekvencijskog, rendgenskog i gama-zračenja) podrobnije se nazivaju prema tim zračenjima.

Interferometar

Interferometar je optički mjerni instrument u kojem se ulazni mlaz svjetlosti razlaže na dva mlaza ili više njih, koji se nakon prolaska različitim putovima ili sredstvima ponovo spajaju. Iz interferencije valova vrlo se precizno mjere razlike u putovima ili sredstvima. Interferometar je rabio još 1805. godine Thomas Young (1773.–1829.), engleski fizičar, liječnik i egiptolog (odgonetnuo drevne egipatske hijeroglife), pri istraživanju biti svjetlosti. Potom je 1877. godine Albert Abraham Michelson (1852.–1931.), američki fizičar poljskog podrijetla, interferometrom nastojao mjeriti brzinu svjetlosti. Michelson je 1907. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku “za optičke precizne instrumente te spektroskopska i mjeriteljska istraživanja koje je pomoću njih načinio”. Michelson i Edward Williams Morley (1838.–1923.), američki kemičar i fizičar, 1887. godine

Zoran prikaz spektroskopa (ilustracija iz knjige: Oton Kučera, Valovi i zrake. Matica hrvatska, Zagreb 1903.) Laserski daljinomjer za rutinsko mjerenje Ručni laserski daljinomjer

posebno konstruiranim interferometrom izveli su znameniti Michelson-Morleyev pokus, jedno od najvažnijih mjerenja u fizici, kojim su dokazali nepostojanje etera, hipotetički zamišljene fine i nevidljive tvari koja ispunjava sav prostor. Interferometri se rabe u fizici, astronomiji, spektroskopiji, geodeziji te u industrijskim mjerenjima. Na istim zamislima kao što je optički interferometar, konstruirani su interferometri za druga zračenja: radijsko, ultrazvučno, neutronsko i dr.

Svjetlosni daljinomjeri

Svjetlosni daljinomjeri mjerni su instrumenti za mjerenje udaljenosti od stajališta promatrača do zapaženog predmeta, tzv. cilja, pomoću svjetlosti. Dva su načelno različita takva daljinomjera pa se i nazivaju različito: klasični ili optički daljinomjer i laserski ili elektronički daljinomjer. Optički daljinomjer mjerni je instrument za mjerenje udaljenosti optičkim mjerenjem zamišljenog, tzv. paralaktičkog trokuta (grč. parallaxis: odstupanje, promjena), mjernim postupkom koji se stoga naziva triangulacijom (lat. triangulum: trokut). Pri mjerenju s osnovicom trokuta na stajalištu promatrača dva se objektiva nalaze na udaljenosti koja je osnovica trokuta, a šiljasti vrh trokuta, tzv. kut paralakse je u cilju. Visina toga trokuta udaljenost je od sredine osnovice do cilja. Viziranjem cilja pomoću tih dvaju objektiva, mjere se kutovi prema osnovici. Duljina osnovice i dva kuta su tri podatka, dovoljna za trigonometrijsko izračunavanje sastavnica paralaktičkog trokuta. Pri mjerenju s osnovicom trokuta na cilju mjerna letva se postavlja na cilj, a sa stajališta promatrača viziraju se dvije odabrane točke kao krajevi osnovice. Kut između dva vizirana smjera je vršni kut jednakostraničnog trokuta, iz čega se može trigonometrijski izračunati sastavnice paralaktičkog trokuta. Zbog vrlo malog vršnog kuta trokuta mjerenja nisu osobito točna. Ipak, takvi su se daljinomjeri dugo rabili u geodeziji, mornarici, topništvu i sl. Laserski daljinomjer, nazivan i elektroničkim daljinomjerom, optički je mjerni instrument za mjerenje udaljenosti pomoću laserskoga mlaza. Primjenjuje se svjetlost ili infracrveno zračenje. Dvije su vrste takvih daljinomjera: – impulsni daljinomjer mjeri vrijeme do povratka odaslanoga pa od cilja reflektiranog impulsa zračenja. Iz brzine svjetlosti cs u zraku i polovice vremena povratka signala t slijedi udaljenost predmeta, tj. s = cs · t; a kako je brzina svjetlosti vrlo velika, vrijeme je i za velike udaljenosti vrlo kratko, pa njegovo mjerenje mora biti vrlo precizno. – fazni daljinomjer mjeri faznu razliku odaslanog i od cilja reflektiranog zračenja, a iz nje slijedi udaljenost ciljanog predmeta. Glavni dijelovi takvih daljinomjera su laserski izvor, prijamnik reflektiranog signala i računalni procesor za precizno mjerenje vremena ili fazne razlike te njihovo preračunavanje u udaljenost. Mjerenje je jedino osjetljivo na promjene u atmosferi. Danas se većinom rabe laserski daljinomjeri koji su vrlo velike točnosti. Postoji vrlo širok izbor takvih daljinomjera, pa se oni jednostavni i jeftini rabe za brza priručna mjerenja u raznim tehničkim primjenama, na primjer u graditeljstvu, u cestogradnji, geodeziji, topništvu i dr. Velike udaljenosti na Zemlji danas se mjere pomoću globalnoga položajnog sustava (GPS). Ultrazvučni sonar također je izvedba daljinomjera primjenom ultrazvuka za opažanje predmeta i mjerenja udaljenosti u vodi. Rabi se u podmornicama, ribarstvu, istraživanju morskoga dna i dr.

Teodolit

Teodolit je optički mjerni instrument za mjerenje vodoravnih i okomitih kutova između zapaženih točaka ili predmeta (podrijetlo naziva je nepoznato, postoji nekoliko pretpostavki, na

Klasični teodolit (kraj XIX. stoljeća), kakvim su se služili i hrvatski geodeti Suvremeni teodolit, tzv. totalna stanica

primjer možda je kovanica od grč. teos bog, doro: dar i lithos: kamen). Prije teodolita za mjerenje kutova rabili su se jednostavniji mjerni instrumenti: groma, mjerilo drevnih Rimljana za određivanje pravoga kuta pri izmjeri zemljišta, slog crtaćih ravnala, trokuta i kutomjera, dioptar, antički astronomski instrumenti i dr. Ti su jednostavni instrumenti postupno ujedinjavani u jedinstveni instrument, koji je 1576. godine konstruirao Erasmus Habermel (~ 1538.–1606.), praški urar i dvorski graditelj geodetskih instrumenata na dvoru Rudolfa II. na Hradčanyma u Pragu2. Prvi instrument sličan današnjem teodolitu konstruirao je 1725. godine Jonathan Sisson (1690.–1747.), engleski graditelj instrumenata, pa ga se smatra izumiteljem teodolita, koji je do kraja XIX. stoljeća poprimio današnji oblik. Osnova teodolita je pokretna alhidada (prema arap. al idhadah: klizač) koja se sastoji od vodoravnog i okomitog kutomjera, viska ili razulje, dalekozora, naprave za očitavanje kutova i vijaka za namještanje. Alhidada se postavlja na tronožni stalak iznad mjesta s kojega se mjeri, tzv. stajališta. Suvremeni su teodoliti opremljeni i laserskim daljinomjerom te računalnim procesorom, memorijom, pokaznikom, a neki i kompasom ili giroskopom. Takav se teodolit naziva tahimetrom te mjernom ili totalnom stanicom. Teodolit se rabi u geodeziji, meteorologiji, topništvu i dr. Nivelir (prema franc. niveau: razina) optički je mjerni instrument za mjerenje visinskih razlika između promatranih predmeta ili točaka, donekle sličan teodolitu. Osnova mjerenja je postavljanje vodoravnoga pravca i određivanje kuta između viziranja promatranog predmeta ili točke, te pomoću toga određivanje visine promatrane točke. Nivelir se rabi u geodeziji za određivanje visina u velikom rasponu, od mjerenja na gradilištu do određivanja visina planina.

Sekstant

Sekstant (lat. sextans: šestina) je optički mjerni instrument za mjerenje kutne visine nebeskih tijela prema obzoru (horizontu). Naziv potječe od toga što mu je kutomjer šestina kružnice (60º). Prethodili su mu kvadrant (lat. quadrans: četvr-

2 Rudolf II. (1552.–1612.) bio je car Svetog Rimskog Carstva, kralj Hrvatske, Ugarske i Češke te nadvojvoda Austrije. Od 1581. do 1594. godine naš je Faust Vrančić kao carev tajnik boravio na njegovu dvoru. Ilustracija uporabe Jakovljeva štapa iz 1523. godine tina) s kutomjerom od četvrtine kružnice (90º) i oktant (lat. octavum: osmina), s kutomjerom od osmine kružnice (45º), ali je kutomjer konačno povećan na šestinu. Tim se instrumentima mogu mjeriti dvostruki kutovi. Sekstantu su prethodili stariji instrumenti: Jakovljev štap3 ili križni štap drevni je mjerni instrument za mjerenje kutne visine nebeskih tijela, koji je u XI. stoljeću izumio Avicena (arap. Ibn Sina; ~ 980.–1037.), perzijski filozof, liječnik, prirodoznanstvenik i astronom. Sastojao se od mjernoga štapa po kojem se pomicao okomiti štapić preko čijih su se vrhova vizirale dvije točke između kojih se mjerio vidni kut. U astronomiji je to bio obzor i promatrano nebesko tijelo. Mjerni štap bio je umjeren u stupnjevima toga kuta. Rabio se od XV. stoljeća u pomorskoj navigaciji, a i u geodeziji. Kvadrant, optički mjerni instrument za mjerenje kutova u astronomiji rabio je još u II. stoljeću pr. Kr. Klaudije Ptolemej (~ 100.– ~ 170.), aleksandrijski matematičar i astronom, a potom u srednjem vijeku arapski astronomi.

Oktant (nazivan i reflektirajući ili zrcalni kvadrant) oko 1699. godine zamislio je i nacrtao Isaac Newton (1643.–1727.), znameniti engleski matematičar i fizičar, ali je to objavljeno tek 1742. godine, poslije njegove smrti. Prve oktante konstruirali su i objavili oko 1730. godine Thomas Godfrey (1704.–1749.), američki optičar, i neovisno od njega 1731. godine John Hadley (1682.–1744.), engleski matematičar i astronom, i njegova braća Georg (1685.–1768.), ugledni engleski meteorolog, i Henry (? –1687.).

Sekstant, proširen kutomjerom na 120º konstruirao je 1757. godine John Bird (1709.–1976.),

3 Naziv potječe od sličnosti sa štapom hodočasnika u znamenitom pohodu na grob Sv. Jakova u španjolskom gradu Santiago de Compostela.