ऑप्टिकल उपकरण

इस लेख में, हम विभिन्न प्राकृतिक और मानव निर्मित ऑप्टिकल उपकरणों के बारे में अध्ययन करने जा रहे हैं, उदा. आंख, दूरबीन, सूक्ष्मदर्शी, पेरिस्कोप, बहुरूपदर्शक, दूरबीन, आदि। ये उपकरण दर्पण, लेंस और प्रिज्म से संबंधित प्रकाशिकी सिद्धांतों जैसे परावर्तन, अपवर्तन, आदि का उपयोग करते हैं।

Table of Contents

• मनुष्य की आंख
• माइक्रोस्कोप
• टेलीस्कोप
• पेरिस्कोप

मनुष्य की आंख

हालांकि लगभग सभी जानवरों की आंखें होती हैं, लेकिन वे एक प्रजाति से दूसरी प्रजाति में कुछ हद तक भिन्न हो सकती हैं। यहां, हम खुद को मानवीय आंखों तक ही सीमित रखेंगे, क्योंकि मूल अवधारणा लगभग सभी प्रकार की आंखों में समान है (कम से कम भौतिकी के नजरिए से)।

वह प्रक्रिया जिसके द्वारा हमारी आँख बाहरी वस्तुओं का प्रतिबिम्ब बनाती है, इस प्रकार है:

• कॉर्निया (Cornea): प्रकाश कॉर्निया के माध्यम से आंख में प्रवेश करता है, जिसकी एक घुमावदार सतह होती है।
• पुतली (Pupil): इसके बाद, प्रकाश परितारिका (iris) के बीच में एक छोटे से छेद से होकर गुजरता है, जिसे पुतली कहा जाता है। हम मांसपेशियों का उपयोग करके पुतली के आकार को बढ़ा या घटा सकते हैं। तेज रोशनी में पुतली का आकार कम हो जाता है जिससे हमारी आंख में प्रवेश करने वाले प्रकाश की मात्रा कम हो जाती है और इसके विपरीत भी।
• आई लेंस (Eye Lens): अब प्रकाश एक उत्तल लेंस से होकर गुजरता है, जो जेली जैसी सामग्री से बना होता है। सिलिअरी मांसपेशियों (ciliary muscles) का उपयोग करके, हम लेंस के आकार/वक्रता को बदल सकते हैं, और इस प्रकार इसकी फोकल लंबाई को संशोधित कर सकते हैं। आँख के इस गुण को ‘समंजन (अकोमोडेशन / accommodation)’ कहते हैं।
• रेटिना (Retina): आंख का लेंस आंख की घुमावदार पिछली सतह पर स्तिथ तंत्रिका तंतुओं की एक फिल्म पर प्रकाश को केंद्रित करता है। आंख की इस पिछली सतह को रेटिना कहा जाता है। रेटिना प्रकाश संवेदनशील कोशिकाओं - दंड/शलाका (rods) और शंकु (cones) से ढकी होती है। वे प्रकाश की तीव्रता और रंग को महसूस करते हैं। मानव नेत्र द्वारा निर्मित प्रतिबिम्ब वास्तविक तथा उल्टा होता है।
• ऑप्टिक तंत्रिका (Optic Nerve): इस छवि के प्रकाश को रेटिना द्वारा विद्युत संकेतों में परिवर्तित किया जाता है, और ये संकेत ऑप्टिक तंत्रिकाओं के माध्यम से मस्तिष्क को प्रेषित होते हैं।
• दोनों आंखों से प्राप्त इन विद्युत संकेतों का अंत में मस्तिष्क द्वारा विलय और व्याख्या किया जाता है, और अंत में हमे छवि सीधी महसूस होती हैं। यह हमारे मस्तिष्क की शक्ति है - यह इनपुट के रूप में दो अलग-अलग उल्टी छवियों का उपयोग करता है और हमें एक सीधी छवि देखने में मदद करता है।

निकट बिंदु और दूर बिंदु

• निकट बिंदु (Near Point): यह नेत्र लेंस और बाहरी वस्तु के बीच की निकटतम संभव दूरी है, जिसके लिए लेंस प्रकाश को रेटिना पर केंद्रित कर सकता है। निकट बिंदु को विशिष्ट दृष्टि की न्यूनतम दूरी (least distance of distinct vision) के रूप में भी जाना जाता है, और इसे अक्सर प्रतीक D द्वारा दर्शाया जाता है। सामान्य दृष्टि वाली आंख के लिए, इसे 25 सेमी माना जाता है।
• दूर बिंदु (Far Point): यह आँख के लेंस और बाहरी वस्तु के बीच सबसे बड़ी संभव दूरी है, जिसके लिए लेंस रेटिना पर प्रकाश केंद्रित कर सकता है। सामान्य नेत्र का सुदूर बिंदु अनंत पर होता है।

हमारी आंख किसी वस्तु के बहुत पास होने पर उसे स्पष्ट नहीं देख सकती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि ऐसी वस्तु की छवि को रेटिना पर केंद्रित करने के लिए, नेत्र लेंस को बहुत अधिक मुड़ना पड़ता है, जो संभव नहीं है। इसलिए बनाई गई छवि धुंधली होती है।

मानव आँख के दोष

मायोपिया या निकट दृष्टि दोष

मायोपिया (Myopia) से पीड़ित व्यक्ति में निम्नलिखित लक्षण दिखाई देते हैं:

• वह निकट की वस्तुओं को स्पष्ट रूप से देख सकता है।
• वह दूर की वस्तुओं को स्पष्ट रूप से नहीं देख सकता है।

यह तब होता है जब आंख के लेंस से निकलने वाली प्रकाश किरणें रेटिना से पहले मिल जाती हैं, यानी छवि रेटिना के सामने बनती है, न कि उस पर।

इस नेत्र दोष को दूर करने के लिए अवतल लेंस (concave lens) का प्रयोग किया जाता है।

हाइपरमेट्रोपिया या दूरदृष्टि दोष

हाइपरमेट्रोपिया (Hypermetropia) से पीड़ित व्यक्ति निम्नलिखित लक्षण प्रदर्शित करता है:

• वह निकट की वस्तुओं को स्पष्ट रूप से नहीं देख सकता।
• वह दूर की वस्तुओं को स्पष्ट रूप से देख सकता है।

यह तब होता है जब नेत्र लेंस से निकलने वाली प्रकाश किरणें रेटिना के पीछे अभिसरण (converge) करती हैं, अर्थात प्रतिबिम्ब उस पर नहीं बल्कि रेटिना के पीछे बनता है।

इस नेत्र दोष को दूर करने के लिए उत्तल लेंस (convex lens) का प्रयोग किया जाता है।

प्रेसबायोपिया (Presbyopia)

यदि सिलिअरी मांसपेशियां आंख के लेंस के आकार/वक्रता को बदलने की क्षमता एक निश्चित सीमा तक खो देती हैं, तो व्यक्ति की आंख के समायोजन की शक्ति (power of accommodation) कम हो जाएगी। यदि ऐसा होता है, तो व्यक्ति को निकट या दूर की वस्तुओं को स्पष्ट रूप से देखने में कठिनाई होगी।

यह आमतौर पर बुढ़ापे में होता है। इस नेत्र दोष को दूर करने के लिए द्विफोकसी लेंस (bifocal lens) का प्रयोग किया जाता है।

दृष्टिवैषम्य (Astigmatism)

इस नेत्र दोष वाला व्यक्ति सामान्य दूरी पर क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर रेखाओं को एक साथ स्पष्ट रूप से नहीं देख सकता है।

इस दोष का कारण कॉर्निया का गैर-गोलाकार आकार है। क्षैतिज तल की तुलना में ऊर्ध्वाधर तल में कॉर्निया की वक्रता अधिक हो सकती है, या इसके विपरीत।

इस नेत्र दोष को दूर करने के लिए बेलनाकार लेंस (cylindrical lens) का प्रयोग किया जाता है।

नोट

दृष्टिवैषम्य, मायोपिया या हाइपरमेट्रोपिया के साथ हो सकता है।

रंग दृष्टिहीनता (Colour blindness)

इस दोष से पीड़ित व्यक्ति कुछ रंगों में भेद करने में असमर्थ होता है, उदा. लाल और हरे रंग के बीच। इस दोष के पीछे का कारण तीन प्रकार के शंकुओं में से किसी एक का अनुचित कार्य करना है।

हम इस आंख की स्थिति को ठीक नहीं कर सकते क्योंकि यह एक आनुवंशिक विकार है - यह एक पीढ़ी से दूसरी पीढ़ी में जाता है।

मोतियाबिंद (Cataract)

इस नेत्र दोष से पीड़ित व्यक्ति की आंख की दृष्टि आंशिक या पूर्ण रूप से खो जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि कॉर्निया पर एक अपारदर्शी, सफेद झिल्ली विकसित हो जाती है।

इस दोष को सर्जरी के माध्यम से ठीक किया जा सकता है, जिसमें अपारदर्शी, सफेद झिल्ली को हटा दिया जाता है।

माइक्रोस्कोप

माइक्रोस्कोप (Microscope) एक ऑप्टिकल उपकरण है जिसका उपयोग पास रखी बहुत छोटी वस्तुओं के सूक्ष्म विवरणों को देखने के लिए किया जाता है।

सूक्ष्मदर्शी को मोटे तौर पर दो श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

• साधारण सूक्ष्मदर्शी या मैग्निफायर (Simple microscope or Magnifier): वे केवल छोटी फोकल लंबाई के उत्तल लेंस से बने होते हैं। एक साधारण सूक्ष्मदर्शी की आवर्धन शक्ति, M = [1 + D/f], जहाँ D स्पष्ट दृष्टि की न्यूनतम दूरी है।
• संयुक्त माइक्रोस्कोप (कंपाउंड माइक्रोस्कोप, Compound microscope): इनमें दो लेंसों का उपयोग होता है, जिसमें एक लेंस दूसरे के प्रभाव को बढ़ाता है, जिससे बड़ा आवर्धन (magnification) होता है।

संयुक्त सूक्ष्मदर्शी इस प्रकार कार्य करता है:

• वस्तु से प्रकाश उसके पास के लेंस पर पड़ता है, जिसे “ऑब्जेक्टिव (objective)” कहा जाता है। यह बदले में वस्तु का एक वास्तविक, उल्टा, आवर्धित प्रतिबिंब बनाता है, जो दूसरे लेंस के लिए एक वस्तु के रूप में कार्य करता है। मान लें कि इस लेंस के कारण होने वाला आवर्धन m_o है।
• अब, प्रकाश दूसरे लेंस से होकर गुजरता है, जिसे “आईपिस (eyepiece)” कहा जाता है। यह लेंस सिर्फ एक साधारण माइक्रोस्कोप के रूप में काम करता है। इस लेंस से बनने वाला प्रतिबिम्ब मूल वस्तु के सापेक्ष बड़ा, आभासी तथा उल्टा होता है। मान लीजिए कि इस लेंस के कारण होने वाला आवर्धन m_e है।

संयुक्त सूक्ष्मदर्शी के लिए, संयुक्त आवर्धन, m = m_o × m_e

नोट

माइक्रोस्कोप के मामले में, ऑब्जेक्टिव की फोकल लंबाई < आईपिस की फोकल लंबाई।

नोट

समय के साथ संयुक्त सूक्ष्मदर्शी की तकनीक में और सुधार हुआ है। आजकल, आधुनिक सूक्ष्मदर्शी में, ऑब्जेक्टिव और आईपिस दोनों के लिए मल्टीकंपोनेंट लेंस का उपयोग किया जाता है (केवल दो साधारण लेंस नहीं)। इससे बेहतर आवर्धन और छवि स्पष्टता/गुणवत्ता मिलती है, क्योंकि लेंस में ऑप्टिकल विपथन और विभिन्न दोष कम से कम होते हैं।

टेलीस्कोप

टेलीस्कोप (Telescope, दूरदर्शक, दूरबीन, दूरदर्शी) एक ऑप्टिकल उपकरण है जिसका उपयोग बहुत बड़ी, दूर की वस्तुओं (अर्थात पर्यवेक्षक से दूर रखी गई वस्तुओं) के सूक्ष्म विवरणों को देखने के लिए किया जाता है। पहली खगोलीय दूरबीन का आविष्कार केप्लर (Kepler) ने 1611 में किया था।

टेलीस्कोप को मोटे तौर पर दो श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

• साधारण दूरबीन (Simple telescope): वे दो उत्तल लेंस का उपयोग करते हैं।
• परावर्तक दूरबीन (Reflecting telescope): वे लेंस और दर्पण दोनों का उपयोग करते हैं।

आइए, उन्हें एक-एक करके समझते हैं।

साधारण दूरबीन

एक साधारण दूरबीन (Simple telescope) इस प्रकार काम करती है:

• दूर की वस्तु से प्रकाश उसके पास के लेंस पर पड़ता है, जिसे “ऑब्जेक्टिव (objective)” कहा जाता है। यह उत्तल लेंस है। यह बदले में अपने दूसरे केंद्र बिंदु पर वस्तु की एक वास्तविक, छवि बनाता है, जो दूसरे लेंस के लिए एक वस्तु के रूप में कार्य करता है। मान लीजिए इस लेंस की फोकस दूरी f_o है।
• अब, प्रकाश दूसरे लेंस से होकर गुजरता है, जिसे “आईपिस (eyepiece)” कहा जाता है। यह भी उत्तल लेंस होता है। इस लेंस से बनने वाला प्रतिबिम्ब बड़ा और उल्टा होता है। माना इस लेंस की फोकस दूरी f_e है।

दूरबीन की आवर्धन शक्ति, m = f_o / f_e और, खगोलीय दूरदर्शी में दूरबीन ट्यूब की लंबाई, L = f_o + f_e

नोट

दूरबीन के मामले में, ऑब्जेक्टिव की फोकल लंबाई अधिक होती है। यानी, ऑब्जेक्टिव की फोकल लंबाई > आईपिस की फोकल लंबाई।

इसके अलावा, ऑब्जेक्टिव का द्वारक (एपर्चर/aperture) आईपिस की तुलना में बहुत बड़ा होता है। अर्थात्, ऑब्जेक्टिव का एपर्चर > आईपिस का एपर्चर।

किसी लेंस का एपर्चर उस लेंस का व्यास होता है। यह लेंस से गुजरने वाले प्रकाश की मात्रा को नियंत्रित करता है।

परावर्तक दूरबीन

एक अधिक प्रभावी खगोलीय दूरबीन की आवश्यकता है कि:

• वह ज्यादा रोशनी इकट्ठा करें, यानी उसमें रोशनी को इकट्ठा करने की शक्ति ज्यादा होनी चाहिए।
• उसमें उच्च विभेदन क्षमता (resolving power) होनी चाहिए। इसका मतलब है कि, वह दो या अधिक वस्तुओं को अलग-अलग दिखाने में सक्षम होना चाहिए, जो लगभग एक ही दिशा में हैं।

ऑब्जेक्टिव का क्षेत्रफल/व्यास जितना अधिक होगा, वह उतना ही अधिक प्रकाश एकत्र कर सकेगा, और उसकी विभेदन क्षमता भी उतनी ही अधिक होगी। तो, दूरबीन की प्रकाश एकत्र करने की शक्ति और विभेदन क्षमता दोनों ऑब्जेक्टिव के आकार पर निर्भर करती है।

इसलिए, इंजीनियरों का लक्ष्य ऑप्टिकल टेलीस्कोप को यथासंभव बड़े ऑब्जेक्टिव के साथ बनाना होता है। हालांकि, ऑब्जेक्टिव के रूप में बड़े लेंस का निर्माण और उपयोग करना कई चुनौतियों को पेश करता है, जैसे:

• लेंस जितना बड़ा होता है, वह उतना ही भारी भी होता है। इससे उनका निर्माण करना और उनके किनारों से उसको पकड़कर रखना बेहद मुश्किल हो जाता है।
• ऐसे बड़े लेंसों में रंगीन विपथन (chromatic aberration) होता है, और विकृतियों के साथ चित्र बनते हैं।
• ऐसे बड़े लेंस बनाना बहुत महंगा होता है, खासकर अगर उन्हें रंगीन विपथन और अन्य ऑप्टिक दोषों से मुक्त रखना हो।

इन्हीं कारणों से आधुनिक दूरबीनों में इंजीनियरों ने ऑब्जेक्टिव के लिए लेंस के बजाय अवतल दर्पण (concave mirror) का उपयोग करना शुरू कर दिया। दर्पण के ऑब्जेक्टिव वाली ऐसी दूरबीन को परावर्तक दूरबीन (Reflecting telescope) कहा जाता है।

सामान्य दूरबीनों की तुलना में इसके निम्नलिखित फायदे हैं:

• चूंकि एक दर्पण का वजन समान ऑप्टिकल गुणवत्ता वाले लेंस के वजन से काफी कम होता है, इसलिए उन्हें प्रबंधित करना और उनको पकड़कर रखना आसान होता है। एक दर्पण को उसकी पूरी पिछली सतह पर सहारा दिया जा सकता है, न कि केवल उसके किनारों/रिम के ऊपर से।
• दर्पण रंगीन विपथन से ग्रस्त नहीं होते हैं।
• यदि परवलयिक परावर्तक सतह (parabolic reflecting surface) का उपयोग किया जाए तो गोलाकार विपथन (spherical aberration) की समस्या का भी समाधान किया जा सकता है।

पेरिस्कोप (Periscope)

आपने पनडुब्बियों से संबंधित फिल्मों में पेरिस्कोप देखा होगा - यह एक पाइप जैसी संरचना है जिसे आप पनडुब्बी के ऊपर से बाहर आते हुए देखते हैं। पानी में डूबे रहने के दौरान पोत के चारों ओर निगरानी रखने के लिए पनडुब्बी द्वारा इसका उपयोग किया जाता है।

पेरिस्कोप प्रतिबिंब और अपवर्तन (reflection and refraction) के सिद्धांतों पर आधारित है। इसका निर्माण दो समतल दर्पणों का उपयोग करके किया जाता है, जो कुछ दूरी पर होते हैं और 45^o के कोण पर झुके होते हैं।

जिस प्रक्रिया के माध्यम से हम पेरिस्कोप का उपयोग करके एक छवि देखते हैं, वह इस प्रकार है:

• पहले समतल दर्पण (ऊपर की ओर स्तिथ) पर आपतित प्रकाश किरणें दूसरे दर्पण की ओर परावर्तित होती हैं।
• दूसरे समतल दर्पण (नीचे की ओर स्तिथ) पर आपतित प्रकाश किरणें प्रेक्षक की आँख की ओर परावर्तित होती हैं।