Lupa jest chyba najprostszym przyrządem optycznym służącym do otrzymywania powiększonych obrazów bliskich obiektów, takich które albo są w ogóle niewidoczne bez użycia tego przyrządu, albo są bardzo słabo widoczne. Najprostsza lupa zbudowana jest z pojedynczej soczewki skupiającej. Inaczej znana jest pod nazwą szkła powiększającego .Większość z nas taki przyrząd posiada w domach.

Oko ludzkie może tworzyć na siatkówce ostry obraz przedmiotu tylko wtedy jeśli ten przedmiot umieszczony jest między nieskończonością a tzw. punktem bliskim , który znajduje się w odległości około 25 centymetrów od oka. Istnieje jeszcze inna odległość równa około 10 centymetrów, która oznacza najbliższą oku odległość przy której oko jeszcze jest w stanie akomodować. Ta odległość nosi nazwę punktu najbliższego.

Na siatkówce wytwarzany jest obraz pozorny, prosty i powiększony. W przypadku lupy mówi się o tzw. powiększeniu kątowym, czyli stosunku kąta promieni tworzących obraz w ognisku soczewki do kąta pod którym rejestrowany jest obraz z odległości 25 cm bez użycia lupy.

Jeżeli użyjemy lup prostych to możemy otrzymać obraz przedmiotu powiększonego maksymalnie pięć razy. Do lup prostych zalicza się: pojedyncze soczewki dwuwypukłe, płasko-wypukłe i wklęsło-wypukłe. Wykorzystywane są jako szkła powiększające np. do czytania, do obserwacji drobnych przedmiotów.

Drugi rodzaj lup to lupy złożone. Są one zbudowane z całego układu soczewek. Do tej grupy należą m.in. dwusoczewkowe lupy achromatyczne, trzysoczewkowe lupy aplantyczne Uzyskiwane powiększenie to 3-12 razy. Większe powiększenia uzyskuje się przy użyciu innych lup złożonych. Dzięki lupom ortoskopowym np. można uzyskać 6-20 - krotne powiększenie. Istnieją również tzw. telelupy oraz lupy stereoskopowe (dwuokularowe).

Lupy złożone mogą stanowić samodzielny przyrząd optyczny tak jak np. lupy Brinella lub też mogą wchodzić w skład mniej lub bardziej skomplikowanych układów optycznych.

Innym narzędziem optycznym, które znajduje się w większości domów jest lornetka. W budowie lornetki wyróżnia się dwie ułożone równolegle lunety. Można wyróżnić kilka typów lornetek. I tak mamy:

- lornetki Galileusza, która składa się ze skupiającego obiektywu i okularu o własnościach rozpraszających. Lornetka ta cechuje się prostota budowy, ale niestety również małym polem widzenia. Powoduje to , że uzyskiwane powiększenia nie są większe niż trzykrotne.

Przykładem takiej lornetki jest lornetka teatralna oraz morka.

- lornetki pryzmatyczne - w takiej lornetce zarówno obiektyw jak i okular maja własności skupiające. Miedzy tymi elementami umieszcza się układy pryzmatyczne. Pozwalają one na uzyskanie obrazu prostego.

Dzięki umieszczeniu pryzmatu uzyskuje się jeszcze jedną ważną rzecz. Mianowicie dzięki rozsunięciu obiektywów dochodzi do poprawy plastyczności obrazu. Obrazy są jasne, a uzyskiwane powiększenia sięgają dwudziestu razy.

Jedyną chyba wadą jest jej wielkość i ciężar. Przykładem wykorzystania takiej lornetki jest lornetka polowa.

- lornetki nożycowe - takie lornetki także mają rozsunięte obiektywy. Jako układ odwracający stosuje się układy soczewek. Dzięki nim można uzyskać obrazy silnie stereoskopowe i powiększone. Uzyskiwane powiększenia są większe od 15 razy. Ale również są ciężkie i nieporęczne.

Jednym z elementów wszystkich złożonych układów optycznych jest okular. W zależności od sposobu jego konstrukcji można wyróżnić:

- okular zwany okularem Ramsdena - na jego konstrukcję składają się dwie jednakowe płasko - wypukłe soczewki , które są do siebie skierowane częściami wypukłymi.

- okular Huygensa na który składają się również dwie soczewki płasko - wypukłe, ale mają one tym razem różne ogniskowe.

Kolejny element budujący każdy układ optyczny to okular. Dzięki niemu zachodzi możliwość uzyskania obrazu rzeczywistego i odwróconego, który następnie jest oglądany przez okular.

Można wymienić kilka rodzajów obiektywów w zależności od ich funkcji:

  • obiektywy fotograficzne
  • obiektywy mikroskopowe
  • obiektywy astronomiczne

Istniej jeszcze jedna klasyfikacja, która dzieli obiektywy na:

  • obiektywy, które dają obraz obiektów, które znajdują się w skończonej odległości (mikroskopowe, mikrofotograficzne, projekcyjne)
  • obiektywy, które dają obraz obiektów w nieskończoności (astronomiczne, niektóre fotograficzne)

Innym rodzajem przyrządów optycznych są lunety. Prawdopodobnie konstruktorem pierwszej lunety był Z. Jansen, optyk holenderski. Miało to miejsce w roku 1604. Niemniej jednak z tym wynalazkiem bardziej kojarzy się nazwisko Galileusza, bowiem to on po raz pierwszy użył lunety do obserwacji nieba. Odkrył wtedy między innymi 4 księżyce Jowisza, plamy na Słońcu oraz góry na powierzchni Księżyca.

Luneta, za pomocą której dokonał tych odkryć należy do tzw. lunet ziemskich. Wśród elementów budowy takich lunet można wyróżnić układ odwracający i okular skupiający. Dają one obraz prosty.

Druga grupa lunet to tzw. lunety keplerowskie, inaczej astronomiczne. Obraz uzyskiwany w takich lunetach jest obrazem odwróconym. Schemat budowy lunet w zasadzie nie różni się od tego dla innych przyrządów optycznych. Lunety mają postać rury zbudowanej z metalu, o odpowiedniej długości, takiej aby ognisko obrazu obiektywu znajdowało się w tym samym miejscu co ognisko przedmiotu. Dzięki temu wiązka wchodząca do lunety i wiązka wychodząca są do siebie równoległe. Na końcach rury znajdują się: po jednej stronie obiektyw soczewkowy, a po drugiej okular.

Lunety wykorzystuje się do obserwacji przedmiotów odległych od Ziemi.

Powiększeniem lunety nazywa się iloraz kąta, pod jakim widziany jest przedmiot przez lunetę i kąta pod jakim jest widziany bez użycia tego przyrządu optycznego.

Początek wieku XVIII to wprowadzenie do lunet tzw. obiektywów achromatycznych. Ich zadanie polegało na zwiększeniu dokładności, z jaką wyznaczana była pozycja ciał na niebie.

W wieku XIX do obserwacji słabych obiektów na niebie zaczęto budować lunety, których obiektywy miały bardzo duże średnice. Największa luneta soczewkowa jaka do tej pory powstała znajduje się w Obserwatorium Yerkesa. Średnica jej obiektywu wynosi 102 cm.

Alternatywnymi do lunet urządzeniami astronomicznymi są teleskopy zwierciadłowe. Zaczęto je konstruować niezależnie od lunet i były od nich dużo większe. Pierwsze zwierciadła teleskopowe były wykonane z metalu. Szkło jako materiał budulcowy zwierciadeł weszło w użycie dopiero z końcem XIX wieku. Dodatkowo stosowano technikę pokrywania zwierciadeł szklanych warstwami odbijającymi. Pierwsze teleskopy budowano w układzie optycznym Newtona i Cassegraina.

Cassegrain był rzeźbiarzem i zaproponował układ optyczny składający się z przewierconego zwierciadła głównego i wypukłego zwierciadła hiperboidalnego. Dzięki temu drugiemu zwierciadłu zachodziło zjawisko wydłużania ogniskowej teleskopu.

Przykładem teleskopu zwierciadlano - soczewkowego jest teleskop zwany kamerą Schmidta. Do jego budowy użyto m.in. wklęsłego zwierciadła sferycznego oraz specjalnej szklanej płyty, której zadaniem jest korygowanie wad obrazu. Drugim przykładem takiego teleskopu jest kamera Maksutowa, która wykorzystuje obiektywy meniskowi oraz zwierciadła sferyczne i soczewki wklęsło - wypukłe.

Takie teleskopy mają szersze pole widzenia i wykorzystuje się je w obserwacjach fotograficznych.

Warto wspomnieć również o przyrządach optycznych za pomocą których mierzy się rozmiary liniowe bardzo małych obiektów. Przyrządy te nazywają się optimetrami i składają się z obiektywu, okularu z odpowiednią podziałką oraz pryzmatu i lusterka pomiarowego. Najmniejsze wymiary jakie można zmierzyć to kilkadziesiąt mikrometrów.

Innym przyrządem optycznym jest mikroskop. Z tym urządzeniem zetknął się każdy z nas, chociażby na lekcjach biologii. Mikroskop służy do obserwacji małych obiektów, często niewidocznych gołym okiem.

Jest to możliwe dzięki uzyskiwanym w mikroskopie silnie powiększonym obrazom. Najczęściej uzyskiwane są powiększenia od kilkudziesięcio - do ponad tysiąckrotnych. Do części optycznych wchodzących w skład każdego mikroskopu należy okular oraz obiektyw. Oba te elementy funkcjonują na zasadzie soczewek skupiających. Oba elementy czyli okular i obiektyw umieszczone są na końcach rury zwanej tubusem. Aby nie dopuścić do niekorzystnego zjawiska w postaci dodatkowych odbić tubus w środku musi być pokryty czarną matową powłoką. Długością tubusa nazywa się odległość między ogniskiem obiektywu a ogniskiem okularu

Obiektyw daje obraz rzeczywisty, odwrócony i powiększony. Następnie ten obraz jest obserwowany przez okular i w konsekwencji powstający obraz jest pozorny , powiększony i odwrócony.

Całkowite powiększenie mikroskopu jest iloczynem obu tych powiększeń, czyli okularu i obiektywu.

Gdzie P - powiększenie całkowite, pto powiększenie obiektywu, pto powiększenie okularu.

Powiększeniem obiektywu nazywa się stosunek odległości obrazu od soczewki do odległości przedmiotu od soczewki obiektywu. Można przyjąć założenie , że odległość obrazu równa jest długości tubusa, , natomiast położenie przedmiotu znajduje się w odległości równej ogniskowej.

Obrazuje to poniższa zależność:

Gdzie l to długość tubusa, a f to ogniskowa.

Natomiast powiększenie okularu jest równe stosunkowi odległości dobrego widzenia s do ogniskowej f.

Po podstawieniu tych dwóch zależności do wzoru głównego na powiększenie całkowite mikroskopu ostatecznie otrzymuje się: