Поширення світла

Медицинские приборы, функционирующие на основе геометрической оптики. Рефрактометры, микроскопы.

 

Распространение света

Видимый свет представляет собой электромагнитные волны, воспринимаемые глазом человека с длиной от 400 до 700 нм. Тело, излучающее свет, называют источником света. Источники света различают по многим параметрам, например, искусственные и естественные. Тепловые источники - те, которые светятся в результате нагревания, и нетепловые, которые светятся благодаря химическим реакциям окисления. Источники света могут быть точечными и протяженными и излучать свет различных длин волн (табл.1).

Таблица 1

 

Свет оказывает двоякие свойства. Явления интерференции, дифракции, поляризации можно объяснить на основе волновых свойств света, а явление фотоэффекта - на основе его корпускулярной (квантовой) природы. Исходя из этого оптику разделяют на волновую, геометрическую и квантовую.

Поскольку свет является электромагнитной волной, то в однородной среде оно распространяется равномерно и прямолинейно. Это позволяет использовать пучки света для точных работ (строительства тоннелей, высоких зданий и т.п.).

 Прямолинейное распространение света от точечного источника образует тени - зоны, куда не попадают лучи от частей поверхностей источника света (рис.1, а). Если источник света протяженный, то образуются также зоны полутеней, куда попадают лучи от частей поверхности источника света (рис. 1, б).

На разных этапах развития физики использовали различные способы измерения скорости света. Первым ее попробовал рассчитать Галилей, но ему не удалось этого сделать. В XVII в. ее впервые определил датский астроном Ремер, изучая движения спутника Юпитера - Ио. Регистрируя его появление из-за планеты, он получил приблизительные данные скорости света cв 215000 км / с. В XIX в. впервые определены лабораторным путем. По современным данным скорость света в вакууме равна 299792458 ± 1,2 м / с.

Основным понятием геометрической оптики является световой луч. Световой луч - условная линия, вдоль которой световое излучение переносит энергию. Основные законы геометрической оптики могут быть получены на основе учета волновых свойств света. Однако исторически они были получены на основе обобщения результатов экспериментов.

Распространение световых лучей в веществе определяет ее показатель преломления.

Показатель преломления вещества - величина, которая показывает во сколько раз скорость света в вакууме отличается от скорости света в веществе:

,                                       (1)

где с = 2,99792458 • 108 м / с - скорость света в вакууме, - скорость света в среде.

Показатель преломления дистиллированной воды при нормальном давлении и температуре 293 К составляет 1,333 ≈ 4/3, показатель преломления стекла разных сортов зависит от примесей n ≈ 1,5 ÷ 2,0.

На границе раздела сред (отличаются по показателям преломления) наблюдают (рис.1):

¾ отражения света - явление, когда в результате взаимодействия с пределом разделения сред световое излучение возвращается в прежнее среду;

¾ преломления света - явление, когда в результате взаимодействия с пределом разделения сред световое излучение проникает в следующую среду (рис. 1).

На рис. 1 световые лучи 1, 2, 3 соответственно падающий, преломленный и отраженный, а s - предел разделения сред ().

Основные законы геометрической оптики:

- Закон независимости световых лучей: световые лучи независимы, т.е. пересекаясь не претерпят никаких изменений ;

- Закон обратимости световых лучей : световые лучи обратимы, то есть в случае обмена местами источника и приемника света не испытывают никаких изменений , кроме изменения направления на противоположное;

- Закон прямолинейности световых лучей : в однородной среде световые лучи прямолинейны ;

- Закон отражения света : световые лучи падающий , отраженный и перпендикуляр к границе раздела сред , проведенный в точку падения луча , лежат в одной плоскости , причем угол падения луча равен углу отражения ( рис. 1):

.                                    (2)

—          Закон преломления: световые лучи падающий, преломленный и перпендикуляр к границе раздела сред, проведенный в точку падения лучей, лежащих в одной плоскости, причем отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная и равна относительному показателю преломления второй среды относительно первой среды (рис. 1):

.                                 (3)

Заметим, что в (2) и (3) углы падения, отражения и преломления отсчитываются от - нормали к s.

Относительный показатель преломления среды

.                                      (4)

Тогда соотношение (3-4) можно представить следующим образом:

,                         (5)

или иначе

.                            (6)

Следовательно, для границе раздела сред произведение - инвариант.

Закон отражения и преломления справедлив в случае обратного направления хода световых лучей. Луч , распространяющийся по пути отраженного луча , отражается по пути падающего . Плоскость , способную зеркально отражать световые лучи , называют плоским зеркалом .

Дисперсия света

Среда с большим абсолютным показателем преломления называют оптически более густым , а с меньшим - оптически менее густым. Если свет из оптически менее плотной среды переходит в более густое , луч будет " прижиматься " к перпендикуляру (α₁ > α₂).

Если же свет переходит из более оптически плотной среды в менее густое, то луч света будет отклоняться от перпендикуляра (α₁ < α₂) (Рис.1).

Показатель преломления n не зависит от угла падения луча, но зависит от его цвета. Эту зависимость открыл Ньютон. Измерения показывают, что фиолетового цвета на несколько процентов является более красного (для большинства видов стекла). Функция  выражает зависимость показателя преломления от длины световой волны. Свет на границе двух сред преломляется под разными углами. Так, если в стеклянную призму направлять узкий белый пучок света, то на экране возникнут различные линии спектра (рис.3).

Явление зависимости показателя преломления от длины световой волны называют дисперсией света.

Из закона преломления света следует: , т.е. углы преломления лучей разной длины волны, имеют одинаковый угол падения, оказываются различными.

 

 

Дисперсия света называется нормальной в случае монотонного возрастания показателя преломления с ростом частоты (с уменьшением длины волны) . В противном случае дисперсия называется аномальной .

Разложение света в спектр с помощью призмы лежит в основе работы приборов для определения химического состава самых тел .

Ультрафиолетовый спектр имеет повышенную биологическую действие , вызывает загар , убивает патогенные бактерии , может разлагать молекулы на части при поглощении . Лучи ультрафиолетового диапазона нашли применение в медицине , технике , науке . Инфракрасные лучи излучают все тела , в том числе тело человека излучает волны длиной 10 мкм. С повышением температуры тела излучают более короткие инфракрасные волны , а при температуре 600 - 700 ° С - только лучи оптического диапазона. Спектральный анализ позволяет определять химический состав вещества с высокой точностью.

 

 

 

Волоконная оптика

Если луч света переходит из оптически более плотной среды в оптически менее густое, то угол преломления луча будет больше угла падения. Следовательно, при увеличении угла падения будет расти и угол преломления (рис. 3), и при углах падения a>a_гр , где sin a_гр =n  , преломление света не происходит. При  a>a_R  все падающие лучи отражаются от границы раздела сред. Такое явление называется полным внутренним отражением.

Рис. 4. Ход лучей  на границе раздела двух сред.

Наименьший угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называют предельным углом полного внутреннего отражения.

Если свет переходит из вещества,  абсолютный показатель которого n₁=n, у воздуха, где n₂=1, то  условие полного внутренего отражения примет вид:

Для бриллианта предельный угол равен 240. Вследствие этого при правильной его огранке большая часть света, падающего на него со всех сторон, полностью отражается и выходит из верхней грани бриллианта. Поэтому бриллиант так сияет.

Световоди

Пластиковое и стеклянное волокно может пропускать более 60 % излучения волн оптического диапазона. Поскольку отдельное волокно с диаметром от 10 до 100 нм может использоваться для фокусировки на очень малой площади , то для исследования больших объектов применяются пучки волокон ( световоды ) , состоящие из сотен волокон.

Важнейшим примером применения световодов является их использование в эндоскопах ( трубках для осмотра внутренних поверхностей желудка , кишечника и т.д. ) . Типичный эндоскоп имеет длину 1 м диаметр 1 см. К эндоскопов можно прикрепить визуальный устройство , с помощью которого можно регистрировать движущиеся изображения . Под контролем эндоскопии применяют лазеротерапию , пленкообразующие препараты.

Рассмотрим примеры практического применения полного отражения .

 

Принципы действия световода. Тонкие прозрачные нити, изготовленные из стекла, кварца или пластмассы, могут быть использованы для направленной передачи (канализации) света. Если сердцевина такой нити имеет показатель преломления больше, чем показатель преломления внешней оболочки, происходит полное отражение лучей, распространяющихся под углами, достаточно малыми относительно оси нити (рис. 5). Такая нить называется световодом.

 

Комбинация двух световодов образует  фиброскоп — один световод используют для освещения объекта, а другой для передачи изображения этого объекта (рис. 6).

Рис. 6. Фиброскоп: 1 – источник света, 2 – внешний световод, который обеспечивает осветление объекта, 3 – внутрений световод, предназначеный для предачисветовой информации наблюдателю, 4 -объект, 5 – глаз наблюдателя.

 

Эндоскопический метод исследования занимает особое место при диагностике начальной стадии рака желудка , пищевода , толстой и прямой кишок , бронхов.

Современные эндоскопы - сложные оптико - механические приборы. Они оборудованы различными насадками , а также инструментами и кабелями для проведения биопсии , удаление инородных тел , электрокоагуляции , введения лекарственных средств и красителей , перенос лазерного излучения и т.д. .

В гибких волоконных эндоскопах оптическая система построена так же , как и линзовая , но для переноса , которое дает объектив , вместо линзовых круговых систем используют гибкий волоконный световод с регулярно заключенным волокнами (расположение волокон на одном торце должно точно соответствовать размещению волокон на другом торце) . Свет от источника передается волоконном световодов с нерегулярно расположенными волокнами. В таком волоконно - оптическом эндоскопе изображение получается растровым . Гибкие эндоскопы имеют управляемый рабочий конец , угол сгиба которого зависит от назначения аппарата .

Эндоскопическая система представляет собой комплекс инструментов и приборов, предназначенных для выполнения эндоскопической операции. Только отлаженное функционирование всех ее компонентов позволит хирургу выполнить намеченную операцию без особых технических трудностей.

Современная эндоскопическая хирургия предъявляет высокие требования к эндоскопов инструментария и эндоскопической аппаратуры, так как успех хирургических вмешательств во многом зависит от их совершенства. Поэтому хирург должен ориентироваться в широком выборе оборудования и инструментария и быть уверенным в надежности их работы.

Жосткие эндоскопы

Прежде чем перейти к описанию жестких эндоскопов, кратко напомним физические основы их строения. По техническим признакам различают следующие виды эндоскопов:
-Жесткие и гибкие;
- С линзовой и волоконной оптикой;
- С постоянным и переменным углами наблюдения, а также панорамные;
- С лампами накаливания и волоконными световодами;
- Приборы для диагностики и оперативных вмешательств.

В современной медицине  широко используются жесткие эндоскопы. Назначение эндоскопа определяют его длина, наружный диаметр, характер расположения объектива на дистальной части, диаметр и количество рабочих каналов. Одной из важнейших систем эндоскопа является оптическая. Весьма строгие требования предъявляют к размерам, величины полей зрения, качества изображения. Обычно увеличение оптической системы эндоскопа составляет от 11 до 22 оно зависит от расстояния между предметом изучения и проксимальным концом эндоскопа.

Принципиальная схема оптической системы жесткого эндоскопа состоит из трех частей:
• объектива
• системы передачи изображения (СДР);
• окуляра.

Системы передачи изображения  передает изображение на другой конец эндоскопа - к окуляру или к дополнительному объектива, на монитор, на видеотехнику, фотокамеру.

Линзовая система передачи изображения заключается в последовательном прохождении световых лучей , которые проникают сначала через защитное окно , затем , попадая на призму , отклоняются и достигают объектива , где образуется уменьшенное изображение . По системе линз , расположенных в оптической трубке , изображение передается без изменения увеличения на окуляр , который увеличивает изображение, рассматривается исследователем .
Для расширения функциональных возможностей эндоскопа и улучшения его оптико-механических характеристик в нем используются различные механизмы управления , основными из которых являются ( Рис.7 ) :

- Механизм ориентации, предназначен для управления направлением наблюдения за счет изгиба дистального конца эндоскопа с помощью рукояток управления. В зависимости от модели эндоскопа, осмотр может осуществляться в одной плоскости (вверх - вниз) или в двух плоскостях (вверх - вниз, вправо - влево);

- Окуляр эндоскопа, который имеет механизм диоптрийной регулировки;

- Механизм юстировки входного торца осветительного жгута эндоскопа по осі оптичної системи освітлювача, призначений для забезпечення максимальної освітленості досліджуваного об'єкта.

Рис.7. Оптико-механічна схема ендоскопа

Для обеспечения возможности изменения направления наблюдения в процессе исследования гибкие эндоскопы имеют управляемый дистальный конец, который может сгибаться от своего первоначального положения под некоторым углом (Рис.8). В некоторых моделях угол изгиба может превышать 200 °.

Рис.8 Положение дистального конца эндоскопа в процессе исследований: а) исходное положение дистального конца эндоскопа, б) дистальный конец эндоскопа изогнут вниз на 90 ° в) дистальный конец эндоскопа изогнут вверх на 180 °

Необходимо обеспечить плавную и легкую управляемость дистального конца эндоскопа ( Рис.9 ) , в котором объединяются: объектив 1 , регулярный жгут 2 для передачи изображения , линза осветительного канала 3 , осветительный жгут 4 , полимерная трубка 6 для подачи жидкости при очистке защитного стекла объектива эндоскопа через форсунку 5 или воздуха для раздувания исследуемой внутренней полости с целью расправления складок стенок полости , гибкие сочленения 9 , тонкие металлические тросы управления 10 , выполняющие роль тяг при изгибе дистального конца , помещенные в гибкие металлические оболочки 11 - Боуден ( спиральные пружины из проволоки , навитой вплотную ) . В операционных эндоскопах предусмотрен канал 7 для ввода хирургического инструмента по полимерной трубке 8 . Дистальный управляемый конец эндоскопа крепится к тубуса .

 

Рис.9. Дистальний кінець гнучкого ендоскопа

 

В своем развитии эндоскопия прошла через несколько стадий, характеризовавшихся совершенствованием оптических приборов и появлением новых методов диагностики и лечения. До определённого времени осмотр внутренних органов без хирургического вмешательства был невозможен. Врачам были доступны только такие неинвазивные методы исследования внутренних органов, как пальпация, перкуссия и аускультация.

Первые попытки применения эндоскопии были предприняты уже в конце XVIII века, но это были опасные и неосуществимые попытки. Только в 1806 году Филипп Боззини (Ph.Bozzini), считающийся в настоящее время изобретателем эндоскопа, сконструировал аппарат для исследования прямой кишки и полости матки. Аппарат представлял собой жесткую трубку с системой линз и зеркал, а источником света была свеча. Этот прибор, к сожалению, ни разу не был использован для исследований на людях, поскольку автор был наказан медицинским факультетом Вены «за любопытство».

В последующем, свечу в эндоскопах сменила спиртовая лампа, а вместо жёсткой трубки вводился гибкий проводник. Однако, главными осложнениями обследования оставались ожоги, от которых медики частично избавились только с изобретением миниатюрных электроламп, которые укреплялась на конце вводимого в полость аппарата. В закрытые полости, не имеющие естественной связи с внешней средой, аппарат вводился через создаваемое отверстие (прокол в стенке живота или грудной клетки)^[1]. Тем не менее, до появления волоконно-оптических систем эндоскопическая диагностика не получила широкого применения.

Возможности эндоскопии существенно расширились со 2-й половины XX века с появлением стеклянных волоконных световодов и на их основе — приборов волоконной оптики. Осмотру стали доступны почти все органы, увеличилась освещённость исследуемых органов, появились условия для фотографирования и киносъёмки (эндофотография и эндокинематография), появилась возможность записи на видеомагнитофон чёрно-белого или цветного изображения (используются модификации стандартных фото- и кинокамер).

Документирование результатов эндоскопического исследования помогает объективно изучать динамику патологических процессов, происходящих в каком-либо органе.

 

Виды эндоскопичных диагностических и лечебных процедур:

¾         Гастроскопия – осмотр желудка, операции на поверхності желудкака.

¾         Гистероскопия – осмотр и хирургическое лечение цервикального канала и полости матки.

¾         Бронхоскопия – осмотр бронхов, операции на бронхах.

¾         Колоноскопия (фиброколоноскопия) – осмотр всей толстой кишки (до баугиниевой заслонки).

¾         Лапароскопия – осмотр и операция органов брюшной полости.

¾         Ректоскоп с волоконным световодом предназначен для диагностики заболеваний прямой и нижнего отдела сигмовидной кишок и для работы с электрохирургическим инструментом. Применяется в хирургических , терапевтических , инфекционных отделениях больниц а также в эндоскопических кабинетах поликлиники . Набор стволов диаметром 10, 15 , 20 мм, а также проктоскопа и анаскопа позволяет провести точную диагностику при подозрении на колит , болезнь Крона , проктит , геморрой , новообразования толстой кишки. С помощью операционного инструмента и насадки возможно проведение хирургических вмешательств по взятию биопсии , удалению полипов , инородных тел .

¾         Цистоскопия – осмотр мочевого пузыря.

¾         Кольпоскопия — диагностический осмотр входа во влагалище и влагалищных стенок при помощи кольпоскопа — специального прибора, представляющего собой бинокуляр и осветительный прибор.

Виды кольпоскопии

·             Простая — без использования медикаментозных средств не имеет особого клинического значения.

·             Расширенная — применение различных специальных тестов для осмотра слизистой шейки матки:

o      3 % уксусная кислота — сужает неизменённые сосуды, проба используется обязательно, имеет наибольшее клиническое значение;

o      проба Шиллера — проба с раствором Люголя (йод выявляет гликоген в эпителии);

o      проба Хробака (с зондом выявляются запущенные случаи рака);

o      пробы с красителями (толуидиновый синий, генцианвиолет) — не используются;

o      трихлортетразоль — выявление ЛДГ как маркера рака;

o      адреналиновая проба — сосудистая.

Основные задачи

·             выявление очага поражения;

·             анализ общего состояния слизистой шейки матки и влагалища;

·             дифференцировать доброкачественные новообразования от злокачественных;

·             взятие мазка и биопсии для дальнейшей диагностики.

При кольпоскопии оцениваются внешний вид (цвет тканей, сосудистого рисунка; нарушения эпителия; наличие и форма желез; границы выявленных образований).

Кольпоскопические картины

Кольпоскоп

 

Эндоскопические аппараты с волоконной оптикой позволяют тщательно осмотреть слизистую оболочку внутренних органов, провести цитологические исследования, а при необходимости - взять фрагмент ткани для ее гистологического исследования.

С помощью эндоскопов можно осмотреть не только полостные органы, но и грудную (плевральную) полость, брюшную, полости суставов и т.д.

Оптоволоконный (Fiber-Optical, FO) кабель является наиболее перспективной средой передачи информации , которое обеспечивает высокую скорость передачи информации на значительные расстояния. В качестве среды в оптоволоконном кабеле используют оптоволокно ( световод ) , который представляет собой тонкую стеклянную или пластмассовую нить толщиной 8,3-100 мк .

Световод покрыт стеклянной оболочкой , которая отражает свет и направляет его вдоль световода . Между оболочкой и внешней пластиковой оболочкой может находиться жидкий гель или усиливающие жили. Внутренняя стеклянная оболочка обеспечивает необходимую жесткость и устойчивость к разрывам , перегрева и переохлаждения. Гель и усилительные жили обеспечивают дополнительную защиту от механического воздействия окружающей среды . Кабель может содержать одно светопроводных волокно , но обычно их несколько. Оптоволоконные кабели различают по диаметру световода и способом передачи сигнала. Прозрачность оптоволокна на несколько порядков выше, чем обычного стекла, что позволяет передавать световой сигнал на десятки километров без существенного снижения уровня сигнала.

Наряду с высокой скоростью передачи, оптоволоконный кабель достаточно гибкий, и значительно тоньше и легче обычного кабеля. Не создавая электромагнитного поля, он также застрахован от бесконтактного несанкционированного съема информации, гарантирует ее полную конфиденциальность. Он не требует соблюдения правил электробезопасности. Эти кабели характеризуются малыми габаритами и весом и передают сигналы со скоростью до десятков Гбит / с на расстоянии до 100 км.

 

 

Видеоинформационная эндоскопическая система Olympys V-70.

Высококачественное изображение с реальной цветопередачей обеспечивает высокую достоверность исследования . В Olympys V -70 используется ПЗС - матрица с высоким разрешением , а также специальный алгоритм для обработки оцифрованного видеосигнала. Это позволяет наблюдать эндоскопическую картину с мелкими структурными деталями. Изображение имеет оптимальную яркость и равномерную освещенность по всему полю зрения. Таким образом , специалист имеет возможность рассмотреть и дифференцировать все видимые поверхностные структуры и патологические изменения ткани .

Эндоскопическая аппаратура - это совокупность оптических , механических , электронных и светотехнических систем , объединенных в единый медицинский прибор . Блок - схема эндоскопа ( Рис.10 ) в общем случае включает в себя следующие элементы : источник света 1 , конденсор 2 , волоконный световод 3 , переходное устройство 4 , светопроводных система 5 , включающая систему формирования пучка подсветки 6 , объектив эндоскопа 7 , систему передачи изображения 8 , окуляр 9 , фотографический объектив 10 фотопленку 11 телевизионный объектив 12 телевизионную камеру 13 , монитор 14 . При этом позицией 16 отмечена исследуемая биологическая ткань , а 15 - глаз наблюдателя . Элементы 1 - 6 образуют осветительное устройство , а 7 - 14 - систему наблюдения эндоскопа.

 

Рис.10. Блок-схема оптической системы эндоскопа.

 

В конкретной конструкции эндоскопа отдельные блоки могут отсутствовать, причем существуют различные варианты исполнения элементов схемы.

 

Тонкие линзы

Оптическая линза - прозрачное тело, ограниченное двумя заломлючимы поверхностями , одна из которых может быть плоской.

 

Рис.11. Тонкі лінзи

 

Зависимости от расположения центров сферических поверхностей и их радиуса различают следующие типы линз ( рис.9) : двояковыпуклой линзы , плоско - выпуклая линза , сборный мениск , двояковогнутого линза , плоско - вогнутая линза , рассеивающий мениск .В зависимости от того , сходятся ли расходятся параллельные пучки лучей после прохождения линзы , линзы разделяют на уборочные ( рис.10) и рассеивающие ( рис.10б ) .

Если толщина линзы значительная и меньше радиуса ее кривизны , то такую линзу называют тонкой. Если параллельный пучок лучей , падающих на поверхность линзы , линза собирает в одной точке ( фокусе) , то ее называют уборочной ( рис.11 )

Рис.12 . Ход лучей через собирающую линзу .

Если параллельный пучок лучей , падающий на линзу , линза рассеивает , то ее называют рассеивающей ( рис.12).

Рис.13 . Ход лучей через рассеивающую линзу .

После прохождения такой линзы параллельные лучи равномерно расходятся так, что их продолжения пересекаются в воображаемой точке - фокусе . В уборочной линзе фокус действительным , а в рассеивающей - мнимым.Центр линзы называют оптическим центром. Прямая линия, проходящая через оба фокусы линзы и ее центр . перпендикулярно плоскости линзы , называют главной оптической осью , а любая другая прямая, проходящая через центр линзы - побочным осью. Две плоскости , параллельные главной плоскости с обеих сторон линзы , которые проходят через фокусы , называют локальными плоскостями . Точки пересечения побочных осей с ними называют побочными фокусами . В этих точках совпадают параллельные лучи ( для рассеивающих линз - их продолжение после прохождения линзы ) , образующих параллелен данной побочной оси пучок лучей.Расстояние от фокуса до оптического центра называют фокусным расстоянием линзы ( F).Фокусное расстояние собирающей линзы является положительной , а рассеивающей - отрицательной. Величину , обратную к фокусному расстоянию , называют оптической силой линзы D.

, [D] = 1/м = 1 дптр.

(3)

Оптическая сила линзы равна одной диоптрии, если ее фокусное расстояние равно одному метру.Если d - расстояние от предмета до линзы (см. рис.12, 13), то f - расстояние от линзы до изображения на экране, F - фокусное расстояние, то размещение предмета и его изображения можно определить по формуле тонкой линзы:

(4)

Пользуясь формулой следует учитывать правило знаков:

1) если линза рассеивающая, то величину F берут со знаком "-".

2) если линза дает мнимое изображение, то и f также берут с "-".

3) если предмет мнимый, то и d принимают со знаком "-".

Если оптическая система состоит из двух центрированных линз (D1, D2), размещенных близко друг к другу, то справедлива следующая формула:

Dсистеми = D1 +  D2 – dD1 D2,

(6)

где D1, D2 ¾ оптическая сила соответственно первой и второй линз d ¾ расстояния между оптическими центрами тонких линз. Для двух близких линз последнее приложением можно пренебречь.

С учетом сказанного для глаза с дефектами зрения можно записать такие две зависимости:

а) Для нормального

,

где - расстояние наилучшего зрения, - оптическая сила глаза.

б) Для вооруженного глаза

 

,

где - расстояние наилучшего зрения глаза, - оптическая сила окуляра, - расстояние от оптического центра глаза к сетчатке (меняется мало).

Определим оптическую силу окуляра:

.

Если линзы расположены в разных точках пространства, то сначала строят изображение первой линзы. Это изображение служит предметом для второй линзы и так далее. Повторяя этот процесс необходимое количество раз, находят нужное изображение для всей оптической системы.Оптическая сила линзы характеризует ее преломляющую способность. Оптическую силу линзы можно рассчитать по формуле:

 

,           (1)

где n1, n2-абсолютные показатели преломления материала, из которого изготовлена ​​линза и среды, в которой находится она; R1, R2-радиусы сферических поверхностей линзы. При этом радиус выпуклой поверхности считается положительным, радиус вогнутой - отрицательным.Система линз, центры сферических поверхностей которых лежат на главной оптической оси называется центрированной. Оптическая сила системы линз, которые соприкасаются между собой, равна алгебраической сумме оптических сил линз, составляющих систему

,                 (2)

,                  (3)

где F1, F2-фокусные расстояния линз, составляющих систему, Fc-фокусное расстояние системы линз, Dc-их оптическая сила.

Для характеристики изображения, образованного линзой, нужно знать ее линейное увеличение K:

,                        (5)

где H - линейный размер изображения , h - линейный размер предмета.Размер светового потока , прошедшего через линзу , будет пропорциональна площади линзы , т.е. квадрату диаметра линзы D2 . Освещенность экрана , на котором образуется изображение , будет тем больше , чем ближе экран линзы , т.е. обратно пропорциональна f 2 . При достаточной удаленности предмета от линзы можно приближенно считать , что изображение будет находиться в фокальной плоскости , т.е. Таким образом , освещенность изображения полученного с помощью линзы , будет пропорциональна величине, называется светосилой линзы.В построении изображений участвует огромное количество лучей , ход многих из которых предсказать очень трудно , но в этом и нет необходимости. Для того , чтобы определить, каким будет изображение , достаточно знать ход двух лучей .Изображение в линзах бывают прямыми и перевернутыми , действительными и мнимыми , увеличенными и уменьшенными .Положение и изображение предмета созданного линзой можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей , ход которых известен. Это лучи , проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы , а также лучи , параллельные главной или одной из побочных оптических осей . Примеры таких построений представлены на рис.12 и рис.13 .

Стоит обратить внимание на то , что некоторые из стандартных лучей , использованных на рис.12 и рис.13 для построения изображений , не проходят через линзу . Эти лучи реально не участвуют в образовании изображения , но они могут быть использованы для построений.

 

Глаз как оптический инструмент

Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему . Схематическое строение глаза представлена ​​на рис.14 . Глаз имеет почти шарообразную форму и диаметр около 2,5 см. Снаружи оно покрыто защитной оболочкой 1 белого цвета - склерой . Передняя прозрачная часть 2 склеры называется роговицей . На некотором расстоянии от нее расположена радужная оболочка окрашенная пигментом .Отверстие в радужной оболочке представляет собой зрачок . В зависимости от интенсивности падающего света зрачок рефлекторно изменяет свой ​​диаметр примерно от 2 до 8 мм, т.е. действует подобно диафрагме фотоаппарата. Между роговицей и радужной оболочкой находится прозрачная жидкость . По зрачком находится хрусталик 4 - эластичное линзовидные тело. Особый мышца 5 может изменять в некоторых пределах форму хрусталика , изменяя тем самым его оптическую силу . Другая часть глаза заполнена стекловидным телом . Задняя часть глаза - глазное дно , оно покрыто сетчатой оболочкой 6 , представляющий собой сложное разветвление зрительного нерва 7 с нервными окончаниями - палочками и колбочками , которые являются светочувствительными элементами

.

Рис.16. Строение глаза.

Лучи света от предмета , преломляясь на границе воздух- роговица , проходят через хрусталик ( линзу с оптической силой, меняется) и создают изображение на сетчатке. Роговица , прозрачная жидкость , хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую систему , оптический центр которой расположен на расстоянии около 5 мм от роговицы. При расслабленном глазном мышце оптическая сила глаза приблизительно равен 59 дптр , при максимальном напряжении мышцы - 70 дптр. Основная особенность глаза как оптического инструмента состоит в способности рефлекторно изменять оптическую силу глазной оптики в зависимости от положения предмета.. Такое приспособление глаза к изменению положения наблюдаемого предмета называется аккомодацией.

 

Область аккомодации глаза можно определить положением двух точек:

 

1)дальняя точка аккомодации определяется положением предмета , изображение которого получается на сетчатке при расслабленном глазном мышце . У нормального глаза дальняя точка аккомодации находится в бесконечности.

 

2)ближняя точка аккомодации - расстояние от рассматриваемого предмета до глаза при максимальном напряжении глазной мышцы . Ближняя точка нормального глаза располагается на расстоянии 10-20 см от глаза. С возрастом это расстояние увеличивается.Кроме этих двух точек, определяющих границы области аккомодации , в глаза существует расстояние наилучшего зрения , то есть расстояние от предмета к глазу , при котором удобнее всего (без чрезмерного напряжения ) рассматривать детали предмета ( например , читать мелкий текст ) . Это расстояние у нормального глаза условно полагают равным 25 см.

Рис.17.

При нарушении зрения изображения удаленных предметов в случае ненапряженного глаза могут оказаться либо перед сетчаткой ( близорукость) , или за сетчаткой ( дальнозоркость) ( рис.17 ) . Изображение удаленного предмета в глазу ( рис.17 ) : a - нормальный глаз ; b - близорукий глаз ; с – дальнозоркий глаз. Расстояние наилучшего зрения в близорукого глаза меньше , а в дальнозоркого больше, чем у нормального глаза. Для исправления дефекта зрения служат очки . Для дальнозоркого глаза необходимы очки с положительной оптической силой ( собирающие линзы ) , для близорукого - с отрицательной оптической силой ( рассеивающие линзы ) ( Рис.18)

 

В 1890 г. шведский исследователь А. Гульстранд показал , что астигматизм устраняется с помощью цилиндрических линз. Ему, по работе с диоптрики глаза , в 1911 была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине .Может случиться так , что в сетчатке глаза ослабляется или вовсе выпадает восприятие одного из основных цветов , тогда у человека нарушается восприятие цветов. Этот недостаток зрения называется дальтонизмом , дальтоников не допускают к вождению транспорта.

Свет, попало в глаз , фокусируется с хрусталиком на слое светочувствительных клеток сетчатки - палочек и колбочек . Палочки , их около 125-130 млн. , находятся на всей поверхности сетчатки и ерецепторамы черно - белого зрения , а колбочки , число которых достигает 6-7 млн. , в основном сосредоточены в центральной части сетчатки , в области центральной ямки , и реагируют на окраску предметов .Чувствительность палочек , длина и диаметр которых соответственно равны 2 и 60 нм , значительно выше , чем в колбочек , имеющих длину и диаметр соответственно 2 и 10 нм . Палочки реагируют на свет при освещенности, а колбочки только при . Поэтому в сумерках окружающий мир воспринимается черно - белым.Считают , что для того чтобы вспышка точечного красного источника света был воспринятым глазом молекулы сетчатки должны поглощать от 5 до 10 фотонов света .Палочки и колбочки содержат светочувствительные пигменты родопсин и родопсин , в которых при поглощении света возникают и развиваются фотохимические реакции , которые обусловливают дальнейшую передачу информации в мозг.Зрительный пигмент палочек родопсин ( рис. 19 ) вмонтирован во внешние сегменты палочек , содержащих стопку плавающих в цитоплазме органелл - светочувствительных дисков , и состоит из белка Оксин и хромофорные группы ретиналя ( С19Н27СНО ) .

 

Рис. 19. Светочувствительные клетки..

Каждый диск толщиной 20 нм состоит из бишарових липидных мембран с интегральными белками. Свет с различной длиной волны ослабляется неодинаково при прохождении через стопку дисков каждой палочки и колбочки.С видимого спектра электромагнитных волн (380-760 нм) глаз чутко к зеленого света  ().

Рис . 20 . Кривые чувствительности глаза к свету.

 На рисунке 20 показаны кривые чувствительности глаза к дневному А и сумеречного В света .Аберрации оптических систем - искажения, погрешности изображения, вызванные несовершенством оптических системы .

Сферическая аберрация

Сферическая аберрация возникает в широких пучках световых лучей вследствие того , что лучи в линзе на разном расстоянии от оптической оси преломляются по-разному. Чем дальше от оптической оси они падают на линзу , тем больше преломляются . Вследствие сферической аберрации светящаяся точка изображается на экране , перпендикулярном оптической оси , в виде светового кружочка . Для устранения сферической аберрации используют диафрагму , что выделяет пучок лучей , близких к параксиального , или компонуют систему уборочных и рассеивающих линз , аберрации в которых противоположна по знаку .

Рис . 21 . Сферическая аберрация .

Лучи , проходящие через линзу у оптической оси (ближе к центру) , фокусируются в области В , дальше от линзы. Лучи света, проходящего через крайние зоны линзы , фокусируются в области А , ближе к линзе ( Рис.21 ) . Таким образом, получается , что края линзы имеют более короткие фокусные расстояния , чем центр .Пример (вот это размытие которое видно при увеличении картинки до 100 % размера и является сферической аберрацией ) :

Хроматическая аберрация

Хроматические аберрации - явление, обусловленное дисперсией света. Лучи разной длины волны ( разного цвета ) преломляются под разными углами (Рис.22 ), и изображение точки будет выглядеть радужного кружочка.

Лучи , проходящие через линзу у оптической оси (ближе к центру), фокусируются в области В , дальше от линзы. Лучи света, проходящего через крайние зоны линзы, фокусируются в области А , ближе к линзе ( Рис.21 ). Таким образом, получается , что края линзы имеют более короткие фокусные расстояния , чем центр .Пример (вот это размытие которое видно при увеличении картинки до 100 % размера и является сферической аберрацией ).

 

Хроматическая аберрация

Хроматические аберрации - явление, обусловленное дисперсией света . Лучи разной длины волны ( разного цвета ) преломляются под разными углами ( Рис.22 ), и изображение точки будет выглядеть радужного кружочка.

 

Рис. 22. Хроматична аберація.

Хроматические аберрации приводят к снижению четкости изображения и образования цветной "бахромы", особенно на контрастных объектах.

 

Коматическая аберрация ( кома)

Кома или коматична аберрация - это явление , видимое на периферии изображения , которое создает объектив , скорректированный на сферическую аберрацию , и вызывает сведение световых лучей, попадающих на край объектива под определенным углом , в виде кометы , а не в форме желаемой точки. Отсюда и ее название. Форма кометы ориентирована радиально , причем ее хвост направлен к центру, либо от центра изображения. Вызванная этим размытость по краям изображения называется коматичним засветкой . Кома увеличивается по мере увеличения угла главного луча и ведет к снижению контрастности на краях изображения . Кома также может привести к засветки размытых участков изображения .

Рис. 23. Коматична аберрация

 

Астигматизм

Если пучок лучей светящейся точки , который падает на оптическую систему , образует угол с оптической осью , то он теряет гомо центричность , то есть не фокусируется в одной точке. Плоскости , проходящие через ось системы , называются меридиональном. Пусть центральный луч меридианального пучка находится в меридиональном плоскости . Тогда из того пучка условно можно выделить плоскую полоску лучей , лежащих в меридиональном плоскости и называются меридиональном , в отличие от сагиттальных , которые образует плоская полоска лучей, находящихся в перпендикулярной плоскости . Такой пучок после преломления в системе фокусируется в виде двух взаимно перпендикулярных отрезков , лежащих на разных расстояниях от системы . Посередине между ними изображение имеет форму круга , а в промежуточных плоскостях - форму эллипсов ( Рис.28 ) . Астигматизм глаза устраняется цилиндрическими очками , контактными линзами .

 

Рис. 24. Астигматизм.

 

Искривление плоскости изображения

Рассмотрим еще одну особенность , которая обусловлена наклоненными пучками лучей. При определенном положении экрана , резкость изображения радиусов вдоль своей длины может отличаться . Перемещая экран , мы можем улучшить изображение одних участков , ухудшая изображения других . Этот опыт показывает , что изображение представляет собой не плоскость перпендикулярную оптической оси, а изогнутую поверхность , причем степень изгиба для меридиальных и сагиттальных пучков будет разным.При таком виде аберраций плоскость изображения становится изогнутой , таким образом если центр изображения в фокусе , то края изображения не в фокусе и наоборот , если края в фокусе , то центр не в фокусе .

Рис.25. Искривление плоскости изображения

 

Искажение (искривление) изображения

Когда лучи падают на систему под значительным углом к ​​оптической оси, то изображение, которое создают даже узкие пучки, будет искаженным. Искаженное картинке прямолинейного отрезка существенно проявляется тогда, когда перед линзой ставят диафрагмы.

Рис.26. Искажение изображения

Пример подушковидные и бочкообразному дисторсии:

Рис.27. Подушковидные и бочкообразному дисторсия.

 

 

Микроскоп

Микроскоп (от микро... и греч. skopeo — смотрю), оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм) минимальное разрешение составляет примерно 0,08 мм (а у многих людей — около 0,20 мм).

Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены М. различных типов. С помощью М. определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. М. даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм.

Современный световой биологический микроскоп - сложный оптический прибор, предназначенный для обнаружения, наблюдения и исследования мельчайших (до 0,2 мкм) биологических объектов и их структур.

 

Типы и виды микроскопов

1.  По областям применения: технические, биологические, хирургические.

2.  По классу сложности: учебные и рабочие, лабораторные, исследовательские.

3.  По виду микроскопии: проходящего и отраженного света, поляризационные, люминесцентные (флуоресцентные), фазового контраста.

Наиболее сложный флуоресцентный - конфокальный микроскоп

4.  По направленности светового потока прямые и инвертированные

 

Основные узлы микроскопа.

В микроскопе различают механическую и оптическую части.

Механическая часть представлена штативом (состоящим из основания и тубусодержателя) и укрепленным на нем тубусом с револьвером для крепления и смены объективов. К механической части относятся также: предметный столик для препарата, приспособления для крепления конденсора и светофильтров, встроенные в штатив механизмы для грубого (макромеханизм, макровинт) и тонкого (микромеханизм, микровинт) перемещения предметного столика или тубусодержателя.

К механической части относится штатив, состоящий из основания и тубусодержателя

Основание служит опорой микроскопа и несет всю конструкцию штатива. В основании микроскопа находится также гнездо для зеркала или встроенный осветитель. Тубусодержатель служит для крепления тубуса микроскопа;

Тубус микроскопа - узел, служащий для установки объективов и окуляров на определенном расстоянии друг от друга. Он представляет собой трубку, в верхней части которой находится окуляр или окуляры, а в нижней - устройство для крепления и смены объективов. Обычно это револьвер с несколькими гнездами для быстрой смены объективов различного увеличения. В каждом гнезде револьвера объектив закреплен таким образом, что он всегда остается центрированным по отношению к оптической оси микроскопа. В настоящее время конструкция тубуса существенно отличается от прежних микроскопов тем, что части тубуса несущие окуляры и револьвер с объективами, конструктивно не связаны. Роль средней части тубуса может выполнять штатив. Механическая длина тубуса биологических микроскопов обычно составляет 160мм. В тубусе между объективом и окуляром могут располагаться призмы, изменяющие направление хода лучей и промежуточные линзы, изменяющие окулярное увеличение и оптическую длину тубуса.

Существуют различные взаимозаменяемые конструкции участка тубуса, несущего окуляры (прямой и наклонный) и различающиеся по количеству окуляров (окулярные насадки):

·            монокулярные - с одним окуляром, для наблюдения одним: глазом;

·             бинокулярные - с двумя окулярами, для одновременного наблюдения двумя глазами, которые могут различаться по конструкции в зависимости от модели микроскопа;

·            тринокулярные - с двумя окулярами и проекционным выходом, позволяющие одновременно с визуальным наблюдением двумя глазами, проецировать изображение препарата соответствующей оптикой на фото- или кинопленку, мишень телевизионной камеры или другой приемник изображения.

Помимо тубу содержателя с тубусом к механической части микроскопа относятся:

- кронштейн для крепления предметного столика;

- предметный столик, служащий для размещения препаратов и горизонтального перемещения в двух перпендикулярных направлениях относительно оси микроскопа. Конструкция некоторых столиков позволяет вращать препарат. Вертикальное перемещение предметного столика осуществляется макро- и микромеханизмом.

- приспособления для крепления и вертикального перемещения конденсора и его центрировки, а также для помещения светофильтров.

В большинстве современных микроскопов фокусировка осуществляется путем вертикального перемещения предметного столика с помощью макро- и микромеханизма при неподвижном тубусодержателе. Это позволяет установить на тубусодержатель различные насадки (микрофото и т.п.). В некоторых конструкциях микроскопов, предназначенных для работы с микроманипулятором, фокусировка осуществляется вертикальным перемещением тубусодержателя при неподвижном предметном столике.

Оптическая часть представлена объективами, окулярами и осветительной системой, которая в свою очередь состоит из расположенных под предметным столиком конденсора Аббе и встроенного осветителя с низковольтной лампой накаливания и трансформатором. Объективы ввинчиваются в револьвер, а соответствующий окуляр, через который наблюдают изображение, устанавливают с противоположной стороны тубуса.

Тип применяемого конденсора зависит от выбора метода наблюдения. Светлопольные конденсоры и конденсоры для наблюдения по методу фазового или интерференционного контраста представляют собой сильно отличающиеся одна от другой двух- или трёхлинзовые системы. У светлопольных конденсоров числовая апертура может достигать 1,4; в их состав входит апертурная ирисовая диафрагма, которая иногда может смещаться в сторону для получения косого освещения препарата. Фазово-контрастные конденсоры снабжены кольцевыми диафрагмами. Сложными системами из линз и зеркал являются темнопольные конденсоры. Отдельную группу составляют эпиконденсоры — необходимые при наблюдении по методу тёмного поля в отражённом свете системы кольцеобразных линз и зеркал, устанавливаемых вокруг объектива. В УФ микроскопии применяются специальные зеркально-линзовые и линзовые конденсоры, прозрачные для ультрафиолетовых лучей.

Объективы микроскопов отличает расположение в непосредственной близости от объекта. Их фокусные расстояния невелики — от 30—40 мм до 2 мм.

К основным оптическим характеристикам О. микроскопов относятся: числовая апертура А, равная n₁sinu₁, где n₁ — преломления показатель среды, в которой находится объект, u₁ -половина угла раствора светового пучка, попадающего в О. из точки объекта, лежащей на оптической оси О.; линейное увеличение b; линейные размеры 2/ поля зрения, резко изображаемого О.; расстояние от плоскости объекта до плоскости изображения.

Величина А определяет как освещённость изображения, прямо пропорциональную А², так и линейный предел разрешения микроскопа, т. е. наименьшее различаемое расстояние на объекте, равное для самосветящихся объектов (в предположении, что аберрации отсутствуют). Если объект находится в воздухе (п = 1, «сухой» О.), то А не может превышать 1 (фактически не более 0,9). Помещая объект в сильно преломляющую (п > 1) жидкость, т. н. иммерсию, примыкающую к поверхности первой линзы О., добиваются того, что А достигает 1,4—1,6 (см. Иммерсионная система). (3 современных микроскопов доходит до 90—100 х; полное увеличение микроскопа Г = Г ', где Г ' — угловое увеличение окуляра. Линейное поле 2/ связано с диаметром D диафрагмы поля зрения окуляра соотношением 2/ = D/. По мере увеличения А и  растет сложность конструкции О., поскольку требования к качеству изображения очень велики -разрешающая способность О. практически не должна отличаться от приведённой выше для идеального (безаберрационного) О. Этому условию удовлетворяют конструкции наиболее совершенных О. микроскопов —т. н. планахроматов и планапохроматов. На  рис. 2 приведена схема одного из лучших планапохроматов советского производства.

Объективы в большинстве современных М. сменные и выбираются в зависимости от конкретных условий наблюдения. Часто несколько объективов закрепляются в одной вращающейся (т. н. револьверной) головке; смена объектива в этом случае осуществляется простым поворотом головки.

 

По степени исправления хроматической аберрации различают микрообъективы ахроматы и апохроматы. Первые наиболее просты по устройству; хроматическая аберрация в них исправлена только для двух длин волн, и изображение при освещении объекта белым светом остаётся слегка окрашенным. В апохроматах эта аберрация исправлена для трёх длин волн, и они дают бесцветные изображения. Плоскость изображения у ахроматов и апохроматов несколько искривлена (см. Кривизна поля). Аккомодация глаза и возможность просмотра всего поля зрения с помощью перефокусировки М. отчасти компенсируют этот недостаток при визуальном наблюдении, однако он сильно сказывается при микрофотографировании -крайние участки изображения получаются нерезкими. Поэтому широко используют микрообъективы с дополнительным исправлением кривизны поля - - планахроматы и планапохроматы. В сочетании с обычными объективами применяют специальные проекционные системы — гомали, вставляемые вместо окуляров и исправляющие кривизну поверхности изображения (для визуального наблюдения они непригодны).

 

Микроскоп служит для значительного увеличения малых объектов. Его оптическая система (рис.19) состоит в напростишому случае с короткофокусный собирающей линзы (объектива) О1 с фокусным расстоянием Fоб и длиннофокусной собирающей линзы (окуляра) О2 с фокусным расстоянием Fок. Оптические оси окуляра и об ¢ объектива совпадают. Назначение объектива - давать увеличенное действительное изображение объекта. Однако увеличение, которое дает объектив, недостаточно, поэтому рассматривается через окуляр, который дает мнимое изображение. Окуляр является лупой.

 

Рис.28. Оптическая система микроскопа.

 

Увеличение объектива Коб и окуляра К_ок определяются по формулам:

 , где L - оптическая длина тубуса - расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, D - расстояние наилучшего зрения - 25 см. Общее увеличение микроскопа К равна произведению увеличений объектива и окуляра:

 .

Практически увеличение оптического микроскопа не превышает 2500-3000 . Это обусловлено дифракционной явлениями .

В микроскопе различают три основные системы : механическую , осветительную и оптическую . Механическая система состоит из штатива , на котором крепится предметный столик , макрометричних и микрометрических винтов , которые предназначены для перемещения тубуса микроскопа . Осветительная система микроскопа состоит из плоско вогнутого зеркала , конденсора , который размещается между зеркалом и предметным столиком , и который предназначен для концентрации световых лучей при освещении объекта , диафрагмы находится в оправе конденсора , с помощью которой можно регулировать освещенность препарата . Для освещения препарата используют как солнечные лучи , так и искусственные источники света . Для наблюдения объектов в монохроматическом свете используют светофильтры .

Оптическая система микроскопа состоит из двух основных частей: объектива и окуляра . Как объектив , так и окуляр в современных микроскопах сложные , то есть состоят из нескольких линз (изготовленных из стекла с различным показателем преломления) , что позволяет избавиться аберраций . Ход лучей в микроскопе приведен на рис . 19.

 

Строение светового микроскопа

Рис.29.Световой микроскоп

Типичный микроскоп с одним окуляром и двумя сменными объективами на револьверной головке. Увеличение в пределах от 100 до 1000. 1 - штативная подставка, 2 - шарнир наклона 3 - тубусодержатель, 4 - ручка Микрометреним регулирования, 5 - ручка грубой регулировки, 6 - окуляр, 7 - держатель окуляра, 8 - тубус, 9 - револьверная головка, 10 - объективы , 11 - предметный столик, 12 - конденсор, 13 - нижний держатель, 14 - зеркало.

Объектив дает линейное увеличение, величина которого определяется соотношением:

где - оптическая длина тубуса микроскопа (это расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра) - фокусное расстояние объектива. Угловое увеличение окуляра равно , где - фокусное расстояние окуляра в см, а 25 см - расстояние наилучшего зрения для нормального глаза. Общее увеличение микроскопа K равно:

            (1)

Одним из методов исследования с помощью микроскопа является измерение размеров микрообъектов при помощи окулярной-винтового микрометра, который представляет собой специальную окулярную насадку к обычному микроскопа , которую насаживают на верхний конец тубуса вместо окуляра . Оптическая часть окуляра состоит из линзы - окуляра , неподвижно закрепленной стеклянной шкалы - окулярного микрометра , которая расположена по шкале подвижной стеклянной пластинки с нанесенным на ней косым Перекрестки и двумя вертикальными штрихами , параллельными делениям окулярного микрометра ( рис. 30). Стеклянная пластинка с нанесенным на ней Перекрестки может перемещаться при помощи микрометрического винта вдоль всей шкалы . Совмещая перехресток сначала с одним краем изображения исследуемого объекта , а затем со вторым , можно определить, какому числу делений шкалы окулярного микрометра соответствует изображение исследуемого объекта и , зная цену деления шкалы , можно определить размеры предмета . Под ценой деления K окулярного микрометра понимают длину интервала в мм , которое рассматривается в микроскоп и отвечающее одной делении окулярного микрометра. Перемещение пластинки с Перекрестки на оду деление соответствует одному полному обороту микрометрического винта. Барабан микрометрического винта разделен на 100 делений , то есть с помощью окулярного - винтового микрометра можно проводить измерения размеров предметов с точностью до 0,01 деления окулярной - винтового микрометра.Цену деления окулярного микрометра определяют с помощью объективного микрометра , который представляет собой шкалу, нанесенная на стеклянную пластинку с ценой деления 0,1 мм . Это выполняется следующим образом . Приводим перехресток окулярного микрометра на одну из делений объективного микрометра ( рис. 30а ) и отсчитываем показания по окулярном микрометров m1 ( например 125). Затем перемещаем перехресток на М делений объективного микрометра ( например 5 делений ) ( рис. 30б ) и проводим отсчет по окулярном микрометров m2 ( например 173 ) . Разница показаний m2 - m1 = 48 дает количество делений окулярного микрометра m , которое поместилось в М ( пять ) делений объективного микрометра. Пять делений объективного микрометра соответствуют 0,5 мм, тогда соответственно цена деления окулярного микрометра равна .

 

Рефрактометр

Рефрактометр - визуальный оптический прибор для измерения показателя преломления жидких и твердых сред . Его действие основано на измерении угла полного внутреннего отражения в случае непрозрачного исследуемой среды или предельного угла преломления на границе раздела прозрачных сред ( исследуемого и известного ) при распространении света из среды с меньшим показателем преломления η1 в среду с большим показателем - η2 .

Рис.31. Рефрактометр лабораторный универсальный ИРФ-454 Б2М.

 

Рефрактометр лабораторный ИРФ-454 Б2М предназначен для измерения показателя преломления n и средней дисперсии nF-n неагрессивных жидких и твердых сред, а также для непосредственного измерения процентного содержания сухих веществ в растворах по шкале сахарозы.

Рис.32 . Рефрактометр автоматический REKTO ORK - II .

 

Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы 1 (осветительная) и 2 (мерная) , изготовленные из одного и того же сорта стекла (рис.2). Призмы сталкиваются гипотенузнимы гранями , между которыми имеется промежуток толщиной 0,1 мм . Между призмами помещают каплю исследуемой жидкости , показатель преломления которой нужно определить .

Луч света от источника S направляется на боковую поверхность призмы 1 и , преломившись , попадает на грань AB . Поверхность AB матовая , поэтому света рассеивается и пройдя через исследуемую жидкость попадает на грань A1B1 измерительной призмы 2 под разными углами от 0 до 900. Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла , то лучи света входят в призму 2 , если падают под углом в пределах от 0 до b . Пространство в пределах этого угла будет освещенным , а вне его - темным . Таким образом , поле зрения , видимое в зрительной трубе разделено на две части: темную и светлую . Положение границы раздела света и тени определяется предельным углом преломления , который зависит от показателя преломления исследуемой жидкости .

В рефрактометре на осветительную призму 3 от источника белого света 1 через линзу 2 направляется световой луч, рассеиваясь , проходит через тонкий слой исследуемой жидкости и преломляется на поверхности измерительной призмы 4 ( рис. 33). Вследствие дисперсии предел света и тени оказывается окрашенной , поэтому после выхода из измерительной призмы на пути света устанавливается дисперсионный компенсатор 5 , составленный из трех призм с различными показателями преломления . Призмы подобраны таким образом , чтобы монохроматический луч с длиной волны 589,5 мкм не отставал после прохождения компенсатора . Лучи других длин волн отклоняются в различных направлениях. Перемещая компенсатор с помощью специальной ручки , добиваются того , чтобы граница света и тени стала резкой . Далее лучи света через объектив 6 и возвращающую призму 7 попадают в зрительную трубу. При наблюдении границы света и тени в окуляре одновременно видно шкалу 9 , на которой нанесены значения показателя преломления.

 

Рис.33 . Оптическая схема рефрактометра .

 

В общей фокальной плоскости объектива и окуляра зрительной трубы находится стеклянная пластина 8 на которую нанесено визирная линия ( три штриха вдоль одной прямой ) . Перемещая зрительную трубу добиваются совмещения визирной линии с границей света и тени и по шкале определяют показатель преломления исследуемой жидкости .

В рефрактометре , кроме шкалы показателя преломления ( правая шкала ) , есть еще шкала процентного содержания сахара в растворе ( левая шкала) , расположенная против соответствующих показателей преломления. Для измерения концентрации других веществ в растворе необходимо предварительно проградуировать рефрактометр , т.е. построить график зависимости показателя преломления от концентрации вещества.

На практике определяют относительный показатель преломления , т.е. отношение скорости распространения света в воздухе к скорости распространения в исследуемом веществе . Показатель преломления зависит от температуры и длины волны света , при которых проводят определение . В растворах показатель преломления зависит также от концентрации веществ и природы растворителя. Для измерения показателя преломления используют приборы - рефрактометры.

 

Рис . 34. Рефрактометр ИРФ - 22: 1 - окуляр , 2 - подзорная труба , 3 - гнездо для ключа , 4 - верхняя полушарие измерительной головки , 5 - термометр , 6 - осветительное зеркало , 7 - нижняя полушарие измерительной головки , 8 , 11 - маховички , 9 - окошко , 10 - зеркало для освещения шкала, 12 – пенал.

 

На плоскость измерительной призмы 7 ' с помощью пипетки или капилляра , не касаясь поверхности призмы наносят несколько капель исследуемого вещества и осторожно закрывают верхнюю полушарие 4 измерительной головки ( рис.35 ) . Осветительное зеркало 6 устанавливают так , чтобы свет от источника поступало в осветительной призмы и равномерно освещал поле зрения . Зеркало 10 для освещения шкалы устанавливают так , чтобы свет падал в окно 4 . Наблюдение ведут через подзорную трубу 2 , фокусируя окуляр 1 таким образом , чтобы шкала прибора ( рис. 35 ) была четко видна.

 

                    

Рис . 35. Измерительная головка рефрактометра ИРФ -22 в разрезе : 4 , 7 - полушария измерительной головки , 4 '- осветительная призма , 7 ' - измерительная призм.

После того как с помощью маховичка 8 достигнута максимально возможная резкость границе раздела светлого и темного полей , поворотом микроскопического винта тонкой регулировки ( маховичок 11 ) устанавливают границу точно в центре поля зрения на перекрестке волосков , как показано на рис . 35 , б . Границу раздела света ( рис. 35 , б) по горизонтали совмещают со шкалой отсчета ( рис. 35 , а ) . Показатель преломления измеряется с точностью до четвертого знака . Первые три цифры - это близкие, находящихся ниже горизонтального штриха (метки ) сетки ( см. рис . 53). Третий знак после запятой соответствует числу целых делений. Четвертый знак оценивают примерно . Результат измерения , полученный в этом случае (рис. 35 ) , составляет 1,4357 .После окончания измерения обе призмы протирают сухой ватой , затем ватным тампоном , смоченным толуола или эфиром . Эти растворители используют для удаления жидкостей , нерастворимых в воде. Растворимые в воде вещества удаляют тампоном , смоченным дистиллированной водой , затем протирают сухой и чистой гигроскопической ватой. Очистка призм надо выполнять очень аккуратно , чтобы не поцарапать их рабочую поверхность . Призмы в рефрактометра ИРФ -22 изготавливаются из мягкого свинцового стекла.

 

РАБОТА . Лабораторная работа № 20 Определение параметров линз ( Лабораторный практикум по физике Москаль Д.М. , Дидух В.Д. , Ладыка Р.Б. )

Линзы входят в состав различных оптических приборов , которые находят разностороннее применение в практической медицине , в том числе : микроскопы , эндоскопы, гастроскопы , бронхоскопы и др. . Разрешение и другие параметры этих приборов определяются параметрами линз , знание параметров линз , методики построения изображений в оптических системах необходимо и для изучения таких недостатков зрения как близорукость , дальнозоркость , астигматизм.

Цель работы:

Научиться экспериментально определять параметры тонких уборочных и рассеивающих линз

Приборы и материалы : оптическая скамья с осветителем и набором линз , ползунки для крепления предмета и линз , матовый экран , штангенциркуль .
теоретические сведения

Линзой называется оптически прозрачное тело ограничено двумя сферическими поверхностями . Одна из поверхностей может быть плоской , ее можно рассматривать как сферическую поверхность с бесконечным радиусом . Линзы бывают уборочные , или выпуклые , когда сферическая поверхность выпуклая (толщина таких линз увеличивается от краев к середине ) и рассеивающие , когда сферическая поверхность вогнута (толщина таких линз уменьшается от краев к середине ) . Если толщина линзы мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей , то линза называется тонкой.

В данной работе изучаются тонкие линзы.

Точка которая находится посередине линзы , называется оптическим центром линзы.   Прямая, проходящая через геометрические центры сферических поверхностей , называется главной оптической осью линзы , а всякая другая прямая, проходящая через оптический центр называется побочным оптической осью. Главным фокусом линзы называется точка , в которой пересекаются после преломления в линзе лучи, падающие на нее параллельным пучком в главной оптической оси. Расстояние от оптического центра до фокуса называется фокусным расстоянием ( F ) . Для собирающей линзы F > 0 , для рассеивающей F <0. Отрицательное значение F ( рассеивающая линза ) , означает , что фокус мнимый , то есть в фокусе собирается не загнуты лучи , а их продолжение.

Размер обратная фокусному расстоянию называется оптической силой линзы. Эта величина измеряется в диоптриях ( 1 дп = 1 м -1). Диоприя равна оптической силе линзы с фокусным расстоянием в один метр . Оптическая сила глаза около 63-65 дп . При максимальной аккомодации глаза радиус его передней поверхности , глаза уменьшается от 10 до 5,5 мм , задней с 6 до 5,5 мм . Оптическая сила глаза увеличивается при этом до 70 - 74дп .

Оптическая сила линзы характеризует ее преломляющую способность Оптическую силу линзы можно рассчитать по формуле :

,           (1)

где n1, n2-абсолютные показатели преломления материала, из которого изготовлена ​​линза и среды, в которой находится она; R1, R2-радиусы сферических поверхностей линзы. При этом радиус выпуклой поверхности считается положительным, радиус вогнутой - отрицательным.

Система линз, центры сферических поверхностей которых лежат на главной оптической оси называется центрированной. Оптическая сила системы линз, которые соприкасаются между собой, равна алгебраической сумме оптических сил линз, составляющих систему:

,                 (2)

            ,                     (3)

 

где F1, F2-фокусные расстояния линз, составляющих систему, Fc-фокусное расстояние системы линз, Dc-их оптическая сила.

Связь между расстояниями от оптического центра линзы до предмета d и к изображению f и ее фокусным расстоянием F выражается формулой линзы:

.                               (4)

Знак минус касается рассеивающей линзы.

Для характеристики изображения, образованного линзой, нужно знать и ее линейное увеличение K:

,                        (5)

где H - линейный размер изображения , h - линейный размер предмета .

Размер светового потока , прошедшего через линзу , будет пропорциональна площади линзы , т.е. квадрату диаметра линзы D2 . Освещенность экрана , на котором образуется изображение , будет тем больше , чем ближе экран линзы , т.е. обратно пропорциональна f 2 . При достаточной удаленности предмета от линзы можно приближенно считать , что изображение будет находиться в фокальной плоскости , т.е.

Таким образом , освещенность изображения полученного с помощью линзы , будет пропорциональна величине, называется светосилой линзы.

 

Методы определения фокусного расстояния тонкой собирательной линзы.

 

I.           I. Фокусное расстояние тонкой собирающей линзы можно определить по формуле линзы. Для этого достаточно получить с помощью линзы четкое изображение предмета на экране ( увеличено или уменьшено ) , измерить величины dif и найти F по формуле ( 4).

II . Если расстояние между предметом и экраном не менее четырех фокусных расстояний линзы, то перемещая между ними линзу можно получить увеличенное или уменьшенное изображение предмета на экране. Пусть расстояние между предметом и экраном будет фиксированной и равной L , положение и отвечать четком увеличенному изображению предмета , а II - четком уменьшенном его изображению ( рис.1 ) . Обозначим расстояние от предмета до оптического центра в первом положении через d1 , во втором через d2 , соответственно расстоянию до экрана от оптического центра линзы через f1 и f2 . Для этих двух положений можно записать соотношение :

,                       (6)

.                  (7)

 Из закона возвратности лучей следует, что: и. Учитывая это с (6) и (7) находим:

 і        (8)

подставляя эти значения в формулу (4) получаем:

                  (9)

        Таким образом, для определения фокусного расстояния линзы достаточно измерить расстояния L между предметом и экраном и двумя двумя положениями линзы, при которых на экране получается четкое изображение предмета.

 

Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.

 

        Определение фокусного расстояния для рассеивающей линзы затруднено тем , что она дает мнимое изображение и поэтому расстояние до изображения не может быть измерена . Это затруднение легко обойти с помощью собирающей линзы , фокусное расстояние которой известна . Эту линзу накладывают на рассеивающую ( Dзб собирающей линзы должно быть больше Dр рассеивающей линзы ) . В целом такая система линз ведет себя как уборочная линза . Фокусное расстояние такой системы можно определить одним из описанных выше способом.Виходячы с формулы ( 2 ) по известному значению фокусного расстояния Fзб собирающей линзы и измеренному значению фокусного расстояния F с системы линз определяют Fр рассеивающей линзы:

                      (10)

 

1. Порядок выполнения работы

 

А. Измерение фокусного расстояния собирающей линзы по способу І

2. Включить источник света с колпачком, на котором сделан вырез в виде некоторой фигуры. С помощью собирающей линзы получить четкое изображение фигуры на экране. Измерьте расстояния d и f.
3. Переместить экран в другое место и трижды повторить измерения указаны в п.1, результаты измерений занести в таблицу № 1.
                                                  Таблица № 1.

№ опыта	Вид изображения	f, см	d , см	F, см	DF, см	Д, дп
1
2
3
сер

 

2. Фокусное расстояние вычислить по формуле:. .

3. Вычислить оптическую силу линзы:..

4. Измерить диаметр отверстия D линзы и вычислить светосилу линзы:. .

Б. Измерение фокусного расстояния линзы по способу ІІ.

1. Установите осветитель и экран на расстоянии L, превышает 4F; найдите следующие положения линзы, при которых на экране образуется четкое изображение предмета, в первом случае увеличенное, во втором случае уменьшено. Измерьте расстояние l между двумя положениями линзы.

2. Измените расстояние между осветителем и экраном, и повторите трижды измерения указаны в п.1

Рассчитайте фокусное расстояние собирающей линзы по формуле (9). Данные измерений и вычислений занести в таблицу № 2

Таблица № 2.

№ Опыта	L, см	l, см	F, см	DF, см	Д, дп
1
2
3
Сер

 

Сравните результаты получены первым и вторым способами.

В. Измерение фокусного расстояния рассеивающей линзы.

1. Наложите на собирающую линзу, фокусное расстояние, которое вы измерили прежнему рассеивающую и получите на экране четкое изображение предмета.

2. Измерьте d и f и по формуле:, определите фокусное расстояние системы линз. Опыт провести трижды, результаты измерений занести в таблицу № 3.

2. По формуле  Найти значение фокусного расстояния рассеивающей линзы.

2. Опчислиты оптическую силу Д и светосилу Д0 рассеивающей линзы.

Таблица № 3.

№ опыта	Вид изображения	f, см	d , см	Fс, см	Fзб, см	Д, дп
1	увеличенное
2	уменьшенное
3
сер

 

 

Задания для самостоятельной работы

1 . Линзы и их основные параметры . Формула линзы.

2 . Оптическая сила линзы и системы линз . Единицы измерения .

3 . Построение изображений в рассеивающих и уборочных линзах .

4 . Методы определения фокусного расстояния рассеивающей и собирательной линз.

5 . Аберрации линз.

6 . Недостатки оптической системы глаза и методы их устранения .

7 . Просветление оптики.

8 . Дифракция света .

9 . Интерференция света .

 

Пример развязанной типовой задачи

Задача 1 . Для создания зрительного ощущения , на роговицу должно падать как минимум N = 80 квантов света длиной волны = 510 нм в секунду . Оцените минимальную интенсивность L света , воспринимаемого глазом , если диаметр зрачка: а ) d = 1 мм , б ) d = 5 мм . Сделайте вывод .

 

Дано:

N=80

= нм

d= м

Решение.

Интенсивность излучения равна энергии, проникающей через единицу площади поверхности за единицу времени:

.

Энергия N квантов света равна:

,где h – постоянная Планка; ν - частота; с - скорость света в вакууме, - длина волны.

Учитывая что, площадь поверхности:, находим:

Подставив соответствующие числовые значения, получим:

;

.

        Таким образом, при увеличении диаметра зрачка в указанных пределах, минимальная интенсивность излучения, которую воспринимает человеческий глаз, уменьшилась в 25 раз.

        Поэтому в темноте зрачки расширяются, а при светлом освещении - сужаются (последнее способствует увеличению четкости изображения).

 

Ответ:

, .