Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине

Из теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом, следовало: электромагнитные волны распространяются со скоростью света — 300 000 км/с, что эти волны поперечны, так же как и световые волны. Максвелл предположил, что свет — это электромагнитная волна. В дальнейшем это предсказание нашло экспериментальное подтверждение.

Как и электромагнитные волны, распространение света подчиняется тем же законам.

Закон отражения. Угол падения равен углу отражения (α=β). Падающий луч АО, отраженный луч ОВ и перпендикуляр ОС, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

Закон преломления. Луч падающий АО и преломленный ОВ лежат в одной плоскости с перпендикуляром CD, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред. Отношение синусов угла падения а и угла преломления у постоянно для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды по отношению к первой:.

Законы отражения света учитываются при построении изображения предмета в зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в зеркальном отражении в перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во многих других технических устройствах.Законы преломления света учитываются при построении изображения во всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и проекционные аппараты). Если световой луч следует из оптически менее плотной среды (например, из воздуха; n_возд. = 1) в оптически более плотную среду (например в стекло с показателем преломления n_ст. = 1,5), то на их границе произойдет частичное отражение и частичное преломление света.

Отсюда следует, что , то есть синус угла преломления g меньше, чем синус угла падения a, в 1,5 раза. А если sin g < sin a, то и g < a; то есть световой луч, преломляясь в этих обстоятельствах, как бы старается прижаться к нормали (см. схему на рис.3).

Если же световой луч пустить из оптически более плотного стекла в оптически менее плотный воздух, то угол преломления окажется, наоборот, больше угла падения, g > a. Для обсуждаемого обратного хода луча закон преломления:

следовательно, sin g = 1,5 sina; g > a

Эта ситуация иллюстрируется схемой А на рисунке

Если угол падения a увеличить до некоторого предельного значения a_пр, то угол преломления g > a достигает наибольшего значения g=90⁰. Преломленный луч скользит по границе раздела двух сред. При углах падения a >a_пр явление преломления не происходит, а вместо частичного отражения на границе раздела фаз происходит полное отражение света внутрь оптически более плотной среды, или полное внутреннее отражение. Это оптическое явление составляет основу целого физико-технического направления, которое называется волоконная оптика.

В медицине волоконная оптика нашла применение в эндоскопах - устройствах для осмотра внутренних полостей (например, желудка). Световод, представляющий собой жгут из большого числа тонких стеклянных волокон, помещенных в общую защитную оболочку, вводится в исследуемую полость. Часть волокон используется для организации освещения полости от источника света, расположенного вне тела пациента. Световод может использоваться и для передачи во внутреннюю полость лазерного излучения в лечебных целях.

Полное внутреннее отражение происходит и в некоторых структурах сетчатки глаза.

3. Оптическая система глаза. Недостатки зрения, методы их коррекции.

Оптическая система глаза обеспечивает получение на сетчатке глаза уменьшенного действительного обратного (перевернутого) изображения. Если светопреломляющую систему глаза рассматривать как одну линзу, то общая оптическая сила этой системы получается как алгебраическая сумма следующих четырёх слагаемых:

а) Роговица: D = +42,5 дптр

б) Передняя камера: D от +2 до +4 дптр

в) Хрусталик: D  const; от +19 до +33 дптр

г) Стекловидное тело;D от –5 до –6 дптр.

Благодаря тому, что оптическая сила хрусталика - величина переменная, суммарная оптическая сила глаза лежит в пределах от 49 до 73 дптр.

Редуцированный глаз, как единая линза, обращён одной стороной - к воздуху, (абсолютный показатель преломления nвозд = 1), а другой - соприкасается с жидкостью, nж=1,336. Так что левый и правый фокусные расстояния не одинаковы; если переднее фокусное расстояние в среднем F1 = 17 мм, то заднее - F2 = 23 мм. Оптический центр системы - в глубине глаза на расстоянии 7,5 мм от наружной поверхности роговицы.

Основной преломляющий элемент этой системы – роговица - имеет не сферическую, а более сложную форму преломляющих поверхностей, и это - хороший удар по сферической аберрации.

Хрусталик меняет свою оптическую силу при сокращении или расслаблении цириальных мышц; этим достигается аккомодация глаза - его приспособление к фокусировке изображения на сетчатке как при рассматривании удалённых, так и близких предметов. Необходимое напряжение этих мышц даёт информацию о расстоянии до рассматриваемого предмета, даже если мы рассматриваем его одним глазом. Общее количество света, поступающее в глаз, регулируется радужной оболочкой. Она может быть разной по цвету, и потому люди бывают голубоглазые, кареглазые и т.п. Она управляется парой мышц. Имеется мышца, сужающая зрачки (циркулярная мышца), имеется мышца, его расширяющая (радиальная мышца).

Рассмотрим далее особенности строения сетчатки. Её назначение - преобразовать оптическое изображение, полученное на её поверхности, в потоки электрических нервных импульсов, поступающих в мозг. Эти преобразования осуществляются клетками-фоторецепторами двух типов, получивших, в связи с особенностями своей формы, название колбочек и палочек.

Колбочки-фоторецепторы дневного зрения. Обеспечивают цветовое зрение. Палочки - рецепторы сумеречного зрения. Каждый глаз человека содержит примерно 125*106 палочек и 5*106 колбочек, итого 130*106 фоторецепторов. Колбочки и палочки распределены по сетчатке очень неравномерно: на периферии размещены только палочки, чем ближе к области жёлтого пятна, тем больше встречается колбочек; в жёлтом пятне размещены только колбочки и их плотность (количество на единицу площади) очень велика, так что здесь эти клетки даже «изготавливаются» в малогабаритном варианте - они более мелкие, чем в других областях сетчатки.

Область жёлтого пятна сетчатки - это область наилучшего зрения. Здесь мы фокусируем изображение предмета, если хотим разглядеть этот предмет особо тщательно.

Плотность «упаковки» колбочек в жёлтом пятне определяет остроту нашего зрения. Плотность эта, в среднем, такова, что на отрезке длиной 5 мкм умещаются три колбочки. Для того, чтобы глаз различал две точки предмета, необходимо, чтобы между двумя засвеченными колбочками непременно находилась одна не засвеченная.

Рефракция (преломление) света в глазе является нормальной, если изображение предмета, даваемое оптической системой глаза, ложится на наружные сегменты фоторецепторов, и при этом мышцы, управляющие кривизной хрусталика, расслаблены. Такая (нормальная) рефракция называется эмметропией.

Отклонение от эмметропии – аметропия – встречается в двух разновидностях. Миопия (близорукость) – изображение фокусируется не на сетчатке, а перед ней, то есть преломление света в глазе происходит «слишком хорошо». Эта избыточность устранима рассеивающими очковыми линзами (оптическая сила отрицательная).

Гиперметропия (дальнозоркость) – разновидность аметропии, при которой изображение формируется за сетчаткой. Чтобы вернуть изображение на сетчатку, надо «помочь» глазу собирающей очковой линзой (оптическая сила положительная). Говоря иначе, если оптическая сила глаза недостаточна, её можно увеличить дополнительным слагаемым - оптической силой собирающей очковой линзы.

Появление контактных линз вместо классических очков поначалу воспринималось чуть ли не как революция.

При обсуждении возможностей контактной линзы необходимо принять во внимание, что относительный показатель преломления на первой (по ходу луча) поверхности контактной линзы фактически равен абсолютному показателю преломления материала линзы, а на второй поверхности он равен отношению абсолютных показателей преломления роговицы и линзы.

При внедрении любого изобретения рано или поздно обнаруживаются как достоинства, так и недостатки. Классические очки и контактные линзы, в их нынешнем виде, можно сопоставить следующим образом:

- классические очки легко одевать и снимать, но не удобно носить;

- контактные линзы удобно носить, но не удобно надевать и снимать.

Лазерная коррекция зрения – это микрооперация на наружной поверхности роговицы. Напомним, что роговица - основной светопреломляющий элемент оптической системы глаза. Коррекция зрения достигается изменением кривизны наружной поверхности роговицы. Например, если сделать поверхность более плоской, (т.е. увеличить радиус кривизны R), то согласно формуле (4) оптическая сила D этой поверхности уменьшится.

Серьёзные проблемы со зрением возникают при отслоении сетчатки. В этих случаях нашёл применение метод закрепления сетчатки на предусмотренном природой месте с помощью фокусированного лазерного луча. Этот способ закрепления подобен точечной сварке металлов в технике. Сфокусированный луч создаёт малую зону повышенной температуры, в которой происходит «сварка» биологических тканей (в прямом и переносном смысле).

Ретиналь - одна из двух основных компонент родопсина – это альдегид витамина А. С учётом того, что наружные сегменты фоторецепторов постоянно обновляются, полноценное обеспечение организма витамином А отвечает интересам поддержания зрительной системы в хорошем состоянии.

4. Оптический микроскоп. Ход лучей в микроскопе. Полезное увеличение микроскопа.

Микроско́п — прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом. Представляет собой совокупность линз.

Совокупность технологий изготовления и практического использования микроскопов называют микроскопией., 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.

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.

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 - встроенные в штатив механизмы для грубого (макромеханизм, макровинт) и тонкого(микромеханизм, микровинт) вертикального перемещения предметного столика или тубусодержателя кронштейн для крепления предметного столика;

предметный столик, служащий для размещения препаратов и горизонтальногоих перемещения;

узел для крепления и вертикального светофильтров.

Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза Максимальное полезное увеличение микроскопа, т. е. увеличение, с которым выявляются детали рассматриваемого предмета, определяется по формуле

М = d1/d

где d1 – максимальная разрешающая способность человеческого глаза, равная 0,3 мм; d – максимальная разрешающая способность оптической системы.

Дата добавления: 2014-11-20