Uchebnoe_posobie_Optika

Так как лучи 8 и 9 проходят различные оптические среды (исследуемый предмет, покровное стекло, линза объектива и т.д.) по несколько отличающимся путям, сдвиг фазы между этими лучами подбирается опытным путем с помощью последовательной смены фазовых пластинок, находящихся на турели б, которая может вращаться вокруг своей оси

10.

Метод тёмного поля

Наблюдение слабоконтрастных объектов проводится также методом темного поля. В методе темного поля используется специальный конденсор темного поля К, одна из возможных конструкций которого показана на рисунке.

Лучи 1 падают на конденсор темного поля, в состав которого входит параболическое зеркало 3, в фокусе которого находится исследуемый предмет 4, находящийся на предметном столике микроскопа. Диафрагма 2 препятствует прямому попаданию света на предмет. Лучи, отразившиеся от зеркал, могут пройти через предмет (лучи 5) и не попасть в линзу объектива 7, но могут дифрагировать на слабоконтрастных включениях в предмете 6, изменить свое направление (лучи 8) и попасть в объектив микроскопа.

Следовательно, на темном фоне будут наблюдаться слабоконтрастные компоненты исследуемого предмета.

Ультрамикроскопия

Ультрамикроскопия была предложена в 1903 г. немецкими оптиками Зидентопфом и Зигмонди. С помощью ульрамикроскопии можно наблюдать предметы, размеры которых меньше предела разрешения микроскопа ~ 2–3 нм. Ультрамикроскопия является разновидностью метода темного поля.

Принцип ультамикроскопии показан на рисунке. Световой поток 1 проходит через линзу 2, которая направляет лучи на исследуемую среду, на-

ходящуюся в кювете К.

Лучи света 3 рассеиваются на включениях (частицах) 5. В данном случае под рассеянием понимается изменение траектории квантов света при их соударении с частицами вещества. Рассеянный свет попадает в объектив микроскопа 4, который расположен перпенди-

кулярно лучам, освещающим исследуемую среду.

21

Ввиду малости частиц их структуру увидеть нельзя. Обнаруживается только их наличие в виде светлых точек на темном фоне. Наиболее сильно удлиненные частицы рассеивают свет, если они располагаются перпендикулярно падающему световому потоку. При этом происходит как бы вспышка яркости. Поэтому при движении несферические частицы мерцают. Для сферических частиц мерцание не наблюдается.

Ультрамикроскопия используется для исследования любых дисперсных систем, независимо от агрегатного состояния фаз. В частности, для оценки чистоты воздуха в санитарной гигиене.

3. Зрительный анализатор и коррекция зрения

Зрительный анализатор или глаз – это орган, воспринимающий электромагнитные волны видимого диапазона, излучаемые и отражаемые предметами, и на основе этого дающий мозгу 98% всего объема информации об окружающем мире.

Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в разделе геометрической оптики особое место. Это объясняется тем, что многие оптические инструменты рассчитаны на зрительное восприятие их показаний. С другой стороны глаз человека (и животных) как усовершенствованная в процессе эволюции биологическая система, даёт некоторые идеи по конструированию и улучшению оптических систем.

Механизм генерации зрительного ощущения является фотобиологическим процессом. Поэтому изучение светопреобразующей системы глаза требует привлечения законов взаимодействия света с веществом, а также аппаратов квантовой механики и квантовой биофизики.

Фармацевтам и медикам необходимо понимание этих вопросов, так как при лечении целого ряда глазных болезней используют не только хирургические, но и медикаментозные методы, применение которых, особенно на ранних стадиях заболеваний, позволяет исключить необходимость хирургического вмешательства.

3.1. Элементы строения глаза

Рассмотрим строение глаза. Глазное яблоко состоит из трех оболочек. Наружная – белочная оболочка Б или склера, которая в передней части переходит в прозрачную роговицу Р. Средняя – сосудистая оболочка С, которая впереди переходит в радужку (или радужную оболочку) В, представляющую собой апертурную диафрагму глаза. Радужка за счет пигмента имеет индивидуальные различия в окраске. Она образует отверстие – зрачок, диаметр которого может меняться в пределах d = 2–8 мм, что необходимо во избежание повреждения сетчатки при слишком ярком свете. При этом световой поток изменяется в 16 раз.

Зрительный анализатор или глаз включает в себя светопреломляющий и световоспринимающий аппараты. Световоспринимающий аппарат глаза,

22

представляет собой внутреннюю – сетчатую оболочку (сетчатку) Н или

ретину.

Максимальной чувствительностью к свету обладает область сетчатки, назы-

ваемая желтым пятном Ж. Рядом с желтым пятном находится место входа

зрительного нерва ЗН в глазное яблоко.

Эта область сетчатки совершенно не чувствительна для света – слепое пятно СП.

Светопреломляющий аппарат гла-

за состоит из роговицы Р, передней камеры П, заполненной прозрачной влагой, хрусталика X и стекловидного тела СТ,

по консистенции представляющего желеобразную массу (гель).

Хрусталик – это прозрачное, бесцветное, эластичное тело в виде двояковыпуклой линзы в прозрачной сумке. Хрусталик может изменять свою выпуклость, т.е. оптическую силу D за счет баланса двух воздействий: силы, создаваемой ресничной мышцей, которая, сжимая хрусталик, делает его более выпуклым, увеличивая оптическую силу и внутриглазного давления, уплощающего хрусталик. В норме внутриглазное давление имеет величину примерно на 18–20 ммpm. cm. выше атмосферного. Оно позволяет глазному яблоку сохранять шаровую форму.

На рисунке отмечены также зрительная ось глаза ЗО, соответствующая направлению наилучшего зрения и оптическая ось ОО глаза, как оптической системы.

3.2. Оптическая система глаза

Через геометрический центр роговицы и хрусталика проходит главная оптическая ось ОО, а через центр хрусталика и желтое пятно – зрительная ось ОО. Зрительная ось совпадает с направлением наилучшей светочувствительности. Угол между главной оптической и зрительной осями составляет при-

мерно 5°.

Показатели преломления воздуха и внутренней среды глаза не равны. Из этого вытекает следующее:

1. Фокусные расстояния f1 и f2 не равны. Для сферической поверхности фокусные расстояния как со стороны предметов, так и со стороны изображения могут быть вычислены по формуле:

23

дят параллельные лучи); n2 – показатель преломления второй среды; R – радиус кривизны поверхности раздела двух сред. На рисунке: F1 и F2 – фокусы; f1 и f2 – фокусные расстояния; Н1 и Н2 – главные точки; N1 и N2 – узловые точки. Соответственно оптическая сила сферической поверхности равна:

Оптическая сила линзы с двумя преломляющими поверхностями:

d

D = D1 + D2 – n D1 D2, где D1 и D2 – оптическая сила передней и задней по-

верхностей линзы соответственно; d– расстояние между ними; n – показатель преломления заключенной между ними среды.

Элементы светопреломляющего аппарата глаза имеют оптическую си-

лу:

1. Роговица D = 42–43 дптр; 2. Влага передней камеры D = 2–4 дптр; 3. Стекловидное тело D = –5– (–6) дптр, рассеивает свет; 4. Хрусталик D = 19– 33 дптр. Общая оптическая сила всего глаза D = 63–74 дптр.

2. Главные плоскости оптической системы глаза, перпендикулярные главной оптической оси и проходящие через главные точки Н1 и Н2, не совпадают. Н1 и Н2 – это точки, для которых линейное увеличение:

линзы до изображения.

3. С главными плоскостями не совпадают плоскости, перпендикулярные главной оптической оси и проходящие через узловые точки N1 и N2. Для

этих точек угловое увеличение:Z tg 2 1, где 1 – угол раскрытия пучка tg 1

лучей точки предмета; 2 – угол раскрытия пучка лучей для сопряженной точки изображения.

Глаз имеет четыре преломляющие поверхности, образованные роговицей, водянистой влагой и хрусталиком. Снаружи эта оптическая система ограничена возду-

хом, изнутри – стекловидным телом. Часто для упрощения вычислений всю оптическую систему глаза представляют линзой, которая со стороны пространства предметов окружена воздухом, а со стороны пространства изображений – жидкостью с показателем преломления 1,336, главные Н1 и Н2 и ловые N1, N2 точки совмещают. Оптическая сила такой системы составляет

58,6 дптр, а сама система называется приведенным редуцированным глазом.

24

Чем дальше предмет удален от глаза, тем меньше его изображение на сетчатке. Проведем через крайние точки предмета АВ, имеющего размер Н, и совмещенную узловую точку N лучи. Пересечение их с сетчаткой даст действительное, обратное, уменьшенное изображение предмета размером h, величина которого h = l tg , где l – расстояние между совпадающей узло-

вой точкой N и сетчаткой. Если угол зрения между лучами мал, то tg = . Получаем h = l . Размер предмета Н = L , где L – расстояние от предмета

lH

до глаза. Таким образом, h L . Из известного расстояния до предмета

можно определить размер последнего, и, наоборот, из известного размера предмета можно определить расстояние до него.

Наименьший угол зрения , при котором человек еще способен видеть отдельно две различные точки предмета (угловая разрешающая способность), составляет примерно одну минуту. При расположении предмета на расстоянии 25 см линейная разрешающая способность человеческого глаза составляет 70 мкм, а размер изображения этих точек на сетчатке – 5 мкм, что, в свою очередь, равно среднему расстоянию между колбочками.

Из геометрической оптики известно, что при равных показателях пре-

Поэтому для получения четкого изображения различно удаленных предметов должно изменяться либо расстояние а2, либо фокусное расстояние f2. В глазе человека реализуется последний способ. Возможность фокусирования на сетчатке изображений различно удаленных предметов за счет изменения кривизны хрусталика, особенно его передней поверхности, называется аккомодацией. Чем ближе расположен предмет, тем больше должна быть кривизна хрусталика и его оптическая сила.

3.3. Виды действия очковых линз

Очки – это простейшие оптические устройства, служащие для коррекции недостатков зрения и защиты глаз от вредных внешних оптических и механических воздействий. Очки состоят из очковых стекол и оправы. Оправа устанавливает нужное положение стекол относительно глаз.

Для глаз характерны следующие недостатки, которые могут возникнуть в результате заболеваний либо при неправильном использовании органов зрения, а также как возрастные явления. Это прежде всего близору-

кость (миопия), дальнозоркость (гиперметропия), астигматизм, косогла-

зие и др., которые не компенсируются аккомодацией. Недостатки глаз исправляются с помощью очковых линз, которые обладают рядом действий.

25

Хрусталик заключен в капсулу, которая по краям переходит в волокна цилиарной связки. Эти волокна всегда натянуты. Поэтому в расслабленном состоянии хрусталик максимально растянут, и его оптическая сила минимальна. В этом состоянии глаз способен различать предметы, находящиеся только на очень далеком расстоянии – “на бесконечности”. Механическое напряжение волокон цилиарной связки регулируется цилиарной (глазной) мышцей. При сокращении мышцы, иннервируемой парасимпатическими волокнами глазодвигательного нерва, натяжение цилиарной связки уменьшается, и хрусталик за счет своей эластичности принимает более выпуклую форму.

С возрастом в результате обезвоживания эластичность хрусталика уменьшается, в результате чего ограничивается возможность регуляции его радиуса кривизны, развивается так называемая старческая дальнозоркость. При этом рассматривание близких предметов, требующее для аккомодации малых радиусов кривизны хрусталика, затруднено, хотя далеко расположенные предметы видны по-прежнему хорошо.

У здорового молодого человека аккомодация не вызывает напряжения при рассматривании предметов, находящихся на расстоянии более чем 25 см. Это наименьшее расстояние называется расстоянием наилучшего видения.

Оптическая система глаза имеет ряд недостатков. Роговица и хрусталик чаще всего имеют неправильную сферическую форму и напоминают собой сегмент эллипсоида вращения. Это приводит к явлению астигматизма. При этом оптическая сила в вертикальной плоскости не равна оптической силе в горизонтальной плоскости (обычно первая несколько больше второй), то есть глаз по вертикали может быть близоруким, а по горизонтали–дальнозорким. Астигматизм присущ в небольшой степени почти всем людям. Если разница в оптических силах не превышает 0,5 дптр, то астигматизм называют “физиологическим” и не корректируют очками. При большой степени дефекта зрение корригируется цилиндрическими линзами, а при “нерегулярном” астигматизме (радиус кривизны роговицы варьируется неопределенным обра-

зом) – только контактными линзами (иногда коррекция невозможна).

Другим недостатком оптической системы глаза являются сферическая и хроматическая аберрация.

Сферическая аберрация возникает из-за того, что фокусное расстояние центральной части и роговицы, и хрусталика больше фокусного расстояния периферической части. Этот недостаток почти не проявляется при малых значениях диаметра зрачка, когда вклад периферических отделов оптической системы в построение изображения невелик. С увеличением диаметра зрачка изображение становится все более нерезким.

26

Хроматическая аберрация возникает вследствие явления дисперсии белого света: показатель преломления света зависит от его длины волны, чем она короче, тем больше показатель преломления. Поэтому синие предметы, требующие меньшей аккомодации, кажутся более удаленными, чем расположенные на том же расстоянии красные предметы. Этот эффект широко использовался при создании витражей готических храмов: фон делался синим, а все остальные предметы и фигуры окрашивались в другие цвета. В результате плоское изображение приобретало объем.

Помимо естественных, характерных для всех людей недостатков зрения, существуют патологии. В норме задний фокус оптической системы глаза должен совпадать с сетчаткой (рис. а).

При близорукости (миопии) вследствие увеличения переднезаднего размера глазного яблока фокус расположен перед сетчаткой, что вызывает размытое изображение далеко расположенных предметов (рис. б). Для близорукого глаза расстояние наилучшего видения меньше 25 см. Этот недостаток зрения корригируется рассеивающими (вогнутыми) линзами.

При дальнозоркости (гиперметропии), наоборот, осевая длина глаз-

ного яблока уменьшена, и лучи фокусируются за сетчаткой (рис. в). Далеко расположенные предметы при этом видны отчетливо (за счет механизмов аккомодации на передний план), а для рассматривания близко расположенных предметов необходима коррекция собирающими (выпуклыми) линзами. Расстояние наилучшего видения для дальнозорких людей – больше 25 см.

Таким образом, коррекция зрения осуществляется за счет 4-х видов действия оптических линз.

1 .Сферическое или стигматическое действие (от греч. stigme – точ-

ка). Такое действие обеспечивают линзы со сферическими поверхностями. Это действие заключается в перемещении фокуса системы линза – глаз вдоль оптической оси глазного яблока. Исправляются такие недостатки зрения как близорукость и дальнозоркость.

Исправление близорукости осуществляется с помощью рассеивающей

(отрицательной) линзы Л, которая отодвигает изображение на сетчатку. Пусть оптическая сила глаза

1

Dгл Fгл , а оптическая сила линзы оч-

ков DЛ <0. Подбирая очки, необходимо уменьшить оптическую силу системы линза – глаз D0, таким образом, чтобы она приблизилась к норме:

D0 = Dгл – DЛ

Рассмотрим исправление дальнозоркости, в результате которой глаз не видит четко близкие предметы. Дальнозоркость может быть связана с недостаточной преломляющей способностью сред глаза, которая обычно возникает с возрастом вследствие потери эластичности хрусталика (пресбиопия) или с укороченной формой глазного яблока. Исправление дальнозоркости

27

осуществляется с помощью собирающей (положительной) линзы Л, которая

сутствия хрусталика, что имеет место, например, после операции по поводу

катаракты (помутнения хрусталика).

Возможен случай недостаточно регулируемого Ц.Н.С. или нерегулируемого, например, искусственного хрусталика. В этом случае человек одновременно имеет близорукость и дальнозоркость, поэтому используются бифокальные очки, т.е. очки, каждая линза которых состоит из двух стекол. Если человек опускает глаза вниз, например, при чтении (проявляется дальнозоркость), то свет проходит через собирающую область линзы, увеличивающую оптическую силу системы линза – глаз, если же человек смотрит вдаль (проявляется близорукость), то свет проходит через рассеивающую часть линзы, уменьшающую оптическую силу системы.

2. Астигматическое действие (от греч. а – oтрицание и stigme –

точка). Такое действие обеспечивают линзы с цилиндрической или тороидальной (типа баранки) поверхностями.

Исправляется недостаток глаза – астигматизм, при котором глаз поразному преломляет свет в различных меридианных плоскостях. Если в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостях преломление (рефракция) у глаза нормальная, то астигматизм называется простым.

Преломляющие среды глаза, прежде всего роговица, при астигматизме имеют не сфериче-

скую, а эллипсоидную форму. Для исправления астигматизма используются линзы Л, обладающие взаимно перпендикулярным астигматизмом, т.е. линзы, у которых максимальная оптическая сила находится в меридианной плоскости, в ко-

торой у глаза оптическая сила минимальна.

3. Призматическое действие. В чистом виде характерно для призмы с треугольным основанием. Заключается в повороте на определенный угол световых лучей, идущих от рассматриваемого предмета. Призматическим действием линз исправляется недостаточность конвергенции (сведе-

ния изображений от двух глаз). Недоста-

28

точность конвергенции возникает при косоглазии. При косоглазии зрительная ось одного глаза направлена на рассматриваемую точку предмета S, а другого глаза отклонена в сторону. Возникает отсутствие конвергенции изображений. Призматическая линза Л сводит изображения от двух глаз, поворачивая ход световых лучей.

4.Эйконическое действие (от греч. eicon – изображение). Заключается

вуменьшении или увеличении размеров изо-

бражения. В чистом виде эйконическим действием обладает линза с двумя параллельными сферическими поверхностями.

После прохождения лучей через эйконическую линзу Л изображение увеличивается или уменьшается относительно пред-

мета.

За счет эйконического действия линз исправляется такой дефект зрения, как неодинаковые размеры изображения, получаемые каждым глазом (анизэйкония). Эйконическое действие используется для увеличения размера изображения при заболевании световоспринимающей системы глаза (сетчатки), а также при ухудшении качества передачи информации об изображении в Ц.Н.С. по зрительному нерву.

Все виды оптического действия линз, как правило, сопряжены. Сферическое действие связано с уменьшением или увеличением изображения (эйконическое действие), на краю линзы обладают призматическим действием.

3.4.Молекулярный механизм зрения

Воснове зрения лежит способность глаза, точнее светочувствительных клеток сетчатки, реагировать на изменение светового потока. Глаз позвоночных содержит два вида рецепторных клеток: палочки, являющиеся более чувствительными к свету и обеспечивающие зрение в сумерках и ночью (скотопическое зрение), и колбочки, обеспечивающие восприятие зрительных образов при ярком освещении и цветное зрение (фотопическое зрение). Колбочки, кроме того, обладают лучшей способностью к восприятию деталей изображения и поэтому значительно улучшают разрешающую способность глаза. Кривая спектральной чувствительности глаза имеет максимум около 500 нм при скотопическом зрении и около 555 нм при фотопическом.

Палочки имеют длину 63–81 мкм, диаметр – 1,8 мкм; для колбочек эти параметры равны соответственно 35 и 5–6 мкм. На сетчатке глаза человека находится приблизительно 110–125 млн палочек и 6–7 млн колбочек. Палочки и колбочки расположены на сетчатке неравномерно: в центре ее напротив зрачка в области желтого пятна находятся в основном колбочки, на периферии – только палочки. В связи с этим для получения наилучшего качества изображения световой поток должен попадать в центр сетчатки.

Сетчатка состоит из нескольких слоев клеток. Ближе всего к свету расположены слои нервных клеток, отводящие электрические сигналы от палочек и колбочек в мозг. Далее располагаются, собственно, фоторецепторные

29

клетки. Каждая из них имеет два сегмента: наружный и внутренний, соединенные между собой тонкой ножкой. Своим наружным сегментом, содержащим зрительные пигменты (молекулы, в состав которых входит хромофор, поглощающий свет), эти клетки ориентированы в сторону, противоположную свету. Таким образом, свет, прежде чем попасть на зрительные пигменты, должен пройти через роговицу, хрусталик, стекловидное тело и несколько слоев клеток. При этом, однако, поглощается не более 50 % света. Дополнительные потери возникают в связи с тем, что одна часть света отражается от роговицы, а другая, прошедшая мимо светочувствительных элементов, поглощается клетками эпителия глаза. Только 10 % квантов света, попавших на глаз, поглощаются зрительными пигментами в палочках.

Минимальная яркость светового пятна, которую способен воспринять глаз на абсолютно черном фоне при полной световой адаптации, называется

абсолютным порогом чувствительности. Для человека эта величина со-

ставляет (2,1...5,7) 10-17 Дж на поверхности роговицы глаза. Это соответствует 58–148 квантам сине-зеленого цвета.

Если яркость освещенного фона равна I, а яркость светового пятна I +dI, то минимальная обнаруживаемая разность dI между этими величинами

dI

называется разностным порогом чувствительности, а отношение I –

дифференциальным порогом. Согласно закону Вебера, дифференциальный

dI

порог остается постоянным при изменении яркости фона: I =const. Таким

образом, величина разностного порога dI увеличивается с увеличением яркости фона I.

Зависимость между интенсивностью ощущения и интенсивностью

где I – интенсивность света; I0 – абсолютный порог чувствительности; k –

константа. Из формулы следует, что если интенсивность света возрастает по логарифмическому закону, то интенсивность ощущения света растет линейно.

Выражение также носит название психофизического закона Вебера– Фехнера и пригодно для описания любых сенсорных процессов, например слуха. Оно использовалось для выведения логарифмических систем мер – шкалы децибелов и фонов.

Наилучшим образом фотопроцессы изучены в палочках. В ответ на поглощение квантов света их мембраны, содержащие зрительный пигмент родопсин, генерируют электрический сигнал. Родопсин является хромопротеином. Он состоит из белковой части – опсина и небелковой – ретиналя (половины молекулы -каротина). Последний является хромофором родопсина. Ретиналь имеет множество изомеров, но в зрительных пигментах встречается только 11-цис-ретиналь и в некоторых редких случаях – 9-цис-ретиналь. Ре-

30