методички для заочников / Оптические приборы

11

Рис. 7. Горизонтальный разрез правого глаза

Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой,

ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболоч-

ке (зрачок) свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего свето-

вого потока диаметр зрачка может изменяется от 1 до 8 мм.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, кото-

рая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает измене-

ние формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю ка-

меру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представ-

ляющей собой светочувствительный слой. Сетчатка состоит из слоя светочувст-

вительных клеток – фоторецепторов, которые бывают двух видов: колбочки и палочки. Палочки обладают большей чувствительностью к свету, но не чувст-

вительны к цвету. Колбочки же чувствительны к цветам, но зато менее воспри-

имчивы к свету и поэтому считаются аппаратом дневного зрения. Палочек мно-

го – около 130 миллионов, и расположены они по всей сетчатке кроме самого центра. Благодаря им человек видит предметы даже на самых окраинах поля

12

зрения, в том числе при низкой освещенности. Колбочек около 7 миллионов и расположены они, в основном, в центре сетчатки, в так называемом "желтом пятне", часть которого состоит из одних колбочек. Главный луч зрения всегда проходит по оси: центр желтого пятна – центр хрусталика – рассматриваемый предмет. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, на-

зывается зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол око-

ло 5°. Желтое пятно – это место дневного зрения и наилучшего цветового вос-

приятия. Чем дальше от желтого пятна, тем меньше колбочек содержит сетчатка

ивсе больше палочек.

Всумерках работают палочки. Ночью намного лучше человек видит пред-

меты, изображение которых оказывается на боковых участках сетчатки, т.е. ко-

гда глаз не смотрит прямо на предмет, который нужно увидеть. Существует три типа колбочек разделенных по наибольшей чувствительности к трем основным цветам видимого спектра: красно-оранжевому; зеленому; синему.

Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение пе-

редается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, со-

стоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз. Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно под желтым пятном.

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза – сетчатой оболочке, образуя на ней действительное, перевернутое и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринима-

ется как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело (рис. 8). Особенностью этой системы явля-

ется то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образо-

ванием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

13

Рис. 8. Оптическая система глаза

Преломление света в глазе происходит главным образом на его внешней поверхности – роговой оболочке, или роговице, а также на поверхностях хруста-

лика. Радужная оболочка определяет диаметр зрачка, величина которого может изменяться непроизвольным мышечным усилием от 1 до 8 мм.

Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:

Аккомодация – это способность глаза изменять фокусное расстояние, т. е.

приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза. Аккомодация происходит путем изменения кривизны по-

верхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного те-

ла. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кри-

визны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под дей-

ствием упругих сил увеличивает свою кривизну. В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения беско-

нечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близ-

кие предметы.

14

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сет-

чатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой глаза. Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наиболь-

шем возможном напряжении глаза, называют ближней точкой глаза.

При аккомодации глаза на бесконечность задний фокус совпадает с сет-

чаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около 9 см от глаза. С возрастом способ-

ность глаза к аккомодации постепенно уменьшается. В возрасте 20 лет для сред-

него глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон акко-

модации 10 дптр), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже око-

ло 40 см (диапазон аккомодации 2,5 дптр), а к 60 годам уходит на бесконечность,

то есть аккомодация прекращается. Это явление называется возрастной дально-

зоркостью или пресбиопией.

Расстояние наилучшего зрения – это расстояние, на котором нормаль-

ный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета. В среднем расстояние наилучшего зрения составляет около 25-30 см,

хотя для каждого человека оно может быть индивидуальным. Для близорукого

15

Рис. 9. Изображение предмета при близорукости

Рис. 10. Изображение предмета при дальнозоркости

Ублизоруких людей изображение фокусируется перед сетчаткой (рис. 9).

Утакого человека обычно либо увеличенное расстояние от роговицы до сетчат-

ки, либо радиус кривизны роговицы слишком маленький, либо сочетание этих двух моментов. Для исправления близорукости используют очки с отрицатель-

ными диоптриями.

У людей страдающих дальнозоркостью изображение формируется уже за сетчаткой (рис. 10). В этом случае, наоборот, либо у человека маленькое рас-

стояние между роговицей и сетчаткой, либо сама роговица слишком плоская и слабо преломляет световые лучи. Дальнозоркость исправляется собирающими линзами.

Астигматизм вызван, чаще всего, неравномерностью кривизны роговицы,

ее передняя поверхность представляет собой не поверхность шара, где все ра-

диусы равны, а отрезок вращающегося эллипсоида, где каждый радиус имеет свою длину. В этом случае изображение предмета при прохождении световых

16

лучей через такую роговицу на сетчатке появляется не в виде точки, а в виде от-

резка прямой, при этом человек видит изображение искажённым - одни линии чёткие, другие - размытые.

Оптическая сила глаза в очках определяется формулой:

.

Микроскоп, его основные части.

Устройство микроскопа

Микроскоп (от лат. Micros – малый и Scopein – рассматривать, наблюдать)

позволяет получать увеличенное изображение объектов и их структуры, недос-

тупных глазу человека. В практике медико-биологических исследований приме-

няются методы световой и электронной микроскопии. Световые микроскопы мо-

гут увеличивать объект размером от 0,5 мкм с разрешением элементов объекта

до 0,1 мкм более чем в 1500 раз, а электронные микроскопы – в 20 000 раз.

Световая микроскопия основывается на законах геометрической оптики

и волновой теории образования изображения. В качестве освещения использу-

ются естественный или искусственные источники света.

Простые микроскопы появились в XVII веке. Больших успехов в их изго-

товлении добился голландский ученый А. Левенгук. В 1609 –1610 гг. сложный микроскоп был построен Г. Галилеем (1564 – 1642). В 1846 г. немецкий механик

Карл Цейс (1816 – 1888) открыл мастерскую и через год приступил

к изготовлению микроскопов. Карл Цейс успешно использовал в деятельности своей фирмы открытия профессора физики Эрнста Аббе. Теоретические и практические работы Эрнста Аббе (1840 –1905), Отто Шотта (1851 –1935) и

Августа Келера (1866 –1948) определили направление развития и принципы по-

строения оптических систем современных микроскопов.

17

Приближая предмет к глазу, человек увеличивает угол зрения и, следова-

тельно, получает возможность лучше различать мелкие детали. Однако очень близко к глазу приблизить предмет мы не можем, так как способность глаза к аккомодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благоприятным для рассматривания предмета оказывается расстояние около 25 см, при котором глаз достаточно хорошо различает детали без чрезмерного утомления. Значительное увеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов. По сво-

ему назначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующие две большие группы.

1. Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа,

микроскоп).

2. Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов

(зрительная труба, бинокль, телескоп и т. п.).

Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптического прибо-

ра размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением в невооруженном глазе и, следовательно, возрастает способность распознавания деталей. Микроскоп имеет, как минимум, две ступени увеличе-

ния. Функциональные и конструктивно-технологические части микроскопа предназначены для обеспечения работы микроскопа и получения устойчивого,

максимально точного, увеличенного изображения объекта.

Рассмотрим ход лучей в микроскопе, объективом и окуляром которого яв-

ляются собирающие линзы (рис. 11). При этом объектив представляет собой ко-

роткофокусную линзу с фокусом f1, а окуляр – длиннофокусную линзу с фоку-

сом f2.

18

Рис. 11. Ход лучей в микроскопе

Предмет АВ помещается на расстоянии большем, чем фокусное от объек-

тива. Действительное, увеличенное и перевернутое изображение А1В1 оказыва-

ется на расстоянии, немного меньшем f2 от окуляра. Это изображение рассмат-

ривается в окуляр как в лупу. В результате получается мнимое, увеличенное,

перевернутое изображение А2В2. Это изображение расположено на расстоянии L,

которое является расстоянием ясного зрения (L 25 см).

Общее увеличение микроскопа Г равно произведению увеличения объек-

тива и окуляра:

где l – оптическая длина тубуса микроскопа, L – расстояние ясного зрения, f1 – фокусное расстояние объектива, f2 – фокусное расстояние окуляра.

Оптическая система микроскопа делится на 3 функциональные части:

1. Осветительная часть предназначена для создания светового потока, ко-

торый позволяет осветить объект таким образом, чтобы последующие части микроскопа предельно точно выполняли свои функции. Осветительная часть микроскопа проходящего света расположена перед объектом под объективом в

19

прямых микроскопах (например, биологические (рис. 12), поляризационные и др.) и перед объектом над объективом в инвертированных. Осветительная часть конструкции микроскопа включает источник света (зеркало, лампа и электриче-

ский блок питания) и оптико-механическую систему (коллектор, конденсор,

диафрагмы).

2. Воспроизводящая часть предназначена для воспроизведения объекта в плоскости изображения с требуемым для исследования качеством изображения и увеличения (т. е. для построения такого изображения, которое как можно точнее и во всех деталях воспроизводило бы объект с соответствующим оптике микро-

скопа разрешением, увеличением, контрастом и цветопередачей).

Воспроизводящая часть обеспечивает первую ступень увеличения и расположе-

на после объекта до плоскости изображения микроскопа и состоит из объектива

ипромежуточной оптической системы.

3.Визуализирующая часть предназначена для получения реального изо-

бражения объекта на сетчатке глаза, фотоплёнке или пластинке, на экране теле-

визионного или компьютерного монитора с дополнительным увеличением (вто-

рая ступень увеличения). Визуализирующая часть включает монокулярную или бинокулярную или тринокулярную визуальную насадку с наблюдательной сис-

темной. Кроме того, к этой части относятся системы дополнительного увеличе-

ния; проекционные насадки; рисовальные аппараты; системы анализа и доку-

ментирования изображения с соответствующими адаптерами для цифровых ка-

мер.

Методы микроскопии

Микроскопия – изучение объектов с использованием микроскопа. Она подразделяется на несколько видов: оптическая микроскопия, электронная мик-

роскопия, рентгеновская или рентгеновская лазерная микроскопия, отличаю-

щиеся использованием электромагнитных лучей с возможностью рассмотрения и получения изображений микроэлементов вещества в зависимости от разре-

шающей способности приборов (микроскопов).

20

Оптическая микроскопия. Человеческий глаз представляет собой естест-

венную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением,

т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (вос-

принимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличе-

ны один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на расстоя-

ние наилучшего видения (L=25 см), среднестатистическое нормальное разреше-

ния составляет 0,176 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов и прочее значительно меньше этой вели-

чины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микро-

скопы различных типов. С помощью микроскопов определяют форму, размеры,

строение и многие другие характеристики микрообъектов.

Оптический, или световой микроскоп использует видимый свет, проходя-

щий через прозрачные объекты, или отражённый от непрозрачных. Полученное изображение можно наблюдать глазом (или обеими глазами, в бинокуляре), либо фотографировать, передавать на видеокамеру для оцифровки. В состав совре-

менного микроскопа обычно входит система подсветки, столик для перемещения объекта (препарата), наборы специальных объективов и окуляров.

Существуют виды микроскопов, которые позволяют расширить возможно-

сти обычной оптической микроскопии: люминесцентный микроскоп, поляриза-

ционный микроскоп, металлографический микроскоп.

Глаз работает в оптическом диапазоне длин волн (от 400 до 780 нм). Пре-

дельное увеличение оптического микроскопа – до 2000 раз. Дальнейшее увели-

чение изображения было нецелесообразно, так как не позволяло обнаружить до-

полнительных деталей структуры объекта. Отдельные частички размером при-

близительно до 0,15 мкм хорошо видны при увеличении в 2000 раз. Более мел-

кие частицы не отражают световые лучи и не видны под микроскопом.

Электронная микроскопия - совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей

(электрических, магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов - при-

боров, в которых для получения увеличения изображений используют электрон-