Основы геометрической и волновой оптики ОПТИКА —

Основы геометрической и волновой оптики

ОПТИКА - раздел физики, в котором изучается оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Геометрическая оптика (не рассматривает вопрос о физической природе света), использует представление о световых лучах. Луч – направление, вдоль которого распространяется энергия световой волны. 1 закон - В оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. 2 закон – Независимое распространение лучей в среде 3 и 4 законы – Законы отражения и преломления света на границе двух сред Волновая оптика Квантовая оптика рассматривает свет, как рассматривает свет как электромагнитную волну; в кванты энергии. волной оптике изучаются явления, в которых проявляются волновые свойства света (дифракция, интерференция, поляризация). Связана с волновой оптикой, но учитывает, что свет излучается не непрерывно, а порциями – квантами.

ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Закон отражения света: угол отражения i равен углу падения r. Закон преломления света: отношение синуса угла падения i к синусу угла преломления r есть величина, постоянная для двух данных сред: sin i /sin r = n 2 -1 = const n 2 -1 - относительный показатель преломления второй среды относительно первой: n 2 -1 = n 2/n 1 , n 2 - абсолютные показатели преломления (характеризуют оптическую плотность среды и показывают во сколько раз скорость света в вакууме превышает скорость света в данной среде)

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ 2 УСЛОВИЯ: 1. переход света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (например, из воды или стекла в воздух или вакуум). 2. угол падения превышает некоторый критический угол, который называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для границы раздела стекло–воздух критический угол равен 42°, для границы вода–воздух - 48, 7°. Результатом этого служит сохранение интенсивности света в той среде, с которой находится источник света. Это явление используют для передачи света на большие расстояния без существенной потери интенсивности света.

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА Явление полного внутреннего отражения используется в волоконных световодах, которые представляют собой тонкие произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей. В медицине это явление нашло применение в эндоскопической технике.

ЛИНЗЫ Линза - прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линзу называют тонкой, если ее толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны её поверхностей и с расстоянием от предмета до линзы. Главная оптическая ось линзы - прямая, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Фокус линзы – точка на главной оптической оси, в которую лучи собираются после преломления в линзе. Фокусное расстояние – расстояние между оптическим центром линзы и её фокусом. собирающая линза рассеивающая линза Собирающая линза (выпуклая) собирает параллельный пучок света в точку. Имеет 2 действительных фокуса. Рассеивающая линза собирающие линзы (вогнутая) рассеивает параллельный пучок света. Фокусы её мнимые. Оптическая сила линзы – величина обратная фокусному расстоянию, показывает насколько сильно линза преломляет свет. рассеивающие линзы

ФОРМУЛА ТОНКОЙ ЛИНЗЫ абсолютный показатель преломления среды, в которой находится лин абсолютный показатель преломления линзы, радиусы кривизны сферических поверхностей, ограничивающих лин расстояние от линзы до предмета, расстояние от линзы до изображения увеличение линзы Линзы используют для изменения направления световых лучей. Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображения бывают: -прямыми и перевернутыми, - действительными и мнимыми, - увеличенными и уменьшенными.

ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЛИНЗАХ 1. Луч, параллельный главной оптической оси, после прохождения через линзу, проходит через её фокус. 2. Луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется. 3. Луч, проходящий через передний фокус линзы, после прохождения через неё становится параллельным главной оптической оси. Такое изображение даёт объектив микроскопа Такое изображение даёт окуляр микроскопа

АБЕРРАЦИИ ЛИНЗ - погрешности изображений получаемых с помощью линзы 1. Сферическая. Края линзы преломляют свет сильнее, чем её центр. В результате лучи, проходящие через край фокусируются ближе, чем те, которые проходят через центра. Изображение точки – размытое пятно. Метод устранения – компенсационный. Падающий свет монохроматический 2. Хроматическая. Фокус красных лучей в составе сложного белого света лежит дальше, чем фокус фиолетовых. Результат – неокрашенный объект, который им освещается, становится окрашенным. Метод устранения – 1. компенсационный, 2. изготовление линз из специальных материалов – апохроматов. Падающий свет полихроматический

ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП Микроскоп – центрированная оптическая система, которую применяют для формирования увеличенных изображений наблюдаемых микроскопических объектов. В составе микроскопа - две короткофокусные собирающие линзы – объектив и окуляр. Объектив дает действительное, перевёрнутое изображение объекта (он должен находиться немного дальше от линзы, чем её передний фокус ). Окуляр позволяет рассматривать это изображение по принципу лупы. Разрешающая способность микроскопа – способность давать чёткое изображение рассматриваемого объекта. Предел разрешения – минимальное расстояние между двумя точками , которые видны отдельно в микроскоп. Чем меньше предел, тем больше разрешающая способность микроскопа. Ограничен волновыми свойствами света (дифракцией). длина волны света, освещающего объект, показатель преломления среды, в которой находится рассматриваемый апертурный угол микроскопа (угол между двумя крайними лучами, попадающими от данной точки объекта в объектив микроскопа).

В соответствие с формулой предела разрешения его можно уменьшить (тем самым увеличить разрешающую способность микроскопа) путём: 1. уменьшения длины волны (освещение объекта ультрафиолетовыми или рентгеновскими волнами, а также электронами ). 2. увеличения показателя преломления среды , в котором находится объект (иммерсионная микроскопия. Объект находится в кедровом масле). В основе устройства и принципа действия электронного микроскопа – гипотеза Де Бройля, согласно которой электрон при Электронный своём движении представляет собой Для одновременно частицу и волну. Длина волны электрона: микроскоп Видимый свет (фиолетовый)

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА 1. Дифракция – отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении через узкие щели и сгибание светом препятствий, сопоставимых с длиной волны. 2. Интерференция – наложение когерентных световых волн, при котором наблюдается устойчивая картина их усиления и ослабления. 3. Поляризация – выделение из светового пучка таких волн у которых колебания вектора напряжённости электрического поля осуществляется преимущественно в одной плоскости. Явление доказывает не только волновую природу света, но и поперечный вид волны.

Естественный свет – это свет, который образованный волнами, у которых колебания векторов напряжённости электрического поля осуществляется во всех плоскостях, которые можно провести через источник света (их бесконечное число). Естественный свет Поляризованный свет – это свет, который образованный волнами, у которых колебания векторов напряжённости электрического поля осуществляется преимущественно в одной плоскости. Поляризованный свет Методы получения: 1. Пропускание естественного света через кристаллические вещества, имеющие свойство: а). анизотропии (двойного лучепреломления. Например, кварц) б). дихроизма (способность кристалла поглощать свет во всех плоскостях, а пропускать – в одной. Например, турмалин).

В медицине поляризованный свет применяют для определения концентрации оптически активных веществ. Оптически активные вещества – это соединения, способные вращать (поворачивать вправо или влево) плоскость поляризации света. Примеры – сахара, аминокислоты, никотин, многие лекарственные препараты и др. Левовращающие и правовращающие изомеры называют энантиомерами. Свойство веществ проявлять оптическую активность называют хиральностью молекул. R L-изомер R D-изомер Свойство живых организмов накапливать В ходе синтеза вещества один вид изомеров (левовращающие получают рацемическую смесь аминокислоты и правовращающие (рацемат), в которой сахара) – хиральностью живого. левовращающие и В связи с этим L- и D- изомеры правовращающие его изомеры лекарственных препаратов могут представлены в равных оказывать различное действие на концентрациях. Рацемат НЕ организм (талидомид, инсулин) обладает оптической активностью.

СХЕМА ПОЛЯРИМЕТРА Поляризатор Анализатор Источник света окуляр Кювета с раствором Закон Био: угол поворота анализатора удельное вращение (табличная величина для раствора данного вещества единичной концентрации толщина слоя оптически активного вещества (кюветы) концентрация вещества Сахариметр – поляриметр для определения сахара в моче

БИОФИЗИКА ЗРЕНИЯ Зрение – самое совершенное и самое восхитительное из всех наших чувств. Оно наполняет дух огромнейшим разнообразием идей, общается с его объектами на самом большом расстоянии и дольше всех остаётся в действии, не уставая и не пресыщаясь истинными наслаждениями, которые оно само получает. Д. Аддисон

СТРОЕНИЕ ГЛАЗА веко зрачок склера радужная оболочка цилиарное тело сетчатка роговица радужная оболочка сосудистая оболочка 1 стекловидное тело 2 зрительный нерв хрусталик цилиарное тело склера 1 - передняя камера 2 - желтое пятно

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГЛАЗА 4 преломляющие поверхности: 1. Роговица 2. Передняя камера 3. Хрусталик 4. Стекловидное тело Оптическая сила в глазе Хрусталик • 101 43 - Глаз • • 19 Роговица • Оптическая сила в воздухе 58 - 1. Абсолютные показатели преломления преломляющих сред глаза различаются мало 2. В глазе роговица в большей степени преломляет световые лучи. 3. При удалении хрусталика из глаза в воздух его оптическая сила существенно возрастает. 4. Причина наибольшего преломления и наибольшей оптической силы роговицы – разница в ее показателе преломления и показателя преломления воздуха, т. е. наибольший относительный показатель преломления

РЕДУЦИРОВАННЫЙ ГЛАЗ 16, 7 мм 1. Редуцированный глаз – схема, в котором 4 преломляющие поверхности объединены в 1 линзу (параметры в таблице) 2. Есть 1 кардиальная точка, через которую лучи от предмета проходят без преломления (точка находится 16, 7 мм от сетчатки) 3. Проводя без преломления от предмета лучи через эту точку, мы получаем уменьшенное, перевёрнутое, действительное его изображение. Его размеры и положение восстанавливает мозг

АККОМОДАЦИЯ ГЛАЗА Основная особенность глаза как оптического инструмента состоит в способности рефлекторно изменять оптическую силу глаза в зависимости от положения предмета с целью фокусировки изображения на сетчатку. Такое приспособление глаза к изменению его оптической силы в зависимости от расстояния до наблюдаемого предмета называется аккомодацией. Осуществляется аккомодация за счет изменения кривизны хрусталика цилиарными мышцами. При расслабленной глазной мышце оптическая сила глаза приблизительно равна 59 дптр, при максимальном напряжении мышцы – 73 дптр. • • • 1. Если человек смотрит на отдаленные объекты цилиарная мышца расслаблена, хрусталик имеет наиболее плоскую форму, оптическая сила глаза минимальна. Такое состояние называется покоем аккомодации. 2. Если человек смотрит на приближённые предметы, то цилиарная мышца напрягается, а хрусталик приобретает выпуклую форму, оптическая сила глаза увеличивается. Чем ближе предмет – тем сильнее.

ПРЕДЕЛЫ АККОМОДАЦИИ 1. 2. 3. Дальняя точка глаза – точка расположения объекта , при которой наблюдается покой аккомодации. Это бесконечность. Аккомодационный аппарат расслаблен. Ближняя точка глаза – точка расположения объекта, в которой достигается максимум аккомодации. Дальнейшее приближение объекта не сопровождается аккомодацией. Аккомодационный аппарат максимально напряжён. Рас положение ближней точки глаза очень зависит от возраста. Точка (расстояние) наилучшего зрения – 25 см. При таком расстоянии цилиарная мышца находится в средней степени напряжения, поэтому она может длительное время работать без утомления.

ТИПЫ РЕФРАЦИИ ГЛАЗА определяют в покое аккомодации А 1 2 3 Б 1. Эмметропия – нормальное преломление: параллельный пучок света фокусируется на сетчатку 2. Миопия (близорукость) – параллельный пучок света фокусируется перед сетчаткой. Две причины: 1. слишком сильное преломление 2. анатомически длинное глазного яблока. Коррекция А – рассевающая линза 3. Гиперметропия (дальнозоркость) –параллельный пучок света фокусируется за сетчаткой. Две причины: 1. слишком слабое преломление 2. анатомически короткое глазное яблоко. Коррекция Б – собирающая линза

Гиперметропия (дальнозоркость) и её коррекция с помощью выпуклой (+) линзы

Миопия (близорукость) и её коррекция с помощью вогнутой (-) линзы

КОРРЕКЦИЯ БЛИЗОРУКОСТИ нормальное зрение близорукость

КОРРЕКЦИЯ ДАЛЬНОЗОРКОСТИ нормальное зрение дальнозоркость

КОРРЕКЦИЯ АСТИГМАТИЗМА нормальное зрение астигматизм

РОЛЬ СЕТЧАТКИ В ЗРЕНИИ Сетчатка крайне тонка 0, 03 мм - 0, 012 мм, но имеет чрезвычайно сложное строение. Она состоит из 8 слоев, из которых только 1 связан с восприятием зрительных образов. Этот слой образован из мельчайших световоспринимающих клеток – зрительных рецепторов , которые называются в соответствие с их формой палочками и колбочками. Общее количество рецепторов около 126 млн. Палочки и колбочки неравномерно распределенных по сетчатке. Они также специализированы по выполняемой ими функции – палочки отвечают за сумеречное (черно-белое) зрение, а колбочки – за дневное (цветовое) зрение. палочка колбочка

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАЛОЧЕК И КОЛБОЧЕК В СЕТЧАТКЕ палочки колбочки

ТРЕХКОМПОНЕНТНАЯ МОДЕЛЬ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ Длины волн видимого цвета заключены в интервале от 380 нм до 760 нм Длина волны, н. м. Цвет 760 -620 Красный 620 -585 Оранжевый 585 -575 Желтый 575 -550 Желто. Зеленый 550 -510 Зеленый 510 -480 Голубой (Сине -Зеленый) 480 -450 Синий 450 -380 Фиолетовый Относительное поглощение света в трех типах колбочек сетчатки. Максимум поглощения света в палочках лежит на 496 нм – между максимумами для колбочек, поглощающих синий и зеленый свет

ОСТРОТА ЗРЕНИЯ Острота зрения отражает способность оптической системы глаза строить четкое изображение на сетчатке, то есть характеризует пространственную разрешающую способность глаза. Измеряется путем определения наименьшего расстояния между двумя точками, достаточного для того, чтобы они не сливались (лучи от них попадали на разные рецепторы сетчатки). Это расстояние зависит от удаленности точек от глаза, поэтому универсальной характеристикой остроты зрения служит угол, который образуется между лучами, идущими от двух точек предмета к глазу, - угол зрения. Чем меньше этот угол, тем выше острота зрения. В норме этот угол равен 1 минуте (1'). Количественной оценкой остроты зрения служит величина, обратная минимальному углу зрения V = l / ω. ω ω(

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТРОТЫ ЗРЕНИЯ Острота зрения определяется по таблице с тестовыми знаками. Таблица состоит из двух частей: ряды строк с печатными буквами русского алфавита, другая – с кольцами Ландольта. Против каждого ряда тестовых знаков указаны значения остроты зрения от 0, 1 до 2, 0, рассчитанные для расстояния, равного 5 м. V=1, 0 Третья снизу строчка таблицы отвечает остроте зрения равной единице, т. к. её знаки на расстоянии 5 метров видны под углом 1 минута.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!