Основи на геометричната оптика. Пречупване и отражение на светлината. Нишкова оптика. Ендоскопи



страница1/3
Дата29.08.2017
Размер0.73 Mb.
  1   2   3

Медицинска физика. Иван Танев Иванов. Тракийски университет. 2016




ГЛАВА 6. ОПТИКА


    1. Основи на геометричната оптика. Пречупване и отражение на

светлината. Нишкова оптика. Ендоскопи

Електромагнитните вълни с дължина на вълната от 1 mm до 1 nm се обозначават обикновенно като оптично лъчение или светлина. Разпространението на светлината в различни среди се изучава в геометричната оптика, това е физична дисциплина изградена на основата на следните четири основни принципа:

1. В хомогенна оптична среда, светлината се разпространява праволинейно, под формата на светлинeн лъч.



Фиг. 6. 1. 1. Пречупване и отражение на светлинен лъч на границата между две прозрачни оптични среди.

2. Когато два лъча с ниска интензивност се пресекат в дадена точка, след разделянето си техните параметри (честота, интензивност, фаза) не се променят - принцип за независимостта на светлинните лъчи. Например, когато се наблюдава очното дъно в отразена светлина (фундусов рефлекс), падащата и отразената светлина не си влияят. При лазерните лъчи с голяма интензивност, този принцип се нарушава (нелинейна оптика).

3 и 4. На границата между две различни прозрачни среди светлинният лъч се пречупва (3-ти принцип) и отразява (4-ти принцип).


Фиг. 6. 1. 2. Дисперсия на лъч бяла светлина на множество цветни лъчи при пречупване през стъклена призма.

Нека имаме две различни оптични среди, в които светлината се разпространява с различна скорост - С1 в първата среда и С2 във втората (фиг. 6.1.1). Нека върху междинната граница на две такива среди пада лъч монохроматична светлина. Както е показано на фигурата, на границата светлинният лъч частично се отразява и пречупва. Законът за отражението гласи, че падащият, отразеният и пречупеният лъч лежат в една равнина при което ъгълът на падане () е равен на ъгъла на отражение (). Законът за пречупване (закон на Снелиус) гласи, че ъгълът на падане () и ъгълът на пречупване () са свързани с равенството sin /sin = С1/С2 = n21. Безразмерното число n21 се нарича относителен показател на пречупване на втората среда спрямо първата. Ако първата среда е вакуум (С1 = Со), тогава n20 = Со/С2 = n2 се нарича абсолютен показател на пречупване на втората среда. Този показател е равен на 1 за въздушна среда, на около 1.33 за вода, на 1.5 за леко стъкло (флинт стъкло) и достига до около 5 за оптично плътните среди, например кроново или тежко стъкло. За много оптични среди, n зависи от честотата поради което ъгълът на пречупване е различен за отделните дължини на вълната . В такъв случай един лъч бяла светлина при пречупване се разпада на множество лъчи с различен цвят - дисперсия на светлината (фиг. 6.1.2).

Способността на дадена прозрачна среда да разлага бялата светлина на съставните й цветни лъчи се характеризира с т.н. коефициент на дисперсия V (число на Аббе):


където nD е показателят на пречупване за жълтата линия = 589.3 nm, nF - за синята линия = 486.1 nm и nC - за червената линия = 656.3 nm. Числото на Аббе е толкова по-голямо, колкото средата по-силно разлага светлината и колкото е по-силна хроматичната аберация на средата.

Законите на отражение и пречупване остават в сила, ако светлинния лъч се пусне в обратна посока - принцип на обратимостта.

При огледалата, практически цялата паднала светлина се отразява. В повечето оптични уреди обаче отразената светлина трябва да е достатъчно слаба, защото представлява нежелана загуба на енергия. При отражение от диелектрични среди, колкото С1 е по-близка до С2 (както е при различните слоеве на окото), толкова отразената светлина и съответно загубите са по-малки. На основата на това правило в оптиката се използват лещи с тънко, многопластово покритие - просветлена оптика, което намалява загубата от отразена светлина.



Фиг. 6.1.3. Отражение и пречупване на светлинен лъч (лъч 1) на границата между стъкло (n = 1.5) и въздух (n = 1.0). Лъчът 2 посочва критичния ъгъл, при който настъпва пълно вътрешно отражение на светлината (лъчите 2 и 3).

При преминаване на светлинния лъч от оптично плътна среда към оптично по-малко плътна среда (n1 > n2), ъгълът на пречупване е по-голям от ъгъла на падане (фиг. 6.1.3, лъч 1). При определен ъгъл на падане, наречен критичен ъгъл, кр, ъгълът на пречупване = 90° (фиг. 6.1.3, лъч 2). При по-големи ъгли на падане, пречупване не настъпва и лъчът изцяло остава в оптично по-плътната среда (фиг. 6.1.3, лъч 3). Това явление се нарича пълно вътрешно отражение. Очевидно, sin кр = n2 / n1.

Концентрацията на лекарствени вещества, аминокиселини, захари и др., може да се определи, като се измери кр на техния разтвор по отношение на една среда от оптично плътно стъкло (рис. 6.1.4). При този метод, наречен рефрактометрия, втората среда е тежко стъкло (n2 около 5), а първата среда е разтвор, чийто показател на пречупване и съответно граничен ъгъл са различни в зависимост от търсената концентрация. Подобни уреди (рефрактометри) се използват в офталмологията за определяне на оптичните параметри на очите. Призми с пълно вътрешно отражение се използват в операционните микроскопи, където пътят на светлинните лъчи може да се мени в зависимост от наблюдавания вътрешен орган.


Фиг. 6.1.4. Използване на пълното вътрешно отражение за определяне на концентрацията на разтвор (в ляво) и за прекарване на лъч светлина през оптично влакно (в дясно).

Пълното вътрешно отражение се използва за прекарване на светлинни лъчи през гъвкава прозрачна нишка с диаметър 5-6 m (светопровод, оптично влакно) – фиг. 6.1.4. Светопроводът се състои от два концентрични слоя от стъкло, като вътрешният слой е оптично по-плътен спрямо външния, което осигурява оставане на лъча в него. Сноп от светопроводи съставят гъвкав оптичен кабел (световод), който се използва за предаване на образ на разстояние (фиг. 6.1.5). Подобен световод (гъвкав перископ) се използва при наблюдаване и фотографиране на стените на тръби и вътрешни органи на човек (кръвоносни съдове, стомах, сърце) при наблюдение на малки обекти и кухини (ухо, око, нос) с микроскоп-игла (биомикроскоп). В някои съвременни спектрофотометри, се използват световоди, чрез които може да се променя конфигурацията на оптичната схема и функцията на апарата - нишкова оптика.




Фиг. 6.1.5. Устройство на оптичен кабел.

Ендоскопите (рис. 6.1.6) са гъвкави стерилни тръби, в които се използват оптични кабели за инвазивно наблюдение на вътрешни органи. Съдържат обикновено четири канала. В отделните канали са вмъкнати: първи канал - оптичен световод за осветяване със «студена» светлина; втори канал - втори световод за наблюдение; трети канал - канал за биопсия. При необходимост, допълнителният четвърти канал се използва за вкарване на терапевтичен лазерен лъч, електрокоагулатор, промиващ разтвор, въздух за нагнетяване и др. Студената светлина е така филтрирана, че да не съдържа инфрачервени лъчи, за да не се загрее осветяваното място.

По принцип, ендоскопите са абсолютно необходимо средство при извършване на т.н. неинвазивна хирургия, (лапароскопия, лапаротомия) при която се правят минимални разрези и хирургични интервенции и се съкращава силно възстановителния период след операцията. В съвременната медицина се използват различни видове ендоскопи: фиброгастроскопи, фиброколоноскопи, ректоскопи.





Фиг. 6. 1. 6. Схематично устройство на ендоскоп.

При някои съвременни ендоскопопи на челото на гъвкавата тръба се поставят светодиоди и миниатюрни телевизионни камери. Светодиодите служат за осветяване на наблюдаваната кухина, а телевизионната камера създава широкоъгълен образ, който се показва на екран в другия край на ендоскопа.


6.2. Оптични лещи и техните оптични недостатъци
Оптичната леща е прозрачно тяло, заградено от две изкривени повърхности. Главната функция на лещите е да фокусират светлинните лъчи чрез пречупване. Най-често повърхностите са сферични, тъй като лещи с такива повърхности се произвеждат най-лесно. Лещите със сферични повърхности обаче имат специфични оптични недостатъци – сферична аберация и изкривяване на фокалната равнина. Лещи направени с параболични повърхности нямат такъв недостатък, но се шлифоват по-трудно.

Най-общо, лещите биват събирателни и разсейвателни. Ако светлинен сноп от успоредни лъчи премине през оптична леща, всеки отделен лъч светлина се пречупва от лещата. При т.н. събирателни (положителни) лещи пречупените лъчи на изходящия сноп се събират в една точка F, наречена действителен фокус (рис. 6.2.1 - А). При т.н. разсейвателни (отрицателни) лещи тези лъчи се разсейват, като техните продължения се събират в точка, наречена недействителен фокус F (рис. 6.2.1 - Б). Видът на лещите - събирателни или разсейвателни зависи от това дали техните повърхности са изпъкнати (с положителна кривина и радиус), вдлъбнати (с отрицателна кривина и радиус) или плоски.





Фиг. 6. 2. 1. Ход на светлиннните лъчи при събирателна (А) и разсейвателна (Б) оптична леща.

Главните (кардинални) елементи на една оптична леща са:

1. Главна оптична ос – това е общата нормала към двете повърхности на лещата;

2. Главна равнина - равнината, в която се пресичат падащите и пречупените лъчи;

3. Оптичен център - пресечната точка на главната оптична ос с главната равнина на лещата;

4. Фокална равнина - равнината, успоредна на главната и преминаваща през фокуса.



Фиг. 6. 2. 2. Видове сферични лещи. Под всяка леща е показан знакът на радиуса на челната и задната повърхност.

Фокусното разстояние f е разстоянието между фокуса и оптичния център. За т.н. тънки лещи то е свързано с радиусите R1 и R2 на кривината на сферичните повърхности на лещата по формулата:
1/ f = (n - no). (1 / R1  1 / R2) = Ф
В тази формула Ф се нарича оптична сила (пречупвателна способност) на лещата и се измерва в диоптри, когато f е в метри. На рис. 6.2.2 са показани видовете сферични лещи използвани в практиката и знаците “” или “” на радиуса на тяхната челна (R1) или задна повърхност (R2). Двойно изпъкнатата леща често се нарича монокъл, а изпъкнато-вдлъбнатата – мениск. Показателят на пречупване n на лещата трябва да има по-голяма стойност от този на околната среда (nо) за да се получи по-голяма оптична сила. За въздушна среда nо = 1. Очната леща има голяма оптична сила благодарение на белтъка кристалин, разтворен в нея. Изпъкналостта на очната леща, т.е., радиусите R1 и R2 могат да се променят, така че се променя и оптичната сила на лещата когато окото се акомодира на близко или далечно виждане.

Под оптична система (око, микроскоп и др.) се разбира подходяща съвкупност от оптични елементи (лещи, призми, огледала, светлинни филтри, бленди и др.), с помощта на които се получава образ на даден предмет. Ходът на лъчите в тях (лъчевата диаграма) се получава на основата на законите за отражение и пречупване на светлината. Обикновено, оптичните системи са центрирани, това значи, че фокусите на всички лещи и оптичните им оси лежат на една обща права линия. За направа на прозрачните оптични елементи се използва такъв материал, който пропуща светлината от съответната оптична област. Например, за видимата светлина, лещите и призмите се изготвят от обикновено стъкло, докато кварцовото стъкло се използва за светлина от ултравиолетовата и близката инфрачервена област, а солите на алкалните метали за светлина от далечната инфрачервена област.

Светлинните лъчи, излизащи от една точка А на даден предмет (обект) могат да се пречупят през дадена леща и да се съберат в друга точка А' (образ на точката А). На Фиг. 6.2.3 е показано как с помощта на два лъча може да се намери образът на предмет, получаван чрез събирателна леща. В случая Б предметът се намира далече пред предния фокус на лещата и неговият образ е обърнат, умален и действителен. Действителен е този образ, който може да се проектира и види върху екран. Ако на мястото на екрана се постави фотографска плака, този образ ще се фотографира. Така се създава образ на наблюдавания предмет от лещата на човешкото око и от обектива на фотографските апарати. Ако обаче предметът се намира близо пред предния фокус на лещата, образът е увеличен. Така се създава увеличен образ на наблюдавания предмет от обектива на светлинния микроскоп. В случая А предметът се намира между фокуса и оптичния център на лещата и неговият образ е прав, увеличен, но недействителен. Той може да се види от човешко око, намиращо се близо зад лещата, като се гледа по продължението на лъчите, там където те се пресичат. В този случай лещата се нарича увеличително стъкло или лупа. Отношението на отсечките АВ /АВ се нарича увеличение на лупата (обикновено от 3 до 10 пъти). При микроскопите освен първа леща, обектив, се използва и втора леща – окуляр, която действа като увеличително стъкло (лупа) и увеличава образа, създаван от първата леща.




Фиг. 6. 2. 3. Лъчеви диаграми за намиране образа на обект получаван с помощта на събирателни лещи. (А) – обектът е между предния фокус и лещата, (Б) – обектът е далеч пред предния фокус.
Отношението между фокусното разстояние и диаметъра на лещата (f/D) се нарича относителен отвор (f-отношение, f-число). Изразява се като дроб с числител фокусното разстояние (f) и знаменател отношението f/D. Обратната величина, повдигната на квадрат, (D/f)2, се нарича светосила.
Фиг. 6. 2. 4. Сферична аберация при събирателни и разсейвателни лещи.

Лещи с малък относителен отвор (голяма светосила) създават малки по размери, но ярки образи. Лещите с голям относителен отвор (малка светосила) създават бледи образи, които имат големи размери. Такива лещи имат голяма разделителна способност, защото позволяват да се видят по-дребни детайли в обекта, ако той е достатъчно силно осветен. Лещата на човешкото око е пригодена за дневно виждане и е с голям относителен отвор. Обратно, очната леща на будуващите нощем животни имат малък относителен отвор.

Ако лещата е идеална, на всяка точка от наблюдавания обект ще съответства една точка от неговия образ. В такъв случай получавания образ ще бъде без недостатъци. Това правило се нарушава при реалните лещи, които имат следните оптични недостатъци (аберации): сферична аберация, хроматична аберация, кома, астигматизъм, изкривяване на образното поле и дисторсия.

1. Сферична аберация (Фиг. 6.2.4 и фиг. 6.2.6) – дължи се на това, че светлинните лъчи, които преминават през сферичната леща на различно разстояние от центъра й не се събират в един и същи фокус. При събирателните, както и при разсейвателните лещи, крайните лъчи се пречупват по-силно от централните, което води до изместване на фокуса за крайните лъчи спрямо този при централните лъчи. На фиг. 6.2.4 е показано, че при една събирателна леща фокусът за крайните лъчи ще бъде изместен в противоположна посока спрямо изместването при една разсейвателна леща. С други думи, знакът на сферичната аберация при събирателните лещи е противоположен на този при разсейвателните лещи.




Фиг. 6. 2. 5. Хроматична аберация при събирателни и разсейвателни лещи.

2. Хроматична аберация (Фиг. 6.2.5). Дължи се на това, че светлинните лъчи с различен цвят не се събират в един и същи фокус. Причината е в дисперсията на светлината - зависимостта на показателя на пречупване n на лещата от дължината на вълната , при което лъчите със син цвят се пречупват по-силно отколкото червените. Като следствие, фокусът за червените лъчи е изместен спрямо фокуса за сините лъчи. И при този недостатък, изместването на фокуса при разсейвателните лещи е в посока, обратна на тази при събирателните лещи, т.е., хроматичната аберация има противоположен знак при разсейвателните спрямо събирателните лещи.




Фиг. 6. 2. 6. Сферична аберация (в ляво) и кома ( в дясно) при събирателна леща.

Всяка една отделно взета сферична леща притежава както сферична, така и хроматична аберация. На практика, в сложните оптични уреди (светлинни микроскопи, проектори и др.) се използват не отделни, изолирани лещи, а двойни или тройни лещи. Всяка двойна леща (дублекс) се състои от една събирателна и една разсейвателна леща, плътно долепени една за друга. По принцип този вид двойни лещи са лишени от сферична аберация, а хроматичната аберация е отстранена частично, примерно за два или за три цвята. Отстраняването на тези недостатъци се дължи на факта, че всеки един от тях има противоположен знак при събирателните спрямо този при разсейвателните лещи. Събирателната и разсейвателната лещи на всеки дуплекс са изработени от стъкла с различен показател на пречупване (флинтово стъкло и кроново стъкло) или от стъкло, което съдържа флуор или лантан. Дублексът (оптичната система), при която хроматичната аберация е коригирана за две различни дължини на светлинната вълна (за два цвята) се нарича ахромат; при него има остатъчна хроматична аберация за останалите цветове. Оптична система от две или три лещи, при която хроматизмът е равен на нула за три цвята се нарича апохромат.  Лещата на човешкото око е ахроматична за червения цвят и хроматична за синия.

3. Кома. Това е частен случай на сферичната аберация и се проявява когато падащият сноп лъчи е наклонен към оптичната ос (фиг. 6. 2. 6). Крайните лъчи от сноп светлина, падащ косо към оптичната ос, се пречупват по-силно от централните поради нееднаквото пречупване на отделните зони на лещата. Лъчите преминаващи през различните зони на лещата се фокусират в различни точки. Крайните лъчи, падащи под голям ъгъл (50-70о) спрямо оптичната ос дават образ на точка, който представлява петно със специфична форма, наподобяващо комета - ярко петно с ветрилообразна опашка. Комата се отстранява както се отстранява сферичната аберация – използват се дублекси от лещи с различен показател на пречупване n и различни радиуси на сферичните повърхности. Освен това, във всеки оптичен уред се използват пръстени (бленди, диафрагми), които пропущат само централните лъчи падащи под малък ъгъл спрямо оптичната ос. При окото, зеницата играе роля на такава бленда. Леща с коригирана кома и сферична аберация се нарича апланат.



Фиг. 6.2.7. Астигматизъм на косите лъчи.

4. Астигматизъм (от гръцката дума стигма = точка, петънце и суфикса а = без). Дължи се на нееднаквата пречупваща сила на лещата в различните сечения, минаващи през главната й оптична ос. Това се получава, когато повърхността на лещата не е с еднаква кривина в две взаимно перпендикулярни равнини и има различни фокусни разстояния в тези равнини. Точно такава е причината за появява на астигматизъм при човешкото око, когато роговицата има несферична форма. Например, ако една леща се разтегне в хоризонтално направление по главната си равнина, ще се получи цилиндрична леща. При това пречупващата сила на лещата в хоризонталното сечение ще намалее, защото r ще нарасне. За даден обект такава леща ще създава не един образ, а голям брой образи отместени хоризонтално, които ще се наслагват. Този недостатък може да се избегне, като хоризонтално разтегнатата леща се комбинира с втора цилиндрична леща, която е свита в хоризонтално направление. Леща или комбинация от лещи, лишени от астигматизъм се нарича анастигмат.

Астигматизмът се проявява и в още един случай, когато падащият сноп лъчи е наклонен към оптичната ос (фиг. 6.2.7). Дължи се на това, че лъчите от две взаимно перпендикулярни надлъжни сечения на снопа светлина, например във вертикалната и хоризонталната равнина, не се фокусират в една точка. И в този случай астигматизмът се изразява в това, че образът на точка не е точка, а петно с формата на кръг, елипса или отсечка.



Фиг. 6. 2. 8. Дисторсия на образа. А) наблюдаван предмет; б) положителна дисторсия, в) отрицателна дисторсия

5. Изкривяване на образното поле. При сферичните лещи се дължи на това, че множеството от фокусите на лъчите, падащи под различен ъгъл към оптичната ос на лещата не е равнина, а част от сфера, чийто краища са по-близо до лещата. С други думи фокалната равнина при тези лещи се превръща в част от сфера. Тъй като екраните и фотоматериалите са плоски, когато изображениетo в центъра е рязко, в краищата ще е размазано и обратно. При човешкото око ретината лежи върху задната сферична повърхност на стъкловидното тяло и поради това липсва изкривяване на образното поле.

6. Дисторсия. (Изкорубване). Дължи се на това, че линейното увеличение на лещата не е постоянна величина, а се променя в зависимост от височината на наблюдавания предмет. Поради това, фигура с форма на квадрат се изобразява като сферично изпъкнал, или вдлъбнат, четириъгълник (Фиг. 6.2.8). Дисторсията бива положителна (възглавницообразна) и отрицателна (бъчвообразна). Положителна е, когато с нарастване на наклона на светлинния лъч нараства и линейното увеличение, и обратно. Дисторсията се отстранява главно с поставяне на диафрагма (бленда). Ако блендата е между лещата и обекта, дисторсията е отрицателна; ако блендата е между лещата и образа - положителна. Дисторсия не се наблюдава, когато диафрагмата е поместена в оптичния център на оптичната система, например при система от две еднакви лещи с диафрагма между тях. Такова изображение се нарича ортоскопично.

Всяка оптична система трябва да има минимални оптични недостатъци, т.е., да има баланс на своите аберации. Това се постига, като се използват подходящи комбинации от лещи (събирателни и разсейвателни), подходящ вид стъкло за направа на отделните лещи и понякога, чрез използване на несферични лещи с параболични повърхности. Използват се и диафрагми, ограничаващи крайните лъчи.


6.3. Окото като оптична система. Акомодация и пречупваща сила на човешкото око. Оптични недостатъци на окото и начини за тяхното коригиране.
Окото представлява сложна оптична и физиологична система за преобразуване енергията на видимото оптично лъчение в нервно-електрични импулси. Чрез зрителния нерв импулсите достигат до зрителния център в мозъка и дават сведения за формата, големината и цвета на обектите и тяхното разположение в пространството. Над 80 % от информацията, която човек получава за външния свят се дължи на зрението.


Фиг. 6. 3. 1. Напречен разрез на човешко око.
Най-важният момент при зрението е поглъщането на светлината от фоточувствителното вещество, зрителния пигмент. За тази цел светлината навлизаща в окото се насочва към зрителния пигмент чрез пречупване върху няколко гранични повърнини. Отвън окото е обвито от непрозрачна обвивка (склера), която в предната си част е изпъкната и прозрачна - роговица (Фиг. 6.3.1). В целия обем затворен от склерата се създава свръхналягане (вътреочно налягане), което поддържа склерата в изпънато състояние. Под склерата има втори слой, който в предната си част е оцветен и съдържа отвор - зеница. Зеницата играе роля на променлива диафрагма, ограничаваща потока от светлинни лъчи през очната леща и намаляваща оптичните аберации. Очната леща е съставена от плътно подредени прозрачни клетки, в цитозола на които се съдържа разтворимият белтък кристалин (около 30 %), осигуряващ висок коефициент на пречупване на светлината. Очната леща може да променя радиуса на своите две повърхности благодарение на страничните мускули (цилиарни тела), чието свиване води до свиване на лещата и увеличаване на нейната пречупваща сила. Пред очната леща се намира предната камера, пълна с воден разтвор, а зад нея - задна камера, запълнена със стъкловидно вещество (стъкловидно тяло).

Вътрешната повърхност на стъкловидното тяло е покрита с ретина - слой от зрителни клетки (фоторецептори). В зрителните клетки се намира светлочувствителен (зрителен) пигмент, белтъчно вещество което поглъща светлината.

Светлинните лъчи преминаващи през зеницата на окото се фокусират главно от очната леща (и в по-слаба степен и от роговицата) върху ретината, съответно върху слоя от зрителни клетки. Така образа на наблюдаваните обекти се получава винаги върху ретината. Фотоните на светлината, попадащи върху дадена зрителна клетка се поглъщат от молекулите на зрителния пигмент, при което пигментът променя своята конформация. С това се дава начало на фотобиологичния процес в зрителната клетка. В резултат на това зрителната клетка генерира фоторецепторен потенциал. От своя страна този фоторепторен потенциал достига до слоя от нервни клетки, разположени в близост до фоторецепторните клетки. Нервните клетки преобразуват фоторецепторния потенциал в нервноелектрични импулси, които по зрителния нерв достигат до зрителния център на главния мозък. Главният мозък се свързва със зрителните клетки посредством зрителния нерв, който влиза в окото и достига до ретината в участъка наречен сляпо петно. Естествено, в сляпото петно няма зрителни клетки и обекти, чийто образ попада на това място не се виждат.

Зрителните клетки на ретината биват два вида, обозначавани съобразно тяхната форма като пръчици и колбички. В действителност, те се различават и по вида на съдържащия се в тях светочувствителен пигмент. Пръчиците са много повече на брой от колбичките и съдържат само един вид пигмент, способен да улавя главно светлината от по-късовълновия край на видимия спектър. Зрителните клетки от вида пръчици имат по-равномерно разпределение по ретината и са отговорни за периферното зрение и за гледане при слаба светлина. Колбичките, съобразно вида на съдържащия се в тях зрителен пигмент се подразделят на три вида. На тях се дължи цветното зрение при ярка светлина. Те са концентрирани предимно на едно място, наречено жълто петно. Обекти, чийто образи попадат в жълтото петно се виждат най-ясно и в цвят. Ето защо, зрителната ос на окото минава през жълтото петно и не съвпада с неговата оптична ос (рис. 6.3.1).






Фиг. 6. 3. 2. Опростена оптична схема на Фиг. 6. 3. 3. Схема на редуцирано око и

човешко око. получаване на образ в него.
Малко известна но изключително важна особеност на зрението е това, че ако образът създаден върху ретината е неподвижен (статичен), той не предизвиква зрително усещане. Това вероятно се дължи на механизма на преработка на фоторепторния потенциал в нервни импулси в съседния слой от нервни клетки. За да има зрително възприятие, трябва образът или да се премества от една място на ретината към друго или да се мени интензивността на светлината. Такива условия са налице, когато обектът на наблюдение е подвижен. При неподвижен обект на наблюдение, за да се поддържа зрителното възприятие, самото око извършва непрекъснати и бързи движения (тремор) с което насочва зрителната си ос в различни направления и кара образа на обекта да се мести по ретината.

Оптичната система на окото се състои от две лещи - роговицата (изпъкнато вдлъбната, събирателна леща) и очната леща (двойно изпъкната, събирателна леща) (рис. 6.3.2). С тази комбинация от две лещи (дублекс) се отстранява хроматичната аберация за червения цвят, но не и за синия цвят. Сферичната аберация е напълно отстранена, тъй като очната леща е нехомогенна – клетките разположени в центъра на лещата съдържат повече кристалин, което увеличава пречупването на централните лъчи. Изкривяването на образното поле също е отстранено поради сферичността на ретината. Комата е отстранена с помощта на зеницата.

Тъй като наблюдаваните предмети се намират далеч пред предния фокус на оптичната система на окото, тя създава върху ретината умален, действителен и обърнат образ на обекта. Това може да се обясни, като тази система се замести от една единствена въображаема леща, наречена редуцирано око (рис.6.3.3). Действително, в първите седмици след раждането си, децата виждат обектите обърнати, след което настъпва нервно-физиологично обръщане на зрителното възприятие.
Табл. 6.3.1. Оптични недостатъци на окото


Зрителен дефект

Немедицинско название

Физична причина

Физична корекция


Миопия

Късогледство

Удължена очна ябълка или силно изкривена роговица

Разсейвателна леща

Хиперопия

Далекогледство

Плоска очна ябълка или недостатъчно изкривена роговица

Събирателна леща

Астигматизъм

-

Роговица с несферична, различно изкривена повърхност

Цилиндрична леща

Пресбиопия

Старческо зрение

Липса на акомодация

Събирателна леща (очила за четене)

Тъй като оптичният център на редуцираното око е разположен по-близо до роговицата, отколкото до ретината, върху ретината се проектира голям по размери образ върху площ съдържаща голям брой зрителни клетки. Така, относителният отвор на човешкото око е голям (голямо фокусно разстояние, малка леща) и съответно способността му да събира светлина е ниска. За сметка на това, разделителната му способност, т.е., способността му да различава две близко разположени точки от наблюдавания обект, е много висока. Това е характерно за гледане, пригодено за дневни условия. При животни, адаптирани към нощно виждане (мишки, котки), относителният отвор на техните очи е малък (малко фокусно разстояние, широка леща) и техните очи имат силна способност да събират светлина, но ниска разделителна способност.



   

Фиг. 6. 3. 4. Коригиране на далекогледство със събирателна леща (А) и на късогледство с разсейвателна леща (Б).
Както при бинауралния ефект, гледането с две очи дава възможност за определяне на разстоянието до предметите и за установяване на взаимното разположение на предметите в дълбочина. Това е т.н. стереоскопичен ефект, или триизмерно обемно зрение, виждане с перспектива. При човек и много животни (ловци, хищници) главните оптични равнини на двете очни лещи са разположени в една и съща плоскост, успоредна на лицевата равнина. Това намалява ъгъла на зрение, но позволява стереоскопично наблюдение, защото в двете очи се създава един и същ образ на наблюдаваното поле. При други животни и птици (най-вече жертви на хищници) очите са разположени странично на лицето, в две различни равнини. Това силно увеличава ъгъла на зрение, освен това във всяко едно от двете очи се създава самостоятелен образ на наблюдаваното поле.

Окото е една самофокусираща се оптична система. Това се дължи на цилиарният мускул, разположен като пръстен около очната леща (Фиг. 6.3.1). Той не се допира до самата леща, но е свързан с нея чрез т. нар. връзки на Цин (цинови връзки). Тези връзки придърпват лещата по нейния екватор и я разтягат радиално. Когато мускулът е отпуснат, радиусът на пръстена е най-голям и лещата е разтегната. При свиване на мускула радиусът на пръстена намалява и очната леща се свива еластично. По този начин радиусът на кривината на очната леща се намалява, оттам се намалява фокусното разстояние и оптичната сила на окото нараства с около 20 %.

Когато гледаме предмет, отдалечен от нас на повече от 8-10 метра (далечна точка на ясното виждане), цилиарният мускул се отпуска, неговият диаметър става най-голям, а циновите връзки разтягат лещата така, че нейната изпъкнатост намалява, съответно фокусното й разстояние става най-голямо. Това състояние на лещата се нарича неакомодирано, а очният мускул си отпочива.

При наблюдение на предмет, намиращ се на разстояние по-малко от метър, окото трябва да увеличи пречупващата си сила за да фокусира образа на обекта върху ретината. Това става като цилиарният мускул се свива, неговият диаметър намалява и циновите връзки отпускат лещата, която поради вътрешната си еластичност се свива. Така повърхностите й стават по-изпъкнати, пречупващата й сила нараства и отново е налице ясно фокусиран образ върху ретината. Това състояние е акомодирано.



Акомодацията на окото дава възможост образът на обекти, различно отдалечени от окото да се създава на едно и също място, върху ретината. При нормално око образът винаги съвпада с ретината (еметропия). При око с нарушена пречупваща сила образът не съвпада с ретината (аметропия), съответно при увеличена пречупваща сила образът е пред ретината (късогледство), а при намалена – зад ретината (далекогледство).


 


Фиг. 6. 3. 5. Астигматизъм на човешко око и неговото коригиране с комбинация от цилиндрична и сферична леща.
При максимално свиване на цилиарния мускул, задното фокусно разстояние на очната леща се намалява с около 20 %, при което върху ретината се проектира образа на точка отдалечена на около 92 мм от върха на роговицата (близка точка на ясното виждане). Разстоянието между близката и далечната точки на ясно виждане, изразено в диоптри, е силата (обема) на акомодацията - обикновено около 11 диоптъра. За нормалното око, разстоянието от 25 см между обекта и окото е най-удобното разстояние за четене и работа с дребни предмети – това е разстоянието на най-ясното виждане.

Най-честите оптични дефекти на окото са посочени в табл. 6.3.1. Един от тези недостатъци се изразява в това, че при акомодация на безкрайност, задния фокус не съвпада с ретината. При късогледство, този фокус е пред ретината (увеличена пречупваща сила), а при далекогледство - зад нея (намалена пречупваща сила). В първия случай, върху ретината се проектират само близко разположените предмети, които се виждат ясно. За да се виждат ясно и далечните предмети при късогледство, пред окото се поставя разсейвателна леща, която намалява пречуващата сила на окото (Фиг. 6.3.4 ляво). При далекогледство, всички предмети се виждат неясно, особено близкоразположените. Намалената пречупваща сила в този случай се компенсира с подходяща събирателна леща (Фиг. 6.3.4 дясно).

В някои случаи, пречупващата сила на окото, измерена в хоризонталната и вертикалната равнини е различна - астигматизъм. Компенсира се чрез цилиндрична леща, която има пречупваща сила в тази меридионална равнина, в която окото пречупва по-слабо (Фиг. 6.3.5). Обикновенно, този недостатък се съчетава и с късогледство, което се коригира със събирателна леща. Двете лещи, коригиращи астигматизма и късогледството се съчетават в една обща леща, която има подходящо изработени повърхности.

Офталмоскопът и офталмометърът са изобретени от френския физик Helmholtz (1851). При офталмоскопа (Фиг. 6.3.6) светлината се насочва към очното дъно. Отразената от очното дъно светлина се фокусира в ясен образ, в който се различават ретината и прилежащия слой от нервни клетки и кръвоносни съдове. С помощта на този ценен инструмент се установяват нарушения на кръвоносните съдове при високо артериално налягане. По-нов метод за тази цел е флуоресцеиновата ангиография, при която в кръвоносната система на пациента се инжектира луминесциращото вещество флуоресцеин и веднага се започва наблюдение на очното дъно с флуоресцентен офталмомикроскоп. Навлизането на флуоресцеина по кръвен път в отделните тъкани на очното дъно ги прави видими, така се установява проходимостта на съдовете и проницаемостта на тъканите на окото. Чрез ултразвукова ехография А или Б на окото се установява отлепване на ретината. Отлепената ретина се фиксира чрез лазерен лъч, който денатурира термично белтъците в определена точка на ретината и с това ги залепва към основата. При катаракт на окото, кристалина в клетките на очната леща и стъкловидното тяло е променен и става неразтворим. Образуваните агрегати от кристалин разсейват силно светлината и лещата става непрозрачна. В такъв случай, окото може да се изследва само с ултразвукова А и Б ехография.




Фиг. 6. 3. 6. Наблюдение на очно дъно с офталмоскоп.

Оптичната сила Ф на окото се измерва чрез ретиноскоп, а формата и изпъкналостта на роговицата - с офталмометър (кератометър). Офталмометърът позволява измерване на акомодационната способност на окото при предписване на подходящи очила. Тонометърът представлява манометър за косвено измерване на вътреочното свръхналягане, което при заболяването глаукома силно нараства и уврежда началото на очния нерв, предизвиквайки частична или пълна слепота. При електроретинографията се измерва и записва временния ход на електричния потенциал на ретината.


6.4. Фотометрични величини и единици. Спектрална чувствителност на окото. Механизъм на цветното зрение.

Фотометрията е дял от оптиката, в който се изучава преноса на светлинна енергия от една среда в друга. В по-тесен смисъл, фотометрията изучава ефектите на светлината предизвикани в човешкото око. В тази връзка, основните фотометрични величини (светлинен поток, осветеност, интензивност на светлината и др.), които характеризират видимото оптично лъчение, се изучават и използват в медицината като важни хигиенни норми.

Оптичното лъчение се излъчва от светлинни източници и достигайки до дадена повърхност я осветява. Под лъчист (радиометричен) поток Флъч (ват, W) се разбира отношението Флъч = Е/t, където Е е енергията на светлинното лъчение, пренесена през дадена площ за време t, много по-голямо от периода на трептене на светлинната вълна. В този израз Е всъщност представлява броят фотони, умножен по средната енергия на фотоните, това е обективна величина, независима от начина на нейното измерване. Лъчистия поток, пренесен през единица площ, S, се означава като плътност на този поток: G = Ф/S (W/m2), където Ф е лъчистият поток пресичащ безкрайно малката площ S.

Светлина с по-голяма плътност на лъчистия поток се възприема от окото като по-ярка. При една и съща плътност на потока, усещането за яркост обаче зависи от цвета на светлинните лъчи. Под монохроматична (едноцветна) светлина се разбира поток от светлинни лъчи с еднаква дължина на вълната (), т.е, с еднакъв цвят. Когато в окото попада монохроматична светлина, усещането за яркост зависи не само от плътността на потока, но и от . Заради това, когато искаме да изразим количествено светлинното усещане за яркостта на светлината, лъчевият поток (Флъч) се замества с друга една подобна величина, светлинен (фотометричен) поток (Фсв - лумен, lm), която отговаря на зрителната преценка за големината на лъчевия поток: Фсв = V . Флъч. Множителят V се нарича спектрална чувствителност на човешкото око. V зависи силно от дължината на вълната и в графичен вид има камбановиден вид, както е показано на фиг. 6.4.1. За око, адаптирано към ярка светлина (фотопично зрение) тази функция има максимум при 555 nm. При това състояние човешкото око има най-силна чувствителност към жълто-зеления цвят (555 nm), докато към лъчите от синия и червения край на видимия диапазон то е слабо чувствително. Обаче, при око адаптирано към гледане в сумрак (скотопично зрение) тази функция е изместена към по-късите дължини на вълната и има максимум при 507 nm (фиг. 6.4.1). Както виждаме, ефектите предизвикани в човешкото око от светлината имат сложен характер и могат да се опишат с точни и измерими физични понятия.

Светлинният поток е фотометричен еквивалент на лъчевия поток съгласно зрителната преценка на едно „стандартно човешко око”. По същия начин и плътността на светлинния поток е фотометричен еквивалент на плътността на лъчевия поток и се измерва в луксове (lx, lm.m-2). От тази гледна точка, фотометрията може да се дефинира като наука за измерване на видимата светлина в единици, които зависят от светочувствителността на човешкото око, адаптирано към гледане към дневна (ярка) светлина, или към полумрак (здрач, сумрак). По-точно, фотометрията превръща измерените реални (лъчеви) параметри на светлината в субективни (светлинни) параметри, като използва международно приетите стойности за спектралната чувствителност на окото, адаптирано към гледане на силна или слаба светлина. Така например, ако се използва фотопичната светочувствителност на окото, най-голяма тежест ще имат лъчите с жълно-зелен цвят (max = 555 nm), докато при скотопичната светочувствителност най-голяма тежест имат лъчите със синьо-зелен цвят (max = 507 nm) даже когато лъчите с други цветове носят същата енергия.

Нека наблюдаваме дадена площ S от една далечна точка на набюдение, отдалечена от площта на голямо разстояние R. В този случай се казва, че от точката на наблюдение тази площ се вижда под пространствен ъгъл  = S / R2. Пространственият ъгъл се измерва в стерадиани (sr). Нека в точката на наблюдение се намира светлинен източник, който осветява площта S. Ако размерите на светоизточника са пренебрежимо малки в сравнение с разстоянието R до осветяваните предмети, той може да се приеме за точков светоизточник. Под светлинна интензивност на точков светоизточник се разбира светлинния поток Фсв излъчен в единица пространствен ъгъл , т.е., I = Фсв /  (кандела, сd). Неговият лъчев еквивалент се нарича излъчваща мощност и се измерва във ватове на стерадиан (W/sr). Единицата за интензивност на точков светоизточник - кандела (cd) се възпроизвежда със светлинен еталон, представляващ платинено тяло, загрято до температурата на втвърдяване на платината (1773.4°C), при което от площ 1 см2 се излъчва светлина с интензивност 60 кандели.




Фиг. 6. 4. 1. Крива на спектралната чувствителност на човешкото око при адаптация към ярка светлина (фотопично зрение) и към сумрак (скотопично зрение).

Ако светоизточникът има голяма светлоотдаваща повърхност (светещ екран, голямо осветително тяло и др.), той се характеризира със светлинната си способност или светлост, това е светлинният поток, излъчен от единица площ от повърхността му. Измерва се в лумени на квадратен метър (lm/m2). Яркостта на такъв светоизточник се определя като интензивност на светлината, излъчена от единица площ от повърхността му в дадено направление. Измерва се в кандели на квадратен метър (cd/m2). За много отдалечените светоизточници, видими като точкови, е по-правилно да се използва понятието блясък вместо яркост.

Под осветеност (Е -лукс, lx) на дадена повърхност с площ S се разбира светлинния поток Фсв падащ перпендикулярно върху единица площ, т.е., Е = Фсв/S (закон на Кеплер), т.е., това всъщност е локалната плътност на светлинния поток. Когато източникът на светлина с интензивност I се намира на разстояние R от осветяваната повърхност и светлинните лъчи сключват ъгъл с нормалата към тази повърхност, тогава осветеността Е = I . cos () / R2 – закон на Ламберт. Осветеността (плътността на светлинния поток) е фотометричен еквивалент на плътността на лъчевия поток (табл. 6.4.1). Зрителното възприятие при човек зависи изцяло от осветеността на наблюдаваната повърхност. Поради тази причина, посочените по-горе величини и съотношения са основни при определяне на хигиенните норми за осветеност в помещенията за работа и почивка. Нарушаването на тези норми е сигурен фактор за заболяване на очите.


Табл. 6.4.1. Връзка между плътността на лъчистия поток и плътността на светлинния поток при различни светлинни източници.


Светлинен източник

Плътност на лъчевия поток

(W.m-2)



Плътност на светлинния поток (lux)

Пряка слънчева светлина

1000

100 000

Дифузна светлина от небето

100

10 000

Дифузна дневна светлина

10

1000

Пряка светлина от Месечината

0.001

0.1

Пряка светлина от звездите

0.0001

0.01




            Фотометричните величини се измерват с уреди, наречени фотометри, които работят на основата на фотоелектричния ефект. Този ефект се обяснява с квантовата представа за светлината, съгласно която енергията на светлината не е разпределена равномерно в пространството, а е концентрирана в микроскопични обемчета (фотони), които в някои отношение приличат на частици. Всеки фотон носи енергия E = h.. Фотоелектричният ефект представлява избиване на външни, най-слабо свързани към атомите валентни електрони от падащите фотони. За да може да избие такъв електрон, фотонът трябва да има енергия по-голяма от енергията на свързване на електрона към атома. Когато по своя път фотонът улучи валентен електрон на някой атом, той предава цялата си енергия на този електрон. Ако получената порция енергия е достатъчна, електронът напуска атома и се превръща в свободен заряд, увеличавайки електропроводимостта на средата. Всеки фотометър има чувствителен елемент (осезател), който превръща енергията на попадналата върху него светлина в електричен ток, чиято големина е пропорционална на осветеността на осезателя.

Ф
Табл. 6. 4. 1. Цветови зони в спектъра на видимата светлина

От 380 до 450 nm - виолетова


От 450 до 480 nm - синя
От 480 до 510 nm - синьо-зелена
От 510 до 530 mn - зелена
От 530 до 575 nm - жълто-зелена
От 575 до 585 nm - жълта
От 585 до 620 nm - оранжева
От 620 до 760 nm - червена

отометрите, подобно на човешкото око, също имат различна чувствителност към отделните светлинни лъчи в зависимост от техният цвят. При една и съща големина на лъчевия поток светлина, показанието на фотометъра ще зависи от , т.е., ще се получи различна стойност на осветеността. За щастие, спектралната чувствителност на повечето фотометри е подобна на тази на човешкото око и се описва от същата крива, както показаната на рис. 6.4.1. Ето защо, в практиката се използват не лъчевите, а светлинните фотометрични величини (светлинен поток, интензивност на светлинен източник, осветеност), които се измерват чрез фотометрите и дават стойности, подобни на субективните оценки получени при възприемането на светлината от окото.

Най-слабата възприемана от окото светлина е абсолютния праг на виждане. Светочувствителността на окото (остротата на зрение) е величина, обратна на абсолютния праг на виждане, като двете величини са зависими от дължината на светлинната вълна. Окото на човек е способно да възприема светлина, различаваща се по своята интензивност в много широки граници. Това се постига благодарение на зрителната адаптация, която включва следните механизми. При гледане на слаба светлина (скотопично зрение, гледане при сумрак) участие вземат само пръчиците. Поради големия брой на тези клетки, светлочувствителността, съответно зрителната острота при скотопичното зрение, е много висока. Освен това се усилва и синтезът на допълнително количество зрителен пигмент. При полумрак, в гледането се включват и част от колбичките. При гледане с ярка светлина (дневно, фотопично зрение) участват само колбичките, които са около 30 пъти по-малко на брой от пръчиците. В допълнение, зеницата намалява площта си около 16 пъти. Всичко това спомага, заедно с нервно-физиологичното подтискане на възбуждението, щото разликата в интензивностите на най-слабата и най-ярката светлина, възприемани от окото да достига 1012 пъти.

Докато адаптацията към слаба светлина има за цел постигане на висока острота на зрение, адаптацията към ярка светлина дава възможност да се види цвета на наблюдаваните обекти. Как се постига това? При адаптация към слаба светлина, спектралната чувствителност на окото зависи само от светлочувствителността на пръчиците. Тъй като пръчиците съдържат само един вид зрителен пигмент, тази светлочувствителност има само един максимум, намиращ се в синия край на спектъра при 507 nm (рис. 6.4.2 (А), крива 1). С това се обяснява факта, че при слаба светлина наблюдаваните обекти нямат цвят, по-точно изглеждат бледосинкави. Зрителният пигмент на пръчиците е белтъка йодопсин, който в изолирано състояние има спектрална крива на поглъщане, съвпадаща със спектралната крива на светочувствителността на пръчиците. Това съвпадение се обяснява с факта, че фотобиологичния процес в пръчиците започва с поглъщането на светлината от техния зрителен пигмент.




Рис. 6. 4. 2. (А) - Спектрална крива на свето-чувствитнелност на окото при нощно (скотопично) и дневно (фотопично) зрение. (Б) – Диференциална спектрална крива на свето-чувствитнелност на трите вида колбички.

При гледане на силна светлина в зрението участват колбичките. В тях се съдържа друг вид зрителен пигмент – родопсин, който обаче бива три вида. Всеки един от трите вида пигменти има своя собствена крива на спектрално поглъщане, както е показано на рис. 6.4.2 (Б). Съобразно с това колбичките имат различна спектрална чувствителност и биват три вида. Единият вид колбички имат максимум на поглъщане при 562 nm, вторият при 500 nm и третият при 449 nm. С други думи, съобразно своя пигмент отделните видове колбички са чувствителни към червената, зелената или синьо-виолетовата светлина. Това дава възможност предметите да се виждат в различен цвят в зависимост от спектралния състав на светлината, идваща от тях. Най-често светлината съдържа лъчи с различна дължина на вълната. Под спектрален състав на светлината се разбира относителния дял (брой, тегло) на съдържащите се в нея лъчи с различна дължина на вълната (). Съобразно дължината на своята вълна, отделните лъчи се поглъщат от съответния вид колбички, които генерират съответните нервни импулси. В зависимост от това кои лъчи преобладават, ще се получи съответното съотношение на нервните импулси и усещане за цвят. Така, цветното зрение се дължи именно на трите вида колбички в ретината и на различния зрителен пигмент, съдържащ се от всеки един вид колбички. Съответно, цветното зрение е възможно само при този вид гледане, в което участват колбичките, т.е., при фотопическото гледане, когато предметите са осветени с ярка светлина.

При адаптация към силна светлина, спектралната чувствителност на окото отразява общата, интегрална (осреднена по отделните клетки) светлочувствителност на трите вида колбички (рис. 6.4.2 (А), крива 2). Поради малкия брой на тези клетки, тя е много по-слаба от тази при скотопичното зрение.

В интервала на видимата светлина от 380 до 760 nm, човешкото око различава 8 цветови области, показани в Таблица 6.4.1. Откриването на три вида пигменти в колбичките и съответно на три вида колбички при човек е потвърдило т.н. трикомпонентна теория на цветното зрение. Тя е създадена от физиците Юнг и Хелмхолц далеч преди да се открият самите зрителни клетки и се основава на следните физични факти. При разлагане на бяла светлина от дисперсионна призма се получават голям брой цветове, всеки от които съдържа лъчи с определена . Шест от тези цветове се приемат за спектрално чисти цветове, това са цветовете червен, оранжев, жълт, зелен, син и виолетов. При смесване на светлина от два различни спектрално чисти цвята с различна интензивност се получават известен брой междинни цветове. Например, при смесване на лъчи от зелена и червена светлина се получава светлина със жълт цвят (фиг. 6.4.3). Обаче, не всички цветове могат да се получат чрез смесване на светлина само от два цвята. Например, не може чрез смесване на червен и зелен цвят да се получи син цвят. Теорията на Юнг и Хелмхолц почива на предположението, че всички известни цветове могат да се получат чрез смесването на светлина от три специално подбрани спектрално чисти цвята, наречени основни цветове, като се променя тяхната интензивност. Като основни цветове са избрани червения, зеления (в Япония жълтия) и синьо-виолетовия, изхождайки от известното наблюдение, че при намаляване на осветлението, тези цветове изчезват последни.




Фиг. 6.4.3. Получаване на нови цветове чрез смесване на три основни цветове – червен, зелен и син.

Основните резултати на тази теория са илюстрирани с т.н. кръг на цветовете (рис. 6.4.4). Всеки цвят се представя с вектор, започващ от центъра на кръга и имащ определена посока (фазов ъгъл). Големината на вектора отговаря на интензивността на светлината, а фазовия ъгъл – на нейния цвят. Всеки два противоположни лъча отговарят на т.н. допълнителни (комплементарни) цветове. Такива двойки допълнителни цветове са виолетов и жълт, червен и зелен, оранжев и син. Съгласно правилото на комплементарността, сумирането на два кои да са противоположни лъча дава бяла светлина, ако са с еднаква интензивност. Така, белият цвят се изобразява с центъра на цветовия кръг. Обратно, при разлагане на бяла светлина могат да се получат всички видове комплементарни цветове. Ако комплементарните лъчи нямат еднаква интензивност, получава се белезникав цвят, т.е., цвят съдържащ белезникавост. Колкото по-малко е белезникавостта в един цвят, толкова той е по-наситен, толкова е по-изразен е неговия цветови тон.




Фиг. 6.4.4. Кръг на цветовете, където всеки цвят е представен с вектор.

Днес трикомпонентната теория на Юнг и Хелмхолц е експериментално потвърдена и на нейна основа действат цветните телевизори и монитори, при които всички цветове се получават чрез смесване на три основни цвята: червен, зелен и виолетово-син. При някои хора вместо три цветови пигмента се установяват само два пигмента. При това заболяване (дихроматизъм) се различават само два основни цвята и техните междинни оттенъци. Например, при далтонизма отсъства пигментът за червения цвят. В редки случаи се срещат хора само с един зрителен пигмент – монохроматизъм. При някои биологични видове, зрителният пигмент и съответно зрението имат други особености, което се отразява на тяхното поведение. При котки, зрителните клетки са само от вида пръчици, при което цветното зрение е невъзможно, но скотопичното (нощно) зрение е много силно. Обратно, при птиците липсват пръчици, но съществуват четири вида колбички, всеки със свой пигмент. Това прави невъзможно нощното зрение, но обуславя едно много богато цветно зрение през деня, спомагащо за намиране на храна, най-вече насекоми. Черупките на насекомите са богати на пигменти, отразяващи ултравиолетовата светлина. Поради това три от пигментите на птиците са идентични с тези при човека, а четвъртият е чувствителен към светлината от близката ултравиолетова област. Повечето насекоми виждат само част от ултравиолетовите лъчи до 300 nm, за които човешкото око е нечувствително.


6.5. Светлинен микроскоп - увеличение и разделителна способност. Предел на разделителната способност на светлинния микроскоп

Отдавна е известно използването на увеличителни лещи (лупи) за наблюдение на малки обекти. Поотделно, те обаче дават ниско увеличение. За пръв път комбинация от две увеличителни лещи (светлинен микроскоп) е използвана от холандците Ханс Янсен и Ханс Липерши в края на 16 век. Първо подробно описание на този уред дава Роберт Хук в 1665 г.

Оптичният (светлинен) микроскоп е първият физичен инструмент, изиграл решаваща роля в биологията. Чрез него е открита основната единица на живата материя - клетката. В съвременната медицина микроскопът се използва като основен инструмент в бактериологията, цитологията, хистологията и хематологията за изследване и идентифициране на различни клетки. Оптичният микроскоп се използва в микрохирургията, където хирургът наблюдава оперираната микроструктура (око, вътрешно ухо, кръвоносни съдове, мозък, нерви) и извършва операцията с микроманипулационни инструменти.

Оптичният микроскоп се състои от две части, механична и оптична (рис. 6.5.1). Механичната част съдържа статив, колонка с носещо рамо, тубус, револвер за смяна на обективите, предметна масичка, държател на кондензора, система за грубо и фино регулиране на разстоянието между обекта и обектива (макро- и микровинт). Основната част на микроскопа е оптичната част, която съдържа светлинен източник, кондензор, обектив и окуляр.






Фиг. 6. 5. 1. Външен вид на оптичен микроскоп.

Светлинният източник излъчва сноп светлинни лъчи, които, преминавайки или отразявайки се от обекта, формират неговия образ. Светлинният източник е съставен от лампа, от разположена пред нея събирателна леща-колектор и от секторна (полева) диафрагма. Като източник на светлина най-често в оптичните микроскопи се използват нисковолтови лампи с нажежена спирална нишка. Широко приложение намират и халогенните лампи. Те се отличават с голяма дълготрайност и интензивност на излъчената светлина. За специални цели се прилагат и други източници - живачни лампи (за УВ-лъчение), ксенонова дъга (при прожектиране на образа върху екран) и др.

Оптичната част на светлинния микроскоп съдържа две събирателни лещи, наречени обектив и окуляр (рис. 6.5.2). Наблюдаваният предмет е обикновено частично прозрачен и се поставя върху тънко предметно стъкло закрепено за предметната масичка, която може да се мести хоризонтално. Отделна система от лещи (кондензор), разположена под предмета, служи да фокусира светлината на светлинния източник върху предмета, така щото увеличения образ да бъде достатъчно ярък.

Съществуват различни видове кондензори: еднолещов широкополев (за най-слабите обективи), обикновен двулещов на Аббе, панкратичен (с плавно променяща се апертура), специални - тъмнополев, фазовоконтрастен и др. При осветяване на предмета по т. нар. метод на А. Кьолер, излизащият от кондензора сноп лъчи е успореден.

Наблюдаваният предмет се намира малко пред предния фокус на обектива. При това положение обективът създава увеличен, действителен и обърнат образ на наблюдавания предмет (рис. 6.5.2). Увеличението на обектива е L'/L = /fоб, както се вижда от съответните подобни триъгълници (рис. 6.5.2). Тук  е дължината на тубуса на микроскопа, а fоб е фокусното разтояние на обектива. По-нататък този образ се увеличава още повече от втората леща - окуляра, чието фокусно разстояние по-нататък е отбелязвано с fок. Създаденият от обектива образ се намира малко зад предния фокус на окуляра. При това положение окулярът играе ролята на лупа, чрез която човешкото око наблюдава този образ. Окото се адаптира така, че образът създаван от окуляра да се намира на около 25 cm от него - разстоянието на най-ясно виждане. Увеличението на окуляра е L''/L' = 25/fок, което също следва от съответните подобни триъгълници (рис. 6.5.2). Общото увеличение W на микроскопа е
W = L''/L = (L''/L') . (L'/L) = Wоб .Wок = 25.  / (fоб.fок),
Това значи, че общото увеличение на микроскопа е равно на увеличението на окуляра Wок, умножено по увеличението на обектива Wоб. При дадена комбинация от обектив-окуляр, общото увеличение се определя от произведението на увеличенията им, означени върху тях. Допълнително увеличение (около 1.5 х) се получава при употреба на бинокулярна тубусна надставка, а при микрофотографията - от разстоянието между фотоматериала и окуляра (проекционно увеличение).

Освен с увеличение, микроскопите се характеризират с още два основни параметъра, разделителна способност и контраст.

Най-малкото разстояние () между две точки на обекта, които могат да се наблюдават като разделени с невъоръжено око или с микроскоп, определя разделителната способност на окото, съответно на микроскопа. Окото може да вижда две точки на обекта като разделени, ако образите на тези точки попадат върху две различни зрителни клетки на ретината. Поради това, разделителната способност на окото се ограничава от разстоянието между две съседни зрителни клетки, което е около 10 m. Ето защо, невъоръженото око не може да разграничава детайли по-малки от 0.2 мм, т.е., 200 m.


Фиг. 6. 5. 2. Получаване на увеличен образ с оптичен микроскоп. Оптичният център на окуляра съвпада с предния фокус на очната леща.

Разделителната способност на микроскопа е толкова пъти по-голяма от тази на окото, колкото пъти той увеличава. Това означава, че като използваме микроскоп с все по-голямо увеличение, ние ще можем да виждаме все по-дребни детайли в наблюдавания обект. При микроскопите с по-голямо увеличение (около 1000 – 1200 х) обаче се достига до един предел за разделителната способност, който не може да бъде надминат с по-нататъшно нарастване на увеличението. Причината е във вълновия характер на светлината. Когато разстоянието между двете близко разположени точки стане твърде малко и сравнимо с дължината на светлинната вълна , лъчите излизащи от двете точки започват да интерферират помежду си. В този случай вместо образ на две отделни точки се получава слят образ под формата на разтегнато петно. Това пределно малко разстояние, съответно максималната разделителна способност на оптичния микроскоп, е приблизително равно на /2n.sin. В този израз е дължината на вълната на светлината, n е показателя на пречупване на средата между предмета и обектива, а е полуъгъла на конуса с основа диаметъра на обектива и връх в предния фокус на обектива. Величината n. sin се нарича числена апертура на обектива, това е безразмерно число, което може да има стойности примерно от 0.1 до 1.35. Колкото по-голямо е това число, толкова по-висока е разделителната способност на обектива. При най-добри условия, за максималната разделителна способност на светлинния микроскоп се получава величината 0.2 m, което е около 1000 пъти повече отколкото при невъоръженото око.

От горната формула следва, че максималната разделителна способност на микроскопа може да се подобри, като се увеличи n или се намали . Показателят на пречупване n се увеличава чрез потапяне (имерсия) на предмета в маслена капка (между предмета и обектива се поставя масло с n = 1.3, докато при въздушна среда n 1.0). се намалява като се използва синя светлина или даже ултравиолетова светлина. В микроскопите, които използват ултравиолетова светлина се постига още по-добра разделителна способност (около 0.1 m). При тях видимия образ се получава върху луминесциращ екран и лещите са от кварцово стъкло, тъй като обикновеното стъкло поглъща ултравиолетовата светлина. За да могат да работят с ултравиолетова светлина, в някои микроскопи вместо стъклени лещи се използват огледала (рефлекторни микроскопи).

Третата важна характеристика на светлинния микроскоп е контраста на неговият образ. Контрастът на образа се изчислява по формулата (Iобраз - Iфон). 100/Iфон, където Iобраз и Iфон са интензивността на образа и фона, съответно. Колкото фонът е по-нисък, толкова контрастът ще бъде по-висок и съответно, качеството на образа ще бъде по-добро. Обикновеният светлинен микроскоп обаче няма добър контраст, защото в получения образ присъства голямо количество отразена и разсеяна светлина. Много добър контраст и високо качество се получават при т.н. сканиращ конфокален микроскоп.


  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница