1. Тема: "Геометрична оптика" - 2 год.
2. Актуальність теми
Дана тема є частина розділу "Оптика".
У зв'язку з важливістю вивчення і дослідження біологічних тканин і внутрішніх порожнин людини з мінімально можливими побічними ефектами, більш детального дослідження будови біологічних тканин використовуються різні оптичні системи: мікроскоп, мікрофотографія, ультрамікроскоп, ендоскоп, волоконний гастроскоп (один з основних приладів для подібних досліджень). Робота їх побудована на основі уявлень про світловий хвилі як лінії, уздовж якої поширюється енергія світлової хвилі. Усунення ефектів зору людини різними способами також визначається законами геометричної оптики.
3. Цілі заняття
В результаті цього заняття
3.1. Планується ознайомити студентів з основними законами геометричної оптики, звернути увагу студентів на роль цих законів в усуненні дефектів зору людини.
закони заломлення і відбиття світла;
можливі похибки реальних оптичних систем;
причини похибок оптичних систем;
формули для тонкої лінзи;
способи усунення похибок оптичних систем;
поняття ідеально центрованої оптичної системи;
формули для центрованої оптичної системи;
особливості будови ока, як оптичної системи;
норми параметрів структур очі і їх можливі відхилення від норми;
оптичні прилади, що служать для збільшення кута зору;
основні формули для найпростіших оптичних приладів (лупи, мікроскопи);
найменший кут зору;
оптичну систему біологічного мікроскопа;
формулу для збільшення мікроскопа;
роздільну здатність мікроскопа;
формулу тонкої лінзи і пояснити, за яких припущеннях вона отримана;
розбиратися в будові біологічного мікроскопа і можливих його порушень;
3.3. Планується надати студентам можливість оволодіти навичками в результаті:
оцінки мінімально різних точок для людського ока;
оцінки мінімально різних точок при спостереженні за предметами через оптичну систему типу лінзи або мікроскопа;
вимірювань розмірів мікроскопічних об'єктів за допомогою різних оптичних систем.
Виховні цілі заняття.
В результаті даного заняття студенти знайомляться з основними законами геометричної оптики, на яких засновані медичні методики щодо усунення дефектів зору людини.
4. Міждисциплінарна інтеграція
1. Геометрична оптика є граничний випадок хвильової оптики при прагненні довжини хвилі до нуля. Приклад - дифракційна решітка. При λ → 0 слід α → 0 тобто отримуємо звичайне для лінзи фокусування паралельного пучка світла в точці 0 фокальній площині.
2. Для з'ясування граничних можливостей оптичних систем доводиться враховувати хвильовий характер світла. Тому тут частково потрібно розглядати питання інтерференції і дифракції.
3. Зі шкільного курсу відома формула тонкої лінзи:
де а1 - відстань від предмета до лінзи;
А2 - відстань від зображення до лінзи;
R1 іR2 - радіуси кривизни передньої і задньої сферичних поверхонь лінзи;
n- показник заломлення речовини, з якого виготовляється лінза.
Фокусна відстань до такої лінзи:
Аберації або похибки реальних оптичних систем істотно знижують якість оптичних систем.
Сферична аберація полягає в тому, що периферичні частини лінзи сильніше відхиляють промені, що йдуть від точкіSна осі, ніж центральні. Зображення світиться точки на екрані Е має вигляд світлої плями.
Астигматизм - це недолік оптичної системи, при якій сферична світлова хвиля, проходячи оптичну систему, деформується і перестає бути сферичної.
Розрізняють два види астигматизму - астигматизм косих пучків і астигматизм, обумовлений асиметрією оптичної системи.
Дісторсия - цей вид аберації виникає внаслідок того, що промені, що посилаються предметом в систему, становлять великі кути з оптичною віссю, при цьому залежність лінійного збільшення від кута пучка призводить до порушення подоби зображення і предмета.
Хроматична аберація. Пучок білого світла, що йде паралельно головній оптичній осі, буде фокусуватися в різних її точках, розкладаючись в спектр (ф - фіолетові промені, до - червоні), гурток на екрані буде забарвленим. У цьому полягає хроматична аберація.
4. Центровані оптичні системи - це системи сферичних поверхонь (лінз), центри яких лежать на одній прямій - головної оптичної осі.
Теорія ідеальної центрованої оптичної системи запропонована Гауссом.
А
α1 Q1 H1 H2 Q2 α2 F2
5. Око людини є своєрідним оптичним приладом, котрий обіймав в оптиці особливе місце. Власне оком є очне яблуко. Стінки очі складаються з: зовнішньої, середньої і внутрішньої концентрично розташованих оболонок. Зовнішня бічна оболонка - склера - в передній частині перетворюється в рогівку. Зовнішній покрив рогівки переходить в кон'юнктиву, прикріплену до століть.
До склери прилягає судинна оболонка, яка в передній частині переходить в райдужну, в якій є круглий отвір - зіниця. Безпосередньо до зіниці з внутрішньої сторони ока примикає кришталик (подобу двоопуклої лінзи).
Між рогівкою і кришталиком розташована передня камера ока, заповнена водянистою рідиною, близькою за оптичними властивостями до води. Вся внутрішня частина очі зайнята прозорою драглистої масою - склоподібним тілом.
Розглянуті елементи очі в основному відносяться до його светопроводящая апарату. Зоровий нерв входить в очне яблуко через задню стінку. Розгалужуючись, він переходить в сітківку, або сітківку (рецепторний апарат очі).
У сітківці знаходяться світлочутливі зорові точки, периферичні кінці яких мають різну форму (палички і колбочки).
У місці входження зорового нерва знаходиться не чутливе до світла сліпа пляма. В середині сітківки лежить саме чутливе до світла жовта пляма.
6. Око може бути представлений як центрована оптична система, утворена рогівкою, рідиною передньої камери і кришталиком (чотири преломляющие поверхні) і обмежена спереду повітряним середовищем, ззаду - склоподібним тілом. Головна оптична вісь ОО проходить через геометричні центри рогівки зіниці і кришталика. Кут між головною оптичної і зорової осями складає близько 5º.
Основне заломлення світла відбувається на зовнішньому кордоні рогівки.
7. Пристосування очі до чіткого бачення по-різному віддалених предметів (наводка на різкість) - називають акомодацією.
8. Кут зору - це кут між променями, що йдуть від крайніх точок предмета через збігаються вузлові точки.
Для характеристики роздільної здатності ока використовують найменший кут зору. при якому людське око ще розрізняє дві точки предмета. Цей кут приблизно дорівнює 1 '.
У медицині роздільну здатність очі оцінюють гостротою зору. За норму гостроти зору приймається одиниця, в цьому випадку найменший кут зору дорівнює 1 '.
9. Оптичної системі очі властиві деякі недоліки:
а) відсутність астигматизму (проявляється в нездатності очі однаково чітко бачити взаємно перпендикулярні лінії на випробувальній таблиці);
б) короткозорість (міопія) - недолік очі, що складається в тому, що задній фокус при відсутності акомодації лежить попереду сітківки;
в) далекозорість (гіперметропія) - задній фокус при відсутності акомодації лежить за сітківкою.
Для корекції короткозорого очі застосовують розсіюють лінзу, далекозорості - збирає.
10. Лупа - це оптична система, в передній фокальній площині якої або в безпосередній близькості від неї розташований наглядова предмет.
Збільшенням лупи називають відношення кута зору β ', під яким видно зображення предмета, до кута зору β, під яким видно предмет, що знаходиться на відстані найкращого зору а0 = 25 см.
11. У сучасних оптичних мікроскопах об'єктив і окуляр складаються з системи лінз, що представляють собою оптичну систему.
Збільшення мікроскопа дорівнює відношенню твори оптичної довжини тубуса на відстань найкращого зору до твору фокусних відстаней об'єктива і окуляра.
12. При належному виборі f1 і f2 збільшення мікроскопа буде як завгодно великим. Межа дозволу - це таке найменша відстань між двома точками предмета, коли ці точки різні, тобто сприймаються в мікроскопі як дві точки.
Роздільною здатністю зазвичай називають здатність мікроскопа давати роздільні зображення дрібних деталей розглянутого предмета.
Аббе встановив, що для відповідності вторинного зображення предмету необхідно, по крайней мере, щоб з первинного зображення проходили далі промені центрального і одного з перших головних максимумів.
де А - числова апертура; n- показник заломлення середовища, що знаходиться між предметом і лінзою об'єктива.
Числова апертура може бути збільшена за допомогою спеціальної рідкого середовища - іммерсіі - в просторі між об'єктивом і покривним склом мікроскопа.
13. 500 А <Г <1000 А
Це корисні збільшення, так як при них око розрізняє всі елементи структури об'єкта, які дозволені мікроскопом
при А = 1,43 700 <Г <1400
14. Вимірювання розмірів мікроскопічних об'єктів за допомогою мікроскопа.
Для цього застосовують окулярний мікрометр.
Мікропроекція і мікрофотографія. Формування мікроскопічного зображення відбувається за участю людини і завершується утворенням дійсного зображення в оці.
Метод фазового контрасту. Інтенсивність світлової хвилі, що проходить через прозорий об'єкт, майже не змінюється, але фази зазнають змін, що залежать від товщини об'єкта і його показника заломлення.
Прозорі об'єкти називають дефазірующімі.
Ультрамікроскопія. Це метод виявлення частинок, розміри яких лежать за межами дозволу мікроскопа. У ультрамікроскопа здійснюють бічне (косе) освітлення, завдяки чому сублімікроскопіческіе частки видно як світлі точки на темному тлі.
15. Волоконної оптикою називають розділ оптики, в якому розглядають передачу світла і зображення по светопроводов. Волоконна оптика заснована на явищі повного внутрішнього відображення.
Ендоскоп - приклад впливу волоконної оптики на модернізацію існуючих медичних апаратів.
Волоконний гастроскоп - з його допомогою можна не тільки візуально оглянути шлунок, але і зробити необхідні знімки з метою діагностики.