Физические основы медицинских приборов (стр. 1 из 2)

Физические основы медицинских приборов

Оптику обычно делят на три части. Двумя из них являются волновая и квантовая оптика. Это деление основано на дуалистической природе света, который имеет свойства как волн, так и частиц. Третья часть называется геометрической оптикой, в которой пренебрегают волновыми свойствами света и считают, что он распространяется вдоль прямых линий в виде лучей.

Луч - это направление, вдоль которого распространяется световая энергия. Световые лучи изображаются на диаграммах прямыми линиями.

Законы геометрической оптики

Закон отражения. Световые лучи отражаются от зеркал, сильнополированных металлов и т.п. (Рис. 1). Закон отражения указывает, что падающий луч, отраженный луч и нормаль к зеркалу, опущенная в точку падения луча, лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения.

Рис. 1. Закон отражения

Закон преломления. Когда световые лучи переходят из одной среды в другую (например, из воздуха в стекло), часть световой энергии отражается от плоскости, что находится в соответствии с законом отражения. Другая часть света проходит в другую среду вдоль нового направления (Рис. 2).

Рис. 2. Преломление на поверхности плоскости

Из-за изменения направления говорят, что свет преломляется. Закон преломления указывает, что луч падающий, преломлённый луч и нормаль к точке падения луча лежат в одной плоскости; для двух данных сред (1 и 2) отношение угла падения к углу преломления - есть величина постоянная: sin i / sin r = const , где i - угол падения и r - угол преломления. Эта постоянная величина известна как относительный показатель преломления для двух данных сред n21. Свет преломляется, поскольку в разных средах он распростаняется с различными скоростями. Величину относительного показателя преломления n21 определяют также по формуле: n21 = v2/v1, где v1 и v2 - скорости света в средах 1 и 2.

Абсолютный показатель преломления среды - отношение скоростей света в вакууме C и данной среде v : n = C/v.

Среду, имеющую большую величину абсолютного показателя преломления по сравнению с другой, называют оптически более плотной.

Полное внутреннее отражение. Предельный угол.

Полное внутреннее отражение происходит в случае перехода света из оптически более плотной среды в оптичеси менее плотную среду, то есть при n1 > n2 (например, из стекла в воздух).

Если луч AO падает на границу стекло-воздух под небольшим углом, часть света отражается вдоль ОE, тогда как другая часть - преломляется вдоль OL (Рис. 3). Причём угол преломления в этом случае больше угла падения. При увеличении угла падения происходит одновременное нарастание и угла преломления. При некотором значении угла падения на преломленный луч OL начнёт скользить вдоль границы стекло-воздух, при этом углом преломления составляет 900. Такой угол падения называется предельным углом. Если угол падения становится немного больше критического, преломленный возвращается в среду, откуда на границу раздела поступает падающий луч. Поскольку вся энергия света в таком случае отражается, говорят, что произошло полное внутреннее отражение.

Рис. 3. Полное внутреннее отражение

Волоконная оптика. Эндоскопия

Феномен полного внутреннего отражения является физической основой волоконной оптики. В волоконной оптике применяют очень тонкие гибкие волокна, сделанные из пластмассы или стекла. Их поверхность покрыта специальным веществом, которое имеет меньший показатель преломления, чем материал волокна для того, чтобы на границе стекло-вещество происходило полное внутреннее отражение. Световые луч запускаются в волокно и могут распространяться вдоль него на большие расстояния с небольшим уменьшением интенсивности. Пучок таких волокон формирует световод.

Волоконная оптика широко используется в медицинской эндоскопии. Различные эндоскопы (гастроскоп, трахеобронхоскоп, цистоскоп, лапароскоп и т.п.) дают возможность наблюдать внутренние органы в диагностических целях и делать фотографии внутренних органов. Один пучок волокон используется, чтобы освещать изучаемую область, а по другому пучку изображение передаётся к человеческому глазу или фотокамере.

Световоды используются также в эндоскопической хирургии. В настоящее время для многих хирургических действий не требуется широких разрезов. Операции могут быть выполнены посредством дистанционных манипуляторов под управлением эндоскопов. Эти методы менее травматичные, чем осуществляемые с помощью обычной хирургической техники. Эктомия желчного пузыря - один из примеров применения эндоскопов в хирургии.

Линзы

Линза – прозрачное тело, сделанное из стеклянного или другого материала, показатель преломления которого отличается от показателя преломления среды, ограниченное одной или двумя сферическими поверхностями.

Бывают собирающие и рассеивающие линзы.

Главная ось линзы - линия, соединяющая центры кривизны обеих сферических поверхностей.

Оптический центр тонкой линзы - точка, которая находится в центре линзы на её главной оптической оси. Световые лучи, проходящие через оптический центр, не преломляются.

Параллельный пучок падающих на тонкую собирающую линзу лучей после прохождения через линзу собирается в обну точку на главной оптической оси, которая называется главным фокусом линзы (Рис. 4). Есть два главных фокуса по обе стороны линзы – передний и задний.

Рис. 4. Собирающая и рассеивающая линзы.

Расстояние между оптическим центром линзы и её главным фокусом, называется фокусным расстоянием (f).

Величина, обратная фокусному расстоянию динзы, называется её оптической силой D : D = 1/f. Единицей измерения оптической силы линзы является диоптрий. 1диоптрий – оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой равно одному метру.

Построение изображения в линзах

Предположим, что объект OP установлен дальше от переднего главного фокуса тонкой линзы (Рис. 5). Луч PC проходит через центр линзы без преломления. Луч, параллельный главной оси, преломляясь, проходит через задний главный фокус линзы F. Таким образом, изображением точки P является точка Q, которая находится ниже главной оси, и, следовательно, целое изображение IQ – действительное, перевёрнутое. Изображение, сформированное собирающей линзой, всегда является действительным и перевёрнутым, если объект установлен на расстоянии большем, чем фокусное расстояние линзы.

Рис. 5. Построение изображения в собирающей линзе

Если объект установлен впереди фокусного расстояния собирающей линзы (Рис. 5), лучи расходятся после преломления в линзе. Изображение IQ в таком случае будет мнимым, прямым и увеличенным. Следовательно, собирающую линзу можно использовать как "увеличительное стекло".

Погрешности (абберации) линз

Абберации линзы – дефекты линзы, которые могут исказить формируемое с её помощью изображение объекта. Это может происходить по ряду причин.

Основной дефект линз - хроматическая абберация, то есть окрашивание иображения, которое они производят. Эксперимент показывает, что после того, как параллельный луч белого света преломится в собирающей линзе, красные лучи света собираются в фокусе линзы, а синие лучи – рядом с фокусом из-за различий в преломлении света разных длин волн. Таким образом, изображение предмета становится окрашенным. Хроматическую абберацию собирающей линзы можно устранить подбором и размещением подходящей рассеивающей линзы рядом с собирающей.

Кроме того, центральная и периферическая части линзы имеют неравную способность преломлять монохроматические световые лучи. Это является причиной сферической абберации. Смежные монохроматические лучи больше преломляются периферическими частями линзы, чем её центральной частью. Таким образом, изображение светящейся точки становится не точечным, размытым. Сферическую абберацию можно устранить компенсационным методом или диафрагмированием.

Астигматизм является чаще всего результатом несовершенства сферичности линзы. Линза может иметь разную кривизну в различных направлениях. Если поверхность линзы имеет не сферическую форму, а эллипсоидальную, то изображение объекта может быть искаженым и непропорциональным.

Основные явления волновой оптики

Из работ Максвелла об электромагнитном излучении, известно, что свет является видом электромагнитных (ЭМ) волн. ЭМ-волна - это поперечная волна, в которой колебания векторов напряжённости электрического и магнитного полей происходит перпендикулярно вектору направления движения. Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью 300 000 километров в секунду. Волновые свойства света проявляются в таких явлениях как интерференция, дифракция и поляризация.

Интерференция света. Интерференция является результатом суперпозиции световых волн. Наложение происходит всегда, когда в среду посылаются две волны и больше. Но интерференция происходит только при условиия, что свет исходит от когерентных источников. Волны называнются когерентными, если между ними существует постоянная разность фаз. Два естественных источника света не могут быть когерентным, поскольку электромагнитные волны в них испускаються произвольно многими атомами и молекулами, и волновые фазы изменяются часто и беспорядочно.

Когерентные световые лучи формируются, если они порождаются одним источником и разделены с помощью специальной призмой. Световые лучи могут стать когерентными также при их отражении от обеих поверхностей тонкой плёнки. Источниками когерентного света являются лазеры.