Полное внутреннее отражение.

a= A a >A

a

n₁

n₂

g g = 90⁰

n₂< n₁

Если n₂<n₁, т. е. свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, например, из стекла в воду, то a<g. Поэтому при некотором a=A угол преломления g окажется равным 90⁰, т.е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред, не входя во вторую среду. Угол А называется предельным углом падения. При a>А свет полностью отражается в первую среду. Это явление носит название полного внутреннего отражения света. Таким образом,

103. Волоконная оптика.Волоконной оптикой называется раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по светопроводам. Она основана на явлении полного внутреннего отражения.

Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна. Жгут, составленный из множества таких нитей, образует светопровод, позволяющий как угодно искривлять путь светового пучка. Если перед торцом светопровода поместить освещенный объект, то на другом его конце появится его точное изображение. Причем сам светопровод может быть произвольным образом изогнут, даже завязан в узел.

104. Эндоскопия - метод исследования полых органов и полостей тела с помощью специального прибора - эндоскопа, который вводится в организм через естественные отверстия или произведенные под наркозом небольшие разрезы.

Основными элементами эндоскопических приборов являются: источник света, сам эндоскоп, оптическая система передачи света и изображения. Объектив эндоскопа, являющийся его основной частью, располагается на дистальном (удаленном от наблюдателя) конце. Он является своего рода приемником изображения, и от его возможностей зависит получаемая информация.

Часто так же, как в микроскопии, используются несколько микроскопических объективов с независимыми каналами передачи оптического изображения. Они могут иметь разные увеличения и углы обзора. На другом конце оптической системы располагается окуляр, через который эндоскопист проводит наблюдение. Часто в гибких системах передачи изображения предусмотрена возможность манипуляции дистальным концом эндоскопа.

В настоящее время используются два вида эндоскопов: гибкие и жесткие. Они отличаются по способу передачи изображения от объектива к окуляру. В жестких эндоскопах передача изображения осуществляется с помощью линзовой оптики, а в гибких - посредством стекловолоконных жгутов. Жесткие эндоскопы позволяют получить лучшее качество изображения, и во многих случаях не требуется их замены на гибкие.

105. Источники света в эндоскопии. Важную роль в развития эндоскопической техники играет создание совершенных источников света. Раньше источник света располагался на дистальном конце эндоскопа, что было сопряжено с рядом неудобств. В первую очередь – это вероятность разрушения источника света в осматриваемой полости. Второе – малая сила миниатюрных лампочек. Третье – цветовые искажения изображений, обусловленные недостаточно широким спектром их излучения.

В эндоскопах более позднего поколения источник света располагается за пределами исследуемой полости. Свет от мощного источника, находящегося вне эндоскопа, передается по световолокнам на расстояние до 2 метров практически без потерь, что значительно повышает информативность метода.

106. Граданы – градиентные оптические элементы, характеризующиеся неоднородным распределением показателя преломления по объему стекла. Использование граданов с градиентами показателя преломления позволило создать высококачественные оптические системы с параметрами, недостижимыми при использовании классической оптики.

Одним из главных технологических преимуществ граданов при создании оптических систем жестких эндоскопов является возможность замены всего двумя граданами нескольких десятков микролинз, составляющих оптическую систему эндоскопа. Это позволяет полностью отказаться от чрезвычайно трудоемких и дорогостоящих операций изготовления и центрирования микролинз, а также существенно упростить сборку приборов.

Кроме того, применение граданов позволило уменьшить диаметр рабочей части, что снизило травматизм при проведении обследований, особенно - при инвазивной эндоскопии, когда нарушается целостность биологических тканей.

107. Применение эндоскопов для диагностики. Из эндоскопов наиболее широко распространен гастроскоп - прибор для исследования желудочного тракта. Названия эндоскопов варьируются в зависимости от их назначения. Например,

- артроскоп-прибор, вставляемый в полость сустава для ее осмотра;

- бронхоскоп и фиброскоп служат для осмотра трахеи, бронхов, легкого.

- риноларингоскоп используется для осмотра гортаноглотки и носовых ходов;

- гистероскоп (уретроскоп) - применяется для обследования матки;

- цистоскоп применяют для осмотра мочевого пузыря и уретры;

- вентрикулофиброскоп служит для исследования головного мозга;

- ангиокардиофиброскопы позволяют производить осмотр магистральных сосудов и вен;

- лапароскоп (абдоминоскоп, перитонеоскоп) - хирургический эндоскоп, предназначенный для осмотра внутренних органов через прокол брюшной стенки и т.д.

В последующие годы поразительные успехи микроэлектроники позволили найти другое решение: передающие телевизионные камеры делают такими миниатюрными, что их можно разместить на дистальном конце эндоскопа и ввести внутрь. При этом отпадет необходимость использовать световод для передачи наружу изображения.

108. Использование эндоскопов в лечении. Введение лазерного света с помощью оптоволоконных жгутов через бронхоскоп используется для эндобронхиальной лазеротерапии в лечении больных хроническим бронхитом.

Введение через световод гастроэнтероскопа лазерного луча помогает в лечении ряда заболеваний, например язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.

Внутрисосудистое облучение крови применяется при лечении острой ишемии, деструктивного панкреатита, для профилактики и лечения гнойно-септических осложнений, в лечении острого инфаркта миокарда, врожденных пороков сердца и т.д.

В неврологической практике лазерное излучение используется для улучшения состояния больных с периферическими нервными нарушениями.

Эндоскопические методы используют для удаления полипов, местного введения лекарственных препаратов, остановки внутреннего кровотечения, извлечения камней и инородных тел и т.д.

109. Интерференция света. Под интерференцией света понимают такое наложение световых волн от когерентных источников, в результате которого образуется устойчивая картина их взаимного усиления или ослабления.

Когерентные источники света – это такие источники, которые излучают с постоянной разностью фаз.

Условия максимума и минимума интерференции. Максимум

интерференции наблюдается при d = kl, когда разность хода лучей d равна целому числу (k) волн. Минимум интерференции наблюдается при (k= ,1,2,...), когда разность хода лучей равна нечетному числу полуволн.

Интерферометры. Интерференцию света используют в специальных приборах – интерферометрах для измерения с высокой точностью длин волн, небольших расстояний и т. д.

110. Дифракция света.Дифракцией света называют явление отклонения света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями.

111. Поляризация света.Свет, у которого вектор электрической составляющей световой волны колеблется в одной плоскости, называется поляризованным.

Закон Малюса: I=I₀cos²a – интенсивность света, прошедшего через анализатор (I), прямо пропорциональна интенсивности света, падающего на анализатор (I₀) и косинусу угла (a) между оптическими осями поляризатора и анализатора.

112. Вращение плоскости поляризации.Некоторые вещества обладают свойством вращать плоскость поляризации при прохождении через них поляризованного света. Их называют оптически активными веществами.

Например, такими свойствами обладают кварц, никотин, водный раствор сахара и т.д.

Угол поворота плоскости поляризации a пропорционален пути луча в растворе l и концентрации раствора С: a = a₀Сl, где a₀ – удельное вращение.

Если между поляризатором и анализатором, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, поместить кювету с раствором оптически активного вещества, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить затемненное поле зрения, необходимо анализатор повернуть на угол aповорота плоскости поляризации света при прохождении через кювету с раствором. Зная удельное вращение данного вещества и длину кюветы, можно определить концентрацию раствора.

Метод, применяемый при качественном и количественном анализе различных веществ с помощью поляриметра, называется поляриметрией. Он широко используется в медицине и биологии (например, для определения оптической активности сывороточных белков с целью диагностики рака), в клинической практике (для количественного определения содержания сахара в моче). Поляриметр, применяемый для этой цели, называется сахариметром.

113. Поглощение света.При пропускании света через слой вещества его интенсивность уменьшается. Уменьшение интенсивности является следствием взаимодействия световой волны с электронами вещества, в результате которого часть световой энергии передается электронам. Это явление называется поглощением света.

Законы поглощения света.

Закон Бугера:

I = I₀exp(–c_ll),

где I₀ – интенсивность света, входящего в вещество, I – интенсивность света, прошедшего через вещество, c_l – монохроматический натуральный показатель поглощения, зависящий от свойств среды, l – толщина слоя вещества. Знак (–) показывает, что интенсивность света уменьшается.

Этот закон показывает, что интенсивность света уменьшается в

геометрической прогрессии, если толщина слоя возрастает в арифметической прогрессии. Показатель поглощения зависит от длины волны и концентрации разбавленного раствора (Закон Бера).

Закон Бугера-Ламберта-Бера:

I = I₀exp(–c₁ Сl),

где c_l – натуральный показатель поглощения, отнесенный к концентрации вещества, отношение называется коэффициентом пропускания.

Оптическая плотность вещества определяется выражением

С учетом приведенных выше формул можно записать:

D= c_lСl.

Закон Бугера-Ламберта-Бера лежит в основе концентрационной

колориметрии - метода определения концентрации вещества в окрашенных растворах по изменению интенсивности прошедшего через раствор света.

При измерении концентрации вещества в растворах на пути одного из пучков света ставится стеклянная кювета с исследуемым раствором. Для того чтобы учесть поглощение света растворителем, на пути второго пучка ставится такая же кювета с чистым растворителем. Количество жидкостей в обеих кюветах должно быть одинаковым.

115. Глаз как оптическая система. Световые лучи преломляются

хрусталиком глаза, который представляет собой двояковыпуклую линзу. Изображение предмета, рассматриваемого глазом, формируется на сетчатке; оно является действительным, уменьшенным и перевернутым.

Зрачок глаза играет роль диафрагмы: его диаметр изменяется в

соответствии с количеством света, попадающего в глаз. Под действием особой (ресничной) мышцы кривизна поверхности хрусталика, а следовательно, и его фокусное расстояние могут изменяться. Этим обеспечивается резкость получаемого на сетчатке изображения предметов, находящихся на различных расстояниях от глаза. Способность глаза приспосабливать фокусное расстояние хрусталика к расстоянию до наблюдаемого предмета называется аккомодацией.

Аккомодация позволяет получать отчетливое изображение предметов, находящихся на различных расстояниях.

Наименьший угол зрения, под которым ещё можно различить форму предмета, составляет примерно 1 мин, что соответствует рассмотрению отрезка длиной 0,07 мм, находящегося на расстоянии ясного зрения. При угле зрения меньшем 1 мин всё изображение помещается на одном светочувствительном элементе сетчатки, и предмет воспринимается как точка. Величина 0,07 мм является пределом разрешения глаза, который может быть увеличен с помощью оптических приборов.