Недостатки оптической системы глаза

Близорукость. Если хрусталикизлишне выпукл, то оптическая сила глаза превышает норму и положения заднего фокуса оказывается перед сетчаткой. Исправляют этот недостаток с помощью вогнутых линз (очки «-»)

Дальнозоркость. Если выпуклостьхрусталиканедостаточна, то оптическая сила глаза меньше нормы и положения заднего фокуса оказывается за сетчаткой.

Исправляют этот недостаток с помощью выпуклых линз (очки «+»)

Пресбиопия

Пресбиопия –возрастное ослабление способности глаза к аккомодации.

При пресбиопияневозможно получения на сетчатке глаза четкого изображения близко расположенных предметов.

Для компенсации пресбиопия «используют очки для чтения»:

- дальнозоркому нужны очки с большей оптической силой.

- близорукому нужны очки с меньшей оптической силой.

Угол зрения. Разрешающая способность. Острота зрения.

При построении изображения на сетчатке используют узловую точку (оптический центр у линзы). Размер изображения зависит от угла ( ) под которым виден предмет. Называется этот угол - углом зрения.

Угол зрения ( ) – угол между лучами, идущих от крайних точек через узловую точку (оптический центр глаза).

Вычисления размера (b) изображения на сетчатке глаза:

b = ℓ∙tg , где ℓ - расстояние от узловой точки до сетчатки.

Вычисления размера (b) изображения на сетчатке через размеры предмета (В): b = B ℓ/L,

Разрешающая способность

Разрешающая способность глаза – величина, характерезующая способность глаза давать раздельное изображения двух близких друг к другу точек объекта.

Угловой предел разрешения- наименьший угол зрения, при котором человеческий глаз еще различает две близкие точки предмета раздельно.

Линейный предел разрешения (Z) - наименьшее расстояние между двумя точками предмета, рассматриваемого с расстояния наилучшего зрения (для данного глаза), при котором они различимы раздельно.

Связь линейного и углового пределов разрешения: Z = , где

– расстояние наилучшего зрения для данного глаза, β – угловой предел разрешения в радианах.

Острота зрения - величина, равная отношению минимального углового размера символа, распознаваемого нормальным глазом, к угловому размеру символа, распознаваемого пациентом: V=

Микроскопия. Способность глаза различать мелкие детали предмета зависит от размеров изображения на сетчатке или от угла зрения. Для увеличения угла зрения используют специальные оптические приборы.

Лупа

Простейшим оптическим прибором для увеличения угла зрения является лупа, представляющая собой короткофокусную собирающую линзу (f = 1-10 см).

Рассматриваемый предмет помещают между лупой и ее передним

фокусомс таким расчетом, чтобы его мнимое изображение находилось в пределах аккомодации для данного глаза. Обычно используют плоскости дальней или ближней аккомодации. Последний случай предпочтительнее, так как глаз не утомляется (кольцевая мышца не напряжена).

Сравним углы зрения, под которыми виден предмет, рассматриваемый «невооруженным» нормальным глазом и с помощью лупы. Расчеты выполним для случая, когда мнимое изображение предмета получается на бесконечности (дальний предел аккомодации).

При рассматривании предмета невооруженным глазом (рис. 12.5, а) для получения максимального угла зрения предмет нужно поместить на расстояние наилучшего зрения а₀. Угол зрения, под которым при этом виден предмет, равен: β = В/а₀ (В - размер предмета).

При рассматривании предмета с помощью лупы (рис. 12.5, б) его помещают в передней фокальной плоскости лупы. При этом глаз видит мнимое изображение предмета В', расположенное в бесконечно удаленной плоскости. Угол зрения, под которым видно изображение, равен β' ≈ В/f.

Рис. 12.5.Углы зрения: а - невооруженным глазом; б - с помощью лупы: f - фокусное расстояние лупы; N - узловая точка глаза

Увеличение лупы - отношение угла зрения β', под которым видно изображение предмета в лупе, к углу зрения β, под которым предмет виден «невооруженным» нормальным глазом с расстояния наилучшего зрения:

Г = β'/ β = а0 ∆/(f f )

Увеличения лупы для близорукого и дальнозоркого глаза разные, так как у них различны расстояния наилучшего зрения.

Приведем без вывода формулу для увеличения, которое дает лупа, используемая близоруким или дальнозорким глазом при формировании изображения в плоскости дальней аккомодации:

Г = а0/f - а0/адаль .

где адаль - дальний предел аккомодации.

Формула (12.6) позволяет предположить, что, уменьшая фокусное расстояние лупы, можно добиться сколь угодно большого увеличения. В принципе это так. Однако при уменьшении фокусного расстояния лупы и сохранении ее размеров возникают такие аберрации, которые сводят на нет весь эффект увеличения. Поэтому однолинзовые лупы обычно имеют 5-7-кратное увеличение.

Для уменьшения аберраций изготавливают сложные лупы, состоящие из двух-трех линз. В этом случае удается добиться 50-кратного увеличения.

Оптическая система микроскопа

Большее увеличение можно осуществить, рассматривая при помощи лупы действительное изображение предмета, создаваемое другой линзой или системой линз. Такое оптическое устройство реализовано в микроскопе. Лупу в этом случае называют окуляром, а другую линзу - объективом. Ход лучей в микроскопе показан на рис. 12.6.

Рис. 12.6.Ход лучей в микроскопе.

Предмет В помещается вблизи переднего фокуса объектива (F_об) с таким расчетом, чтобы его действительное, увеличенное изображение B' находилось между окуляром и его передним фокусом. При этом окуляр дает мнимое увеличенное изображение B", которое и рассматривает глаз. Изменяя расстояние между предметом и объективом, добиваются того, чтобы изображение В" оказалось в плоскости дальней аккомодации глаза (в этом случае глаз не утомляется). Для человека с нормальным зрением В' располагается в фокальной плоскости окуляра, а В" получается на бесконечности.

Увеличение микроскопа.

Основной характеристикой микроскопа является его угловое увеличение, аналогическое угловому увеличению лупы.

Увеличение микроскопа (Г) - отношение угла зрения , под которым видно изображение предмета в окуляре, к углу зрения β, под которым виден предмет «невооруженным» глазом расстояние наилучшего зрения ( ): Г = /β

Увеличение микроскопа зависит от фокусных расстояний объектива и окуляра, а также от оптической длины тубуса (∆) – так называют расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра.

Формула для расчета увеличения микроскопа: Г = а0∙∆/(fок∙fоб),

где fок и fоб – фокусные расстояния окуляра и объектива.

Предел разрешения. Разрешающая способность микроскопа.

Наименьшее расстояние между двумя точками предмета, при котором они различимы как отдельные объекты (т.е. воспринимаются в микроскопе как две точки) называется пределом разрешения микроскопа

Величина, обратная пределу разрешения называется разрешающая способность микроскопа. Теоретический предел разрешения микроскопа зависит от длины волны света.

Угловая апертура (u) - угол между крайними лучами светового пучка, входящего в линзу объектива от предмета.

Формула для предела разрешения микроскопа в воздушной среде:

Z = 0,5λ/sin(u/2),

где λ – длина волны света, используемого для освещения; Z 0,3 мкм.

Полезное увеличение микроскопа.

Полезное увеличение микроскопа ( ) - увеличение, при котором предмет, имеющий размер, равный пределу разрешения микроскопа, имеет изображение, размер которого равен пределу разрешения глаза:

= , где 500 – 1000.

Предел разрешения микроскопа (Z): Z = 0,5λ/sin( /2), или по формуле Абба: = 0,61 /(А , где = скорость электронов зависит от ускоряющего напряжения U, А- числовая апертура электронного микроскопа. После преобразования расчетная формула имеет вид:

= 0,61 /(А

Специальные приемы микроскопии используются для увеличения предела разрешающей способности (уменьшения предела разрешения) микроскопа. Так, в некоторых микроскопах пространство между объективом и предметом заполняют специальной жидкостью – иммерсией. Такой микроскоп называется иммерсионным.

В этом случае числовая апертура (А) иммерсионного микроскопа определяется по формуле: А = n , где n – показатель преломления иммерсии.

Формула для предела разрешения иммерсионного микроскопа имеет вид:

Z =

Электронный микроскоп

Обнаружение волновых свойств частиц инициировало разработку и создание электронного микроскопа, в котором вместо света используется поток электронов, ускоренных электрическим полем. Электронные волны можно фокусировать (с помощью электрических и магнитных полей) и получать с их помощью изображения предметов. Конструкция электронного микроскопа показана на рисунке 12.7.

Рис. 12.7.Электронный микроскоп просвечивающего типа: а - Конструкция:

1 - электронная пушка; 2 - конденсорные магнитные линзы; 3 - объектив; 4 - проекционные магнитные линзы; 5 - световой микроскоп, дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое на экране: 6 - тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 7 - высоковольтный кабель; 8 - вакуумная система; 9 - пульт управления; 10 - стенд; 11 - высоковольтное питающее устройство; 12 - источник питания линз;

Контрольные вопросы по разделу.

1.Каковы строение глаза и оптические свойства глазных сред?

2.Каково назначение оптической системы глаза, какими структурными элементами она обеспечивается? Какова оптическая сила глаза? Что такое приведенный глаз?

3.Каково условие четкого видения предметов? Каков механизм аккомодации глаза? Что такое диапазон аккомодации, от чего он зависит?

4.Каковы основные недостатки рефракции глаза? Как их корректируют?

5.Что такое минимальный угол зрения, острота зрения, предел разрешения глаза?

6.Каково назначение сетчатки глаза? Укажите виды светочувствительных клеток, их количество и распределение по сетчатке.

7.В какой области сетчатки достигается максимальная острота дневного зрения?

8.Опишите строение палочки. Какова роль родопсина и ретиналя? В чем различие палочек и колбочек как светочувствительных клеток сетчатки?

9.Опишите механизм образования фоторецепторного потенциала на мембране палочки или колбочки.

10.Каков путь передачи информации об освещенности палочки в зрительные центры головного мозга?

11.Чем обусловлены различия сумеречного и дневного зрения, в чем они проявляются? Приведите спектры фотобиологического действия палочек и колбочек, кривую видимости глаза при дневном и сумеречном освещении.

12.Что такое адаптация глаза, и каковы основные механизмы ее реализации?

13.Укажите количественную связь между зрительным ощущением и интенсивностью падающего в глаз света.

14.Укажите влияние яркости фона на разностный и дифференциальный пороги зрения.

15.В чем состоит корпускулярно-волновой дуализм? как связаны корпускулярные и волновые характеристики света?

16.В чем заключаются волновые свойства микрочастиц? Как определяется длина волны де Бройля?

17.На каких физических явлениях основано действие электронного микроскопа?

18.Приведите принципиальную схему электронного микроскопа.

19.Как определяется и чему равен предел разрешения электронного микроскопа?

20.Какие вам известны методы исследования микроскопических биологических объектов?

21.Что такое сканирующая зондовая микроскопия? Какой принцип лежит в ее основе?

22.Назовите основные компоненты атомно-силового микроскопа. Каково их назначение? Каков предел разрешения атомно-силового микроскопа?

23.Какие основные преимущества атомно-силовоймикроскопии электронной и оптической?