Optika akustika Teze pednky OPTIKA Geometrick paprskov Fyzikln

Optika, akustika Teze přednášky

OPTIKA • Geometrická – paprsková • Fyzikální – vlnová • Kvantová

Zákony geometrické optiky 1. přímočarého šíření světla 2. vzájemné nezávislosti a záměnnosti chodu paprsků 3. odrazu světla 4. lomu světla

Zrcadla • rovinná (jediný optický přístroj bez vad) • konkávní (dutá) • konvexní (vypuklá)

Snellův zákon lomu světla sin α v 1 n 2 ----- = ------- = ------sin ß v 2 n 1 absolutní index lomu c n = ------n>1 v v 1 n 1 α ß v 2 n 2

Lom světla • ke kolmici n 1 < n 2 od kolmice n 1 > n 2 • mezný úhel – úhel dopadu při kterém je úhel lomu 90 o • totální reflexe • vláknová optika n 1 > n 2 vlákno obal . . . n 1. . n 2 . . . .

ENDOSKOPIE • endoskopická zrcadla (otoskop, laryngostop, rinoskop) • endoskopy s pevnými tubusy • fibroskopy až 140 cm 3 svazky vláken (2 k vedení světla a 1 k vedení obrazu), pozorovací objektiv a okulár • videoskop – místo objektivu mikrokamera

Čočky • optický prvek ve kterém dochází k vícenásobnému lomu světla • spojky, rozptylky • optická mohutnost – převrácená hodnota ohniskové vzdálenosti - [D] dioptrie soustava čoček o vzdálenosti v v=0 pak D = ∑ Di v≠ 0 D = D 1 + D 2 - D 1 D 2 v

Optické vady čoček • sférická (kulová) korekce – aplanát • chromatická (barevná) korekce – achromát u více barev apochromát • astigmatická korekce - anastigma

Optický hranol • dvojlom polychromatického světla vede k rozkladu na spojité spektrum jednotlivých vlnových délek – monochromátor • Litrowův hranol – kompenzace vlivu dvojlomu (jedna stěna představuje zrcadlo)

Fyzikální (vlnová) optika • difrakce (ohyb) a interference světla • narazí-li světlo na překážku, jejíž velikost je řádově srovnatelná s jeho vlnovou délkou, přestává platit zákon přímočarého šíření světla • Hugensův princip – každý bod vlnoplochy lze považovat za nový zdroj vlnění z něhož se šíří elementární vlnoplochy. Novou vlnoplochou je v libovolném čase obalová plocha těchto elementárních vlnoploch.

Fyzikální (vlnová) optika • Koherentní jsou světelná vlnění stejné vlnové délky, jejichž fázový rozdíl se s časem nemění. • Tyndallův jev

Optická mřížka • podmínka maxima k. λ sin α = -------b b mřížková konstanta k řád maxima λ vlnová délka

Mikroskop d dd úhlové zvětšení mikroskopu Δ d γ = -----f 1 f 2 d konvenční zraková vzdálenost Δ optický interval (vzdálenost ohnisek)

Rozlišovací schopnost • minimální vzdálenost dvou bodů, které ještě dokážeme rozlišit λ d = ------n. sin α Numerická apertura NA = n. sin α NA VODA = 1, 25 NA olejová imerse = 1, 45 NA monobromnaftalen = 1, 60

Polarizace světla • polarizované světlo kmitá pouze v jedné rovině • polarizace odrazem • polarizace dvojlomem • polarimetrie • opticky aktivní látky

Optická spektra • • emisní absorpční čarová pásová spojitá spektrální analýza – spektroskop AAS – atomová absorpční spektrometrie

Kvantová optika - LASER • Zesílení světla stimulovanou emisí záření. • dodáním energie excitovaný stav • shromažďování elektronů na metastabilních hladinách • současnou deexcitací vznik koherentního záření • interference mezi zrcadly • záření je diskontinuální s vysokou frekvencí

Využití v medicíně • oční chirurgie • Laserová tomografie oční sítnice • BIOLASER - termický efekt o 3 o. C - fotochemický efekt - analgetický efekt - biostimulační efekt - regenerace - antiflogistický efekt útlumem tvorby prostaglandinu

Biofyzika vidění

Oko je centrovaná optická soustava • rohovka • komorová voda přední oční komory • duhovka • čočka • sklivec • sítnice • index lomu prostředí

Stárnutí čočky a rozptyl světla

Sklivec – corpus vitreum • • Udržuje tvar oka Refrakční médium 98 % H 2 O Želatinózní hmota Bílkovina vitrein Kolagenní fibrily Kyselina hyaluronová → viskozita sklivce

Sítnice • • • Čípky 6 - 7 000 (tři typy pigmentu) fotopické vidění Tyčinky 120 000 mezopické vidění skotopické vidění

Struktura tyčinek a čípků • Tyčinky - vnější úsek obsahuje světločivý pigment rhodopsin a mitochondrie - vnitřní úsek (buněčné jádro a nervové vlákno) • Čípky - obdobná struktura jako u tyčinek. Ve vnějším úseku obsahují jodopsin. Žlutá skvrna. • Vnější výběžky tyčinek a čípků se zabořují do stratum pigmentosum významného pro metabolizmus. • Světelný vjem je zprostředkován rozkladem barviv. • Pro regeneraci rhodopsinu nutný vit. A (šeroslepost).

Zraková dráha • Od smyslových buněk sítnice po zrakové centra v okcipitáním laloku kůry mozkové • Fotoreceptory bipolární bb. gangliové bb. vrstva nervových vláken sítnice n. opticus chiasma opticum tractus opticus corpus geniculatum laterale (primární zrakové centrum) Radiatio optica (Gratioletův svazeček) korová centra okcipitálního laloku

Obraz • • • převrácený zmenšený reálný neostrý, málo kvalitní rozhodující je zpracování mozkem

SPEKTRÁLNÍ STANOVENÍ BARVY PEVNÝCH LÁTEK (potravin)

Měření barvy Barva = fyzikální interakce světla s hmotou, která je pozorována lidským okem a interpretována mozkem • barva je vnímána individuálně • psychologický fenomén, který závisí na pozorovateli • chudá barevná paměť člověka

• visuální hodnocení nemůže poskytnou přesné stanovení barvy • navzdory subjektivnímu vnímání lze barvy objektivně srovnávat => monitorování barevných změn pomocí přístrojů zaznamenávající odraz, příp. absorpci, včetně definice standardních podmínek měření

• Kolorita je určena – spektrální složením záření zdroje – spektrální odrazností nebo propustností hmoty a má za následek – změnu spektrálního složení záření – změnu intenzity záření – termín představuje objektivní stanovení přístroji • Vjem barvy se liší – chemickými a fyzikálními vlastnostmi hmoty – kvalitou a intenzitou záření zdroje – konkrétním pozorovatelem

CIELAB • The Commission Internationale de l´Eclairage vyvinula rovnoměrnou kolorimetrickou soustavu L*a*b*, v níž stejně subjektivně vnímaným rozdílům vjemu barvy odpovídají stejné vzdálenosti a naopak. • Důležitý aspekt barevné soustavy vychází z jeho nezávislosti, a proto je objektivní

Systém CIELAB transformuje reflektanci do kolorimetrické trichromatické soustavy tím, že integruje spektrum předmětu s funkcemi pozorovatele a se spektrálním zářením zdroje • zdroj se nejčastěji používá denní světlo D 65 • standardní úhel pozorovatele – 2° pro podmínky přísně foveálního vidění – 10° pro pozorování pod větším úhlem

Vyjádření kolority - číselné charakteristiky barvy předmětu - pomocí adičního mísení tří vhodně zvolených barevných podnětů soustavy Množství těchto měrných podnětů je měřítkem, jímž lze charakterizovat danou barvu

AKUSTIKA

ZVUK • mechanické vlnění • šíření v tekutinách podélně v pevných látkách podélně i příčně ve vakuu se nešíří • rychlost šíření ve vzduchu 330 m s-1 ve vodě 1 440 m s-1

Vnímání zvuku • • závislost na frekvenci (sluchové pole) člověk 16 – 18 000 Hz infrazvuk (chobotnatci) ultrazvuk nad 20 k. Hz pes 18 – 38 000 Hz kočka až 50 k. Hz netopýr až 200 k. Hz dle druhu kytovci 300 Hz až 20 k. Hz dorozumívání 10 k. Hz až 280 k. Hz echolokace – sonar (spermacet vorvaně – ultrasonický reflektor), ultrazvukové dělo výkon 700 W, akustický tlak až 70 000 k. Pa

Intenzita zvuku • energie působící na jednotkovou plochu orientovanou kolmo na směr šíření vlny za jednotku času [ W m-2] Lidské ucho při frekvenci 1 k. Hz vnímá prahovou intenzitu I 0 = 10 -12 W m-2

Hladina intenzity zvuku I L = log -------I 0 I L = 10 log -------I 0 [ B] [ d. B ] Práh bolesti 130 d. B nezávisí na frekvenci

Jednotky hlasitosti • Změna počitku je přímo úměrná změně podnětu • frekvenční závislost ! • referenční tón 1 k. Hz • fon [Ph] číselně se kryje s d. B • son číselně se kryje s 40 d. B

Ultrazvuk • • nad 20 k. Hz generátory magnetostrikční piezoelektrický

Fyzikální vlastnosti • absorpce je přímo úměrně závislá na frekvenci ultrazvuku a na druhu materiálu nejvíce absorbují plyny • energie vln roste se čtvercem frekvence • rychlost c je nezávislá na frekvenci, pro tekuté prostředí (měkké tkáně) platí K K – modul objemové pružnosti c = ------ρ ρ – měrná hmotnost

Fyzikální vlastnosti • pružná prostředí vedou k útlumu • útlum je závislý na frekvenci přímo úměrně I = Io. e-2αx α lineární koeficient útlumu [d. B] • Ultrazvukový vlnový odpor – akustická impedance z z=ρ. c [Pa s-1] c …rychlost vlny krev 1, 62. 106 Pa s-1 tuk 1, 35. 106 Pa s-1 kost 3, 75. 106 Pa s-1

Ultrazvuk - účinky • mechanické • fyzikálně – chemické disperzní x koagulační • tepelné – asi 30 % energie • kavitace - zdroj volných radikálů • pseudokavitace – uvolňování bublinek plynů

Biologické účinky ultrazvuku • • strukturní změny permeability membrán změny vodivosti nervových vláken změny p. H analgetické a spasmolytické změkčení vazivových tkání zvýšení metabolizmu narušení centra pro bolest v thalamu

Využití ultrazvuku • • • myčky skla příprava suspenzí defektoskopie terapeutické litotripsie sonografie

Sonografie, echografie • odraz ultrazvukové vlny na rozhraní tkání • odrazy nesou informace o prostředí kterým prošly • vnitřní struktura tkání ovlivňuje rychlost šíření a útlum ultrazvuku • tvar orgánu ovlivňuje odraz a lom vlny • Sonda pracuje současně jako generátor i detektor. • speciální gely

Sonografické obrazy - cysta

Sonografické obrazy – solidní útvar

Dopplerův efekt • změna frekvence při vzájemném pohybu vysílače a přijímače akustického signálu • přibližováním frekvence roste • vzdalováním frekvence klesá

Sonografie s Dopplerovým jevem • proudění krve • pohyb chlopní • echokardiogram mitrální chlopně • Dopplerovská křivka proudu mitrální chlopně