Optika medicina Osijek 2016 1 Optika je dio

Optika medicina, Osijek 2016 1

Optika je dio fizike koji proučava svjetlosne pojave. Elektromagnetske valove na koje je osjetljivo ljudsko oko nazivamo vidljivom svjetlošću. (400 -750 nm) 2

Duga Svjetlost pokazuje svojstva valova (Huygens) i čestična svojstva (Newton) 3

Teorije o prirodi svjetlosti Prema korpuskularnoj teoriji svjetlost zamišljamo kao roj čestica koje izlijeću iz nekog izvora Prema valnoj teoriji svjetlost se širi kao impuls kroz neko elastično sredstvo Pokusima je dokazano da svjetlost ima dualnu prirodu 4

Podjela Optika se dijeli na: ◦ Geometrijsku – proučava isključivo svjetlost kao česticu (pravocrtno širenje). Opisuje zakonitosti koje se odnose na optičke sustave, na pojave širenja svjetlosti kroz prozirna sredstva, odbijanje i lom svjetlosti ◦ Fizikalna optika – zasniva se na valnoj teoriji svjetlosti (Youngov pokus) 5

Geometrijska optika – osnovni pojmovi • • • svjetlo - elektromagnetski val, 400 - 800 nm zraka svjetlosti - infinitezimalno uzak snop, smjer gibanja valne fronte paralelni snop - širina snopa mala prema udaljenostima na kojima promatramo događanja, a intenzitet se ne mijenja s udaljenošću vidimo - izvor svjetla ili reflektor svjetla optičko sredstvo - indeks loma - n = c/v granica dva sredstva - dioptar - ravni ili sferni stvara sliku 6

• ishodište koordinatnog sustava - u centru sistema - pozitivna os u smjeru rasprostiranja svjetlosti • zakoni geometrijske optike - za paraaksijalne zrake (w<<); tada je • Gaussove aproksimacije - stigmatičnost, od točkastog predmeta nastaje točkasta slika • četiri zakona: 1. zakon pravocrtnog širenja svjetlosti 2. zakon povratka svjetlosti 3. zakon refleksije na granici dva sredstva 4. zakon loma na granici dva sredstva 7

Sjena 8

Sjene Pratimo zrake svjetlosti od izvora do zaslona ◦ vidi se lokacija dubokih sjena (umbra) i polusjene (penumbra). 9

10

11

Geometrijska optika Zakon pravocrtnog širenja svjetlosti Zakon nezavisnih svjetlosnih snopova 12

Geometrijska optika Zakon odbijanja svjetlosti (refleksije) – kut upada je jednak kutu refleksije upadno = reflektirano 13

14

15

16

Zakon loma svjetlosti Lom svjetlosti se događa na granici između dva sredstva koji imaju različit indeks loma Snellov zakon 17

Zakon loma svjetlosti Totalna refleksija – pojava koja se javlja kada svjetlost prelazi iz sredstva većeg indeksa loma u sredstvo nižeg indeksa loma Indeks loma – omjer prividne brzine svjetlosti u sredstvu i brzine svjetlosti u vakuumu. Sredstvo Indeks loma Gaussove Zrak 1. 000293 aproksimacije Voda 1. 333 Fermatov princip Kvarc 1. 544 Staklo Dijamant 1. 46 -1. 96 0 18

19

Totalna refleksija Pri prelasku iz gušćeg u rjeđe sredstvo: nu>nl granični kut upada kut loma 900 za kut upada veći od graničnog - totalna refleksija način širenja svjetlost u optičkim vlaknima svjetlovodima 20

Svjetlovod prozirne fleksibilne niti provode svjetlo totalnom refleksijom u medicini u endoskopiji jezgra optičkog vlakna velikog indeksa loma vanjski plašt manjeg indeksa loma 21

22

23

24

25

26

27

Ravni dioptar Dva optička sredstva različitih indeksa loma, koja su međusobno odvojena ravninom Dva slučaja: ◦ Iz optički gušćeg u optički rjeđe sredstvo ◦ obrnuto 28

Ravni dioptar zakon loma zakon refleksije 2 = 1 slika refleksijom na dioptru: jednadžba konjugacije: x 2 = x 1 slike su virtualne slika refrakcijom na dioptru: jednadžba konjugacije: n 1 x 3 = n 2 x 1

Optička prizma Prozirno sredstvo omeđeno sa dva ravna dioptra koji međusobno zatvaraju neki kut 30

Optička prizma Primjena u spektroskopiji Najmanja devijacija kada zraka prolazi kroz prizmu paralelno s bazom θ=d 1+d 2 d 1=i 1 -r 1; d 2=i 2 -r 2 θ=i 1+i 2 -α θ=2 i-α, α=2 r 31

32

33

34

35

Sferni dioptar Granica između dva homogena izotropna optička sredstva različitih indeksa loma rastavljenih sfernom plohom f 1 – žarišna daljina predmeta f 2 – žarišna daljina slike 36

konstrukcija slike • žarišna udaljenost slike: x 2=f 2 za x 1=- • žarišna udaljenost predmeta x 1=f 1 za x 2=

Izvori i slike Realna slika nastaje na mjestu gdje se nakon loma i refleksije ponovno sijeku zrake svjetlosti iz nekog izvora Virtualna slika - nakon loma i refleksije naše oko stvara sliku izvora u produžetku realnih zraka 38

Izvori i slike realan izvor - realna slika virtualan izvor - realna slika realan izvor - virtualna slika virtualan izvor - virtualna slika 39

Ravno zrcalo Svaka ravna ploha koja pravilno reflektira svjetlost, odnosno paralelan svjetlosni snop kao paralelan snop Realnom predmetu odgovara virtualna slika i obratno Zraka svjetlosti između dvaju točaka prelazi put za koji joj je potrebno najmanje 40

Sferno zrcalo Dio kugline plohe kojoj je jedna strana glatka tako da reflektira svjetlost Ono može biti udubljeno (konkavno), ili izbočeno (konveksno) 41

Jednadžba sfernog zrcala Gdje su a i b udaljenost predmeta, odnosno slike, a f žarišna udaljenost Žarišna udaljenost je polovica udaljenosti između tjemena i središta zakrivljenosti Linearno povećanje zrcala 42

Leće skup sfernih dioptara čiji centri zakrivljenosti leže na jednom pravcu vanjske plohe dioptara su plohe leće ne provodimo egzaktnu konstrukciju slike, nego je izvodimo pomoću konjugiranih ravnina centriranog sistema - glavne ravnine, H 1 i H 2 koje su jedna drugoj slika s povećanjem +1; probadaju os u točkama G 1 i G 2 dvije čvorne točke N 1 i N 2; izlazna zraka kroz N 2 paralelna je s ulaznom kroz N 1 H 1 G 1 H 2 G 2 H 1 H 2 N 1 G 2 N 2

Debela leća ne možemo zanemariti put svjetlosti kroz leću konstrukcija slike putem glavnih ravnina; x 1 i f 1 mjere se od H 1 a x 2 i f 2 mjere se od H 2 f 1 x 2

q leća u homogenom sredstvu - f 1 = f 2 i n 1 = n 2 čvorne točke poklapaju s glavnim točkama q leća u zraku - f 1 = f 2 = f i n 1= n 2 = 1

debela leća duljina puta svjetla kroz leću vrlo važna u konstrukciji slike dvije glavne ravnine - slika jedna drugoj sijeku optičku os u glavnim točkama dvije čvorne točke - na optičkoj osi kroz koje prolaze zrake koje se ne lome već prolaze kao kroz planparalelnu ploču

Tanka leća zanemarujemo put svjetlosti kroz leću slika je uvijek realna osim ako je predmet bliže leći od fokusa predmeta slika je uvijek virtualna i umanjena

Leće Ako je udaljenost među tjemenima mala, govorimo o tankoj leći 48

Jakost leće Recipročna vrijednost njene žarišne udaljenosti Izražava ne i dioptrijama [D=m-1] 49

Konvergentna leća Naziva se još i pozitivna Sastavljena je od dvije konveksne površine Slika kod konvergentne leće je realna i obrnuta (osim ako se predmet nalazi između fokusa i tjemena) 50

Divergentna leća Naziva se još i negativna leća Za nju vrijede iste jednadžbe kao i za konvergentnu, ako se poštuje pravilo o predznacima 51

Optički instrumenti Povećalo (lupa) – najjednostavniji optički instrument ◦ Konvergentna leća male žarišne daljine (manje od 25 cm) pomoću koje se dobivaju uvećane virtualne slike malih predmeta ◦ Lupa se postavlja tako da je predmet između njenog žarišta i optičkog središta, bliže žarištu. 52

Mikroskop Optički mikroskop služi za povećanja koje se ne mogu dobiti pomoću lupe, niti se mogu vidjeti golim okom Mikroskop se sastoji od dvije konvergentne leće koje se nazivaju objektiv i okular 53

Mikroskop Objektiv je jaka konvergentna leća male žarišne daljine koja se nalazi bliže predmetu Okular je konvergentna leća koja je bliže oku i djeluje kao obična lupa ◦ Predmet se stavlja ispred objektiva tako da daje realnu obrnutu i uvećanu sliku ◦ Ta slika postaje novi predmet za okular koji tu sliku još više poveća i stvara konačnu sliku 54

Mikroskop OBJEKTIV OKULAR 55

Mikroskop Tipično povećanje optičkog mikroskopa je do 1500 x Teorijska rezolucijska granica iznosi oko 200 nm (difrakcija) Difrakcija se izbjegava korištenjem kraćih valnih duljina Upotreba imerzijskog sredstva – nema, dodatnog loma 56

Abbeova teorija o rezoluciji mikroskopa Preparat promatra kao optičku rešetku Dolazi do ogiba na “pukotinama” unutar preparata je q polovina otvornog kuta mikroskopa Numerička apertura mikroskopa Gdje 57

Rayleighov kriterij Model ogiba na okrugloj pukotini Leću promatra kao pukotinu, granica rezolucije je poklapanje centralnog maksimuma slike jednog objekta s prvim minimumom slike drugog objekta 58

Vrste mikroskopa TOM – transmisijski optički mikroskop ◦ ROM – Refleksijski optički mikroskop ◦ Interferencijski ◦ Fazni-kontrastni ◦ Konfokalni pretraživački fluorescentni mikroskop ◦ Elektronski ◦ 59

Oko je najvažniji optički sustav Promjer ljudskog oka iznosi približno 24 mm, i približno je sfernoga oblika Ispunjen je prozirnom tekućinom koja se naziva staklenina Svjetlost najprije prolazi kroz prednji dio oka koji se naziva rožnica, te nakon toga prolazi kroz leću, te se formira slika na stražnjem dijelu koji se naziva mrežnica 60

Oko 61

Interferencija Nastaje pri pojavi (zbrajanju) dvaju ili više koherentnih svjetlosnih valova Koherentni – jednaka frekvencija i stalna fazna razlika Youngov pokus na dvije pukotine Pojava svijetlih i tamnih pruga interferencije 62

Difrakcija (ogib) Pojava kada svjetlosni val prolazi pored prepreke. ◦ Skretanje svjetlosti u geometrijsku sjenu zapreke ili pukotine Među ogibnim zrakama nastaje interferencija (svijetle i tamne pruge) Pruge ogiba su uže što je valna duljina svjetlosti kraća 63

Optička rešetka Niz uskih pukotina koje su međusobno paralelne i vrlo blizu jedna drugoj Razmak između dvije pukotine naziva se konstanta optičke rešetke 64

Optička rešetka Svijetle pruge dobiju se interferencijom ogibnih valova u smjerovima pod kutom prema prvotnom smjeru širenja vala Uvjet za maksimume je: 65

66