В рамках приближений геометрической оптики невозможно определить физический предел разрешения оптических систем. Эта задача решается при учете волновой природы излучения. Ограниченность разрешающей способности микроскопа обусловлена явлением дифракции, обусловленном волновой природой света.

Если на пути световой волны находится препятствие типа непрозрачного экрана, то часть волны, задерживаясь препятствием, перестает действовать, и образуется тень. Однако при этом возникает специфическое явление огибания препятствия волной, носящее название дифракции. В результате на краях отверстия возникает отклонение направления распространения светового луча от первоначального и связанное с ним угловое расширение пучка, что приводит к размазыванию границы тени (рис. 1) и, следовательно, к появлению несоответствия между объектом и его теневым изображением.

Рис.1 Картина дифракции на диафрагме (а) и распределение интенсивности света (б) на экране.

Теория Аббе

Сказанное выше справедливо для случая некогерентных источников, т.е. для самосветящихся объектов наблюдения. Однако для практики гораздо важнее ситуация освещенных объектов. Это означает, что отдельные точки объекта рассеивают волны, падающие на них из одного источника, т.е. сами являются источниками когерентного излучения.

Аббе (1873) указал весьма интересный прием определения разрешающей силы микроскопа для такого случая.

Рассмотрим для простоты случай, когда освещение производится параллельным пучком, а объект имеет простую форму дифракционной решетки, период которой d имеет размер (и смысл) мельчайшей различимой детали.

Рис.2

Свет перед попаданием на линзу микроскопа претерпевает дифракцию (рис.2), формируя в результате интерференции в фокальной плоскости FF ряд главных максимумов, угловые расстояния между которыми определяются периодом решетки - объекта наблюдения (по Аббе - первичное изображение или спектр).

В описанной ситуации положение дифракционных максимумов Ат задается условием:

где т - целое число.

Так как все дифракционные максимумы соответствуют когерентным лучам, то за фокальной плоскостью объектива эти лучи опять интерферируют между собой, давая в плоскости Р2Р2", сопряженной относительно объектива 00" с плоскостью Р1Р1", изображение самого объекта (т. н. вторичное изображение).

Только полная совокупность дифракционных максимумов определит вторичное изображение в полном соответствии с объектом.

Чем крупнее деталь изображения, тем меньший угол дифракции ей соответствует. Детали структуры меньше длины волны вообще не могут быть наблюдаемы, т.к. волны, дифрагировавшие на таких деталях, не доходят до экрана Р2Р2"

Если диафрагма, расположенная в фокальной плоскости обрезает дифрагировавшие пучки так, что в формировании изображения будет участвовать только центральный луч, то мы не увидим изображения объектов, дающих дифракцию от периодической структуры.

Правило Луммера гласит: если оптическая система формирует изображение без искажений и улавливает весь дифрагированный объектом свет, то изображение правильно передает распределение амплитуд и фаз излучения, рассеянного объектом.

При исследовании реальных объектов в ТЕМ следует иметь в виду, что дифракционная картина формируется не только атомами, но и зернами и дефектами решетки. Так как размер зерен гораздо больше межатомных расстояний, то углы дифракции на зернах гораздо меньше углов дифракции на атомной структуре. Поэтому при отсечении апертурной диафрагмой пучков, сформированных дифракцией на атомах, изображение в плоскости изображения микроскопа образуется лучами, дифрагировавшими на зернах. Поэтому на экране мы наблюдаем зерна, а не атомы. Для того, чтобы увидеть атомы, необходимо, чтобы лучи, дифрагировавшие на атомах, прошли через апертурную диафрагму и также принимали участие в формировании картины объекта в плоскости изображения. Для этого необходимо, чтобы углы дифракции на атомах, были весьма малыми. Этого можно достичь, уменьшив длину волны электронов, что аппаратно реализуется повышением ускоряющего напряжения в источнике электронов микросокпа до 200-400 кВ и выше. Так получают изображения дифрагирующих решеток в электронных микроскопах, работающих в режиме высокого разрешения (HR TEM - high resolution transmission electron microscopy).

Световая энергия в дифракционном изображении точки распределяется неравномерно. Впервые распределение освещенности в дифракционных кольцах было исследовано английским ученым Эйри (1811-1892), и центральный кружок дифракционного пятна получил название кружка Эйри. Большая часть световой энергии изображения сосредоточена в кружке Эйри (около 84%) и первых двух-трех кольцах.

Математически расчет распределения освещенности в дифракционных кольцах сводится к определению корней функции Бесселя J1 (u). Распределение интенсивности I при дифракции плоской волны на круглом отверстии задается функцией

Аргумент функции Бесселя

где а - радиус отверстия, . угол дифракции, Первый корень, соответствующий первому минимуму освещенности (т.е. границе центрального светлого пятна в дифракционной картине), получается при значении

Тогда радиус центрального, самого интенсивного кружка, называемого кружком Эйри или кружком рассеяния,

• · л - длина волны;
• · n - показатель преломления для пространства между объектом и объективом;
• · М - увеличение объектива;
• · ц - апертурный угол.

Появление на искаженном изображении кружка вместо точки равносильно изображению идеальной линзой объекта в виде кружка радиусом

r называют радиусом кружка рассеяния.

Таким образом, по мере уменьшения апертурного угла или диаметра диафрагмы, как показано на рис.3, размер возникающего изображения все в большей степени будет отличаться от идеального.

Предельное разрешаемое расстояние при учете только рассматриваемой здесь дифракционной ошибки равно радиусу кружка рассеяния, отнесенного к объекту, т.е.

Видимая часть спектра ограничена узкой областью длин волн от 0,4 до 0,8 мкм, поэтому повышение разрешающей способности (а с ним и полезного увеличения) в световой микроскопии осуществляется за счет применения специальной иммерсионной жидкости с показателем преломления n ? 1,5. Величина апертурного угла для высококачественных объективов составляет примерно 70° (sin 0 ? 0,9), так что для предельно разрешаемого расстояния получается величина, примерно равная половине длины волны используемого света, т.е.0,2 мкм.

Если лучи от точечного источника света проходят через реальную оптическую систему (объектив, линзу и т.п.), то в плоскости изображения системы образуется элементарная интерференционная картина в виде кружка Эйри.

Если применить - протяженный источник света, то при прохождении лучей через, систему каждая точка источника будет давать свой кружок, в результате чего в плоскости изображения системы образуется сложная интерференционная картина.

Рис. 4

a) положение дифракционных изображений точек А и B при условии их разрешения;,

b) график распределения интенсивности в дифракционном изображении двух светящихся точек

разрешающая способность оптическая система

В случае, когда две светящиеся точки, изображаемые оптической системой, находятся на очень малом расстоянии одна от другой, дифракционные фигуры рассеяния могут частично накладываться или сливаться в одну. Если в такой сложной картине оптическая система позволяет наблюдать две близко расположенные точки раздельно, то говорят, что система эти точки "разрешает".

Если расстояние между центрами дифракционных картин точек А и В обозначить r (рис.4, а), то эти точки будут видны раздельно при условии, что r>с, где с - радиус первого минимума (или кружка Эйри).

Обычно при оценке разрешающей способности систем применяют критерий Рэлея. По Рэлею, за предел разрешения принимается такое положение, при котором темное кольцо одного дифракционного кружка проходит через светлый центр соседнего (рис.4). В этом случае сумма ординат кривых интенсивности в точке С будет равна примерно 0.8 от ординаты в точке максимума. Разница в 20% считается достаточной для разделения изображений. Изложенное - суть т. н. критерия Рэлея для разрешения оптических систем.

Кардинальное улучшение разрешающей способности было достигнуто в электронной микроскопии, использующей для формирования изображения электронное излучение.

Согласно основному положению волновой механики, каждой частице с массой т, движущейся со скоростью v, соответствует волна длиной

Рабочая формула для вычисления длины волны электронов в ангстремах имеет вид

Где U - ускоряющее напряжение в киловольтах

В современных электронных микроскопах используются электроны со скоростями, которым соответствуют длины волн 0,003 - 0,007 нм,.

Практически достижимое разрешение электронных микроскопов превышает разрешение световых лишь в 1000 раз. Это расхождение связано с тем, что в электронно-оптических линзах по сравнению со световыми значительно больше ошибки изображения, так называемые аберрации. Для снижения влияния аберраций приходится уменьшать апертурные углы в 100-1000 раз по сравнению с апертурными углами светооптических микроскопов.

Независимо от их специфики и предназначения, обязательно имеют одну общую физическую характеристику, которая называется «разрешающая способность». Данное физическое свойство является определяющим для всех без исключения оптических и Например, для микроскопа важнейшим параметром является не только увеличивающая способность его линз, но и разрешение, от которого напрямую зависит качество изображения исследуемого объекта. Если конструкция этого прибора не способна обеспечить раздельное восприятие мельчайших деталей, то полученное изображение будет некачественным даже при значительном увеличении.

Разрешающая способность оптических приборов - это величина, которая характеризует их способность различать наименьшие отдельные детали наблюдаемых или измеряемых объектов. Пределом разрешающей способности называется минимальное расстояние между соседними деталями (точками) объекта, при котором их изображения уже не воспринимаются в качестве отдельных элементов объекта, сливаясь воедино. Чем меньше это расстояние, тем, соответственно, выше разрешающая способность прибора.

Обратная пределу разрешения величина служит количественным показателем разрешающей способности. Этот важнейший параметр и определяет качество прибора и, соответственно, его цену. Вследствие дифракционного свойства световых волн, все изображения мелких элементов объекта имеют вид светлых пятен, окруженных системой концентрических интерференционных окружностей. Именно данное явление служит ограничением разрешающей способности любых оптических приборов.

Согласно теории английского физика 19-го века Рэлея, изображение двух близлежащих мелких элементов объекта еще могут быть различимы при совпадении их дифракционного максимума. Но даже такая разрешающая способность имеет свой предел. Она определяется расстоянием между этими мельчайшими деталями объектов. обычно определяется максимальным количеством раздельно воспринимаемых линий на один миллиметр изображения. Этот факт был установлен опытным путем.

Разрешающая способность приборов понижается при наличии аберраций (отклонений светового луча от заданного направления) и различных погрешностей изготовления оптических систем, что увеличивает габариты дифракционных пятен. Таким образом, чем меньше величина дифракционных пятен, тем выше разрешающая способность любой оптики. Это немаловажный показатель.

Разрешающая способность любого оптического прибора оценивается по его аппаратным функциям, отражающим все факторы, которые оказывают влияние на качество предоставляемого этим прибором изображения. К таким влияющим факторам, безусловно, следует в первую очередь отнести аберрацию и дифракцию - огибание световыми волнами препятствий и, как следствие, отклонение их от прямолинейного направления. Для определения разрешающей способности различных оптических приборов применяются специальные испытательные прозрачные или непрозрачные пластинки со стандартным рисунком, называемые мирами.

Cтраница 1

Разрешающая способность оптических приборов и, в частности, микроскопов ограничивается явлением дифракции. Изображение частиц меньших размеров будет иметь вид дифракционного кружка, форма которого практически не зависит от формы частиц. При специальном способе наблюдения эти дифракционные картины, однако, могут быть замечены и, следовательно, факт существования частиц, их положение и движение могут быть установлены. Вопросы наблюдения и исследования таких малых частиц в коллоидных растворах и аэрозолях и составляют предмет ультрамикроскопии.  

Ограничения разрешающей способности оптических приборов связаны с дифракционными явлениями и аберрациями элементов оптических систем.  

На разрешающую способность оптического прибора влияет кроме разрешающей способности глаза степень коррекции системы.  

Чем определяется разрешающая способность оптических приборов.  

Об увеличении разрешающей способности оптических приборов: Докл.  

Обычно под разрешающей способностью оптического прибора понимают способность различать (шит разрешать) в изображении объекта два близких элемента - две близкие светящиеся точки Б обычном оптическом приборе или две близкие монохроматические линии в спектре, полученном с помощью спектрального прибора.  

Что понимают под разрешающей способностью оптического прибора и от чего она зависит.  

Почему явление дифракции ограничивает разрешающую способность оптических приборов, например телескопа.  

Согласно критерию Рэлея, максимальная разрешающая способность оптического прибора соответствует условию, когда главный максимум дифракционной картины от одного точечного объекта точно совпадает с первым минимумом дифракционной картины от другого близко расположенного с первым точечного объекта. Этому условию отвечает минимальное угловое разрешение оптического прибора.  

Из формулы (183.2) видно, что для увеличения разрешающей способности оптических приборов нужно либо увеличить диаметр объектива, либо уменьшить длину яолны. Поэтому для наблюдения более мелких деталей предмета используют ультрафиолетовое излучение, а полученное изображение в данном случае наблюдается с помощью флуоресцирующего экрана либо фиксируется на фотопластинке. Еще большую разрешающую способность можно было бы получить с помощью рентгеновского излучения, но оно обладает большой проникающей способностью и проходит через вещество не преломляясь; следовательно, в данном случае невозможно создать преломляющие линзы. Потоки электронов (при определенных энергиях) обладают примерно такой же длиной волны, как и рентгеновское излучение.  

Из формулы (183.2) видно, что для увеличения разрешающей способности оптических приборов нужно либо увеличить диаметр объектива, либо уменьшить длину волны. Поэтому для наблюдения более мелких деталей предмета употребляют ультрафиолетовое излучение, а полученное изображение в данном случае наблюдается с помощью флуоресцирующего экрана либо фиксируется на фотопластинке. Еще большую разрешающую способность можно было бы получить с помощью рентгеновского излучения, но оно обладает большой проникающей способностью и проходит через вещество не преломляясь; следовательно, в данном случае невозможно создать преломляющие линзы. Потоки электронов (при определенных энергиях) обладают примерно такой же длиной волны, как и рентгеновское излучение.  

Еще один интересный вопрос, очень важный с технической точки зрения: какова разрешающая способность оптических приборов. Когда мы создаем микроскоп, мы хотим целиком видеть тот объект, который находится в поле нашего зрения. Это означает, например, что, глядя на бактерию, на боках которой имеются два пятнышка, мы хотим различить оба пятнышка на увеличенном изображении. Могут подумать, что для этого нужно только получить достаточное увеличение, ведь всегда можно добавить еще линзы и достичь большего увеличения, а если конструктор ловкий, то он устранит сферические и хроматические аберрации; вот вроде бы и нет причин, почему бы не увеличить желаемое изображение до любых размеров. Но предел возможностей микроскопа связан не с тем, что невозможно добиться увеличения более чем в 2000 раз.  

Разрешающая Способность (разрешающая сила) оптических приборов, характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Обратная ему величина обычно служит количеств. мерой разрешающей способности. Вследствие дифракции света на краях оптических деталей даже в идеальной оптической системе (т. е. безаберрационной; см. Аберрации оптических систем) изображение точки есть не точка, а кружок с центральным светлым пятном, окруженным -кольцами (попеременно темными и светлыми в монохроматическом свете , радужно окрашенными - в белом свете). Теория дифракции позволяет вычислить наименьшее расстояние, разрешаемое системой, если известно, при каких распределениях освещенности приемник (глаз, фотослой) воспринимает изображения раздельно. Согласно Рэлею (1879), изображения двух точек одинаковой яркости еще можно видеть раздельно, если центр дифракционного пятна каждого из них пересекается краем 1-го темного кольца другого (рис.). В случае самосветящихся точек, испускающих некогерентные лучи, при выполнении этого критерия Рэлея наименьшая освещенность между изображениями разрешаемых точек составит 74% своего максимального значения, а угловое расстояние между центрами дифракционных пятен (максимумами освещенности) Δφ = 1,21 λ/D где λ - длина волны света, D - диаметр входного зрачка оптической системы (см. Диафрагма в оптике). Если f - фокусное расстояние оптической системы, то линейная величина рэлеевского предела разрешения σ = 1,21 λf/D. Предел разрешения телескопов и зрительных труб выражают в угловых секундах (см. Разрешающая сила телескопа); для длины волны λ ~ 560 нм, соответствующей максимальной чувствительности человеческого глаза, он равен α" = 140/D (D в мм). Для фотообъективов разрешающая способность обычно определяют как максимальное количество раздельно видимых линий на 1 мм изображения стандартного тест-объекта (см. Мира) и вычисляют по формуле N = 1470ε, где ε - относительное отверстие объектива (см. также Разрешающая способность фотографирующей системы; о разрешающей способности микроскопов см. в ст. Микроскоп). Приведенные соотношения справедливы лишь для точек, находящихся на оси идеальной оптической системы. Наличие аберраций и погрешностей изготовления увеличивает размеры дифракционных пятен и снижает разрешающую способность реальных систем, которая, кроме того, уменьшается по мере удаления от центра поля зрения . Разрешающая способность оптического прибора R оп, в состав которого входят оптическая система с разрешающей способностью R oc и приемник света (фотослой, катод электроннооптического преобразователя и пр.) с разрешающей способностью R п, определяется приближенной формулой 1/R оп = 1/R oc + 1/R п; из нее следует, что целесообразно использовать лишь сочетания, в которых R ос и R п - величины одного порядка. Разрешающая способность прибора может быть оценена по его аппаратной функции, отражающей все факторы, влияющие на качество изображения (дифракцию, аберрации и т. д.). Наряду с оценкой качества изображения по разрешающей способности широко распространен метод его оценки с помощью частотно-контрастной характеристики. О разрешающей способности спектральных приборов см. в ст. Спектральные приборы.

Распределение освещенности Е в изображении двух точечных источников света, расположенных так, что угловое расстояние Δφ между максимумами освещенности равно угловой величине Δθ радиуса центрального дифракционного пятна (Δφ = Δθ - условие Рэлея).

Разрешающая способность оптических приборов, характеризует способность давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Всякая система имеет ограниченное отверстие, которое огибается сферической волной, исходящей из объекта, вызывая дифракцию. Вследствие дифракции света на краях оптических деталей даже в идеальной оптической системе изображение точки есть не точка, а кружок с центральным светлым пятном, окруженным кольцами (попеременно тёмными и светлыми в монохроматическом свете, радужно окрашенными - в белом свете). Центральный максимум отделен абсолютным минимумом от других, менее интенсивных, максимумов. Эти максимумы более высоких порядков не оказывают существенного влияния на дифракционную картину. Качество изображения оптической системы зависит от ширины этого максимума, т. е. от расстояния, на котором находится первый абсолютный минимум от центра дифракционной фигуры. Чем меньше площадь максимума, тем лучше качество изображения. Ширина центрального максимума является функцией апертурного угла со стороны изображения и длины волны света. Чем меньше апертурный угол и чем больше длина волны, тем максимум шире.

Факторы разрешающей способности глаза можно разделить на «нервные», к которым относятся способы" переработки сигнала в сетчатке и лежащих выше отделах зрительного анализатора, и на «оптические». Это в первую очередь дифракция на радужке, собственные аберрации глаза, рассеяние света на поверхностях глазных сред, влияние неровностей роговицы, децентрированности оптической системы глаза, неправильной фокусировки, контрастность объектов. При разных условиях зрительной работы эти факторы влияют различно. Так, при дневном зрении вследствие малого размера зрачка увеличивается влияние дифракции, аберрации же сказываются меньше, и совсем не влияет на сетчаточное изображение отклонение периферической зоны роговицы от правильной формы. При ночном зрении, когда зрачок расширен и работает не только центральная, но и периферическая зона роговицы, основное снижение качества изображения и разрешающей способности обусловлено неправильной формой роговицы и рассеянием света на глазных средах.

Образование изображения на сетчатке с точки зрения волновой природы света.

В глазу, так же как в большинстве других оптических систем, падающая от объекта сферическая волна ограничивается круглой апертурной диафрагмой - зрачком глаза, от диаметра которой и зависит ширина центрального максимума. Дифракционная фигура от круглого отверстия представляет собой дифракционный кружок. Центральный максимум, который воспринимается как «изображение» точки, имеет в этом случае радиус:

Так как этот радиус зависит от длины волны, то величина центрального максимума и радиус бокового максимума неодинаковы для различных цветов. Поэтому изображение точки в белом свете бывает окрашенным. Наличие в оптической системе глаза довольно больших аберраций приводит к перераспределению освещенности в дифракционной фигуре - освещенность в центральном максимуме уменьшается, а в дифракционных кольцах возрастает. Диаметр центрального максимума при этом остается прежним, а в боковых в большей или меньшей степени изменяется. Человеческий глаз представляет собой биологическую оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет 0,176 мм.

Оптический и электронный микроскопы. Электронный микроскоп и его отдельные элементы по своему назначению подобны оптическому.В оптическом микроскопе носителем информации о предметеявля­ется фотон, свет. Источником света обычно служит лампа накаливания. После взаимодействия с предметом (поглощение, рассеяние, дифракция) поток фотонов преобразуется и содержит информацию о предмете. Поток фотонов формируется с помощью оптических устройств, в основном линз: конденсора, объектива, окуляра, Изображение регистрируется глазом (или фотопластинкой, фотолюминесцирующим экраном и т.д.).

В электронном микроскопе носителем информации о предмете является электрон, а источником электронов - подогреваемый катод. Ускорение электронов и образование пучка осуществляют фокусирующим электродом и анодом - системой, называемой электронной пушкой. После взаимодействия с предметом (в основном рассеяние) поток электронов преобразуется и содержит информацию о предмете. Формирование потока электронов происходит под воздействием электрического поля (система электродов и конденсаторов) и магнитного (система катушек с током). Эти системы называют электронными линзами по аналогии с оптическими линзами, которые формируют световой поток (конденсорная; электронная, служащая объективом, проекционная). Изображение регистрируется на чувствительной к электронам фотопластинке или катодолюминесцирующем экране.

Главные максимумы попарно симметрично располагаются, отно­сительно центрального и в некоторой степени дублируют друг друга. Совокупность максимумов, расположенных с одной сторо­ны от центра, вместе с централь­ным достаточна, чтобы передать информацию о предмете. Следо­вательно, экранирование лучей, идущих от максимумов, распо­ложенных по другую сторону от центра, лишь уменьшит яркость изображения предмета.

Как видно из формулы (где А - числовая апертура; n - показатель преломления среды, находящейся между предметом и линзой объектива), один из способов уменьшения предела разрешения микроскопа - использование света с меньшей длиной волны. Числовая апертура может быть увеличена с помощью специаль­ной жидкой среды - иммерсии - в пространстве между объективом и покровным стеклом микроскопа. Окуляр совершенно не влияет на разрешающую способность микроскопа, он только создает увеличен­ное изображение объектива.

Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения.Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.

Поляризация света-явление особого видоизменения естественных световых лучей, исходящих от обыкновенного источника света, при котором лучи приобретают как бы различные свойства по различным направлениям, перпендикулярным к направлению луча; такое свойство лучей может быть вызвано в самом источнике света, если поставить последний в некоторые определенные условия, но оно может быть искусственно придано и лучам, вышедшим из источника света в естественном их состоянии.
Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное направление колебаний вектора Е, то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоско поляризованным.
Двойное лучепреломление, представляют собой волокнистые объекты, обладающие единственной оптической осью. Хотя это слишком упрощает положение вещей, при проведении очень многих биологических исследований удобно принять, что длинная ось волокна совпадает с оптической осью структуры.
В поляризационных устройствах - поляризаторах для получения полностью или частично поляризованного света используется одно из трёх физических явлений: поляризация при отражении света или преломлении света на границе раздела двух прозрачных сред; линейный дихроизм; двойное лучепреломление.

При построении изображений в геометрической оптике исходят из следующих приближений:1. Свет в однородной "среде распространяется прямолинейно (т. е. явлениями дифракции пренебрегают).2.Отдельные лучи распространяются независимо друг от друга (т. е. интерференцией лучей пренебрегают).3. При переходе луча из среды с показателем преломления п в среду с показателем преломления п" на границе раздела выполняется соотношение ti sin i = п" sin т между углом падения i и углом преломления г. Отражение рассматривается как частный случай преломления обратно в первую среду и ход лучей определяется простой подстановкой в полученные из валокна преломления. Частичное отражение лучей при преломлении и частичное поглощение их при от­ражении не учитываются.4. Для простоты расчет ведется лишь для лучей, падающих и отражающихся под столь малыми углами, что для них можно пользоваться приближенными соотношениями:sin а « tg а » а.
Центрированной оптической системой называется система, центры всех поверхностей которой располагаются на одной прямой. Эта прямая носит название оптической оси системы. Рассмотрим преломление параксиальных лучей (т. е. лучей, проходящих бесконечно близко около оптической оси) одной сферической поверхностью. В случае, когда имеется одна сферическая поверхность, оптической осью может быть любая прямая, проходящая.
Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону через центр поверхности.
Эндоско́п - группа оптических приборов различного назначения. Различают медицинские и технические эндоскопы. Технические эндоскопы используются для осмотра труднодоступных полостей машин и оборудования при техническом обслуживании и оценке работоспособности (лопатки турбин, цилиндры двигателей внутреннего сгорания, оценка состояния трубопроводов и так далее), кроме того, технические эндоскопы используются в системах безопасности для досмотра скрытых полостей (в том числе для досмотра бензобаков на таможне). Технические эндоскопы в СССР выпускались в Харькове.Медицинские эндоскопы используются в медицине для исследования и лечения полых внутренних органов человека (пищевод, желудок, бронхи, мочеиспускательный канал, мочевой пузырь, женские репродуктивные органы, почки, органы слуха), а также брюшной и других полостей тела.

Аберрации оптических систем (лат. - отклонение) - искажения, погрешности изображения, вызванные несовершенством оптической системы. Аберрациям, в разной степени, подвержены любые объективы, даже самые дорогие. Считается, что чем больше диапазон фокусных расстояний объектива, тем выше уровень его аберраций.Сфери́ческая аберра́ция - аберрация оптических систем; нарушение гомоцентричности пучков лучей от точечного источника, прошедших через оптическую систему без нарушения симметрии строения этих пучков (в отличие от комы и астигматизма). Расстояние δs" по оптической оси между точками схода нулевых и крайних лучей называется продольной сферической аберрацией .Диаметр δ" кружка (диска) рассеяния при этом определяется по формуле

Где2h 1 - диаметр отверстия системы;a" - расстояние от системы до точки изображения;δs" - продольная аберрация.Для объектов расположенных в бесконечности ,где f" - заднее фокусное расстояние.Для наглядности сферическую аберрацию, как правило, представляют не только в виде таблиц, но и графически. Световые лучи, проходящие сквозь линзу вблизи оптической оси (ближе к центру), фокусируется в области В , дальше от линзы. Световые лучи, проходящие сквозь краевые зоны линзы, фокусируются в области А , ближе к линзе. Таким образом, получается, что края линзы имеют более короткое фокусное расстояние, чем це Хроматические аберрации (ХА) - явление вызванное дисперсией света проходящего через объектив, т.е. разложением луча света на составляющие. Лучи с разной длиной волны (разного цвета) преломляются под разными углами, поэтому из белого пучка образуется радуга.нтр. Хроматические аберрации приводят к снижению чёткости изображения и появлению цветной «бахромы», особенно на контрастных объектах. Астигматизм (от греч. а - отрицательная частица и stigme - точка), недостаток оптической системы, получающийся вследствие неодинаковой кривизны оптической поверхности в разных плоскостях сечения падающего на неё светового пучка. Сферическая волновая поверхность после прохождения оптической системы деформируется и перестаёт быть сферической.Астигмати́зм (медицина) - дефект зрения, связанный с нарушением формы хрусталика, роговицы или глаза в результате чего человек теряет способность к чёткому видению. Оптическими линзами сферической формы дефект компенсируется не полностью. Если астигматизм не лечить, он может привести к косоглазию и резкому падению зрения. Без коррекции астигматизм может вызвать головные боли и резь в глазах. Поэтому очень важно регулярно посещать врача-офтальмолога. Цилиндрические линзы по форме напоминают автомобильную шину, искривленную в одном направлении больше, чем в другомСветовая микроскопия основывается на законах геометрической оптики и волновой теории образования изображения, в качестве освещения используются естественный или искусственные источники света. Классический микроскоп представляет собой штатив с подвижным тубусодержателем, осветителем и предметным столиком. Прикрепленный к ним тубус (полая трубка) оснащен системой линз. К предметному столику снизу прикреплено зеркало. Изменяя положение осветителя, зеркала и рабочей поверхности предметного столика с помощью специальных вентилей, можно добиться точной фокусировки световых лучей на исследуемом объекте и появления отчетливого изображения в объективе. На нижнем конце тубуса имеются 2-3 подвижных объектива с разной степенью увеличения, на верхнем конце - окуляр. Световая микроскопия подразделяется на фазовоконтрастную, интерференционную, поляризационную, люминесцентную, инфракрасную, стереоскопическую и основана на использовании различных свойств света и изучаемого объекта

Со́лнечная излучение (радиа́ция) - электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца. Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк - от радиоволн до рентгеновских лучей - однако максимум его интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра. Солнечное излучение дошедшее до Земли проходит строжайшую чистку в слоях земной атмосферы. Атмосфера Земли начинает уничтожать жесткие ультрафиолетовые и рентгеновские лучи на высоте 350 км. На такой же высоте отражаются длинные радиоволны. Мягкое ультрафиолетовое излучение поглощается на высоте 30-35 км., где происходит образование озона. Остаточное излучение дошедшее до поверхности земельного покрова поглощается морями и океанами, а также сушей.Солнечная постоянная – это количество солнечной энергии, приходящейся на поверхность площадью в квадратный метр и развернутую перпендикулярно солнечным лучам на границе земной атмосферы.Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1-2 мм). Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии. Проникновение инфракрасных волн в глубину тела (до 7 см) прогревает ткани, органы, мышцы, кости и суставы и ускоряет поток крови и лимфы. Инфракрасное излучение также позволяет ослабить действие ядохимикатов, g-излучения, способствуя повышению неспецифического иммунитета. ИК-лучи подсушивают кожу, а потому могут использоваться для лечения некоторых кожных заболеваний или ожогов. Ультрафиоле́товое излуче́ние - электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (380 - 10 нм, 7,9·1014 - 3·1016 Герц). Свойства: Высокая химическая активность, невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие: изменения в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза. Применение ультрафиолетового излучения в медицине связано с тем, что оно обладает бактерицидным, мутагенным, терапевтическим (лечебным), антимитотическим и профилактическим действиями, дезинфекция; лазерная биомедицина. Дефицит ультрафиолетовых лучей ведет к авитаминозу, снижению иммунитета, слабой работе нервной системы, появлению психической неустойчивости.Ультрафиолетовое излучение оказывает существенное воздействие на фосфорно-кальциевый обмен, стимулирует образование витамина D и улучшает все метаболические процессы в организме.

Теплово́е излуче́ние или лучеиспускание - передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра, т.е на длины волн от 0,74 мкм до 1000 мкм. Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме.Характеристики теплового излучения - энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Дж/(м2с)] = [Вт/м2] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения.Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (излучательности) тела (R) - мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

- коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФпад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФотр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФпогл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФпр: α = dФпогл/dФпад. Коэффициент поглощения α зависит от природы поглощающего тела, длины волны поглощаемого излучения, температуры и состояния поверхности тела. - монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данной длины волны при заданной температуре: αλ,T = f(λ,T)Среди тел есть такие тела, которые могут поглощать все тепловое излучение любых длин волн, которое падает на них. Такие идеально поглощающие тела называются абсолютно черными телами. Для них α =1. Есть также серые тела, для которых α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.Закон Кирхгофа . Тепловое излучение является равновесным - сколько энергии излучается телом, столь ее им и поглощается. Для трех тел, находящихся в замкнутой полости можно записать:

закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения (при определенной температуре и для определенной длины волны) не зависит от природы тела и равно для всех тел спектральной плотности энергетической светимости при тех же самых температуре и длине волны.Закон Стефана-Больцмана. Общая энергетическая светимость во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

Закон Вина. длина волны λmax, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т:

λmax = в/t, где в = 2,9*10-3 м·К- постоянная Вина.Формула Планка. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6,63*10-34 Дж·с постоянная Планка.

Природа рентгеновского излучени Теперь известно, что X-лучи - вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10 -5 нм . Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм ), называются мягкими . Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.я Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длинной от 80 до 10 –5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ излучением, коротковолновое – длинноволновым g-излучением. Рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках. рис.1.

К – катод

1 – пучок электронов

2 –рентгеновское излучение

Рис. 1. Устройство рентгеновской трубки.

Трубка представляет собой стеклянную колбу (с возможно высоким вакуумом: давление в ней порядка 10 –6 мм.рт.ст.) с двумя электродами: анодом А и катодом К, к которым приложено высокое напряжение U (несколько тысяч вольт). Катод является источником электронов (за счет явления термоэлектронной эмиссии). Анод – металлический стержень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Он изготовляется из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при бомбардировке электронов. На скошенном торце имеется пластинка из тугоплавкого металла (например, вольфрама).
Сильный разогрев анода обусловлен тем, что основное количество электронов в катодном пучке, попав на анод, испытывает многочисленные столкновения с атомами вещества и передает им большую энергию.Под действием высокого напряжения электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до больших энергий. Кинетическая энергия электрона равна mv 2 /2. Она равна энергии, которую он приобретает, двигаясь в электростатическом поле трубки:mv 2 /2 = eU (1) где m, e – масса и заряд электрона, U – ускоряющее напряжение. Процессы приводящие к возникновению тормозного рентгеновского излучения обусловлены интенсивным торможением электронов в веществе анода электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов.Механизм возникновения можно представить следующим образом. Движущиеся электроны – это некоторый ток, образующий свое магнитное поле. Замедление электронов – снижение силы тока и, соответственно, изменение индукции магнитного поля, которое вызовет возникновение переменного электрического поля, т.е. появление электромагнитной волны.Таким образом, когда заряженная частица влетает в вещество, она тормозится, теряет свою энергию и скорость и излучает электромагнитные волны. Рентгеновские аппараты (синоним рентгеновские установки) - устройства для получения и использования рентгеновского излучения в технических и медицинских целях. Медицинские рентгеновские аппараты в зависимости от назначения разделяют на диагностические и терапевтические. Рентгеновский аппарат состоит из следующих основных узлов. 1. Высоковольтное устройство, включающее трансформатор высокого напряжения (так называемый главный трансформатор), трансформатор накала рентгеновской трубки, систему, выпрямляющую ток, подаваемый на рентгеновскую трубку (в маломощных аппаратах выпрямительное устройство может отсутствовать). 2. Генератор рентгеновых лучей - рентгеновская трубка. 3. Распределительное устройство - пульт управления, регулирующий режимы работы аппарата. 4. Штатив или группы штативов для крепления рентгеновской

Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей l min , называемой границей сплошного спектра, и линейчатого спектра - совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра Исследования показали, что характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов. Детальное исследование свойств этого излучения показало, что оно испускается бомбардирующими анод электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Сплошной рентгеновский спектр поэтому называют тормозным спектром . Этот вывод находится в согласии с классической теорией излучения, так как при торможении движущихся зарядов должно действительно возникать излучение со сплошным спектром.Из классической теории, однако, не вытекает существование коротковолновой границы сплошного спектра. Из опытов следует, чточем больше кинетическая энергия электронов, вызывающих тормозное рентгеновское излучение, тем меньше l min . Это обстоятельство, а также наличие самой границы объясняются квантовой теорией. Очевидно, что предельная энергия кванта соответствует такому случаю торможения, при котором вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта, т. е. где U- разность потенциалов, за счет которой электрону сообщается энергия Е max , n max - частота, соответствующая границе сплошного спектра. Отсюда граничная дли­на волны что полностью соответствует экспериментальным данным. Измеряя границу рентгеновского сплошного спектра, по формуле (229.1) можно определить эксперименталь­ное значение постоянной Планка h , которое наиболее точно совпадает с современными данными.При достаточно большой энергии бомбардирующих анод электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные резкие линии - линейчатый спектр, опреде­ляемый материалом анода и называемый характеристическим рентгеновским спектром (излучением) .Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике послужила их высокая проникающая способность. В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось по большей части, для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел (например, пуль) в теле человека. В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей (рентгенодиагностика).Рентгеноскопия . Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Между экраном и глазами врача должно быть установлено свинцовое окно для того, чтобы защитить врача от вредного действия рентгеновских лучей. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода – недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры.Флюорография . Этот метод состоит в получении фотографии с изображением части тела пациента. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов с помощью малых доз рентгеновского излучения.Рентгенография. (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях. Этот метод имеет некоторые преимущества. Рентгеновские фотографии содержат больше деталей, чем изображение на флуоресцентном экране, и потому они являются более информативными. Они могут быть сохранены для дальнейшего анализа. Общая доза излучения меньше, чем применяемая в рентгеноскопии. . Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов.

Метод рентгеновской компьютерной томографии основан на реконструкции изображения определенного сечения тела пациента путем регистрации большого количества рентгеновских проекций этого сечения, выполненных под разными углами. Информация от датчиков, регистрирующих эти проекции, поступает в компьютер, который по специальному программе вычисляет распределение плотности образца в исследуемом сечении и отображает его на экране дисплея. Полученное таким образом изображение сечения тела пациента характеризуется прекрасной четкостью и высокой информативностью. Программа позволяет при необходимости увеличить контраст изображения вдесятки и даже сотни раз. Это расширяет диагностические возможности метода. Компьютерная рентгеновская томография . Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов.Первое поколение компьютерных томографов (КT) включает специальную рентгеновскую трубку, которая прикреплена к цилиндрической раме. На пациента направляют тонкий пучок рентгеновских лучей. Два детектора рентгеновских лучей прикреплены к противоположной стороне рамы. Пациент находится в центре рамы, которая может вращаться на 180 0 вокруг его тела.Рентгеновский луч проходит через неподвижный объект. Детекторы получают и записывают показатели поглощения различных тканей. Записи делают 160 раз, пока рентгеновская трубка перемещается линейно вдоль сканируемой плоскости. Затем рама поворачивается на 1 0 , и процедура повторяется. Запись продолжается, пока рама не повернется на 180 0 . Каждый детектор записывает 28800 кадров (180x160) в течение исследования. Информация обрабатывается компьютером, и посредством специальной компьютерной программы формируется изображение выбранного слоя.Второе поколение КT использует несколько пучков рентгеновских лучей и до 30 их детекторов. Это дает возможность ускорить процесс исследования до 18 секунд.В третьем поколении КT используется новый принцип. Широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, сокращается до 5-6 секунд.КТ имеет множество преимуществ по сравнению с более ранними методами рентгенодиагностики. Она характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей. КТ позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами. Кроме того, использование КT позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами. При обработке изображений видеографы позволяют: Получать позитивные и негативные изображения, изображения в псевдоцвете, рельефные изображения.Повышать контраст и увеличивать интересующий фрагмент изображения.Оценивать изменение плотности зубных тканей и костных структур, контролировать однородность заполнения каналов.В эндодонтии определять длину канала любой кривизны, а в хирургии подбирать размер имплантата с точностью 0,1 мм.Уникальная система Caries detector с элементами искусственного интеллекта при анализе снимка позволяет обнаружить кариес в стадии пятна, кариес корня и скрытый кариес.

Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности, особенно быстро размножающихся клеток. Для первичного взаимодействия между рентгеновским излучением и веществом характерно три механизма:1. Когерентное рассеяние . Эта форма взаимодействия происходит, когда фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома. В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения. При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной.2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) . Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома. Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения. 3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона) . Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны. Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества. Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром. рентгеновские лучи способны «разбивать» сложные молекулы и атомы организма человека на заряженные частицы и активные молекулы. Как и в случае других видов радиации, опасным считается только рентгеновское излучение определенной интенсивности, которое воздействует на организм человека в течение достаточно долгого промежутка времени. К эффектам, обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующих излучений относятся: 1) временные изменения в составе крови после относительно небольшого избыточного облучения; 2) необратимые изменения в составе крови (гемолитическая анемия) после длительного избыточного облучения; 3) возникновение катаракт; 4) рост заболеваемости раком (включая лейкемию); 5) более быстрое старение и ранняя смерть

Похожая информация.