Оптические приборы вывод. Тема: Использование оптических приборов в медицине

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 8
2. МИКРОСКОПЫ 10
3. ТЕЛЕСКОПЫ 11
4. БИНОКЛИ 12
5. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИЦЕЛЫ 13
6. ДАЛЬНОМЕРЫ 13
7. ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ И ПРОЕКЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ. 14
9. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. 15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17
ЛИТЕРАТУРА 18

Введение
Оптические приборы - это устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Они могут увеличивать, уменьшать, улучшать (в редких случаях ухудшать) качество изображения, давать возможность увидеть искомый предмет косвенно.
Термин "Оптические приборы" является частным случаем более общего понятия оптических систем, которое также включает в себя биологические органы, способные преобразовывать световые волны.
Оптические приборы помогают нам исследовать окружающий мир. Телескоп позволяет обнаружить и рассмотреть очертания и детали далеких космических тел, а микроскоп раскрывает тайны нашей планеты, такие как строение живых клеток.
Наши глаза, по сути, представляют собой оптические приборы. Когда мы смотрим на предмет, линзовая система, расположенная в передней части каждого глаза, формирует его изображение на сетчатке - слое глазного дна, содержащем примерно 125 млн. светочувствительных клеток. Падающий на сетчатку свет заставляет клетки посылать в мозг электрический нервный сигнал, позволяя нам визуально воспринимать предмет.
Кроме того, глаза обладают системой регулировки яркости. При ярком освещении зрачок инстинктивно сужается, понижая яркость изображения до приемлемого уровня. При слабом освещении зрачок расширяется, увеличивая яркость изображения.
Уже древние римляне обратили внимание на «увеличивающую силу» сосуда, наполненного водой. Они знали, что через него на солнце можно обжечься, зажечь огонь, хотя вода в нем не закипает.
Около 400 лет назад искусные мастера Италии и Голландии научились делать очки. Изобрел их безвестный стекольный мастер. Итальянские мастера в эту эпоху славились искусством шлифования стекла. Вслед за очками изобрели лупы для рассматривания мелких предметов. Это было очень интересно и увлекательно: вдруг увидеть во всех подробностях какое-нибудь просяное зернышко или мушиную ножку!
А изобретение зрительной трубы уходит в область сказочных преданий. Согласно одной магометанской легенде, на Александрийском маяке находилось огромное зеркало, при помощи которого можно было видеть корабли, отплывавшие из Греции. Однако вследствие кривизны Земли корабли были видны с этого маяка уже будучи довольно далеко от Греции. Если верить этому преданию, то можно предположить, что там использовалась комбинация большого вогнутого зеркала с линзой.
Любители оптики, усердно занимавшиеся изучением изображений, получающихся с помощью зеркал и линз, конечно, не могли не натолкнуться на мысль соединять несколько зеркал и линз, чтобы получать изображения. Из таких комбинаций постепенно получались труба и микроскоп. Авторство этих изобретений не принадлежит одному определенному лицу, но мы можем проследить историю их появления.
Первое описание оптического прибора было найдено в трудах монаха францисканского ордена, англичанина, Роджера Бэкона. Но из них можно заключить только то, что Бэкон знал увеличивающее действие выпуклых линз, установил, что вогнутые зеркала фокусируют параллельные пучки в точку, лежащую между центром и вершиной зеркала, представлял возможность сочетания линзы и зеркала, выдвинул идею создания зрительной трубы и первым дал ее описание в 1268 г.
Реализуя свою мечту рассмотреть неуловимое глазом, итальянский художник, ученый и изобретатель Леонардо да Винчи в 1509 г. дал описание и рисунок двухлинзовой зрительной трубы, разработал станки для шлифования линз, первым выполнил графические построения хода лучей в линзах. Оптические усовершенствования его не были реализованы в то время и остались неизвестными.
Итальянский врач Фракасторо из Вероны в своем труде, появившемся в 1538 г., утверждает, что можно видеть предметы гораздо ближе и в увеличенном виде, положив одну над другой две линзы. Если понимать «над» буквально, то это означает, что им высказана идея создания микроскопа.
Еще точнее пишет итальянский изобретатель Джамбаттиста делла Порта в 1558 г. в своей «Естественной магии»: «Посредством вогнутого стекла ясно видны далекие предметы, при помощи выпуклого – близкие. Если правильно соединить оба рода этих стекол, то как близкие, так и далекие предметы кажутся больше и яснее». Зрительная труба, которую описывает Порта, должна была увеличивать очень слабо. Иначе он описал бы еще и некоторые открытия на небе, которые можно было сделать при помощи его трубы. Но его книга, получившая большую популярность, способствовала тому, что многие любители заинтересовались этим вопросом.
В результате в 1608 г. в голландии были поданы заявки на выдачу патента на изобретение зрительной трубы почти одновременно несколькими исследователями – Липперсгеем, Я.Мециусом, Хансом и Захарией Янсенами. Однако это изобретение имело военное значение и было засекречено. Слух об изобретении трубы, позволяющей ясно видеть отдельные предметы, натолкнул Г.Галилея на размышления об устройстве такого прибора. Он независимо от голландских ученых создал свою зрительную трубу в 1609 г. и использовал ее для наблюдения на суше и на море, а главное, направив ее на небо, достиг замечательных результатов: открыл спутники Юпитера, пятна на Солнце, отдельные звезды Млечного Пути и т.д. В результате этого долгое время честь изобретения зрительной трубы приписывали Г.Галилею. В наши дни схема зрительной трубы, называемой иногда голландской или галилеевой, применяется в основном в биноклях с небольшим увеличением.
Галилей был первым ученым, серьезно отнесшимся к идее создания оптических приборов. Организовав мастерские по производству зрительных труб в 1624 г., Г.Галилей создал микроскоп. Тубусы его приборов изготавливались из бумаги, неудивительно, что такие приборы быстро приходили в негодность, линзы выпадали и разрушались. Однако эти приборы пользовались большой популярностью, ведь за короткий срок Г.Галилей стал поставщиком оптических приборов в известные европейские дворы.
А современные зрительные трубы для астрономических и наземных наблюдений обычно построены по схеме И.Кеплера. В 1611 г. И.Кеплер предложил зрительную трубу, которая состояла из двух выпуклых линз. Одна из них дает действительное изображение предмета. Это изображение увеличивает вторая линза. Получаемое изображение – обратное. Поэтому такая зрительная труба неудобна для рассматривания земных предметов.
Другую форму трубы предложил в 1645 г. капуцинский монах Ширль из Богемии. Эта труба имела преимущество перед трубой И.Кеплера, т.к. благодаря добавлению двух внутренних линз, которые переворачивают изображение, стала удобной и для наземных наблюдений. Ширль первый назвал линзу, обращенную к предмету, – объективом, а обращенную к глазу, – окуляром.
Антони Ван Левенгук, нидерландский натуралист, научился изготовлять линзы с 150–300- кратным увеличением. Использовал он их в микроскопе. В 1673 г. Левенгук первый пронаблюдал и зарисовал микроорганизмы в капельке воды, капиллярные сосуды в хвосте головастика, красные кровяные тельца и сотни других удивительных вещей, о которых никто и не подозревал.
Рассмотрим подробнее общую характеристику оптических приборов и существующие оптические приборы.

1. Оптические приборы: общая характеристика
Оптические приборы - устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Отдавая дань исторической традиции, оптическими обычно называют приборы, работающие в видимом свете. При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение. Для многих приборов определяющей характеристикой оказывается поле зрения – угол, под которым из центра прибора видны крайние точки предмета.
Разрешающая сила.
Способность прибора различать две близкие точки или линии обусловлена волновой природой света. Численное значение разрешающей силы, например, линзовой системы, зависит от умения конструктора справиться с аберрациями линз и тщательно отцентрировать эти линзы на одной оптической оси. Теоретический пр......

Литература
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., 2010
2. Ефремов А.А. и др. Сборка оптических приборов. М., 2008
3. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л., 1990
4. Кулагин С.В. Основы конструирования оптических приборов. СПб., 2002
5. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. СПб., 2002

Оптические приборы открыли человеку два полярных по масштабам мира - космический с его огромными протяженностями и микроскопический, населенный мельчайшими организмами. Телевизионная передача, демонстрация кинофильма, быстрая съемка рельефа местности, точное измерение расстояний и скоростей возможны только благодаря использованию оптических приборов.

Наиболее распространены приборы, формирующие изображения. Это телескоп и бинокль, микроскоп и лупа, фотоаппарат и диапроектор… Проекционный аппарат - один из самых характерных приборов, формирующих изображение (рис. 1). Если проекционный аппарат приспособлен для показа кино, его называют киноаппаратом. Если же он используется для демонстрации диапозитивов, то это диапроектор. В диапроекторе прозрачный снимок - диапозитив Д, освещенный светом конденсора К, помещают вблизи фокальной плоскости объектива так, чтобы на экране получалось четкое изображение. Размер изображения зависит от расстояния проектора от экрана. При изменении этого расстояния необходимо менять и положение объектива относительно диапозитива. Если вместо экрана поставить освещенный предмет, то он изобразится в месте расположения диапозитива. Теперь, если вместо диапозитива поставить пленку и убрать конденсор, получается схема фотоаппарата.

Оптическая схема глаза человека также напоминает схему фотоаппарата. Глаз формирует изображение на своей сетчатке. Размеры изображения предмета на сетчатке глаза зависят оттого, под каким углом мы видим предмет. Так, угловой диаметр Солнца 32′. Этим углом и определяется размер изображения Солнца на сетчатке. Когда две крайние точки предмета видны под углом, меньшим 1′, они сливаются на сетчатой оболочке и предмет представляется наблюдателю точкой. В этом случае говорят, что разрешающая способность глаза не превышает одной угловой минуты.

Телескоп дает возможность увеличивать угол, под которым виден отдаленный предмет. Первый телескоп создал в начале XVII в. Г. Галилей. Опишем ход лучей от удаленного предмета в современной зрительной трубе. От крайних точек предмета на объектив падают параллельные лучи и очерчивают контур предмета в фокальной плоскости. Через окуляр изображение рассматривается под углом φ u , большим, чем φ n , под которым виден предмет невооруженным глазом. Угловое увеличение телескопа φ u / φ n = γ 1 / γ 2 . Оптическая схема, приведенная на рис. 2, - это схема рефрактора - телескопа с линзовым объективом. Телескоп с зеркальным объективом называют рефлектором или отражательным телесколом. Впервые рефлектор был построен И. Ньютоном в 1668 г. (рис. 3).

Телескоп с диаметром объектива D позволяет наблюдать предметы или точки предмета, находящиеся на угловом расстоянии 1,22λ / D = 140″ / D, если считать, что длина световой волны, испускаемой объектом, λ = 0,5 мкм. Получается, что чем больше диаметр телескопа, тем более мелкие детали объекта различимы с его помощью. У самых больших рефракторов диаметр объектива не превышает 1 м. Технически проще изготовить зеркало большого диаметра и построить рефлектор.

Огромный телескоп с 6‑метровым зеркалом был построен в СССР. Долгое время он оставался самым большим в мире. Предназначен он для наблюдения переменных галактик, пульсаров, квазаров и других космических объектов.

Чтобы рассмотреть малый предмет под большим углом, его подносят как можно ближе к глазу. Однако глазной хрусталик отчетливо изображает предмет на сетчатке, если он помещен не ближе 10 см от глаза. При меньших расстояниях максимальная кривизна хрусталика оказывается недостаточной для получения четкого изображения на сетчатке. Поэтому очень малые предметы рассматривают через лупу или микроскоп - приборы, увеличивающие угол, под которым виден предмет. Лупы, изобретенные в XVII в. нидерландским естествоиспытателем А. Левенгуком, первооткрывателем мира микроорганизмов, давали увеличение в 300 раз. Схема микроскопа была усовершенствована в 1660‑х гг. английским ученым Р. Гуком. Но до 20‑х гг. XIX в. микроскопы не могли конкурировать с очень хорошими лупами. Прогресс был достигнут благодаря разработке сложных объективов из многих линз. Минимальные размеры предмета, различимого в микроскоп, определяются зависимостью: d = 0,5λ/А. Здесь А - постоянная, равная примерно 1. Для зелёного света d = 0,3 мкм. Чтобы предмет был виден под углом 1′, достаточно увеличение в 1000 раз.

Спектральные оптические приборы предназначены для исследования спектрального состава света. Они играют важную роль в развитии науки и применяются как для изучения процессов, протекающих в микромире, так и для прикладных целей. Например, с помощью современной спектральной аппаратуры можно судить о форме атомного ядра и производить точный элементный анализ вещества. Пример спектрального прибора - спектроскоп (рис. 4), в котором спектр излучения можно наблюдать визуально. Основная часть спектроскопа - призма или дифракционная решетка. Исследуемое излучение линза собирает на щели коллиматора - устройства, формирующего пучок света малой расходимости - «параллельный» пучок. Пройдя сквозь призму, такой пучок превращается в n пучков, идущих под разными углами, если излучение состоит из электромагнитных волн с длинами λ 1 , λ 2 , …,λ n . Линза Л 2 на экране даст n изображений щели А, которые и образуют спектр. Когда требуется изучить «почти» монохроматическое излучение, например спектральный состав одной линии, последовательно со спектроскопическим призменным прибором устанавливают прибор большой разрешающей силы. Без предварительного разложения света приборы высокого разрешения применять нельзя, потому что они могут работать только в очень узком диапазоне длин волн.

Создание лазеров открыло новые пути в оптическом приборостроении. Современные лазерные гироскопы способны работать при высоких механических перегрузках, их можно устанавливать на ракетах, космических кораблях. Построены лазерные магнитометры для измерения слабых магнитных полей, приборы для измерения распределения частиц по скоростям и размерам. Успешно используются для различных целей лазерные оптические локаторы (рис. 5). Высокая яркость лазерного излучения дает возможность передавать его на большие расстояния, а малая длительность лазерного импульса обеспечивает исключительную точность измерения расстояний. Интересно устроен лазерный измеритель скоростей (рис. 6). Отраженный от движущейся частицы, лазерный свет изменит свою частоту колебаний. При обычных скоростях это изменение, обусловленное эффектом Доплера, ничтожно. И все же благодаря высокой стабильности фазы и монохроматичности лазерного света его удается измерить, а по измеренной величине определить скорость частицы, например движущейся в турбулентном потоке жидкости (см. Турбулентность) .

Физики и инженеры разрабатывают оптическую вычислительную машину. Проектная мощность её в десятки раз больше, чем у существующих ныне самых «быстрых» компьютеров. Основой такой машины станут лазерные устройства. И память у нее будет оптической, основанной на голографической записи данных (см. Голография). С помощью голографической оптики выполняются сегодня сложные математические расчеты, дифференцирование функций, интегральные операции, решаются сложнейшие уравнения. Оптические элементы - составная часть конструкции многих приборов. Так, управляемые оптические транспаранты дают возможность изображение, полученное с помощью не воспринимаемого глазом электромагнитного излучения, преобразовать в видимое излучение. Оптические приборы, основанные на волоконной оптике, позволяют осматривать внутренние органы человека и предотвращать тяжелые заболевания.

Итак, современные оптические приборы совершенно необходимы и широко используются во многих отраслях народного хозяйства, в научных исследованиях.