Uscita dispositivi ottici. Argomento: Utilizzo degli strumenti ottici in medicina

CONTENUTO
INTRODUZIONE 4
1. STRUMENTI OTTICI: CARATTERISTICHE GENERALI 8
2. MICROSCOPIO 10
3. TELESCOPI 11
4. BINOCOLO 12
5. MIRINI OTTICI 13
6. TELEMETRI 13
7. DISPOSITIVI DI ILLUMINAZIONE E PROIEZIONE. 14
9. DISPOSITIVI SPETTRALI. 15
CONCLUSIONE 17
LETTERATURA 18

introduzione
I dispositivi ottici sono dispositivi in ​​cui la radiazione proveniente da qualsiasi regione dello spettro (ultravioletta, visibile, infrarossa) viene trasformata (trasmessa, riflessa, rifratta, polarizzata). Possono aumentare, diminuire, migliorare (in rari casi peggiorare) la qualità dell'immagine e consentire di vedere indirettamente l'oggetto desiderato.
Il termine "Strumenti ottici" è un caso particolare di altro concetto generale sistemi ottici, che comprende anche organi biologici capaci di convertire le onde luminose.
Gli strumenti ottici ci aiutano a esplorare il mondo. Il telescopio consente di rilevare ed esaminare i contorni e i dettagli distanti corpi cosmici, e il microscopio svela i segreti del nostro pianeta, come la struttura delle cellule viventi.
I nostri occhi sono essenzialmente strumenti ottici. Quando guardiamo un oggetto, un sistema di lenti situato nella parte anteriore di ciascun occhio ne forma un'immagine sulla retina, uno strato del fondo dell'occhio contenente circa 125 milioni di cellule sensibili alla luce. La luce che colpisce la retina fa sì che le cellule inviino un segnale nervoso elettrico al cervello, permettendoci di percepire visivamente un oggetto.
Inoltre, gli occhi hanno un sistema di regolazione della luminosità. In condizioni di luce intensa, la pupilla si restringe istintivamente, riducendo la luminosità dell'immagine a un livello accettabile. In condizioni di scarsa illuminazione, la pupilla si dilata, aumentando la luminosità dell'immagine.
Già gli antichi romani attiravano l'attenzione sulla “potenza crescente” di un vaso pieno d'acqua. Sapevano che attraverso di esso potevano bruciarsi al sole e accendere un fuoco, anche se l'acqua al suo interno non avrebbe bollito.
Circa 400 anni fa, abili artigiani provenienti dall'Italia e dall'Olanda impararono a realizzare occhiali. Sono stati inventati da un vetraio sconosciuto. Maestri italiani In quest'epoca erano famosi per l'arte della molatura del vetro. Dopo gli occhiali furono inventate le lenti d'ingrandimento per osservare piccoli oggetti. È stato molto interessante ed emozionante: vedere all'improvviso in tutti i dettagli un chicco di miglio o una zampa di mosca!
E l'invenzione del telescopio entra nel regno delle favole. Secondo una leggenda maomettana, su Faro di Alessandria c'era un enorme specchio con il quale si potevano vedere le navi che salpavano dalla Grecia. Tuttavia, a causa della curvatura della Terra, le navi erano visibili da questo faro già abbastanza lontano dalla Grecia. Se si crede a questa leggenda, si può supporre che sia stata utilizzata una combinazione di un grande specchio concavo e una lente.
Gli appassionati di ottica che hanno studiato diligentemente le immagini ottenute con l'aiuto di specchi e lenti, ovviamente, non hanno potuto fare a meno di imbattersi nell'idea di collegare più specchi e lenti per ottenere immagini. Da tali combinazioni si ottennero via via un tubo ed un microscopio. La paternità di queste invenzioni non appartiene a una persona specifica, ma possiamo tracciare la storia del loro aspetto.
La prima descrizione di un dispositivo ottico si trova negli scritti del monaco francescano inglese Ruggero Bacon. Ma da essi possiamo solo concludere che Bacon conosceva l'effetto d'ingrandimento delle lenti convesse, stabilì che gli specchi concavi focalizzano i raggi paralleli in un punto compreso tra il centro e la parte superiore dello specchio, immaginò la possibilità di combinare una lente e uno specchio, mise avanzò l'idea di realizzare un telescopio e fu il primo a darne la descrizione nel 1268
Realizzare il tuo sogno di vedere l'inafferrabile con gli occhi, Artista italiano, lo scienziato e inventore Leonardo da Vinci nel 1509 fornì una descrizione e un disegno di un telescopio a due lenti, sviluppò macchine per la molatura delle lenti e fu il primo a realizzare costruzioni grafiche del percorso dei raggi nelle lenti. I suoi miglioramenti ottici a quel tempo non furono realizzati e rimasero sconosciuti.
Il medico italiano Fracastoro da Verona, nella sua opera apparsa nel 1538, afferma che si possono vedere gli oggetti molto più vicini e ingranditi ponendo due lenti una sopra l'altra. Se prendiamo “sopra” alla lettera significa che espresse l’idea di creare un microscopio.
L'inventore italiano Giambattista della Porta scrive ancora più precisamente nel 1558 nel suo “Magia naturale”: “Con l'aiuto del vetro concavo si vedono chiaramente gli oggetti distanti, con l'aiuto del vetro convesso quelli vicini. Se entrambi i tipi di vetro vengono combinati correttamente, sia gli oggetti vicini che quelli lontani appariranno più grandi e più chiari”. Il telescopio descritto da Porta doveva avere un ingrandimento minimo. Altrimenti descriverebbe anche alcune scoperte nel cielo che potrebbero essere fatte utilizzando la sua pipa. Ma il suo libro, che ha guadagnato grande popolarità, ha contribuito al fatto che molti dilettanti si sono interessati a questo problema.
Di conseguenza, nel 1608, diverse domande di brevetto per l'invenzione del telescopio furono depositate in Olanda quasi contemporaneamente da diversi ricercatori: Lippershey, J. Mecius, Hans e Zacharias Jansen. Tuttavia, questa invenzione aveva significato militare ed è stato tenuto segreto. La voce sull'invenzione di una tromba, che permetteva di vedere chiaramente i singoli oggetti, spinse G. Galileo a pensare alla progettazione di un tale dispositivo. Lui, indipendentemente dagli scienziati olandesi, creò il proprio telescopio nel 1609 e lo utilizzò per l'osservazione sulla terra e sul mare e, soprattutto, puntandolo verso il cielo, ottenne risultati notevoli: scoprì i satelliti di Giove, macchie sul Sole , singole stelle via Lattea eccetera. In conseguenza di ciò per lungo tempo l'onore di inventare il cannocchiale venne attribuito a G. Galileo. Al giorno d'oggi, il modello del telescopio, a volte chiamato olandese o galileiano, viene utilizzato principalmente in binocoli a basso ingrandimento.
Galileo fu il primo scienziato a prendere sul serio l'idea di creare strumenti ottici. Dopo aver organizzato laboratori per la produzione di telescopi nel 1624, G. Galileo creò un microscopio. I tubi dei suoi dispositivi erano fatti di carta; non sorprende che tali dispositivi siano diventati rapidamente inutilizzabili, le lenti siano cadute e siano state distrutte. Questi strumenti godettero però di grande popolarità, perché in breve tempo G. Galileo divenne fornitore di strumenti ottici di famose corti europee.
E i moderni telescopi per osservazioni astronomiche e terrestri sono solitamente costruiti secondo lo schema di I. Keplero. Nel 1611 I. Keplero propose un telescopio costituito da due lenti convesse. Uno di questi dà un'immagine reale dell'oggetto. Questa immagine è ingrandita da una seconda lente. L'immagine risultante è l'opposto. Pertanto, un tale telescopio è scomodo per osservare gli oggetti terrestri.
Un'altra forma di tromba fu proposta nel 1645 dal frate cappuccino Shirl di Boemia. Questa pipa aveva un vantaggio rispetto alla pipa di I. Keplero, perché Grazie all'aggiunta di due lenti interne che invertono l'immagine, è diventato comodo anche per le osservazioni da terra. Shirl fu la prima a chiamare lente obiettiva una lente rivolta verso un oggetto e oculare quella rivolta verso un occhio.
Antonie Van Leeuwenhoek, un naturalista olandese, ha imparato a realizzare lenti con ingrandimento 150-300x. Li ha usati al microscopio. Nel 1673, Leeuwenhoek fu il primo a osservare e disegnare microrganismi in una goccia d'acqua, vasi capillari nella coda di un girino, globuli rossi e centinaia di altre cose sorprendenti che nessuno sospettava.
Diamo uno sguardo più da vicino caratteristiche generali strumenti ottici e strumenti ottici esistenti.

1. Strumenti ottici: caratteristiche generali
I dispositivi ottici sono dispositivi in ​​cui la radiazione proveniente da qualsiasi regione dello spettro (ultravioletta, visibile, infrarossa) viene trasformata (trasmessa, riflessa, rifratta, polarizzata). In omaggio alla tradizione storica, i dispositivi ottici sono solitamente chiamati dispositivi operanti in luce visibile. Nella valutazione iniziale della qualità di un dispositivo vengono prese in considerazione solo le sue caratteristiche principali: capacità di concentrare la radiazione - rapporto di apertura; la capacità di distinguere i dettagli dell'immagine adiacenti - potere risolutivo; Il rapporto tra la dimensione di un oggetto e la sua immagine è l'ingrandimento. Per molti dispositivi, la caratteristica distintiva è il campo visivo, l'angolo con il quale i punti estremi dell'oggetto sono visibili dal centro del dispositivo.
Potere permissivo.
La capacità del dispositivo di distinguere tra due punti o linee vicini è dovuta alla natura ondulatoria della luce. Il valore numerico del potere risolutivo, ad esempio, di un sistema di lenti dipende dalla capacità del progettista di far fronte alle aberrazioni delle lenti e di centrare attentamente queste lenti sullo stesso asse ottico. Preparazione teorica......

Letteratura
1. Born M., Wolf E. Fondamenti di ottica. M., 2010
2. Efremov A.A. ecc. Assemblaggio di strumenti ottici. M., 2008
3. Manuale per il progettista di dispositivi ottico-meccanici. L., 1990
4. Kulagin S.V. Fondamenti di progettazione di strumenti ottici. San Pietroburgo, 2002
5. Pogarev G.V. Regolazione degli strumenti ottici. San Pietroburgo, 2002

Gli strumenti ottici hanno rivelato all'uomo due mondi di scala polare: il mondo cosmico con la sua enorme estensione e il mondo microscopico abitato dai più piccoli organismi. Trasmissione televisiva, mostrare un filmato, catturare rapidamente il terreno e misurare con precisione distanze e velocità sono possibili solo attraverso l'uso di strumenti ottici.

I dispositivi più comuni sono quelli che formano immagini. Si tratta di un telescopio e un binocolo, un microscopio e una lente d'ingrandimento, una macchina fotografica e un proiettore per diapositive... Un apparecchio di proiezione è uno dei dispositivi più caratteristici che formano un'immagine (Fig. 1). Se un apparecchio di proiezione è adatto alla proiezione di film, viene chiamato cinepresa. Se viene utilizzato per mostrare diapositive, è una lavagna luminosa. In una lavagna luminosa, una fotografia trasparente - diapositiva D, illuminata dalla luce del condensatore K, viene posizionata vicino al piano focale dell'obiettivo in modo che l'immagine appaia sullo schermo immagine nitida. La dimensione dell'immagine dipende dalla distanza del proiettore dallo schermo. Quando si modifica questa distanza, è necessario modificare la posizione della lente rispetto alla diapositiva. Se posizioni un oggetto illuminato al posto dello schermo, verrà raffigurato nel punto in cui si trova la trasparenza. Ora, se invece di un lucido metti una pellicola e rimuovi il condensatore, otterrai uno schema elettrico della fotocamera.

Anche il design ottico dell'occhio umano ricorda quello di una macchina fotografica. L'occhio forma un'immagine sulla sua retina. La dimensione dell'immagine di un oggetto sulla retina dell'occhio dipende dall'angolo dal quale vediamo l'oggetto. Pertanto, il diametro angolare del Sole è 32′. Questo angolo determina la dimensione dell'immagine del Sole sulla retina. Quando i due punti estremi di un oggetto sono visibili con un angolo inferiore a 1′, si fondono sulla retina e l'oggetto appare all'osservatore come un punto. In questo caso si dice che la risoluzione dell'occhio non superi il minuto d'arco.

Un telescopio consente di aumentare l'angolo di visibilità di un oggetto distante. Il primo telescopio fu creato all'inizio del XVII secolo. G.Galileo. Descriviamo il percorso dei raggi provenienti da un oggetto distante in un moderno telescopio. Da punti estremi I raggi paralleli cadono sulla lente di un oggetto e delineano il contorno dell'oggetto nel piano focale. Attraverso l'oculare, l'immagine viene vista con un angolo φ u maggiore di φ n al quale l'oggetto è visibile ad occhio nudo. Ingrandimento angolare del telescopio φ u / φ n = γ 1 / γ 2. Lo schema ottico mostrato in Fig. 2 è un diagramma di un rifrattore: un telescopio con un obiettivo a lente. Telescopio con lente a specchio chiamato riflettore o telescopio riflettente. Il riflettore fu costruito per la prima volta da I. Newton nel 1668 (Fig. 3).

Un telescopio con obiettivo di diametro D permette di osservare oggetti o punti su un oggetto situato ad una distanza angolare di 1,22λ / D = 140″ / D, se assumiamo che la lunghezza d'onda della luce emessa dall'oggetto sia λ = 0,5 µm. Si scopre che maggiore è il diametro del telescopio, maggiore è il diametro piccole parti l'oggetto è distinguibile con il suo aiuto. I rifrattori più grandi hanno un diametro della lente che non supera 1 M. Tecnicamente è più semplice realizzare uno specchio di grande diametro e costruire un riflettore.

Nell'URSS fu costruito un enorme telescopio con uno specchio di 6 metri. Per molto tempoè rimasto il più grande del mondo. È destinato all'osservazione di galassie variabili, pulsar, quasar e altri oggetti spaziali.

Per guardare un piccolo oggetto sotto angolo alto, viene portato il più vicino possibile all'occhio. Tuttavia, il cristallino raffigura chiaramente un oggetto sulla retina se è posizionato a non più di 10 cm dall'occhio. A distanze più brevi, la curvatura massima del cristallino non è sufficiente per ottenere un'immagine nitida sulla retina. Pertanto, oggetti molto piccoli vengono esaminati attraverso una lente d'ingrandimento o un microscopio, dispositivi che aumentano l'angolo di visibilità dell'oggetto. Lenti d'ingrandimento inventate nel XVII secolo. Il naturalista olandese A. Leeuwenhoek, lo scopritore del mondo dei microrganismi, ha fornito un aumento di 300 volte. Il design del microscopio fu migliorato nel 1660. Scienziato inglese R. Hooke. Ma fino agli anni '20. XIX secolo i microscopi non potevano competere con lenti d'ingrandimento molto buone. Sono stati compiuti progressi attraverso lo sviluppo di lenti complesse costituite da molte lenti. Dimensioni minime di un oggetto visibile al microscopio sono determinati dalla relazione: d = 0,5λ/A. Qui A è una costante pari a circa 1. Per la luce verde d = 0,3 µm. Perché un oggetto sia visibile con un angolo di 1′ è sufficiente un ingrandimento di 1000 volte.

Gli strumenti ottici spettrali sono progettati per studiare la composizione spettrale della luce. Stanno giocando ruolo importante nello sviluppo della scienza e vengono utilizzati sia per studiare i processi che si verificano nel microcosmo sia per scopi applicati. Ad esempio, con l'aiuto delle moderne apparecchiature spettrali si può giudicare la forma nucleo atomico ed eseguire un'accurata analisi elementare della sostanza. Un esempio di dispositivo spettrale è uno spettroscopio (Fig. 4), in cui lo spettro della radiazione può essere osservato visivamente. La parte principale dello spettroscopio è un prisma o reticolo di diffrazione. La lente raccoglie la radiazione in esame presso la fenditura del collimatore - un dispositivo che forma un fascio luminoso a bassa divergenza - un fascio “parallelo”. Tale raggio, dopo aver attraversato un prisma, si trasforma in n raggi che vanno sotto angoli diversi, se la radiazione è costituita da onde elettromagnetiche con lunghezze λ 1, λ 2, …, λ n. La lente L 2 sullo schermo darà n immagini della fenditura A, che formano lo spettro. Quando è necessario studiare la radiazione “quasi” monocromatica, ad esempio la composizione spettrale di una riga, un dispositivo ad alto potere risolutivo viene installato in serie con un dispositivo a prisma spettroscopico. Senza decomposizione preliminare dei dispositivi luminosi alta risoluzione non possono essere utilizzati perché possono funzionare solo in una gamma molto ristretta di lunghezze d'onda.

La creazione dei laser ha aperto nuove strade nella strumentazione ottica. I moderni giroscopi laser sono in grado di funzionare con elevati sovraccarichi meccanici; possono essere installati su razzi, astronavi. Sono stati costruiti magnetometri laser per misurare campi magnetici deboli e strumenti per misurare la distribuzione delle particelle in base alla velocità e alle dimensioni. I localizzatori ottici laser vengono utilizzati con successo per vari scopi (Fig. 5). L'elevata luminosità della radiazione laser consente di trasmetterla su lunghe distanze e la breve durata dell'impulso laser fornisce un'eccezionale precisione nella misurazione delle distanze. Il misuratore di velocità laser ha un design interessante (Fig. 6). Riflesso da una particella in movimento, la luce laser cambierà la sua frequenza di oscillazione. A velocità normali questa variazione dovuta all'effetto Doppler è trascurabile. Eppure, a causa dell'elevata stabilità di fase e della natura monocromatica della luce laser, è possibile misurarla e, dal valore misurato, determinare la velocità di una particella, ad esempio, che si muove in un flusso di fluido turbolento (vedi Turbolenza).

Fisici e ingegneri stanno sviluppando l'ottica computer. La sua potenza progettuale è decine di volte superiore a quella dei computer “più veloci” attualmente esistenti. La base di tale macchina saranno i dispositivi laser. E la sua memoria sarà ottica, basata sulla registrazione olografica dei dati (vedi Olografia). Con l'aiuto dell'ottica olografica, oggi vengono eseguiti calcoli matematici complessi, differenziazione di funzioni, operazioni integrali, soluzioni equazioni complesse. Elementi ottici - componente progetti di molti dispositivi. Pertanto, la trasparenza ottica controllata consente di creare un'immagine che non viene percepita dall'occhio. radiazioni elettromagnetiche, convertito in radiazione visibile. Gli strumenti ottici basati sulle fibre ottiche consentono l'ispezione organi interni esseri umani e prevenire gravi malattie.

Pertanto, i moderni strumenti ottici sono assolutamente necessari e ampiamente utilizzati in molti settori. economia nazionale, nella ricerca scientifica.