Медицинская оптика.

33. Физическая природа света. Волновые свойства света. Длина световой волны. Физические и психофизические характеристики света.

Физическая природа света двойственна. Свет проявляет себя и как электромагнитная волна, и как поток частиц – фотонов. Дуализм света отражается формулой ε = hv, так как энергия фотона ε является квантовой характеристикой, а частота колебаний v – характеристикой волнового процесса. Свету присущи все свойства электромагнитных волн:

1) отражение - физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными оптическими свойствами в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. 2) преломление - явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами. 3) интерференция - нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. 4) дифракция - явление огибания светом преграды или прохождения через узкое отверстие.

5) поляризация - явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

Характеризуя волновые процессы часто используют длину волны .

Длина волны – это расстояние, на которое волновой процесс распространяется за время, равное периоду рассматриваемых колебаний.

где с =310⁸ м/с – скорость света в вакууме, - период колебаний.

Частотным границам видимого света (3,8 – 7,5)10¹⁴ Гц соответствует интервал значений длин волн от 400 до 790 нм (1 нм = 10^-9 м).

Характеристики света. 1) Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом c окружающими источниками света, а также несветящимися объектами. 2) Яркость - характеристика светящихся тел, равная отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. 3) Освещённость — физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности. 4) Световой поток — физическая величина, характеризующая „количество“ световой энергии в соответствующем потоке излучения.5) Световая отдача источника света — отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности.

34. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине.

Закон отражения света. Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; угол отражения равен углу падения.

Если луч света падает на плоскую отражающую поверхность, то нормаль – это перпендикуляр к отражающей поверхности (рис. 1)

Рисунок 1

Если луч падает на изогнутую поверхность, то нормаль – это продолжение радиуса, проведенного из центра кривизны в точку падения (или – перпендикуляр к касательной плоскости); см. рис.2.

Рисунок 2

Мы видим большинство предметов окружающего мира благодаря световым лучам, отраженным от их поверхностей. Реже приходится иметь дело с предметами, которые сами являются источниками света.

Очень часто отражающие поверхности имеют мелкомасштабные неровности. Например, на листе бумаги. Поэтому свет, падающий на лист бумаги, отражается в самых разнообразных направлениях, и лист бумаги виден с разных направлений. Закон преломления света. Этот закон выполняется в тех случаях, когда свет проходит из одной прозрачной среды в другую, и состоит в следующем: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения. Закон преломления света имеет убедительное обоснование в волновой теории света. При переходе луча из одной среды в другую меняется скорость света, что приводит к повороту фронта световой волны и, соответственно, к резкому изменению направления световых лучей как перпендикуляров к фронту волны. При этом относительный показатель преломления оказывается равным отношению скорости света в этих средах, взятых по ходу луча:

Получается, что этот показатель зависит не только от свойств преломляющего вещества, но так же и от того, из какой среды пришел падающий луч.

В качестве стандартной среды сравнения, из которой приходит падающий луч, был принят вакуум, в котором скорость любых электромагнитных волн одинакова и равна с = 310⁸ м/с

Абсолютный показатель преломления вещества равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в этом веществе:

Среда с бóльшим абсолютным показателем преломления называется оптически более плотной. При прохождении луча из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления оказывается больше, чем угол падения. В этих условиях, увеличивая угол падения, мы придем к тому, что рано или поздно угол преломления окажется равным 90⁰: преломленный луч будет скользить по поверхности раздела двух сред, а при дальнейнешем увеличении угла – отражаться. Это явление полного внутреннего отражения. Оно лежит в основе волоконной оптики. Волоконная оптика — раздел оптики, который изучает физические явления, возникающие и протекающие в оптических волокнах. Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диаметром 15—50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутренних полостей носоглотки, желудка, бронхов и т. д. Так же используются для передачи изображения. Приборы с В. О. широко применяются в терапии, хирургии, урологии, офтальмологии, пульмонологии и других областях медицины. Примером является аппарат эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей. Использование волоконной оптики позволяет передавать свет внутрь органа, избегая при этом его нежелательного нагревания, и допускает осмотр большей части полостей благодаря гибкости волоконно-оптических систем.