4.3. Оптичні прилади
Лупа. мікроскоп. Роздільна здатність та корисне збільшення оптичних приладів. Спеціальні прийоми оптичної мікроскопії. Оптична система ока. Недоліки оптичної системи ока та їх виправлення.
Література: [1, с. 158-166]; [2, с. 407-413]
Оптичні прилади численні та різноманітні та знайшли широке поширення в біології. Розглянемо характерні риси деяких найбільш широко застосовуваних оптичних приладів.
Лупа(від французького loupe). Оптичний прилад для розгляду дрібних об'єктів, що погано помітні оком. Зазвичай це двоопукла короткофокусна лінза. Спостерігається предмет поміщають від лупи з відривом, трохи менше її фокусної відстані. У умовах лупа дає пряме, збільшене і уявне зображення оптичне предмета. Після проходження лупи промені від предмета ще раз переломлюються в оці і збираються в дальній точці. Вони потрапляють у око під кутом, більшим, ніж промені від предмета без лупи; цим пояснюється збільшує дію лупи (рисунок 4.13).
Предмет l поміщають у безпосередній близькості від фокальної площини лупи OO1. Промені, що виходять з точки S предмета, збираються в точці S на сітківці ока. У цій же точці збиралися б промені від точки S ', якби лупи не було (точка S' - уявне зображення точки S).
Розмір зображення на сітківці ока визначається кутом зору. Однак для малих предметів кут зору малий і деталі та деталі предмета виявляються недостатньо. Оптичні прилади дозволяють збільшити кут зору. Досяганий при цьому ефект характеризується кутовим збільшенням Г приладу
де α' і α – кути зору, під якими видно предмет відповідно через прилад та неозброєне око. Кутове збільшення лупипідраховується за формулою
де 25 - відстань найкращого зору для нормального ока в см, F - фокусна відстань лінзи, виражена також див.
Мікроскоп(від грецьких слів мікрос - маленький і скопо - дивлюся). Найпростішими та найстарішими з мікроскопів є оптичні мікроскопи. Такий мікроскоп складається з двох оптичних систем: об'єктиву та окуляра. Як об'єктив використовується складна система лінз, різних за формою та складом скла, яка працює як одна лінза з дуже короткою фокусною відстанню. Розглянутий предмет міститься на предметний столик і зверху накривається тонким покривним склом. Пристрій типового мікроскопа середини ХХ століття зображено малюнку 4.14.
Кутове збільшення мікроскопа дорівнює
де F1 і F2 – фокусні відстані відповідно до об'єктиву та окуляра (см); 25 – відстань найкращого зору для нормального ока в см, Δ – відстань між внутрішніми фокусами об'єктива та окуляра. Звичайний мікроскоп працює з видимим оптичним випромінюванням, в діапазоні 400-700 нм тому максимальне збільшення, якого можна досягти, не перевищує
Ступінь проникнення в мікросвіт, вивчення мікросвіту залежить від можливості розглянути величину мікрооб'єктів, від роздільної здатності приладу, що визначається довжиною хвилі використовуваного в мікроскопії опорного випромінювання (світло, УФ, ІЧ, рентгенівське випромінювання). Головним обмеженням можливості розглядати дрібніші частки – це коли досягнуто межу можливості застосувати довжину опорної (наприклад, розмір площі) хвилі випромінювання (освітлення) об'єкта менше його (тобто всередині його меж). Наприклад, наше око здатне розглянути розмір плям зображення або дві ризики в межах 0,176 мм cвідстань 250 мм. Зменшення розмірів плям або відстаней між ризиками ми сприймаємо як суцільне будь-яке кольорове або чорно-біле зображення без видимих деталей. Тобто «проникнути глибше» в мікросвіт можливо при застосуванні більш короткохвильових випромінювань, тобто випромінювань з меншими довжинами хвиль, відповідно з більш високою роздільною здатністю мікроскопів. В даний час досягнуто межу роздільної здатності мікроскопа або мікроскопії, що дорівнює довжині опорної хвилі променя «жорсткого» рентгенівського випромінювання (1-10 нм).
У 2006 році німецькі вчені Штефан Хелль та Маріано Боссі розробили оптичний мікроскоп, що дозволяє спостерігати об'єкти розміром близько 10 нм та отримувати високоякісні тривимірні 3D зображення. Побачити об'єкти розміром менше 200 нанометрів (мінімальної довжини хвилі ближнього ультрафіолетового випромінювання) було можливо лише за допомогою неоптичних методів (наприклад, електронної мікроскопії), проте ці методи мали свої обмеження, зокрема, на відміну від оптичних, не дозволяли працювати з цілими і тим більше живими клітинами. Вчені застосували метод мікроскопії, в якому молекули за допомогою спеціально підібраного дуже короткого імпульсу переводяться з "темного" стану в "світле", при якому вони випромінюють енергію, люмінескують. Випромінене світло фіксується і тим самим видає дані про об'єкти розміром значно менше 200 нанометрів. Ця розробка дозволила поглянути в мікросвіт живих клітин на атомно-молекулярному рівні в тривимірному просторі 3D з роздільною здатністю зображень в 1-10 нм.
Око як оптична система. Око людини має приблизно кулясту форму; діаметр його (в середньому) 2,5 см; око оточене зовні трьома оболонками (рисунок 4.15).
Зовнішня тверда таміцна оболонка, звана склерою або білковою оболонкою, захищає нутро очі від механічних пошкоджень. Склера на передній частині ока прозора і називається роговою оболонкою або рогівкою; на решті ока вона непрозора, має білий колір. З внутрішньої сторони до склери прилягає судинна оболонка, що складається зі складного сплетення кровоносних судин, що живлять око. Ця друга оболонка в передній частині ока переходить у райдужну оболонку, забарвлену у різних людей різного кольору. Райдужна оболонка має всередині отвір, що називається зіницею. Райдужна оболонка здатна деформуватися і в такий спосіб змінювати діаметр зіниці. На внутрішній поверхні судинної оболонки розташована сітчаста оболонка, або сітківка. Вона покриває все дно ока, крім його передньої частини. Ззаду через оболонку входить зоровий нерв, що з'єднує око з мозком. Сітківка складається в основному з розгалужень волокон зорового нерва та їх закінчень і утворює світлочутливу поверхню ока. Проміжок між роговою та райдужною оболонками називається передньою камерою; він заповнений камерною вологою. Усередині очі, безпосередньо за зіницею, розташований кришталик, що являє собою прозоре пружне тіло, що має форму двоопуклої лінзи. Кривизна поверхонь кришталика може змінюватися в результаті дії м'яза, що облягає його з усіх боків. За своїм пристроєм очей як оптична система подібний до фотоапарата. Роль об'єктива виконує кришталик разом із заломлюючим середовищем передньої камери та склоподібного тіла. Зображення предмета, що розглядається оком, міститься на сітківці. Воно є дійсним, зменшеним та перевернутим (рисунок 4.16).
Правильне враження про розташування предмета створюється завдякикоригуючому впливу мозку.
Зіниця ока грає роль діафрагми: його діаметр змінюється відповідно до кількості світла, що потрапляє в око. Цим забезпечується різкість одержуваного на сітківці зображення предметів, що є різних відстанях від ока. Здатність ока пристосовувати фокусну відстань кришталика до відстані до предмета, що спостерігається, називаєтьсяакомодацією(від латинського слова accomodatio – пристосування)
Око називається нормальним, якщо він у ненапруженому стані збирає паралельні промені в точці, що лежить на сітківці. Найбільш поширені два недоліки ока – короткозорість і далекозорість. Близоруким називається таке око, у якого фокус при спокійному стані очного м'яза лежить усередині ока. Короткозорість може бути обумовлена великим видаленням сітківки від кришталика в порівнянні з нормальним оком. Якщо предмет розташований на відстані 25 см від короткозорого ока, то зображення предмета вийде не на сітківці, а ближче до кришталика попереду сітківки. Щоб зображення виявилося на сітківці, потрібно наблизити предмет до ока. Тому у короткозорого ока відстань найкращого бачення менше 25 см (рисунок 4.17).
Далекозорим називається око, у якого фокус при спокійному стані очного м'яза лежить за сітківкою. Далекозорість може бути обумовлена тим, що сітківка розташована ближче до кришталика порівняно з нормальним оком. Зображення предмета виходить за сітківкою такого ока. Якщо предмет видалити від ока, то зображення потрапить на сітківку, звідси і назва цього недоліку – далекозорість (рис. 4.18).
Різниця в розташуванні сітківки навіть у межах одного міліметра вже може призводити до помітної короткозорості чи далекозорості. Люди,які мали в молодості нормальний зір, у літньому віці стають далекозорими. Це тим, що м'язи, стискаючі кришталик, слабшають і здатність до акомодації зменшується. Відбувається це через ущільнення кришталика, що втрачає здатність стискатися. Короткозорість і далекозорість усуваються застосуванням лінз.
Винахід окулярів стало великим благом для людей, які мають недоліки зору. Які лінзи слід застосовувати для усунення цих недоліків зору? У короткозорого ока зображення виходить усередині очі попереду сітківки. Щоб воно пересунулося на сітківку, потрібно зменшити оптичну силу заломлюючої системи ока. Для цього застосовують лінзу, що розсіює (рисунок 4.19).
Оптичну силу системи далекозорого ока потрібно, навпаки, посилити, щоб зображення потрапило на сітківку. Для цього використовують лінзу, що збирає (рисунок 4.20).
Отже, для виправлення короткозорості застосовують окуляри з увігнутими лінзами, що розсіюють. Якщо, наприклад, людина носить окуляри, оптична сила яких дорівнює -0,5 дптр (або -2 дптр, -3,5 дптр), то він короткозорий. В окулярах для далекозорих очей використовують опуклі лінзи, що збирають. Такі окуляри можуть мати, наприклад, оптичну силу +0,5 дптр, +3 дптр, +4,25 дптр.
Світлочутливі елементи, що вистилають сітківку, поділяються на так званіпаличкиіколбочки. Палички чутливіші до світла, але не реагують на колір. Колбочки менш чутливі до світла, але мають спектральну чутливість.
Людське око чутливе лише до дуже вузького інтервалу довжин електромагнітних хвиль від 0,77 до 0,38 мкм (видиме світло), причому навіть у цьому інтервалі чутливість ока до різних довжин хвиль неоднакова. Найбільшою чутливістюлюдське око має довжину хвилі 0,555 мкм, тобто. зеленого кольору. Чутливість ока для більш коротких і довжин хвиль різко знижується, досягаючи нуля для інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання. Тому кілька джерел монохроматичного світла однакової потужності, але випромінюють світло різного кольору, видаються оку неоднаково яскравими.
Відношення потужності Wm монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі λm=0,555 мкм (зелений колір) до потужності Wλ монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі λ, що викликає відчуття такої ж яскравості як випромінювання з довжиною хвилі λm називаєтьсякоефіцієнтом видності
Коефіцієнт видності служить мірою спектральної чутливості ока. Для зеленого світла він дорівнює одиниці. Графік спектральної чутливості (залежність коефіцієнта від довжини хвилі) людського ока представлений малюнку 4.21.