Transcript teze6
Optika, akustika
Teze přednášky
OPTIKA
• • • Geometrická – paprsková Fyzikální – vlnová Kvantová
Zákony geometrické optiky
1.
2.
3.
4.
přímočarého šíření světla vzájemné nezávislosti a záměnnosti chodu paprsků odrazu světla lomu světla
Zrcadla
• • • rovinná (jediný optický přístroj bez vad) konkávní (dutá) konvexní (vypuklá)
Snellův zákon lomu světla
sin α v 1 n 2 ---------- = ------- = ------ sin ß v 2 n 1 absolutní index lomu c n = ------ v n > 1 α ß v 1 n 1 v 2 n 2
Lom světla
• • • • ke kolmici n 1 < n 2 od kolmice n 1 > n 2 mezný úhel – úhel dopadu při kterém je úhel lomu 90 o totální reflexe vláknová optika n 1 > n 2 vlákno n
2
n
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
obal n
2
.
ENDOSKOPIE
• • • • endoskopická zrcadla (otoskop, laryngostop, rinoskop) endoskopy s pevnými tubusy fibroskopy až 140 cm 3 svazky vláken (2 k vedení světla a 1 k vedení obrazu), pozorovací objektiv a okulár videoskop – místo objektivu mikrokamera
Čočky
• optický prvek ve kterém dochází k vícenásobnému lomu světla • • spojky, rozptylky optická mohutnost – převrácená hodnota ohniskové vzdálenosti - [D] dioptrie soustava čoček o vzdálenosti v v = 0 pak D = ∑ D i v ≠ 0 D = D 1 + D 2 - D 1 D 2 v
Optické vady čoček
• • • sférická (kulová) korekce – aplanát chromatická (barevná) korekce – achromát u více barev apochromát astigmatická korekce - anastigma
Optický hranol
• • dvojlom polychromatického světla vede k rozkladu na spojité spektrum jednotlivých vlnových délek – monochromátor Litrowův hranol – kompenzace vlivu dvojlomu (jedna stěna představuje zrcadlo)
Fyzikální (vlnová) optika
• • •
difrakce (ohyb) a interference světla
narazí-li světlo na překážku, jejíž velikost je řádově srovnatelná s jeho vlnovou délkou, přestává platit zákon přímočarého šíření světla Hugensův princip – každý bod vlnoplochy lze považovat za nový zdroj vlnění z něhož se šíří elementární vlnoplochy. Novou vlnoplochou je v libovolném čase obalová plocha těchto elementárních vlnoploch.
Fyzikální (vlnová) optika
• • Koherentní jsou světelná vlnění stejné vlnové délky, jejichž fázový rozdíl se s časem nemění. Tyndallův jev
Optická mřížka
•
podmínka maxima k .
λ
sin α = ------- b b mřížková konstanta k řád maxima
λ
vlnová délka
Mikroskop
úhlové zvětšení mikroskopu Δ d γ = ----- . ----- f 1 f 2 d d d d konvenční zraková vzdálenost Δ optický interval (vzdálenost ohnisek)
Rozlišovací schopnost
• minimální vzdálenost dvou bodů, které ještě dokážeme rozlišit λ d = ------------ n . sin α Numerická apertura NA = n . sin α
NA VODA = 1,25 NA olejová imerse = 1,45 NA monobromnaftalen = 1,60
Polarizace světla
• • • • • polarizované světlo kmitá pouze v jedné rovině polarizace odrazem polarizace dvojlomem polarimetrie opticky aktivní látky
Optická spektra
• • • • • • • emisní absorpční čarová pásová spojitá spektrální analýza – spektroskop AAS – atomová absorpční spektrometrie
Kvantová optika - LASER
• • • • Zesílení světla stimulovanou emisí záření.
dodáním energie excitovaný stav shromažďování elektronů na metastabilních hladinách současnou deexcitací vznik koherentního záření • • interference mezi zrcadly záření je diskontinuální s vysokou frekvencí
Využití v medicíně
• • • oční chirurgie Laserová tomografie oční sítnice BIOLASER termický efekt o 3 o C fotochemický efekt analgetický efekt biostimulační efekt - regenerace antiflogistický efekt útlumem tvorby prostaglandinu
Biofyzika vidění
Oko je centrovaná optická soustava
• • • • • • • rohovka komorová voda přední oční komory duhovka čočka sklivec sítnice index lomu prostředí
Stárnutí čočky a rozptyl světla
Sklivec – corpus vitreum
• • • • • • • Udržuje tvar oka Refrakční médium 98 % H 2 O Želatinózní hmota Bílkovina vitrein Kolagenní fibrily Kyselina hyaluronová → viskozita sklivce
Sítnice
• • • • •
Čípky
6 - 7 000 000
fotopické vidění
(tři typy pigmentu)
Tyčinky
120 000 000 mezopické vidění skotopické vidění
• • • • •
Struktura tyčinek a čípků
Tyčinky
vnější úsek obsahuje světločivý pigment rhodopsin a mitochondrie vnitřní úsek (buněčné jádro a nervové vlákno)
Čípky
obdobná struktura jako u tyčinek.Ve vnějším úseku obsahují jodopsin. Žlutá skvrna.
Vnější výběžky tyčinek a čípků se zabořují do stratum pigmentosum významného pro metabolizmus.
Světelný vjem je zprostředkován rozkladem barviv.
Pro regeneraci rhodopsinu nutný vit. A (šeroslepost).
Zraková dráha
• • Od smyslových buněk sítnice po zrakové centra v okcipitáním laloku kůry mozkové Fotoreceptory bipolární bb. gangliové bb. vrstva nervových vláken sítnice n. opticus chiasma opticum tractus opticus corpus geniculatum laterale (primární zrakové centrum) svazeček) Radiatio optica (Gratioletův korová centra okcipitálního laloku
Obraz
• • • • • převrácený zmenšený reálný neostrý, málo kvalitní rozhodující je zpracování mozkem
SPEKTRÁLNÍ STANOVENÍ BARVY PEVNÝCH LÁTEK (potravin)
Měření barvy
• • Barva = fyzikální interakce světla s hmotou, která je pozorována lidským okem a interpretována mozkem • barva je vnímána individuálně psychologický fenomén, který závisí na pozorovateli chudá barevná paměť člověka
• • visuální hodnocení nemůže poskytnou přesné stanovení barvy navzdory subjektivnímu vnímání lze barvy objektivně srovnávat => monitorování barevných změn pomocí přístrojů zaznamenávající odraz, příp. absorpci, včetně definice standardních podmínek měření
• • Kolorita je určena – spektrální složením záření zdroje – spektrální odrazností nebo propustností hmoty a má za následek – změnu spektrálního složení záření – změnu intenzity záření – termín představuje objektivní stanovení přístroji Vjem barvy se liší – chemickými a fyzikálními vlastnostmi hmoty – kvalitou a intenzitou záření zdroje – konkrétním pozorovatelem
• •
CIELAB
The Commission Internationale de l´Eclairage vyvinula rovnoměrnou kolorimetrickou soustavu L*a*b*, v níž stejně subjektivně vnímaným rozdílům vjemu barvy odpovídají stejné vzdálenosti a naopak. Důležitý aspekt barevné soustavy vychází z jeho nezávislosti, a proto je objektivní
Systém CIELAB transformuje reflektanci do kolorimetrické trichromatické soustavy tím, že integruje spektrum předmětu s funkcemi pozorovatele a se spektrálním zářením zdroje • • zdroj D 65 se nejčastěji používá denní světlo standardní úhel pozorovatele – 2° pro podmínky přísně foveálního vidění – 10° pro pozorování pod větším úhlem
Vyjádření kolority - číselné charakteristiky barvy předmětu - pomocí adičního mísení tří vhodně zvolených barevných podnětů soustavy Množství těchto měrných podnětů je měřítkem, jímž lze charakterizovat danou barvu
AKUSTIKA
ZVUK
• • •
mechanické vlnění šíření v tekutinách podélně v pevných látkách podélně i příčně ve vakuu se nešíří rychlost šíření ve vzduchu 330 m s -1 ve vodě 1 440 m s -1
Vnímání zvuku
• • • •
závislost na frekvenci (sluchové pole) člověk 16 – 18 000 Hz infrazvuk (chobotnatci) ultrazvuk nad 20 kHz pes 18 – 38 000 Hz kočka až 50 kHz netopýr až 200 kHz dle druhu kytovci 300 Hz až 20 kHz dorozumívání 10 kHz až 280 kHz echolokace – sonar (spermacet vorvaně – ultrasonický reflektor), ultrazvukové dělo výkon 700 W, akustický tlak až 70 000 kPa
Intenzita zvuku
•
energie působící na jednotkovou plochu orientovanou kolmo na směr šíření vlny za jednotku času [ W m -2 ] Lidské ucho při frekvenci 1 kHz vnímá prahovou intenzitu I 0 = 10 -12 W m -2
Hladina intenzity zvuku
I L = log ------- I 0 I L = 10 log ------- I 0 [ B ] [ dB ] Práh bolesti 130 dB nezávisí na frekvenci
Jednotky hlasitosti
• • • • •
Změna počitku je přímo úměrná změně podnětu frekvenční závislost !
referenční tón 1 kHz fon [Ph] číselně se kryje s dB son číselně se kryje s 40 dB
Ultrazvuk
• • • •
nad 20 kHz generátory magnetostrikční piezoelektrický
Fyzikální vlastnosti
• • • absorpce je přímo úměrně závislá na frekvenci ultrazvuku a na druhu materiálu nejvíce absorbují plyny energie vln roste se čtvercem frekvence rychlost c je nezávislá na frekvenci, pro tekuté prostředí (měkké tkáně) platí K K – modul objemové pružnosti c = ------ ρ ρ – měrná hmotnost
Fyzikální vlastnosti
• •
pružná prostředí vedou k útlumu útlum je závislý na frekvenci přímo úměrně
•
I = I o . e -2αx α lineární koeficient útlumu [dB] Ultrazvukový vlnový odpor – akustická impedance z z = ρ . c [Pa s -1 ] c …rychlost vlny krev 1,62 . 10 6 Pa s -1 tuk 1,35 . 10 6 Pa s -1 kost 3,75 . 10 6 Pa s -1
Ultrazvuk - účinky
• • • • •
mechanické fyzikálně – chemické disperzní x koagulační tepelné – asi 30 % energie kavitace - zdroj volných radikálů pseudokavitace – uvolňování bublinek plynů
Biologické účinky ultrazvuku
• • • • • • • •
strukturní změny změny permeability membrán změny vodivosti nervových vláken změny pH analgetické a spasmolytické změkčení vazivových tkání zvýšení metabolizmu narušení centra pro bolest v thalamu
Využití ultrazvuku
• • • • • •
myčky skla příprava suspenzí defektoskopie terapeutické litotripsie sonografie
Sonografie, echografie
• • • • • • odraz ultrazvukové vlny na rozhraní tkání odrazy nesou informace o prostředí kterým prošly vnitřní struktura tkání ovlivňuje rychlost šíření a útlum ultrazvuku tvar orgánu ovlivňuje odraz a lom vlny Sonda pracuje současně jako generátor i detektor.
speciální gely
Sonografické obrazy - cysta
Sonografické obrazy – solidní útvar
Dopplerův efekt
• • • změna frekvence při vzájemném pohybu vysílače a přijímače akustického signálu přibližováním frekvence roste vzdalováním frekvence klesá
Sonografie s Dopplerovým jevem
• • • proudění krve pohyb chlopní echokardiogram mitrální chlopně • Dopplerovská křivka proudu mitrální chlopně