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