4.3. Оптические приборы
Лупа. Микроскоп. Разрешающая способность и полезное увеличение оптических приборов. Специальные приемы оптической микроскопии. Оптическая система глаза. Недостатки оптической системы глаза и их исправление.
Литература: [1, с. 158–166]; [2, с. 407–413]
Оптические приборы многочисленны и разнообразны и нашли широкое распространение в биологии. Рассмотрим характерные особенности некоторых наиболее широко применяемых оптических приборов.
Лупа (от французского loupe). Оптический прибор для рассматривания мелких объектов, плохо различимых глазом. Обычно это двояковыпуклая короткофокусная линза. Наблюдаемый предмет помещают от лупы на расстоянии, немного меньшем её фокусного расстояния. В этих условиях лупа даёт прямое, увеличенное и мнимое изображение оптическое предмета. После прохождения лупы лучи от предмета ещё раз преломляются в глазу и собираются в его дальней точке. Они попадают в глаз под углом, большим, чем лучи от предмета в отсутствие лупы; этим и объясняется увеличивающее действие лупы (рисунок 4.13).
Рисунок 4.13
Предмет l помещают в непосредственной близости от фокальной плоскости лупы OO1. Лучи, исходящие из точки S предмета, собираются в точке S" на сетчатке глаза. В этой же точке собирались бы лучи от точки S', если бы лупы не было (точка S' — мнимое изображение точки S).
Размер изображения на сетчатке глаза определяется углом зрения. Однако для малых предметов угол зрения мал и детали и детали предмета выявляются недостаточно. Оптические приборы позволяют увеличить угол зрения. Достигаемый при этом эффект характеризуется угловым увеличением Г прибора
(4.3.1)
где α' и α – углы зрения, под которыми виден предмет соответственно через прибор и невооруженный глаз. Угловое увеличение лупы подсчитывается по формуле
(4.3.2)
где 25 – расстояние наилучшего зрения для нормального глаза в см, F - фокусное расстояние линзы, выраженное также в см.
Микроскоп (от греческих слов микрос – маленький и скопо – смотрю). Самыми простыми и самыми старыми из микроскопов являются оптические микроскопы. Такой микроскоп состоит из двух оптических систем: объектива и окуляра. В качестве объектива используется сложная система линз, различных по форме и составу стекла, которая работает как одна линза с очень коротким фокусным расстоянием. Рассматриваемый предмет помещается на предметный столик и сверху накрывается тонким покровным стеклом. Устройство типичного микроскопа середины XX века изображено на рисунке 4.14.
Рисунок 4.14
Угловое увеличение микроскопа равно
(4.3.3)
где F1 и F2 – фокусные расстояния соответственно объектива и окуляра (см); 25 – расстояние наилучшего зрения для нормального глаза в см, Δ – расстояние между внутренними фокусами объектива и окуляра. Обычный микроскоп работает с видимым оптическим излучением, в диапазоне 400—700 нм потому максимальное увеличение, которого можно добиться, не превышает ~2000 раз.
Степень проникновения в микромир, изучения микромира зависит от возможности рассмотреть величину микрообъектов, от разрешающей способности прибора, определяемой длиной волны используемого в микроскопии опорного излучения (свет, УФ, ИК, рентгеновское излучение). Главным ограничением возможности рассматривать более мелкие частицы – это когда достигнут предел возможности применить длину опорной (например, размер площади) волны излучения (освещения) объекта меньше его (то есть внутри его границ). Например, наш глаз способен рассмотреть размер пятен изображения или две риски в пределах 0,176мм c расстояния 250 мм. Уменьшение размеров пятен или расстояний между рисками мы воспринимаем как сплошное любое цветное или чёрно-белое (серое) изображение без видимых деталей. То есть «проникнуть глубже» в микромир возможно при применении более коротковолновых излучений, то есть излучений с меньшими длинами волн, соответственно с более высокой разрешающей способностью микроскопов. В настоящее время достигнут предел разрешающей способности микроскопа или микроскопии, равный длине опорной волны луча «жёсткого» рентгеновского излучения (1-10 нм).
В 2006 году немецкие ученые Штефан Хелль и Мариано Босси разработали оптический микроскоп, позволяющий наблюдать объекты размером около 10 нм и получать высококачественные трехмерные 3D изображения. Увидеть объекты размером менее 200 нанометров (минимальной длины волны ближнего ультрафиолетового излучения) было возможно только при помощи неоптических методов (например, электронной микроскопии), однако эти методы имели свои ограничения, в частности, в отличие от оптических не позволяли работать с целыми и тем более живыми клетками. Ученые применили метод микроскопии, в котором молекулы при помощи специально подобранного очень короткого импульса переводятся из «темного» состояния в «светлое», при котором они излучают энергию, люминесцируют. Излучаемый свет фиксируется и тем самым выдает данные об объектах размером значительно меньше 200 нанометров. Эта разработка позволила взглянуть в микромир живых клеток на атомно- молекулярном уровне в трехмерном пространстве 3D с разрешением изображений в 1-10 нм.
Существует несколько видов микроскопии: оптическая микроскопия, электронная микроскопия, рентгеновская микроскопия рентгеновская лазерная микроскопия, отличающиеся конструктивными элементами, деталями, узлами самих микроскопов, что обеспечивает наблюдение в разных диапазонах спектра электромагнитных лучей. Каждый из видов микроскопии тесно связан с техническими возможностями соответствующего оборудования. Все указанные направления имеют комплекс специальных приёмов для подготовки образцов, фиксации объектов исследования, микрофотографирования и видеозаписи, дешифровки изображений. Химическими и физическими методами отдельные элементы изображения могут быть выделены (окрашены, протравлены) или замаскированы, с целью определения тонкой структуры объекта. Существуют методы повышения контрастности и цветовой контрастности изображений, замены цветов для улучшения восприятия структуры объекта. Разработаны различные компьютерные программы для выделения и подсчёта числа определённых структурных элементов изображения. Возможности микроскопии как метода изучения и фотографирования малых объектов зависят от разрешающей способности, применения новых технологий оптических систем, стереоскопии, методов подготовки объекта (срезы, окрашивание препаратов, использование метода тёмного и светлого поля, поляризованного света и т.д.).
Глаз как оптическая система. Глаз человека имеет приблизительно шарообразную форму; диаметр его (в среднем) 2,5 см ; глаз окружен снаружи тремя оболочками (рисунок 4.15).
Рисунок 4.15
Внешняя твердая и прочная оболочка , называемая склерой или белковой оболочкой, защищает внутренность глаза от механических повреждений. Склера на передней части глаза прозрачна и называется роговой оболочкой или роговицей; на всей остальной части глаза она непрозрачна, имеет белый цвет. С внутренней стороны к склере прилегает сосудистая оболочка, состоящая из сложного сплетения кровеносных сосудов, питающих глаз. Эта вторая оболочка в передней части глаза переходит в радужную оболочку, окрашенную у разных людей в различный цвет. Радужная оболочка имеет в середине отверстие, называющееся зрачком. Радужная оболочка способна деформироваться и таким образом менять диаметр зрачка. На внутренней поверхности сосудистой оболочки расположена сетчатая оболочка, или сетчатка. Она покрывает все дно глаза, кроме его передней части. Сзади через оболочку входит зрительный нерв, соединяющий глаз с мозгом. Сетчатка состоит в основном из разветвлений волокон зрительного нерва и их окончаний и образует светочувствительную поверхность глаза. Промежуток между роговой и радужной оболочками называется передней камерой; он заполнен камерной влагой. Внутри глаза, непосредственно за зрачком, расположен хрусталик, представляющий собой прозрачное упругое тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы. Кривизна поверхностей хрусталика может меняться в результате действия облегающей его со всех сторон мышцы. По своему устройству глаз как оптическая система сходен с фотоаппаратом. Роль объектива выполняет хрусталик совместно с преломляющей средой передней камеры и стекловидного тела. Изображение предмета, рассматриваемого глазом, помещается на сетчатке. Оно является действительным, уменьшенным и перевернутым (рисунок 4.16).
Рисунок 4.16
Правильное впечатление о расположении предмета создается благодаря корректирующему действию мозга.
Зрачок глаза играет роль диафрагмы: его диаметр меняется в соответствии с количеством света, попадающего в глаз. Этим обеспечивается резкость получаемого на сетчатке изображения предметов, находящихся на различных расстояниях от глаза. Способность глаза приспосабливать фокусное расстояние хрусталика к расстоянию до наблюдаемого предмета называется аккомодацией (от латинского слова accomodatio – приспособление)
Глаз называется нормальным, если он в ненапряженном состоянии собирает параллельные лучи в точке, лежащей на сетчатке. Наиболее распространены два недостатка глаза – близорукость и дальнозоркость. Близоруким называется такой глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит внутри глаза. Близорукость может быть обусловлена большим удалением сетчатки от хрусталика по сравнению с нормальным глазом. Если предмет расположен на расстоянии 25 см от близорукого глаза, то изображение предмета получится не на сетчатке, а ближе к хрусталику, впереди сетчатки. Чтобы изображение оказалось на сетчатке, нужно приблизить предмет к глазу. Поэтому у близорукого глаза расстояние наилучшего видения меньше 25 см (рисунок 4.17).
Рисунок 4.17
Дальнозорким называется глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит за сетчаткой. Дальнозоркость может быть обусловлена тем, что сетчатка расположена ближе к хрусталику по сравнению с нормальным глазом. Изображение предмета получается за сетчаткой такого глаза. Если предмет удалить от глаза, то изображение попадёт на сетчатку, отсюда и название этого недостатка – дальнозоркость (рисунок 4.18)
Рисунок 4.18
Разница в расположении сетчатки даже в пределах одного миллиметра уже может приводить к заметной близорукости или дальнозоркости. Люди, имевшие в молодости нормальное зрение, в пожилом возрасте становятся дальнозоркими. Это объясняется тем, что мышцы, сжимающие хрусталик, ослабевают и способность к аккомодации уменьшается. Происходит это и из-за уплотнения хрусталика, теряющего способность сжиматься. Близорукость и дальнозоркость устраняются применением линз.
Изобретение очков явилось великим благом для людей, имеющих недостатки зрения. Какие же линзы следует применять для устранения этих недостатков зрения? У близорукого глаза изображение получается внутри глаза впереди сетчатки. Чтобы оно передвинулось на сетчатку, нужно уменьшить оптическую силу преломляющей системы глаза. Для этого применяют рассеивающую линзу (рисунок 4.19).
Рисунок 4.19
Оптическую силу системы дальнозоркого глаза нужно, наоборот, усилить, чтобы изображение попало на сетчатку. Для этого используют собирающую линзу (рисунок 4.20).
Рисунок 4.20
Итак, для исправления близорукости применяют очки с вогнутыми, рассеивающими линзами. Если, например, человек носит очки, оптическая сила которых равна –0,5 дптр (или -2 дптр, -3,5 дптр), то значит он близорукий. В очках для дальнозорких глаз используют выпуклые, собирающие линзы. Такие очки могут иметь, например, оптическую силу +0,5 дптр, +3 дптр, +4,25 дптр.
Светочувствительные элементы, выстилающие сетчатку, подразделяются на так называемые палочки и колбочки. Палочки более чувствительны к свету, но не реагируют на цвет. Колбочки менее чувствительны к свету, но обладают спектральной чувствительностью.
Человеческий глаз чувствителен лишь к очень узкому интервалу длин электромагнитных волн от 0,77 до 0,38 мкм (видимый свет), причем даже в этом интервале чувствительность глаза к различным длинам волн неодинакова. Наибольшей чувствительностью человеческий глаз обладает к длине волны 0,555 мкм, т.е. зеленому цвету. Чувствительность глаза для более коротких и более длин волн резко снижается, достигая нуля для инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поэтому несколько источников монохроматического света одинаковой мощности, но испускающих свет различного цвета, представляются глазу неодинаково яркими.
Отношение мощности Wm монохроматического излучения с длиной волны λm=0,555 мкм (зеленый цвет) к мощности Wλ монохроматического излучения с длиной волны λ, вызывающего ощущение такой же яркости как излучение с длиной волны λm называется коэффициентом видности
(4.3.4)
Коэффициент видности служит мерой спектральной чувствительности глаза. Для зеленого света он равен единице. График спектральной чувствительности (зависимость коэффициента видности от длины волны) человеческого глаза представлен на рисунке 4.21.
Рисунок 4.21