Электромагнитную волну, в которой векторы Е и, следо­вательно, векторы В лежат во вполне определенных плоскостях, называют плоскополяризованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е и на­правление распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. В естественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампы, газоразрядной трубки, пламени и т. п., складываются неупорядоченные излучения множества атомов, поэтому направление Е не выдерживается в одной плоскости. Такой свет можно рассматри­вать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы ориентированы по всевозможным перпендикулярным лучу направле­ниям. На рис. 8 показаны в некоторый момент времени сечение луча О и хаотическая ориентация векторов Е в плоскости, перпендикуляр­ной лучу.

Рис.8

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает только составляющую вектора Е на некоторую плоскость — глав­ную плоскость поляризатора, которая содержит световой век­тор Е и направление распространения света. При этом из поляри­затора выходит поляризованный свет, интенсивность которого рав­на половине интенсивности падающего естественного (неполяризованного) света. При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедше­го плоскополяризованного света, но интенсивность его не изменяет­ся. Поляризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.

Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрическо­го вектора Е₀ падает на анализатор, то он пропустит только со­ставляющую, равную

Е = Е₀соs φ (11) ,

где φ — угол между главными плоскостями поляризатора Р и ана­лизатора А (рис. 9).

Рис. 9

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амп­литуды колебаний , то из (11) получаем

I = I₀ соs² φ , - закон Малюса

где I0 - интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор, I – интенсивность света, вышедшего из анализатора.

Как видно из закона Малюса, при повороте анализатора относительно луча падающего плоскополяризованного света интенсивность вышедшего света изменяется от 0 до I0 .

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются обычные законы преломления, и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого – эти законы не выполняются и луч называют необыкновенным.

Двойное лучепреломление при нормальном падении света на поверхность кристалла показано на рис. 10: обыкновенный (о) луч, как это следует из закона преломления, проходит не прелом­ляясь, необыкновенный (е) — преломляется.

Рис.10

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча, обыкновенный и необыкновенный, распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла (штриховая линия на рис. 10). Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными. К ним принадлежит исландский шпат (разновидность углекислого кальция СаС0₃ — кристалл гексагональной системы), кварц, турмалин (сложный алюмосиликат, кристаллы тригональной системы) и др. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной плоскостью кристалла. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного — лежат в главной плоскости кристалла, т. е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах: амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направ­лений этих колебаний (скорости распространения и показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей различны).

Из анизотропных кристаллов изготавливают специальные поляризационные призмы.

Рассмотрим наиболее распространенную призму, предложенную У. Николем (призма Николя, или просто николь).

Рис.11

Николь представляет собой призму из кристалла исландского шпата, разрезанного по диагонали и склеенного канадским бальзамом К (рис. 11). Для него n = 1.550 (у исландского шпата nо=1.6584) ; это значение лежит меж­ду показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей исландского шпата. Это позволяет, подобрав соответствующим образом углы призмы, обеспечить полное отражение обыкновенного (о) луча на границе с канадским бальзамом. Отраженный луч в этом случае поглощается зачерненной нижней гранью или выводится из кристалла. Необыкновенный (е) луч выходит из николя параллельно нижней грани.

Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на кристаллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему поляризатор Р — анализатор А (рис. 12), которые поставлены скрещенно, т. е. их главные плоскости взаимно перпендикулярны. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропустит плоскополяризованный свет в соответствии с законом Малюса (φ = 90°).

Рис.12

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то в общем случае свет дойдет до наблюдателя. Если же анализатор повернуть на определенный угол, то можно вновь добиться затемнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствующий повороту анализатора для получения затемнения.

Используя в опыте свет различных длин волн, можно обнару­жить дисперсию вращения плоскости поляризации (вращательную дисперсию), т. е. зависимость угла поворота от длины волны.

Оптически активными являются также многие некристалли­ческие тела: чистые жидкости (например, скипидар), растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфоры).

Для растворов был установлен следующий количественный за­кон:

а = [а₀]С l , (12)

где С — концентрация оптически активного вещества, l — толщи­на слоя раствора, [а₀] — удельное вращение, которое приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны и зави­сит от температуры и свойств растворителя.

Соотношение (12) лежит в основе весьма чувствительного ме­тода измерения концентрации растворенных веществ, в частнос­ти сахара.

Этот метод (поляриметрия, или сахариметрия) используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в био­физических исследованиях, а также в пищевой промышленности. Соответствующие измерительные приборы называют поляри­метрами или сахариметрами.

Поляриметр позволяет измерять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (диспер­сию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют специальные приборы — спектрополяриметры.

Поляриметрию применяют не только для определения концентрации растворов, но и как метод исследования структурных превращений, в частности в молекулярной биофизике.

Рассматривая прозрачные биологические объекты в микроско­пе, трудно выявить различные структуры, поэтому приходится применять некоторые специальные методики; в их числе поляризационная микроскопия.

Поляризационный микроскоп аналогичен обычному биологическому микроскопу, но имеет поляризатор перед конденсором и анализатор в тубусе между объективом и окуляром. Предметный столик может вращаться вокруг оптической оси микроскопа. Та­ким образом, объект освещают поляризованными лучами и рас­сматривают через анализатор.

Если скрестить поляризатор и анализатор, то поле зрения будя темным, таким же оно останется при помещении на предметный столик изотропных прозрачных тел. Анизотропные предметы изме­няют поле зрения в соответствии с тем влиянием, которое они ока­жут на направление плоскости колебаний поляризованного света.

Так как некоторые ткани (мышечная, костная, нервная) обла­дают оптической анизотропией, то возможна поляризационная микроскопия биологических объектов. При скрещенных поляри­заторе и анализаторе будут видны только те волокна, анизотро­пия которых изменяет поляризованный свет.

Поляризованный свет можно использовать в модельных условиях для оценки механических напряжений, возникающих в костных тканях. Этот метод основан на яв­лении фотоупругости, которое заключается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Из прозрачного изотропного материала, например плексигласа, создают плоскую модель кости. В скрещенных поляроидах эта модель незаметна, так как выглядит тем­ной. Прикладывая нагрузку, вызывают ани­зотропию плексигласа, что становится за­метным по характерной картине полос и пя­тен (рис. 13). По этой картине, а также по ее изменению при увеличении или умень­шении нагрузки можно делать выводы о ме­ханических напряжениях, возникающих в модели, а следовательно, и в натуре.

Рис.13

4.Традиционными элементами оптических систем, формирую­щих световой пучок, являются линзы, зеркала, призмы, плоскопараллельные пластинки и т. п. Начиная с 50-х гг. прошлого столетия к этим элементам прибавились волоконно-оптические детали, которые способны передавать свет по каналам, называемым светопроводами.

Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по светопро­водам.

Этим же термином иногда называют и сами волоконно-оптические детали и приборы.

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отра­жается и распространяется вдоль этого волокна (рис. 14). Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (порядка 0,9999), то потери энергии в основном обусловлены поглощением света веществом внутри волокна. Так, например, в видимой области спектра в волокне длиной 1 м теряется 30—70% энергии.

Рис.14

Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкос­ти светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) — световоды. В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения. Для первого случая не имеет значения положение отдельных волокон в световоде, для второго существенно, чтобы расположение волокон на входе и выходе световода было одинаковым.

Примером применения волоконной оптики для модернизации существующих медицинских аппаратов является эндоскоп (от греч. эндо (внутри) и греч. ... скопо (смотрю) — специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка и др.)

Эндоскоп фактически представляет собой микроскоп с небольшим увеличением, приспособленный для введения в полость, то есть имеющий малый диаметр при большой длине тубуса.

В настоящее время широко используются гибкие эндоскопы, в вторых для передачи изображения используется не система линз, а световоды — стеклянные нити диаметром 10—50 мкм. Стеклянная нить в световоде окружена оболочкой из другого вещества с меньшим показателем преломления. Вследствие этого лучи, падающие на поверхность раздела под углом α > α_пво распространяются по сердцевине волокна, не выходя за нее. Тем самым, световод позволяет передавать свет на значительные расстояния как по прямолинейному, так и по криволинейному пути.

С помощью отдельного световода диаметром 5—20 мкм удобно освещать полости, но неудобно получать изображение. Поэтому, как правило, изображение предметов переносится с помощью стекловолоконного жгута, составленного из отдельных волокон.

Рис.15

На рис. 15а представлено изображение торца такого стекловолоконного жгута. Около торца волокна жестко скреплены между собой. Каждый элемент изображения передается по своему волокну (рис.15 6). Имеются специальные разветвленные жгуты, с помощью которых можно одновременно и осветить стенку внутренней полости и получить ее изображение (рис. 15 в).

5.Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в оптике особое место. Это объясняется, во-первых, тем, что многие оптические инструменты рассчитаны на зрительное восприятие, во-вторых, глаз человека (и животного) как усовершенствованная в процессе эволюции биологическая система приносит в рамках бионики некоторые идеи по конструированию и улучшению оптических систем.

Для медиков глаз не только орган, способный к функциональным нарушениям и заболеваниям, но и источник информации о некоторых неглазных болезнях.

Наружную оболочку глазного яблока образует склера 1: она защи­щает внутреннее содержимое глаза и сохраняет его жесткость. На пе­редней поверхности склера переходит в тонкую прозрачную рогови­цу 2, через которую в глаз проникает свет. За роговицей расположена радужная оболочка 3 с отверстием – зрачком 4. Радужная оболочка представляет собой мышечное кольцо, окрашенное пигментом. Это кольцо, сжимаясь или растягиваясь, меняет размеры зрачка и тем са­мым — величину светового потока, попадающего в глаз (Рис.16).

Рис.16

За радужной оболочкой находится хрусталик 5 — эластичное лин-зоподобное тело. С помощью циллиарной связки 6, которая может натягиваться и расслабляться, меняются радиусы кривизны поверх­ности хрусталика и, тем самым. – его оптическая сила. Полость меж­ду роговицей и хрусталиком заполнена водянистой влагой; за хруста­ликом находится стекловидное тело 7. Роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело образует оптическую систему, аналогичную линзе с оптической силой около 58,5 диоптрий (F=17.2 мм). Оптический центр этой системы расположен на расстоянии 5 мм от роговицы; оптическая ось изображена на рис. 16 штрих-пунктиром.

Сетчатка 9 представляет собой полусферу, состоящую из рецепторных клеток, имеющих форму колбочек и палочек. Всего в глазу 125 млн. палочек и 6,5 млн. колбочек. Эти светочувствительные клетки находятся на задней поверхности сетчатки, которая лежит на сосудистой оболочке 8. В некоторой области сбоку от оптической оси нервные клетки сетчатки объединяются и образуют зрительный нерв 10, выходящий на глаз. В этом месте нет ни палочек, ни колбочек, и потому оно образует нечувствительное к свету слепое пятно 11. В центре сетчатки, на оптической оси, находится центральная ямка 12 – область наибольшей остроты зрения. Здесь сосредоточены светочувствительные колбочки, с помощью которых глаз ощущает цвета. В остальных участках сетчатки расположены в основном палочки.

Глаз должен одинаково хорошо видеть предметы, расположенные на разных расстояниях от него. Как бы ни менялось расстояние d от предмета до глаза, на сетчатке должно получиться четкое изображение.

Согласно формуле линзы , (где f — расстояние от линзы до изображения) это возможно лишь в том случае, если од­новременно меняется фокусное расстояние F оптической системы.

Как уже говорилось выше, изменение оптической силы глаза D и его

фокусного расстояния F = 1/D происходит за счет изменения радиусов

кривизны поверхности хрусталика. Это явление называется акко­модацией.

Аккомодация происходит непроизвольно. Как только глаз пере­водится с одного предмета на другой, нарушается резкость изображе­ния, о чем в мозг приходит сигнал. Обратный сигнал из мозга к цилиарной мышце вызывает ее сокращение или растяжение до тех пор, пока не получится резкое изображение. Точка, которую глаз видит при расслабленной цилиарной мышце, называется дальней точкой, ви­димая при максимальном напряжении — ближней точкой. Для нор­мального глаза дальняя точка лежит бесконечно далеко, ближняя точ­ки — на расстоянии около 15—20 см.

У взрослого здорового человека при приближении предмета к глазу до расстояния 25 см аккомодация совершается без напряжения и благодаря привычке рассматривать предметы, находящиеся в руках, глаз чаще всего аккомодирован именно на это расстояние, называемое расстоянием наилучшего зрения.

Размер изображения на сетчатке зависит не только от размера предмета, но и от его удаления от глаза, т.е. от угла, под которым виден предмет. Угол зрения – угол между лучами, идущими от крайних точек предмета (Рис.17).

Рис.17

Из рис. видно, что угол зрения вполне определяет размер изображения на сетчатке:

b = l β (если угол зрения мал),

где l – расстояние между единой узловой точкой N и сетчаткой (l = 17 мм).

B = L β или b = l B/L.

Две точки изображения будут восприниматься раздельно, если они попадут на две разные светочувствительные клетки сетчатки — в про­тивном случае они будут возбуждать лишь одну клетку. Принято говорить, что глаз не разрешает две разные точки предмета, если их изображения получаются на одном светочувствительном элементе сет­чатки. Разрешающая способность глаза оценивается по минималь­ному углу зрения β₀, под которым при хорошем освещении две точ­ки еще видны отдельно — расчет дает для такого минимального угла зрения значение около одной угловой минуты (одна шестидесятая часть градуса), что соответствует расстоянию между точками, равному 70 мкм, если они находятся на расстоянии наилучшего зрения. Размер изображения на сетчатке в этом случае 5 мкм, что соответствует среднему расстоянию между двумя колбочками на сетчатке. Поэтому если изображение двух точек на сетчатке займет линию короче 5 мкм, то эти точки не раз­решатся, т. е. глаз их не различает.

В медицине разрешающую способность глаза оценивают остротой зрения. За норму остроты зрения принимается единица, в этом случае наименьший угол зрения равен одной минуте.

С уменьшением освещенности разрешающая способность глаза ухудшается, падает острота зрения (величина, обратная разрешающей способности 1/ β₀ ).

При отклонениях острота зрения во столько раз меньше нормы, во сколько раз наименьший угол зрения больше минуты. Если наименьший угол зрения равен 4', то острота зрения равна 1 : 4 = 0,25.

Аберрации, свойственные линзам, у глаз почти не ощущаются

Сферическая аберрация незаметна ввиду малости зрачка и проявляется лишь в сумерках, когда зрачок расширен: изображе­ния нерезки. Хотя глаз и не является ахроматической системой, однако хроматическая аберрация не ощущается, в частности из-за малого размера зрачка. Астигматизм косых пучков не имеет места, так как глаз всегда устанавливается в направлении наблю­даемого предмета. Исключение составляет лишь астигматизм, обусловленный асимметрией оптической системы (несферическая форма роговицы или хрусталика).Это проявляется, в частности, в неспособности глаза одинаково резко видеть взаимно перпендикулярные линии на испытательной таблице . Рис.18

Такой недостаток глаза компенсируют специальными очками с цилиндрическими линзами (рис 18).

Оптической системе глаза свойственны некоторые специфиче­ские недостатки.

В нормальном глазу при отсутствии аккомодации задний фо­кус совпадает с сетчаткой — такой глаз называют эмметропическим; глаз называют аметропическим, если это условие не вы­полняется.

Наиболее распространенными видами аметропии являют: близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия). Близорукость — недостаток глаза, состоящий в том, что задний фокус при отсутствии аккомодации лежит впереди сетчатки. Близорукость вызывается либо вытянутостью глазного яблока, либо спазмом циллиарной мышцы (рис.19в). В случае дальнозоркости задний фокус при отсутствии аккомода­ции лежит за сетчаткой. Дальнозоркость обычно возникает в старческом возрасте, когда хрусталик теряет упругость, но встречается и врожденная дальнозор­кость (рис.19б).

Рис.19

Для коррекции близорукого глаза при­меняют рассеивающую линзу, дальнозоркого — собирающую (рис.20).

Рис.20

6.Измерение размеров микроскопических объектов с помощью микроскопа. Для этого применяют окулярный микрометр – круглую стеклянную пластинку, на которой нанесена шкала с делениями. Микрометр устанавливают в плоскости изображения , получаемого от объектива. При рассматривании в окуляр изображения объекта и шкалы накладываются и можно отсчитать, какое расстояние по шкале соответствует измеряемой величине. Отсчет по шкале еще не дает размера объекта, так как совмещаемое со шкалой изо­бражение не равно размеру предмета. Надо найти цену одного деления окулярного микрометра, для этого при­меняют объектный микрометр — шкалу с делениями по 0,01 мм. Рассматривая объектный микрометр как предмет, совмещают в одном поле зрения две шкалы — объектную и окулярную — и оп­ределяют цену деления окулярного микрометра.

Вместо объектного микрометра можно применить любой пре­парат, размер которого известен, или использовать счетную каме­ру Горяева, употребляемую в медицинских измерениях.

В настоящее время широко применяют окулярно-винтовой мик­рометр. Этот прибор устанавлива­ют вместо окуляра. При вращении винта перемещается перекрес­тие, что позволяет отсчитывать доли делений микрометра. Окуляр­но-винтовой микрометр нуждается в предварительной градуировке.

Микропроекция и микрофотография. Формирование мик­роскопического изображения происходит с участием человека и завершается образованием действительного изображения в глазу. Обычный микроскоп сам по себе не создает действительного изо­бражения, однако для фотографирования (микрофотография) или проекции микроскопического изображения на экран (микропро­екция) должно быть получено действительное изображение. Для этого изображение, даваемое объективом Об, надо расположить дальше фокусного расстояния окуляра Ок (рис. 21).

Рис.21

Метод фазового контраста. Интенсивность световой волны, проходящей через прозрачный объект, почти не изменяется, но фазы претерпевают изменения, зависящие от толщины объекта и его показателя преломления. В этом смысле прозрачные объекты называют дефазирующими. Увидеть детали таких объектов обычным образом невозможно. В биологических исследованиях такие объекты иногда окрашивают, однако при этом могут изме­няться их свойства и жизнеспособность.

Для рассмотрения деталей дефазирующих объектов Ф. Цернике предложил метод фазового контраста.

Пусть объект состоит из однородной прозрачной среды 1 с по­казателем преломления n, в которой имеется прозрачное включе­ние 2, например бактерия с показателем преломления n₁ (рис. 22). При попадании плоскопараллельного пучка света часть его будет проходить через прозрачный объект и линзой L фокусироваться в небольшом участке Ф фокальной плоскости F, а другая часть будет дифрагировать на неоднородности и соберется линзой в точке А плоскости I.

Рис.22

Фазовый состав световых колебаний в плоскости I графически в координатах интенсивность—фаза изображен на рис. 23. Кривая 1 соответствует прямому свету, прошедшему через объект без дифракции, кривая 2 — свету, дифрагированному объектом. Если n₁ > n₂, то эта кривая будет отставать по фазе, что и показано на ри­сунке. Кривую 2 можно представить как сумму двух волн. Одна из них (1) проходит объект без дифракции, дру­гая (3) является результатом дифрак­ции на бактерии с показателем прелом­ления n₁. Кривую 3 можно найти гра­фически, вычитая из ординат кривой 2 ординаты кривой 1.

Рис.23

Глаз в плоскости I (см. рис. 22) не различает волны 1 и 2, так как их интенсивности одинаковые, а на различие фаз глаз не реагирует. Необходимо фазовый рельеф преобразовать в амплитудный.

Как видно из рис. 23, волна 3 сдвинута по фазе относительно волны 1 приблизительно на π/2, что соответствует оптической разности хода λ/4. Если изменить фазу волны 1 на π//2, то волны 1 и 3 окажутся либо в фазе (рис. 24,а), либо в противофазе (рис 24, б). Кривую 2 найдем графически как сумму ординат кри­вых 1 и 3. Из рисунка видно, что в этом случае волны 1 и 2 уже различаются по интенсивности (амплитуде), поэтому глаз заметит бактерию на однородном световом поле.

Рис.24

Так как волна 1 проходит в плоскости F (см. рис. 22) через не­большой участок, то можно, поставив в этом месте небольшую круг­лую пластинку (фазовую пластинку) Ф, изменить фазу волны. Иногда фазовую пластинку изготавливают из материала, который частично поглощает волну 1, в этом случае контраст изображения бактерии бу­дет еще сильнее, так как будет увеличена разница амплитуд волн 1 и 2.

Фазово-контрастные устройства (пластинки, конденсоры) обычно комплектуют как дополнительные приспособления к микроскопам.

Ультрамикроскопия. Это метод обнаружения частиц, разме­ры которых лежат за пределами разрешения микроскопа. Микроскопы, работающие по этому методу, называют ультрамикроскопами. В них осуществляют боковое (косое) освещение, благодаря чему субмикроскопические частицы видны как светлые точки на темном фоне; строение частиц увидеть нельзя.

Принципиальная оптическая схема ультрамикроскопа изобра­жена на рис. 25. Свет от источника попадает с левой стороны в кювету К с мелкими частицами аэрозолей и т.п.; наблюдение производят сверху.

Этот метод позволяет регистрировать частицы размером до 2 мкм; его используют, в частности, с санитарно-гигиеническими целями для определения чистоты воздуха.

Рис.25