A látás és látásjavítás fizikai alapjai. Optikai eszközök az orvoslásban

A látás és látásjavítás fizikai alapjai. Optikai eszközök az orvoslásban. Orvosi fizika és statisztika

Varjú Katalin 2012. október 15.

Vizsgára készüléshez ajánlott: • Damjanovich – Fidy – Szöllősi: Orvosi biofizika (3. kiadás) – II/2.1. fejezet A fény – IV/2.2. A látás biofizikai alapjai (részletek)

• Előadás (intézeti honlap, CooSpace)

• Optika tankönyvek • Internet…

A látás és látásjavítás

Optikai eszközök az orvoslásban

Az elektromágneses spektrum transzverzális hullám

c   hullámhossz (m)

frekvencia (Hz)

c0 

1

0 0

c c  0  c0 n

 3 108

m s vákuumban

n törésmutatójú közegben

hullámhossz frekvencia energia

E  h   h  Planck állandó

c



h  6,6  1034 Js

A napfény

látható fény: a szem érzékenységi görbéje

UV: bőrrák D-vitamin nagy energiájú fotonok

E  3 eV

IR: melegít nagy behatolási mélység

E  1,6 eV

Optika = fénytan • Geometriai optika

• Hullámoptika

Közeghatárra érve... • visszaverődés

• törés (Snellius-Descartes)

sin 1 c1 n2   sin  2 c2 n1

Diszperzió a törésmutató hullámhosszfüggése miatt a spektrális komponensek elkülönülnek

Teljes visszaverődés

Alkalmazás: az optikai szál

Az optikai szál orvosi alkalmazásai a fény odavezetése

vagy fogászat

a fény elvezetése

optikai szenzor

endoszkóp

sebészet

Teljes visszaverődés II: • Abbe-féle refraktométer

Képalkotás A fény a tárgyról nem közvetlenül jut a szemünkbe... (ahol a fénysugarak – vagy meghosszabbításaik – metszik egymást)

Kép jellemzői: • valódi / virtuális • kicsinyített / nagyított

• egyenes – vagy fordított állású

Gömbtükrök képalkotása homorú

domború fókusztávolság

görbületi sugár

f 

R 2

törőerősség

D

t

k

t

k

1 1 1   f k t

képtávolság, tárgytávolság

Törés gömbi felületen

n1 n2 n2  n1 1   D t k r f t

k

Lencsék fajtái

gyűjtőlencse

D

1 1 1   f k t

szórólencse

f>0 gyűjtőlencse, f<0 szórólencse k>0 valódi kép, k<0 virtuális kép

nevezetes sugármenetek

„Lencsekészítők” egyenlete két gömbfelületen történő törés

1  n1  1 1  D     1   f  n0  R1 R2 

Gyűjtőlencsék f>0

n1 lencse n0 közeg R1 és R2 pozitív, ha konvex a határoló felület

Szórólencsék f<0

Példa: 1,5 törésmutatójú üvegből lencsét készítünk, melynek görbületi sugarai 10 cm illetve 15 cm. A lencse 4 féle lehet, gyűjtővagy szóró lencse, 12cm vagy 60cm fókusztávolsággal

A relatív törésmutató hatása 1  n1  1 1     D     1   f  n0  R1 R2  a lencse anyaga optikailag sűrűbb

a környezet optikailag sűrűbb

Leképezési törvény 1 1 1 D   f k t

nagyított, valós, fordított állású

nagyított, virtuális, egyenes állású

kicsinyített, virtuális, egyenes állású

Milyen kép keletkezik a retinán ? valós, fordított állású, kicsinyített

A kép jellege - gyűjtőlencse a 2F ponton kívül

pl. szem

a 2F pontban

F és 2F között

F pontban

F ponton belül

pl. egyszerű nagyító

A kép jellege - szórólencse

a kép mindig kicsinyített és virtuális

Lencsehibák szférikus aberráció

kóma

asztigmatizmus

színi hiba

Lencse rendszerek ha a lencsék közel vannak egymáshoz

© Damjanovich – Fidy- Szöllősi

Fénytörés a szemben n2  n1 D R

törőerősségek

•az egyes felületeknek megfelelő törőerősségek összeadódnak •legnagyobb a levegő – cornea felület törőerőssége •változtatható a szemlencse törőerőssége

1 f   1,6cm D

törésmutatók © Damjanovich – Fidy- Szöllősi

Akkomodáció • a szemlencse törőerősségét (D,f) változtatva különböző tárgytávolságokat (t) tudunk a retinára (azonos k távolságban) leképezni


1  n1  1 1     D     1   f  n0  R1 R2 

D

1 1 1   f k t

Példa

Feltételezve, hogy a retina a szemlencsétől állandó k=1,8 cm távolságban van, mekkora kell a szem fókusztávolságának lennie, hogy különböző távolságokban levő tárgyakról éles képet alkosson? tárgy távolság fókusztávolság törőerősség

D

1 1 1   f k t


0,1 m

1,53 cm

65,6 dptr

0,25 m

1,68 cm

59,6 dptr

1m

1,77 cm

56,6 dptr

100 m

1,80 cm

55,6 dptr

10dptr

1dptr

10 dptr megfelelő alkalmazkodóképesség az akkomodációs képesség az életkor előrehaladtával csökken: öregkori távollátás szürkehályog műtét során beültetett lencse fix fókuszú

A szem törőhibái


A szem törőhibái


A szem törőhibái


Asztigmatizmus a szem törőerőssége az egyik irányban nagyobb, mint a rá merőleges irányban

korrekció: hengerlencse (cilinderes lencse)

Látásjavítás I. Szemüveg-típusok kicsinyített kép távollátás rövidlátás

henger lencse: egyik irányban nagyított kép

nagyított kép: nagyobb dioptria, erősebb nagyítás


Látásjavítás II: LASer In-situ Keratomileusis LASIK a cornea lézeres alakformálása a szem törőerősségének javítása céljából

D

n2  n1 R

Pupilla adaptációja 10-6 cd/m2-től 105 cd/m2-ig: 11 nagyságrend (hallás: 8 nagyságrend)

Mélységélesség is változik!

A fény hullámtermészete

Huygens-Fresnel elv: a hullámfront minden pontjából elemi gömbhullámok indulnak ki, és a hullámtér egy adott pontjában az amplitúdót ezek interferenciája adja meg

c1

c2

Hullámtulajdonságok I. • polarizáció

• polarizációs szűrő

• visszaverődéskor a fény részlegesen polárossá válik

Optikai kettős törés • a kétféle polarizációs állapotú fény különböző törésmutatójú anyagot lát

Polarizációs mikroszkóp

csont

harántcsíkolt izom

Hullámtulajdonságok II: Interferencia hullámok találkozásánál erősítések és gyengítések figyelhetők meg

vékony hártya két oldaláról visszaverődő fény interferenciája

Diffrakció geometriai terjedés

Airy gyűrű sugara

hullám terjedés

A szem feloldóképessége


Optikai rács A szomszédos karcolatokból származó sugarak közötti úthosszkülönbségtől függ az erősítés vagy gyengítés. Maximális erősítés iránya:

Hullámhossz-függő!

Röntgen diffrakció

rekonstruált tárgy bleomycin-DNS kötés DNS nyers diffrakciós kép

Optikai eszközök: Egyszerű nagyító • egy tárgy nagysága a látószögtől függ • ha közelítjük a tárgyat, egyre nagyobbnak tűnik • a szem közelpontjánál közelebb nem hozhatjuk • a nagyítóval nagyított képet hozunk létre (a tárgy a fókuszon belül van)

Mikroszkóp • Az első lencse által létrehozott kép a második lencse fókuszpontján belül helyezkedik el:

Lézer

(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

•monokromatikus •koherens •kicsi a divergenciája •jól fókuszálható

h  Ex  E0

Lézerek alkalmazásai Doppler áramlásmérő

pletizmográf diabéteszes retinopátia kezelése

refraktív szemsebészet

Bőrgyógyászat

Kő fragmentáció

Fogászat

Sebészet

Spektroszkópia abszorpció

emisszió

Abszorpció

Emisszió


A szín • a zöldön kívül mindent elnyel, a zöldet visszaveri © Damjanovich – Fidy- Szöllősi

• csapok és pálcikák spektrális érzékenysége

• szín változtatása szűrővel

„fehér fény”

vörös színszűrő

Endoszkópia – narrow band imaging

A látás és látásjavítás fizikai alapjai. Optikai eszközök az orvoslásban

Recommend Documents