Optika, akustika Teze přednášky

OPTIKA Geometrická – paprsková Fyzikální – vlnová Kvantová

Zákony geometrické optiky 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 v1 n2 ---------- = ------- = ------- sin ß v2 n1 absolutní index lomu c n = ------- n > 1 v v1 n1 α ß v2 n2

Lom světla ke kolmici n1 < n2 od kolmice n1 > n2 mezný úhel – úhel dopadu při kterém je úhel lomu 90o totální reflexe vláknová optika n1 > n2 n2 . . . . . . . . vlákno n1 . . . . . . obal n2

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 = ∑ Di v ≠ 0 D = D1 + D2 - D1 D2 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 = ----- . ------ f1 f2 dd 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 oC - 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 % H2O Želatinózní hmota Bílkovina vitrein Kolagenní fibrily Kyselina hyaluronová → viskozita sklivce

Sítnice Čípky 6 - 7 000 000 (tři typy pigmentu) fotopické vidění 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)  Radiatio optica (Gratioletův svazeček)  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

zdroj se nejčastěji používá denní světlo D65 Systém CIELAB transformuje reflektanci do kolorimetrické trichromatické soustavy tím, že integruje spektrum předmětu s funkcemi pozorovatele a se spektrálním zářením zdroje zdroj se nejčastěji používá denní světlo D65 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 I0 = 10-12 W m-2

Hladina intenzity zvuku L = log -------- [ B ] I0 L = 10 log -------- [ 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 = Io . 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 . 106 Pa s-1 tuk 1,35 . 106 Pa s-1 kost 3,75 . 106 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