Optika, akustika Teze přednášky.

Prezentace na téma: "Optika, akustika Teze přednášky."— Transkript prezentace:

1 Optika, akustika Teze přednášky

2 OPTIKA Geometrická – paprsková Fyzikální – vlnová Kvantová

3 Zákony geometrické optiky
přímočarého šíření světla vzájemné nezávislosti a záměnnosti chodu paprsků odrazu světla lomu světla

4 Zrcadla rovinná (jediný optický přístroj bez vad) konkávní (dutá)
konvexní (vypuklá)

5 Snellův zákon lomu světla
sin α v n2 = = sin ß v n1 absolutní index lomu c n = n > 1 v v1 n1 α ß v2 n2

6 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

7 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

8 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 = pak D = ∑ Di v ≠ D = D1 + D2 - D1 D2 v

9 Optické vady čoček sférická (kulová) korekce – aplanát
chromatická (barevná) korekce – achromát u více barev apochromát astigmatická korekce - anastigma

10 Optický hranol dvojlom polychromatického světla vede k rozkladu na spojité spektrum jednotlivých vlnových délek – monochromátor Litrowův hranol – kompenzace vlivu dvojlomu (jedna stěna představuje zrcadlo)

11 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.

12 Fyzikální (vlnová) optika
Koherentní jsou světelná vlnění stejné vlnové délky, jejichž fázový rozdíl se s časem nemění. Tyndallův jev

13 Optická mřížka podmínka maxima k . λ sin α = -------- b
b mřížková konstanta k řád maxima λ vlnová délka

14 Mikroskop úhlové zvětšení mikroskopu Δ d γ = ----- . ------ f1 f2 dd d
d konvenční zraková vzdálenost Δ optický interval (vzdálenost ohnisek)

15 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

16 Polarizace světla polarizované světlo kmitá pouze v jedné rovině
polarizace odrazem polarizace dvojlomem polarimetrie opticky aktivní látky

17 Optická spektra emisní absorpční čarová pásová spojitá
spektrální analýza – spektroskop AAS – atomová absorpční spektrometrie

18 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

19 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

20 Biofyzika vidění

21 Oko je centrovaná optická soustava
rohovka komorová voda přední oční komory duhovka čočka sklivec sítnice index lomu prostředí

22 Stárnutí čočky a rozptyl světla

23 Sklivec – corpus vitreum
Udržuje tvar oka Refrakční médium 98 % H2O Želatinózní hmota Bílkovina vitrein Kolagenní fibrily Kyselina hyaluronová → viskozita sklivce

24 Sítnice Čípky 6 - 7 000 000 (tři typy pigmentu) fotopické vidění
Tyčinky mezopické vidění skotopické vidění

25 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).

26 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

27 Obraz převrácený zmenšený reálný neostrý, málo kvalitní
rozhodující je zpracování mozkem

28 SPEKTRÁLNÍ STANOVENÍ BARVY PEVNÝCH LÁTEK (potravin)

29 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

30 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

31 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

32 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

33 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

34 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

35 AKUSTIKA

36 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 m s-1

37 Vnímání zvuku závislost na frekvenci (sluchové pole)
člověk 16 – Hz infrazvuk (chobotnatci) ultrazvuk nad 20 kHz pes 18 – 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 kPa

38 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 = W m-2

39 Hladina intenzity zvuku
L = log [ B ] I0 L = 10 log [ dB ] Práh bolesti 130 dB nezávisí na frekvenci

40 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

41 Ultrazvuk nad 20 kHz generátory magnetostrikční piezoelektrický

42 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

43 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, Pa s-1 tuk 1, Pa s-1 kost 3, Pa s-1

44 Ultrazvuk - účinky mechanické fyzikálně – chemické
disperzní x koagulační tepelné – asi 30 % energie kavitace - zdroj volných radikálů pseudokavitace – uvolňování bublinek plynů

45 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

46 Využití ultrazvuku myčky skla příprava suspenzí defektoskopie
terapeutické litotripsie sonografie

47 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

48 Sonografické obrazy - cysta

49 Sonografické obrazy – solidní útvar

50 Dopplerův efekt změna frekvence při vzájemném pohybu vysílače a přijímače akustického signálu přibližováním frekvence roste vzdalováním frekvence klesá

51 Sonografie s Dopplerovým jevem
proudění krve pohyb chlopní echokardiogram mitrální chlopně Dopplerovská křivka proudu mitrální chlopně