ОПТИКА

ОПТИКА (греч. optike наука о зрительных восприятиях) — раздел физики, изучающий световые явления (процессы излучения света, его распространение в различных средах) и взаимодействие света с веществом.

К оптическому диапазону электромагнитного излучения наряду с видимым светом (длины волн от 390 до 760 нм) относят также невидимые для глаза ультрафиолетовые и инфракрасные излучения (вплоть до миллиметровых радиоволн). Видимый свет — электромагнитные колебания, вызывающие зрительные ощущения (см. Свет, биологическое действие).

О. является одной из наиболее древних наук. Еще св. 5 тыс. лет до н. э. народам Месопотамии и Древнего Египта было известно о прямолинейности распространения света. Первые описания оптических явлений были сделаны в Древней Греции Пифагором (Pythagoras), Аристотелем, Платоном (Platon), Эвкли-дом (Eukleides) и др. Однако бурное развитие О. началось только в 16— 17 вв., после работ Галилея (G. Galilei), позволивших создать сложные оптические приборы.

В развитии теории О. большую роль сыграли две гипотезы, касающиеся природы света. В 1678 г. Гюйгенс (Ch. Hugens) предложил волновую теорию света, а в 1704 г. Ньютон (I. Newton) — корпускулярную. В России благодаря трудам М.В.^Го-моносова и Эйлера (L. Euler) в 18 в. были заложены основы для развития оптического производства. В начале 20 в. Планком (М. К. E. L. Planck) и Эйнштейном (A. Einstein) была создана квантовая теория света, согласно к-рой светящиеся тела испускают свет не непрерывно, а отдельными порциями — квантами.

Свет обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Такие световые явления, как интерференция, дифракция, поляризация, могут объясняться и часто объясняются волновой природой света, другие (поглощение, фотоэлектрический эффект) могут быть объяснены лишь с привлечением более общей — квантовой теории.

Обычно О. подразделяется на физическую и геометрическую. Несколько обособленно стоит физиологическая О.— разделы О., связанные с восприятием света человеческим глазом; она является пограничной между собственно О., физиологией и психологией.

Физическая О. рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений, и взаимодействие света с веществом. К основным световым явлениям, изучаемым физической О., относятся интерференция, дифракция, поляризация света.

Под интерференцией света (см. рефрактометрии (см.) при определении оптических параметров р-ров и др.

Дифракцией света называют явление огибания световыми волнами препятствий. Она наблюдается при прохождении света вблизи краев непрозрачных тел, через отверстия малого диаметра или через узкую щель, при этом видны чередования светлых и темных участков (точек или полос). Это явление используется, напр., в микроскопии.

Поляризация света состоит в том, что световые колебания во всех точках светового луча происходят в плоскости, проходящей через направление луча. Поляризация проявляется при отражении, преломлении света и особенно при двойном лучепреломлении, напр, в кристаллах. Явления поляризации света широко применяются в лабораторном деле для измерения концентрации оптически-активных веществ (см. Поляриметрия).

Взаимодействие света с веществом проявляется в его электрическом, химическом, тепловом и механическом действиях. Фотоэлектрическое действие, или фотоэффект, является электрическим процессом, к-рый возникает при действии света (и нек-рых других электромагнитных излучений) на вещество. Различают внешний и внутренний фотоэффект. При внешнем фотоэффекте происходит освобождение электронов с поверхности освещаемых твердых или жидких тел, а при внутреннем — под воздействием света изменяются (чаще увеличиваются) электропроводность полупроводников или диэлектриков. На фотоэффекте основано действие, напр., концентрационных (фотоэлектрических) колориметров. Химическое действие света приводит к фотохимическим реакциям (см.), напр, фотосинтезу углеводов в растениях. Тепловое действие проявляется в повышении температуры тел при поглощении света.

Взаимодействие света и вещества может вызвать явление люминесценции, к-рая проявляется в избыточном (надтепловом) излучении тела при данной температуре; иногда это явление именуют холодным свечением вещества. Явление люминесценции широко применяется при анализе различных объектов, в т. ч. биологических (см. Люминесценция).

Геометрическая О. изучает прямолинейное распространение света в оптически однородных средах и законы отражения и преломления световых лучей на границах сред с разными оптическими свойствами.

На геометрическую О. опирается теория оптических приборов, или прикладная О., к-рая определяет способы расчета и проектирования оптических систем приборов; разделом ее является медицинская О., рассматривающая методы расчета и проектирования оптических систем мед. приборов и аппаратов с учетом их специфики.

Существует ряд разделов О., примыкающих к светотехнике. Так, колориметрия (см.) изучает методы определения цвета. В частном случае под термином «колориметрия» понимают определение концентрации окрашенных р-ров анализируемых веществ, что основано на сравнении интенсивности их окраски, при помощи визуальных и фотоэлектрических измерений.

Физиологическая О. изучает восприятие света живыми организмами и исследованием процессов зрения (см. зрения (см.); 3) учение о зрительных восприятиях — раздел психологии зрения.

Электронная О. изучает движение электронов в электрических и магнитных полях, обеспечивающих получение изображения. Успехи электронной О. позволили поднять на новый уровень работы в области цитологии, вирусологии, молекулярной биологии (см. Электронная микроскопия).

Оптические элементы в медицинских приборах и аппаратах

К основным оптическим элементам относятся линзы, призмы и зеркала.

Линза ограничена двумя поверхностями, чаще всего сферическими. Прямая линия, проходящая через центры кривизны поверхностей, называется оптической осью линзы.

У положительных (собирательных) линз толщина по оси больше, чем на краю, у отрицательных (рассеивающих) — наоборот. Положительные линзы имеют действительный фокус — точку, в к-рой пересекаются после прохождения через линзу световые лучи, падающие на нее параллельно оптической оси. У отрицательных линз фокус мнимый (образуется пересечением продолжения лучей). Расстояние от фокуса линзы до ее оптического центра называют фокусным расстоянием (выражается в метрах, м). Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы. Она обычно выражается в диоптриях (дптр). Т. к. простые линзы дают изображение с ошибками (аберрациями), то, используя комбинации линз различной формы и из стекол разных сортов, добиваются получения изображений, соответствующих предмету. Часто для этого приходится создавать сложные оптические системы, включающие большое количество линз, призм.

Оптические призмы применяются для изменения хода световых лучей и ряда других целей. Различаются спектральные (дисперсионные) призмы — для изучения явлений, связанных с дисперсией света (см. Спектроскопия); отражательные призмы — для изменения направления лучей и поляризационные призмы — состоящие из двух и более трехгранных призм с различной ориентацией оптических осей.

Используются также зеркала, светофильтры (устройства для изменения спектрального состава прошедшего через него света), сетки, клинья, поляроиды (прозрачные пленки, превращающие неполяризован-ный свет в линейно поляризованный) и другие оптические детали.

В качестве оптических деталей используются разнообразные волоконно-оптические элементы, к-рые состоят из тончайших, чаще стеклянных прутков (световодов). Свет, падающий на торец круглого или иного поперечного сечения световода с хорошо отполированными боковыми стенками, проходит по нему, испытывая потери только за счет ослабления в толще стекла. Наклонные лучи претерпевают полное внутреннее отражение от боковых поверхностей световода без существенных потерь, поэтому световодам можно придавать различные изгибы. Волокна обычно изготовляют из особого оптического стекла, светопро-пускание к-рого достигает 90% на 1 м и выше (см. Эндоскопия).

Оптические приборы в медицине отличаются большим многообразием. Их можно разделить на: 1) приборы, работающие с участием глаза человека (визуальные), к-рые, в свою очередь, подразделяются на приборы для наблюдения близко расположенных предметов, напр, микроскоп (см.), эндоскопы и приборы для наблюдения удаленных предметов, напр, бинокль, очки (см.), телескоп; 2) приборы, работающие без участия глаза,— осветители, светильники и прожекторы, фотоаппараты, киносъемочные и кинопроекционные аппараты, проекторы, лабораторные оптические приборы и др.

Широкое применение оптических приборов в медицине связано с их сравнительно большой информативностью и относительной простотой применения.

Достижения О. оказали существенное влияние на мед. практику и организацию здравоохранения. Напр., применение Оптические методы исследования).

Как один из диагностических методов активно внедряется в медицину тепловидение (см. голографии (см.) — метода получения объемного изображения объекта.

Библиография: Капани Н. Волоконная: оптика, пер. с англ., М., 1969; К e л ь-м а н В. М. Электронная оптика, М.— Л., 1955; Круг ер М. Я. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов, JI., 1967; Ланд-с б e р г Г. С. Оптика, М., 1976; М и-х e л ь К. Основы теории микроскопа, пер. с нем., М., 1955; Модель Д. М. Краткий справочник медицинского оптика, Л., 1970; У р м а х e р Л. С. Справочник по офтальмологической оптике и приборам, М., 1971; Цепелев Ю. А. и Горохов Л. И. Эндоскопические приборы для гастроэнтерологии, М., 1976; Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов, М.— Л., 1966; Ш а- е p Е. Г. Применение фотографии в медицине, М., 1974.

Ю. А. Цепелев.