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. Интерференция волн) понимается явление, возникающее при взаимодействии одной или нескольких световых волн одинаковой частоты, вследствие чего на экране или иной поверхности наблюдается чередование светлых и темных полос или пятен (для монохроматического света) или окрашенных участков (для белого света). Это явление используется в 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. Люминесцентная микроскопия, 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, фотометрия (см.) занимается измерением силы источников света и степени освещенности поверхностей, 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. Зрение, Зрительный анализатор). Она смыкается с физиологией, биофизикой и психологией. Как специальная дисциплина физиологическая О. выделилась в 19 в. гл. обр. благодаря работам Г. Гельмгольца. Большой вклад в развитие физиологической О. внесли советские ученые М. И. Авербах, С. И. Вавилов, С. В. Кравков, П. П. Лазарев, Л. А. Орбели и др. Физиологическую О. подразделяют на: 1) диоптрику глаза (см.) — учение о прохождении света в глазу и о формировании изображений объектов окружающего мира; частью диоптрики является оптометрия, цель к-рой — определение рефракции глаза (см.) и коррекция аномалий его рефракции; 2) учение о свето- и цветоощущениях, при этом изучается природа цветового 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. Гастроскопия, 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, диоптриметр (см.), лупа (см.), 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 операционного микроскопа (см.), особенно в хирургии, офтальмологии и оториноларингологии, а также открытие в 50-х гг. 20 в. лазера (см.) привело к развитию микрохирургии (см.). Использование в эндоскопических приборах волоконной О. позволило создать гибкие приборы для осмотра полостей человеческого тела, ранее недоступных исследованию. Появились возможности для развития эндоскопической хирургии. Дальнейшему развитию биологии и медицины способствовали новые типы биол, микроскопов, а также оптические методы анализа — химический, люминесцентный и др. (см. Оптические методы исследования).

Как один из диагностических методов активно внедряется в медицину тепловидение (см. Термография). Новые, интересные возможности связаны с применением в медицине 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.