1. PODSTAWOWE ZAGADNIENIA I PRAWA Z OPTYKI

Zasady optyki geometrycznej
- W przypadku, gdy długość fali światła jest bardzo mała w porównaniu z wymiarami urządzeń służących do jego

badania oraz podczas oddziaływania z substancją nie wywołuje ono zjawisk kwantowych (takich jak np. efekt

fotoelektryczny), możemy stosować przybliżenie zwane optyką geometryczną.

- Podstawowym prawem optyki geometrycznej jest zasada Fermata. Mówi ona, że światło między dwoma

punktami biegnie wzdłuż takiego toru, któremu odpowiada najkrótsza droga optyczna. Inne równoważne

sformułowaniem zasady Fermata mówi, że światło między dwoma punktami porusza się po takim torze,

który odpowiada najkrótszemu czasowi przejścia między tymi punktami. Bezpośrednimi konsekwencjami zasady Fermata są prawo odbicia i prawo załamania światła. Zasada Fermata eliminuje możliwość wystąpienia zjawiska dyfrakcji.

- Drugie podstawowe prawo optyki geometrycznej mówi, że przecinające się wiązki świetlne przenikają się
wzajemnie nie oddziałując ze sobą. Eliminuje to możliwość wystąpienia zjawiska interferencji światła.

Podstawowe zjawiska falowe
Zakres widzialny światła

Światłem widzialnym określa się zakres promieniowanie elektromagnetycznego rejestrowanego przez ludzkie oko. Zakres ten obejmuje długości fal od ok. 400 nm. do ok. 700 nm., od barwy fioletowej do barwy czerwonej.

Załamanie polega na zakrzywieniu promieni świetlnych przy przechodzeniu z jednego ośrodka do innego, przy czym:
- kiedy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do rzadszego, to załamuje się od normalnej (prostej prostopadłej do powierzchni rozgraniczającej ośrodki wystawionej w miejscu przechodzenia promienia świetlnego)
- kiedy przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do optycznie gęstszego załamuje się do normalnej

Odbicie światła, zjawisko zmiany kierunku rozprzestrzeniania się promieni świetlnych zachodzące na granicy dwóch ośrodków, przy czym gdy co najmniej jeden z nich jest przezroczysty.

Dyfrakcja to zjawisko polegające na zaburzeniu prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych. Dyfrakcji ulega światło tylko na takich przeszkodach (szczelinach), których rozmiary są porównywalne z długością fali świetlnej

Polaryzacja – właściwość fali poprzecznej polegająca na zmianach kierunku oscylacji rozchodzącego się zaburzenia w określony sposób.

Interferencja fal - zjawisko wzajemnego nakładania się fal (elektromagnetycznych, mechanicznych, de Broglie itd.).

Przyrządy optyczne

Płytka równoległościenna - mianem płytki równoległościennej określana jest warstwa jednorodnej, przepuszczającej światło substancji. W płytce płasko-równoległej wykorzystuje się zjawisko załamania światła czyli zmiany kierunku rozchodzenia się fali świetlnej przy przechodzeniu z jednego ośrodka do drugiego.

Pryzmatem nazywamy ciało przezroczyste dla światła (np. szkło, plastik) o nierównoległych ściankach.

Używany w optyce do zmiany kierunku biegu fal świetlnych, a poprzez to, że zmiana kierunku zależy od długości fali, jest używany do analizy widmowej światła. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia pozwala użyć pryzmatu jako idealnego elementu odbijającego światło. Pryzmaty wykorzystywane są w produkcji wielu urządzeń optycznych, np.: lornetek, peryskopów.

Lupa – przyrząd optyczny służący do bezpośredniej obserwacji drobnych blisko położonych przedmiotów. W ścisłym znaczeniu tego słowa jest to soczewka skupiająca dająca co najmniej trzykrotne powiększenie.

Mikroskop - urządzenie służące do obserwacji małych obiektów, zwykle niewidocznych gołym okiem, albo przyjrzenia się subtelnym detalom obiektów małych, aczkolwiek widocznych nieuzbrojonym okiem.

Luneta - przyrząd optyczny w formie rury zakończonej z jednej strony obiektywem refrakcyjnym (tj. soczewkowym), a z drugiej strony okularem.

Soczewki i ich wady

Soczewka jest urządzeniem optycznym złożonym z jednej lub wielu złączonych ze sobą warstw szkła (ewentualnie innego przezroczystego tworzywa.) Powierzchnia soczewki powinna stanowić precyzyjny wycinek sfery, walca, paraboloidy, hiperboloidy lub elipsoidy, w zależności od zastosowań. Podstawową funkcją soczewek jest skupianie lub rozpraszanie przechodzących przez nią promieni światła.

Wady:
Aberracja chromatyczna to wada soczewki, lub układu optycznego, polegająca na odmiennych długościach ogniskowania dla różnych barw widmowych światła (różnych długości fali światła), co objawia się rozszczepieniem światła - np. czarne punkty na białym tle będą miały dodatkowo barwne obwódki.

Aberracja sferyczna - zjawisko aberracji sferycznej polega na niejednakowym załamywaniu promieni świetlnych padających na powierzchnię załamującą pod różnymi kątami(w różnych odległościach od głównej osi optycznej).

Koma - powstaje wtedy, gdy odwzorowane przez układ optyczny dany punkt przedmiotu leży daleko od osi optycznej układu. Wtedy powstający obraz takiego punktu posiada kształt przecinka lub komety, stąd też pochodzi nazwa tej aberracji.

Astygmatyzm - objawia się tym, że każdy punkt przedmiotu jest odwzorowany w postaci oddalonych od siebie dwóch kresek prostopadłych wzajemnie i prostopadłych do promienia świetlnego. Astygmatyzm występuje wtedy, gdy załamujące powierzchnie soczewek nie są symetryczne względem osi(np. przy użyciu soczewek cylindrycznych) w celu usunięcia astygmatyzmu wykonuje się soczewki o odpowiednim współczynniku załamania i odpowiedniej krzywiźnie powierzchni załamującej.

Dystorsja - jest aberracją układów optycznych, polegającą na tym, że linia prosta leżąca na przedmiocie odwzorowuje się jako linia krzywa. Zjawisko to tłumaczy się różnym powiększeniem różnych elementów przedmiotu, które zwykle zmienia w miarę oddalania się od osi optycznej układu.

Absorpcja światła – w optyce proces pochłaniania energii fali elektromagnetycznej przez substancję. Natężenie światła wiązki przechodzącej przez substancję ulega zmniejszeniu nie tylko w wyniku absorpcji, lecz również na skutek rozpraszania światła.

Prawo Lamberta – Beera - Dla równoległej ściśle monochromatycznej wiązki promieniowania elektromagnetycznego, w przypadku nieabsorbującego rozpuszczalnika, kiedy brak jest jakichkolwiek oddziaływań między cząsteczkami substancji absorbujacej czy też między cząsteczkami tej substancji i rozpuszczalnika:

absorbancja A jest proporcjonalna do stężenia roztworu c i grubości warstwy absorbującej b

Fotokolorymetria - analityczna metoda określająca stężenie badanego roztworu na podstawie jego barwy.

Dualim korpuskularno-falowy - cecha obiektów kwantowych (np. fotonów, czy elektronów) polegająca na przejawianiu, w zależności od sytuacji, właściwości falowych (dyfrakcja, interferencja) lub korpuskularnych (dobrze określona lokalizacja, pęd).

Korpuskularna natura światła - światło ma naturę dwoistą tzw. korpuskularno - falowa , tzn, że w pewnych warunkach światło zachowuje się jak fala , a w innych jak cząstka.Dowodem na falową naturę promieniowania są takie zjawiska jak dyfrakcja i interferencja.

Podstawy spektrofotometrii - technika pomiarowa polegająca na ilościowym pomiarze transmisji lub odbicia światła przez próbkę.

Pomiary spektrofotometryczne można wykonywać w całym obszarze widma świetlnego. Przyjęło się jednak, że tym terminem określa się pomiary wykonywane w zakresie światła widzialnego ,ultrafioletowego oraz podczerwieni.

Spektrofotometria, dział fotometrii obejmujący:
a) pomiary natężenia linii widmowych widm różnych substancji,
b) wyznaczanie krzywych absorpcji lub transmisji (przepuszczania) charakterystycznych dla substancji (jakościowa, i ilościowa analiza związków org., por. prawo Lamberta i Beera) oraz krzywych absorpcji filtrów świetlnych.

Światło laserowe

Cechy charakterystyczne światła

laserowego:

– rozbieżność (równoległość) wiązki,

– pasmo spektralne,

– gęstość mocy

– spójność (koherencja).

W medycynie stosuje się lasery:
-wysokoenergetyczne,
-niskoenergetyczne.

Współcześnie lasery stosowane są we wszystkich specjalnościach medycznych, w leczeniu bardzo różnorodnych schorzeń, co umożliwia właśnie olbrzymia różnorodność tego sprzętu i różnorodność jego oddziaływań fizycznych.  Mechanizmy odpowiedzialne za skutki oddziaływania promieniowania laserowego z materią żywą są odmienne od mechanizmów oddziaływania światła laserowego z nieożywionymi obiektami fizycznymi. Wpływ promieniowania laserowego na materię żywą  zależy nie tylko od parametrów charakteryzujących wiązkę promieniowania laserowego czyli: mocy, długości fali, czasu trwania impulsu lub czasu naświetlania i pola powierzchni przekroju wiązki padającej ale także od właściwości naświetlanego obiektu biologicznego, takich jak współczynnik absorpcji i rozpraszania promieniowania, gęstości ośrodka, jego ciepła właściwego i współczynnika przewodnictwa cieplnego. Dodatkowo ważną rolę w organizmie żywym odgrywa przepływ krwi i limfy, dzięki któremu następuje odprowadzanie ciepła z obszaru oddziaływania światła laserowego z tkanką. Efekt oddziaływania światła laserowego na organizm jest zatem wypadkową właściwości fizycznych światła lasera i właściwości fizyko-chemicznych komórki, do której światło dociera. 

2. BIOFIZYKA ZMYSŁU WZROKU

Układ optyczny oka
Układ optyczny oka (ang. eye optical system) – elementy gałki ocznej, przez które przechodzą promienie świetlne ulegając załamaniu w taki sposób, że w oku fizjologicznym na siatkówce powstaje ostry obraz.














Ośrodki optyczne oka idąc od zewnątrz gałki są to:

 rogówka (łac. cornea),

 ciecz wodnista (łac. humor aquosus) – wypełniająca komorę przednią gałki ocznej,

 soczewka (łac. lens),

 ciało szkliste (łac. corpus vitreum).

Poszczególne części układu optycznego oka mają różne współczynniki refrakcji. Najistotniejszym elementem jest soczewka. Dzięki działaniu mięśni akomodacyjnych jej wypukłość może ulegać zmianie. Pozwala to na tworzenie się ostrego obrazu na siatkówce niezależnie od tego, w jakiej odległości od oka jest obserwowany przedmiot.

Zdolność rozdzielcza oka

Zdolność rozdzielcza oka zależy od kontrastu obiektów i odległości między pręcikami w siatkówce oka, która wynosi średnio ok. 5 mikronów.

Rozrzut w rozdzielczości, notowany z różnych źródeł , jest dość duży: od 1’ do 5’.

3. BIOFIZYKA PROCESU WIDZENIA

Wady Wzroku i ich korekcja

-krotkowzrocznosc (miopia) - ogniskowanie wiazki przed siatkowka, koryguje to soczewka wkleslo-wypukla rozpraszajaca.
-nadwzrocznosc (hiperopia) - skupianie wiazki swiatla za siatkowka, moc ukladu za mala w stosunku do dlugosci galki ocznej. korekcja : socz. skupiajaca.
-starczowzrocznosc (presbyopia) - pogorszenie widzenia zwiazane ze zmniejszeniem lub brakiem zdolnosci akomodacji oka (bliska odleglosc) zmniejszenie elastycznosci galki ocznej, sztywniejsza soczewka, moze wystepowac w polaczeniu z krotkowrocznoscia, dalekowzrocznoscia, astygmatyzmem. Korekcja : okulary dwuogniskowe.
-daltonizm (deuteranopia) - wada wrodzona, uwarunkowana gen., recesywnie w sprzezeniu z chromosomem X, brak rozroznienia koloru ziel. mylenie go z czerw., jest to dysfunkcja czopków.
-astygmatyzm - wynika z niesferycznosci powierzchni rogówki lub powierzchni soczewki. Korekcja - soczewka sferocylindryczna.

Widzenie barwne

Widzenie barw następuje dzięki komórkom światłoczułym, znajdującym się w siatkówce oka. Proces widzenia barwnego rozpoczyna się, gdy oko odbiera promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła, a dokładniej, z widzialnej części fal świetlnych. Główny wpływ na to wrażenie ma skład widmowy (widmo-obraz promieniowania rozłożonego na poszczególne częstotliwości, długości fal lub energie.) promieniowania świetlnego, w drugiej kolejności ilość energii świetlnej, jednak udział w odbiorze danej barwy ma również obecność innych barw w polu widzenia obserwatora, oraz jego cechy osobnicze, a także wiedza w posługiwaniu się zmysłem wzroku.

Barwa jest postrzegana dzięki komórkom światłoczułym w siatkówce oka zwanym pręcikami i czopkami. Pręciki są wrażliwe na stopień jasności, czopki także na barwę. Są trzy rodzaje czopków, a każdy z nich jest najbardziej wrażliwy na jeden z trzech zakresów barw niebieskiej, zielonej, lub czerwonej.

Oko ma swą ograniczoną rozdzielczość barw, tzn. czasem nie jest w stanie dostrzec różnicy występującej między dwoma barwami o różnym widmie traktując je jako takie same. Wrażliwość na barwę ma swoje uwarunkowania osobnicze, ale także jest wynikiem częstego obcowania z barwą.

4. METODY SPEKTROFOTOMETRYCZNE W BIOFIZYCE