Розділ 6. Збільшувальні прилади

Згідно формулі лінійного збільшення отримаємо:

,

а звідси:

. (6.3)

Кут, під яким предмет розглядається безпосередньо оком, без збільшувальних приладів, знаходимо з формули:

. (6.4)

Рис. 6.1. До виведення формул для видимого збільшення лупи або мікроскопа

Підставляючи знайдені залежності у формулу видимого збільшення при акомодації ока, отримаємо:

. (6.5)

Значення визначається за формулою Ньютона:

. (6.6)

Якщо з формули збільшення при акомодації ока на кінцеву відстань (6.5) виключити величину то

. (6.7)

Відстань, на яку при цьому акомодує око, визначається по формулою:

. (16)

Останні залежності встановлюють наступні.

1. Якщо око знаходиться в задньому фокусі (), то збільшення не залежить від положення предмету відносно переднього фокусу , тобто від відстані .

2. Якщо збільшення лупи, коли предмет знаходиться в передньому фокусі лупи , назвати нормальним, то при знаходженні ока спостерігача за заднім фокусом (при позитивному значенні ) збільшення лупи буде менше нормального. Якщо око спостерігача знаходиться між оптичною системою і заднім фокусом (при негативному значенні ), то збільшення лупи буде більше нормального.

Нормальне збільшення лупи називають ще окулярним збільшенням. Воно вказується в характеристиках луп. Проте правильніше в інформаційних матеріалах вказуватиме не значення збільшення, а її фокусну відстань в міліметрах або оптичну силу в діоптріях.

Роздільча сила лупи або мікроскопа. Роздільча сила оптичної системи обернено пропорційна межі дозволу. До луп і мікроскопів застосовують спосіб визначення межі дозволу як найменшої відстані між двома точками предмету або двома паралельними лініями, які ще можуть бути окремо відтворені системою. Величина, обернена межі дозволу, дає деяке число точок або ліній на одиницю довжини, які можуть бути змальовані окремо.

Роздільча сила оптичної системи залежить від діаметрів її зіниць і фокусних відстаней, а також від стану її корекції (від величин залишкової аберації). Межа дозволу оптичної системи може бути обчислена на підставі дифракційної теорії зображення, створюваною оптичною системою.

Межа дозволу для об'єктиву мікроскопа обчислюється за формулою:

, (6.9)

де - найменша роздільча відстань між точками, що світяться, на предметі, який розглядається через мікроскоп; - довжина хвилі світла; - показник заломлення середовища, в якому знаходиться предмет; - апертурний кут об'єктиву мікроскопа.

Для того, щоб спостерігач міг використовувати більш повніше роздільчу силу об'єктиву мікроскопа, збільшення мікроскопа має бути достатнє великим. Нормальним збільшенням мікроскопа називається збільшення, при якому роздільча сила його повністю використовується оком. Середнього значення межі дозволу ока для точкових об'єктів набувають рівним , а для лінійних об'єктів ця межа знижується до . На рис. 106 показаний схематично хід променів через центр зіниці ока при спостереженні через мікроскоп або лупу. Кутова відстань між зображеннями точок і , якщо відстань між ними рівна , слідує:

, (6.10)

тоді для нормального збільшення:

.

і з врахуванням формули межі дозволу для об'єктиву мікроскопа (6.9) отримаємо:

. (6.11)

Рис. 6.2. Схема ходу променів при спостереженні через мікроскоп або лупу

Приймаючи , тобто 0,00029 рад, ; та (граничному, насправді недосяжному значенню), набудемо теоретично найбільшого значення збільшення оптичного мікроскопа крат.

Подальше зростання збільшення не дає можливості розглянути які-небудь нові, дрібніші деталі предмету. Проте для полегшення спостереження на практиці часто застосовують збільшення мікроскопа, перевищуючи нормальне в 2 і навіть 4 рази, що рівносильно збільшенню межі дозволу, тобто .

Якщо збільшення мікроскопа значно менше нормального, то роздільча сила мікроскопа спільно з оком визначається роздільчою силою ока. В цьому випадку межа дозволу в просторі предметів визначається за формулою:

. (6.12)

Лупи служать для розгляду оком близьких доступних спостереженню предметів або об'єктів. Основними споживчими оптичними характеристиками лупи є: збільшення, поле зору і діаметр зіниці виходу.

Найбільш поширені лупи з нормальним збільшенням від 3 до 12 крат. У спеціальних випадках в багатолінзових лупах досягається збільшення і до 25 крат.

Поле зору простих луп складає біля 10-15°, а складних - до 40°. Діаметр зіниці виходу лупи відповідає зіниці ока, тобто мм.

При розрахунку луп користуються наступним рядом формул:

,

, (6.13)

, (6.14)

де - видалення зіниці ока від лупи: - світловий діаметр лупи (лінзи); - половина лінійного поля зору; - половина кутового поля зору; - видиме збільшення лупи.

Використання асферичних поверхонь в лупах значно знижує астигматизм і дисторсію, що забезпечує практичне збільшення поля зору лупи.

Лупи можна підрозділити на однолінзові і багатолінзові, монокулярні і бінокулярні.

В офтальмологічній практиці лупи застосовують при спостереженні зовнішньої частини ока (обстеженні і оперативному втручанні), очного дна методом зворотної (не прямої) офтальмоскопії і при корекції слабкого бачення.

При зворотній офтальмоскопії у формуванні зображення очного дна, крім оптичної системи досліджуваного ока, бере участь лупа, що встановлюється перед оком пацієнта. Проміжне зображення , що дається оптичною системою досліджуваного ока, можна знайти з наступного співвідношення:

, (6.15)

де - задня фокусна відстань лупи; - задня фокусна відстань ока пацієнта.

Оскільки зображення деталі очного дна розглядається спостерігачем з відстані найкращого зору (250 мм), то збільшення знаходять за формулою:

. (6.16)

Для схематичного ока з мм збільшення при зворотній офтальмоскопії буде рівним:

. (6.17)

У реальних умовах при офтальмоскопії, для того, щоб спостерігач міг легко дотягнутися рукою, в якій він тримає лупу, до пацієнта, відстань між ними не повинна перевищувати 300-400 мм. Тому використання лупи з фокусною відстанню мм (+10 дптр) практично неможливе. На практиці в комплекті офтальмоскопів прикладаються лупи з фокусною відстанню: мм (+13 дптр), збільшення самої лупи 3,2 крат; мм (+15 дптр), збільшення самої лупи 4 крат; мм (+20 дптр), збільшення самої лупи 5 крат.

Конструктивно бінокулярні лупи поділяються на лупи з паралельними осями очей і з осями, які сходяться. При паралельних осях очей використовують конструкції, зображені на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Конструктивні особливості бінокулярних луп:

а- сферопризматична лупа; б - лупа з призматичним елементом; в - лупа з призматичною системою

При осях очей, які сходяться, застосовуються комбінації з двох телелуп (телескопічних луп), кожна з яких складається з двох лінз (позитивної і негативної), розсунених на певну відстань. Використання телелуп дозволяє створювати велику робочу відстань лупи. Для такої системи маємо наступні залежності:

,

де - оптична сила.

, (6.18)

. (6.19)

Оскільки – негативна, то .

У бінокулярних лупах з осями, які сходяться, необхідно враховувати залежність акомодації ока від кута конвергенції (кута між осями). Оскільки очі завжди акомодують на точку пересічення осей очей, то зображення після кожної лупи повинне лежати в точці пересічення осей, тобто там же, де розміщений і даний предмет.

Таблиця 6.1

Оптичних характеристик бінокулярних призматичних луп фірми «Оптон»

У вітчизняній практиці використовують призматичні бінокулярні лупи виробництва фірм «Оптон» (ФРН) і «Килер» (Англія). Ці лупи випускаються двох модифікацій: закріплені на очковій оправі і на оголовнику з можливістю освітлення від освітлювача з волоконним світлопроводом. Оптичні характеристики цих луп приведені в таблицю. 6.1. Довжина корпусу луп від 51,5 до 62 мм; маса в середньому від 155 г (кріплення на очкову оправу) до 265 г (кріплення на оголовнику з освітлювачем).

Мікроскопи. Мікроскопи служать для розгляду дрібних деталей близьких предметів. Завдяки складній оптичній системі мікроскопи дають набагато більші збільшення в порівнянні з лупами і мають вищі оптичні характеристики. Мікроскопи застосовують при огляді і обстеженні переднього відділу ока (входить до складу щілинної лампи), а останнім часом у зв'язку з широким впровадженням мікрохірургії ока - в різних моделях операційних оглядових пристроїв.

Оптична система мікроскопа складається з двох основних компонентів: об'єктиву і окуляра. Для забезпечення необхідної освітленості об'єкту, що розглядається через мікроскоп, є ще спеціальна освітлювальна система.

Збільшення мікроскопа:

, (6.20)

де - лінійне збільшення об'єктиву, - збільшення окуляра.

Поле зору мікроскопа:

, (29)

де - поле зору окуляра мікроскопа.

У перших моделях операційних мікроскопів зміна збільшень відбувалася вручну рівнями за рахунок набору об'єктивів. Це викликало певну незручність при проведенні операції, оскільки при зміні збільшення відбувалася частенько «втрата» зображення об'єкту. У подальших моделях зміна збільшення проводилась плавно за рахунок панкратичної системи (трансфокатора). Керування при цьому здійснюється ногою, що повністю звільняє руки хірурга.

Операційний мікроскоп «Линза-МТ2». Призначений для проведення мікрохірургічних операцій в області ока. Мікроскоп може бути використаний також для діагностичних досліджень. Він дозволяє проводити стереоскопічне спостереження зображення через об'єктив з плавною зміною збільшення в падаючому світлі при освітленні від гомогенного і двох щілинних освітлювачів.

Складовими частинами мікроскопа є об'єктив, панкратичні системи зміни збільшення, бінокулярна насадка, три освітлювачі, тримач мікроскопа і підлоговий штатив.

Оптична схема мікроскопа «Линза-МТ2» (рис. 6.4, а) складається з двох основних систем: освітлювальною і спостерігаючої.

Освітлювальна система включає три освітлювачі. Джерело світла 1 за допомогою конденсора 2, лінзи 3, призм 8, 10 і дзеркала 9 освітлює об'єкт. У площину об'єкту за допомогою лінзи 3 проектується польова діафрагма - ірисова діафрагма 4 в гомогенному освітлювачі або щілинна діафрагма 5 в щілинному і поворотному щілинному освітлювачах. У освітлювачах передбачена можливість встановлення світлофільтрів 6 і матового скла 7. Призма 8, дзеркало 9 і призма 10 в гомогенному і поворотному щілинному освітлювачах направляють пучок променів в площину об'єкта.

Рис. 6.4. Мікроскоп «Линза-МТ2»: а - принципова оптична схема

Спостерігаюча система складається з ахроматичного об'єктиву 11, панкратичних систем 12, розташованих симетрично в обох деталях мікроскопа, і додаткових об'єктивів 13, які утворюють зображення об'єкту в площині польових діафрагм окуляра 14. Зміна напряму оптичної осі на 45° від вертикалі здійснюється за допомогою призм Шмідта 15, а встановлення окулярних трубок відповідно до відстані між центрами ока спостерігача, при збереженні паралельності оптичних осей мікроскопа, здійснюється за допомогою ромбічних призм 16.

Об'єктив 11 в оправі вгвинчений в корпус 17 (рис 6.4, б), всередині якого знаходиться панкратична система 12 (рис. 6.4, а) з приводом від електродвигуна і покажчиком збільшення 18. У верхній частині корпусу 17 є гніздо, в яке вставлена бінокулярна насадка 19, закріплювана гвинтом 20. В окулярні трубки насадки вставляється окуляр. Зміна відстані між осями окуляра в межах від 56 до 74 мм здійснюється розворотом окулярних трубок. Корпус 17 мікроскопа закріплений на кронштейні 21, який насаджений на стійку 22.

Рис. 6.4. Мікроскоп «Линза-МТ2»: б - верхня частина

Гомогенний освітлювач 23 з тримачем 24 і щілинний освітлювач 25 з тримачем 26 встановлюються в гнізда кронштейнів 27 і 28, насаджених на стійку 22, і кріпляться гвинтами 29.

Рис. 6.4. Мікроскоп «Линза-МТ2»: в – вузол знімного освітлювача; г – загальний вигляд; д - вигляд збоку

Тримач 30 (рис. 6.4, в) поворотного щілинного освітлювача 31 насаджується на штирі, розташовані на бічних стінках корпусу 17 (рис. 6.4, в), і закріплюється гвинтами 32 (рис. 6.4, г). Освітлювач 23 (рис. 6.4, в) може обертатися довкола осі, співпадаючої з лінією пересічення наочної площини і площини симетрії мікроскопа. Поворот здійснюється обертанням рукоятки 33 (рис. 6.4, в) або від електродвигуна, розташованого під кожухом 34. При цьому по направляючій, яка знаходиться в задній частині тримача 30, переміщається дугоподібна каретка 35 із закріпленим на ній освітлювачем. Для збільшення кута повороту освітлювача він може переміщатися по каретці при відкріплених гвинтах 36.

В освітлювачі вставлені патрони 37 з лампами і шнурами, приєднаними до джерел живлення через колодки 38 (рис. 6.4, б). Включення ламп і регулювання яскравості проводиться обертанням рукоятки 39. Для центрування ламп служать гвинти 40. Зміна розмірів щілин проводиться поворотом рукояток 41. У корпусах освітлювачів передбачені гнізда 42 (рис. 6.4, в), в яких вставляються світлофільтр 6 і матове скло 7 (рис. 6.4, а) в оправах з комплекту мікроскопа. Для зменшення кута нахилу кріплення пристосувань кронштейни 21, 27, 28 і 45 із закріпленими на них вузлами зможуть обертатися довкола стійки 22 і стопориться рукоятками 4б. Тримач мікроскопа складається з кронштейнів 47 і 48, шарнірно сполучених між собою і корпусом штатива 49 (рис. 6.4, б). Фіксація кронштейнів в потрібному положенні здійснюється за допомогою рукояток 50 і 51 (рис. 6.4, д).

Підлоговий штатив складається з платформи 53 (рис. 6.4, д) з колесами і важелем 53, основи 54 з блоками живлення, напрямної на шарикопідшипниках і повзуна з корпусом 49, на якому закріплений тримач мікроскопа. Напрямна на шарикопідшипниках розташована під кожухом 55, повзун - під кожухом 56.

Привід підйому і опускання мікроскопа розташований частково в основі 54, частково всередині корпусу 49. Він забезпечує переміщення мікроскопа з двома швидкостями. Велика швидкість служить для попереднього встановлення мікроскопа, мала - для фокусування на об'єкт. У крайніх положеннях мікроскопа по висоті відбувається автоматичне відключення двигуна.

Блоки живлення розташовані під кожухом 57, 58 і 59. З основи виходять два кабелі. Кабель 60 під'єднується до педалі 61, кабель 62 - до мережі. На панелі 63 знаходяться тумблер 64 і сигнальна лампочка 65 включень мережі, тумблер 66 включень швидкого підйому і опускання мікроскопа і запобіжника 67.

На панелі керування розташовано три педалі 68, 69 і 70, які натисненням ноги можуть вдавлюватися в корпус панелі керування 61 і повертатися в середнє положення під впливом пружин. Середня педаль 69 вимикає електродвигун приводу панкратичної системи 12 (рис. 6.4, а). Права педаль 70 (рис. 6.4, д) включає електродвигун повільного підйому і опускання мікроскопа для точного фокусування, ліва 68 - електродвигун приводу поворотного щілинного освітлювача.

Налаштування мікроскопа проводиться таким чином:

- розташовують об'єкт перед об'єктивом мікроскопа;

- встановлюють натисненням на педаль 69 потрібне збільшення панкратичної системи по покажчику збільшення;

- переміщають окуляр уздовж осі за допомогою механізмів переміщення окулярних трубок, встановлюючи їх відповідно до рефракції ока спостерігача;

- здійснюють грубе фокусування мікроскопа на об'єкт при включеному у верхнє або нижнє положення тумблері 66;

- для точного наведення на об'єкт натискують ногою на праву педаль 70 до здобуття різкого зображення об'єкту. Щоб уникнути розфокусування при зміні збільшення первинне фокусування на об'єкт необхідно проводити при найбільшому збільшенні панкратичної системи (2,5 крат);

- для поєднання зображення об'єкту, спостерігаючи в обидва окуляра, розвертають окулярні трубки;

- регулюючи рукоятками 39 (рис. 6.4, б), добиваються потрібної яскравості ламп розжарювання;

- переміщенням ламп в патронах уздовж осі і центруванням їх за допомогою гвинтів 40, а також використовуючи матове скло в оправі 71 (рис. 6.4, в), досягають рівномірного освітлення;

- для контрастування зображення встановлюють в освітлювач світлофільтр в оправі 72;

- натискуючи на педаль 69 (рис. 6.4, д), перевіряють автоматичний поворот щілинного освітлювача.

Несправності мікроскопа усуває обслуговуючий технічний персонал.

Технічні характеристики:

Подвійний операційний мікроскоп для офтальмологів моделі 330 комбінату «К. Цейс Йена» (НДР) - рис. 6.5. Складається з двох мікроскопів 1 з плавною зміною збільшення і щілинного освітлювача 2, зображених на принциповій оптичній схемі приладу на рис. 6.6.

Рис. 6.5. Подвійний операційний мікроскоп для офтальмологів моделі 330 комбінату «К. Цейс Йена» (НДР)»

Рис. 6.6. Принципова оптична схема подвійного операційного мікроскопа для офтальмологів моделі 330 комбінату «К. Цейс Йена» (НДР)

Технічні характеристики:

Тестові завдання

Тестові завдання містять один рівень складності, оскільки відповідь на усі поставлені запитання може бути єдиною вірною, а не багатоваріантною. Якщо у вас виникли труднощі при відповіді на певне запитання, зверніться до викладача.