Разрешающая способность и полезное увеличение это

Описание

Существующие в настоящее время стационарные офтальмоскопы обеспечивают увеличение в 25—30 раз, хотя конструкция этих приборов допускает применение значительно большего увеличения. Объясняется применение такого сравнительно невысокого увеличения физическими возможностями метода. В основном они связаны с дифракцией. В офтальмоскопах, как и в других оптических приборах, существует определенное увеличение, превышение которого бессмысленно и даже вредно. Оно лимитируется разрешающей способностью прибора — наименьшим расстоянием между двумя точками или линиями, которые данная система формирует раздельно. Увеличение, позволяющее рассмотреть эти линии, называется «полезным». Большее увеличение давать не следует, поскольку оно не только не способствует более подробному рассмотрению структуры, но может вызвать о ней ложное представление. При слишком большом увеличении мелкие детали видны в виде размытых пятен разной формы и с неправильным распределением света. Увеличение меньшее, чем полезное, не позволяет использовать разрешающую способность прибора, т. е. наблюдать те мелкие детали, которые четко формируются на изображении. Таким образом, оно должно соответствовать его разрешающей способности. Последняя является главным показателем возможностей прибора при исследовании структуры Рассмотрим, от чего зависит теоретическая разрешающая способность офтальмоскопов

Дифракция на зрачке глаза. Если система не имеет аберраций и других оптических недостатков, то ее разрешающая способность ограничивается дифракцией на краях отверстия, через которое проходит свет. Одна из основных трудностей, возникающих при офтальмоскопии, связана с малым размером зрачка исследуемого глаза Даже при медикаментозно расширенном для детального исследования глазного дна зрачке диаметр его не превышает 5—7, иногда 8 мм. Но, как указывалось в разделе 2.2, в целях получения безрефлексного изображения и этот размер используется не полностью, так как часть зрачка занята изображением источника света. Диаметр зоны, через которую ведется наблюдение, обычно не превышает 2—2,5 мм, а при стереоскопическом исследовании 1 мм.

Таким образом, очевидно, что относительное отверстие системы, формирующей изображение глазного дна, всегда мало, вследствие чего существенное значение приобретает дифракция.

Для оценки влияния дифракции рассмотрим с точки зрения волновой теории света процесс образования изображения глазного дна. При этом отвлечемся от способов его освещения и будем рассматривать поверхность глазного дна как самосветящуюся.

В простейшем случае пучки света ограничиваются зрачком глаза. Выходя из глаза, они дифрагируют на краях радужки и образуют в пространстве действительное изображение глазного дна. В более сложном случае, когда для устранения рефлексов от роговицы на зрачке глаза разделяют входной зрачок и изображение источника света, пучки ограничиваются не зрачком глаза, а апертурной диафрагмой, установленной внутри прибора. Дифракция, обусловливающая разрешение, происходит на краях диафрагмы, а значение апертурного угла и в пространстве изображений зависит не от диаметра зрачка глаза, а от величины выходного зрачка прибора. В обоих случаях каждая точка глазного дна изображается дифракционной фигурой, радиус главного максимума которой р вычисляют по формуле:

Зная радиус главного максимума, можно определить разрешение системы. Как известно, две точки считаются вполне разрешенными, если на их изображении между двумя дифракционными максимумами есть по крайней мере один минимум. Обычно в расчетах пользуются нижним пределом разрешения — таким расстоянием 8′ между точками изображения, при котором освещенность минимума дифракционной картины составляет примерно 80 % от максимальной освещенности. В этом случае 8′ равно радиусу главного максимума:

Чтобы определить фактическое расстояние 8 между деталями глазного дна, которые можно видеть раздельно, перейдем от пространства изображений к пространству объектов. После преобразований получаем:

где n — показатель преломления глазных сред.

Для «схематического глаза» по Гульстранду, в котором L принята равной примерно 24 мм, а n = 1,34, зависимость приобретает следующий вид:

Полученная зависимость показывает, что минимальная величина различаемого при офтальмоскопии объекта на глазном дне зависит от величины входного зрачка наблюдательной системы офтальмоскопа. Чтобы повысить разрешающую способность при офтальмоскопии, т. е. получить возможность рассмотреть более мелкие объекты, нужно было бы увеличить входной зрачок.

Однако вследствие неправильной формы роговицы входной зрачок офтальмоскопа не имеет смысла делать больше 2 мм, чтобы он не захватил периферической зоны роговицы, вносящей искажения в изображение глазного дна. Из этого следует, что даже теоретически, яз условий дифракции, минимальная величина разрешаемого при офтальмоскопии объекта не может быть менее 5—7 мкм, что составляет 140/200 линий на 1 мм.

В стереоскопических приборах с диаметрами зрачков входа 1 мм теоретическая разрешающая сила не превышает 10 мкм (100 линий на 1 мм). В реальных условиях разрешающая способность еще ниже.

Полезное увеличение при офтальмоскопии. Зная минимальное расстояние между точками на глазном дне, которые еще могут быть видны раздельно при данной величине входного зрачка, можно найти полезное увеличение прибора.

Поскольку изображение формируется офтальмоскопом совместно с оптической системой исследуемого глаза, обе эти системы рассматриваются как одна микроскопическая система глаз—офтальмоскоп.

Видимым увеличением Г будем считать, как обычно, отношение:

Чтобы наблюдатель использовал полностью разрешающую силу системы, отрезок б должен быть виден под углом, соответствующим остроте зрения наблюдателя. Приняв остроту зрения врача, подставляем в формулу величину у’ и получаем:

В этой формуле числовой коэффициент имеет размерность, и величину d необходимо выражать в миллиметрах. Для d=2 мм полезное увеличение =30.

Использование полезного увеличения в приборах разных типов. Увеличение такого порядка (в 24—28 раз) применяется в настоящее время в стационарных офтальмоскопах с двуступенным увеличением изображения глазного дна. Повышение увеличения при d=2 мм, например с помощью сильного окуляра, не имеет смысла — оно не даст возможности рассмотреть более мелкие детали на глазном дне.

Все это не относится к приборам, в которых изображение проецируется на экран и рассматривается с расстояния, значительно превышающего условное расстояние зрения. Для этих приборов формулой пользоваться нельзя, так как она рассчитана для расстояния 250 мм. Так, например, в телевизионном офтальмоскопе, экран которого наблюдают с расстояния нескольких метров, увеличение, позволяющее рассмотреть мелкие детали, должно быть не меньше 100. Но при этом разрешающая способность, разумеется, не превышает той, которая достигается при обычной офтальмоскопии. В ручных офтальмоскопах при исследовании с медикаментозно расширенным зрачком увеличение не достигает полезного. При разрешающей способности 140—200 линий на 1 мм полезное увеличение, как следует из формулы (51), составляет 25—30, а реальное увеличение — всего около 15. Это означает, что глаз наблюдателя не может использовать возможности прибора. Иными словами, изображение деталей глазного дна получается хотя и резким, но слишком мелким. Отсюда следует, что если к ручному офтальмоскопу пристроить телескопическую систему с двукратным увеличением, то на глазном дне можно будет рассмотреть больше мелких деталей. Такая насадка прилагается к офтальмоскопу фирмы Keeler. Однако наблюдение будет, по-видимому, затруднено вследствие большего влияния движения руки врача. Если же исследование ведется без расширения зрачка и диаметр входного зрачка всего 1,5—2 мм, то увеличение, обеспечиваемое при офтальмоскопии, соответствует разрешающей способности.

—

Статья из книги: Оптические приборы для исследования глаза | Тамарова Р.М.

Микроскоп (от микро… и греческого  skopeo — смотрю) – это оптический прибор для получения сильно увеличенного изображения изучаемого очень маленького объекта, невидимого невооружённым глазом. При помощи микроскопа можно рассмотреть мелкие детали строения объекта, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза.

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему. И эта система характеризуется определённым разрешением. Что такое разрешение оптической системы? Это наименьшее расстояние между элементами наблюдаемого объекта, при котором эти элементы ещё могут быть отличены один от другого (под элементами объекта мы понимаем точки или линии).

Если объект удален на так называемое расстояние наилучшего видения, которое составляет 250 мм, то для нормального человеческого глаза минимальное разрешение составляет примерно 0,1 мм, а у многих людей — около 0,20 мм. Примерно это соответствует толщине человеческого волоска. Размеры объектов, таких как микроорганизмы большинства растительных и животных клеток, мелкие кристаллы, детали микроструктуры металлов и сплавов и т.п., значительно меньше 0,1 мм. Такие объекты мы будем называть микрообъекты. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопа определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Оптический микроскоп даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм, т.е. разрешающая способность такого микроскопа составляет около 0,20 мкм или 200 нм.

Когда мы говорим о разрешающей способности микроскопа, мы подразумеваем, точно также как и под разрешающей способностью человеческого глаза, раздельное изображение двух близко расположенных объектов. Надо помнить, что разрешающая способность и увеличение – это не одно и тоже. Например, если при помощи систем визуализации получить со светового микроскопа фотографии двух линий, расположенных на расстоянии менее 0,20 мкм (т.е. менее разрешающей способности микроскопа), то, как бы мы не увеличивали изображение, линии все равно будут сливаться в одну. Т.е. мы сможем получить большое увеличение, но не улучшим его разрешение. Общее увеличение микроскопа равно произведению линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра. Значения увеличений гравируются на оправах объективов и окуляров. Рассмотрим микроскоп плоского поля (не стереоскопический). Это биологические микроскопы, металлографические, поляризационные. Обычно объективы такого микроскопа имеют увеличения от 4 до 100 крат, а окуляры — от 5 до 16. Поэтому общее увеличение оптического микроскопа лежит в пределах от 20 до 1600 крат. Разумеется, технически возможно разработать и применить в микроскопе объективы и окуляры, которые дадут общее увеличение, значительно превышающее 1600 крат (например, существуют окуляры с увеличением 20 крат, которые в паре с объективом 100 крат дадут увеличение 2000 крат). Однако, обычно это нецелесообразно. Большие увеличения не являются самоцелью оптической микроскопии. Назначение микроскопа состоит в том, чтобы обеспечить различение как можно более мелких элементов структуры препарата, т.е. в максимальном использовании разрешающей способности микроскопа. А она имеет предел, обусловленный волновыми свойствами света. Таким образом, различают полезное и неполезное увеличение микроскопа. Полезное увеличение – это когда можно выявить новые детали строения объекта, а неполезное – это увеличение, при котором, увеличивая объект в сотни и более раз, нельзя обнаружить новых деталей строения объекта.

Еще раз остановимся на понятии разрешающей способности. Разрешающая способность оптических приборов (так же ее называют разрешающая сила) характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличений, которые мы получаем с помощью микроскопа. Увеличения до 1250 крат называют полезными, т. к. при них мы различаем все элементы структуры объекта. При этом возможности микроскопа по разрешающей способности исчерпываются. Это увеличение получаем при использовании объектива 100 крат, работающего с масляной иммерсией, и окуляра 12,5 крат (полезное увеличение окуляров лежит от 7,5 до 12,5 крат). При увеличениях свыше 1250 крат не выявляются никакие новые детали структуры препарата. Однако иногда такие увеличения используют — в микрофотографии, при проектировании изображений на экран и в некоторых других случаях.

Когда необходимо существенно более высокое полезное увеличение, используют электронный микроскоп. Этот микроскоп обладает существенно более высокой разрешающей способностью, нежели оптический микроскоп. Электронный микроскоп – это прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэв и более) в условиях глубокого вакуума.