MICROSCOPIA OPTICA

MICROSCOPIA OPTICA

1. Studiul microscopului optic.

Microscopul optic este utilizat atat in domeniul cercetarilor medicale cat si in analize uzuale de laborator. Acest instrument optic poate da imagini clare ale unor formatiuni celulare cu dimensiuni pana la aproximativ 0,15 μm. Determinarea acestor dimensiuni are o importanta deosebita in explorarile clinice si de laborator. Cu ajutorul microscopului optic se pot face analize ale lichidului cefalorahidian (LCR), a urinii, a sangelui etc.

Exemplu: Departajand eritrocitele in functie de diametrul lor mediu, se obtine curba Prince-Jones pentru sange nomal, iar comparativ cu acesta se pot depista diferite afectiuni.

Instrumentele optice dau imagini clare, in care se pot distinge amanunte ce nu pot fi observate cu ochiul liber.

Din punct de vedere tehnic un instrument optic este un asamblu de lentile, oglinzi si diafragme, axele optice ale prismelor trebuind sa coincida cu axul geometric al instrumentului. In functie de natura imaginii, instrumentele optice se impart in:

-instrumente optice cu imagini reale cum sunt ochiul, aparatul fotografic, aparatul de protectie;

-instrumente optice care dau imagini virtuale si sunt folosite pentru examinarea directa a obiectivelor; astfel de instrumente sunt: luneta, microscopul optic, lupa.

Microscopul optic este destinat observarii unor probe (frotiuri) a caror dimensiuni pot atinge 0,15μm. Acest instrument are trei parti principale: mecanica, optica si dispozitiv de iluminare.

2. Componentele unui microscop cu lumina transmisa

Principiul care sta la baza constructiei oricarui microscop il constituie proprietatea lentilelor optice de a produce refractia razelor luminoase care le traverseaza, formand astfel o imagine reala sau virtuala. La microscopul optic, obiectivul formeaza o imagine marita, reala si inversata specimenului. Ocularul preia aceasta imagine si o transforma intr-o imagine marita, virtuala si dreapta in raport cu prima. Astfel, imaginea finala data de microscop este virtuala, rasturnata si marita.

3.Componentele mecanice ale microscopului

Microscoapele optice moderne sunt alcatuite dintr-o parte mecanica ce cuprinde: piciorul microscopului, masuta sau platina cu sistemele ei de deplasare a preparatului si tubul microscopului, care poate fi deplasat in plan vertical cu ajutorul unor angrenaje.

Piciorul sau talpa microscopului, este o componenta care confera stabilitate aparatului. La microscoapele moderne talpa microscopului se afla incorporata in sursa de lumina.

Coloana sau manerul- microscopul se articuleaza fix sau mobil cu piciorul.

Masuta sau platina, perpendiculara pe coloana, serveste ca suport pentru preparat. Acesta din urma se imobilizeaza pe platina prin doua lame metalice numite valeti sau cavaleri. Platina este prevazuta cu un dispozitiv special numit car mobil care, actionat de doua suruburi coaxiale, permite deplasarea fina a preparatului.

Tubul microscopului are la partea superioara ocularele, iar la partea inferioara, revolverul cu obiectivele. La microscoapele moderne, in tubul optic se afla interpusa lupa binocular, care contine un sistem de prisme pentru distribuirea imaginii la cele doua oculare.

Revolverul, format din doua discuri metalice suprapuse, cel inferior mobil, aduce prin rotirea obiectivului dorit in axul optic.

Dispozitivul de punere la punct a imaginii este alcatuit din viza macrometrica care se foloseste pentru prinderea grosiera a imaginii; iar viza micrometrica - prin miscari fine, permite clasificarea imaginii.

• Vizorul
• Obiective
• Buton reglare fina imagine

Buton pornit/ oprit

• Suportul
• Diafragma
• Baza de sustinere
• Corpul vizorului
• Obiective finale
• Suport prindere cu lamele
• Dispozitiv fixare imagine
• Buton reglare imagine
• Orificiu ( deschidere )
• Brat
• Sursa de lumina

Fig.3. Microscopul optic

4.Componentele optice ale microscopului

Aceste componente cuprind piese de calitatea carora depind performantele ce pot fi obtinute in examinarea unui preparat. Aceasta componenta este alcatuita din oculare, obiective si sistemul de iluminare.

Obiectivele sunt constituite dintr-un sistem de lentile care sunt destinate sa functioneze in imediata vecinatate a preparatului. Singura lentila care formeaza imaginea se afla la partea inferioara a obiectivului si se numeste lentila frontala. Distanta dintre ea si suprafata preparatului reprezinta distanta frontala si este cu atat mai mica cu cat obiectivul folosit are o putere mai mare de marire. Celelalte lentile din obiectiv au rolul de a corecta aberatiile optice produse de lentila frontala. In general, obiectivele care se folosesc cel mai frecvent la microscoape au puterea de marire de: 6x, 10x, 20x, 40x, 60x, 90x, 100x, aceasta fiind gravata pe suprafata cilindrului. Obiectivele au putere de marire mai mica (pana la 40x) se numesc obiective "uscate" pentru ca mediul interpus intre lentila frontala si preparat este aerul. Obiectivele cu putere mare de marire (60x, 90x, 100x), cu care se lucreaza foarte aproape de preparat, se numesc obiective cu "imersie" deoarece spatiul dintre lentila frontala si preparat este ocupat de un lichid (ulei de cedru, glicerina, uleiul de parafina) in care este imersat varful apropiat cu al sticlei port preparat si, prin folosirea lor, se elimina in mare masura refractia in afara suprafetei lentilei frontale a razelor de lumina care ilumineaza preparatul. Ca urmare imaginea observata va castiga in luminozitate si claritate.

Fig.4. Obiective si oculare.

Ocularele se afla dispuse la partea superioara a lupei binocular, fiind formate fiecare, din doua lentile plan convexe ce formeaza o imagine marita, dreapta si virtuala. Pentru observare se folosesc de obicei oculare cu putere mica de marire (7x,10x), deoarece rolul lor este de a distinge detaliile fine date de obiectiv si mai putin de a mari aceasta imagine.

Gradul de marire a imaginii finale date de microscop poate fi modificat prin schimbarea obiectivelor si ocularelor si se calculeaza facand produsul dintre puterea de marire a ocularului si a obiectivului.

Formula pentru grosisment si putere de separare

Exemplu: ocular 10x; obiectiv 20x; marire: 20 X 10=200.

Aceasta valoare da puterea de marire totala sau grosismentul microscopului.

Sistemul de iluminare, la microscoapele moderne, se afla incorporat in talpa si este reprezentat de un bec de 6V sau 12V. Tot aici se afla si un sistem special pentru controlul fluxului in axul fluxului de lumina. Lumina este orientata in axul optic al microscopului de catre o oglinda plana dispusa oblic in dreptul unui orificiu care se afla sub platina. Inclinatia oglinzii poate fi reglata cu doua suruburi. Sub platina, prins de coloana microscopului se afla condensorul, care are rolul de a concentra razele de lumina intr-un focar ce coincide cu planul preparatului. Unghiul luminii care intra in condensor se regleaza cu ajutorul diafragmei iris, dispusa in montura condensorului, sub lentile. Condensorul poate fi ridicat sau coborat, cu ajutorul unei vize dispusa sub platina.

5.Cum se prinde imaginea la un microscop optic obisnuit ?

Prinderea imaginii si observarea sa la un microscop optic obisnuit se face relativ simplu si nu necesita cunostinte speciale de mecanica fina sau de alta natura. Pentru evitarea unor esecuri, inerente la un incepator, precum si a obtine o imagine corecta si apropiata calitativ de performantele maxime ale aparatului, toate manevrele trebuie sa fie executate intr-o anumita ordine:

1. Se aseaza lama cu preparatul de cercetat pe platina si se prinde cu valetii. Este foarte important ca lama sa fie asezata in asa fel incat preparatul sa fie orientat in sus. In caz contrar nu se va putea prinde imaginea cu obiective mai mari de 40x.

2. Privind lateral se aduce preparatul in axul optic prin manevra carului mobil. Axul optic coincide cu punctul de lumina dat de condensatorul ridicat in prealabil in pozitia maxima. Dupa efectuarea acestei operatii, condensatorul se coboara la o pozitie intermediara.

3.Se aduce obiectivul 10x in axul optic al microscopului prin rotirea revolverului. Cand obiectivul ajunge in ax, rotirea revolverului intampina o usoara rezistenta. Este bine ca intotdeauna observarea unui preparat sa inceapa prin folosirea obiectivului 10x, deoarece acesta da o imagine de ansamblu a preparatului, permitand totodata selectarea unei zone din preparat care urmeaza a fi observata apoi de mariri mai mari.

4. Desi imaginea nu a fost inca prinsa, se poate stabili in aceasta etapa, distanta pupilara prin manevrarea lupei binocular.

5. Privind lateral, se coboara obiectivul pana in pozitia inferioara. Aceasta se afla la cativa mm de suprafata preparatului. Privind apoi in microscop, se ridica obiectivul cu viza macrometrica pana se prinde imaginea. Apoi, claritatea imaginii se regleaza prin manevra vizei micrometrice, iar gradul de luminozitate al campului se regleaza prin ridicarea sau coborarea condensorului.

6. Pentru observarea unor detalii ale preparatului, se introduce in axul optic un obiectiv cu puterea de marire mai mare. Pentru fiecare obiectiv imaginea se prinde prin ridicarea acestuia fata de preparat pentru a evita lovirea accidentala a lentilei frontale de lama port preparat.

In cazul folosirii unui obiectiv cu imersie, se pune pe lamela care acopera preparatul o picatura de ulei de imersie si se coboara apoi obiectivul pana ce varful sau atinge picatura. Aceasta operatie se face privind lateral. Imaginea se prinde apoi, privind cu atentie in microscop, prin coborarea foarte fina a obiectivului cu viza macrometrica. Odata obtinuta imaginea, claritatea se mentine prin manevra continua a vizei micrometrice. Pentru a avea o iluminare corespunzatoare, condensorul va fi ridicat la maximum.

7. Dupa incheierea observarii, microscopul se lasa in repaus cu obiectivul 10x in axul optic si se acopera pentru a fi ferit de praf. Se verifica daca s-a efectuat deconectarea de la reteaua de curent electric.

In cazul intrebuintarii obiectivului cu imersie, acesta se sterge cu uleiul de imersie prin trecerea degetului deasupra lentilei frontale. Periodic acest obiectiv se curata cu o batista de finet umezita intr-o solutie de alcool etilic-acetona (1:1). Se va evita folosirea in acest scop a hidrocarburilor (xilen, benzen, toluen) pentru ca aceasta va dizolva rasina speciala in care este montata lentila frontala a obiectivului.

Modul de lucru:

5. a) Etalonarea riglei gradate a ocularului. Microscopul este dotat cu o retea ajutatoare micrometrica gradata astfel incat pe portiunea vizibila cu ochiul liber gradatiile reprezinta 0,1 respectiv 0,5 mm. Pe portiunea centrala rigla este divizata in zecimi de mm. Etalonarea riglei ocularului se face in felul urmator: se vizualizeaza concomitent atat reteaua micrometrica de pe lama cat si rigla micrometrica a ocularului astfel incat sa se poata numara cate diviziuni de pe retea corespund unei singure diviziuni de pe rigla. Apoi cu o regula de trei simpla se poate calcula care este fractiunea dintr-un mm care corespunde unei diviziuni de pe rigla ocularului.

5. b) Determinarea dimensiunii unor preparate. Odata ce a fost facuta etalonarea riglei, reteaua micrometrica ajutatoare poate fi inlaturata. In locul ei se fixeaza pe masuta microscopului diverse preparate. Prima data se incearca vizualizarea unui fir de par, fixat cu o lamela pe o lama curata. Odata pusa la punct imaginea, rigla ocularului se suprapune peste grosimea firului de par numarandu-se cate diviziuni corespund acestei dimensiuni. Apoi, acest numar de diviziuni se inmulteste cu valoarea aflata anterior prin regula de trei simpla, obtinandu-se dimensiunea in mm a grosimii firului de par. Apoi se vizualizeaza alte preparate puse la dispozitie, fixate pe lame: oua de parazit, preparate histologice.

Grosismentul- reprezinta raportul dintre tangenta unghiului sub care se vede imaginea prin instrument si tangenta unghiului sub care se vede obiectul atunci cand este privit cu ochiul liber sau altfel spus, raportul dintre diametrul aparent al imaginii si cel al obiectului asezat la distanta optima de vedere clara δ-care pentru un ochi normal are valoarea 25 cm.

sau G= G_ob G_oc

Puterea separatoare sau de rezolutie : este capacitatea microscopului de a forma imagini distincte a doua puncte vecine ale obiectului. Aceasta marime, depinde de aberatiile sferice si de fenomenul de difractie a luminii care traverseaza instrumentul. Putem mari valoarea l/ε prin marirea lui n, folosind observarea prin imersie, in care intre Ob (de 90X) si proba se pune o picatura de ulei de cedru.

unde:

l/ε =putere separatoare

λ = lungime de unda a radiatiei folosite

n = indicele de refractie al mediului dintre Ob si Oc.

u = unghiul de apertura, format de razele extreme.

n^. sin u = apertura numerica, este inscris pe obiectiv alaturi de marirea sa.

Modul de lucru:

Determinarea grosismentului si a coeficientului micrometric.

Micrometrul obiectiv - este o lama de sticla pe care sunt gravate 100 de diviziuni pe o distanta de 1 mm, intervalul intre doua diviziuni succesive este de 0,01mm.

Micrometrul ocular - are forma unui disc cu diametrul egal cu cel al tubului in care se introduce. Este confectionat din sticla pe care sunt gravate 100 diviziuni pe o lungime de 1 cm, intervalul dintre doua diviziuni succesive este egal cu 0,1 mm.

Pentru determinarea grosismetrului microscopic se procedeaza astfel:

se fixeaza lama micrometrului obiectiv pe masuta de lucru ;

se introduce stekerul micoscopului in bornele transformatorului, iar stekerul transformatorului in priza de 220V;

se regleaza iluminarea cu ajutorul diafragmei;

se introduce din mijlocul micrometrului ocular in dreptul obiectivului cu ajutorul suruburilor cu care este prevazuta masuta microscopului;

alegem si fixam obiectivul cel mai mic (10X);

se apropie obiectivul de micrometru pana la distanta minima fara a privi in ocular;

ridicand lent obiectivul se cauta imaginea diviziunilor micrometrului;

microscopul se pune la punct astfel incat in camp sa avem imaginea ambelor micrometre;

se roteste ocularul pana cand cele doua scari sunt paralele si partial suprapuse;

se mareste contrastul prin ridicarea sau coborare condensatorului (crescand contrastul va scadea puterea separatoare l/ε);

se aduce scala gradata a micrometrului obiectiv astfel incat capatul sau sa coincida cu cel al micrometrului ocular;

se compara imaginea micrometrului obiectiv (marita de ori) cu micrometrul ocular astfel incat n diviziuni ale micrometrului obiectiv sa corespunda la m diviziuni ale micrometrului ocular.

Inlocuind valorile lui m si n in relatia:

Se calculeaza G microscop cu relatia :

G =

Se efectueaza trei determinari pentru fiecare obiectiv (10X, 20X , 40X) rezultatele trecandu-se in tabel:

Tabelul 1

Pentru determinarea coeficientului micrometric se efectueaza urmatoarele :

-se suprapune scala micrometrului ocular cea a obiectivului si se citesc;

numarul de diviziuni ale micrometrului obiectiv care se suprapun exact peste un numar intreg de diviziuni ale micrometrului ocular.

numarul de diviziuni ale micrometrului obiectiv.

-se calculeaza coeficientul micrometric cu formula:

se mai fac multe combinatii de oculare si obiective, iar rezultatele se trec in tabelul 2:

Tabelul 2

6. Ochiul - un sistem optic complex.

Ochiul este pentru organismul uman un analizator cu ajutorul cǎruia analizǎm mediul inconjurator. Analizatorul vizual este alcǎtuit din trei segmente :

segmentul periferic, reprezentat de ochiul propriu-zis si anexele sale, segmentul intermediar, reprezentat de fibrele nervoase care conduc excitatiile vizuale la creier si segmentul cortical, situat in regiunea occipitalǎ a scoartei creierului.

Globul ocular (ochiul) are forma unei sfere, care in partea din fatǎ are aplicatǎ o altǎ portiune sfericǎ cu razǎ mai micǎ, reprezentatǎ de corneea transparentǎ. In fata cristalinului se aflǎ irisul care are forma unei diafragme prevazuta cu o deschidere numitǎ pupilǎ cu dimensiunea variabilǎ intre 3 si 7mm. In calota posterioarǎ este situatǎ retina, o membranǎ nervoasǎ, alcatuitǎ din celule nervoase, celule de sustinere si celule pigmentare.

Celulele nervoase sunt de 6 tipuri :   

1. Fotoreceptoare cu conuri

2. Fotoreceptoare cu bastonase

3. Bipolare

4. Multipolare

5. Orizontale - neuroni de asociatie cu dendrite si axon

6. Amacrine - neuroni de asociatie fǎrǎ dendrite cu un axon lung si foarte ramificat .

Ca urmare a suprapunerii acestor tipuri de celule si a sinapselor dintre ele, se pot diferentia 10 straturi ale retinei. Primul strat este cel al celulelor pigmentare alcǎtuite din celule care contin pigment melanic. Cel de-al doilea este stratul celulelor fotoreceptoare alcatuit din celule nervoase specializate, care nu se divid, numite dupǎ forma lor, bastonase si conuri. Conurile si bastonasele contin pigmenti vizuali diferiti. Conurile, in numǎr de 5-7 milioane, reprezintǎ receptorii vederii diurne, colorate (percep detalii si culori). Se gǎsesc in special la nivelul petei galbene (macula lutea) la distanta de 2¸5 μm. Existǎ 3 tipuri de conuri, unul pentru perceperea luminii rosii, altul pentru perceperea luminii verzi si al treilea pentru lumina albastrǎ. Ele contin rodopsinǎ care se descompune in prezenta luminii si se resintetizeazǎ in prezenta vitaminei A.

Membrana limitanta externa, cel de-al treilea strat, este o retea de prelungiri ale celulelor gliale, ce inconjoara baza celulelor fotoreceptoare. Stratul granular extern cuprinde corpii neuronali si prelungirile celulelor fotoreceptoare. Stratul plexiform extern reprezinta zona sinaptica dintre celulele fotoreceptoare si neuronii bipolari. Stratul granular intern este alcatuit din corpii neuronilor bipolari. Stratul plexiform intern este zona sinaptica dintre neuronii bipolari si neuronii multipolari. Stratul neuronilor multipolari cuprinde corpul neuronilor multipolari. Stratul fibrelor optice este format din axonii neuronilor multipolari. Ultimul strat al retinei, membrana limitanta interna delimiteaza retina spre fata sa externa. Fiecare celula cu con face sinapsa cu un singur neuron bipolar si acesta cu un singur neuron multipolar. Mai multe celule cu bastonas fac sinapsa cu un singur neuron bipolar, iar mai multi neuroni bipolari fac sinapsa cu un singur neuron multipolar.

Fig.6.1.Arhitectura straturilor de celule fotoreceptoare.

Segmentul intermediar sau segmentul de conducere (calea optica) este format din 3 neuroni. Primii 2 neuroni, senzitivi, sunt reprezentati de protoneuron (bipolar), respectiv deutoneuronul (multipolar) din retina. Axonii deutoneuronului formeaza nervul optic si tractul optic.

Globul ocular este alcatuit dintr-o serie de medii transparente  :

a) umoarea apoasa (n=1,33), un lichid clar secretat de procesele ciliare fiind drenat permanent de venele scleroticii (tunica externa- partea posterioara)

b) cristalinul este o lentila biconvexa care este actionat de muschiul ciliar care isi modifica raza de curbura si odata cu aceasta convergenta (n є [1,33 ; 1,41])

c) umoarea sticloasa (corpul vitros) este o substanta gelatinoasa situata in spatele retinei (n=1,33).

Capacitatea cristalinului de a-si modifica raza de curbura pentru ca sa poata fi vazute clar obiectele aflate la distante diferite poarta numele de acomodare la distanta. Pentru acomodare este necesara si corectarea axelor oculare prin contractia musculaturii extrinseci a globului ocular. Un ochi standard (emetrop) are distantele obiect si imagine diferite cu valorile f₁=15,7mm si f₂=24,4mm. Exista deci o concordanta perfecta intre puterea de convergenta a mediilor refringente si lungimea axului antero-posterior, ceea ce permite vederea clara, fara acomodare, a obiectelor situate la o distanta mai mare de 6m.

Fig.6.2. Formarea imaginii in ochiul emetrop.

Distanta minima de vedere clara pentru un ochi standard este de 25cm, iar rezolutia ochiului (capacitatea de a distinge separat 2 puncte vecine) la aceasta distanta este de 75μm.Pentru ca un ochi normal sa poata vedea imaginea obiectului fara efort de acomodare aceasta trebuie sa se formeze la o distanta mai mare de distanta minima de vedere clara de 0,25m- Punct Proximum. Ideal ar fi ca imaginea sa se formeze la distanta maxima de 6m- Punct Remotum. In cazul in care puterea de convergenta a sistemului dioptric nu concorda cu lungimea axului antero-posterior, ochiul este ametrop prezentand diverse defecte optice :

-miopie

-hipermetropie

-prezbitie

-astigmatism

1. Miopia este un viciu de refractie care consta in faptul ca razele luminoase care vin paralele de la infinit se intalnesc intr-un focar situat inaintea retinei. Acest viciu de refractie se corecteaza cu lentile divergente, care indeparteaza focarul pana ajunge pe retina.

2. Hipermetropia este un viciu de refractie caracterizat prin aceea ca razele paralele venite de la infinit se reunesc intr-un focar situat in spatele retinei. Acest viciu de refractie se corecteaza cu lentile convergente, care apropie focarul pana ajunge pe retina.

3. Prezbitia este un viciu datorat pierderii elasticitatii cristalinului, deci a posibilitatii de acomodare a acestuia, care se instaleaza odata cu inaintarea in varsta. Acest viciu se corecteaza cu lentile a caror convergenta variaza continuu pe inaltimea lentilei pentru acomodarea ochiului la diferite distante.

4. Astigmatismul este un defect optic ce se caracterizeaza prin faptul ca raza de curbura a cristalinului si mai ales a corneei nu este aceeasi in toate meridianele (nu este omogena).Razele care vin de la infinit nu se intalnesc intr-un focar unic, existand focare pentru razele care cad pe meridianele orizontale si focare pentru cele care cad pe meridianele verticale. Defectul se corecteaza prin lentile cilindrice asezate in asa fel incat sa uniformizeze refractia in toate meridianele corneei sau cristalinului.

Pierderea vederii se numeste cecitate si are cauze multiple. Ea se poate datora unei rupturi a corneei sau unei afectiuni a cristalinului, care devine opac si incapabil sa lase sa treaca lumina. In alte cazuri cecitatea se datoreaza dezlipirii retinei, ca urmare a unei lovituri sau faptului ca celulele sale nervoase nu mai functioneaza corect. Unele cazuri de cecitate se datoreaza unor factori externi. De exemplu, daca nervii optici sunt lezati, desi se formeaza o imagine corecta pe retina, aceasta nu este transmisa la creier. Un traumatism cranian suferit de o persoana poate distruge aria vizuala a creierului, determinand orbirea persoanei respective, in ciuda faptului ca ochii acestuia functioneaza perfect.

Vederea cromatica

Retina contine 2 tipuri de fotoreceptori (receptori vizuali) : conurile si bastonasele. Bastonasele sunt mult mai numeroase (130 milioane) si sunt mai sensibile decat conurile la intensitatea luminoasa ; insa nu sunt sensibile la culoare.

Cele 7 milioane de conuri confera ochiului sensibilitatea la culoare. Acestea sunt concentrate in partea centrala a petei galbene, numita fovea centralis (diametru 0,3mm). Se apreciaza ca acestea sunt distribuite ca sensibilitate pe culori in felul urmator : 64 % sunt conuri "rosii"; 32 % sunt conuri "verzi"; 2 % sunt conuri "albastre". Conurile "verzi" si "rosii" sunt concentrate in fovea centralis, iar cele "albastre" in exteriorul acestei regiuni. De aici rezulta o deosebire in modul cum se disting culorile. Astfel, perceptia obiectelor albastre cu intensitate mare este mai slaba decat a celor rosii sau verzi. Faptul ca vedem culorile cu un efort comparabil este atribuit unui 'amplificator in albastru' aflat in cicuitul de prelucrare din creier.

Specializarea celor doua tipuri de fotoreceptori din ochi conduce la o multime de fenomene aparent ciudate. De exemplu, un capitan de vas sau un pilot vad mai bine noaptea, in intuneric, daca aparatele de pe bord sunt luminate in rosu. Efortul lor de acomodare este mai mic, ochiul utilizand tipuri diferite de fotoreceptori pentru culoarea rosie (conurile) si pentru lumina slaba (bastonasele). Din studiile efectuate asupra perceptiei imaginilor colorate in comparatie cu cele alb-negru s-a evidentat faptul ca in imaginile colorate ochiul detecteaza mai usor marginile obiectelor si caracteristicile acestora. In imaginile alb-negru se pierde informatia continuta in lungimea de unda a fiecarei culori. Din numeroase experimente efectuate cu diferiti subiecti, carora li se prezentau imagini colorate diferit si li se cerea sa le recunoasca, s-a ajuns la concluzia ca ochiul omenesc poate distinge mii poate chiar milioane de culori. O caracterisica importanta a vederii cromatice este faptul ca prin diminuarea intensitatii luminii care se reflecta pe un obiect colorat nu se modifica si distributia spectrala, adica distributia lungimilor de unda ale undelor reflectate de obiect si apoi percepute de ochi. Creierul primeste pentru prelucrare aceleasi informatii, care sunt legate de lungimea de unda a culorilor din imagine.

Daca obiectul este cenusiu, atunci el reflecta la fel toate lungimile de unda, conurile de pe pata galbena sunt toate impresionate la fel si creierul nu reuseste sa distinga diferitele puncte de pe suprafata obiectului. Daca obiectul este colorat de exemplu, in rosu si albastru, el reflecta din lumina incidenta cu predilectie componenta rosie si pe cea albastra, ceea ce face sa fie impresionate doar conurile specializate pentru aceste culori si creierul reuseste sa prelucreze usor informatia primit.Toate proprietatile vederii cromatice sunt azi utilizate in domeniul publicitatii, in televiziune, cinematografie, moda etc.

Fotometria

Fotometria se ocupa cu masurarea energiei transportata de undele electromagnetice din domeniul optic. Radiatiile electromagnetice din domeniul vizibil dau senzatia de lumina si in acelasi timp transporta energie. Intr-un sens mai ingust, fotometria se ocupa cu masurarea efectului radiatiilor din domeniul vizibil asupra ochiului omenesc. Astfel, se definesc doua categorii de marimi si unitati de masura : fotometrice si energetice. Pentru caracterizarea transportului de energie de catre lumina se definesc marimile energetice :

- flux de energie radianta

- intensitate energetica

- iluminare energetica

Pentru definirea marimilor energetice trebuie sa definim sursa de lumina punctiforma, care este o sursa ce emite intr-un mediu omogen si izotrop, cu suprafata de unda sferica.

Fluxul de energie radianta Φ_e se defineste ca energia care strabate o suprafata oarecare, normala pe directia de propagare a razei de lumina, in unitatea de timp, adica : Φ_e = W / t care are unitatea de masura wattul.

Intensitatea energetica a unei surse punctiforme este fluxul de energie radianta emis in unitatea de unghi solid, adica :

I_e = dΦe / dΩ , unde dΩ= unghiul solid elementar (1)

Intensitatea energetica se masoara in W/steradian. Unghiul solid este o portiune din spatiu continuta intr-o cavitate a unei suprafete conice. El se masoara ca raportul dintre aria taiata de con pe suprafata unei sfere cu centrul in varful conului si patratul razei sferei. Unghiul solid elementar taie o arie elementara dA pe suprafata sferei, astfel: dΩ = dA / r².

Unitatea de masura este steradianul (sr) definit ca fiind unghiul sub care se vede din centrul unei sfere o arie de pe suprafata sferei egala cu raza la patrat.

Iluminarea energetica a unei suprafete este egala cu fluxul de energie radianta care strabate unitatea de arie a suprafetei transversale, adica :

E_e = dΦ_e / dA_n (2)

care are unitatea de masura W / m² .

Daca eliminam fluxul de energie radianta intre relatiile 1) si 2) vom obtine o relatie intre iluminarea energetica a unei suprafete si intensitatea energetica a unei surse punctiforme sub forma : E_e = I_e / r² (3)

Daca fasciculul cade sub incidenta oblica, astfel incat axa conului care delimiteaza unghiul solid este inclinata fata de normala la suprafata cu unghiul α, in relatia (3) apare proiectia pe directia normala la suprafata definita de versorul n, adica expresia se inmulteste cu cos α :

E_e = ( I_e / r² )·cos α

Efectul luminii din domeniul vizibil asupra ochiului depinde in afara de caracteristicile fizice ale luminii (densitatea de energie, frecventa) si de sensibilitatea diferita a ochiului la frecvente diferite ale luminii. Din masuratori fotometrice efectuate s-a constat ca ochiul omenesc are sensibilitatea maxima la frecventele din mijlocul spectrului vizibil, adica in verde. S-a convenit sa se considere ca sensibilitatea ochiului este maxima pentru λ = 550nm. Aceasta inseamna ca pentru a obtine un anumit efect luminos asupra ochiului, la aceasta lungime de unda este necesar cel mai mic flux de energie radianta. Pentru a caracteriza sensibilitatea ochiului la diferite culori se defineste sensibilitatea spectrala a ochiului (eficienta luminoasa) V_λ , care este egala cu raportul dintre fluxul de energie radianta Φ_e0 care produce o anumita senzatie luminoasa la λ = 550nm si fluxul de energie radianta Φ_e care produce aceasi senzatie luminoasa la alta lungime de unda λ, adica :

V_λ = Φ_e0 / Φ_e

Dependenta de lungimea de unda a functiei V_λ este diferita ziua si noaptea. Dependenta nocturna are un maxim deplasat spre albastru. Cu ajutorul marimii V_λ se poate trece de la definirea marimilor fotometrice. Efectul radiatiilor asupra ochiului se caracterizeaza prin urmatoarele marimi fotometrice :

fluxul luminos

intensitatea luminoasa

iluminarea

Fluxul luminos este marimea fotometrica corespunzatoare marimii energetice fluxul de energie radianta Φ_e si se defineste ca produsul :

Φ = k·V_λ ·Φ_e, k = constanta numita echivalent fotometric al radiatiei.

Unitatea de masura pentru fluxul luminos este lumenul ( lm ). Astfel, echivalentul fotometric al radiatiei are valoarea k = 683 lm/w.

Intensitatea luminoasa a unei surse punctiforme este fluxul de energie luminos emis in unitatea de unghi solid, adica :

I = dΦ / dΩ

Intensitatea luminoasa este marime fundamentala pentru marimile fotometrice in sistemul international de unitati (SI). Unitatea de masura este candela (cd), fiind egala cu intensitatea luminoasa intr-o directie data a unei surse care emite radiatie electromagnetica monocromatica cu frecventa de 540·10¹² Hz si cu intensitatea energetica in acea directie egala cu 1/683 (W/sr). Suprafata unei sfere se vede din centrul acesteia sub un unghi solid egal cu 4π. Astfel, fluxul luminos emis de o sursa in toate directiile cu aceasi intensitate luminoasa este egal cu :

Φ = 4π·I

Iluminarea unei suprafete este egala cu fluxul luminos care strabate unitatea de arie a unei suprafete transversale, adica :

E = d / dA_n = ( I / r² )·cos α

Unitatea de masura pentru iluminare este luxul (lx). 1 lx = 1 lm/m². Se mai utilizeaza si unitatea tolerata phot (ph), care este egal cu 1 lm/cm², astfel ca 1 lx = 10⁴ ph.