Оптические и оптоэлектронные устройства для биологии и медицины (в вопросах и ответах)

В.Г. ГУСЕВ, Т.В. МИРИНА, 
Н.В. МИРИН 

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
УСТРОЙСТВА ДЛЯ БИОЛОГИИ И
МЕДИЦИНЫ

(В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ) 

Учебное пособие

3-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2017

УДК 621.3(075.8)
ББК 22.34я73

Г96

Рецензенты: 

д-р физ.-мат. наук, проф. Насибуллин Р.С. 
д-р техн. наук, проф. Сапельников В.М. 
д-р медицинских наук, проф. Гильманов А.Ж. 

Гусев В.Г.

Г96
Оптические и оптоэлектронные устройства для биологии 
и медицины (в вопросах и ответах) [Электронный ресурс]: учеб. 
пособие / В.Г. Гусев, Т.В. Мирина, Н.В. Мирин. – 3-е изд., стер. 
– М.: ФЛИНТА, 2017. – 266 с. 

ISBN 978-5-9765-1520-8

Излагаются сведения: о свете и законах его распространения; 
взаимодействии света с веществами; о принципах действия 
преобразователей света в электрические сигналы (фотоприемниках); о 
компонентах и узлах оптических приборов; об электрических и 
оптоэлектронных устройствах, применяемых для отображения 
информации; о фотометрических методах в биологии и медицине; об 
эндоскопическом оборудовании; о световых микроскопах. Предназначено 
для использования студентами направлений «Приборостроение», 
«Биомедицинская техника», «Электроника и микроэлектроника». 

УДК 621.3(075.8)
ББК 22.34я73

ISBN 978-5-9765-1520-8 
© Издательство «ФЛИНТА», 2017

ВВЕДЕНИЕ 

Настоящее 
пособие 
предназначено 
для 
использования 
студентами, обучающимися по программам магистерской подготовки 
направлений 
«Приборостроение» 
и 
«Медицинская 
техника». 
Необходимость в его написании обусловлена тем, что вопросы 
использования оптических и оптоэлектронных технических средств 
получения, преобразования и отображения информации становятся 
все более важными по мере увеличения объема знаний в области 
техники. Непрерывно меняется ценность информации по отдельным 
вопросам. Хотя оптика и ее законы достаточно подробно изучаются в 
курсе общей физики высших учебных заведений, полученных в нем 
знаний недостаточно для изучения закономерностей, правил и 
подходов к созданию оптических и оптоэлектронных устройств, 
предназначенных для использования в биологии и медицине. 
Поэтому в данном учебном пособии приведены те сведения, которые 
должны знать магистры технических специальностей. Подбор 
материала приведен исходя из важности для конкретной области тех 
разделов, которые введены в учебное пособие.  

В первой главе приведены сведения о световых колебаниях, 
моделях их распространения, плоских и сферических волнах и 
показателе 
преломления. 
Также 
рассмотрены 
колебания 
электрической и магнитной составляющих энергии, поляризация 
света, способы анализа процесса их распространения. 

Во второй главе рассмотрены вопросы взаимодействия света с 
некоторыми 
веществами. 
Рассмотрены 
вопросы 
двойного 
лучепреломления, 
особенности 
оптически 
активных 
веществ. 
Разобраны вопросы прохождения света через линзы, распространения 
света в среде с изменяющимся коэффициентом преломления, 
интерференции и дифракции световых колебаний, а также рассеяния 
света. 

В третьей главе приведены сведения о преобразователях света 
в 
электрические 
сигналы. 
Разобран 
принцип 
действия 

фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров, 
многоэлементных 
фотоприемников 
с 
внешним 
фотоэффектом. 
Рассмотрены принципы построения приборов с зарядовой связью и 
приведены сведения о современных приемниках оптического 
излучения, выполненных на основе ПЗС структур. 

В четвертой главе разобраны компоненты и узлы оптических 
приборов. Рассмотрены источники оптического излучения, элементы 
и узлы, используемые в оптоэлектронных устройствах, волоконные 
световоды, методы нарушения полного внутреннего отражения и 
приборы, использующие этот принцип. 

В пятой главе приведены сведения о технических средствах, 
применяемых 
для 
отображения 
информации. 
Разобраны 
жидкокристаллические 
приборы, 
газонаполненные, 
вакуумные, 
полупроводниковые и электролюминесцентные приборы, плоские 
газонаполненные и жидкокристаллические панели. 

В 
шестой 
главе 
рассмотрены 
вопросы 
фотометрии. 
Охарактеризованы параметры светового излучения. Разобраны 
материалы, 
применяемые 
в 
качестве 
оптически 
прозрачных 
элементов. Рассмотрены зеркала и их применение в медицине. 
Приведены 
сведения 
о 
фотометрии, 
абсорбционных 
и 
турбидиметрических, 
нефелометрических, 
люминометрических, 
хемилюминесцентных и поляриметрических методах исследования 
свойств веществ. 

В седьмой главе рассмотрены вопросы выполнения эндоскопов 
различного 
назначения, 
предназначенных 
для 
решения 
задач 
медицины. Рассмотрены эндоскопы с волоконными световодами. 
Приведены 
сведения 
о 
жестких 
эндоскопах, 
особенностях 
компонентов, используемых в них, рассмотрены особенности их 
конструкций, виды существующих эндоскопов и их осветительные 
системы. 

В восьмой главе приведены общие представления о световой 
микроскопии и терминах, используемых в этой области знаний. 

Рассмотрены особенности объектов, свойства которых оцениваются с 
помощью 
микроскопии. 
Разобраны 
принципы 
классификации 
световых микроскопов. Рассмотрены объективы, применяемые в 
микроскопии, и окуляры. Приведена информация о подходах к 
построению 
осветительных 
систем 
и 
используемых 
в 
них 
коллекторов и конденсоров. Охарактеризованы методы и приемы, 
которые улучшают контрастирование отдельных элементов у 
исследуемого объекта. Даны представления о технических средствах, 
применяемых 
для 
исследований 
люминесцирующих 
объектов. 
Рассмотрены основные формулы микроскопии. Дано представление о 
современных 
микроскопических 
приборах, 
биологических 
микроскопах и наиболее часто применяемых принадлежностей к ним. 

Учебных книг для высших школы, в которых на достаточно 
высоком научном уровне изложена совокупность тех знаний, которые 
изложены в настоящей работе, в отечественном книгоиздании нет. 
Поэтому данная книга позволит поднять на качественно новый, более 
высокий уровень знания по оптике и свойствам оптоэлектронных 
устройств 
у 
магистров 
направлений 
«Приборостроение» 
и 
«Медицинская техника». 

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВЕТЕ И ЗАКОНАХ ЕГО 
РАСПРОСТРАНЕНИЯ 

1.1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ 
СВЕТА И СКОРОСТЬ ВОЛНЫ 

Вопрос: Что представляет из себя свет? 
Свет 
представляет 
собой 
электромагнитные 
колебания, 
находящиеся в определенном частотном диапазоне. Кроме этого, свет 
обладает свойствами корпускулярных частиц. 

Вопрос: Какими уравнениями характеризуются явления, 
наблюдающиеся при распространении света? 

Распространение 
света 
характеризуется 
уравнениями 
Максвелла. Они могут быть представлены в дифференциальной или 
интегральной 
формах. 
Полная 
система 
уравнений 
в 
дифференциальной форме имеет вид: 

t
B
E
rot




;                                            (1.1) 

t
D
j
H
rot




;                                        (1.2) 



D
div
;                                               (1.3) 

0

B
div
,                                               (1.4) 

где 
E – напряжение 
электрического 
поля;
H – напряженность 

магнитного 
поля;
D – электрическое 
смещение 
(индукция 

электрического поля); B – индукция магнитного поля; j – плотность 
тока проводимости;  – объемная плотность свободных зарядов. 

Уравнение 
(1.1) 
представляет 
собой 
обобщенный 
закон 
электромагнитной индукции. В соответствии с ним индуцированное 
электрическое вихревое поле обусловлено скоростью изменения 
магнитного поля. Знак минус в правой части свидетельствует о том, 
что 
изменения, 
вызванные 
изменениями 
магнитного 
поля, 
уменьшаются изменениями вихревого электрического поля (правило 
Ленца). 

Уравнение (1.2) свидетельствует том, что вихревое магнитное 
поле создается токами проводимости j и переменным электрическим 
полем. В соответствии с ним магнитное поле возникает даже при 

отсутствии тока электрических зарядов j, если имеется переменное 
электрическое поле.

Уравнение (1.3) есть обобщение электростатической теоремы 
Гаусса. Оно показывает, что электрическое поле создается зарядами, 
на 
которых 
начинаются 
и 
заканчиваются 
силовые 
линии 
электрического поля. 

Уравнение (1.4) характеризует факт отсутствия магнитных 
зарядов. Из него следует, что силовые магнитные линии или 
замкнуты, или уходят в бесконечность. 

Вопрос: Какими уравнениями связаны между собой величины, 
входящие в уравнения Максвелла, которые учитывают реакции 
среды на внешнее электромагнитное воздействие? 

E
D



0
; 

E
B



0
; 

E
j


, 

где 
0
  
и 
0
  – электрическая 
и 
магнитная 
постоянные; 

 и – относительные электрическая и магнитная проницаемости; 
 – удельная проводимость. 

Вопрос: Что такое дивергенция div поля V?
Дивергенцией или расхождением поля V называется скаляр, 

определенный в каждой точке и являющийся объемной производной 
этого поля через замкнутую поверхность dS

v

VdS

divV

v







0
lim
. 

Формула 
для 
вычисления 
дивергенции 
в 
декартовых 
координатах 

z
V

y

V

x
V
divV
z
y
x











. 

Вопрос: Что называют ротацией векторного поля? 
Ротацией (ротором, вихрем) поля V, обозначаемой
V
rot
 или 

V


, называют вектор, определенный в каждой точке поля и 
являющийся производной этого поля, взятой с обратным знаком: 

k
y
V

x

V
j
x
V

z
V
i
z

V

y
V
VdS
v
V
rot
x
у
z
x
y
z

v




























































1
lim

0
, 

где S – площадка, через которую проходит вектор поля V ;   – 
оператор Гамильтона  (набла) есть символ, позволяющий более 
просто записать операции, характеризующие получение div, grad и
rot.

k
z
j
y
i
x










. 

Это символический вектор, заменяющий символы градиента, 
дивергенции и ротации. 

U
grad
U 

; 

V
div
V 

; 
V
rot
V 


. 

Вопрос: 
Какова 
скорость 
распространения 
электромагнитных волн в среде? 

В среде, характеризуемой относительной электрической  и 
магнитной 
 
проницаемостями, 
электромагнитные 
волны 
распространяются со скоростью  (волновое уравнение) 

0
0

1




. 

В вакууме 
1


, 
1


 скорость электромагнитной волны  

8

0
0

10
.3
1




c
 м/с. 

Для скорости света в вакууме сейчас принято стандартизованное 
значение скорости 

299792456

с
 м/с. 

1.2. ПОКАЗАТЕЛЬ 
ПРЕЛОМЛЕНИЯ, 
ПЛОСКИЕ 
И СФЕРИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ 

Вопрос: Что называется показателем преломления? 
Показателем преломления n называется отношение скорости 

света в вакууме к соответствующей скорости в веществе:

;



 c
n

где n – показатель преломления; c,  – скорости света в вакууме и 
веществе соответственно. 

Вопрос: Какими граничными условиями следует пользоваться 
при анализе распространения света через разные среды? 

При анализе распространения света через границы разных сред 
и отсутствии на границе раздела поверхностных токов и зарядов 
следует считать справедливыми граничные условия: 


 
1
2
E
E
; 


 
1
2
H
H
; 

n
n
D
D
1
2 
; 

n
n
B
B
1
2 
. 

Индексы τ и n характеризуют тангенциальные и нормальные 
проекции соответствующих векторов.  

Из граничных условий следует, что на границе раздела имеются 
непрерывные 
составляющие 
векторов 
напряженностей 
электрического и магнитного полей, а также их нормальные 
составляющие. 

Вопрос: Какие особенности распространения плоской волны? 
Плоская монохроматическая волна характеризуется уравнением  

















0
0 cos
z
t
E
E
, 

где 
0
E  – амплитуда; 
0










z
t
 – фаза волны;  – скорость 

распространения; z  – координата; t – время. 

Параметр  более точно называется фазовой скоростью 
перемещения 
волнового 
фронта, 
т.е. 
скорость 
перемещения 
поверхности, на которой колебания происходят с одинаковой фазой. 
Волновые фронты являются плоскостями, перпендикулярными оси Z. 
Такая волна называется плоской (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Распространение монохроматической волны 

Вопрос: Какая возможна запись поля волны в другой форме? 
В другой форме поле волны может быть записано как: 

)
cos(
0
kz
t
E
E



, 

где k  – волновое число, 
.



k

Волновое число измеряется в единицах, обратных длине, в см–1. 
На основе уравнений 




 f
, 

где  – длина волны, 
f  – частота колебаний, можно получить 
волновое число в форме 



 2
k
. 

Вопрос: Какая символическая запись уравнения поля в 
комплексной форме? 

Уравнение поля в комплексной форме имеет вид 

)
(

0

kz
t
ie
E
E



. 

 t

T

 





0
