Тема: Как сделать лазерную установку для исследования среды

[MBG]

Gall, спасибо.
Подержал ГЕНЕлазер включенным - результат тот же. Заметил, что в голубом сиянии мелькает какая-то красная блестка. Добавил к синему красный фильтр, синий ослабляет красную часть, красный отрезает синюю часть. На выходе получилась красная микроточка, очень маленькая, что и требовалось. Гут. Думаю, этого будет достаточно.

Блок питания тихонько потрескивает, пока оставлю как есть, все равно с ним ничего не сделаешь, он залит наглухо, только новый покупать.

Посмотрел микроскопом как устроена старая указка. Выяснилось, что там таки линза встроенная есть. Видимо, хорошая линза и правильно поставлена.

В итоге буду начинать собирать все это в одно целое.

+
Забыл просто ради интереса посмотреть оранжевую побочку, попробую.

[Gall]

Не за что! Рад, что получилось.

Оптика - очень предсказуемая штука, но довольно капризная (нужны большие точности). Если один раз получилось и вы поняли законы, будет получаться и дальше.

[MBG]

Gall добрый день, давно хотел написать - мои извинения за долгое молчание. Насущная работа пока не позволяет двести опыты с лазером, смотрим другой кусок этой мозаики. Все планы в силе но приоритеты перенесли, пока идем по более простым вещам, чтобы получить хотя бы один промежуточный результат, на котором уже строить все основное.

Сильно все сдерживает то, что и сегодня нет техники для 3-д скан глаза полностью, все как-то кусками до с кучей ограничений. То есть ходим как слепые вокруг слона, а в упор его не видим.. все на ощупь.

[Gall]

Добрый день!

Сильно все сдерживает то, что и сегодня нет техники для 3-д скан глаза полностью, все как-то кусками до с кучей ограничений. То есть ходим как слепые вокруг слона, а в упор его не видим.. все на ощупь.

Это еще везет. В природе много объектов похлеще глаза, да хотя бы и те же атомы. Все исследования приходится делать косвенными методами. Хорошее понимание свойств веществ позволяет из этих косвенных методов творить чудеса, например томографию или сканирующую туннельную микроскопию. Но только если оно есть, это понимание...

[MBG]

Да, но с атомами сложности понятны - в микромир мы не вхожи. А здесь вот оно все, буквально на ладонях - а не дотянуться. И в данном случае ситуация может в чем-то наоборот: понимание того, что мы должны увидеть есть - а получить доказательства не можем. И идет разговор на уровне: это хвост - да нет, это просто палка, это уши - да нет, это крылья и тп.
Должен быть какой-то простой способ, сколько раз уже убеждался, если решение усложняется до невозможности его исполнения, значит пропущено что-то удивительно простое.

[Gall]

Скорее всего пропущена физика.

Если бы я планировал исследования "с нуля", я бы попытался воспользоваться методами, на которых основана томография. Почти наверняка среда глаза изотропна, но неоднородна. Тогда ее можно описать скалярным полем ("поле" в математическом смысле). Если даже она анизотропна, ее можно описать тензорным полем (не путать торсионную составляющую этого поля (в математическом смысле) с псевдонаучными "торсионными полями", это "случайное" совпадение названий). Тогда для любого луча (хоть светового, хоть ультразвукового, хоть какого) можно будет написать систему уравнений, описывающую его прохождение через такую среду. Направляя луч какой-нибудь фиксированной формы на глаз, мы будем наблюдать, как этот луч фокусируется, размывается, "портится", то есть как глаз "решает" эту систему уравнений. Проделав это много раз с разными лучами и изображениями, можно будет собрать достаточно информации, чтобы решить уравнения "в обратную сторону" и найти и нарисовать соответствующее поле. Это и будет "томограмма".

Здесь я, по сути, описал аналог компьютерной томографии, но со световым лучом вместо рентгена.

[MBG]

Физика на хорошем уровне технического ВУЗа, 30 лет назад. Достаточно для понимания общей сути но, конечно, совершено недостаточно для понимания на уровне уравнений, тензоров и тп.
Да, сейчас уже есть оптические когерентные томографы (почему их называют когерентными когда там IR-светодиод, непонятно). Но они работают кусочно, по узким задачам и областям глаза. В целом - не умеют. Задача все-таки нетривиальная, это надо признать.
Кстати, если посмотреть на изображения роговицы на томограмме, то она имеет одну толщину на всем своем протяжении. А на деле она тоньше в середине и утолщается к краям. Это наводит на мысли о погрешностях модели.

[Gall]

Такое может быть, например, если не учитывать анизотропию. Либо если толщина роговицы и в самом деле меняется в зависимости от условий.

Так-то действительно хочется или томограф с лазером (восстановление волнового фронта по интерференции), либо даже скомбинировать методы. Интересно ультразвук с оптикой одновременно. Ультразвук создает в среде волны, а оптикой эти волны смотрим. Математика, конечно, будет мама-не-горюй.

[MBG]

Такое может быть, например, если не учитывать анизотропию. Либо если толщина роговицы и в самом деле меняется в зависимости от условий.

И меняется, и не учитывают. Мы практически ничего не знаем об этой маленькой вселенной, которая меняется каждый десяток-другой миллисекунд. Там парадокс на парадоксе. Это удивительно, но это так.

Так-то действительно хочется или томограф с лазером (восстановление волнового фронта по интерференции), либо даже скомбинировать методы. Интересно ультразвук с оптикой одновременно. Ультразвук создает в среде волны, а оптикой эти волны смотрим. Математика, конечно, будет мама-не-горюй.

УЗИ биомикроскопию делают, но картинки получаются "размазанными", и глубина скана макс 15 мм. На сетчатку что упало то пропало. А вот лазером почему-то не светят. Может ширины СЛИР-диода считают достаточно. И методики эти работают только в стерильных визуальных условиях, что практически сводит на нет все получаемые "результаты".
Что же касается математики, то мы ведь умеем считать только то что нам известно, а оптика глаза для нас непознана, глаз много сложнее самого сложного объектива + все время в движении.
Как-то проще имхо можно его увидеть в работе.

[Gall]

С математикой такая штука. Можно ведь взять самую общую модель: показатель преломления как метрический тензор и коэффициент поглощения аналогично. Разбить глаз на вокселы с заданным разрешением и по имеющейся информации решать систему уравнений. Это абсолютно универсальный способ, не зависящий от наших знаний, но требующий очень много информации. Собрать эту информацию можно, пропуская через глаз простые изображения (но не такие простые, как одна точка). Лазером удобнее. Оптическая схема примерно такая: конденсор, слайд с картинкой, объектив, глаз, объектив, камера. Слайды надо менять очень быстро (и камера должна быть быстрой), чтобы успевать делать снимки быстрее движения глаза. По достаточно большому количеству таких картинок можно сделать томограмму.

[MBG]

Полный набор параметров больше: поглощение, рассеивание, преломление, отражение, граничные эффекты, как функция длины волны от 380 до 780. И все это для каждого частного элемента матрицы. Даже если не брать весь объем, а нарезать по меридианам через, скажем, 10град - все равно это очень много.
Время саккад, по разным данным - от 10 до 150 мс, старт-стоп и направление неизвестны, значит время цикла до 10 мс, львиную часть выборок надо будет отбрасывать (по неочевидным критериям). Это очень высокие требования к технике и обработке. Можно выбрать только четверть сектора, например, но это приведет к сильному упрощению результатов, при сохранении всех исходных сложностей (глаз умеет работать по отдельным меридианам).

Имхо на этом пути видится титанический труд с плохо прогнозируемыми результатами.

С другой стороны, при любых раскладах мы имеем четкие границы оптических сред, пусть и с близкими параметрами. Все, что нужно - это просто увидеть их.

[Gall]

Полный набор параметров больше: поглощение, рассеивание, преломление, отражение, граничные эффекты, как функция длины волны от 380 до 780. И все это для каждого частного элемента матрицы.

На самом деле гораздо проще. Эти параметры не независимы. В действительности есть только поглощение и преломление (оба как функция длины волны), зависящие от направления (заданные тензором). Все остальные эффекты - рассеивание, отражение, граница - это всего лишь частный случай того, что бывает при резком изменении показателя преломления в какой-то точке. Поэтому в общей модели они будут получаться как следствие, т.е. их не придется вводить в модель отдельно. Если исследовать лазером, то длина волны будет фиксированной (зависимость от длины волны потеряем, зато на одной длине волны измерим все предельно точно).

Время саккад, по разным данным - от 10 до 150 мс, старт-стоп и направление неизвестны, значит время цикла до 10 мс, львиную часть выборок надо будет отбрасывать (по неочевидным критериям).

По статистическим, разумеется - после получения результата. Из большой серии измерений выбрать те, которые дают примерно одинаковые результаты. Все "неповторимые" вещи считать ошибками.

Это очень высокие требования к технике и обработке.

К математической обработке - да, модель из волновой оптики построить придется очень аккуратно и обратную задачу решать с регуляризацией. Техника - не так страшен черт: 10 мс - это очень много, 120 мс - вообще огромное время. Надо лишь подобрать достаточно быструю камеру. Скоростные камеры на 1000 кадров в секунду существуют. Цвет не нужен. Обработку можно делать потом, медленно.

С другой стороны, при любых раскладах мы имеем четкие границы оптических сред, пусть и с близкими параметрами. Все, что нужно - это просто увидеть их.

А также и нечеткие. Можно считать среду как имеющую "границу в каждой точке" (описать все тензором), тогда граничные эффекты и рассеяние получатся из математики сами собой. Можно для начала попробовать посчитать среду как изотропную, неоднородную - анизотропия там конечно есть, но в любом случае не как у жидкого кристалла, а то бы мы поляризацию невооруженным глазом видели. Это два скалярных поля - преломление и поглощение. Градиенты полей соответствуют отражению и рассеянию.

[MBG]

Хорошо, предположим скоростные камеры существуют, математика сложна, но реальна, даже если так - все упрется в итоге в трех слонов: люди, время, деньги. А здесь по несколько нулей.. до запятой, далеко не частная задача, которая по силам паре рук и голов.

На деле - роговица, хрусталик, сетчатка анизотропны, обладают двулучепреломлением, не учитывать это нельзя, получим обычную оптику. Хроматическая аберрация по краям диапазона достигает 2-2,5 дптр и глаз как-то умудряется решать эту задачу, и это не недостаток оптики, как принято думать, а изначально заложенное полезное свойство, которое он использует. Оптические параметры сред в каждой точке известны лишь приближенно, интерполяцией неких табличных значений, без оценки достоверности данных. В этих условиях любое численное описание элементов будет носить приближенных характер со всеми вытекающими для результатов последствиями. Если все это можно победить - то остаются три слона. Имхо.

*Поляризацию невооруженным глазом мы таки видим - см. "фигура Гейдингера"

[Gall]

Хорошо, предположим скоростные камеры существуют, математика сложна, но реальна, даже если так - все упрется в итоге в трех слонов: люди, время, деньги. А здесь по несколько нулей.. до запятой, далеко не частная задача, которая по силам паре рук и голов.

Это-то понятно... Другое дело, что вся неисследованность отсюда и происходит.

На деле - роговица, хрусталик, сетчатка анизотропны, обладают двулучепреломлением, не учитывать это нельзя, получим обычную оптику.

Конечно. Другое дело, что можно построить довольно точную приблизительную модель без учета анизотропии, а анизотропию учесть уже потом. Уточнять всегда проще, чем строить с нуля.

Можно за 0-е приближение взять имеющиеся данные о строении, за 1-е приближение - оптику без учета анизотропии, затем "включить" анизотропию.

Хроматическая аберрация по краям диапазона достигает 2-2,5 дптр и глаз как-то умудряется решать эту задачу, и это не недостаток оптики, как принято думать, а изначально заложенное полезное свойство, которое он использует.

Дисперсию проще измерить просто отдельно. Измерить несколько раз на разных длинах волн. Если уметь измерять на одной длине волны, то повторение измерений на других длинах волн уже не будет проблемой. В общем-то какая разница, какой лазер ставить.

Оптические параметры сред в каждой точке известны лишь приближенно, интерполяцией неких табличных значений, без оценки достоверности данных. В этих условиях любое численное описание элементов будет носить приближенных характер со всеми вытекающими для результатов последствиями.

Так это вообще во всей науке всегда так! Мы никогда не знаем никакую величину точно. Мы можем только узнать ее с некоторым возможным приближением, а цель любого измерения - получить более точное приближение. Успокаиваемся мы тогда, когда нам хватает точности для наших целей. В данном случае цель проста: получить данные просто немного точнее, чем любые уже имеющиеся. Если ничего нового не будет - попробовать сделать еще немного точнее. Рано или поздно будет либо открытие, либо понимание, что открытия точно не будет.

*Поляризацию невооруженным глазом мы таки видим - см. "фигура Гейдингера"

Было бы удивительно, если бы глаз поляризацию совсем не видел. Даже при идеальной изотропии любая идеальная линза слегка фильтрует свет по поляризации просто в силу того, что свет на ее поверхность падает под углом. Вообще любая неоднородность равноценна анизотропии, потому что неоднородность всегда расположена в каком-то направлении, и даже граница с воздухом - не исключение. Я-то имел в виду, что четкого различия света по поляризации глаз очевидно не делает, а значит, двупреломление и анизотропия достаточно малы, чтобы включить их только во втором приближении, а в первом - пренебречь.

Я не претендую на какие-то практические рекомендации, просто по личному опыту знаю, как важны в подобных случаях приемы из "смежных областей". Если исчерпаны все "простые" возможности - значит, можно попробовать методы, например, из минералогии, кристаллографии. Что же до математики, то я лично считаю математику самым дешевым способом решения таких проблем: ничего, кроме карандаша, бумаги и, быть может, компьютера и свободного времени, не требуется. Сложная математическая обработка в известной мере компенсирует отсутствие дорогого экспериментального оборудования, а сделать ее часто под силу одному человеку с ноутбуком.

[MBG]

Это-то понятно... Другое дело, что вся неисследованность отсюда и происходит.

В том-то и дело.

Конечно. Другое дело, что можно построить довольно точную приблизительную модель без учета анизотропии, а анизотропию учесть уже потом. Уточнять всегда проще, чем строить с нуля.

Может и так можно. Имхо в данном случае сложность в том, что неизвестно, где можно упростить без потерь, а где то главное, что нужно учитывать сразу же. Например, почему с нарушением зрения (дальнозоркость, близорукость и тп) растет хроматическая аберрация? Какой механизм? Если у Вас не единица зрение, то это легко видеть на ТИС с разной длиной волны.

Дисперсию проще измерить просто отдельно.... В общем-то какая разница, какой лазер ставить.

Согласен.

Так это вообще во всей науке всегда так! Мы никогда не знаем никакую величину точно. Мы можем только узнать ее с некоторым возможным приближением, а цель любого измерения - получить более точное приближение.

Это так. Но здесь мы не видим самой измеряемой величины, не знаем что именно измерять, в этом сложность. Какой именно болт запускает всю эту машину? Неизвестно. Нужно найти сначала этот болт, потом вести измерения.
Все существующие модели глаза просто не работают, не соответствуют тому, что мы реально видим. А ведь под них написаны десятки, тысячи трудов, диссертаций и тп., что-то там объясняющих и даже получающих какие-то результаты. На заре своих опытов я начинал считать эти модели, думал дело просто в точности. Бросил, потому что оказалось что модели в корне неверны, нечего там считать - нужно сначала менять модель.
Идея посчитать пространство матрицей по опытным данным, без модели, хороша... но три слона!

Было бы удивительно, если бы глаз поляризацию совсем не видел. Даже при идеальной изотропии любая идеальная линза слегка фильтрует свет по поляризации просто в силу того, что свет на ее поверхность падает под углом.
Я-то имел в виду, что четкого различия света по поляризации глаз очевидно не делает, а значит, двупреломление и анизотропия достаточно малы, чтобы включить их только во втором приближении, а в первом - пренебречь.

Может и так.

Я не претендую на какие-то практические рекомендации, просто по личному опыту знаю, как важны в подобных случаях приемы из "смежных областей".

Полностью согласен. Все, что я знаю о работе глаза - это заслуга именно широкого кругозора и знаний в совершенно казалось бы не относящихся к теме областях.

Что же до математики, то я лично считаю математику самым дешевым способом решения таких проблем: ничего, кроме карандаша, бумаги и, быть может, компьютера и свободного времени, не требуется. Сложная математическая обработка в известной мере компенсирует отсутствие дорогого экспериментального оборудования, а сделать ее часто под силу одному человеку с ноутбуком.

Все верно, но увы, этот человек не я.. И еще я плохо представляю, как можно очень быстро менять лазерные картинки в 10мс-цикле. Ведь любая механика дребезжит? Хотя скорость в данном случае, видимо, можно просто заменить большой количеством замеров с последуюшей выборкой из них тех, что прошли без помех.
*Подумалось - может это быстро вращающийся диск в картинками по диаметру и лазер стробоскопом?