眼的光學(xué)系統(tǒng)

1、眼的光學(xué)系統(tǒng),第一節(jié) 幾何光學(xué)基礎(chǔ),當(dāng)兩種不同折射率的透明媒質(zhì)的分界面為球面的一部分時(shí)，所產(chǎn)生的折射現(xiàn)象稱為單球面折射。,,,一、單球面折射,,此式為單球面成像公式,二、共軸球面系統(tǒng),如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的折射面的曲率中心在同一直線上，它們便組成共軸球面系統(tǒng)。,共軸球面系統(tǒng)的成像決定于入射光依次在每一個(gè)折射面上的折射結(jié)果。,,薄透鏡成像公式：,稱為薄透鏡公式的高斯形式,三、透鏡成像,薄透鏡的焦距越短，它對(duì)光線的會(huì)聚或發(fā)散本領(lǐng)越強(qiáng)

2、，所以人們用焦距的倒數(shù)來表示透鏡對(duì)光線的會(huì)聚或發(fā)散本領(lǐng)，稱為透鏡的焦度，即 ?=1/f 。當(dāng)焦距以米為單位時(shí)，焦度的單位為屈光度。會(huì)聚透鏡的焦度為正，發(fā)散透鏡的為負(fù)。在配制眼鏡時(shí)常以度為單位，它們之間的關(guān)系是1屈光度等于100度。,另：,薄透鏡組合,兩個(gè)或兩個(gè)以上薄透鏡組成的共軸系統(tǒng)，稱為薄透鏡組合，簡(jiǎn)稱透鏡組。,解題方法： 應(yīng)用薄透鏡成像公式，采用逐次成像法求出，即先求出第一透鏡所成的像，此像作為第二透鏡的的物，求出第

3、二次所成的像，依此類推，直至最后一透鏡成像的位置，便是物體經(jīng)過透鏡組成的像。,設(shè)兩個(gè)透鏡的焦距分別為 f1,f2 ，透鏡組的物距為 u ,相距為 v 。,對(duì)第一個(gè)透鏡：,例,對(duì)第二個(gè)透鏡：,對(duì)第一個(gè)透鏡：,對(duì)第二個(gè)透鏡：,兩式相加：,即：緊密接觸的透鏡組的等效焦距的倒數(shù)等于組成它的各透鏡的焦距的倒數(shù)之和。,四、厚透鏡,厚透鏡與薄透鏡不同的是兩折射面之間的厚度不能忽略。,1、兩焦點(diǎn),2、兩主點(diǎn),3、兩節(jié)點(diǎn),4、作圖法,四、柱面透鏡,五

4、、透鏡的像差,1、球面像差,原因：遠(yuǎn)軸光線比近軸光線經(jīng)透鏡折射后偏折得多些,球面像差的矯正,2、色像差,原因：不同顏色的光其折射率也不同,色像差的矯正,眼睛,第二節(jié) 眼的光學(xué)結(jié)構(gòu),角膜,房水,虹膜,瞳孔,晶狀體,視網(wǎng)膜,玻璃體,一、眼的光學(xué)結(jié)構(gòu),眼的屈光系統(tǒng),視網(wǎng)膜,共十層，前8層對(duì)光的感覺不靈敏，第9層分布有錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞，第10層直接與脈絡(luò)膜相聯(lián)。,古氏平均眼,二、古氏眼和簡(jiǎn)約眼,眼的各種光學(xué)常數(shù),,,,,,,,,未調(diào)節(jié),

5、最大調(diào)節(jié),未調(diào)節(jié),最大調(diào)節(jié),折射率,角膜,玻璃體,晶狀體外層,晶狀體內(nèi)層,曲率半徑,前角膜,后角膜,晶狀體前表面,晶狀體后表面,1.376,1.38,1.336,1.41,7.8,6.8,-6.0,10,1.376,1.336,1.38,1.41,7.8,6.8,5.33,-5.33,整個(gè)眼睛系統(tǒng),焦度,第一主點(diǎn)距離,第二主點(diǎn)距離,第一焦點(diǎn)距離,第二焦點(diǎn)距離,第一節(jié)點(diǎn)距離,第二節(jié)點(diǎn)距離,第一焦距,第二焦距,58.64,70.57,1.3

6、84,1.772,1.602,2.086,-15.707,-12.397,24.287,21.016,6.9,6.5,7.3,6.9,-17.055,-14.169,22.785,18.930,簡(jiǎn)約眼,生理學(xué)上常把眼睛簡(jiǎn)化為一個(gè)單球面折射系統(tǒng)，凸球面代表角膜，n＝1.33，r=5mm，f1=15mm，f2=20mm Φ=66D,三、眼的調(diào)節(jié),眼的焦度能在一定范圍內(nèi)自動(dòng)改變，才能將遠(yuǎn)近不同的成像在視網(wǎng)膜上，眼睛能改變自身焦度的本領(lǐng)叫眼的

7、調(diào)節(jié)。,遠(yuǎn)點(diǎn)：眼睛不調(diào)節(jié)能看清的物點(diǎn)到眼睛的距離稱為遠(yuǎn)點(diǎn)。正常視力的人的遠(yuǎn)點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處。,明視距離：在適當(dāng)光照下，最適宜而不易引起眼睛疲勞的距離為25cm。,近點(diǎn)：眼睛最大調(diào)節(jié)能看清的物點(diǎn)到眼睛的距離稱為近點(diǎn)。正常視力的人的近點(diǎn)在10－12cm遠(yuǎn)處。,四、眼的屈光不正及其矯正,正視眼：眼睛不調(diào)節(jié)時(shí)，若平行光進(jìn)入眼內(nèi)經(jīng)過折射后剛好成像于視網(wǎng)膜上形成一清晰的像。,非正視眼包括：近視眼、遠(yuǎn)視眼和散光眼,1、近視眼：眼睛不調(diào)節(jié)時(shí)，若平行光進(jìn)入眼

8、內(nèi)經(jīng)過折射后匯聚于視網(wǎng)膜前。,近視眼的矯正,加發(fā)散透鏡,遠(yuǎn)點(diǎn),一近視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)在眼前50cm處，今欲使其看清無限遠(yuǎn)處的物體，則應(yīng)配戴多少度的眼鏡？,解： 設(shè)眼鏡的焦距為f,u= ,v=50cm,2、遠(yuǎn)視眼：眼睛不調(diào)節(jié)時(shí)，若平行光進(jìn)入眼內(nèi)經(jīng)過折射后匯聚于視網(wǎng)膜后。,遠(yuǎn)視眼的矯正,加匯聚透鏡,遠(yuǎn)點(diǎn),一遠(yuǎn)視眼的近點(diǎn)在眼前1.2m處，今欲使其看清眼前12cm處的物體，則應(yīng)配戴怎樣的眼鏡？,解： 設(shè)眼鏡的焦距為f,u=0.12m,v=-1.2

9、m,,3、散光眼：散光眼的縱向子午線最短，橫向子午線最長，其他方向的子午線介于兩者之間。,散光眼的矯正是配戴適當(dāng)焦度的柱面透鏡，以矯正屈光不正常的子午面的焦度。,五、眼的象差,1、色象差,原因：從紅光到紫光的折射率不同，成象位置不同,如：波長589.3nm，59D，波長486.1nm，60D，相差1D，最大相差2.25D,對(duì)黃綠光最敏感，色差對(duì)機(jī)能影響不大,2、球面象差,角膜球面非球面；晶狀體中心折射率大；中央亮度感覺比周圍強(qiáng)。,第

10、三節(jié) 光的主觀感覺 光度學(xué),眼睛在感受光刺激時(shí)，能比較光的強(qiáng)弱；同時(shí)還能區(qū)別光色的能力。,光度學(xué) 色度學(xué),一、輻射通量和光通量,1、輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一面積的全部輻射能。,2、光通量：輻射通量中能夠引起視覺的部分，也叫光流單位：流明,3、視見函數(shù)：相同的光通量引起不同的明亮感覺，人眼對(duì)各種不同波長的光的相對(duì)敏感度的數(shù)量。,二、發(fā)光強(qiáng)度、照度、面發(fā)光度和光源的亮度,1、發(fā)光強(qiáng)度：?jiǎn)挝涣Ⅲw角內(nèi)的光通量。單位：

11、坎德拉,2、照度：受照面被照明的程度，單位面積上的光通量。 單位：輻透,3、面發(fā)光度：從某一面上發(fā)出的光通量，單位面積上發(fā)出的光通量。單位：輻透,4、亮度：對(duì)點(diǎn)光源而言，表征發(fā)光強(qiáng)弱并與發(fā)光表面特性有關(guān)的物理量，表示單位面積的光源在法線方向單位立體角內(nèi)傳送出去的光通量。單位：熙提,第四節(jié) 眼的視覺,光覺：使我們能感覺光的存在，并能區(qū)分光的強(qiáng)弱,形覺：使我們感覺到物體的遠(yuǎn)近、大小、并產(chǎn)生立體感覺,色覺：使我們有顏色的感覺，并能比

12、較兩種不同的顏色,一、眼的光覺和適應(yīng),視覺產(chǎn)生的原因：由輻射體發(fā)出的光通量進(jìn)入眼睛后在網(wǎng)膜上成象，引起光刺激，使我們能區(qū)別被觀察物體的亮度和照度，以及區(qū)分物體的遠(yuǎn)近、大小和顏色等，即使我們引起視覺。,決定視覺的因素：物體的亮度、物體周圍的照度、成象的位置，以及觀察者所處的環(huán)境。,適應(yīng)：錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞受光照射時(shí)，感光物質(zhì)分解，刺激神經(jīng)末梢，就引起光感覺。感光物質(zhì)不斷分解，同時(shí)又不斷地產(chǎn)生，對(duì)于任何照度眼睛都能自動(dòng)調(diào)節(jié)，使感光物質(zhì)的存量

13、適度，眼睛對(duì)一定照度適應(yīng)的過程。,暗適應(yīng)：從亮到暗，就有盲瞎的感覺，開始什么也看不見，然后逐漸分辨出周圍的物體，敏感度由慢到快到慢，整個(gè)過程需要一定時(shí)間。,明適應(yīng)：從暗到明，眼睛會(huì)有發(fā)痛的感覺，辨別周圍物體細(xì)節(jié)的能力大為降低，經(jīng)過一定時(shí)間后才適應(yīng)光亮而回復(fù)正常的視覺。,暗夜亮度10-8熙提，瞳孔直徑8mm；日光照射2熙提，瞳孔直徑2mm。光通量變化時(shí)，波長長的亮度變化 快。,二、眼的分辨本領(lǐng),1、視角：從眼的第一節(jié)點(diǎn)到被觀察兩點(diǎn)所聯(lián)

14、直線的夾角。,物體的遠(yuǎn)近，物體的大小,2、視力：能分辨最小視角的倒數(shù)。,1分即視力即為1，2分為0.5，0.67分為1.5。,眼的分辨本領(lǐng)隨著對(duì)象的亮度、眼的適應(yīng)、光波的波長和瞳孔的大小等因素而變，同時(shí)還與背景的亮度、成象的部位有關(guān)。,瞳孔大?。海?）增加光通量；（2）減少衍射斑；（3）形成象差。3mm為好,單眼、雙眼成象，對(duì)稱，心理生理。,三、眼的色覺,1、色調(diào)：?jiǎn)我徊ㄩL引起的視覺。,2、飽和度：實(shí)際上不是單色光，含有白光，濃度降低，

15、濃淡的程度。,3、亮度：明暗的不同。,能分辨光譜中的150種，另外光譜中沒有30種絳色。,4、互補(bǔ)色：相混合后得非彩色（白色或灰色）,紅色和青綠色，橙色和青色，黃色和藍(lán)色，綠黃色和紫色，綠色和絳色,5、三原色：紅色(700nm)，綠色(520nm)，藍(lán)色(420nm),6、色覺理論,三色學(xué)說：錐細(xì)胞分別感受三種顏色,三種傳入神經(jīng)纖維，由粗到細(xì)，分別傳導(dǎo)紅、綠、藍(lán),解釋： （1）色盲，某種感受器的缺陷； （2）色混合

16、，是光對(duì)不同感受器作用的結(jié)果； （3）互補(bǔ)色為三色的混合。,大腦皮質(zhì)進(jìn)行最后的分析和綜合，在大腦皮質(zhì)興奮和抑制時(shí)，對(duì)顏色的敏感度會(huì)發(fā)生改變。在大腦皮質(zhì)疾患時(shí)，色覺可以完全喪失或者部分發(fā)生障礙。,第四節(jié) 幾種醫(yī)用光學(xué)儀器,一、放大鏡,角放大率,二、光學(xué)顯微鏡,1. 顯微鏡的光學(xué)原理,點(diǎn)光源經(jīng)過光學(xué)儀器的小圓孔后，由于衍射的影響，所成的象不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)明暗相間的圓形光斑。,2.光學(xué)儀器的分辨率,中央最亮的亮斑稱為愛里斑。,

17、瑞利判據(jù)：如果一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖象的中央最亮處剛好與另一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖象第一個(gè)最暗處相重合，認(rèn)為這兩個(gè)點(diǎn)光源恰好能為這一光學(xué)儀器所分辨。,圓孔衍射的第一級(jí)極小值由下式給出：,最小分辨角為：,最小分辨角的倒數(shù) 稱為光學(xué)儀器的分辨率,3. 顯微鏡的分辨本領(lǐng),根據(jù)顯微鏡的具體使用情況,阿貝指出:物體所能分辨兩點(diǎn)之間的最短距離為:,式中λ是光波的波長,n是物鏡與標(biāo)本之間媒質(zhì)的折射率,u為物點(diǎn)發(fā)出的光線與物鏡邊緣所成錐角的一半。nsi

18、nu稱為數(shù)值孔徑，用N.A表示,可見物鏡孔徑數(shù)越大、照射光波長越短，顯微鏡能分辨的最短距離越小，越能看清物體的細(xì)節(jié)，顯微鏡的分辨本領(lǐng)也越強(qiáng),提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)的方法之一是：增大物鏡的孔徑數(shù),如利用油浸物鏡增大n和u值。通常情況下，顯微鏡物鏡和標(biāo)本之間的媒質(zhì)是空氣(稱為干物鏡)，如圖14-28(a)。它的孔徑數(shù)nsinu值最大只能達(dá)到0．95，這是因?yàn)樽訮點(diǎn)發(fā)出的光束到達(dá)蓋玻片與空氣界面時(shí)，部分光線因?yàn)檎凵洹⑷瓷洳荒苓M(jìn)人物鏡，進(jìn)人物

19、鏡的光束錐角較小。如果在物鏡與蓋玻片之間滴人折射率較大的透明液體，如香柏油(n=1.5)，可將物鏡的孔徑數(shù)nsinu增大到1.5，此即油浸物鏡，如圖14-28(b)。油浸物鏡不僅提高了顯微鏡的分辨本領(lǐng)，而且避免全反射的產(chǎn)生，增強(qiáng)了像的亮度。,另一種方法是減小照射波的波長。,如：用數(shù)值孔徑為1.5的高級(jí)油浸物鏡，用可見光（550nm），顯微鏡能分辨的最短距離為223.7nm，若用波長為275nm的紫外光照明，分辨本領(lǐng)能提高一倍。,三、纖

20、鏡,纖鏡(fiberscope)又稱纖維內(nèi)鏡，由大量纖維細(xì)絲所組成，這些纖維細(xì)絲都是由透明度高的材料(如玻璃)拉制而成的。每根細(xì)纖維絲外表面均涂有一層折射率比纖維絲折射率還小的物質(zhì)，當(dāng)光束以入射角大于可以產(chǎn)生全反射的臨界角入射到纖維的側(cè)壁時(shí)，光束在側(cè)壁處產(chǎn)生全反射，全反射在纖維內(nèi)反復(fù)產(chǎn)生，光束沿著纖維向前傳播而不向外泄露。,這就要求從纖鏡表面入射的光線，其入射角不能超過某i值時(shí)。則光束從纖鏡外入射到纖鏡端面光線不會(huì)向纖維側(cè)面泄露光的i角