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1、眼的光学系统眼的光学系统眼的光学系统眼的光学系统第一节第一节第一节第一节 几何光学基础几何光学基础几何光学基础几何光学基础 当两种不同折射率的透明媒质的分界面为球面当两种不同折射率的透明媒质的分界面为球面当两种不同折射率的透明媒质的分界面为球面当两种不同折射率的透明媒质的分界面为球面的一部分时，所产生的折射现象称为单球面折射。的一部分时，所产生的折射现象称为单球面折射。的一部分时，所产生的折射现象称为单球面折射。的一部分时，所产生的折射现象称为单球面折射。一、单球面折射一、单球面折射一、单球面折射一、单球面折射 此式为单球面成像公式此式为单球面成像公式此式为单球面成像公式此式为单球面成像公式二
2、、共轴球面系统二、共轴球面系统二、共轴球面系统二、共轴球面系统 如果两个或两个以上的折射面的曲率中心在同一如果两个或两个以上的折射面的曲率中心在同一如果两个或两个以上的折射面的曲率中心在同一如果两个或两个以上的折射面的曲率中心在同一直线上，它们便组成共轴球面系统。直线上，它们便组成共轴球面系统。直线上，它们便组成共轴球面系统。直线上，它们便组成共轴球面系统。 共轴球面系统的成像决定于入射光依次在共轴球面系统的成像决定于入射光依次在共轴球面系统的成像决定于入射光依次在共轴球面系统的成像决定于入射光依次在每一个折射面上的折射结果。每一个折射面上的折射结果。每一个折射面上的折射结果。每一个折射面上的
3、折射结果。薄透镜成像公式：薄透镜成像公式：薄透镜成像公式：薄透镜成像公式：称为薄透镜公称为薄透镜公称为薄透镜公称为薄透镜公式的高斯形式式的高斯形式式的高斯形式式的高斯形式三、透镜成像 薄透镜的焦距越短，它对光线的会聚或发薄透镜的焦距越短，它对光线的会聚或发薄透镜的焦距越短，它对光线的会聚或发薄透镜的焦距越短，它对光线的会聚或发散本领越强，所以人们用焦距的倒数来表示透散本领越强，所以人们用焦距的倒数来表示透散本领越强，所以人们用焦距的倒数来表示透散本领越强，所以人们用焦距的倒数来表示透镜对光线的会聚或发散本领，称为透镜的焦度，镜对光线的会聚或发散本领，称为透镜的焦度，镜对光线的会聚或发散本领，称
4、为透镜的焦度，镜对光线的会聚或发散本领，称为透镜的焦度，即即即即 =1/=1/f f 。当焦距以米为单位时，焦度的单位。当焦距以米为单位时，焦度的单位。当焦距以米为单位时，焦度的单位。当焦距以米为单位时，焦度的单位为屈光度。会聚透镜的焦度为正，发散透镜的为屈光度。会聚透镜的焦度为正，发散透镜的为屈光度。会聚透镜的焦度为正，发散透镜的为屈光度。会聚透镜的焦度为正，发散透镜的为负。在配制眼镜时常以度为单位，它们之间为负。在配制眼镜时常以度为单位，它们之间为负。在配制眼镜时常以度为单位，它们之间为负。在配制眼镜时常以度为单位，它们之间的关系是的关系是的关系是的关系是1 1屈光度等于屈光度等于屈光度等
5、于屈光度等于100100度。度。度。度。另：另：另：另：薄透镜组合薄透镜组合薄透镜组合薄透镜组合 两个或两个以上薄透镜组成的共轴系统，称两个或两个以上薄透镜组成的共轴系统，称两个或两个以上薄透镜组成的共轴系统，称两个或两个以上薄透镜组成的共轴系统，称为薄透镜组合，简称透镜组。为薄透镜组合，简称透镜组。为薄透镜组合，简称透镜组。为薄透镜组合，简称透镜组。解题方法：解题方法：解题方法：解题方法： 应用薄透镜成像公式，采用逐次成像法求出，应用薄透镜成像公式，采用逐次成像法求出，应用薄透镜成像公式，采用逐次成像法求出，应用薄透镜成像公式，采用逐次成像法求出，即先求出第一透镜所成的像，此像作为第二透镜即
6、先求出第一透镜所成的像，此像作为第二透镜即先求出第一透镜所成的像，此像作为第二透镜即先求出第一透镜所成的像，此像作为第二透镜的的物，求出第二次所成的像，依此类推，直至的的物，求出第二次所成的像，依此类推，直至的的物，求出第二次所成的像，依此类推，直至的的物，求出第二次所成的像，依此类推，直至最后一透镜成像的位置，便是物体经过透镜组成最后一透镜成像的位置，便是物体经过透镜组成最后一透镜成像的位置，便是物体经过透镜组成最后一透镜成像的位置，便是物体经过透镜组成的像。的像。的像。的像。设两个透镜的焦距分别为设两个透镜的焦距分别为设两个透镜的焦距分别为设两个透镜的焦距分别为 f f11,f ,f22
7、，透镜组的物距为，透镜组的物距为，透镜组的物距为，透镜组的物距为 u ,u ,相距为相距为相距为相距为 v v 。对第一个透镜：对第一个透镜：对第一个透镜：对第一个透镜：例例例例对第二个透镜：对第二个透镜：对第二个透镜：对第二个透镜：对第一个透镜：对第一个透镜：对第一个透镜：对第一个透镜：对第二个透镜：对第二个透镜：对第二个透镜：对第二个透镜：两式相加：两式相加：两式相加：两式相加：即：紧密接触的透镜组的等效焦距的倒数等于组即：紧密接触的透镜组的等效焦距的倒数等于组成它的各透镜的焦距的倒数之和。成它的各透镜的焦距的倒数之和。四、厚透镜四、厚透镜四、厚透镜四、厚透镜厚透镜与薄透镜不同的是两折射面
8、之间的厚度不能忽略。厚透镜与薄透镜不同的是两折射面之间的厚度不能忽略。厚透镜与薄透镜不同的是两折射面之间的厚度不能忽略。厚透镜与薄透镜不同的是两折射面之间的厚度不能忽略。1 1、两焦点、两焦点、两焦点、两焦点2 2、两主点、两主点、两主点、两主点3 3、两节点、两节点、两节点、两节点4 4、作图法、作图法、作图法、作图法四、柱面透镜四、柱面透镜四、柱面透镜四、柱面透镜五、透镜的像差五、透镜的像差五、透镜的像差五、透镜的像差1 1、球面像差、球面像差、球面像差、球面像差原因：远轴光线比近轴光线经透镜折射后偏折得多些原因：远轴光线比近轴光线经透镜折射后偏折得多些原因：远轴光线比近轴光线经透镜折射后
9、偏折得多些原因：远轴光线比近轴光线经透镜折射后偏折得多些球面像差的矫正球面像差的矫正球面像差的矫正球面像差的矫正2 2、色像差、色像差、色像差、色像差原因：不同颜色的光其折射率也不同原因：不同颜色的光其折射率也不同原因：不同颜色的光其折射率也不同原因：不同颜色的光其折射率也不同色像差的矫正色像差的矫正色像差的矫正色像差的矫正 眼睛眼睛眼睛眼睛第二节第二节第二节第二节 眼的光学结构眼的光学结构眼的光学结构眼的光学结构角角膜膜房房水水虹虹膜膜瞳瞳孔孔晶晶状状体体视视网网膜膜玻玻璃璃体体一、眼的光学结构一、眼的光学结构一、眼的光学结构一、眼的光学结构眼的屈光系统眼的屈光系统眼的屈光系统眼的屈光系统角
10、角膜膜房房水水晶晶状状体体玻玻璃璃体体视网膜视网膜视网膜视网膜共十层，前8层对光的感觉不灵敏，第9层分布有锥状细胞和杆状细胞，第10层直接与脉络膜相联。古氏平均眼古氏平均眼古氏平均眼古氏平均眼二、古氏眼和简约眼眼的各种光学常数未调节最大调节未调节最大调节折射率角膜玻璃体晶状体外层晶状体内层曲率半径前角膜后角膜晶状体前表面晶状体后表面1.3761.38 1.3361.417.86.8-6.0101.376 1.3361.381.417.86.85.33-5.33整个眼睛系统焦度第一主点距离第二主点距离第一焦点距离第二焦点距离第一节点距离第二节点距离第一焦距第二焦距58.6470.571.3841
11、.7721.6022.086-15.707-12.39724.28721.0166.96.57.36.9-17.055-14.16922.78518.930简约眼简约眼简约眼简约眼生理学上常把眼睛简化为一个单球面折射系统，凸球面代表生理学上常把眼睛简化为一个单球面折射系统，凸球面代表生理学上常把眼睛简化为一个单球面折射系统，凸球面代表生理学上常把眼睛简化为一个单球面折射系统，凸球面代表角膜，角膜，角膜，角膜，n n1.331.33，r=5mmr=5mm，f1=15mmf1=15mm，f2=20mm f2=20mm =66D=66D三、眼的调节三、眼的调节三、眼的调节三、眼的调节 眼的焦度能在一
12、定范围内自动改变，才能将远近不同的成眼的焦度能在一定范围内自动改变，才能将远近不同的成眼的焦度能在一定范围内自动改变，才能将远近不同的成眼的焦度能在一定范围内自动改变，才能将远近不同的成像在视网膜上，眼睛能改变自身焦度的本领叫像在视网膜上，眼睛能改变自身焦度的本领叫像在视网膜上，眼睛能改变自身焦度的本领叫像在视网膜上，眼睛能改变自身焦度的本领叫眼的调节眼的调节眼的调节眼的调节。远点远点远点远点：眼睛不调节能看清的物点到眼睛的距离称为远点。：眼睛不调节能看清的物点到眼睛的距离称为远点。：眼睛不调节能看清的物点到眼睛的距离称为远点。：眼睛不调节能看清的物点到眼睛的距离称为远点。正常视力的人的远点在
13、无穷远处。正常视力的人的远点在无穷远处。正常视力的人的远点在无穷远处。正常视力的人的远点在无穷远处。明视距离明视距离明视距离明视距离：在适当光照下，最适宜而不易引起眼睛疲劳的：在适当光照下，最适宜而不易引起眼睛疲劳的：在适当光照下，最适宜而不易引起眼睛疲劳的：在适当光照下，最适宜而不易引起眼睛疲劳的距离为距离为距离为距离为25cm25cm。近点近点近点近点：眼睛最大调节能看清的物点到眼睛的距离称为近：眼睛最大调节能看清的物点到眼睛的距离称为近：眼睛最大调节能看清的物点到眼睛的距离称为近：眼睛最大调节能看清的物点到眼睛的距离称为近点。正常视力的人的近点在点。正常视力的人的近点在点。正常视力的人的
14、近点在点。正常视力的人的近点在101012cm12cm远处。远处。远处。远处。四、眼的屈光不正及其矫正四、眼的屈光不正及其矫正四、眼的屈光不正及其矫正四、眼的屈光不正及其矫正正视眼正视眼正视眼正视眼：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射后：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射后：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射后：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射后刚好成像于视网膜上形成一清晰的像。刚好成像于视网膜上形成一清晰的像。刚好成像于视网膜上形成一清晰的像。刚好成像于视网膜上形成一清晰的像。非正视眼包括：近视眼、远视眼和散光眼非正视眼包括：近视眼、远视眼和散光眼非正视眼包括：近视眼、远视
15、眼和散光眼非正视眼包括：近视眼、远视眼和散光眼1 1、近视眼近视眼近视眼近视眼：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射后汇聚于视网膜前。后汇聚于视网膜前。后汇聚于视网膜前。后汇聚于视网膜前。近视眼的矫正近视眼的矫正近视眼的矫正近视眼的矫正加发散透镜加发散透镜加发散透镜加发散透镜远远点点 一近视眼的远点在眼前一近视眼的远点在眼前一近视眼的远点在眼前一近视眼的远点在眼前50cm50cm处，今欲使其看清无限处，今欲使其看清无限处，今欲使其看清无限处，今欲使其看清无限远处的物体，则应
16、配戴多少度的眼镜？远处的物体，则应配戴多少度的眼镜？远处的物体，则应配戴多少度的眼镜？远处的物体，则应配戴多少度的眼镜？解：解：解：解： 设眼镜的焦距为设眼镜的焦距为设眼镜的焦距为设眼镜的焦距为f,u= ,v=50cmf,u= ,v=50cm2 2、远视眼远视眼远视眼远视眼：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射：眼睛不调节时，若平行光进入眼内经过折射后汇聚于视网膜后。后汇聚于视网膜后。后汇聚于视网膜后。后汇聚于视网膜后。远视眼的矫正远视眼的矫正远视眼的矫正远视眼的矫正加汇聚透镜加汇聚透镜加汇聚透镜加汇聚透镜远远点
17、点 一远视眼的近点在眼前一远视眼的近点在眼前一远视眼的近点在眼前一远视眼的近点在眼前1.2m1.2m处，今欲使其看清眼前处，今欲使其看清眼前处，今欲使其看清眼前处，今欲使其看清眼前12cm12cm处的物体，则应配戴怎样的眼镜？处的物体，则应配戴怎样的眼镜？处的物体，则应配戴怎样的眼镜？处的物体，则应配戴怎样的眼镜？解：解：解：解： 设眼镜的焦距为设眼镜的焦距为设眼镜的焦距为设眼镜的焦距为f,u=0.12m,v=-1.2mf,u=0.12m,v=-1.2m3 3、散光眼散光眼散光眼散光眼：散光眼的纵向子午线最短，横向子午线最长，：散光眼的纵向子午线最短，横向子午线最长，：散光眼的纵向子午线最短，
18、横向子午线最长，：散光眼的纵向子午线最短，横向子午线最长，其他方向的子午线介于两者之间。其他方向的子午线介于两者之间。其他方向的子午线介于两者之间。其他方向的子午线介于两者之间。散光眼的矫正是配戴适当焦度的柱面透镜，以矫正屈光散光眼的矫正是配戴适当焦度的柱面透镜，以矫正屈光散光眼的矫正是配戴适当焦度的柱面透镜，以矫正屈光散光眼的矫正是配戴适当焦度的柱面透镜，以矫正屈光不正常的子午面的焦度。不正常的子午面的焦度。不正常的子午面的焦度。不正常的子午面的焦度。五、眼的象差1、色象差原因：从红光到紫光的折射率不同，成象位置不同如：波长589.3nm，59D，波长486.1nm，60D，相差1D，最大相
19、差2.25D,对黄绿光最敏感，色差对机能影响不大2、球面象差角膜球面非球面；晶状体中心折射率大；中央亮度感觉比周围强。第三节 光的主观感觉 光度学眼睛在感受光刺激时，能比较光的强弱；同时还能区别光色的能力。光度学 色度学一、辐射通量和光通量1、辐射通量：单位时间内通过某一面积的全部辐射能。2、光通量：辐射通量中能够引起视觉的部分，也叫光流单位：流明3、视见函数：相同的光通量引起不同的明亮感觉，人眼对各种不同波长的光的相对敏感度的数量。 二、发光强度、照度、面发光度和光源的亮度1、发光强度：单位立体角内的光通量。单位：坎德拉2、照度：受照面被照明的程度，单位面积上的光通量。 单位：辐透3、面发光
20、度：从某一面上发出的光通量，单位面积上发出的光通量。单位：辐透4、亮度：对点光源而言，表征发光强弱并与发光表面特性有关的物理量，表示单位面积的光源在法线方向单位立体角内传送出去的光通量。单位：熙提第四节 眼的视觉光觉：使我们能感觉光的存在，并能区分光的强弱形觉：使我们感觉到物体的远近、大小、并产生立体感觉色觉：使我们有颜色的感觉，并能比较两种不同的颜色一、眼的光觉和适应视觉产生的原因：由辐射体发出的光通量进入眼睛后在网膜上成象，引起光刺激，使我们能区别被观察物体的亮度和照度，以及区分物体的远近、大小和颜色等，即使我们引起视觉。决定视觉的因素：物体的亮度、物体周围的照度、成象的位置，以及观察者所
21、处的环境。适应：锥状细胞和杆状细胞受光照射时，感光物质分解，刺激神经末梢，就引起光感觉。感光物质不断分解，同时又不断地产生，对于任何照度眼睛都能自动调节，使感光物质的存量适度，眼睛对一定照度适应的过程。暗适应：从亮到暗，就有盲瞎的感觉，开始什么也看不见，然后逐渐分辨出周围的物体，敏感度由慢到快到慢，整个过程需要一定时间。明适应：从暗到明，眼睛会有发痛的感觉，辨别周围物体细节的能力大为降低，经过一定时间后才适应光亮而回复正常的视觉。暗夜亮度10-8熙提，瞳孔直径8mm；日光照射2熙提，瞳孔直径2mm。光通量变化时，波长长的亮度变化 快。二、眼的分辨本领1、视角：从眼的第一节点到被观察两点所联直线
22、的夹角。物体的远近，物体的大小2、视力：能分辨最小视角的倒数。1分即视力即为1，2分为0.5，0.67分为1.5。眼的分辨本领随着对象的亮度、眼的适应、光波的波长和瞳孔的大小等因素而变，同时还与背景的亮度、成象的部位有关。瞳孔大小：（1）增加光通量；（2）减少衍射斑；（3）形成象差。3mm为好单眼、双眼成象，对称，心理生理。三、眼的色觉1、色调：单一波长引起的视觉。2、饱和度：实际上不是单色光，含有白光，浓度降低，浓淡的程度。3、亮度：明暗的不同。能分辨光谱中的150种，另外光谱中没有30种绛色。4、互补色：相混合后得非彩色（白色或灰色）红色和青绿色，橙色和青色，黄色和蓝色，绿黄色和紫色，绿色
23、和绛色5、三原色：红色(700nm)，绿色(520nm)，蓝色(420nm)6、色觉理论三色学说：锥细胞分别感受三种颜色三种传入神经纤维，由粗到细，分别传导红、绿、蓝解释： （1）色盲，某种感受器的缺陷； （2）色混合，是光对不同感受器作用的结果； （3）互补色为三色的混合。大脑皮质进行最后的分析和综合，在大脑皮质兴奋和抑制时，对颜色的敏感度会发生改变。在大脑皮质疾患时，色觉可以完全丧失或者部分发生障碍。第四节第四节第四节第四节 几种医用光学仪器几种医用光学仪器几种医用光学仪器几种医用光学仪器一、放大镜一、放大镜一、放大镜一、放大镜角放大率二、光学显微镜二、光学显微镜二、光学显微镜二、光学显微
24、镜1. 显微镜的光学原理 点光源经过光学仪器的小圆孔后，由于衍射的影响，点光源经过光学仪器的小圆孔后，由于衍射的影响，所成的象不是一个点而是一个明暗相间的圆形光斑。所成的象不是一个点而是一个明暗相间的圆形光斑。s1s2D*爱里斑爱里斑2.光学仪器的分辨率光学仪器的分辨率中央最亮的亮斑称为爱里斑。中央最亮的亮斑称为爱里斑。瑞利判据瑞利判据：如果一个点光源的衍射图象的中央最亮：如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗处相处刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗处相重合，认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所重合，认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。分辨。恰
25、恰能能分分辨辨能能分分辨辨不不能能分分辨辨s1s2 0 0D*圆孔衍射的第一级极小值由下式给出：圆孔衍射的第一级极小值由下式给出：Dsin1=1.22最小分辨角为：最小分辨角为：1.22D=11sin 0= 在恰能分辨时，两个点光源在透镜前所张的角度，在恰能分辨时，两个点光源在透镜前所张的角度，称为最小分辨角称为最小分辨角 0。1.22D0=1D光学仪器的透光孔径光学仪器的透光孔径最小分辨角的倒数最小分辨角的倒数 称为光学仪器的分辨率称为光学仪器的分辨率3. 显微镜的分辨本领 根据显微镜的具体使用情况,阿贝指出:物体所能分辨两点之间的最短距离为: 式中是光波的波长,n是物镜与标本之间媒质的折射
26、率,u为物点发出的光线与物镜边缘所成锥角的一半。nsinu称为数值孔径，用N.A表示可见物镜孔径数越大、照射光波长越短，显微镜能分辨的最短距离越小，越能看清物体的细节，显微镜的分辨本领也越强提高显微镜的分辨本领的方法之一是：增大物镜的孔径数 如利用油浸物镜增大n和u值。通常情况下，显微镜物镜和标本之间的媒质是空气(称为干物镜)，如图14-28(a)。它的孔径数nsinu值最大只能达到095，这是因为自P点发出的光束到达盖玻片与空气界面时，部分光线因为折射、全反射不能进人物镜，进人物镜的光束锥角较小。如果在物镜与盖玻片之间滴人折射率较大的透明液体，如香柏油(n=1.5)，可将物镜的孔径数nsin
27、u增大到1.5，此即油浸物镜，如图14-28(b)。油浸物镜不仅提高了显微镜的分辨本领，而且避免全反射的产生，增强了像的亮度。另一种方法是减小照射波的波长。如：用数值孔径为1.5的高级油浸物镜，用可见光（550nm），显微镜能分辨的最短距离为223.7nm，若用波长为275nm的紫外光照明，分辨本领能提高一倍。三、纤镜三、纤镜三、纤镜三、纤镜 纤镜(fiberscope)又称纤维内镜，由大量纤维细丝所组成，这些纤维细丝都是由透明度高的材料(如玻璃)拉制而成的。每根细纤维丝外表面均涂有一层折射率比纤维丝折射率还小的物质，当光束以入射角大于可以产生全反射的临界角入射到纤维的侧壁时，光束在侧壁处产生全反射，全反射在纤维内反复产生，光束沿着纤维向前传播而不向外泄露。这就要求从纤镜表面入射的光线，其入射角不能超过某i值时。则光束从纤镜外入射到纤镜端面光线不会向纤维侧面泄露光的i角由下式确定： 医学所用纤镜有两个作用：一是将外部强光导人人体器官内；二是把器官内壁图像导出体外。光学纤维可以导出黑白图像，也可以导出彩色图像。纤维束的两端必须粘结牢固，两端的纤维丝排列须完全对应，以免图像错乱、不清晰，如图14-30。纤维束两端粘结牢固后，中间部分并不粘结，这样整个纤维束很柔软，可弯曲，并具有一定的机械强度，使用时非常方便。
