眼的光學(xué)系統(tǒng)課件

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，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),如果兩個或兩個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，它對光線的會聚或發(fā)散本領(lǐng)越強

2、，所以人們用焦距的倒數(shù)來表示透鏡對光線的會聚或發(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，焦度的單位為屈光度。會聚透鏡的焦度為正，發(fā)散透鏡的為負(fù)。在配制眼鏡時常以度為單位，它們之間的關(guān)系是1屈光度等于100度。,另：,薄透鏡組合,兩個或兩個以上薄透鏡組成的共軸系統(tǒng)，稱為薄透鏡組合，簡稱透鏡組。,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)兩個透鏡的焦距分別為 f1,f2 ，透鏡組的物距為 u ,相距為 v 。,對第一個透鏡：,例,對第二個透鏡：,對第一個透鏡：,對第二個透鏡：,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,2、兩主點,3、兩節(jié)點,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,整個眼睛系統(tǒng),焦度,第一主點距離,第二主點距離,第一焦點距離,第二焦點距離,第一節(jié)點距離,第二節(jié)點距離,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,簡約眼,生理學(xué)上常把眼睛簡化為一個單球面折射系統(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：眼睛不調(diào)節(jié)能看清的物點到眼睛的距離稱為遠(yuǎn)點。正常視力的人的遠(yuǎn)點在無窮遠(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：眼睛最大調(diào)節(jié)能看清的物點到眼睛的距離稱為近點。正常視力的人的近點在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，若平行光進入眼內(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，若平行光進入眼

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,一近視眼的遠(yuǎn)點在眼前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，若平行光進入眼內(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,一遠(yuǎn)視眼的近點在眼前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,對黃綠光最敏感，色差對機能影響不大,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。,第

10、三節(jié) 光的主觀感覺 光度學(xué),眼睛在感受光刺激時，能比較光的強弱；同時還能區(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：單位時間內(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，人眼對各種不同波長的光的相對敏感度的數(shù)量。,二、發(fā)光強度、照度、面發(fā)光度和光源的亮度,1、發(fā)光強度：單位立體角內(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：對點光源而言，表征發(fā)光強弱并與發(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，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，同時又不斷地產(chǎn)生，對于任何照度眼睛都能自動調(diào)節(jié)，使感光物質(zhì)的存量

13、適度，眼睛對一定照度適應(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，整個過程需要一定時間。,明適應(yīng)：從暗到明，眼睛會有發(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，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)點到被觀察兩點所聯(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，對稱，心理生理。,三、眼的色覺,1、色調(diào)：單一波長引起的視覺。,2、飽和度：實際上不是單色光，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、，是光對不同感受器作用的結(jié)果； （3）互補色為三色的混合。,大腦皮質(zhì)進行最后的分析和綜合，在大腦皮質(zhì)興奮和抑制時，對顏色的敏感度會發(fā)生改變。在大腦皮質(zhì)疾患時，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，所成的象不是一個點而是一個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)：如果一個點光源的衍射圖象的中央最亮處剛好與另一個點光源的衍射圖象第一個最暗處相重合，認(rèn)為這兩個點光源恰好能為這一光學(xué)儀器所分辨。,圓孔衍射的第一級極小值由下式給出：,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,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，這是因為自P點發(fā)出的光束到達(dá)蓋玻片與空氣界面時，部分光線因為折射、全反射不能進人物鏡，進人物

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，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。則光束從纖鏡外入射到纖鏡端面光線不會向纖維側(cè)面泄露光的i角