【中学课件】眼与常用光学仪器

第三节眼睛1一、眼的结构1、生理结构/sundae_meng22、眼的光学结构第三节眼睛/sundae_meng3第三节眼睛/sundae_meng4具有上表所列常数的简化眼称为古氏平均眼。简约眼：光线进入眼球时，最大的折射发生在空气与角膜的交界面上，因为这两种媒质折射率的差值较眼内任何相邻两种媒质折射率的差值大。生理学上常常把眼睛进一步简化为一个单球面折射系统，称为简化眼，第三节眼睛/sundae_meng5二、眼的调节

眼睛不同于任何光学折射系统，眼的焦度能在一定范围自动调节，能将远近不同物体成像在视网膜上，眼睛能改变焦度的这种本领称为眼的调节(accommodation)。

眼睛不调节时能看清的物点到眼睛之间的距离称为远点，正常视力的人，其远点在无穷远处，即平行光进入眼睛后刚好会聚于视网膜上。近视眼的远点为有限距离。若物体逐渐向眼睛移近，晶状体的曲率半径随之减小，眼睛的焦度增大，使得进入眼睛的光线不能在视网膜上成清晰的像。眼睛最大调节（晶状体曲率半径最小）时能看清的物体与眼睛之间的距离称为近点(nearpoint)。正常人明视距离(comfortablevisualdistance)：25cm第三节眼睛/sundae_meng三、眼的屈光不正及其矫正眼睛不调节时，若平行光进入眼内经折射后刚好在视网膜上形成一清晰的像，如图14-17所示。这种屈光正常的眼睛称为正视眼，否则称为非正视眼，它包括近视眼、远视眼、散光眼三种。6/sundae_meng71、近视眼(nearsight)眼睛不调节时，平行光进入眼内经折射后会聚于视网膜前面，在视网膜上成像模糊不清，则称为近视眼。近视的原因可能是角膜或晶状体的折射面曲率半径太小，对光线的偏折太强，或者眼球的前后直径太长。近视眼的矫正方法是配戴一副适当焦度的凹透镜，使光线进入眼睛之前经凹透镜适当发散，再经眼睛折射后恰好在视网膜上形成清晰的像，如图14-20所示。具体地说，近视眼所配戴的凹透镜要使光线所成虚象在近视眼的远点处，这样近视眼在不调节时就能看清远处的物体。第三节眼睛/sundae_meng8例题14-4一近视眼的远点在眼前50cm处，今欲使其看清无限远的物体，则应配戴多少度的镜？解：配戴的眼镜必须使无限远的物体应在眼前50cm处成一虚象，如图所示。设眼镜的焦距为f，u=∞，v=0.5m,代入薄透镜公式，得：解得φ=1/ƒ=–1/0.5=–2D=–200度第三节眼睛/sundae_meng92、远视眼(farsight)眼睛不调节时，来自远处的平行光射入眼内经折射后会聚于视网膜的后面，因此，在视网膜上得不到清晰的像，如图。此类眼睛称为远视眼远视眼在不调节时既看不清远处物体，也看不清较近的物体。远视眼的近点比正视眼要远些。第三节眼睛/sundae_meng10远视的原因可能是角膜或晶状体折射面的曲率半径太大，焦度过小；或者是眼球前后直径太短，将物体的像成在视网膜之后。远视眼矫正的方法是配戴一副适当焦度的凸透镜，让平行光线进入眼睛之前先经凸透镜适当会聚，再经眼睛折射后会聚于视网膜上，如图11-21（b）所示，由于远视眼的近点较正视眼远些，因此，远视眼在看眼前较近的物体时，所选择的凸透镜必须将此物体的虚象成在远视眼的近视点处。第三节眼睛/sundae_meng11例题14-5一远视眼的近点在1.2m处，要看清眼前12cm处物体，问应配戴怎样的眼镜？解：所配戴的眼镜应使眼前12cm处的物体在眼前1.2m处成一虚象，如图11-22。对于透镜：u=0.12m，v=–1.2m，代入薄透镜公式得：即配戴焦度为7.5D的凸透镜。/sundae_meng123、散光眼(astigmatism)散光眼的角膜表面不是球面，其角膜的各个方向子午线的半径不相等，点物发出的光线经角膜折射后不能形成一清晰的点像，既散光眼为非对称折射系统。散光眼的眼球纵向子午线半径最短，横向子午线的半径最长，其它方向子午线半径介于二者之间。使得远处的平行光线经角膜折射后，不能在一点成像。常把一点物看成一条很短的线条，这就使他看物体时感到模糊不清。散光眼的矫正方法是配戴适当焦度的柱面透镜。第三节眼睛/sundae_meng四、眼的分辨本领13

从物体两端入射到眼中节点的光线所夹的角度称为视角。视角决定物体在视网膜上成像的大小，视角越大，成像也越大，眼睛越能看清物体细节。实验指出，视力正常的眼睛能分辨两物点的视角为1/，与之对应，在明视距离处眼睛能分辨两物点之间的最短距离约为0.1mm。眼睛能分辨两物点间最小距离的能力称为眼的分辨本领，其大小与分辨的最小视角有关，分辨的最小视角越小，眼的分辨本领越大。因此，常用眼睛分辨的最小视角的倒数表示其分辨本领，称为视力(visualacuity)第三节眼睛/sundae_meng14

应用上式计算视力时，最小视角应以分（/）为单位。第三节眼睛L=5-logα

视角应以分（/）为单位。/sundae_meng第四节几种医用光学仪器一、放大镜(magnifier)151、使用放大镜的原因：为了看清楚微小物体或物体的细节，需要调节眼睛和物体间的距离。为增大视角，用于这一目的的会聚透镜，称为放大镜。2、操作方法：使用放大镜时，常常将物体放在放大镜的焦点附近且靠近透镜一侧。/sundae_meng163、角放大率：

通常用这两个视角的比值γ/β来衡量放大镜放大视角的能力，称为角放大率α，即第四节几种医用光学仪器/sundae_meng174、计算方法:（视角很小）此式表明，放大镜的角放大率与它的焦距成反比。式中f为放大镜的焦距第四节几种医用光学仪器/sundae_meng二、光学显微镜1、显微镜(microscope)的光学原理18(1)结构：物镜（f短)；目镜(f长)。(2)显微原理第四节几种医用光学仪器/sundae_meng19(3)显微镜的放大率M：代入上式得式中y//y称为物镜的线放大率（m）；25/f2是目镜的角放大率（α）代入上式得第四节几种医用光学仪器/sundae_meng20(4)放大率与焦距的关系：由于被观察物体放在靠近物镜的第一焦点，所以物镜的线放大率y//y可近似地等于s/f1，s是像y/到物镜的距离，即物镜的像距。

由于物镜和目镜的焦距与物镜的像距s相比很小，式中s可以看成镜筒长度，因此显微镜的放大率与所用物镜和目镜的焦距成反比。第四节几种医用光学仪器/sundae_meng2、光学系统的分辨本领21

利用光学系统观察较为复杂的物体，其画面可以看成由许多不同亮度、不同位置的物点的像所组成。但衍射现象限制了光学系统分辨物体细节的能力。（1）定义：光学系统能分辨开两物点的最短距离称为分辨极限，它的倒数称为光学系统的分辨本领。（2）圆孔衍射：爱里斑第四节几种医用光学仪器/sundae_meng22/sundae_meng23

甲衍射图样的中央极大光强度与乙衍射图样的第一极小光强度重合所确定出的所确定出的两物点间的距离作为光学系统所能分辨的两物点间的最短距离，称这个极限距离为瑞利判据。（4）光学系统的最小分辨角：根据瑞利判据：（3）瑞利判据：在衍射图样合成的总光强度曲线中，当两最大光强度之间的最小光强度不超过最大光强度的80﹪，则可分辨出有两个物点。如图（b）所示。第四节几种医用光学仪器/sundae_meng24θ是在瑞利判据下两衍射图样中心对光学系统主光轴的夹角，它与刚好能分辨开的两物点对光学系统主光轴的夹角θ0相等，即θ0=θ。θ0称为光学系统的最小分辨角。上式表明，对于无限远的物点，通过圆形通光孔成像的光学系统，其通光孔径越大，能分辨开的两物点的角距离越小，分辨本领越大；所用光波的波长越短，分辨本领亦越大。第四节几种医用光学仪器/sundae_meng3、显微镜的分辨本领25（1）定义：使用显微镜的目的是为了清楚地观察物体的细节。由于光的衍射，如果物体的细节之间的距离小于某一极限值时，显微镜是无法分辨的。显微镜能分辨最短距离的能力称为它的分辨本领或分辨力。

注意：被观察的标本可以看成由许多物点组成的。各物点在物镜的像平面上所成的像不是理想的点像，而是有一定大小的亮斑。从目镜中看到的细节是来自物镜的像，只有物镜能分辨标本的细节。（2）分辨原理：由瑞利判据可知，当一物点的衍射亮斑中心恰好与另一物点的衍射图样中的第一极小重合时，两物点之间的距离正好处于物镜可分辨的极限距离。第四节几种医用光学仪器/sundae_meng26（3）分辨的最短距离nsinu称为物镜的孔径数(numericalaperture)（N•A）/sundae_meng27（4）讨论：物镜的孔径数越大，照射光的波长越短，显微镜能分辨的最短距离越小，越能看清物体的细节。（5）分辨本领与放大率的区别。显微镜的放大率是物镜线放大率与目镜角放大率的乘积，而分辨本领只决定于物镜特性。目镜只能放大物镜所分辨的细节，不能提高显微镜的分辨本领。例如，一个40×（N.A0.65）的物镜配上一个20×的目镜与用100×（N.A1.30）的物镜配上8×的目镜，它们的放大率虽然都是800×，但是后者的分辨本领比前者高1倍，因而可看到更多、更清楚的物体细节。第四节几种医用光学仪器/sundae_meng28（6）提高显微镜的分辨本领的方法：A、增大物镜的孔径数利用油浸物镜来增大n和u值。第四节几种医用光学仪器/sundae_meng29B、减小照射光的波长

例如，用N.A1.5的高级油浸物镜时，若用可见光照射（平均波长为550nm），显微镜能分辨的最短距离为

比223.7nm再小的细节就看不清楚了。若改用波长为275nm的紫外线照明，可使分辨本领提高1倍，即可看清楚小到112nm的细节。第四节几种医用光学仪器纳米/sundae_meng30电子显微镜

"forhisfundamentalworkinelectronoptics,andforthedesignofthefirstelectronmicroscope"授予1986年NOBELPHYSICSPRIZEE.鲁斯卡ErnstRuskaelectronmicroscope/sundae_meng31

LastmodifiedJune16,2000

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http://www.nobel.se/physics/laureates/1957/index.html杨振宁李政道丁肇中1976物理朱棣文1997物理

崔琦1998物理

李远哲1986化学/sundae_meng32达赖喇嘛1989和平奖高行键2000文学奖/sundae_meng33/sundae_meng34（7）微镜的有效放大率与孔径数之间的关系：

对于标本大小确定的细节，应根据照射光的波长选用具有相应孔径数的物镜，显微镜也应有相应的放大率才能看清物体的细节。此时的放大率称为显微镜的有效放大率。第四节几种医用光学仪器/sundae_meng35例如，若样品中两细节的距离（或一个细节的大小）为Z/，则显微镜能分辨的最短距离不能大于Z/

，只能等于Z/

：

将这个物镜能分辨的距离Z/放大（如M倍），使显微镜最后所成的虚象（像大MZ/

）对人眼所张视角为1/或大于1/，这样眼睛才能分辨出两细节。设虚象成在明视距离处，视角取1/