OK-Lecture-5-几何光学及其医学应用

1、几何光学：,以光的直线传播规律为基础，,波动光学：,研究光的电磁性质和传播规律，,量子光学：,以光的量子理论为基础，用光的粒子性去研究光与物质相互作用的规律。,研究各种成像光学仪器的理论。,是干涉、衍射、偏振的理论和应用。,主要,特别,波动光学和量子光学，统称为物理光学。,2,Lecture5几何光学,第一节球面成像第二节透镜第三节眼第四节放大镜和显微镜第五节医学应用举例,教学内容：,3,角膜(1.376),主光轴,房水(1.336),虹膜,晶状体(1.406),玻璃状液(1.336),视网膜,黄斑,睫状肌,眼的光学结构,角膜（1.376）房水（1.336）瞳孔晶状体（1.406）玻璃体（1.

2、336）视网膜,4,简约眼:把眼睛简化为一个单球面折射系统。外面是空气，里面是水，分界面就是角膜，是个球面，也称为单球面折射系统。,C,15mm,5.7mm,17mm,F1,F2,n=1.336,n=1,5,折射:当光波从一介质入射到另一介质时，由于两介质的光学密度不同，透射光偏离入射方向的现象。,折射定律:,第一节球面折射,单球面折射是指：两种不同折射率的透明介质的分界面为球面的一部分时，光所产生的折射现象。,空气,玻璃,C,单球面折射是研究各种光学系统成像的基础。,一、单球面折射,6,n1,n2,点光源O,C,r,A,像I,u,v,i1,i2,主光轴,近轴光线,推导：设球面曲率半径为r、物

3、距为u、像距为v。,顶点,球面的曲率中心,P,1.单球面折射公式,(设:n10，说明单球面具有会聚光线的作用0是会聚，f10是会聚，f20是发散,11,根据,而,所以，有,12,二、共轴球面系统,如果有两个或两个以上的折射球面，且这些折射面的曲率中心都在同一直线上，所组成的系统称为共轴球面系统。,在成像过程中，前一折射面所成的像，即为相邻的后一个折射面的物-逐次成像法。,u1,v1,u2,v20,u3,v3,u40,v4,n,n,n0,n0,n0,13,v1=60cm,20,40,O,I1,n=1.5,40,I2,v2,v1,例题玻璃球(n=1.5)的半径为10cm，一点光源放在球前40cm处

4、，求近轴光线通过玻璃球后所成的像。,第二折射面，n1=1.5,n2=1,u2=-40cm,r=-10cm,v2=11.4cm,14,透镜是具有两个折射球面的光学系统，也是最简单的共轴球面系统。通常用光学玻璃制成，也有用其它透明物质如塑料等制造。透镜可分为薄透镜和厚透镜两大类。还有柱面透镜。平常用的大多是薄透镜，即透镜的厚度相对于物距和像距而言非常小，可以忽略。从形状上有六种,第二节透镜,会聚透镜,发散透镜,15,一、薄透镜的成像公式,d,u1=u,v1=-u2,n0,n,n0,考虑薄透镜前后媒质相同的情况，按共轴球面系统计算得：,O,I1,I,v2=v,根据,有,而薄透镜前后的媒质相同，所以,

5、16,当n0=1时,即透镜放在空气中,得到，薄透镜成像公式：,（该公式适用于透镜两侧媒质相同的情况。）,放置在空气中的薄透镜的焦度：,将的值带回单球面折射公式，,17,二、薄透镜组合,由两个或两个以上的薄透镜组成的共轴系统，称为薄透镜组合。薄透镜之间可以是隔开分立的，也可以是紧密贴合的。薄透镜组合后所成的像，可以应用薄透镜成像公式采用逐次成像法求得，即，先求物体经过第一个透镜所成的像，再将此像作为第二个透镜的物，求出第二个透镜所成的像，依此类推。P224,18,眼球壁主要分为三层:外层:角膜、巩膜。中层:包括虹膜、睫状体。内层:视网膜。,一、眼的光学结构与调节,一、眼的光学结构与调节二、视力、

6、屈光不正及其矫正,第三节眼(Theeye),19,简约眼:把眼睛简化为一个单球面(接近角膜)折射系统。,C,15mm,5mm,15mm,F1,F2,n=1.336,简约眼的单球面曲率半径约5mm,根据单球面焦距公式，得到,所以得到简约眼的折射公式：,20,对近物:睫状肌收缩，晶状体曲率半径减小,眼的焦度增大。,对远物：睫状肌放松，晶状体曲率半径增大,眼的焦度减小。,眼的调节：眼睛改变自身焦度使远近不同的物体均能在视网膜上成清晰像的本领。眼的调节是通过睫状肌改变晶状体表面的曲率来完成。,2、眼的调节,21,当所看的物体比较近时，两眼的视轴会向鼻中线会聚。,人眼所能看清近物的能力，也就是说晶状体的

7、调节能力是有一定限度的，这决定于晶状体变凸的最大限度。,22,远点：眼睛在完全不调节时（肌肉完全松弛时）所能看清物体的最远位置。正常视力的人，远点在无穷远处，平行光会聚在视网膜上。近似眼的远点在眼前的一定距离处，因此，近似眼看不清远物。,近点：眼睛经过最大调节所能看清物体的最近位置。视力正常人的近点距离约为10-12cm，近视眼的近点更近，远视眼的近点更远。,明视距离：最适宜而不易引起眼睛过度疲劳的看物距离，视力正常人的明视距离是25cm。,近点(1012cm),远点(),（明视距离）,25cm,眼的调节的范围：,23,二、视力、屈光不正及其矫正,视角,视角：从物体两端入射到眼中节点的光线所夹

8、的角度。单位是分。,眼节点,国际标准视力=,眼的分辨本领（视力）：眼睛能分辨两物点间最短距离的能力。设此时眼睛能分辨物体的最小视角为。,对一定距离外的物体，不同的人眼的最小视角不同，即视力不同。,1.视力vision,视力正常的眼睛，能够分辨的两个物体的最小视角是1分。,24,1分视角,5米,眼,L=1.5mm,视力表的原理：（以国际标准视力表中视力1.0为例）,L=1.5mm,基本原理是，当人眼能看清5m远处的一个圆形的缺口或E字形上的开口（缺口或开口的距离为1.5mm）的方向时，按简化眼计算，此缺口在视网膜像中的距离约为5m，说明此眼视力正常，定为1.0；同时也可以算出，当物像为5m时，由

9、光路形成的两个三角形的对顶角即视角约相当于1分度（即1）；因此，如果受试者在视角为10分度时才能看清相应增大了的视力表上标准图形的缺口（相当于国际视力表上最上面一排图），则视力定为0.1。,25,（国家标准对数视力表：视力=5lg),我国，设计了一种对数视力表。把国际视力表上记为1.0的正常视力记为5.0，而将视角为10分度时的视力记为4.0，其间相当于视力4.1、4.2直至4.9的图形，各比上一排形成的视角小1.259倍，而log1.259=0.1；这样，视力表上不论原视力为何值，改善程度的数值都具有同样的意义。,国际视力表对于相应图形大小的设计是有缺陷的，如，相当于0.2视力的图形比视力0

10、.1的图形小1/2，而相当于视力1.0的图形比视力为0.9的图形小了1/9。但是临床上，将0.9的视力改善到1.0较容易，但是0.1的视力改善为0.2是很难的。尽管都是增加了0.1，但是真正改善的程度并不一样。,26,2、眼的屈光不正及其矫正,正视眼,远点距离：,近点距离：1012cm,非正视眼,近视眼,远视眼,散光眼,近视眼(shortsight)成像：在视网膜前。成因：晶状体或角膜曲率较大，聚光能力太强；或眼球的前后径过长。矫正：凹透镜。,远视眼(farsight)成像：在视网膜后.成因：晶状体或角膜曲率变小，聚光能力减弱；或眼轴过短。矫正：凸透镜。,27,近视眼的配镜：佩戴凹透镜（发散光

11、线）的目的是把无穷远处的物体成一个虚像在近视眼的远点处,使眼不调节可看清远物。,远点,凹透镜,此时有：u=,v=-(远点距离)由透镜成像公式得：凹透镜焦度：=1/f,远点距离,28,P230例14-4,29,远视眼的配镜：凸透镜的作用是把近处的物体（或明视距离处）的物体成一个虚像在远视眼的近点处。,近点,凸透镜,此时有：u=25cm,v=-(近点距离)由透镜成像公式得：凸透镜焦度：=1/f,物,25cm,30,P231例14-5P240课后题14-8,31,原因：角膜不是球面了，而是在各个方向上曲率半径不相等，是非对称的折射系统。,矫正：配戴适当焦度的柱面透镜,A,B,C,D,若ABCD,散光

12、眼和配镜,凸柱面透镜,凹柱面透镜,32,对各种不同的散光眼，矫正的方法不相同。单性散光：角膜的某一子午面(如纵子午面)曲率正常，而另一方向的子午面曲率较小(大)，即当眼不调节时，一个子午面内的平行光恰会聚于网膜上，另一子午面内的平行光会聚于网膜之后(前)。矫正的方法是配一适当度数的凸(凹)柱面透镜，镜轴的方向与正常曲率子午面的方向一致。,单纯远视散光（图A）单纯近视散光（图B）,子午像面：轴外物点的主光线与光学系统主轴所构成的平面，称为光学系统成像的子午面。,33,复性散光(散光加近视或远视)：角膜的两子午面曲率都较大(或较小)，但不相等，使得两个子午面的平行光线会聚于视网膜之前(或之后)，且

13、不重合。这种情况最常见。矫正的方法是配适当度数的凹(或凸)柱面透镜和球面透镜。,34,混合散光：角膜的两正交子午面的曲率一个过大，一个过小，即两子午面内的平行光线一个会聚在网膜之前，一个会聚在网膜之后。矫正时也是用球面透镜和柱面透镜组合配镜。,35,一、放大镜,眼节点,f,放大倍数（角放大率）：,即,y,作用：增大视角。,第四节几种医用光学仪器,使用放大镜时，需要将物体放在放大镜的焦点以内，但是要靠近焦点处。为什么？,通常这个虚像是成在明视距离，25处,36,二、光学显微镜的成像原理,y,F1,F2,L1,L2,物镜,目镜,f2,显微镜的放大率：,1.显微镜的光路图和放大率：,物镜的线放大率,

14、目镜的角放大率,37,于是，显微镜的放大率为,为物镜的线放大率，为目镜的角放大率。,一般显微镜会附有几个可供选择的物镜和目镜，适当配合就可以获得不同的放大率。,y,F1,F2,L1,L2,物镜,f2,S,根据相似三角形,38,2.光学系统的分辨本领,光学仪器的圆孔衍射现象限制了光学系统分辨物体细节的能力。,衍射现象限制了光学系统分辨物体细节的能力。分辨极限:光学系统能分辨开两物点的最短距离。分辨本领:最短距离的倒数称为光学系统的分辨本领。,A,B,物镜,两物点,相应两象点,艾里斑,0,显微镜为了提高放大率的需要，物镜的焦距往往都是比较小的，因此能够透光的面积很小，相当于圆孔。,39,瑞利判据,

15、A1,A2,A1,A2,A1,A2,Z,1.0,0.8,两个物点（A1和A2）刚能够被分辨的条件是：一个物点的衍射亮斑的第一暗环正好与另一个物点的衍射亮斑中央点重合。此时Z为刚能分辨的最短距离（即显微镜的分辨极限距离）。,40,显微镜的分辨本领：,显微镜能分辨最短距离的能力。当物镜的数值孔径越大，波长越短，显微镜能够分辨的最短距离越小，也就是越能看清物体细节。,根据瑞利判据，阿贝尔指出，显微镜能分辨两点之间的最小分辨距离为：,物镜的数值孔径：,（推导略）,41,提高显微镜分辨本领的两个途径：,增大物镜的数值孔径N.A,（比如：采用油浸镜头）,减小照射光的波长,（采用紫外线、电子射线）,盖玻片,

16、n=1.52,n=1,干物镜,物镜(n=1.52),油浸物镜,油,n=1.52,标本,42,因此，显微镜的分辨本领和放大率是两个不同的概念，放大率是指物体成像后能被放大的倍数；分辨本领则是分辨物体细节的能力。放大率与物镜的线放大率以及目镜的角放大率有关；而分辨本领只决定于物镜。只使用高倍目镜来提高显微镜的放大率，对分辨本领没有改善，例如一个40(NA0.65)的物镜配一个20的目镜和一个100(NA1.30)的物镜配一个8的目镜，虽然放大倍数都是800倍，但显然后者的分辨本领较前者高一倍，更能清楚地观察到物体的细节。,43,第五节医学应用举例,手术显微镜,手术显微镜，是显微外科手术必备的光学仪

17、器，可用于眼科，耳鼻喉科，外科，整形外科和脑神经外科等，基本上由观察系统/照明系统和机械系统三大部分组成。,手术显微镜需要满足以下要求：1）显微镜放大倍数一般在440倍。低倍视场大，作为初始检查用，1016倍常用于手术，高倍则用于观察细微病变的检查。显微变倍时应保证齐焦。2）要有足够大的工作距离，通常125400mm。3）物镜视场对手术操作方便与否有很大关系，常用视场为1540mm。当物镜放大倍数增大时，视场则减小。4）手术显微镜所成的像，必须是完全一致的立体像，便于操作。5）照明装置的照明范围应该足够大，亮度适中。深部手术时采用同轴照明。光路中需设有隔热片或采用冷光源，以免热量传至手术处，使

18、局部组织发生变化。6）若手术需要助手配合，则手术显微镜需要能两人同时观察，且视场一致。7）调角方便，尽量用脚控开关操纵。8）操作部位能消毒或置消毒套。,医用内镜分为软性内镜和硬性内镜，从成像原理上又分为光学内镜，纤维内镜，电子内镜，超声内镜，磁共振仿真内镜，胶囊内镜等。,硬性内镜，如耳道镜、鼻窦镜、喉镜、气管镜、宫腔镜、胸腔镜、腹腔镜、肛肠镜、椎间盘镜、膀胱镜、关节镜等。不管是哪种硬性内镜，其结构、成像原理基本相同，都是几何光学成像原理的具体应用，把凸透镜、凹透镜、柱状透镜、棱镜等光学元件，按照一定尺寸装在金属管内，不同的是规格的长短、粗细、角度、材质以及工艺有所差别。,激光治療用持續灌流膀胱鏡組合診斷治療用膀胱鏡組合前列腺電切鏡組合前列腺激光切除硬性輸尿管鏡尿道切開刀組合經皮腎鏡,雙極鉗子系列雙極剪刀診斷及治療宮腔鏡1.9mm超微型宮腔鏡組合宮腔電切鏡組合3mm內鏡系列,外殼:不銹鋼,柱狀透鏡,藍寶石玻璃,導光纖維,50,把透明度很好的玻璃或其他透明物质拉成很细的纤维，外表再涂上一层折射率较小的物质，便制成了光学纤维，简称光纤。,保证发生全反射的条件为入射角不大于,纤维内镜,51,光纤柔软可弯，还具有一定的机械强度。光纤可以导光，而且可以传像。,如果将足够多条(如数万条)的光纤按一定顺序排列