5光学仪器的基本原理

高尔斯特兰简化眼
人眼是一个由角膜、水状液、晶状体和玻璃液所组成的， 物、像方折射率近似相等的，可变焦距的，共轴复杂光学系 统（光具组ห้องสมุดไป่ตู้。它能在视网膜上清晰成像。
它是一个能自动调节有精密的光学仪器。其结构相当复 杂。在许多情况下将其简化成如下的模型：
n=1.336
F
C
F′
17mm
17mm
5.7mm
例题:从几何光学的角度来看，人眼可简化为高尔斯特兰简化眼 模型。这种模型将人眼成像归结成一个曲率半径为5.7mm、 媒质折射率为1.33的单球面折射成像。试求这种简化眼的焦点 位置和焦度。
矫正前
P
O
F
远点
O
F
远物
P O
远点
F
矫正后
例 一个远点为0.2m的近视眼戴上眼镜后远点可恢复到无穷 远。求所戴眼镜的光焦度。
[解] :已知
s s' 0.2m
由空气中的高斯公式
1 s'
1 s
1 f'
有:
1 f'
1 1 s' s
1 s'
1 5 (D) 500 (度) 0.2
② 远视眼：近点比正常眼远的人眼
• 成实像的光学仪器。如照像机、幻灯机、电影放映机、 投影仪等。
• 成虚像的光学仪器 — 助视仪器。如放大镜、显微镜、 望远镜。
理论基础 • 主要：几何光学基本原理。 • 其它：衍射理论、加工工艺学、材料科学等。
实际光学仪器 1、理想成像的要求：
• 近轴：近轴物点、近轴光线 • 单色：物体所发光线是单色的
y'
Q’
• 说明：
Q
A、在人眼的可调节范围内 y
U
s' const P F
B : y' U
s
C :当 s 一定时,U y
n′ 解⑴：已知n=1.0, n′=1.33, r=5.7mm
n n r
1.33 1.0 5.7 103
58.42
(D)
r
f n r 1.0 5.7 17.12 (mm) n n 1.331.0
f n r 1.33 5.7 22.82 (mm) n n 1.331.0
人眼的调节功能
• 近点：人眼能看清楚的最近点。人眼看近点处的物体时，睫状肌处于 最紧张的状态，晶状体曲面的曲率半径最小。
② 人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关： 看远物时，肌肉松驰，不易疲劳；看近物时，肌肉紧张，容易疲劳。
③ 近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化；
近点变远：幼年—7~8cm；中年—25cm；老年—1~2m。 远点变近：幼年—无限远；老年—数米。 随年龄的增长，肌肉老化，自调节范围变窄。
第四章 光学仪器的基本原理
• 助视仪器的放大本领 • 显微镜的放大本领 • 望远镜的放大本领 • 光阑 光瞳 • 光度学概要 • 物镜的聚光本领 • 助视仪器的像分辨本领 • 分光仪器的色分辨本领
概述
光学仪器及分类 1、定义：多种光学元件按一定的要求组成的系统。
2、分类：
• 按性能：显微镜、望远镜、照像机和分光镜 • 按成像性质：
∴像的清晰度与像面亮度、分辨本领不能同时兼得，而矛盾不可避免。 因而，实际光学仪器要根据用途，权衡轻重，有针对性地进行设计制造。
构造
7.睫状肌 2.角膜：透明，
R:8mm
8.前房液— 水状体:淡盐 溶液,折射率
1.337
5.瞳孔：直径： 1.4~8mm 4.虹膜：带色的彩带
人眼
3.脉络膜： 黑色不透光
④ 适当照明下，正常眼观察眼前25cm处的物体是轻松的，且能看清物体的 细节。称25cm为明视距离。 因此，在设计和使用助视仪器时一般都使虚像成于明视距离、无穷 远处或其间的某一位置处。
3、人眼的缺陷及矫正——被动调节：外加辅助仪器改变焦距的过程。 具备完善的自调节功能的人眼称为正常眼；反之，称为非正常眼。 ① 近视眼：远点在有限远处的人眼。 特点：晶状体曲率半径比正常眼小，外形凸出；像方焦点在视网膜 前，焦距短。
1、定义：为使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰像而改变眼睛的焦 距的过程。
人眼的调节方式有两种：自动调节（自调节）和被动调节（矫正）。
2、自调节：正常人眼靠睫状肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率半径，从 而改变人眼焦距的过程。是人眼自动完成的。
说明：
① 自调节有一定的限度：近点和远点之间。 • 远点：人眼能看清楚的最远点。人眼看远点处的物体时，睫状肌处于 完全松驰的状态，晶状体曲面的曲率半径最大。
• 近视（或远视）+散光：戴一付一面为球面、一面为柱面的透镜。球面 用于矫正 近（远）视，柱面用于矫正散光。
人眼的视角
定义：被观察物对人眼光心的张角称为人眼的视角。
• 人眼对物体大小的感觉是以 Q
该物体在视网膜上所成像对光 y
心所张角度的大小衡量的。
U
• 表达式：
P
F
U
y s
y' s'
s
O
s'
F‘ P‘
实际光学仪器情况：非近轴和复色光。会造成如下矛盾：
2、两大矛盾 ① 像的清晰度与像场能量聚集程度的矛盾
• 几何光学观点：必须满足单色、近轴条件 ∵ 复色→色差 非近轴→像差
• 能量观点：不宜限于近轴区域。 要得明亮像，必须使进入光学仪器的光束尽量宽。
② 成像清晰度与细节分辨程度的矛盾 • 几何光学观点：减小像差→满足近轴条件 • 波动光学观点：光线越近轴→光束受限越紧→衍射越明显→ 像的清晰度越低
特点：晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点在视网膜后，焦距长。
近点
O
明视距离
O
F 矫正前
F
近点 明视距离
O
F
矫正后
例 求一个近点为125cm的远视眼所戴眼镜的光焦度.
近点 明视距离
O
F
s' s
[解] : 对所戴凸透镜而言,已知 s 0.25m s' 1.25m
由空气中的透镜成像公式有 :
1 f'
1.巩膜：白色坚韧, 厚0.4~0.8mm
12.黄斑点 直径:2mm
13.中央窝:最 敏感直径 0.25mm
11.盲点:不 引起视觉
10.视网膜: 视神经网
9.后房
液—玻璃
●
体:含大量
水份胶状
物,折射率
1.336
14.视神经
6.水晶体—眼珠,折射率为1.42的胶 状物,前后曲面半径:10mm,6mm
1 s'
1 1 1 3.2(D) 320(度) s 1.25 0.25
③ 散光眼：角膜为椭球面的人眼。也称为像散眼。
• 由于椭球有两个对称平面，分别包含长、短轴，因而具有两个不同的焦 距。主轴上的一个物点将成两条像线。——像散。
• 矫正方法：戴柱面透镜。利用其像散作用，与散光眼的像散相抵消。