医用光学仪器----光学基础

        光是一种自然现象。我们看到客观世界中五彩缤纷、斑驳陆离、瞬息万变的景象，是因 为我们眼睛接收了物体发射、反射或散射的光。据统计，人类感官所接收到外界的总信息量中，至少有90%以上通过眼睛。由于光与人类生活和社会实践的密切联系，因此，光学如同 天文学、几何学和力学一样，是一门早发展起来的学科。 光的发展历史悠久，从以牛顿为代表的“微粒说”到普朗克的“量子说”，经历了两个 世纪。1905年爱因斯坦又发展了普朗克的量子理论，提出了光量子的假设，成功地解释 了光电效应。此外，他在研究光的传播速度和参考系的关系时．提出了的相对论，发展丁空间和时间的概念。光的篮子理论认为，各种频率的电磁渡（包括光），只能像微粒 似地以一定的吊小份额的能量发生。这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。1927年，康普顿散射实验进一步证明了光量子理论的正确性，由此，对光的微粒的认识进入了一个新的阶段。 对于光的理论研究，推动了光学在各个领域中应用的技术科学研究，形成了“应用光学”学科。人们在社会和生产实践过程中要不断了解和研究各种物质的现象和信息，光学就成为必不可少的手段。例如，观察远处的物体要用望远镜；研究物质的微观结构要 用显微镜；研究物质的分子和原子结构，要用光谱仪；各种物理量的高精度测量，要用到 光学计量仪器和技术；记录瞬间的现象要用照相机（或摄像机）；实现自动控制要用光电 仪器和技术等。 20世纪60年代初诞生的激光，叉使整个光学别开生面，由此建立和发展了激光原理，激光光谱学、光全息术和光信息处理等理论和技术，形成了激光化学、激光生物学、激光光谱 学等边缘学科。随着新理|仑和新技术的发展，形成了信息光学（傅立叶光学）、集成光学、纤维光学、视觉光学（生理光学）等边缘学科或交叉学科。 眼科学、视光学与光学有着密切的联系。人体眼球屈光系统的构造如同一架精密而又复杂的摄像机，眼科学、视光学中包括从角膜到眼底，各种屈光、视野和眼压的大部分检查、 诊断和治疗仪器，都要应用到光学原理和技术。例如，常见的诊断治疗仪器有检眼镜，眼底 照相机、无接触眼压计、医用显微镜、医用内镜及医用激光仪器等。

        二、光学系统 人们设计制造的各种光学仪器，核心部分是光学系统。所有的光学系统都是由一些光学零件按照一定方式组合而成的。如图7-1所示。

        （一）光学系统的基本组成
        光学系统的光学零件，主要由透镜、柱镜、反射镜及平行平板等纽成。一个光学系统可以由一个或几 个部件组成，每个部件可以由一个或几个透镜组成， 组成的部件称为光组。实际工作中，常把几个光组组合在一起，通常两个光组的组合常见，也是基本的组合。如：一个单透镜就是由两个折射球面组合 而成。
        1．透镜由两个同轴折射面包围着一种光学介质所形成的光学零件称为透镜。折射面为球面的透 镜，也称为球镜，它是构成关学系统基本的光学元件。按其作用和形状可分为两大类：类为正透 镜，又称凸透镜或会聚透镜，其特点主要是中心厚、边缘薄，对光束起会聚作用。这种透镜按形状特征X可 分为4种，如图7—2所示。

第二类为负透镜，又称凹透镜或发散透镜，其特点是中心薄、边缘 厚，对光束起发散作用。这类透镜按形状特征又可分为3种，如图7—3所示。

        2．柱镜其折射面有一面为柱面，有一面为平面，或两面均为柱面的光学元件。

        3．反射镜按其形状可以分为平面反射镜和球面反射镜。球面反射镜叉可分为凸面镜和凹面镜，其中凹面镜的作用同凸透镜，凸面镜的作用同凹透镜。

        4．棱镜按其作用和性质，可区分为反射棱镜和折射棱镜。

        5．平行平板工作面为平行平面的折射零件。 无沦是自发光的物体，还是被照明发光的物 体，其表面可视为是南许多发光点组成的。每个 发光点均发射出球面波，每一个球面波对应着一束同心光束。

        （二）光学系统的作用
        光学系统的基本作用是进行光束变换，也就是接收由物体表面各点发出的同心光束（发散光束或会聚光束或平行光束），经过系统的一系列折射和反射后，变换成为一个新的同心 光束，终生成物体的像，被人眼或其他接收器接收。

如图7-4所示，由发光点A发出的一束发散光束，经过由K个光学表面组成的光学系统后，出射成为一束会聚于点A'（像点）的 会聚光束。像这种入射为一同心光束，出射系统后仍为一同心光束，即所有出射光线都交于一点，称为完善成像。此时，物点和像点之间的所有光线为等光程，等光程是理想成像的条件。若同心光束出射系统后变为非同心光束（如像散光束），则称为不完善成像。也就是随，一物点经过光学系统成像后，如果是完善成像，得到的是一个明亮的点像．如果是不完善成像，则得到的是一个模糊的弥散光斑。 
        由实际光线会聚的点称为实物点或实像点，这样的点构成的物或像称为实物或宴像，实像可以直接被像屏、底片或光电器件等接收记录；由实际光线的延长线相交所形成的物电或像点称为虚物点或虚像点，这样的点构成的物或像称为虚物或虚像。虚物通常是前一个光学系统所成的像，虚像能被眼腈观看，但不能被像屏、底片或其他接收面所接收。

        （三）光学系统的焦点、主点和焦距
        1.焦点、焦平面理想光学系统的焦点、焦平面和主点、主平面都是表征光学系统特性 的点和面，这些特殊的点和面叉称为光学系统的基点和基面。 如图7-5所示，O1和OK是该系统的面和后一面．FF'是系统的光轴。物空间一条 平行于光轴的光线AE,，经光学系统各面折射后沿GKF'方向射出，交光轴于F 7点。沿光轴入射的FO1通过系统后仍沿光轴射出。由于像方的出射光线GKF'和OKF'分别与物方的入 射光线AE1和FO．相共轭，因此，光线GKF'和OKF'的交点F'的共轭点必然是光线AE1和 FO1的交点。叉由于AE1平行于FO1，故其交点位于左方无限远的光轴上，所以，F'是物方 无限远轴上点的像，称为光学系统的像方焦点（或称后焦点）。通过像方焦点F'且垂直于光 轴的平面称为像方焦平面，显然，它和无限远垂直于光轴的物平面相共轭。 焦点和焦平面虽是光学系统的一对 特殊的点和面，但两焦点或两焦面之间并不共轭。

        2．焦距自物方主点H到物方焦点 F的距离称为光学系统的物方焦距（或前 焦距），记为ƒ，类似地，自像方主点H'到 像方焦点F'的距离称为像方焦距（或后焦 距），记为ƒ。焦距的正、负是以相应的主点为原点来确定的，若由主点到相应焦点的方向与光线方向一致，则焦距为正；反之则为负。

        （四）几种常用光学仪器

        1．放大镜和目镜放大镜是用来观察近距离微小物体简单的一种目视光学仪器，放 大镜总是与眼睛一起使用。目镜是目视光学仪器的重要组成部分，它把物镜所成的像放大 后成像在人眼的远点，以便人眼观察，目镜的作用相当于一个放大镜。

        2．显微系统及其特性显微镜的光学系统由物镜和目镜两个部分组成，为了充分发挥其效能，还要有一个南聚光镜组成的照明系统。

        3．摄影与投影系统摄影系统是由感光底片或电荷耦合器件( CCD)组成图像接收装 置的系统，南摄影物铙、接收图像装置，取景与测距系统等部分组成。摄影物镜是摄影系统中的主要光学元件，常用的摄影系统是照相机和摄影机。显微照相系统、制版光学系统、 航空摄影系统、水下摄影系统及测绘光学系统等都属于摄影系统的范畴。