醫(yī)用光學儀器----光學基礎(chǔ)

        光是一種自然現(xiàn)象。我們看到客觀世界中五彩繽紛、斑駁陸離、瞬息萬變的景象，是因 為我們眼睛接收了物體發(fā)射、反射或散射的光。據(jù)統(tǒng)計，人類感官所接收到外界的總信息量中，至少有90%以上通過眼睛。由于光與人類生活和社會實踐的密切聯(lián)系，因此，光學如同 天文學、幾何學和力學一樣，是一門早發(fā)展起來的學科。 光的發(fā)展歷史悠久，從以牛頓為代表的“微粒說”到普朗克的“量子說”，經(jīng)歷了兩個 世紀。1905年愛因斯坦又發(fā)展了普朗克的量子理論，提出了光量子的假設(shè)，成功地解釋 了光電效應(yīng)。此外，他在研究光的傳播速度和參考系的關(guān)系時．提出了的相對論，發(fā)展丁空間和時間的概念。光的籃子理論認為，各種頻率的電磁渡（包括光），只能像微粒 似地以一定的吊小份額的能量發(fā)生。這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。1927年，康普頓散射實驗進一步證明了光量子理論的正確性，由此，對光的微粒的認識進入了一個新的階段。 對于光的理論研究，推動了光學在各個領(lǐng)域中應(yīng)用的技術(shù)科學研究，形成了“應(yīng)用光學”學科。人們在社會和生產(chǎn)實踐過程中要不斷了解和研究各種物質(zhì)的現(xiàn)象和信息，光學就成為必不可少的手段。例如，觀察遠處的物體要用望遠鏡；研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)要 用顯微鏡；研究物質(zhì)的分子和原子結(jié)構(gòu)，要用光譜儀；各種物理量的高精度測量，要用到 光學計量儀器和技術(shù)；記錄瞬間的現(xiàn)象要用照相機（或攝像機）；實現(xiàn)自動控制要用光電 儀器和技術(shù)等。 20世紀60年代初誕生的激光，叉使整個光學別開生面，由此建立和發(fā)展了激光原理，激光光譜學、光全息術(shù)和光信息處理等理論和技術(shù)，形成了激光化學、激光生物學、激光光譜 學等邊緣學科。隨著新理|侖和新技術(shù)的發(fā)展，形成了信息光學（傅立葉光學）、集成光學、纖維光學、視覺光學（生理光學）等邊緣學科或交叉學科。 眼科學、視光學與光學有著密切的聯(lián)系。人體眼球屈光系統(tǒng)的構(gòu)造如同一架精密而又復雜的攝像機，眼科學、視光學中包括從角膜到眼底，各種屈光、視野和眼壓的大部分檢查、 診斷和治療儀器，都要應(yīng)用到光學原理和技術(shù)。例如，常見的診斷治療儀器有檢眼鏡，眼底 照相機、無接觸眼壓計、醫(yī)用顯微鏡、醫(yī)用內(nèi)鏡及醫(yī)用激光儀器等。

        二、光學系統(tǒng) 人們設(shè)計制造的各種光學儀器，核心部分是光學系統(tǒng)。所有的光學系統(tǒng)都是由一些光學零件按照一定方式組合而成的。如圖7-1所示。

        （一）光學系統(tǒng)的基本組成
        光學系統(tǒng)的光學零件，主要由透鏡、柱鏡、反射鏡及平行平板等紐成。一個光學系統(tǒng)可以由一個或幾 個部件組成，每個部件可以由一個或幾個透鏡組成， 組成的部件稱為光組。實際工作中，常把幾個光組組合在一起，通常兩個光組的組合常見，也是基本的組合。如：一個單透鏡就是由兩個折射球面組合 而成。
        1．透鏡由兩個同軸折射面包圍著一種光學介質(zhì)所形成的光學零件稱為透鏡。折射面為球面的透 鏡，也稱為球鏡，它是構(gòu)成關(guān)學系統(tǒng)基本的光學元件。按其作用和形狀可分為兩大類：類為正透 鏡，又稱凸透鏡或會聚透鏡，其特點主要是中心厚、邊緣薄，對光束起會聚作用。這種透鏡按形狀特征X可 分為4種，如圖7—2所示。

第二類為負透鏡，又稱凹透鏡或發(fā)散透鏡，其特點是中心薄、邊緣 厚，對光束起發(fā)散作用。這類透鏡按形狀特征又可分為3種，如圖7—3所示。

        2．柱鏡其折射面有一面為柱面，有一面為平面，或兩面均為柱面的光學元件。

        3．反射鏡按其形狀可以分為平面反射鏡和球面反射鏡。球面反射鏡叉可分為凸面鏡和凹面鏡，其中凹面鏡的作用同凸透鏡，凸面鏡的作用同凹透鏡。

        4．棱鏡按其作用和性質(zhì)，可區(qū)分為反射棱鏡和折射棱鏡。

        5．平行平板工作面為平行平面的折射零件。 無淪是自發(fā)光的物體，還是被照明發(fā)光的物 體，其表面可視為是南許多發(fā)光點組成的。每個 發(fā)光點均發(fā)射出球面波，每一個球面波對應(yīng)著一束同心光束。

        （二）光學系統(tǒng)的作用
        光學系統(tǒng)的基本作用是進行光束變換，也就是接收由物體表面各點發(fā)出的同心光束（發(fā)散光束或會聚光束或平行光束），經(jīng)過系統(tǒng)的一系列折射和反射后，變換成為一個新的同心 光束，終生成物體的像，被人眼或其他接收器接收。

如圖7-4所示，由發(fā)光點A發(fā)出的一束發(fā)散光束，經(jīng)過由K個光學表面組成的光學系統(tǒng)后，出射成為一束會聚于點A'（像點）的 會聚光束。像這種入射為一同心光束，出射系統(tǒng)后仍為一同心光束，即所有出射光線都交于一點，稱為完善成像。此時，物點和像點之間的所有光線為等光程，等光程是理想成像的條件。若同心光束出射系統(tǒng)后變?yōu)榉峭墓馐ㄈ缦裆⒐馐?，則稱為不完善成像。也就是隨，一物點經(jīng)過光學系統(tǒng)成像后，如果是完善成像，得到的是一個明亮的點像．如果是不完善成像，則得到的是一個模糊的彌散光斑。 
        由實際光線會聚的點稱為實物點或?qū)嵪顸c，這樣的點構(gòu)成的物或像稱為實物或宴像，實像可以直接被像屏、底片或光電器件等接收記錄；由實際光線的延長線相交所形成的物電或像點稱為虛物點或虛像點，這樣的點構(gòu)成的物或像稱為虛物或虛像。虛物通常是前一個光學系統(tǒng)所成的像，虛像能被眼腈觀看，但不能被像屏、底片或其他接收面所接收。

        （三）光學系統(tǒng)的焦點、主點和焦距
        1.焦點、焦平面理想光學系統(tǒng)的焦點、焦平面和主點、主平面都是表征光學系統(tǒng)特性 的點和面，這些特殊的點和面叉稱為光學系統(tǒng)的基點和基面。 如圖7-5所示，O1和OK是該系統(tǒng)的面和后一面．FF'是系統(tǒng)的光軸。物空間一條 平行于光軸的光線AE,，經(jīng)光學系統(tǒng)各面折射后沿GKF'方向射出，交光軸于F 7點。沿光軸入射的FO1通過系統(tǒng)后仍沿光軸射出。由于像方的出射光線GKF'和OKF'分別與物方的入 射光線AE1和FO．相共軛，因此，光線GKF'和OKF'的交點F'的共軛點必然是光線AE1和 FO1的交點。叉由于AE1平行于FO1，故其交點位于左方無限遠的光軸上，所以，F(xiàn)'是物方 無限遠軸上點的像，稱為光學系統(tǒng)的像方焦點（或稱后焦點）。通過像方焦點F'且垂直于光 軸的平面稱為像方焦平面，顯然，它和無限遠垂直于光軸的物平面相共軛。 焦點和焦平面雖是光學系統(tǒng)的一對 特殊的點和面，但兩焦點或兩焦面之間并不共軛。

        2．焦距自物方主點H到物方焦點 F的距離稱為光學系統(tǒng)的物方焦距（或前 焦距），記為ƒ，類似地，自像方主點H'到 像方焦點F'的距離稱為像方焦距（或后焦 距），記為ƒ。焦距的正、負是以相應(yīng)的主點為原點來確定的，若由主點到相應(yīng)焦點的方向與光線方向一致，則焦距為正；反之則為負。

        （四）幾種常用光學儀器

        1．放大鏡和目鏡放大鏡是用來觀察近距離微小物體簡單的一種目視光學儀器，放 大鏡總是與眼睛一起使用。目鏡是目視光學儀器的重要組成部分，它把物鏡所成的像放大 后成像在人眼的遠點，以便人眼觀察，目鏡的作用相當于一個放大鏡。

        2．顯微系統(tǒng)及其特性顯微鏡的光學系統(tǒng)由物鏡和目鏡兩個部分組成，為了充分發(fā)揮其效能，還要有一個南聚光鏡組成的照明系統(tǒng)。

        3．攝影與投影系統(tǒng)攝影系統(tǒng)是由感光底片或電荷耦合器件( CCD)組成圖像接收裝 置的系統(tǒng)，南攝影物鐃、接收圖像裝置，取景與測距系統(tǒng)等部分組成。攝影物鏡是攝影系統(tǒng)中的主要光學元件，常用的攝影系統(tǒng)是照相機和攝影機。顯微照相系統(tǒng)、制版光學系統(tǒng)、 航空攝影系統(tǒng)、水下攝影系統(tǒng)及測繪光學系統(tǒng)等都屬于攝影系統(tǒng)的范疇。