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眼睛和眼镜

教学参考

  人类的眼睛是一个相当复杂的天然光学仪器。我们之所以能看到五光十色瞬息万变的景象,是因为眼睛接收了物体反射或散射的光,据统计,人类感官收到的外部世界的总信息量百分之九十是通过眼睛得到的。所以眼睛对我们是非常重要的。

图1 眼睛的构造

  眼睛的构造和作用如图1所示。眼睛的最外层是一层白色坚韧的膜,叫巩膜,巩膜的正前方曲率较大的一部分叫角膜,巩膜和角膜围成球形穴,常称之为眼球。角膜是透明的,其折射率为1367,它是光束进入眼睛的门户。角膜后面的空间称为前房,其中充满折射率与水相近的水状液。前房之后有一中心带圆孔的彩色膜,称为虹膜,眼睛的特征颜色(如蓝色、褐色等)是由虹膜显示出来的,虹膜的中心圆孔即为瞳孔。靠近虹膜的后面是晶状体,它的外形如双凸透镜,并附着在睫状肌上。睫状肌的伸缩能调节晶状体的曲率,以达到调节焦距的目的。晶状体后面的空间称为后房,充满一种胶性透明体,叫玻璃体,共折射率约为1336,玻璃体的透明外膜与视网膜紧贴着,视网膜上分布着复杂的视神经。

  从几何光学的角度来看,人眼是一个由多个界面组成的复杂的共轴光学系统,进入眼睛的光线要通过一系列的界面的折射和反射,最后成像于视网膜。

图2 简化眼

  对眼睛的精确计算是困难的,因为眼睛是多个折射面的复杂光学系统,其间折射率又不相同。实际计算时常进行简化和近似处理,可得到几种眼睛的光学模型,其中有一种常用的眼睛光学模型为高尔斯特兰(AGullstrand)简化眼。简化眼把眼睛看成如图2所示的单球面折射系统,认为眼睛只由一种介质组成,其折射率为133,折射面的曲车半径r57毫米,并可算出简化眼的前焦距f等于171毫米,后焦距f′等于228毫米,其光焦度φ为5848屈光度。眼睛的前后焦距不等,是由于眼睛的物方、像方折射率不相等造成的。

  眼睛是接收器,任何助视仪器(如显微镜、望远镜等)都要通过眼睛起作用。眼睛的光学模型在教学上,医学中及光学仪器设计中都有广泛的应用。

    
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