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眼睛的物理光学

2013-09-11 15:14:39 视觉健康

光是一种电磁波,是能量形式的一种方式。光把物体的方位、形状和颜色大小传递给眼睛,使眼睛获得特有的独立感觉。这种感觉,通过中枢神经系统的作用,就产生了物体的形象和颜色。使人们得到完整、完美的有关物体的位置、方向、大小、色彩和远近的知觉。要彻底全面深入的了解眼球的屈光系统就要知道光的反射和光的折射原理即物理光学。

 

一、光的反射

 

由光源发出的光来叫光线,光线以每秒30 万公里的速度前进。光线延长到无限远而不相交者称为平行光线。眼科医生通常将五米以外的光线当成平行光线。向一点集合的光线为集合光线或称会聚光线。由一点向外发散的光线称为发散光线或散开光线。

 

凸透镜会聚光线凸透镜散开光线

 

当光线投射于一个明亮的表面时,光线将被反射即为光的反射,反射定律如下:

 

1、投射光线,反射光线和在投射点与镜面垂直的线(法线)三者都位于一个平面内。

 

2、投射角与反射角的大小相等。若光线沿反射光线的方向投影,则光线必沿原来投射光线的方向反射,这叫做光路可逆原理。例如汽车的反光镜,你能从镜中看到别人,别人也能从镜中看到你。

 

二、光的折射

 

当光通过密度不同的媒质时(垂直方向除外),除发生速度的改变外,也要发生光线传播方向的改变,这种现象称为光的折射。在眼科医学上叫屈光。光的折射现象在生活中也可以看到的,例如将筷子斜置于水中,可以见到笔直的筷子于水面上下发生了屈折样现象。

 

光线的折射方向与程度的强弱是和两种媒介的性质及光的投射方向有密切关系,这就是所说的光线折射定律。因此,才有了眼的屈光和眼镜的出现。

 

1、折射线在入射线和法线所决定的平面内,折射线和入射线分别位于法线的两侧。

 

2、入射角的正弦与折射角的正弦之比,对于两种媒介来说是一个常数。

 

三、光的偏振

 

我们知道光是一种电磁波,电磁波是横波,其电场和磁场的方向互相垂直,并且与波的传播方向垂直。由于光对物质的作用主要是由电场引起来的,所以通常将电场的振动方向作为光的振动方向。

 

1、自然光:我们可以认为自然光是由两组在两个互相垂直的平面内振动的光波合成的。自然光是由普通光源发出的光,是非偏振的。

 

2、偏振光:如果利用某种方法把两组光波完全分离开,我们就可以得到振动方向完全限于某一平面内的光波,这种光波称为平面偏振光,或简称偏振光。

 

3、部分偏振光:在某种光线中,某一固定方向上光振动的振幅大于与该方向垂直的另一方向上光振动的振幅所呈现出来的光。

 

当光投射在两种媒质的分界面上时,就会获得部分偏振光,散射光也是部分偏振光。

 

眼科应用偏振原理可以除去反射眩光。巨型同视机中检查黄斑功能的内视现象也使用了偏振光原理。

 

在日常生活中,从几乎时时刻刻都在各种各样可见或不可见的偏振光和自然光下工作或生活。大多数人的眼睛是难以分辨偏振光和自然光的。偏振光不能在人眼视网膜上留下永久的生理效应,很快就自然消除了。因此,人们也许看见了偏振光,但往往没有引起足够的注意。

 

当非偏振光以某一角度投射在一光滑表面时,反射光即是完全或不完全的单向偏振光。偏振化的程度决定于投射角和界面媒介的折射率。日常遇到的各种表面反射而来的眩目光,多为偏振光,所以可应用适当的偏振片除去这种眩目偏振光,例如现在汽车广泛使用的防眩目灯等。

 

四、透镜

 

透镜由普通玻璃或光学玻璃制成,一般分为球面透镜和圆柱透镜两种。球面透镜双分凸透镜和凹透镜两类。球面透镜的曲面是球的切片,它的屈折力在各子午线上都是相等的。

 

1、凸透镜:有汇聚光线的能力,平行光线经过凸透镜后在另一侧的主轴上汇聚成一点,称为主焦点(也叫突性焦点),焦点和镜片中心之距离称为焦距。通常叫加号镜,或以“+”号来代表。如图

 

2、凹透镜:有发散光线的能力,平行光线经过凹透镜后,在另一侧不能形成焦点,但其反向延长线可以假设焦合于一点,形成一直立缩小的虚像,为虚焦点,通常叫减号镜,或以“一”号代表。

 

球面透镜的凸凹透镜种类较多,有平凸、平凹、双凸、双凹、凹凸透镜等。凸凹镜或凹凸镜又名周视镜片,这种镜片其前面为凸形,又叫弓形透镜片。此种镜片的优点,在于镜片中心与周边部的屈折力相等,故通过边缘部的物像与中心部的物像清晰程度是相同的。而一般的透镜,边缘部常引起物像变形,所以现代的眼镜,常采用周视镜片。

 

3、圆柱透镜:也分凸圆柱镜和凹圆柱镜两类。圆柱透镜的曲面为圆柱本与轴平行的切片。当光线经过圆柱镜与其轴平行方向时不受屈折与其轴成正角方向时则受屈折。

 

五、光的双折射现象

 

我们熟知的反射和折射现象都是在气体、液体和玻璃状固体界面之间发生的情况。然而,光在晶体与这些物质的界面或在两种晶体的界面发生的现象就复杂得多了。双折射现象可以用来作为偏振器。这种偏振器的偏振是很安全的,在很多矫正仪器中被广泛使用。

 

六、热辐射光

 

所有物体在任何温度下都在向外辐射能量。在宇宙空间中也充满了热辐射。当物体的温度不太高时,只辐射波长长的红外线,但物体在高温时,它在辐射红外线的同时,还辐射一定量的可见光。如烧红的铁块,这是由于物体内部带电粒子热运动而引起辐射电磁波的现象。热辐射实际生活中应用非常广泛。

 

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