透镜有什么作用?
这个问题我十年前想了很久,一直没有比较满意的答案,最近看了《视觉通》这本书,对这个问题有了比较深的感触,整理成文,与君共赏。
我们知道光具有波粒二象性,所以我们可以把光看作一种物质,那么根据宏观物质的相互作用原理,就可以推测出光之间的相互作用的原理——光学介质对于不同波长的光具有不同的折射率,这样,不同波长的光就会在介质中发生偏转,进而相互之间发生干涉、衍射等效应; 反之,如果我们不依赖光的波动性,而直接把光看成是一种电磁波,则电磁波在介质中传播时,由于电磁波具有粒子性,可以受到磁场的调控,使不同波长电磁波的相位产生差动,从而实现相互之间的干 涉及衍射。 无论是把光当成宏观物质还是微观电磁波,都可以得出这样的结论——介质的厚度决定了可被聚焦光束的光线数量,也就是说,只有当光线通过足够厚的介质时,才能聚成一束。
但是,人类眼睛的直径为5mm左右,而人眼视网膜的直径仅为3mm,如此细小的一个器官,如何能把远处物体聚焦成清晰的像呢?这就涉及到生物光学的问题了。 人眼是由无数排列整齐、互不相干的微小透镜构成的。每个小透镜都相当于一个小凹透镜,整个系统构成一个凸凸凹凹的变形透镜系统。(具体结构在此就不赘述了,可以参考维基) 这个由无数小透镜组成的变形透镜系统,使得人眼能够自适应调节,以尽可能大地收集来自各个方向的光线,并且能把远处的物体呈放大正立图像聚焦在视网膜上。 如果我们把人眼近似成一个透镜系统,这个系统的焦距非常大(大约10cm),而且可以把任何光线汇聚于一点——只要这个点不在视网膜上!!!!!!
如果把这个庞大的透镜系统缩放到眼睛大小,那么其厚度就能容纳成千上万根毛发粗细的“纤维”,每根纤维就相当于一束发散的光线,所有光线最后能会合在一起,形成一个清晰的像。 而这些纤维的集合,恰好形成了我们平常所看到的“瞳孔”——其实它是一个倒立的锥形。
当我们看到远方的一个物体时,这个物体反射过来的光线首先会进入我们的眼睛,被眼前这个小透镜聚集起来,形成了一个放大的像。 这时候,我们的眼睛就像一架精密的设备昂贵的相机。 但当我们观察近处的景物时,情况就大不一样了。这时候像的高度已经远远超过了视网膜的高度,为了把像再次投射到视网膜上,晶体(ciliary body)就调正在眼前竖直排下的羽毛状的睫状肌(ciliary muscle),从而压缩了眼球内部的空间,让晶状体更靠近玻璃体,这样改变了之前那个庞大却无用的透镜系统,转换成了一个有实用价值的凸透镜。(睫状肌可以通过调节来改变晶状体的厚度,从而改变焦距,调整成像效果)
由此可知,如果没有这根长长的睫状肌,我们眼睛就无法分辨远近,而只能看到一个上下颠簸的模糊像。 所以,其实我们的眼睛是一台精密的照相机,有可变焦距的功能,还带有超声波传感器和自动对焦的功能!!!!!