人眼联合应用放大镜形成放大视觉的机制概述_王艺_袁久民_王前_郭亚楠

·290·（）20141045Chin J Ophthalmol Med （Electronic Edition ），October 2014，Vol．4，No．5

·专题讲座·

人眼联合应用放大镜形成放大视觉的机制概述

王艺

袁久民

王前

郭亚楠

虚像A'B' ，且当物体靠近F 点时，其两条发散线夹角越小，反

［2］

越高，所成的虚像也会越大。方向会聚点就越远、

当物体处于F 2F 之间时，由图2可知，所成的物像有

放大作用，且越是靠近焦点F 其放大倍率越高。但事实操作起来，由于物体须在F 2F 之间，所以距离放大镜较远，且所

要用附加设备才能使之正立，不容易直成的物像是倒立的，

接观察。所以手持放大镜不宜采用此种放大原理

［3］

传统理论上的放大镜成像原理是指单凸透镜的成像原而光线通过凸透镜进入视网膜成像继而传导入大脑视觉理，

中枢是双凸透镜成像。在放大镜的辅助下，物体位于放大镜焦点内，形成一个正立虚像，不但放大了视角，还突破了视功能调焦的限制。本研究中笔者通过图文结合的方式，对放大镜的成像原理进行归纳和总结，对双凸镜的成像原理、放大镜的放大倍率加以阐述，并结合现有的几种放大镜类型，对放大镜的合理应用加以探讨。

放大镜是一种用于观察物体细节的简单目视光学仪器，相对于人眼的明视距离，放大镜的透镜焦距更短，在其辅助下人眼可以更清晰地看清物体的细节。物体在人眼后视网

视角越膜上的成像大小主要取决于物体与人眼形成的视角，大，成像也越大

［1］

。

。适当将物体移动至眼前能够增大视角，

但由于人眼的调焦能力有限，因此物体成像大小依然会受到

一定的约束，离得越近成像反而更加模糊。在放大镜的辅助物体位于放大镜焦点内，形成一个正立的虚像，不但放大下，

了视角，还突破了人眼视功能调焦的限制。因此，可以认为放大镜的作用是放大视角。本研究中笔者结合自己的观点，对放大镜的成像原理加以阐述。

一、放大镜的成像原理凸透镜能够汇聚光线，平行于主光轴的光线通过凸透镜，最终可汇聚成一点，即凸透镜的焦点。凸透镜的焦点和

物体进入到凸透镜的焦距内，会形成中心距离即称为焦距，

一个正立放大的虚像。若物体进入到凸透镜内1 2倍焦距

中时，会转变成倒立放大的实像。当物体进入到凸透镜2倍焦距以外的地方时，会形成一个倒立缩小的实像。因此人们在使用放大镜的过程中，一般会将物体放在焦距以内，利用凸透镜看到物体被放大后的虚像。随着放大镜与物体距离的拉大，虚像会成正相关逐渐变大，直到物体进入到1倍焦距以外的地方。

以往有研究报道，放大镜成像的原理是表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像，位于物方焦点F 以内的物体AB ，其经过放大镜成像后可放大

［1］

成为虚像A'B' （见图1）。当物体在焦距以内时，经过凸透AB 不能在对侧镜的光线是发散的，不能在另一侧会聚成像，成像；但当人眼通过凸透镜看物体时，由于发散光线反方向会聚的原因，在物体的一侧，仍能看见该物体的成像，也具有

我们称之为虚放大效果。正立的物像不能被光屏接收到，

AB 不能在对侧成像，像。如图1所示，但能在同侧形成一个

DOI ：10．3877/cma．j．issn．2095-2007．2014．05．011

作者单位：271000泰安，泰山医学院附属医院眼科（王艺，袁久民）；首都师范大学化学系（王前）；泰山职业技术学院信息技术工程系（郭亚楠）

Email ：346048368@qq．com 通讯作者：王艺，

图1虚像

A' B' 为

凸透镜放大原理示意。图中F 为焦点，

图2实像

AB 为凸透镜放大原理示意图。图中F 为焦点，

二、放大镜的放大倍率

单位放大镜的放大率定义为：F =250/f'（式中250为明视距离，为mm ；f' 为放大镜焦距，单位为mm ）。该放大率是指在250mm 的距离内用放大镜观察到的物像的视角与没有放大镜观察到的物体视角的比值［1-4］。放大镜的放大倍率只决定于物体与镜面的距离，当物体在焦距以内时，越靠近焦点F ，放大倍率越大。放大镜的屈光度D 只决定焦距f 的大小，即D =1/f。放大镜的应用距离也就是选择物体移动的适宜范围，如果放大镜的屈光度比较小，也就是指焦距f 越大，要想拥有明显的放大视觉效果，放大镜要移动到较大距离才能使物体越靠近焦点F ，这样镜面离物体较远，不方便使用；如果屈光度D 太大，即焦距f 过小，物体又必然离镜面过近，同样使用效果不佳。因此我们常用手持式放大镜的屈光度一般设计为10D 左右。

三、双凸透镜的成像原理

物体经放大镜放大后，还要经过人眼的视觉感知，最终成为人眼中看到的经过放大的物体。人的眼球可以看作为一个凸透镜，放大镜也是一种凸透镜。因此人们利用放大镜观察物体，实际上是物体经过双凸透镜的成像过程。如图3B 所示，其中放大镜所成的物像为虚像，在人眼球所成的物像为实像。由实际光线汇聚成的像，称为实

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像。实像能被光屏承接，且为倒像；而虚像不能被光屏承接，且为正因此眼球所成的物像为倒立的实像。但是人们感觉到的却是正像，

立的图像，这与人的大脑视觉感知有关，眼球看到的倒立的实像经过大脑皮层的调整从而成为正像。人眼视觉的感知是一个非常复杂的过程，关于这方面的研究还有待进行。本文主要简述双凸透镜成像的原理及其应用。用眼睛直接观察物体时，物体在视网膜上成像如图3A 所示。当人用放大镜观察物体时，眼睛感知的物像为物体经放大镜之后的虚像，由于虚像比实际物体的尺寸大，因而在眼球的视网膜上得到了较大的图像

。

当水池中充满水之后，水的折射作用使得水底的图案投射出

水面后发生变化，相当于改变了图案的物距。因此，想再次清晰的拍摄水底的图案，需调节镜头。由此可见，放大镜成像蕴含着复杂的双凸透镜成像原理，其中包含有眼球这一高级凸透镜系统，该系统能对放大镜所成的虚像进行感知。由

该系统所成像的大小与眼球-放大镜之间的距于这个特点，

离无关，而在普通的双凸透镜系统中，凸透镜-放大镜之间的

距离对成像的大小有着很大影响

。

图4双凸透镜成像原理示意图图A 显示双凸透镜间距大于

2倍焦距时的成像特征；图B 显示双凸透镜间距为2倍焦距

图3

眼球成像路径示意图图A 显示眼球直接观察物

时的成像特征；图C 显示双凸透镜间距等于焦距时的成像特征；图D 显示双凸透镜间距小于焦距时的成像特征

综上所述，只有更清楚地了解放大镜的原理，才能更充分地发挥为人们生活水平与工作质量的提升提供可靠的保出放大镜的功能，

障。相关研究人员应转换旧观念，提高对放大镜原理的认识，灵活、

将眼球换作普通的凸透镜，则形成一般的双凸透镜成像系统。但当人眼通过凸透镜看物体时，由于发散光线反方向会聚的原因，在也具有放大效果。正立的物像不物体的一侧仍能看见该物体的像，

能被光屏接收到，我们称之为虚像。其中，凸透镜不能像眼球一样感只能将物体折射过的光线进一步折射，知放大镜所成的放大的虚像，

所成像为实像。因此，双凸透镜系统与单一凸透镜的区别在于前者的成像为实像，后者的成像为虚像。

双凸透镜系统放大镜的成像规律如下：在光线能穿过第2个凸B 所示，透镜的情况下，凸透镜间距＞2倍焦距时，如图4A 、两凸透镜最终成像越大；而当凸透镜间距在2倍焦距之内时，间距间距越大，

为焦距大小时，所成的物像最大，向两边移动都会减小（见图4C 、D ）。这一点与眼球的成像不同，眼球与放大镜之间的距离在一定范围内调整不会影响物体成像的大小。

熟练地利用放大镜原理，为放大镜技术的良好发展奠定良好基石。

体的成像特征；图B 显示眼球通过放大镜观察物体时的成像特征

参考文献

除了望远镜之外，生活中有很多利用双凸透镜成像系统

普通相机无法拍摄清楚，可在相的例子。如当微距拍摄时，

机前端添加放大镜，实现微距拍摄。此外，还有类似的现象，

如用已经调节好的照相机将空水池底部一个图案拍摄下来，

［1］翟勇．如何测量凸透镜的焦距［J ］．中学生数理化（八年级物

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［2］李学利．探究凸透镜成像的规律［J ］．中学生数理化（八年级

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（收稿日期：2014-09-07）

（本文编辑：汪东生孙丽敏）

J /CD］．中华眼科医学杂志：电子版，2014，4（5）：王艺，袁久民，王前，等．人眼联合应用放大镜形成放大视觉的机制概述［

290-291．