光學原理及醫用光學儀器

李文靜

（商丘醫學高等專科學校公共學科部,河南商丘 476100）

1 手術無影燈

1.1 光的直線傳播和影子現象

光源發出的光在同種均勻介質中沿直線傳播，但當光在傳播過程中遇到不透明的物體時，在物體后方就會形成影子，這種現象是由光的直線傳播形成的。我國古代就能利用日影的移動原理制成計時工具，如日晷、圭表等，現代建筑領域則利用影子做好建筑設計，如建筑物朝向、合理間距設計等。

但在手術室，醫生手術的視野內形成的任何陰影都會妨礙他們對手術部位的觀察和判斷，對患者而言甚至性命攸關，因此必須消除影子的形成，手術無影燈已成為手術中重要的照明工具。

圖1 整體反射式手術無影燈的光路圖

1.2 手術無影燈原理及應用

物體在光源下生成的影子由本影和半影組成，光不能到達的完全黑暗的區域為本影，只有部分光到達的半暗區域為半影。手術無影燈是利用多點光源效應的原理設計的，即當有多個光源照射一個物體時，其中有些光源的光線被物體遮擋而無法照到接收面產生陰影時，其他光源的光線會從另一個角度照射到這個陰影區域，從而減弱并消除這個區域的陰影，最終形成無影區。

手術無影燈有整體反射式和透鏡多孔式兩種結構形式。

目前，整體反射式手術燈經過計算機設計成多達3800片的多鏡面反射系統，從不同角度進行反射照明，使燈頭邊緣和潛在陰影區域的光線得以增強，創造無影效果；若采用多燈頭同時照明時，每個燈頭均可獨立覆蓋整個手術區域，多個燈頭則更能在照明面形成多重疊加光斑，極利于深部照明。即便因手術醫師的頭部、肩部及手臂的遮擋，也不會導致光亮度減弱，手術視野的無影效果及亮度均始終良好。

整體反射手術燈能提供非常明亮的照明，用于常規外科手術，具有高亮度、高敏感等特性，是目前手術室的主流手術燈。由于手術室的層流要求，多孔式現在逐漸被取代。

2 醫用光學顯微鏡

2.1 光的折射現象和透鏡

當光從一種介質進入到另一種介質時，在兩種介質的界面處光路發生改變的現象即光的折射現象。

透鏡是根據光的折射規律由透明物質（如玻璃、水晶等）制成的光學元件。在古希臘和古羅馬時期，人們就知道透鏡的放大性能，還用于聚光引火，矯正視力。.

1590年荷蘭的楊森父子利用透鏡首創了光學顯微鏡，1610年左右，意大利科學家伽利略才首先利用顯微鏡觀察了昆蟲的運動器官和感覺器官，以及昆蟲的復眼，后來顯微鏡成為重要的科學研究工具。

2.2 醫用光學顯微鏡原理及應用

光學顯微鏡由兩組凸透鏡組合而成，靠近物體的一組透鏡叫做物鏡，靠近觀察者眼睛的一組透鏡叫做目鏡。物鏡起放大被觀察物體線度的作用，而目鏡則起放大視角的作用，二者配合使用可獲得不同的放大率。

顯微鏡的放大率是基于透鏡成像的光學原理，即當被檢物AB位于物鏡的2倍焦距以內焦點F1以外的位置時形成放大倒立的實像A1B1，若該實像A1B1的位置恰好位于目鏡的焦點F2以內，目鏡就像一塊放大鏡，第一次成的像A1B1將被目鏡放大成直立的虛像A2B2。這樣，我們從目鏡中看到的物體的虛像A2B2，是經過兩次放大的像，所以顯微鏡的視角增大的倍數要比放大鏡高得多，顯微鏡的放大率是物鏡的線放大率與目鏡的角放大率之積。

圖2 光學顯微鏡的光路圖

目前，在醫學領域中，顯微鏡是常用的檢驗和研究工具，隨著制造工藝和加工水平的改良，顯微鏡的性能不斷提高，而光學顯微技術的不斷創新則產生了用于不同觀察領域的光學顯微鏡。目前，除用于外科手術、病理解剖、切片機刀具的安裝、體外生育胚胎的檢查，也用于對未經染色的病原體和活體標本表面特征和運動形態的觀察，觀察活性細胞的結構以及衡量活細胞中的生理現象和生化活動，用于研究活體細胞中較大的細胞器顆粒及細胞器的運動等。

圖3 光的全反射現象原理圖

3 醫用內窺鏡

3.1 光的全反射和光纖

當光從光密介質射向光疏介質時，一般情況下，反射現象和折射現象同時產生。折射角I‘大于入射角I，若增大入射角，折射角也隨之增大。當入射角增大到一定程度，即為臨界角Im時，折射角等于900；如果再增大入射角，光線將全部反射回原介質中，此時這種現象稱為光的全反射。以上看出，產生全反射必須具備的條件是光從光密介質射向光疏介質且入射角大于臨界角。

光導纖維簡稱光纖。光纖是依據全反射原理制成的光學元件，它是用透明度很好的物質（如玻璃、石英）拉成直徑在幾微米到幾十微米的細纖維，并在纖維的外表面涂一層折射率較小的介質制成。把許多兩端面磨平拋光的光纖整齊地排列在一起，制成光導纖維束，具有傳光（圖4）、傳像功能。傳光原理如圖4所示，而光導纖維束輸入端的圖像被緊密排列在一起的數萬根細光纖分解成許多像元，經光纖傳輸到輸出端就會成為傳輸的圖像，實現傳像功能，在醫學中利用光纖制作成各種內窺鏡，廣泛用于疾病的診斷和治療。

圖4 光纖導光原理圖

3.2 醫用內窺鏡及應用

外部高強度冷光源所發出的光，通過導光束傳至內窺鏡的先端部，光線經導光窗射出，照亮體腔內欲觀察的部位，觀察到的圖像則通過觀察窗棱鏡改變入射角方向后，再由物鏡成像在傳像束的端面上，然后經蛇形管中的傳像束傳至目鏡，供醫生觀看。

光纖內窺鏡的纖維束具有細軟易彎曲的特點，在插入人體的復雜體腔時，即方便、安全，又能減少患者的痛苦。因采用冷光源，避免了對黏膜的灼傷。隨著內窺鏡結構的不斷改進及其附件的逐漸完善，已廣泛地應用于消化道、呼吸道、泌尿生殖道、胸腔、腹腔、耳鼻咽喉腔、關節腔甚至腦室等部位的疾病的診斷和治療。

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