7几何光学.ppt

第十一章第十一章 几何光学几何光学Geometrical Optics第一节第一节 球面成像球面成像第二节第二节 透镜透镜 （共轴光具组不讲）（共轴光具组不讲）第三节第三节 眼睛眼睛第四节第四节 放大镜和显微镜放大镜和显微镜n几何光学：几何光学：避开光的波动性，以光的直线传播为基避开光的波动性，以光的直线传播为基础，研究光的传播规律。础，研究光的传播规律。n理论基础：理论基础：n 反射定律、折射定律、可逆性反射定律、折射定律、可逆性n优缺点：优缺点：优：简单优：简单 缺：近似缺：近似n条件：条件：研究对象的几何尺寸研究对象的几何尺寸d d 不研究像的细节不研究像的细节第一节 球面成像一、单球面折射复习Law of reflectionLaw of refraction 1、单球面折射公式问题：找像点问题：找像点近轴光线近轴光线Object distanceImage distance近轴光线近轴光线 说明：说明：适用范围：适用范围：近轴近轴光线光线 n 1：射光线射光线所在媒质折射率所在媒质折射率 n 2：折射光线折射光线所在媒质折射率所在媒质折射率 符号规则：符号规则：实实物（像）物（像）取取正正 入入射光线对着射光线对着凸凸面面 r 取取正正单球面成像公式单球面成像公式入射光线入射光线所在的空间叫所在的空间叫物空间物空间折射光线折射光线所在的空间叫所在的空间叫像空间像空间物在物空间物在物空间实物，实物，P P取正取正 像在像空间像在像空间实像，实像，PP取正取正什么情况取负？什么情况取负？物在像空间，像在物空间物在像空间，像在物空间图图o oI Ip0P 0r 0I Io o图图Io o图图P0P 0r 02、单球面折射系统的焦度、焦点、焦距（1 1）焦度）焦度(focal power)反映系统折光本领反映系统折光本领单位：单位：屈光度屈光度D （r r 单位为单位为 m m）1-1（2 2）焦点）焦点,焦距焦距:像在无穷远处的物点像在无穷远处的物点物在无穷远处的像点物在无穷远处的像点（）焦距和焦度的关系（）焦距和焦度的关系折射面对入射光线会聚折射面对入射光线会聚（4 4）高斯公式）高斯公式例题例题11111 1 某种液体（某种液体（n n=1.3=1.3）和玻璃（）和玻璃（n n=1.5=1.5）的分界）的分界面是球面在液体中有一物体放在球面的轴线上，面是球面在液体中有一物体放在球面的轴线上，离球面离球面40cm40cm处，并在球面前处，并在球面前32cm32cm处成一虚像求球处成一虚像求球面的曲率半径，并指出哪一种媒质处于球面的凸侧面的曲率半径，并指出哪一种媒质处于球面的凸侧依题可知：依题可知：n1=1.3，n2=1.5，p=40cm，凹面对着入射光线，凹面对着入射光线，即玻璃处于折射面的凸侧即玻璃处于折射面的凸侧解得解得 r13.9cm二、共轴球面系统二、共轴球面系统Coaxial spherical system Coaxial spherical system 成像情况：A glass ball has a radius of 10cm and refractive index(折射率折射率)of 1.5.Use paraxial rays(近轴光线近轴光线)formula to calculate the image of an object that is 40cm from the ball.玻璃球（玻璃球（n=1.5）半径为）半径为10cm，一点光源放，一点光源放在球面前在球面前40cm处，求近轴光线通过玻璃球后处，求近轴光线通过玻璃球后所成的像。所成的像。例题例题11-2 第一折射面第一折射面第二折射面第二折射面 第二节 透镜薄透镜薄透镜分类分类 凸透镜、透镜、凹透镜透镜一、薄透镜成像公式一、薄透镜成像公式薄透镜的焦度、焦距薄透镜的焦度、焦距焦度焦度焦距焦距关系关系 特例：空气中特例：空气中综合：综合：1-2、f 的意义：正、负号：正、负号：大小：大小：ff折光本领折光本领 折光本领折光本领 大于零会聚；大于零会聚；小于零发散小于零发散思考题思考题思考题思考题 答案：答案：凸透镜一定是会聚透镜吗？凸透镜一定是会聚透镜吗？凸凸 凹凹凸透镜一定是会聚透镜凸透镜一定是会聚透镜!求平凸透镜的焦距、焦度求平凸透镜的焦距、焦度已知：已知：n=1.5 rn=1.5 r1 1=30cm r=30cm r2 2=1/0.6=1.6 屈光度屈光度=160度度例题例题右入射右入射左入射左入射解：解：二、薄透镜组合二、薄透镜组合两个薄透镜密切接触时两个薄透镜密切接触时 应用：测焦度应用：测焦度光线不改变方向光线不改变方向例题例题 11114 4折射率为折射率为1.5 1.5 的薄透镜，一面是平面，另一面是半径的薄透镜，一面是平面，另一面是半径为为0.2m0.2m的凹球面，将此透镜水平放置，凹球面一侧充的凹球面，将此透镜水平放置，凹球面一侧充满水，求整个系统的焦度及焦距（水的折射率为满水，求整个系统的焦度及焦距（水的折射率为4/34/3）解一：空气中两个薄透镜的组合解一：空气中两个薄透镜的组合设光线从透镜平面一侧入射设光线从透镜平面一侧入射 对玻璃透镜对玻璃透镜 对水透镜对水透镜 解二：三次单球面折射解二：三次单球面折射第第1 1次次第第2 2次次第第3 3次次 例题凸透镜和凹凸透镜和凹透镜的焦距透镜的焦距分别为分别为20cm 20cm 和和40cm,40cm,二二者间距者间距40cm,40cm,物体物体距离距离L L1 1为为30cm,30cm,求像求像的位置。的位置。Example:A converging lens(凸透镜凸透镜)of focal length 12 cm is placed 52 cm from another converging lens of focal length 8 cm.Calculate the image position of an object that is 16 cm in front of the first lens.p216cmp152cmf1=12cmf2=8cmair air air Solution:the object distance for the second lens is 52 48=4 cm.The image is virtual(虚的虚的).Real image 实像实像Virtual image 虚像虚像四、柱面透镜五、透镜的像差1.1.像差像差点物点物 非点像非点像物像失真物像失真2.2.分类分类 球面像差球面像差原因原因:远轴光折射远轴光折射,近轴光折射近轴光折射 纠正：纠正：加光阑加光阑 缺点：亮度缺点：亮度色像差色像差原因：原因：n n随随而变而变 入入nn折折点物点物彩斑彩斑纠正纠正：不同：不同n n的凸凹透的凸凹透镜适当地组合，使一镜适当地组合，使一个透镜的色散为另一个透镜的色散为另一透镜所抵消透镜所抵消。2-1第三节 眼n眼眼：理想的光学系统，焦距可调。：理想的光学系统，焦距可调。n正常眼：正常眼：把远近不同物成像在视网膜把远近不同物成像在视网膜上。上。n异常眼：异常眼：远视、近视、散光。远视、近视、散光。一、眼的调节一、眼的调节 视力视力1 1、眼的结构、眼的结构The structure of the eye 角膜：透明角膜：透明虹膜：中央孔，瞳孔，虹膜：中央孔，瞳孔，大小可变，控制光量，大小可变，控制光量，光阑光阑晶状体：透明，有弹性，晶状体：透明，有弹性，双凸，曲率可调。双凸，曲率可调。视网膜：布满视神经，视网膜：布满视神经，成像。成像。房水：充满角膜、虹膜、房水：充满角膜、虹膜、晶状体之间晶状体之间 玻璃体玻璃体 充满晶状体、充满晶状体、视网膜之间。视网膜之间。黄斑黄斑睫状肌睫状肌简约眼：n实际眼实际眼简化为单球面折射系统简化为单球面折射系统2 2、眼的调节、眼的调节n瞳孔改变：球面像差，光通量瞳孔改变：球面像差，光通量n晶状体晶状体r r变：焦度改变变：焦度改变nr r调节有一定限度：调节有一定限度：近点：近点：眼睛处于最大调节状态能看清的物体与眼睛之间的距离。眼睛处于最大调节状态能看清的物体与眼睛之间的距离。正常眼正常眼:10-12cm:10-12cm 远点：远点：眼睛不调节时，能看清的最远处物体与眼睛眼睛不调节时，能看清的最远处物体与眼睛之间的距离。之间的距离。正常眼：正常眼：近视眼远点变近近视眼远点变近明视距离：明视距离：适当照明，不易疲劳，最适宜距离适当照明，不易疲劳，最适宜距离 25 cm25 cm视角（visual angle)：从物体上两点发出的光到眼节点（光心）所张的角。从物体上两点发出的光到眼节点（光心）所张的角。影响因素：影响因素：物体大小物体大小 物体与眼睛之间的距离物体与眼睛之间的距离意义：意义：视角决定了视网膜上像的大小。视角决定了视网膜上像的大小。3、视力、视力视力视力眼的分辨本领：眼的分辨本领：国际标准视力表国际标准视力表 视角：视角：10 5 2 1 0.67 0.5 视力：视力：0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.0视角视角：10 1 0.5视力视力：4.0 5.0 5.3国家标准对数视力表国家标准对数视力表二、眼的屈光不正及矫正二、眼的屈光不正及矫正近视眼近视眼远视眼远视眼正常眼正常眼1、近视眼、近视眼例题例题11-5 11-5 一近视眼的一近视眼的远点在眼前远点在眼前0.4m0.4m处，处，欲使其能看清无穷远欲使其能看清无穷远处的物体，问应配多处的物体，问应配多少度的眼镜？少度的眼镜？2、远视眼例题例题11-611-6一远视眼的近点在眼前一远视眼的近点在眼前0.5m0.5m处，欲使其能处，欲使其能看清看清0.25m0.25m处的物体，问应配多少度的眼镜？处的物体，问应配多少度的眼镜？2-2验光：验光：确定散光轴向确定散光轴向和度数。和度数。方法：方法：注视如图的散注视如图的散光表光表如发现有一些辐射线如发现有一些辐射线清楚和颜色深，一些清楚和颜色深，一些辐射线模糊和颜色浅辐射线模糊和颜色浅就表示有散光。就表示有散光。3 3、散光眼、散光眼矫正：矫正：将将柱镜放在辐射线上，让柱镜的轴向与看得清柱镜放在辐射线上，让柱镜的轴向与看得清楚的辐射线平行，调整其度数，直至各线都清楚，颜楚的辐射线平行，调整其度数，直至各线都清楚，颜色差不多为止。可找出最好视力的轴向和度数。色差不多为止。可找出最好视力的轴向和度数。子午线子午线:子午面与折射面的交线子午面与折射面的交线对称折射系统对称折射系统任何子午线的曲率半径都相等任何子午线的曲率半径都相等(球面球面).).非对称折射系统非对称折射系统不同方向上的子午线的曲率半径不相同不同方向上的子午线的曲率半径不相同 子午面子午面:含有主光轴的平面含有主光轴的平面角膜表面不是球面角膜表面不是球面非对称折射系统非对称折射系统问题：哪个方向折光强？问题：哪个方向折光强？折光能力越强折光能力越强水平方向水平方向竖直方向竖直方向最小模糊圈最小模糊圈非对称折射面成像非对称折射面成像散光眼的矫正方法散光眼的矫正方法 视网膜在视网膜在I IX X 处：处：视网膜在视网膜在I IY Y 处：处：凸，柱轴沿凸，柱轴沿X X放置放置凹，柱轴沿凹，柱轴沿Y Y放置放置柱柱面面透透镜镜第四节第四节 几种医用光学仪器几种医用光学仪器一、放大镜一、放大镜（magnifying glassmagnifying glass）医用放大镜医用放大镜物：置于焦点附近（以内）物：置于焦点附近（以内）放大镜成像原理放大镜成像原理yyFf像：正立放大虚像像：正立放大虚像y25cmyyFf光学仪器角放大率：光学仪器角放大率：二、显微镜（二、显微镜（MicroscopesMicroscopes）3-1yF2F1y基基本本原原理理放放大大率率 分辨本领问题：放大率问题：放大率能否看清细节能否看清细节 例例:放大照片放大照片原因：光的衍射，点物原因：光的衍射，点物非点像。非点像。两点太近无法分辨两点太近无法分辨定性分析：定性分析：瑞利分辨判据瑞利分辨判据两衍射像恰能被分辨的条件是：两衍射像恰能被分辨的条件是：一个衍射图样中心恰好落在另一个的第一暗环上一个衍射图样中心恰好落在另一个的第一暗环上.极小光强度为最大光强度的极小光强度为最大光强度的80%80%阿贝研究：阿贝研究：物物物镜边缘光线与主光轴夹角物镜边缘光线与主光轴夹角n：物镜物镜标本间媒质折射率标本间媒质折射率nsin ：数值孔径，用数值孔径，用N NA A表示表示显微镜所能分辨的最短距离：显微镜所能分辨的最短距离：盖玻片盖玻片载玻片载玻片n=1.52如何提高显微镜的分辨本领如何提高显微镜的分辨本领?（1 1）减小照射光波的波长）减小照射光波的波长 紫外光代替可见光，分辨本领紫外光代替可见光，分辨本领提高一倍。提高一倍。缺点：看不见，拍照。缺点：看不见，拍照。（2 2）增大孔径数）增大孔径数 N NA An sin 优点：优点：避免全反射，亮度增加避免全反射，亮度增加 增加、增加、n n 增加增加N NA A增大增大分辨本领提高。分辨本领提高。油浸物镜油浸物镜香柏油香柏油 n=1.52n=1.52盖玻片盖玻片载玻片载玻片n=1.52un=1.52油油1.1.单球面折射单球面折射单球面折射单球面折射2.2.薄透镜薄透镜薄透镜薄透镜小结小结(透镜左右两侧的媒质相同透镜左右两侧的媒质相同)组合组合组合组合简约眼：简约眼：简约眼：简约眼：4.4.放大镜放大镜放大镜放大镜5.5.显微镜显微镜显微镜显微镜矫正：矫正：近视眼近视眼远视眼远视眼散光眼散光眼3.3.眼睛眼睛眼睛眼睛3-2油浸物镜油浸物镜增大增大N NA A