11幾何光學(xué)

1、,第11章 幾何光學(xué),第11章 幾何光學(xué)(Geometrical optics),1.掌握單球面折射成像、共軸球面系統(tǒng)成像和薄透鏡成像的規(guī)律。 掌握眼的屈光不正及其矯正方法，熟悉視力和視角等概念。 掌握顯微鏡的放大率、分辨本領(lǐng)和數(shù)值孔徑的物理意義。2.熟悉顯微鏡、纖鏡的光學(xué)原理。3.了解透鏡成像的像差和補(bǔ)救方法。,,學(xué)習(xí)要求,,第一節(jié) 球面折射第二節(jié) 透鏡第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng)第四節(jié) 放大鏡、檢眼鏡和纖鏡第五

2、節(jié) 顯微鏡第六節(jié) 光學(xué)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,教學(xué)內(nèi)容：,第11章 幾何光學(xué)(Geometrical optics),一些基本的幾何學(xué)定律和基本的光學(xué)實(shí)驗(yàn)定律：光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律光通過兩種界面時(shí)的反射和折射定律 光的獨(dú)立傳播定律和光的可逆定律,折射定律:,折射:當(dāng)光波從一介質(zhì)入射到另一介質(zhì)時(shí)，由于兩介質(zhì)的光學(xué)密度不同，透射光偏離入射方向的現(xiàn)象。,,第11章 幾何光學(xué)(Geometrical op

3、tics),第一節(jié) 球面折射,單球面的定義：兩種不同折射率的透明介質(zhì)的分界面是球面的一部分。,,,,,,,,,,空氣,玻璃,,,,,,C,單球面折射是研究各種光學(xué)系統(tǒng)成像的及眼睛光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。,,一、單球面折射,單球面折射的定義：兩種介質(zhì)的分界面是球面的一部分時(shí)，所產(chǎn)生的折射現(xiàn)象稱為單球面折射。,,,,,,n1,n2,,點(diǎn)光源O,C,,r,,,M,像I,,,,,,u,v,,α,,θ1,θ2,,,β,,,γ,主光軸,近軸光線,,推導(dǎo)

4、：設(shè)球面曲率半徑為r、物距為u、像距為v。,頂點(diǎn),球面曲率中心,P,1.單球面折射公式,(設(shè):n1< n2),單球面折射公式：,由折射定律得：,第一節(jié) 球面折射,單球面折射公式符號(hào)規(guī)則：,①實(shí)物距、實(shí)像距取正值；,②虛物距、虛像距取負(fù)值；,③凸球面對(duì)著入射光線則 r 為正，反之為負(fù)。,（虛物：物點(diǎn)到折射面的方向與入射光線方向相反。）,（即：曲率半徑r與入射光線異側(cè)為正。）,第一節(jié) 球面折射,2.焦點(diǎn)和焦距,,,第一焦點(diǎn)F1（物空

5、間焦點(diǎn)）：,第二焦距 f2：,,F1,,,,f1,,F2,,,,f2,第一焦距 f1：,第二焦點(diǎn)F2 （像空間焦點(diǎn)）,,第一節(jié) 球面折射,--------描述單球面折射本領(lǐng)。,折射率差值越大、半徑越小，Ф越大，折光本領(lǐng)越強(qiáng)。,單位：Ф---屈光度（D） r---米（m）,折射面的焦度（dioptric strength）,第一節(jié) 球面折射,,,,,,,r,n2,解：已知n1=1.0, n2=1.33, r=5.7mm

6、,(D),(mm),(mm),例題:從幾何光學(xué)的角度來看，人眼可簡(jiǎn)化為高爾斯特蘭簡(jiǎn)化眼模型。這種模型將人眼成像歸結(jié)成一個(gè)曲率半徑為5.7mm、媒質(zhì)折射率為1.33的單球面折射成像。試求這種簡(jiǎn)化眼的焦點(diǎn)位置和焦度。,第一節(jié) 球面折射,二、共軸球面系統(tǒng),兩個(gè)或兩個(gè)以上的折射面的曲率中心在同一直線上所組成的系統(tǒng)。,在成像過程中，前一折射面所成的像，即為相鄰的后一個(gè)折射面的物----順次成像法。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

7、,,,,,,,,,u1,v1,u2,v2 ＜0,,,u3,v3,u4＜0,v4,n′,n〞,n0,n0,n0,第一節(jié) 球面折射,∵,∴,v1=60cm,,,,,,,,,20,,,40,O,I1,n=1.5,,,40,I2,,,v2,,v1,[例題]玻璃球(n=1.5)的半徑為10cm，一點(diǎn)光源放在球前40cm處，求近軸光線通過玻璃球后所成的像。,第二折射面，n1=1.5, n2=1, u2=-40cm, r =-10cm,∵,∴,v2=

8、11.4cm,,第一節(jié) 球面折射,第二節(jié) 透鏡,,,,,,,d,,,,,,,,,,,p,p′,n0,,n,n0,當(dāng)n0=1時(shí),,薄透鏡成像公式：,,按共軸球面系統(tǒng)計(jì)算得：,令,,,薄透鏡的焦度：,（公式適用于透鏡兩側(cè)介質(zhì)相同的情況。）,1D=100度(眼鏡),薄透鏡的組合,兩式相加得,第二節(jié) 透鏡,五、柱面透鏡,表面是圓柱面的一部分,凸柱面透鏡,凹柱面透鏡,第二節(jié) 透鏡,主子午線,軸向子午線：與軸平行的子午線，在柱面上是平的，沒有彎度。

9、屈光力子午線：與軸垂直的子午線，在柱面上是圓形的，彎度最大。,第二節(jié) 透鏡,柱面透鏡的光學(xué)特性,光線通過軸向子午線（圖中垂直方向）不會(huì)出現(xiàn)聚散度的改變光線通過屈光力子午線（圖中水平方向）會(huì)出現(xiàn)聚散度的改變,第二節(jié) 透鏡,柱面鏡主要應(yīng)用于改變成像尺寸大小的設(shè)計(jì)要求。例如把一個(gè)點(diǎn)光斑轉(zhuǎn)換成一條線斑，或者在不改變想寬度的情況下改變像的高度?？蓱?yīng)用在線性探測(cè)器照明，條形碼掃描，全息照明，光信息處理，計(jì)算機(jī)，激光發(fā)射。光學(xué)柱面鏡在強(qiáng)激光系統(tǒng)

10、和同步輻射光束線中也有著廣泛的應(yīng)用,同時(shí),對(duì)柱面鏡零件的要求也越來越高,尤其在大功率激光諧振腔的腔片和長(zhǎng)距離線干涉儀等高精度測(cè)試儀器和裝置中。,第二節(jié) 透鏡,內(nèi)層:視網(wǎng)膜。,一、眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié),,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),眼球壁主要分為三層:,外層:角膜、鞏膜。,中層:包括虹膜、睫狀體。,,,角膜(1.376),主光軸,,房水(1.336),,虹膜,,晶狀體(1.406),玻璃狀液(1.336),,視網(wǎng)膜,,黃斑,睫狀肌,,古氏

11、平均眼:共軸球面折射系統(tǒng)。,1、眼的光學(xué)結(jié)構(gòu),第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),簡(jiǎn)約眼: 把眼睛簡(jiǎn)化為一個(gè)單球面(即角膜)折射系統(tǒng)。,,,,,,,,C,,,,,,,15mm,5mm,15mm,,,F1,F2,n=1.336,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),,,,,,對(duì)近物:增大晶狀體表面曲率（即曲率半徑減小）, 焦度增大。,對(duì)遠(yuǎn)物：減小晶狀體表面曲率（即曲率半徑增大）, 焦度減小。,眼的調(diào)節(jié)：眼睛改變自身焦度使遠(yuǎn)近不同的物體均能在視網(wǎng)膜上成清晰像

12、的本領(lǐng)。眼的調(diào)節(jié)是通過改變晶狀體表面的曲率來完成。,,,,,,,,,,,2、眼的調(diào)節(jié),第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),遠(yuǎn)點(diǎn)：眼睛在完全不調(diào)節(jié)時(shí)所能看清物體的最遠(yuǎn)位置。,近點(diǎn)：眼睛經(jīng)過最大調(diào)節(jié)所能看清物體的最近位置。,明視距離：最適宜而不易引起眼睛過度疲勞的看物距離。,,,,,近點(diǎn)(10~12cm),,,,,,遠(yuǎn)點(diǎn)(∞),（明視距離）,,,,25cm,眼的調(diào)節(jié)的范圍：,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),二、視力、屈光不正及其矯正,,,,,,,,,視角,視角

13、：從物體兩端入射到眼中節(jié)點(diǎn)的光線所夾的角度。,,眼節(jié)點(diǎn),國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)視力=,,,,,θ,眼的分辨本領(lǐng)：眼睛能分辨兩物點(diǎn)間最短距離的能力。設(shè)此時(shí)眼睛能分辨物體的最小視角為θ。,,,對(duì)一定距離處的物體，不同的人眼的最小視角不同，即視力不同。,1.視力vision,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,1分視角,,,,,,,,5米,眼,,,,L=?,課后練習(xí):自畫一國(guó)際視力表,視力為0.1,0.6, 1.0,1.5,視力表的原理：（

14、以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)視力表中視力1.0為例）,L=1.5mm,5米處物的大小=,（國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)視力表：視力= 5 – lgθ),2、眼的屈光不正及其矯正,正視眼,遠(yuǎn)點(diǎn)距離：∞,近點(diǎn)距離：10~12cm,非正視眼,近視眼,遠(yuǎn)視眼,散光眼,,,近視眼 (short sight)成像：在視網(wǎng)膜前。成因：晶狀體或角膜曲率變大， 聚光能力增強(qiáng)；或眼軸過長(zhǎng)。矯正：凹透鏡。,遠(yuǎn)視眼 (far sight)成像：在視網(wǎng)膜后.成因：晶狀體或角膜曲

15、率變小， 聚光能力減弱；或眼軸過短。矯正：凸透鏡。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),,近視眼的配鏡：凹透鏡的作用是把無(wú)窮遠(yuǎn)處物體成像在近視眼遠(yuǎn)點(diǎn),使眼不調(diào)節(jié)可看清遠(yuǎn)物。,,,,,,,,,,,,,,,,,,遠(yuǎn)點(diǎn),凹透鏡,此時(shí)有：u =∞, v=-(遠(yuǎn)點(diǎn)距離)=-1m,,,,遠(yuǎn)點(diǎn)距離1m,,,,,,,凹透鏡片度數(shù)= -100（度）,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),,,遠(yuǎn)視眼的配鏡：凸透鏡的作用是把

16、近點(diǎn)之內(nèi)（或明視距離處）的物體成像在遠(yuǎn)視眼近點(diǎn)。,,,,,,,,,,,,近點(diǎn),凸透鏡,,,,,,此時(shí)有： u = 25cm, v=-近點(diǎn)距離=-50cm,物,,,,,25cm,,,,,凸透鏡片度數(shù)=+200D（度）,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),原因：角膜的各個(gè)方向子午線的半徑不相等,矯正：配戴適當(dāng)焦度的柱面透鏡,,,,A,B,C,D,,,即散光眼為非對(duì)稱折射系統(tǒng),若AB＞CD,散光眼和配鏡,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),老花是指對(duì)近物的視力調(diào)節(jié)

17、出現(xiàn)進(jìn)行性退化。眼睛的聚焦能力隨著年齡逐漸減弱，到65歲時(shí)，很少或完全沒有聚焦能力。通常在45歲，當(dāng)眼睛不能適應(yīng)正常的閱讀距離時(shí)才引起注意。大的印跡可以被看到，但是小的印跡難以或不能被聚焦。報(bào)紙需要放在胳膊長(zhǎng)的距離來閱讀。通常用簡(jiǎn)單的凸透鏡進(jìn)行糾正。,,,老花眼,原因：調(diào)節(jié)功能衰退,特點(diǎn)：看遠(yuǎn)正常，看近不行,矯正方法：配戴適當(dāng)焦度的凸透鏡,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),準(zhǔn)分子激光角膜切削術(shù)：手術(shù)的原理為應(yīng)用準(zhǔn)分子激光切削角膜中央前表面，即除

18、去上皮層的前彈力層和淺層基質(zhì)，使角膜前表面彎曲度減少。曲率半徑增加，屈光能力減低，焦點(diǎn)向后移至視網(wǎng)膜上，達(dá)到矯正近視的效果。,PRK手術(shù),準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)：手術(shù)是采用更為復(fù)雜的新型設(shè)備開展的針對(duì)高度近視眼的治療手術(shù)。在角膜表面切削一角膜瓣，翻轉(zhuǎn)角膜瓣后，應(yīng)用準(zhǔn)分子激光電腦控制角膜基質(zhì)內(nèi)切削，最后將角膜瓣復(fù)位。,LASIK手術(shù),準(zhǔn)分子激光治療近視眼,第三節(jié) 眼睛的屈光系統(tǒng),一、放大鏡,,,,,,,β,,眼節(jié)點(diǎn),,,,,,,,,,,

19、f,,γ,角放大率：,,即,y,作用：增大視角。,第四節(jié) 放大鏡 檢眼鏡 纖鏡,二、檢眼鏡,第四節(jié) 放大鏡 檢眼鏡 纖鏡,無(wú)線數(shù)字間接檢眼鏡為病人檢查眼睛,第四節(jié) 放大鏡 檢眼鏡 纖鏡,,二、纖鏡,纖鏡：由數(shù)萬(wàn)根玻璃纖維捆縛成束構(gòu)成,纖鏡作用：,⒈把強(qiáng)光導(dǎo)入器官（體）內(nèi);⒉把器官（體）內(nèi)的像導(dǎo)出體外.,（光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡）,醫(yī)學(xué)常用纖鏡：,支氣管鏡、食道鏡、胃鏡、腸鏡、膀胱鏡、鼻腔鏡、宮腔、關(guān)節(jié)鏡等。,光導(dǎo)纖維：,第四節(jié) 放

20、大鏡 檢眼鏡 纖鏡,支纖鏡,纖維支氣管鏡檢查,第四節(jié) 放大鏡 檢眼鏡 纖鏡,,,,,,,,,,y,F1,F2,L1,L2,,,,,,,,,物鏡,目鏡,,,,,f2,,,,,顯微鏡的放大率：,1.顯微鏡的光路圖和放大率：,第五節(jié) 顯微鏡,2.光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng),光學(xué)儀器的圓孔衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)系統(tǒng)分辨物體細(xì)節(jié)的能力。,分辨極限:光學(xué)系統(tǒng)能分辨開兩物點(diǎn)的最短距離。分辨本領(lǐng):最短距離的倒數(shù)稱為光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。,,,A,B,,,物

21、鏡,兩物點(diǎn),相應(yīng)兩象點(diǎn),艾里斑,,,第五節(jié) 顯微鏡,瑞利判據(jù),顯微鏡的分辨本領(lǐng),兩個(gè)物點(diǎn)（A1和A2）剛能夠被分辨的條件是：一個(gè)物點(diǎn)的衍射亮斑的第一暗環(huán)正好與另一個(gè)物點(diǎn)的衍射亮斑中央點(diǎn)重合。此時(shí)Z為剛能分辨的最短距離（即顯微鏡的分辨距離）。,顯微鏡的分辨本領(lǐng)：,顯微鏡能分辨最短距離的能力。用1/Z表示。Z越小，分辨本領(lǐng)越高。,根據(jù)瑞利判據(jù)，得顯微鏡的分辨距離：,物鏡的數(shù)值孔徑：,（推導(dǎo)略）,第五節(jié) 顯微鏡,提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個(gè)途

22、徑：,⒈增大物鏡的數(shù)值孔徑 N.A.,（比如：采用油浸鏡頭）,⒉減小照射光的波長(zhǎng)λ,（采用紫外線、電子射線）,蓋玻片,n=1.52,,n=1,,,,β,干物鏡,物鏡(n=1.52),油浸物鏡,,,油,n=1.52,,β,,,,,標(biāo)本,第五節(jié) 顯微鏡,,特種顯微鏡偏光顯微鏡：電子顯微鏡:透射電子顯微鏡 (1938年TEM) 掃描電子顯微鏡 (1952年SEM) 掃描隧道電子顯微鏡 (198

23、3年STM)超聲顯微鏡：激光掃描共聚焦顯微鏡(198７年ＬSＣM),第五節(jié) 顯微鏡,本章小結(jié),注意：符號(hào)規(guī)則,2、薄透鏡（1）成像公式：,（2）焦距公式：,1、單球面折射,欲看清的位置，,C、散光眼的矯正：適當(dāng)焦度的柱面透鏡。,3、眼睛（1）視力國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)視力：視力,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)視力：,（2）眼屈光不正的矯正A、近視眼的矯正：,為患者遠(yuǎn)點(diǎn),B、遠(yuǎn)視眼的矯正：,為患者近點(diǎn),本章小結(jié),本章小結(jié),4、纖鏡：光的全反射，導(dǎo)入光，導(dǎo)出像