第八章几何光学Geometricaloptics.ppt

第八章第八章 几何光学几何光学 Geometrical opticsGeometrical optics 掌握：单球面折射公式、共轴球面系统的 计算、近视眼和远视眼的矫正及其 计算、显微镜的分辨距离和物镜的 数值孔径 熟悉：放大镜的放大率、光学纤维导光、 导象原理 了解：眼的折光作用、散光眼和老光眼的 成因及其矫正、显微镜放大率、电 子显微镜的原理 思考题： 1.单球面折射公式的适用范围是什么？公式中 象距、物距、球面曲率半径的符号如何确定 ？公式中n1、n2如何确定？ 2.焦度的物理意义和单位是什么？焦度和薄透 镜焦距有何关系？ 3.共轴球面系统中虚实物如何判定？ 4.矫正屈光不正时，薄透镜成象公式中的象距、 物距与矫正前后的近点或远点有何关系？ 5.显微镜的放大率和分辨率有何区别？ 6.提高分辨率可采取哪些措施？ §1 §1 球面折射球面折射 一、单球面折射 1.单球面折射公式 (前提条件：近轴光线) 符 号 法 则 入 射 光 折 射 光 实物 u0 虚物 u0 U U 实象v 0 虚象v 0 入 射 光 折 射 光 V V 符 号 法 则 凸面迎着入射光，r 0 凹面迎着入射光，r 0 入 射 光 折 射 光 入 射 光 折 射 光 折射率: 入射光所处媒质为n1 折射光所处媒质为n2 n1 n2 n1 n2 2. 折射本领 第一焦点F1： 主光轴上点光源在此 发出的光束经折射后为 平行光的点 第一焦距（F1至球面顶点P的距离）： 第二焦点F2： 平行于主光轴的光束 位折射后会聚在此的点 第二焦距（F2至球面顶点P的距离）： 3、焦度(focal power) 焦度D 的单位：屈光度（f 以m为单位） 焦度越大，折射本领越强 1 屈光度= 100度 【例例2 2】求图示简约眼的第一、第二焦距。 【解】 二、共轴球面系统 1. 计算方法 以单球面折射公式为基础，逐个球面计算， 求得最后 成象位置： 物 第一球面 折射 (象物) 第二球面 折射 (象物) 一玻璃球(n1.5)半径为10厘米,点光源 放在球面前40厘米处,求近轴光线通过玻璃球后 所成的像。 V160厘米 v2114厘米 2. 虚实物判断方法 前一球面成象位于次一球面之前，此象 为次一球面的实物； 前一球面成象位于次一球面之后，此象 为次一球面的实虚物。 以折射面为界,入射光线和折射光线分居两侧 物与入射光线同侧为实,异侧为虚, 象与折射光线同侧为实,异侧为虚。 【例【例3 3】 P.161/4. 【解】 30cm 【例【例4 4】空气中一折射率为1.6的玻璃棒，长32cm ，左端切平，另一端磨成半径为12cm的半球面， 在棒的左端外有一物体放在棒的轴线上，距平面 端10cm，求最后象的位置。 【解】 【例【例5 5】半径为R，折射率为1.5的玻璃球置于空气 中，一点光源放于玻璃球外何处，经玻璃球折射后 向右成平行光？ 【解】 第二节 共轴球面系统的三对基点 一三对基点 1两焦点 : 把点光源放在主光轴上的某一点，若它的光束 通过折射系统后变为平行于主光轴的光束，则这一 点称为共轴系统的第一主焦点F1 . 平行于主光轴的光束，通过折射系统后与主光轴 相交的点称为第二主焦点F2. 2两主点 通过F1的入射线(1)和它通过系统后的射出线延长(图中 虚线)，得交点A1。通过A1作一垂直于主光轴的平面，交 主光轴于H1，H1称为第一主点，平面A1H1B1则称为第一 主平面。同样，把平行于主光轴的入射光线(2)与射出线 延长，可以求得第二主点H2和第二主平面A2H2B2。 3两节点 在共轴系统的主光轴上还可以找到两个点N1和N2， 从任何角度向N1入射的光线(3)都以同样的角度由N2 射出。 N1和N2分别称为第一节点和第二节点。 二.作图法求像 三条光线中的任意两条用作图法求出所成的像 通过第一主焦点F1的光线(1)在第一主平面折 射后平行于主光轴射出。 平行于主光轴的光线(2)在第二主平面折射后 通过第二主焦点F2。 通过第一节点N1的光线从第二节点N2平行 于原来方向射出。 三.计算法 (折射系统最初和最后的折射率相同) 则f1f2，且二节点分别与二主点重合 + u为物体到第一主平面的距离 v为像到第二主平面的距离 §2 §2 眼屈光眼屈光 物 角 膜 水 状 液 瞳孔 (虹膜) 水 晶 体 视 网 膜 感 光 自动调节曲率半径( 折射本领焦度) ，眼的这种机能称为 调节 古氏平均眼 简 约 眼 1. 远点(far point 眼不调节时能看清物体的最远位置。 正视眼： 无穷远 近视眼： 眼前一定距离 远视眼： 眼后（虚远点） 2. 近点(near point) 眼最大调节时能看清物体的最近位置 正视眼： 眼前1012厘米 近视眼： 10厘米 远视眼： 12厘米 3. 明视距离 正常光照下不使眼高度调节 而过分疲劳的距离 25cm 二、眼的屈光不正及矫正 1. 近视眼（近点：12cm、远点：在网膜后) 矫正：配一副凸透镜，使远物所(成实象)与 (虚远点)重合 计算： 一远视眼的远点在眼后2米处，今欲使其在眼 不调节时能看清远方的物体，问应配戴多少度 的凸透镜镜片? u = v = 2米 一远视眼的近点在眼前90厘米处，欲使他最近 能看清眼前15厘米处的物体，应配戴多少度的 凸透镜镜片? u15厘米， v - 90厘米 3. 散光眼 原因：角膜球面不匀称，不同方向具有 不同曲率 矫正：用适当的（方向、凹凸）柱面透镜 4. 老光眼 原因：眼调节功能的衰退，看近物屈光不 够，近点同远视眼，远于正视眼 矫正：凸透镜 例如某一眼球角膜在纵向曲率半径正常小，水平 曲率半径最大，屈光不够，用圆柱面凸透镜矫正： （单纯远视散光） 【例【例6 6】某眼近点在眼前45厘米处，戴上+500 度镜片后能看清的最近物体在何处？ 【解 】 【例【例7 7】一患者戴上+400度的眼镜矫正屈光不正 后，近点在眼前10cm处，远点同正视眼。此患者 眼睛的屈光不正为 ，不戴眼镜时的近点在 ，远点在 。 【解 】 矫正前近点 矫正前远点 【例【例8 8】某人不戴眼镜时能看清10cm 到100cm之间 的物体，戴上-100度眼镜后，能看清 到 之间的物体。 【解 】矫正后近点 矫正后远点 【例【例9 9】某患者眼睛的近点在眼前0.5米处，而远点 在眼后1米，今欲使他在眼不调节时看清远方物体 ，应配戴 度的 透镜片；戴了此镜片 后的近点移到眼前 米处。 【解】 矫正后近点 §3 §3 放大镜放大镜 纤镜纤镜 一、纤镜（fibrescope） 作用：观察体内器官壁情况 种类：支气管镜、食道镜、胃镜、肠镜和 膀胱镜等 材料：由数万根玻璃纤维有序排列组成(光 学玻璃纤维，直径小于20微米，可 任意弯曲） 导光导象原理： A，入射光线沿着纤维内全反射 n0 sinA=n sinn cosA n0 sinAn n sinAn1 sin90on1 sinA= n0 sinA 光学纤维的数值孔径(numerical aperture N.A.) A（孔径角）越大，光纤导光能力越强 n1.62，n11.52，A34° n0 sinA 作用：导光、导象 二、放大镜(magnifier) 凸透镜 作 用 代替眼的调节， 将视 角放大为（将物Y 放大为Y） 放大倍数角放大率： 【例例1010】已知放大镜焦度为12屈光度，求 角放大率。 【解 】 §4 §4 显微镜显微镜 电子显微镜电子显微镜 一、显微镜(microscope)的放大率 物镜(objective) 目镜(eyepiece) 二、显微镜的分辨本领（分辨率） dsin=1.22 1. 分辨本领(resolving power)或分辨率 (resolution)用最小分辨距离(resolving distance) Z表示： 照明光波长 n物体与物镜之间媒质折射率 物体入射到物镜边缘光线与主轴的夹角 n·sin物镜的数值孔径（N.A） 2.提高分辨率的方法：降低和提高n及 =42° 【例例11 11】一台显微镜的N.A.为1.3，照射光 波长5500埃，求分辨本领是肉眼的几倍？ 【解 】 【例例1212】一油浸物镜恰能分辨每厘米40000 条的一组等距线条，光源为波长4500 的蓝 光，求显微镜物镜的数值孔径。 【解 】 【例例1313】一架显微镜，用以分辨标本上相 距0.25m的细节，目镜成象在明视距离处 ，而肉眼在明视距离处的分辨距离为0.1mm ，如照射光波长为550nm，求显微镜的放大 率和物镜的数值孔径N.A.。 【解 】 三、电子显微镜（electron microscope） 1. 提高分辨本领的理论依据 eU= v = U50KV 0.055A U100KV 0.039 A 电磁透镜 2. 电子显微镜成像原理 电子源（光源） 聚光线圈(聚光镜） 标本 电子透镜（物镜） 中间象 电子透镜（目镜） 最后象 3. 电子显微镜的应用 本章小结 1.单球面折射 2. 折射本领 3. 共轴球面系统计算 物 第一球面 折射 象物 第二球面 折射 象物 4. 眼的调节 眼的折光作用、近点、远点、明视距离 5. 眼的屈光不正及矫正 近视眼、远视眼、散光眼、老花眼 6. 纤镜光纤的导光导象原理 7. 放大镜 8. 显微镜的放大率 9. 显微镜的分辨本领（分辨率） n·sin物镜的数值孔径（N.A.） 10. 电子显微镜成象原理