几何光学分解.ppt

1、第十一章 几何光学Geometrical Optics,第一节 球面成像第二节 透镜 （共轴光具组不讲）第三节 眼睛第四节 放大镜和显微镜,几何光学： 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。理论基础： 反射定律、折射定律、可逆性优缺点： 优：简单 缺：近似条件： 研究对象的几何尺寸d 不研究像的细节,第一节 球面成像,一、单球面折射复习Law of reflection,Law of refraction,1、单球面折射公式,问题：找像点,近轴光线,Object distance,Image distance,近轴光线,说明：适用范围：近轴光线 n 1 ： 射光线所在媒质折射

2、率 n 2 ：折射光线所在媒质折射率 符号规则：实物（像） 取正 入射光线对着凸面 r 取正,单球面成像公式,入射光线所在的空间叫物空间折射光线所在的空间叫像空间物在物空间实物，P取正 像在像空间实像，P取正什么情况取负？物在像空间，像在物空间,p0,P 0,r 0,I,o,图,I,o,图,P0,P 0,r 0,2、单球面折射系统的焦度、焦点、焦距,（1）焦度(focal power ) 反映系统折光本领,单位：屈光度D （r 单位为 m）,1-1,（2）焦点,焦距:,像在无穷远处的物点,物在无穷远处的像点,（）焦距和焦度的关系,折射面对入射光线会聚,（4）高斯公式,例题111 某种液体（n

3、=1.3）和玻璃（n =1.5）的分界面是球面在液体中有一物体放在球面的轴线上，离球面40cm处，并在球面前32cm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,依题可知：n1=1.3，n2=1.5，p =40cm，,凹面对着入射光线，即玻璃处于折射面的凸侧,解得,r13.9cm,二、共轴球面系统Coaxial spherical system,成像情况：,A glass ball has a radius of 10cm and refractive index (折射率) of 1.5. Use paraxial rays (近轴光线) formula to calculat

4、e the image of an object that is 40cm from the ball.,玻璃球（n = 1.5）半径为10cm，一点光源放在球面前40cm处，求近轴光线通过玻璃球后所成的像。,例题11-2,第一折射面,第二折射面,第二节 透镜,薄透镜分类 凸透镜、 凹透镜,一、薄透镜成像公式,薄透镜的焦度、焦距,焦度,焦距,关系,特例：空气中,综合：,1-2,、f 的意义：, 正、负号：, 大小：,f折光本领 折光本领,大于零会聚；小于零发散,思考题,答案：,凸透镜一定是会聚透镜吗？,凸,凹,凸透镜一定是会聚透镜!,求平凸透镜的焦距、焦度已知：n= 1.5 r1 = 30cm

5、 r2 = , = 1/0.6 = 1.6 屈光度= 160度,例题,右入射,左入射,解：,二、薄透镜组合,两个薄透镜密切接触时,应用：测焦度光线不改变方向,例题 114折射率为1.5 的薄透镜，一面是平面，另一面是半径为0.2m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4/3）,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,对玻璃透镜,对水透镜,解二：三次单球面折射,第1次,第2次,第3次,例题,凸透镜和凹透镜的焦距分别为20cm 和40cm ,二者间距40cm,物体距离L1为30cm,求像的位置。,Example : A convergin

6、g lens(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.,Solution:,the object distance for the second lens is 52 48 = 4 cm.,The image is virtual(虚的).,Real image 实像Virtual im

7、age 虚像,四、柱面透镜,五、透镜的像差,1. 像差点物 非点像物像失真,2.分类 球面像差原因:远轴光折射,近轴光折射,纠正： 加光阑,缺点：亮度,色像差原因：n随而变 入n折点物彩斑,纠正：不同n的凸凹透镜适当地组合，使一个透镜的色散为另一透镜所抵消。,2-1,第三节 眼,眼：理想的光学系统，焦距可调。正常眼：把远近不同物成像在视网膜上。异常眼：远视、近视、散光。,一、眼的调节 视力,1、眼的结构The structure of the eye,角膜：透明虹膜：中央孔，瞳孔，大小可变，控制光量，光阑晶状体：透明，有弹性，双凸，曲率可调。视网膜：布满视神经，成像。房水：充满角膜、虹膜、晶状

8、体之间 玻璃体 充满晶状体、视网膜之间。,简约眼：,实际眼简化为单球面折射系统,2、眼的调节,瞳孔改变：球面像差，光通量晶状体r变：焦度改变r调节有一定限度：,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。 正常眼:10-12cm,远点：眼睛不调节时，能看清的最远处物体与眼睛之间的距离。正常眼：近视眼远点变近明视距离：适当照明，不易疲劳，最适宜距离 25 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。,影响因素： 物体大小 物体与眼睛之间的距离,意义：视角决定了视网膜上像的大小。,3、视力,视力眼的分辨本领：,国际标准视力表 视角：10 5

9、2 1 0.67 0.5 视力： 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.0,视角： 10 1 0.5视力： 4.0 5.0 5.3,国家标准对数视力表,二、眼的屈光不正及矫正,近视眼,远视眼,正常眼,1、近视眼,例题11-5 一近视眼的远点在眼前0.4m处，欲使其能看清无穷远处的物体，问应配多少度的眼镜？,2、远视眼,例题11-6一远视眼的近点在眼前0.5m处，欲使其能看清0.25m处的物体，问应配多少度的眼镜？,2-2,验光：确定散光轴向和度数。方法：注视如图的散光表如发现有一些辐射线清楚和颜色深，一些辐射线模糊和颜色浅就表示有散光。,3、散光眼,矫正：将柱镜放在辐射线上，让柱镜的轴向与看

10、得清楚的辐射线平行，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。,子午线:子午面与折射面的交线,对称折射系统任何子午线的曲率半径都相等(球面).非对称折射系统不同方向上的子午线的曲率半径不相同,子午面:含有主光轴的平面,角膜表面不是球面非对称折射系统,问题：哪个方向折光强？,折光能力越强,水平方向,竖直方向,最小模糊圈,非对称折射面成像,散光眼的矫正方法,视网膜在IX 处：,视网膜在IY 处：,凸，柱轴沿X放置,凹，柱轴沿Y放置,柱面透镜,第四节 几种医用光学仪器,一、放大镜（ magnifying glass）,医用放大镜,物：置于焦点附近（以内）,放大镜成像原理

11、,像：正立放大虚像,光学仪器角放大率：,二、显微镜（Microscopes）,3-1,y,F2,F1,y,基本原理,放大率,分辨本领,问题：放大率能否看清细节 例:放大照片原因：光的衍射，点物非点像。,两点太近无法分辨,定性分析：,瑞利分辨判据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.,极小光强度为最大光强度的80%,阿贝研究：, ：物物镜边缘光线与主光轴夹角n：物镜标本间媒质折射率nsin ：数值孔径，用NA表示,显微镜所能分辨的最短距离：,n=1.52,如何提高显微镜的分辨本领?,（1）减小照射光波的波长 紫外光代替可见光，分辨本领提高一倍。 缺点：看不见，拍照。（2）增大孔径数 NA,n sin,优点：避免全反射，亮度增加 增加、n 增加NA增大分辨本领提高。,油浸物镜香柏油 n = 1.52,n=1.52,油,1.单球面折射,2.薄透镜,小结,(透镜左右两侧的媒质相同),组合,简约眼：,4.放大镜,5.显微镜,矫正：近视眼远视眼散光眼,3.眼睛,3-2,油浸物镜,增大NA,