精选《医学物理学》课件几何光学资料.ppt
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- 医学物理学 精选 医学 物理学 课件 几何 光学 资料
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1、前前页页后后页页返返回回第十一章第十一章 几何光学几何光学第一节第一节 球面成像球面成像第二节第二节 透镜成像透镜成像第三节第三节 眼睛眼睛第四节第四节 放大镜和显微镜放大镜和显微镜教学内容:教学内容:前前页页后后页页返返回回基本的光学实验定律基本的光学实验定律:1.1.光的直线传播定律光的直线传播定律2.2.反射定律和折射定律反射定律和折射定律3.3.光的独立传播定律光的独立传播定律4.4.光路可逆原理光路可逆原理理论基础理论基础前前页页后后页页返返回回一、学习本章后,我们应该:一、学习本章后,我们应该:1.1.掌握单球面折射成像公式和符号规则。掌握单球面折射成像公式和符号规则。2.2.掌握
2、薄透镜成像的规律掌握薄透镜成像的规律,会计算焦度和焦距。会计算焦度和焦距。3.3.掌握光学显微镜的分辨本领和放大率。掌握光学显微镜的分辨本领和放大率。4.4.了解眼睛的光学系统及屈光不正的矫正。了解眼睛的光学系统及屈光不正的矫正。二、重点:单球面折射成像二、重点:单球面折射成像三、问题:三、问题:fvu111此公式是怎么推导的?适用的条件是什么?此公式是怎么推导的?适用的条件是什么?前前页页后后页页返返回回折射折射:当光波从一介质入射到另一介质时,当光波从一介质入射到另一介质时,由于两介质的折射率不同,透射光偏离入由于两介质的折射率不同,透射光偏离入射方向的现象。射方向的现象。折射定律折射定律
3、:rninsinsin21第一节第一节 球面成像球面成像 Refraction at a Spherical Surface空气空气玻璃玻璃C C前前页页后后页页返返回回单球面:单球面:两种不同折射率的透明介质的分界面是两种不同折射率的透明介质的分界面是球面的一部分球面的一部分。单球面折射单球面折射是研究各种光学系统成像的基础。是研究各种光学系统成像的基础。一、单球面折射一、单球面折射前前页页后后页页返返回回n1n2点光源点光源OCrA像像Iuvi1i2主光轴主光轴近轴光线近轴光线推导:设球面曲率半径为推导:设球面曲率半径为r、物距为物距为u、像距为像距为v。顶点顶点球面曲球面曲率中心率中心P
4、1.1.单球面折射公式单球面折射公式单球面折射公式:单球面折射公式:由折射定律得:由折射定律得:2211inin1i2i)1221nnnn(vhrhuhrnnvnun1221前前页页后后页页返返回回单球面折射公式单球面折射公式符号规则:符号规则:实物距、实像距取正值;实物距、实像距取正值;虚物距、虚像距取负值;虚物距、虚像距取负值;凸球面对着入射光线则凸球面对着入射光线则 r 为正,反之为负。为正,反之为负。u 0u0oov0v0r0r0I II Irnnvnun1221(虚物:物点到折射面的方(虚物:物点到折射面的方向与入射光线方向相反。)向与入射光线方向相反。)前前页页后后页页返返回回n虚
5、实规定法虚实规定法图示说明:图示说明:o2 2为虚物为虚物 (会聚的入射光线会聚的入射光线的顶点的顶点),u 0 0 0;凸面凸面对着对着入射光,入射光,r 取正取正.o1 1为实物为实物 (发散的入射光发散的入射光线的顶点线的顶点),u 取正取正;I1 1为虚像为虚像(发散的折射光发散的折射光线的顶点线的顶点),v 取负取负;凸面凸面顺着顺着入射光,入射光,r 取负取负.I1 1CnCo1 1O2I2前前页页后后页页返返回回-描写单球面折射本领。描写单球面折射本领。rnn12物理意义:物理意义:越大,折光本领越强。越大,折光本领越强。单位:单位:-屈光度(屈光度(D D)r-米(米(m m)
6、:(1221知由rnnvnun),vru不变时2.2.折射面的焦度折射面的焦度(dioptric strength)前前页页后后页页返返回回3.3.折射面的焦距折射面的焦距第一焦点第一焦点F1(物空间焦点)(物空间焦点)(当当 v=时时)第二焦距第二焦距 f2:(当当 u=时时)F1f1F2f2第一焦距第一焦距 f1:第二焦点第二焦点F2(像空间焦点)(像空间焦点)rnnnfu1211rnnnfv1222前前页页后后页页返返回回f1 1、f2 2为正时,为正时,F1 1、F2 2是实焦点,折射面有会聚作用是实焦点,折射面有会聚作用f1 1、f2 2为负时,为负时,F1 1、F2 2是虚焦点,折
7、射面有发散作用是虚焦点,折射面有发散作用F1f1F2f2-f1 1o-f2 2I(n1 n2)前前页页后后页页返返回回由:由:rnnnf1211rnnnf1222和和4.4.折射面的两焦距与焦度的关系及高斯公式折射面的两焦距与焦度的关系及高斯公式221112fnfnrnn得得:前前页页后后页页返返回回rn2解解:已知:已知n1=1.0,n2=1.33,r=5.7mm(D)rnnnf121112.177.50.133.10.1rnnnf122282.227.50.133.133.1rnn1242.58107.50.133.13(mm)(mm)例题例题:从几何光学的角度来看,人眼可简化为高尔斯特从
8、几何光学的角度来看,人眼可简化为高尔斯特兰简化眼模型。这种模型将人眼成像归结成一个曲率半兰简化眼模型。这种模型将人眼成像归结成一个曲率半径为径为5.7mm5.7mm、媒质折射率为、媒质折射率为1.331.33的单球面折射成像。的单球面折射成像。试求这种简化眼的焦点位置和焦度;试求这种简化眼的焦点位置和焦度;若已知某物在膜若已知某物在膜后后24.0224.02处视网膜上成像,求该物应放在何处。处视网膜上成像,求该物应放在何处。前前页页后后页页返返回回二、共轴球面系统二、共轴球面系统两个或两个以上的折射球面的曲率中心在两个或两个以上的折射球面的曲率中心在同一直线上所组成的系统。同一直线上所组成的系
9、统。在成像过程中,前一折射面所成的像,即在成像过程中,前一折射面所成的像,即为相邻的后一个折射面的物为相邻的后一个折射面的物-顺次成像法。顺次成像法。u1 1v1 1u2 2v2 2 0u3 3v3 3u4 40v4 4nnn0n0n01015.15.14011vv1 1=60cm1121211rnnvnun 2040OI1n=1.540I2v2v1 例题例题玻璃球玻璃球(n=1.5)的半径为的半径为10cm,一点光源放在,一点光源放在球前球前40cm40cm处,求近轴光线通过玻璃球后所成的像。处,求近轴光线通过玻璃球后所成的像。第二折射面,第二折射面,n1=1.5,n2=1,u2=-40cm
10、,r2=-10cm105.111405.12vv2 2=11.4cm2122221rnnvnun 前前页页后后页页返返回回第一节小结:第一节小结:实物、实像,实物、实像,u、v取正;取正;虚物、虚像,虚物、虚像,u、v取负取负.凸球面对着入射光线时,凸球面对着入射光线时,r取正,取正,反之取负反之取负.rnnvnun1221共轴球面系统共轴球面系统如何求第一、二焦距?如何求第一、二焦距?符号规定符号规定单球面成像公式单球面成像公式焦度:焦度:rnn12逐次成像法逐次成像法前前页页后后页页返返回回第二节第二节 透镜成像透镜成像图中所示的双凸透镜(图中所示的双凸透镜(a)、双凹透镜)、双凹透镜(b
11、)、平凸透镜、平凸透镜(c)、平凹透镜、平凹透镜(d)、弯凹透镜(又称凸凹透镜)(、弯凹透镜(又称凸凹透镜)(e)、弯凸透镜(又称凹凸透镜)弯凸透镜(又称凹凸透镜)(f)等等等等.球面透镜的种类:球面透镜的种类:(a)(b)(c)(d)(e)(f)前前页页后后页页返返回回条件:近轴光线条件:近轴光线一、薄透镜成像公式一、薄透镜成像公式前前页页后后页页返返回回此即薄透镜成像公式此即薄透镜成像公式.)(2100011rrnnvnun1010rnnvnun2001rnnvn-vn 将两方程相加,得:将两方程相加,得:1.1.薄透镜成像公式:薄透镜成像公式:前前页页后后页页返返回回推论:透镜置于空气中
12、时,推论:透镜置于空气中时,n0 0=1=1 则上式为:则上式为:)(2111111rrnvu)(21011rrnn焦度:)11(112100rrnnnvu)11)(21000rrnnvnun前前页页后后页页返返回回2.2.薄透镜的焦点、焦距和焦度薄透镜的焦点、焦距和焦度1)11(21001rrnn-nf 薄透镜也有两个焦点,其定义与单球薄透镜也有两个焦点,其定义与单球面的焦点一致面的焦点一致则其第一焦距则其第一焦距 f1 1为:为:)11)(21000rrnnnun由由u =,得出第二焦距,得出第二焦距f2 2:1)11(21002rrnn-nf由由v =,代入公式,代入公式可见:可见:f1
13、=f2前前页页后后页页返返回回令令 f1=f2=f,则则)(21001111rrnn-nvufvu111此式称为薄透镜成像公式的高斯形式此式称为薄透镜成像公式的高斯形式.f1其成立条件是什么?其成立条件是什么?焦度为多少?焦度为多少?即即前前页页后后页页返返回回薄透镜焦距薄透镜焦距:fvu111)11)(210rrnn1)11(2100-rrnn-nf)11)(21000rrnnvnun)11(112100rrnnnvuf1对放置在空气中的薄透镜来说对放置在空气中的薄透镜来说:前前页页后后页页返返回回二、薄透镜组合二、薄透镜组合I I1 1O O 两个或两个以上薄透镜组成的共轴系统称为薄两个或
14、两个以上薄透镜组成的共轴系统称为薄透镜的组合,简称透镜的组合,简称透镜组透镜组.用用逐次透镜成像法逐次透镜成像法也可以求物体最后所成的像也可以求物体最后所成的像.O O2 2I I1 1I I2 2O OI I3 3I I2 2O O3 3O O前前页页后后页页返返回回1.1.复合透镜复合透镜(密切贴合薄透镜密切贴合薄透镜)的成像的成像两式相加,得:两式相加,得:11111fvu21111fvv211111ffvuf1f1、f2为两个薄透镜的焦距为两个薄透镜的焦距v2=vv1=-u2u1=u前前页页后后页页返返回回2.2.相距一定距离的两薄透镜组合相距一定距离的两薄透镜组合例例14-3 14-
15、3 自学自学前前页页后后页页返返回回三、厚透镜及共轴球面系统的三对基点三、厚透镜及共轴球面系统的三对基点F F2 2 点光源在主光轴上某点光源在主光轴上某F1 1点处,若产生的光线点处,若产生的光线经系统折射后平行射出,此经系统折射后平行射出,此F1 1点称为第一焦点;点称为第一焦点;1.1.两焦点(两焦点(F1 1、F2 2)平行于主光轴的光线若经系统折射后,出射光平行于主光轴的光线若经系统折射后,出射光线与主光轴相交于某线与主光轴相交于某F2 2点点,则则F2 2点为系统的第二焦点点为系统的第二焦点.F F1 1前前页页后后页页返返回回光线好象在主平面上发生折射的光线好象在主平面上发生折射
16、的.第一主点第一主点H1 1是计算物距、第一焦距的参考点;是计算物距、第一焦距的参考点;2.2.两主点(两主点(H1 1、H2 2)第一主平面与主光轴的交第一主平面与主光轴的交点点H1 1称为第一主点;称为第一主点;F F2 2F F1 1第二主平面与主光轴的第二主平面与主光轴的交点交点H2 2称为第二主点称为第二主点.H1 1第一主平面第一主平面H2 2第二主平面第二主平面 第二主点第二主点H2 2是计算像距、第二焦距的参考点是计算像距、第二焦距的参考点.前前页页后后页页返返回回 节点节点的作用类似于薄透镜的的作用类似于薄透镜的光心光心.N2 2N1 1 以任何角度向以任何角度向N1 1入射
17、的入射的光线都以同样的角度从光线都以同样的角度从N2 2射出,光线只发生平移不射出,光线只发生平移不改变方向,则此改变方向,则此N1 1、N2 2两两点称为两节点点称为两节点.3.3.两节点(两节点(N1 1、N2 2)前前页页后后页页返返回回用任意两条用任意两条光线光线可得出厚透镜所成的像可得出厚透镜所成的像如果系统如果系统前后前后媒质媒质相同相同(如空气如空气),),则则fvu1111.1.平行主光轴的光线在第二主平面上折射后通过平行主光轴的光线在第二主平面上折射后通过F F2 2出射出射.2.2.通过通过F F1 1的光线在第一主平面上折射后平行于主光轴出射的光线在第一主平面上折射后平行
18、于主光轴出射.3.3.通过通过N N1 1的光线从的光线从N N2 2平行于入射光线的方向出射平行于入射光线的方向出射.F F1 1F F2 2H H1 1H H2 2N N1 1N N2 2O OI I前前页页后后页页返返回回单球面的三对基点单球面的三对基点f1f2n2 2PCF1 1F2 2F2 2F1 10 0f1f2薄透镜的三对基点薄透镜的三对基点前前页页后后页页返返回回四、柱面透镜四、柱面透镜 透镜的两个折射面不是球面,而是透镜的两个折射面不是球面,而是圆柱圆柱面面的一部分,这种透镜称为的一部分,这种透镜称为柱面透镜柱面透镜.散光眼的矫正镜片通常为柱面透镜散光眼的矫正镜片通常为柱面透
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