醫(yī)用物理學(xué)ch11幾何光學(xué)課件

1、第十一章幾何光學(xué)（GEOMETRIC OPTICS）幾何光學(xué)是以光的直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中傳播規(guī)律的學(xué)科。理論基礎(chǔ)是：光的直線傳播定律獨(dú)立傳播定律反射和折射定律光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)原理是以幾何光學(xué)的理論為基礎(chǔ)的。本章主要介紹：?jiǎn)吻蛎嬲凵洹⒐草S球面系統(tǒng)成像、薄透鏡、簡(jiǎn)單光學(xué)儀器的原理。11-1 球面折射一、單球面折射（refraction at a spherical surface）當(dāng)光線穿過(guò)界面為球面的兩種介質(zhì)時(shí)，在界面上所產(chǎn)生的折射現(xiàn)象稱為單球面折射。如圖，有一曲率半徑為r的球面,兩側(cè)介質(zhì)的折射率分別為n1 、n 2且n1 0F1 、 F2 為實(shí)焦點(diǎn)，折射面會(huì)聚光線f1、f20為

2、會(huì)聚透鏡 凹透鏡：r10，r20，f0; D1 放大m 1 縮小m=1 等大三、薄透鏡的組合（Lens combination）由兩個(gè)或兩個(gè)以上的共軸薄透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)稱為薄透鏡組。例如,顯微鏡的物鏡組和目鏡組。u1=uv1=-u2v2=vOI1IL1+L2薄透鏡組合u與v的關(guān)系：由薄透鏡成像公式,應(yīng)用逐次成像法L1:L2：（1）（2）將（1）（2）式相加，得（3）D，f分別為薄透鏡組的等效焦度和等效焦距這一關(guān)系用來(lái)測(cè)定透鏡的焦度例11-3 如圖，一彎月形薄透鏡(n=1.5)兩表面的曲率半徑分別為5cm和10cm,若將透鏡的凹面朝上且盛滿水(n=4/3),求水與透鏡組合后的等效焦距。解 由薄

3、透鏡焦距公式四 、圓柱面透鏡（cylindrical lens） 若透鏡表面是圓柱面的一部分,或者其中一個(gè)表面是圓柱面的一部分,而另一表面是平面,這樣的透鏡稱為圓柱面透鏡。（見(jiàn)Pe192頁(yè)圖11-9）圓柱面透鏡可分為會(huì)聚和發(fā)散兩類(lèi)(1) 柱面透鏡的橫截面與球面透鏡(凸的或凹的)一樣,在同一水平面內(nèi)入射的光線將被會(huì)聚或發(fā)散。(2) 柱面透鏡的縱截面好象一塊平板玻璃,因此在同一豎直平面內(nèi)的入射光線通過(guò)透鏡時(shí),不改變行進(jìn)方向。見(jiàn)192頁(yè)圖11-10(a)(b)(c)。綜合來(lái)看,一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的光線經(jīng)凸柱面透鏡折射后,所成的像不是一個(gè)清晰的點(diǎn)像,而是一條與縱軸平行的直線.凸凹柱面透鏡可用于矯正散光眼。

4、五、 透鏡的象差及其補(bǔ)救(aberration correction)物體經(jīng)透鏡后的像具有某些缺陷，它與理論上所預(yù)期的像有一定的偏差，這種偏差叫做象差。紅紫1.球面象差(spherical aberration)近軸光線和遠(yuǎn)軸光線同時(shí)進(jìn)入透鏡， 由于會(huì)聚點(diǎn)不同，所成的像不是清晰的像，而是一個(gè)彌漫的圓斑，這種像差稱為球面像差。校正的方法：（1）加一光闌，遮斷非近軸光線，光強(qiáng)會(huì)減弱。（2）用透鏡組合，強(qiáng)會(huì)聚與弱發(fā)散組合。2.色像差復(fù)色光經(jīng)透鏡后，不同顏色（）光成的像位置大小不同，形成彩色圓斑色像差補(bǔ)救的方法：透鏡組合_消色差透鏡組冕牌玻璃色散小火石玻璃色散大11-3 眼睛（The eye）一、眼的

5、結(jié)構(gòu)二、眼的光學(xué)系統(tǒng)右眼球剖面圖 由外界射來(lái)的光線經(jīng)角膜、水狀液、晶狀體、玻璃狀液的幾次折射后,成像在視網(wǎng)膜上。 由于角膜的折射率比周?chē)橘|(zhì)的折射率大的多,所以光線從空氣進(jìn)入角膜時(shí)將發(fā)生最大的折射.生理上把眼睛簡(jiǎn)化為一個(gè)單球面折射系統(tǒng)，即簡(jiǎn)約眼。如右圖所示.凸球面代表角膜，曲率半徑r=5mm,n=1.33,由此可得出：f1=15mm,f2=20mm。圖 簡(jiǎn)約眼 調(diào)節(jié)（accommodation）眼睛改變焦度的本領(lǐng)調(diào)節(jié)是通過(guò)睫狀肌改變晶狀體表面的曲率來(lái)完成的。觀察遠(yuǎn)物時(shí),眼不用調(diào)節(jié),晶狀體曲率最低。遠(yuǎn)點(diǎn)（far point）眼不用調(diào)節(jié)能看清物體的最遠(yuǎn)位置叫遠(yuǎn)點(diǎn)。正常人 無(wú)限遠(yuǎn)處;近視眼 遠(yuǎn)點(diǎn)要近

6、些,眼前一定距離處 （小于無(wú)限遠(yuǎn)）。近點(diǎn)（near point） 當(dāng)物距小于一定距離時(shí),即觀察近物時(shí),晶狀體表面突起,曲率變大,眼雖經(jīng)調(diào)節(jié), 也不能使光線在視網(wǎng)膜上成像。把眼睛通過(guò)調(diào)節(jié)能看清物體的最近位置叫做近點(diǎn)。正常人 1012cm近視眼 要近一些,遠(yuǎn)視眼 要遠(yuǎn)一些, 因此遠(yuǎn)視眼也看不 清近處的物體。明視距離 (visual distance)在工作學(xué)習(xí)中,適當(dāng)?shù)墓庹障虏恢乱鹧劬^(guò)度疲勞最適宜的距離,約為25cm 即為明視距離。四、 散光眼的矯正 眼睛不調(diào)節(jié)時(shí),能看清無(wú)限遠(yuǎn)處的物體,稱為正視眼,否則叫非正視眼。非正視眼有近視、遠(yuǎn)視 、散光三種。三、 眼的屈光不正極其矯正近視、遠(yuǎn)視屬于球性屈

7、光不正,具有對(duì)稱的折射面,位于主光軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光束經(jīng)眼折射后將在主光軸的另一點(diǎn)成清晰的點(diǎn)像,只是像不能正好落在視網(wǎng)膜上而已。散光眼屬于非對(duì)稱性折射。即折射面角膜在各個(gè)子午面（包含主光軸的各個(gè)方向的平面）上的曲率不同,因此折射面對(duì)主光軸來(lái)說(shuō)是不對(duì)稱的,如圖所示。散光眼成像由于通過(guò)XX子午面的焦度最大，YY子午面的焦度最小。因此，由點(diǎn)光源發(fā)出的光束通過(guò)折射面后不能成一個(gè)清晰的點(diǎn)像。橫子午面中的光線會(huì)聚在Ix點(diǎn)，縱子午面中的光線會(huì)聚在Iy點(diǎn),其它會(huì)聚在Ix 和Iy之間。如把屏放在Ix處，得到豎直線條; 把屏放在Iy處，得到水平線條;放在Ix 和Iy之間,得到大小不等的橢圓或圓形的像。圖為一散光眼

8、的折射面角膜，總之,點(diǎn)物發(fā)出的光通過(guò)這樣的折射系統(tǒng)均得不到點(diǎn)像,所以散光眼常把一點(diǎn)看成一條線。仍以上圖為例,如該眼的網(wǎng)膜在Ix處,表明水平子午面XX屈光正常,而YY方向屈光不足,需加強(qiáng).如網(wǎng)膜在Iy處,表明YY方向屈光正常,而XX方向屈光過(guò)強(qiáng),應(yīng)設(shè)法減弱。矯正散光眼必須設(shè)法改正不正常子午面的焦度。解決的辦法是配戴圓柱面透鏡(針對(duì)規(guī)則形散光眼)例如 單純近視散光 配戴 凹圓柱面透鏡,鏡軸水平。 水平正常 即水平不折射垂直過(guò)強(qiáng) 垂直發(fā)散后再會(huì)聚 單純遠(yuǎn)視散光 配戴 凸圓柱面透鏡,鏡軸垂直。垂直正常水平太弱原因原因散光眼測(cè)試圖將一眼瞇成縫看散光眼測(cè)試圖，那條線最清晰，那個(gè)子午面有毛病。If some

9、things rotating go home, you need a break! *g*如果感到有東西在轉(zhuǎn)動(dòng) 你該回家休息一下了！Concentrate on the cross in the middle, after a while you will notice that thismoving purple dot will turn green! 把目光集中在中間的+字，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)的紫點(diǎn)會(huì)變綠Look at the cross a bit longer and youll notice that all dots except the green one will disapp

10、ear. 盯住十字形，時(shí)間再長(zhǎng)一點(diǎn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了綠色的點(diǎn)外，其他所有的點(diǎn)都消失了。11- 4 顯微鏡 （microscope）最簡(jiǎn)單的放大鏡就是一塊會(huì)聚的薄透鏡。如圖所示一、簡(jiǎn)單放大鏡的角放大率光路特點(diǎn)：物體y置于透鏡物方焦點(diǎn)與透鏡之間且靠近物方焦點(diǎn)，成一放大正立虛象y。 使用放大鏡的目的是為了增大視角上式表明，放大鏡的角放大率和它的焦距成反比。使用放大鏡后的視角：未用放大鏡時(shí)的視角：簡(jiǎn)單放大鏡的角放大率：二、顯微鏡（microscope）普通光學(xué)顯微鏡如圖所示，1.顯微鏡的光學(xué)原理 顯微鏡是生物科學(xué)和醫(yī)藥學(xué)中常用的儀器。使用顯微鏡，視角可放大幾百-幾千倍。L1是顯微鏡的物鏡（objecti

11、ve),焦距很短,L2是目鏡(eyepiece).為消除像差,物鏡和目鏡都是由多塊透鏡組成。特點(diǎn)：物體y置于物鏡系統(tǒng)物方焦點(diǎn)F1附近，成實(shí)象y； y位于目鏡系統(tǒng)物方焦點(diǎn)F2附近，成放大的虛象。整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)最終成放大正立虛象。2.顯微鏡的放大率根據(jù)光學(xué)儀器放大率的定義,顯微鏡的放大率為式中f2是目鏡的焦距,代入上式得顯微鏡的總放大率M等于物鏡的線放大率m=y/y與目鏡的角放大率=25/f2的乘積。物鏡的線放大率也可表示為故，顯微鏡的總放大率由于顯微鏡的物鏡、目鏡的焦距與它的鏡筒長(zhǎng)度相比很小,因此,s可看作鏡筒長(zhǎng)。上式表明,鏡筒越長(zhǎng),物鏡和目鏡的焦距越短,顯微鏡的總放大率就越大。對(duì)物鏡 例11-

12、4 鏡筒長(zhǎng)為22 cm的顯微鏡，物鏡焦距為10 mm、目鏡焦距為20 mm。若目鏡成的像在無(wú)窮遠(yuǎn)處。求：標(biāo)本應(yīng)放在何處；顯微鏡的放大率。解標(biāo)本應(yīng)放在何處由目鏡對(duì)物鏡 即 標(biāo)本應(yīng)放在物鏡焦距外靠近焦距處。顯微鏡的放大率D物鏡的直徑2. 顯微鏡的最小分辨距離孔徑對(duì)物點(diǎn)的半張角n物方的折射率sinn光學(xué)儀器的數(shù)值孔徑,用NA表示討論：1. 望遠(yuǎn)鏡的分辨率3.顯微鏡的分辨本領(lǐng)：為提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)可以采取兩種措施：一是用波長(zhǎng)較短的光照射；二是在載物片與鏡頭之間滴上一點(diǎn)油，使數(shù)值孔徑增大。 4.電子顯微鏡利用電子束的波動(dòng)性來(lái)成象，其波長(zhǎng)達(dá)到幾個(gè)nm, 放大率可達(dá)到幾萬(wàn)倍至幾百萬(wàn)倍。如圖所示，干物鏡和油浸物鏡如果加入折射率和玻璃折射率相同的香柏油，全反射現(xiàn)象就不會(huì)出現(xiàn)，進(jìn)入物鏡的光量就增加了，提高了像的亮度。一般來(lái)說(shuō)，像的亮度和數(shù)值孔徑的平方成正比。在干物鏡的情況下，從樣品發(fā)出的光線中的一部分被全反射而不能進(jìn)入物鏡。阿貝（E.Abbe）根據(jù)顯微鏡的使用情況，指出物鏡所能分