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文档简介

第八章几何光学第一页,共六十九页,编辑于2023年,星期五

第一节球面折射与透镜一、球面折射二、透镜第二页,共六十九页,编辑于2023年,星期五一、球面折射定义:当光线由一种媒质进入另一种媒质,且两种媒质的分界面是球面的一部分时,所产生的折射现象称球面折射。(一)单球面折射基本概念光轴:若光学系统由球面组成,它们的球心位于同一直线上,则称为共轴球面系统,这条直线为该光学系统的光轴。。物像共轭:把物放在像的位置,则其像就成在物原来的位置上。第三页,共六十九页,编辑于2023年,星期五1、单球面折射成像公式SS’Cn1n2vi1i2urMONA根据折射定律得:

由于SA为近轴光线,OA的长度比u、v、r

都小得多,所以第四页,共六十九页,编辑于2023年,星期五由于有SS’Cn1n2vi1i2urMONA因为、、都很小,所以有(1)第五页,共六十九页,编辑于2023年,星期五这就是单球面折射公式代入(1)式,可得符号规则:

实物、实像的距离取正,虚物、虚像的距离取负;凸球面迎着入射光线时r取正,凹球面迎着入射光线时r取负。此外,n1、n2的顺序以实际入射光的行进为准。物高和像高垂直于光轴,向上为正,反之为负。

第六页,共六十九页,编辑于2023年,星期五例8-1:有一折射率为1.54的玻璃棒,一端为r=30mm的抛光凸球面,另一端为磨砂的平面。试问该棒长为多少时,正好使无限远处物体经球面后清晰地成像在磨砂平面上。n1n2第七页,共六十九页,编辑于2023年,星期五解:如图所示,已知n1=1n2=1.54r=+30mmu=∞求v=?由式(8-1)得v=85.6mm因为像距为正值,所以是实像点,在凸球面85.6mm后处。第八页,共六十九页,编辑于2023年,星期五2、焦点、焦距和光焦度F1n1n2F2n1n2PP(2)由折射公式可知:f1f2物方焦距像方焦距(1)物方焦点

F1,像方焦点

F2第九页,共六十九页,编辑于2023年,星期五单位:屈光度D(3)光焦度第十页,共六十九页,编辑于2023年,星期五1、定义:主轴在一条直线上的几个折射球面组成的系统叫做共轴球面系统。这条直线叫做共轴系统的主轴。2、光线追迹法(逐次成像法)这是解决由多个球面组成的共轴光具组的求像问题的基本方法。原则:按规定的光线传播方向,自左向右,对每一球面应用求像公式,直至最终求得物体经整个光具组所成的像。新问题:确定每一球面成像时的物、像位置、性质。(二)共轴球面系统第十一页,共六十九页,编辑于2023年,星期五S40S1S22040n=1.5例8-2:一玻璃球(n=1.5)的半径为10cm,一点光源放在40cm处,求近轴光线通过玻璃球后所成的像。第十二页,共六十九页,编辑于2023年,星期五解:如图所示,对第一个折射球面而言,其凸球面迎着入射光,u1,r1均取正值。n1=1,n2=1.5,u1=40cm,r1=10cm代入式(8-1),则得v1=60cm因为像距为正值,说明是实像。第十三页,共六十九页,编辑于2023年,星期五对第二个折射球面而言,物距取负值u2=-(60-20)=-40cm由于第二个折射球面是凹球面对着入射光线,r2取负值n1=1.5,n2=1,u2=-40cm,r2=-10cm代入式(8-1)得得v2=11.4cm因为像距为正值,说明是实像,即像在玻璃球后11.4cm处。第十四页,共六十九页,编辑于2023年,星期五透镜定义:具有两个球面折射面的共轴系统(其中一个折射面也可为平面)薄透镜定义:若透镜中央部分的厚度与两个球面的半径相比忽略不计时,这种透镜叫做薄透镜。二、透镜第十五页,共六十九页,编辑于2023年,星期五Sn0nr2r1u1=uV=V2S1n0v1S2(一)薄透镜1、薄透镜成像公式第十六页,共六十九页,编辑于2023年,星期五对透镜两面的折射分别应用近轴光球面折射成象公式:

第一折射面:

第二折射面:两成像公式相加得

第十七页,共六十九页,编辑于2023年,星期五

即为薄透镜公式。如果薄透镜外的媒质为空气,则第十八页,共六十九页,编辑于2023年,星期五符号法则:沿轴线段:以球面顶点为起点,向左延伸为负,向右延伸为正。垂轴线段:以球面主轴为起点,向下延伸为负,向上延伸为正。光线倾角:1、光线与球面法线夹角:以法线为起始边,顺时针旋转为正,逆时针旋转为负。2、光线与球面主轴夹角:以主轴为起始边,顺旋转为正,逆时针旋转为负。光线方向:自左向右传播。第十九页,共六十九页,编辑于2023年,星期五称为薄透镜成像公式的高斯形式。物方焦距f1,像方焦距f2.对薄透镜来说,当透镜前后媒质相同,都为空气时,则代入薄透镜公式,得2、簿透镜的焦点、焦距和焦度第二十页,共六十九页,编辑于2023年,星期五透镜的焦度:即透镜焦距的倒数,表示透镜的折光本领。单位:屈光度(D)1屈光度=100度第二十一页,共六十九页,编辑于2023年,星期五Su1=uV=V2S1u2=v1S2(二)薄透镜组由两个或两个以上薄透镜组成的共轴系统叫做薄透镜组。1、复合透镜两个薄透镜紧密结合在一起的情形第二十二页,共六十九页,编辑于2023年,星期五容易证明,透镜组的等效焦距为:f密接复合透镜焦距的倒数是组成它的透镜焦距倒数之和。

用透镜焦度表示:我们使用两次高斯公式有:

两式相加得第二十三页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第二十四页,共六十九页,编辑于2023年,星期五2、不密合的透镜:

要考虑两个透镜的光心间距,运用逐次成像法,即可求出最后一个透镜所成的像,即透镜组的像。第二十五页,共六十九页,编辑于2023年,星期五Su3VS1v1S2V2u2uS3图8-6不密合的透镜组例8-3焦距都是30cm的三个透镜,使之各相距30cm排在同一轴线上,中间是一个凹透镜,两边是凸透镜。将点光源放在这个透镜组前40cm处的轴线上,像成在何处?第二十六页,共六十九页,编辑于2023年,星期五解:如图所示,(1)先求第一个凸透镜所成的像。u1=u=40cm,f1=30cm代入式(8-7),则得v1=120cm因为像距为正值,说明是实像,在第一透镜的像方空间。这个像落在第二个透镜的像方空间,所以是第二个透镜的虚物。第二十七页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(2)对于第二个凹透镜,u2=-(v1-d)=-90cm,f2=-30cm代入式(8-7),则得v2=-45cm因为像距为正值,说明是实像,在第二透镜的物方空间。这个像落在第三个透镜的物方空间,所以是第三个透镜的实物。第二十八页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(3)对于第三个透镜,u3=∣v2∣+d=75cm,f3=30cm代入式(8-7),则得v1=50cm因为像距为正值,说明是实像,在透镜组后50cm处。第二十九页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(三)柱面透镜定义:透镜的折射面是圆柱的一部分。它在水平截面上和球面透镜相似,因此水平光束入射后将会聚或发散;但在垂直方向的截面却与一平板玻璃相似,即垂直入射的光束通过它时不改变方向。例如,平行光源经凸面柱镜折射后,所成的像不是一个亮点,而是一条亮线。第三十页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第二节眼屈光一、眼的光学结构

二、眼的屈光系统

三、眼的屈光不正及其矫正第三十一页,共六十九页,编辑于2023年,星期五角膜、前房和房水、虹膜和瞳孔、晶状体、玻璃体、视网膜一、眼的光学结构第三十二页,共六十九页,编辑于2023年,星期五二、眼的屈光系统(一)眼的屈光是指眼将外界物体成像于视网膜的功能。(二)眼的调节指眼对不同距离的物体,可以通过改变晶状体的形状,来改变眼的焦度,使物体成像在视网膜上。远点、近点、正视眼、明视距离第三十三页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(三)眼的分辨本领和视力视角:从物体的两端射到眼中的光线所夹的角。眼的分辨本领:眼能分辨的最小视角的倒数。视力是表征眼睛的分辨本领的物理量。第三十四页,共六十九页,编辑于2023年,星期五三、眼的屈光不正及其矫正第三十五页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(一)近视眼及其矫正近视眼:眼无调节时,平行光经眼的光学系统后,焦点落在视网膜前,这样的眼称为近视眼。原因:有的是由于晶状体或角膜的折光本领比正视眼大(屈光性近视),有的是由于眼球前后直径较长(轴性近视)矫正方法:配戴一副凹透镜做的眼镜。第三十六页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(二)远视眼及其矫正远视眼:眼无调节时,平行光经眼的光学系统后,焦点落在视网膜后,这样的眼称为远视眼。原因:有的是由于晶状体或角膜的折光本领比正视眼小(屈光性远视),有的是由于眼球前后直径较短(轴性远视)矫正方法:配戴一副凸透镜做的眼镜。第三十七页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(三)散光眼散光眼:眼无调节时,平行光经眼的光学系统后,不能形成焦点,这样的眼称为散光眼。原因:由于人眼角膜的曲率不对称而形成,这种烟在不同截面有不同的焦度。矫正方法:1、单性散光:戴一适当的柱面透镜2、复性散光:戴一适当柱面与球面组合的透镜3、混合散光:戴一适当柱面与球面组合的透镜第三十八页,共六十九页,编辑于2023年,星期五若凹透镜的焦距为,

通常近视眼镜的度数是屈光度的100倍,因此,焦距为近视眼镜的度数是500度。(四)老视(老花眼):戴一适当焦度的凸透镜则其屈光度为第三十九页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第三节放大镜与显微镜一、放大镜

二、光学显微镜

三、电子显微镜显微镜概述:显微镜是观察细胞的主要工具。根据光源不同,可分为光学显微镜和电子显微镜两大类。前者以可见光(紫外线显微镜以紫外光)为光源,后者则以电子束为光源。第四十页,共六十九页,编辑于2023年,星期五为了增大视角,可以在眼前放一块凸透镜,这样使用的凸透镜,叫做放大镜。一、放大镜第四十一页,共六十九页,编辑于2023年,星期五

使用方法:物体放在主焦点,使物体发出的光线,经过放大镜成平行光进入眼内。

放大镜的角放大率第四十二页,共六十九页,编辑于2023年,星期五光学显微镜二、光学显微镜第四十三页,共六十九页,编辑于2023年,星期五1、组成:①照明系统:包括光源和聚光器。②光学放大系统:由物镜和目镜组成,是显微镜的主体。③机械装置:用于固定材料和观察方便,包括镜台(载物台)、调节器、物镜转换器(旋转器)等。(一)显微镜的光学原理2、物体经物镜、目镜两次放大。第四十四页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第四十五页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(二)显微镜的放大率第四十六页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第四十七页,共六十九页,编辑于2023年,星期五物镜的孔径数光学仪器均有口径成像点实际上是一个衍射斑每个像点均是圆孔的夫琅和费衍射斑显微镜能分辨两点的最小距离为:(三)显微镜的分辨本领第四十八页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第四十九页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(一)德布罗意波1、德布罗意波:运动着的物质也表现出波动性,这种波称为物质波或德布罗意波。2、德布罗意公式:3、经电压为U的电场加速后电子的德布罗意波长:根据能量守恒定律:

三、电子显微镜第五十页,共六十九页,编辑于2023年,星期五4、透射电子显微镜TEM(1)特点透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源,用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领,高放大倍数的电子光学仪器。其主要特点是,测试的样品要求厚度极薄(几十纳米),以便使电子束透过样品。电子光学应用的最典型例子是TEM,它是观察和分析材料的形貌、组织和结构的有效工具。(2)原理TEM用聚焦电子束(50-200keV)作照明源,使用对电子束透明的薄膜试样,以透过试样的透射电子束或衍射电子束所形成的图像来分析试样内部的显微组织结构。第五十一页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(3)结构由电子光学系统、电源系统、真空系统和操作控制系统组成。电子光学系统分为照明、成像及观察纪录、辅助系统。第五十二页,共六十九页,编辑于2023年,星期五(4)分辨率是TEM的最主要性能指标,表征电镜显示亚显微组织、结构细节的能力。点分辨率:能分辨两点之间的最短距离线分辨率:能分辨两条线之间的最短距离,通过拍摄已知晶体的晶格象测定,又称晶格分辨率。人眼分辨本领约0.2mm,OM约0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm的M是1000倍,是有效放大倍数。OM分辨率在0.2μm时,有效M是1000倍。OM的M可以做的更高,但高出部分对提高分辨率没有贡献,仅是让人眼观察舒服。第五十三页,共六十九页,编辑于2023年,星期五透射电子显微镜JEM-1011透射电子显微镜

莱卡超薄切片机

第五十四页,共六十九页,编辑于2023年,星期五内质网透射电镜图(伪彩色)

冰冻蚀刻电镜照片

第五十五页,共六十九页,编辑于2023年,星期五扫描电子显微镜JEOL扫描电子显微镜

人类血细胞SEM照片

第五十六页,共六十九页,编辑于2023年,星期五扫描隧道显微镜(STM)48个Fe原子在铜表面形成r=7.13nm“量子围栏”,围栏中的电子形成驻波。STM装置示意图第五十七页,共六十九页,编辑于2023年,星期五射电望远镜波多黎各射电望远镜第五十八页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第五十九页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第六十页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第四节玻璃纤维内镜一、全反射

二、光纤

三、医用内镜第六十一页,共六十九页,编辑于2023年,星期五

当光线从光密媒质射向光疏媒质时,当折射光线消失,光线全部反射——全反射。称为全反射临界角。一、全反射第六十二页,共六十九页,编辑于2023年,星期五构造:由内外两层不同介质层构成同轴光缆。二、光纤第六十三页,共六十九页,编辑于2023年,星期五关键:正确选择入射光束的顶角保证发生全反射的条件:作用:利用光的多次全反射,使光波沿弯曲路径几乎无损耗地传播。第六十四页,共六十九页,编辑于2023年,星期五第六十五页,共六十九页,编辑于2023年,星期五三、医用内镜(一)发展历史

(二)基本结构

先端部、弯角部、倒像管、操作部、导光管、导光管接头

(三)临床应用

第六十六页,共六十九页,编辑于2023年,星期五习题八一、填空题1、薄透镜组的成像采用

法求物体的像。2、

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