第十一章 幾何光學課件

第一節(jié).球面成像RefractionofaSphericalSurface第二節(jié).透鏡Lens第三節(jié).眼睛Humaneye第四節(jié).放大鏡和顯微鏡Magnifyingglassandmicroscope第十一章幾何光學

Geometricoptics1第十一章幾何光學一.單球面折射（RefractionofaSphericalSurface）第一節(jié)球面成像

（RefractionofaSphericalSurface）二.共軸球面系統(tǒng)（CoaxialSphericalSystem）2第十一章幾何光學一.單球面折射（RefractionofaSphericalSurface）系統(tǒng)n1n2規(guī)律uv?物點?像點r?Cr球面折射系統(tǒng)3第十一章幾何光學n1n2uv?物點?像點r?Crn1i1i2AP近軸光線：i1i2

很小

分析物像公式球面折射系統(tǒng)H一.單球面折射（RefractionofaSphericalSurface）4第十一章幾何光學

討論適用范圍：只適用于近軸光線符號規(guī)定：實物、實像的距離u、v取正號凸球面對著入射光線，r取正號虛物、虛像的距離u、v取負號凹球面對著入射光線，r取負號球面折射系統(tǒng)一.單球面折射（RefractionofaSphericalSurface）5第十一章幾何光學焦度描述折射系統(tǒng)折射本領的物理量越大，系統(tǒng)的折射能力越強單位：D屈光度6第十一章幾何光學焦距n1n2?Cr?第一焦點F1f1第一焦距球面折射系統(tǒng)一.單球面折射（RefractionofaSphericalSurface）7第十一章幾何光學焦距n1n2?Cr第二焦點F2f2第二焦距球面折射系統(tǒng)一.單球面折射（RefractionofaSphericalSurface）8第十一章幾何光學焦距第一焦點第一焦距第二焦點第二焦距像在無窮遠處的物點物在無窮遠處的像點焦度描述折射系統(tǒng)折射本領的物理量球面折射系統(tǒng)一.單球面折射（RefractionofaSphericalSurface）9第十一章幾何光學二.共軸球面系統(tǒng)（CoaxialSphericalSystem）系統(tǒng)

如果一個光學系統(tǒng)由多個折射球面組成，而且所有折射球面的曲率中心都在同一條直線上，則此系統(tǒng)稱為共軸球面系統(tǒng)。連接各球面曲率中心的直線為主光軸。球面折射系統(tǒng)10第十一章幾何光學成像規(guī)律

光線經前一個折射面所成的像，是下一個折射面的物，對于系統(tǒng)中的多個折射面，如此依次成像，即可得到最后的像。注意

前一像作為下一折射面的物時，是實物還是虛物仍對近軸光線成立球面折射系統(tǒng)二.共軸球面系統(tǒng)（CoaxialSphericalSystem）11第十一章幾何光學ExampleToaglass’ssphere(n=1.5)whichradiusis10cm,aobjectisputattheplaceof40cminfrontofthesphere.whereistheimage?Tothefirstrefractivesurfacen1＝1.0，n2＝1.5，u1＝40cm，r＝10cm，

＝60cm

12第十一章幾何光學Tothesecondrefractivesurfaceu2＝－（60-20）＝－40cm，此時n1＝1.5，n2＝1.0，u2＝－40cm，r＝－10cm，

＝11.4cm13第十一章幾何光學一.透鏡的概念Lens二.薄透鏡的成像公式Thelensequation

三.薄透鏡的焦距、焦度Focaldistance,Focalpower四.薄透鏡的組合Systemoftwolenses五.共軸光具組第二節(jié)透鏡(Lens)14第十一章幾何光學由兩個共軸折射面構成的光學系統(tǒng)。

兩個折射面都是球面或者其中一個的球面，另一個是平面的透鏡為球面透鏡。

透鏡的兩個折射面與主光軸的交點之間的距離稱為透鏡的厚度。一.透鏡的概念lens薄透鏡Alensisasimplecoaxialsystemanditisanopticalsystemincludingtworefractingsurfaces.1.透鏡15第十一章幾何光學Ifthethicknessofalensismuchsmallerthancurvatureradius,theobjectandimagedistances,thethicknessofthelenscanbenegligibleincomparisonwiththem.Suchalensiscalledthinlens.Lenscanconvergeanddivergelight.converginganddiverginglens2.透鏡的分類Classification1)按透鏡的厚度分為薄透鏡和厚透鏡。2)按透鏡的結構分為凸透鏡和凹透鏡。3)按透鏡的光學性質分為會聚透鏡和發(fā)散透鏡。薄透鏡16第十一章幾何光學二.薄透鏡的成像公式(Thelensequation)u=u1v=v2n2n1結論：薄透鏡17第十一章幾何光學對第一折射面Forthefirstsurface對第二折射面Forthesecondsurfaceu=u1

n1v=v2-v1=u2+二.薄透鏡的成像公式(Thelensequation)薄透鏡18第十一章幾何光學u=u1v=v2

n1-v1=u2+二.薄透鏡的成像公式(Thelensequation)n1n2薄透鏡19第十一章幾何光學三.薄透鏡的焦距、焦度

如果透鏡放在空氣中，則n1=1，并且以n表示透鏡材料的折射率，則焦距為符號規(guī)定：凸球面對著入射光線，r取正號凹球面對著入射光線，r取負號薄透鏡1.焦距focaldistance

20第十一章幾何光學凸透鏡凹透鏡三.薄透鏡的焦距、焦度

r1>0

r2<0f>0

r1<0

r2>0f<0薄透鏡21第十一章幾何光學三.薄透鏡的焦距、焦度

表示透鏡的折光本領。單位：屈光度D（國際單位制）通常所說的眼鏡的度數等于屈光度的100倍1屈光度=100度焦度越大，系統(tǒng)的折光能力越強。1/fiscalledlenspower(orfocalpower),alsodenotedbyΦ,withunitofdiopter(D).薄透鏡2.焦度focalpower22第十一章幾何光學四.薄透鏡的組合Systemoftwolenses

由兩個或兩個以上的薄透鏡組成的共軸系統(tǒng)稱為薄透鏡組。依次成像薄透鏡定義作圖公式23第十一章幾何光學對第一個透鏡對第二個透鏡u=u1v=v2-v1=u2+四.薄透鏡的組合薄透鏡24第十一章幾何光學四.薄透鏡的組合

由兩個或兩個以上的薄透鏡組成的共軸系統(tǒng)稱為薄透鏡組。依次成像薄透鏡定義作圖公式25第十一章幾何光學Cardinalpoints(基點):1.Twofocalpoints(F1,F2),2.Twoprincipalpoints(H1,H2,firstprincipalplaneB1H1A1andsecondprincipalplaneB2H2A2),3.Twonodes(N1,N2).

五.共軸光具組薄透鏡26第十一章幾何光學Cardinalpoints(基點):

1.Twofocalpoints兩個焦點(F1,F2)：theyhavethesamedefinitionasabove.薄透鏡27第十一章幾何光學2.Twoprincipalpoints

兩個主點(H1,H2,firstprincipalplaneB1H1A1andsecondprincipalplaneB2H2A2):theextensionofincidentrayandbackwardextensionofrefractedray(notethattherefractedlineisparalleltothelightaxis)meetatpointA1.Firstprincipalplane…薄透鏡28第十一章幾何光學3.Twonodes兩個節(jié)點

(N1,N2),throughthesepoints,theincidentlineandrefractivelineareparallel.

薄透鏡29第十一章幾何光學Positionsofthethreepairsofcardinalpointsarebasedonthespecificconditionsoftherefractivesystem.Whentherefractivesystemisputinonemedium,intheairforexample,thetwofocallengthscanbeprovedtobeequaltoeachother.f1=f2=f,N1andH1areatthesameposition,N2andH2areatthesameposition.Thesameequationforthethinlenscanbeobtained.Notethattheobjectdistanceisfromthefirstprincipalplaneandtheimagedistanceisfromthesecondprincipalplane,notfromthesurfaceoflens.薄透鏡30第十一章幾何光學一、眼的調節(jié)、視力Adjustmentandvisionoftheeye二、眼的屈光不正及矯正Defectsofvision

anditscorrection第三節(jié)眼Humaneye31第十一章幾何光學1.眼的結構角膜虹膜瞳孔網膜黃斑水狀液玻璃狀液眼球剖面圖眼睛一、眼的調節(jié)、視力32第十一章幾何光學一、眼的調節(jié)、視力眼睛33第十一章幾何光學

從光學的觀點來看，眼睛是一個由多種介質組成的折射系統(tǒng)。眼內各種不同介質對光線具有不同的折射作用，進入眼睛的光線，經多次折射后，才成像在視網膜上。

把眼睛看做是由多種均勻介質組成的共軸球面折射系統(tǒng)。

根椐古氏（Gullstrand）的計算，這一系統(tǒng)的光學性質大概有表11-1所給的平均數值。2.古氏平均眼眼睛一、眼的調節(jié)、視力34第十一章幾何光學2.古氏平均眼眼睛一、眼的調節(jié)、視力35第十一章幾何光學

角膜與空氣的折射率相差最大，且角膜的曲率半徑最小（約為5mm），因此，角膜的折射本領最大，它對進入眼中的光線起主要的折射作用。3.簡約眼

生理學上常常把眼睛簡化為單球面折射系統(tǒng)，叫做簡約眼。

n=1.33f2=20mm?F2?F1f1=15mmr=5mmC眼睛一、眼的調節(jié)、視力36第十一章幾何光學4.眼睛的調節(jié)

眼睛之所以能夠看清遠近不同的物體，是由于眼的焦度可以在一定范圍內改變。遠點farpoint：正常人在無窮遠近點nearpoint:正常人在10~12cm明視距離visualdistance:正常人為25cm眼睛一、眼的調節(jié)、視力37第十一章幾何光學5.視力視力：????????能分辨的最小視角：

從物體兩端射到眼中節(jié)點的光線所夾的角度。0.10.20.3……1.01.21.51053.3……1.00.80.67眼睛視角：一、眼的調節(jié)、視力38第十一章幾何光學2.Myopiceye1.Normaleye3.Hyperopiceye眼睛正常眼近視眼遠視眼二、眼的屈光不正及矯正39第十一章幾何光學1.近視眼眼睛近視患者的遠點前移配鏡眼睛不調節(jié)時，平行光進入眼內經折射后會聚于視網膜前面，在視網膜上成像模糊不清，則稱為近視眼。近視的原因可能是角膜或晶狀體的折射面曲率半徑太小，對光線的偏折太強，或者眼球的前后直徑太長。40第十一章幾何光學近視眼的矯正方法是配戴一副適當焦度的凹透鏡，使光線進入眼睛之前經凹透鏡適當發(fā)散，再經眼睛折射后恰好在視網膜上形成清晰的像，具體地說，近視眼所配戴的凹透鏡要使光線所成虛象在近視眼的遠點處，這樣近視眼在不調節(jié)時就能看清遠處的物體。1.近視眼眼睛41第十一章幾何光學例題14-4一近視眼的遠點在眼前50cm處，今欲使其看清無限遠的物體，則應配戴多少度的鏡？解：配戴的眼鏡必須使無限遠的物體應在眼前50cm處成一虛象，如圖所示。設眼鏡的焦距為f，u=∞，v=-0.5m,代入薄透鏡公式，得：解得φ=1/?=–1/0.5=–2D=–200度眼睛42第十一章幾何光學v=－0.4m

Solution:一近視眼的遠點在眼前０.4m，為了看清楚無窮遠處物體，應配多少度的眼鏡？眼睛43第十一章幾何光學眼睛不調節(jié)時，來自遠處的平行光射入眼內經折射后會聚于視網膜的后面，因此，在視網膜上得不到清晰的像，如圖。此類眼睛稱為遠視眼遠視眼在不調節(jié)時既看不清遠處物體，也看不清較近的物體。遠視眼的近點比正常眼要遠些。2.遠視眼二、眼的屈光不正及矯正眼睛44第十一章幾何光學遠視的原因可能是角膜或晶狀體折射面的曲率半徑太大，焦度過??；或者是眼球前后直徑太短，將物體的像成在視網膜之后。遠視眼矯正的方法是配戴一副適當焦度的凸透鏡，讓平行光線進入眼睛之前先經凸透鏡適當會聚，再經眼睛折射后會聚于視網膜上，如圖11-2