《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件-幾何光.ppt

第十一章幾何光學(xué) 第一節(jié)球面成像第二節(jié)透鏡成像第三節(jié)眼睛第四節(jié)放大鏡和顯微鏡 教學(xué)內(nèi)容 基本的光學(xué)實(shí)驗(yàn)定律 1 光的直線傳播定律2 反射定律和折射定律3 光的獨(dú)立傳播定律4 光路可逆原理 理論基礎(chǔ) 一 學(xué)習(xí)本章后 我們應(yīng)該 1 掌握單球面折射成像公式和符號(hào)規(guī)則 2 掌握薄透鏡成像的規(guī)律 會(huì)計(jì)算焦度和焦距 3 掌握光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)和放大率 4 了解眼睛的光學(xué)系統(tǒng)及屈光不正的矯正 二 重點(diǎn) 單球面折射成像 三 問題 此公式是怎么推導(dǎo)的 適用的條件是什么 折射 當(dāng)光波從一介質(zhì)入射到另一介質(zhì)時(shí) 由于兩介質(zhì)的折射率不同 透射光偏離入射方向的現(xiàn)象 折射定律 第一節(jié)球面成像RefractionataSphericalSurface 空氣 玻璃 C 單球面 兩種不同折射率的透明介質(zhì)的分界面是球面的一部分 單球面折射是研究各種光學(xué)系統(tǒng)成像的基礎(chǔ) 一 單球面折射 n1 n2 點(diǎn)光源O C r A 像I u v i1 i2 主光軸 近軸光線 推導(dǎo) 設(shè)球面曲率半徑為r 物距為u 像距為v 頂點(diǎn) 球面曲率中心 P 1 單球面折射公式 單球面折射公式 由折射定律得 單球面折射公式符號(hào)規(guī)則 實(shí)物距 實(shí)像距取正值 虛物距 虛像距取負(fù)值 凸球面對(duì)著入射光線則r為正 反之為負(fù) u 0 u 0 o o v 0 v 0 r 0 r 0 I I 虛物 物點(diǎn)到折射面的方向與入射光線方向相反 虛實(shí)規(guī)定法圖示說明 o2為虛物 會(huì)聚的入射光線的頂點(diǎn) u0 凸面對(duì)著入射光 r取正 o1為實(shí)物 發(fā)散的入射光線的頂點(diǎn) u取正 I1為虛像 發(fā)散的折射光線的頂點(diǎn) v取負(fù) 凸面順著入射光 r取負(fù) I1 描寫單球面折射本領(lǐng) 物理意義 越大 折光本領(lǐng)越強(qiáng) 單位 屈光度 D r 米 m 2 折射面的焦度 dioptricstrength 3 折射面的焦距 第一焦點(diǎn)F1 物空間焦點(diǎn) 當(dāng)v 時(shí) 第二焦距f2 當(dāng)u 時(shí) F1 f1 F2 f2 第一焦距f1 第二焦點(diǎn)F2 像空間焦點(diǎn) f1 f2為正時(shí) F1 F2是實(shí)焦點(diǎn) 折射面有會(huì)聚作用f1 f2為負(fù)時(shí) F1 F2是虛焦點(diǎn) 折射面有發(fā)散作用 F1 f1 F2 f2 f1 o f2 I n1 n2 n1 n2 由 和 4 折射面的兩焦距與焦度的關(guān)系及高斯公式 得 r n2 解 已知n1 1 0 n2 1 33 r 5 7mm D mm mm 例題 從幾何光學(xué)的角度來看 人眼可簡化為高爾斯特蘭簡化眼模型 這種模型將人眼成像歸結(jié)成一個(gè)曲率半徑為5 7mm 媒質(zhì)折射率為1 33的單球面折射成像 試求這種簡化眼的焦點(diǎn)位置和焦度 若已知某物在膜后24 02處視網(wǎng)膜上成像 求該物應(yīng)放在何處 二 共軸球面系統(tǒng) 兩個(gè)或兩個(gè)以上的折射球面的曲率中心在同一直線上所組成的系統(tǒng) 在成像過程中 前一折射面所成的像 即為相鄰的后一個(gè)折射面的物 順次成像法 u1 v1 u2 v2 0 u3 v3 u4 0 v4 n n n0 n0 n0 v1 60cm 20 40 O I1 n 1 5 40 I2 v2 v1 例題 玻璃球 n 1 5 的半徑為10cm 一點(diǎn)光源放在球前40cm處 求近軸光線通過玻璃球后所成的像 第二折射面 n1 1 5 n2 1 u2 40cm r2 10cm v2 11 4cm 第一節(jié)小結(jié) 實(shí)物 實(shí)像 u v取正 虛物 虛像 u v取負(fù) 凸球面對(duì)著入射光線時(shí) r取正 反之取負(fù) 共軸球面系統(tǒng) 如何求第一 二焦距 符號(hào)規(guī)定 單球面成像公式 焦度 逐次成像法 第二節(jié)透鏡成像 圖中所示的雙凸透鏡 a 雙凹透鏡 b 平凸透鏡 c 平凹透鏡 d 彎凹透鏡 又稱凸凹透鏡 e 彎凸透鏡 又稱凹凸透鏡 f 等等 球面透鏡的種類 條件 近軸光線 一 薄透鏡成像公式 此即薄透鏡成像公式 將兩方程相加 得 1 薄透鏡成像公式 推論 透鏡置于空氣中時(shí) n0 1則上式為 2 薄透鏡的焦點(diǎn) 焦距和焦度 薄透鏡也有兩個(gè)焦點(diǎn) 其定義與單球面的焦點(diǎn)一致 則其第一焦距f1為 由u 得出第二焦距f2 由v 代入公式 可見 f1 f2 令f1 f2 f 則 此式稱為薄透鏡成像公式的高斯形式 其成立條件是什么 焦度為多少 即 薄透鏡焦距 對(duì)放置在空氣中的薄透鏡來說 二 薄透鏡組合 兩個(gè)或兩個(gè)以上薄透鏡組成的共軸系統(tǒng)稱為薄透鏡的組合 簡稱透鏡組 用逐次透鏡成像法也可以求物體最后所成的像 1 復(fù)合透鏡 密切貼合薄透鏡 的成像 兩式相加 得 f1 f2為兩個(gè)薄透鏡的焦距 2 相距一定距離的兩薄透鏡組合 例14 3自學(xué) 三 厚透鏡及共軸球面系統(tǒng)的三對(duì)基點(diǎn) 點(diǎn)光源在主光軸上某F1點(diǎn)處 若產(chǎn)生的光線經(jīng)系統(tǒng)折射后平行射出 此F1點(diǎn)稱為第一焦點(diǎn) 1 兩焦點(diǎn) F1 F2 平行于主光軸的光線若經(jīng)系統(tǒng)折射后 出射光線與主光軸相交于某F2點(diǎn) 則F2點(diǎn)為系統(tǒng)的第二焦點(diǎn) 光線好象在主平面上發(fā)生折射的 第一主點(diǎn)H1是計(jì)算物距 第一焦距的參考點(diǎn) 2 兩主點(diǎn) H1 H2 第一主平面與主光軸的交點(diǎn)H1稱為第一主點(diǎn) 第二主平面與主光軸的交點(diǎn)H2稱為第二主點(diǎn) 第二主點(diǎn)H2是計(jì)算像距 第二焦距的參考點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)的作用類似于薄透鏡的光心 N2 N1 以任何角度向N1入射的光線都以同樣的角度從N2射出 光線只發(fā)生平移不改變方向 則此N1 N2兩點(diǎn)稱為兩節(jié)點(diǎn) 3 兩節(jié)點(diǎn) N1 N2 用任意兩條光線可得出厚透鏡所成的像 如果系統(tǒng)前后媒質(zhì)相同 如空氣 則 1 平行主光軸的光線在第二主平面上折射后通過F2出射 2 通過F1的光線在第一主平面上折射后平行于主光軸出射 3 通過N1的光線從N2平行于入射光線的方向出射 單球面的三對(duì)基點(diǎn) 薄透鏡的三對(duì)基點(diǎn) 四 柱面透鏡 透鏡的兩個(gè)折射面不是球面 而是圓柱面的一部分 這種透鏡稱為柱面透鏡 散光眼的矯正鏡片通常為柱面透鏡 第二節(jié)小結(jié) 薄透鏡成像公式 焦度 焦距 復(fù)合透鏡的成像 像差 色像差 球面像差 1 2 作業(yè) Pages255 2561 4 5 7 眼球壁主要分為三層 外層 角膜 鞏膜 中層 包括虹膜 睫狀體 內(nèi)層 視網(wǎng)膜 一 眼的光學(xué)結(jié)構(gòu) 第三節(jié)眼睛 Theeye 角膜 1 376 主光軸 房水 1 336 虹膜 晶狀體 1 406 玻璃狀液 1 336 視網(wǎng)膜 黃斑 睫狀肌 古氏平均眼 共軸球面折射系統(tǒng) 眼的光學(xué)結(jié)構(gòu) 簡約眼 把眼睛簡化為一個(gè)單球面 即角膜 折射系統(tǒng) C 17mm 5 7mm 17mm F1 F2 n 1 336 對(duì)近物 增大晶狀體表面曲率 即曲率半徑減小 焦度增大 對(duì)遠(yuǎn)物 減小晶狀體表面曲率 即曲率半徑增大 焦度減小 眼的調(diào)節(jié) 眼睛改變自身焦度使遠(yuǎn)近不同的物體均能在視網(wǎng)膜上成清晰像的本領(lǐng) 眼的調(diào)節(jié)是通過改變晶狀體表面的曲率來完成 二 眼的調(diào)節(jié) 遠(yuǎn)點(diǎn) 眼睛在完全不調(diào)節(jié)時(shí)所能看清物體的最遠(yuǎn)位置 近點(diǎn) 眼睛經(jīng)過最大調(diào)節(jié)所能看清物體的最近位置 明視距離 最適宜而不易引起眼睛過度疲勞的看物距離 近點(diǎn) 10 12cm 遠(yuǎn)點(diǎn) 明視距離 25cm 眼的調(diào)節(jié)的范圍 三 眼的分辨本領(lǐng)及視力 視角 視角 從物體兩端入射到眼中節(jié)點(diǎn)的光線所夾的角度 眼節(jié)點(diǎn) 國際標(biāo)準(zhǔn)視力 眼的分辨本領(lǐng) 眼睛能分辨兩物點(diǎn)間最短距離的能力 設(shè)對(duì)一定距離處的物體 眼睛能分辨物體的最小視角為 對(duì)一定距離處的物體 不同的人眼的最小視角不同 即視力不同 1 視力vision 1分視角 5米 眼 L 課后練習(xí) 自畫一國際視力表 視力為0 1 0 6 1 0 1 5 視力表的原理 以國際標(biāo)準(zhǔn)視力表中視力1 0為例 L 1 5mm 5米處物的大小 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)視力表 視力 5 lg 四 眼的屈光不正及其矯正 正視眼 遠(yuǎn)點(diǎn)距離 近點(diǎn)距離 10 12cm 非正視眼 近視眼 遠(yuǎn)視眼 散光眼 近視眼 shortsight 成像 在視網(wǎng)膜前 成因 晶狀體或角膜曲率變大 聚光能力增強(qiáng) 或眼軸過長 矯正 凹透鏡 遠(yuǎn)視眼 farsight 成像 在視網(wǎng)膜后 成因 晶狀體或角膜曲率變小 聚光能力減弱 或眼軸過短 矯正 凸透鏡 近視眼的配鏡 凹透鏡的作用是把無窮遠(yuǎn)處物體成像在近視眼遠(yuǎn)點(diǎn) 使眼不調(diào)節(jié)可看清遠(yuǎn)物 遠(yuǎn)點(diǎn) 凹透鏡 此時(shí)有 u v 遠(yuǎn)點(diǎn)距離 由透鏡成像公式得 f v凹透鏡焦度 1 f 1 v凹透鏡片度數(shù) 100 度 遠(yuǎn)點(diǎn)距離 遠(yuǎn)視眼的配鏡 凸透鏡的作用是把近點(diǎn)之內(nèi) 或明視距離處 的物體成像在遠(yuǎn)視眼近點(diǎn) 近點(diǎn) 凸透鏡 此時(shí)有 u 20cm v 近點(diǎn)距離 由透鏡成像公式得 凸透鏡焦度 1 f凸透鏡片度數(shù) 100 度 物 20cm 散光眼的配鏡 眼的屈光不正包括 近視眼 遠(yuǎn)視眼 散光眼 1 子午面任何通過主光軸的平面稱為子午面 2 子午線子午面與折射面 如角膜表面 相交的線稱為子午線 3 對(duì)稱折射面角膜表面是球面的一部分 其各子午線的曲率半徑都相同 這種折射面叫球面對(duì)稱折射面 否則 稱為非球面折射面 原因 角膜的各個(gè)方向子午線的半徑不相等 矯正 配戴適當(dāng)焦度的柱面透鏡 A B C D 即散光眼為非球面對(duì)稱折射系統(tǒng) 若AB CD 凸柱面透鏡 凹柱面透鏡 老花眼老花是指對(duì)近物的視力調(diào)節(jié)出現(xiàn)進(jìn)行性退化 眼睛的聚焦能力隨著年齡逐漸減弱 到65歲時(shí) 很少或完全沒有聚焦能力 通常在45歲 當(dāng)眼睛不能適應(yīng)正常的閱讀距離時(shí)才引起注意 大的印跡可以被看到 但是小的印跡難以或不能被聚焦 報(bào)紙需要放在胳膊長的距離來閱讀 通常用簡單的凸透鏡進(jìn)行糾正 老花眼 原因 調(diào)節(jié)功能衰退 特點(diǎn) 看遠(yuǎn)正常 看近不行 矯正方法 配戴適當(dāng)焦度的凸透鏡 準(zhǔn)分子激光角膜切削術(shù) 手術(shù)的原理為應(yīng)用準(zhǔn)分子激光切削角膜中央前表面 即除去上皮層的前彈力層和淺層基質(zhì) 使角膜前表面彎曲度減少 曲率半徑增加 屈光能力減低 焦點(diǎn)向后移至視網(wǎng)膜上 達(dá)到矯正近視的效果 PRK手術(shù) 準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù) 手術(shù)是采用更為復(fù)雜的新型設(shè)備開展的針對(duì)高度近視眼的治療手術(shù) 在角膜表面切削一角膜瓣 翻轉(zhuǎn)角膜瓣后 應(yīng)用準(zhǔn)分子激光電腦控制角膜基質(zhì)內(nèi)切削 最后將角膜瓣復(fù)位 LASIK手術(shù) 準(zhǔn)分子激光治療近視眼 一 放大鏡 眼節(jié)點(diǎn) f 角放大率 即 y 作用 增大視角 第四節(jié)幾種醫(yī)用光學(xué)儀器 二 光學(xué)顯微鏡 y F1 F2 L1 L2 物鏡 目鏡 f2 顯微鏡的放大率 1 顯微鏡的光學(xué)原理 2 光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng) 光學(xué)儀器的圓孔衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)系統(tǒng)分辨物體細(xì)節(jié)的能力 分辨極限 光學(xué)系統(tǒng)能分辨開兩物點(diǎn)的最短距離 分辨本領(lǐng) 最短距離的倒數(shù)稱為光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng) A B 物鏡 兩物點(diǎn) A B 相應(yīng)兩象點(diǎn) 艾里斑 瑞利判據(jù) 3 顯微鏡的分辨本領(lǐng) 兩個(gè)物點(diǎn) A1和A2 剛能夠被分辨的條件是 一個(gè)物點(diǎn)的衍射亮斑的第一暗環(huán)正好與另一個(gè)物點(diǎn)的衍射亮斑中央點(diǎn)重合 此時(shí)Z為剛能分辨的最短距離 即顯微鏡的分辨距離 顯微鏡的分辨本領(lǐng) 顯微鏡能分辨最短距離的能力 用1 Z表示 Z越小 分辨本領(lǐng)越高 根據(jù)瑞利判據(jù) 得顯微鏡的分辨距離 物鏡的數(shù)值孔徑 推導(dǎo)略 乙肝病毒病理切片光鏡觀察 提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個(gè)途徑 1 增大物鏡的數(shù)值孔徑N A 比如 采用油浸鏡頭 2 減小照射光的波長 蓋玻片 n 1 52 n 1 u 干物鏡 物鏡 n 1 52 油浸物鏡 油 n 1 52 u 標(biāo)本 3 分辨本領(lǐng)和放大率的區(qū)別 放大率由物鏡和目鏡共同決定 分辨本領(lǐng)只決定于物鏡 100 N A 1 30的物鏡和8 的目鏡組合 與由20 N A 0 95的物鏡和40 的目鏡組合 哪一種組合更能看清樣品的細(xì)節(jié) 2 特種顯微鏡熒光顯微鏡 偏光顯微鏡 相差顯微鏡電子顯微鏡 透射電子顯微鏡 1938年TEM 掃描電子顯微