第10章几何光学PPT讲稿.ppt

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1、第10章几何光学1第1页，共73页，编辑于2022年，星期日Section 1.Refraction at a Spherical Surface Section 1.Refraction at a Spherical Surface Section 2.The lensSection 2.The lensSection 3.The eye Section 3.The eye Section 4.The Magnifier and MicroscopeSection 4.The Magnifier and MicroscopeSection 5.The Special Microscope a

2、nd FiberscopesSection 5.The Special Microscope and Fiberscopes2第2页，共73页，编辑于2022年，星期日1.Refraction at a Spherical Surface2.Coaxial SystemSection 1.Refraction at a Spherical Surface Section 1.Refraction at a Spherical Surface 3第3页，共73页，编辑于2022年，星期日systemlawn1n2uvobjectimagerCr球面折射系统1.Refraction at a sp

3、herical surface 1.Refraction at a spherical surface Object distance Image distance refractive indexradius of curvature4第4页，共73页，编辑于2022年，星期日n1n2uvobjectimagerCrn1i1i2APParaxial condition,i1 i2 analyze球面折射系统1.Refraction at a Spherical Surface 1.Refraction at a Spherical Surface 5第5页，共73页，编辑于2022年，星期日

4、 discussCondition：Paraxial beamWe adopt the following rules：1、When the object is on the same side of the refracting surface as the incoming light,the object distance u is positive;otherwise it is negative.球面折射系统1.Refraction at a Spherical Surface 1.Refraction at a Spherical Surface 2、When the image

5、is on the same side of the refracting surface as the outgoing light,the image distance v is positive;otherwise it is negative.6第6页，共73页，编辑于2022年，星期日1.Refraction at a spherical surface1.Refraction at a spherical surface 3、When the center of curvature C is on the same side as the outgoing light,the ra

6、dius of curvature is positive;otherwise it is negative.Dioptric power(D)R:metersA quantity of describing the ability of refraction For the refractive system :(diopter)7第7页，共73页，编辑于2022年，星期日n1n2CrPrimary focal pointF1f1Primary focal length1.Refraction at a Spherical Surface1.Refraction at a Spherical

7、 Surface 8第8页，共73页，编辑于2022年，星期日n1n2Crsecondary focal point F2f2 secondary focal length球面折射系统9第9页，共73页，编辑于2022年，星期日focusPrimary focal pointPrimary focal length Secondary focal pointSecondary focal lengthImage is at the infinityObject is at the infinityFocal degree 球面折射系统(diopter-D)10第10页，共73页，编辑于2022

8、年，星期日System If a optical system is made up of many refractive spherical surface，and all the center of curvature of refractive surface is on a line ，then we call the system is coaxial system.The line which joins all the center of curvature is called principal optic axis.球面折射系统2.Coaxial system11第11页，共

9、73页，编辑于2022年，星期日2.Coaxial systemApplying the methods of single spherical refraction in turn,the object for the second surface being the image formed by the first.12第12页，共73页，编辑于2022年，星期日Analyze 光线经前一个折射面所成的像，是下一个折射光线经前一个折射面所成的像，是下一个折射面的物，对于系统中的多个折射面，如此依次成像，面的物，对于系统中的多个折射面，如此依次成像，即可得到最后的像。即可得到最后的像。At

10、tention 前一像作为下一折射面的物时，是实物前一像作为下一折射面的物时，是实物(real object)还是虚物还是虚物(virtual object)仍对近轴光线成立仍对近轴光线成立球面折射系统2.Coaxial system13第13页，共73页，编辑于2022年，星期日Example A glass ball(n=1.5)which diameters is 20cm.A object is put at the place of 40cm before the sphere.Where is the image?To the first refractive surface n1

11、1.0，n21.5，u140cm，r10cm，60cm 14第14页，共73页，编辑于2022年，星期日To the second refractive surface u2（60-20）40cm，n11.5，n21.0，r10cm，11.4cm15第15页，共73页，编辑于2022年，星期日1.The Thin-lens Equation2.The Combination of the thin lens3.The Thick lens4.The cylindrical lens5.Lens AberrationsSection 2 The lens Section 2 The lens 1

12、6第16页，共73页，编辑于2022年，星期日LensBe made up of two coaxial refractive surfaceIncluding(converging lens and diverging lens)Two refractive surface are all spherical surfaces,or one is spherical surface,another one is plane。The distance on the optic axis between the two refractive surface is lens thicknessTh

13、in lens The lens thickness is negligible in comparison with the object distance and the image distance Thick lens薄透镜1.The thin-lens Equation17第17页，共73页，编辑于2022年，星期日1).The lines through the center of the lens dont change direction.2).The parallel light lays with the axis pass through the focal point

14、after refraction；3).The light rays through focal point is parallel with the Axis after refraction。FOF薄透镜Basic imaging law about thin lens18第18页，共73页，编辑于2022年，星期日 u=u1 v=v2 n2 n1可得可得薄透镜Form Imaging equation about thin lens 19第19页，共73页，编辑于2022年，星期日To the first refractive surface To the second refracti

15、ve surface u=u1 n1 v=v2 v1=u2+薄透镜20第20页，共73页，编辑于2022年，星期日 u=u1 v=v2 n1 v1=u2+n1n2薄透镜 Gauss Equation about thin-lens 21第21页，共73页，编辑于2022年，星期日Focal length n1=1,in the air n represents the refractive index of the material of thin lens,then the focal lengthSign convention：凸球面对着入射光线，凸球面对着入射光线，r取正号取正号凹球面对

16、着入射光线，凹球面对着入射光线，r取负号取负号薄透镜Principal quantity about thin lens22第22页，共73页，编辑于2022年，星期日Converging lensDiverging lens r1 0 r2 0 r1 0 f 0薄透镜23第23页，共73页，编辑于2022年，星期日Dioptric power 表示透镜的折光本领表示透镜的折光本领unit：diopter (屈光度）屈光度）通常所说的眼镜的度数等于屈光度的通常所说的眼镜的度数等于屈光度的1/100倍倍1屈光度屈光度=100度度D越大，系统的折光能力越强越大，系统的折光能力越强薄透镜24第24页

17、，共73页，编辑于2022年，星期日.单向放大率单向放大率（复习内容）（复习内容）uABAB FOFv又叫长度放大率又叫长度放大率薄透镜(lateral magnification)25第25页，共73页，编辑于2022年，星期日Example 10-3p191(板书讲板书讲)26第26页，共73页，编辑于2022年，星期日 The coaxial system is made up of two or more thin lens。DefinitionsConstructImaging in turn Equation薄透镜2.The combination of thin lens 27第

18、27页，共73页，编辑于2022年，星期日To the first lensTo the second lens u=u1 v=v2 v1=-u2+薄透镜28第28页，共73页，编辑于2022年，星期日Example 10-4 (重点重点)(板书讲板书讲)p19229第29页，共73页，编辑于2022年，星期日3 3、Thick LensThick Lens1）.Concept of thick lens2）.Imaging law30第30页，共73页，编辑于2022年，星期日The term thick lens means either a single lens whose thick

19、ness is not negligible in comparison with the object distance and the image distance,or any combination of lens such as a corrected camera lens.Thick lens1）.ConceptThin lens31第31页，共73页，编辑于2022年，星期日 对每一个单球面，依次应用单球面系统的成像规律；对每一个单球面，依次应用单球面系统的成像规律；利用共轴系统的基点概念利用共轴系统的基点概念把透镜看做是一个体把透镜看做是一个体系，定义这个系统的三对基点，只要

20、知道这三对基点系，定义这个系统的三对基点，只要知道这三对基点的位置，就可以用作图法解决成像问题的位置，就可以用作图法解决成像问题;Thick lens方法一方法一方法二方法二*计算法解决一些成像问题。计算法解决一些成像问题。-Imaging equation方法三方法三2）.Imaging law32第32页，共73页，编辑于2022年，星期日a).Two focal point 调整光源在主光轴上的位置，使其光束通过厚透镜调整光源在主光轴上的位置，使其光束通过厚透镜后变为平行光，这时点光源所在的位置就称为共轴系统后变为平行光，这时点光源所在的位置就称为共轴系统的第一主焦点的第一主焦点F1。平

21、行于主光轴的光束，通过系统折射后与主光轴相交于平行于主光轴的光束，通过系统折射后与主光轴相交于一点，称为共轴系统的第二主焦点一点，称为共轴系统的第二主焦点F2。The primary principal focal pointF1The secondary principal focal pointF2Thick lens33第33页，共73页，编辑于2022年，星期日b).Two principal points 通过通过F1的入射光线的延长线与出射光线的反向延的入射光线的延长线与出射光线的反向延长线交于长线交于A1点，过点，过A1点所做的垂直于主光轴的平面点所做的垂直于主光轴的平面称为共轴

22、系统的第一主平面，第一主平面与光轴的称为共轴系统的第一主平面，第一主平面与光轴的交点交点H1就称为共轴系统的第一主点。就称为共轴系统的第一主点。平行于主光轴的入射光线与其射出线的反平行于主光轴的入射光线与其射出线的反向延长线的交点，决定了系统的第二主平面，向延长线的交点，决定了系统的第二主平面，第二主点。第二主点。F1F2H1A1H2Thick lens34第34页，共73页，编辑于2022年，星期日 不管光线在厚透镜中经过怎样曲析的路径，在不管光线在厚透镜中经过怎样曲析的路径，在效果上可以看作只在主平面上发生折射。效果上可以看作只在主平面上发生折射。F1F2H1H2 通过一个主平面上任一点的

23、光线，一定通过另通过一个主平面上任一点的光线，一定通过另一主平面上的对应点。一主平面上的对应点。Thick lens Two principal points 35第35页，共73页，编辑于2022年，星期日c).Two nodal points There are another two points N1 and N2,called nodal points which are similar as the optical center of thin lens that rays pass through them without deviated as in next fig.Here

24、 QN1 is parallel to QN2.Thick lensN1N2F1F2H1H2QQ 36第36页，共73页，编辑于2022年，星期日方法二方法二 厚透镜的基点作图法厚透镜的基点作图法 N1N2F1F2H1H2 通过第一主焦点的光线在第一主平面上折射后通过第一主焦点的光线在第一主平面上折射后平行主光轴射出；平行主光轴射出；平行于主光轴的光线在第二主平面折射后，通过第二平行于主光轴的光线在第二主平面折射后，通过第二主焦点；主焦点；通过第一节点的光线从第二节点平行于入射方向射通过第一节点的光线从第二节点平行于入射方向射出。出。Thick lens37第37页，共73页，编辑于2022年

25、，星期日1.A ray parallel to the axis is refracted by the second principal plane and passes through the second focal point of a thick lens.2.A ray through the first focal point is refracted by the first principalplane and emerges parallel to the axis.3.A ray through the first nodal point of the thick len

26、s,afterrefraction by the lens,is not deviated and emerges from the second nodal point.38第38页，共73页，编辑于2022年，星期日第一焦距第一焦距 f1第二焦距第二焦距 f2物距物距 u像距像距 v都是以主点为基准都是以主点为基准F1F2H1H2 物距、像距和焦距物距、像距和焦距Thick lens 厚透镜的成像公式厚透镜的成像公式 39第39页，共73页，编辑于2022年，星期日 v f1 f2 uF1F2H1H2 若系统的最初和最后媒质相同，则若系统的最初和最后媒质相同，则 f1=f2=f，N1与与H

27、1重合，重合，N2与与H2重合，且有成像公式：重合，且有成像公式：Thick lens 厚透镜的成像公式厚透镜的成像公式 40第40页，共73页，编辑于2022年，星期日 If the refractive surface of lens is portion of the cylinder,we call the lens is column lens.4.Cylindrical lens41第41页，共73页，编辑于2022年，星期日水平光束入射后会聚（发散）水平光束入射后会聚（发散）在竖直方向上光在竖直方向上光线不改变方向线不改变方向点状的物经圆柱透镜折射后成为线状的像点状的物经圆柱透镜

28、折射后成为线状的像Astigmatism42第42页，共73页，编辑于2022年，星期日5、Lens AberrationsSpherical aberration（球面像差（球面像差球差球差）Chromatic aberration（色像差）（色像差）43第43页，共73页，编辑于2022年，星期日1.The essential parts of the eye and accommodation2.Defects of vision and correctionSection 3 The Eye 44第44页，共73页，编辑于2022年，星期日角膜角膜(cornea)(cornea)虹膜虹

29、膜(iris)(iris)瞳孔瞳孔(pupil)(pupil)网膜网膜(retina)(retina)黄斑黄斑(yellow(yellow spot)spot)水状液水状液 玻璃状液玻璃状液 眼球剖面图眼球剖面图eye1.The essential parts of the eye and accommodation 45第45页，共73页，编辑于2022年，星期日 从光学的观点来看，眼睛是一个由多种介质组从光学的观点来看，眼睛是一个由多种介质组成的折射系统。眼内各种不同介质对光线具有不同成的折射系统。眼内各种不同介质对光线具有不同的折射作用，进入眼睛的光线，经多次折射后，才的折射作用，进入眼

30、睛的光线，经多次折射后，才成像在视网膜上。成像在视网膜上。把眼睛看做是由多种均匀介质组成的共轴球面把眼睛看做是由多种均匀介质组成的共轴球面折射系统。折射系统。根椐古氏（根椐古氏（GullstrandGullstrand）的计算，这一系统的光）的计算，这一系统的光学性质大概有书中表学性质大概有书中表11-211-2所给的平均数值。所给的平均数值。1).古氏平均眼古氏平均眼眼睛 a.Optic characters of the eye 46第46页，共73页，编辑于2022年，星期日 角膜与空气的折射率相差最大，且角膜的曲率角膜与空气的折射率相差最大，且角膜的曲率半径最小（约为半径最小（约为5m

31、m），因此，角膜的折射本领最），因此，角膜的折射本领最大，它对进入眼中的光线起主要的折射作用。大，它对进入眼中的光线起主要的折射作用。2).简约眼简约眼(reduced eye)生理学上生理学上常常把眼睛简常常把眼睛简化为化为单球面折单球面折射系统射系统，叫做，叫做简约眼简约眼(reduced eye)。n=1.33f2=20mmF2F1f1=15mm r=5mmCeye a.Optic characters of the eye 47第47页，共73页，编辑于2022年，星期日3).眼睛的调节眼睛的调节(accommodation)眼睛之所以能够眼睛之所以能够看清远近不同的物体，看清远近不同

32、的物体，是由于眼的焦度可以是由于眼的焦度可以在一定范围内改变在一定范围内改变Far point：正常人在无穷远正常人在无穷远Near point：正常人在：正常人在1012cmDistance of distinct vision:正常人为正常人为25cmeye调节调节(accommodation)(accommodation)(accommodation)(accommodation)眼睛改变焦度的过程叫调节眼睛改变焦度的过程叫调节.48第48页，共73页，编辑于2022年，星期日Visual acuity：The eyes can distinguish the least visual

33、angle 从物体两端射到从物体两端射到眼中节点的光线所夹眼中节点的光线所夹的角度的角度0.1 0.2 0.3 1.0 1.2 1.510 5 3.3 1.0 0.8 0.67 eyeb.Visual angle：49第49页，共73页，编辑于2022年，星期日50第50页，共73页，编辑于2022年，星期日2).Myopic eye 1).Normal eye 3).Hyperopic eyeeye2.Vision Defects of vision and correction 51第51页，共73页，编辑于2022年，星期日2)Myopia eyeThe function of lens

34、 is to form a virtual image on the far point of the myopia eye.Example11-552第52页，共73页，编辑于2022年，星期日3)Hyperopic eye远视眼远视眼The function of lens is to move the objectfarther away from the eye to a point where a sharp retinal image can be formed.远视眼的矫正远视眼的矫正近点近点10-12cm距距离离53第53页，共73页，编辑于2022年，星期日4)Astigma

35、tism eye 角膜表面的曲率半径不一致，不是球面，光线角膜表面的曲率半径不一致，不是球面，光线经过眼球的不同经线后就不可能会聚于同一焦点，经过眼球的不同经线后就不可能会聚于同一焦点，在网膜上不能形成清晰的像。在网膜上不能形成清晰的像。矫正方法是配适当的圆柱透镜。矫正方法是配适当的圆柱透镜。老花眼不属于屈光不正，是随着晶状体调节机老花眼不属于屈光不正，是随着晶状体调节机能减退出现的近点远移的现象，补救的办法是在看能减退出现的近点远移的现象，补救的办法是在看近物时戴适当的凸透镜。近物时戴适当的凸透镜。eye54第54页，共73页，编辑于2022年，星期日Eg1:The near point o

36、f a certain eye is 100 cm in front of the eye.what lens should be used to see clearly an object at the normal reading distance?v=100cm=1m Solution:55第55页，共73页，编辑于2022年，星期日Eg.2 Eg.2 The The far far point point of of a a myopia myopia eye eye is is 0.4m 0.4m in in front front of of the the eye eye，wha

37、t what lens lens should should be be used used to to see see clearly the object at infinity?clearly the object at infinity?v=0.4m Solution:56第56页，共73页，编辑于2022年，星期日.MagnifierSection 4 Magnifier Section 4 Magnifier 57第57页，共73页，编辑于2022年，星期日Magnifier1)The apparent size of an object is determined by the

38、size of its retinal image.which,in turn,if the eye is unaided,depends upon the angle subtended by the object at the eye.2)When one wishes to examine a small object in detail,one brings it close to the eye in order that the angle subtended and the retinal image may be as large as possible.58第58页，共73页

39、，编辑于2022年，星期日Magnifier 25cmmagnifier3)Since the eye cannot focus sharply on objects closer than the near point.by placing a converging lens in front of the eye,the accommodation may,in effect,be increased.The object may then be brought closer to the eye than the near point and will subtend a corresp

40、ondingly larger angle.A lens used for this purpose is called a magnifier.The lens forms a virtual image of the object.59第59页，共73页，编辑于2022年，星期日.Magnifier 25cmfyymagnifier角放大率角放大率:The angular magnificationAt normal reading distance(f in cm)60第60页，共73页，编辑于2022年，星期日 In order to see clearly a small objec

41、t that can not be seen clearly using ones unaided eye.When an angular magnification higher than that attainable with a simple magnifier is desired,it is necessary to use a compound microscope,usually called merely a microscope.Section 5 MicroscopeSection 5 Microscope61第61页，共73页，编辑于2022年，星期日.The esse

42、ntial elements of microscopeSection 5 MicroscopeSection 5 Microscope.Overall magnification of the microscope .The resolving power of microscope.A few special biological and medical microscopes62第62页，共73页，编辑于2022年，星期日ocular L2Objective L1F1F2microscope.The essential elements of microscope63第63页，共73页，

43、编辑于2022年，星期日.The overall magnification of microscope yy1F1F2y2L1L2The lateral magnification m of objectiveThe angular magnification Of ocular 25cmf2microscope64第64页，共73页，编辑于2022年，星期日65第65页，共73页，编辑于2022年，星期日.The resolving power of microscope66第66页，共73页，编辑于2022年，星期日.The resolving power of microscope67

44、第67页，共73页，编辑于2022年，星期日显微镜的分辨本领显微镜的分辨本领The resolving power of microscope68第68页，共73页，编辑于2022年，星期日The least distinguished distance of optics system.The resolving power of microscope物镜的数值孔径 methods of increasing The resolving power of microscope紫外显微镜紫外显微镜荧光显微镜荧光显微镜电子显微镜电子显微镜Increasing the numerical aper

45、tureThe space between the object And the objective is filled with an oilThe resolving power 1/z decided only by the objectivemicroscopeDecreasing the light wavelength69第69页，共73页，编辑于2022年，星期日70第70页，共73页，编辑于2022年，星期日71第71页，共73页，编辑于2022年，星期日1.偏光显微镜（偏光显微镜（polarizing microscopes)以可见光的偏振特性对具有双折射现象和旋光性以可见光

46、的偏振特性对具有双折射现象和旋光性的物质进行研究鉴定的必备设备。的物质进行研究鉴定的必备设备。4 10 25 40 5 10 162.电子显微镜电子显微镜(electronic microscopes)用波长很短的电子射线代替可见光做成的。用波长很短的电子射线代替可见光做成的。(80-100万万倍）（倍）（0.144纳米）纳米）microscope.A few special biological and medical microscopes72第72页，共73页，编辑于2022年，星期日4.荧光显微镜荧光显微镜 有些物质（维生素有些物质（维生素A、核黄素、硫胺素等）受紫外、核黄素、硫胺素等

47、）受紫外线照射能发出荧光，还有些物质（细菌）可以用荧光染线照射能发出荧光，还有些物质（细菌）可以用荧光染料给其染色。料给其染色。灵敏度高灵敏度高用紫外线作光源，但观察的是荧光。用紫外线作光源，但观察的是荧光。3.紫外显微镜紫外显微镜波长短，分辨本领强；波长短，分辨本领强；生物原生质对可见光几乎是完全透明的，但对紫生物原生质对可见光几乎是完全透明的，但对紫外线的吸收却不同，可用以观察单细胞组成物。外线的吸收却不同，可用以观察单细胞组成物。microscope.A few special biological and medical microscopesHome work:，:11-7,11-8，11-9,11-10,11-11,11-12,11-14,11-1573第73页，共73页，编辑于2022年，星期日