醫(yī)用物理學13幾何光學2017

1、,第13章 幾何光學,第13章 幾何光學(Geometrical optics),1、掌握單球面折射成像、共軸球面系統(tǒng)成像和薄透鏡成像的規(guī)律，了解透鏡成像的像差和補救辦法。2、掌握眼的屈光不正及其矯正方法，掌握視力和視角等概念。3、熟悉放大鏡、顯微鏡、纖鏡的光學原理。4、了解幾何光學在生物醫(yī)學工程中的應(yīng)用。,,學習要求,幾何光學的理論基礎(chǔ)是幾何定律和基本的光學實驗定律：光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律光通過兩種界面時的反射和

2、折射定律,折射定律:,第14章 幾何光學(Geometrical optics),光的獨立傳播定律和光的可逆定律,,第一節(jié) 球面折射,,,,,,,,,,空氣,玻璃,,,,,,C,單球面折射成像規(guī)律是研究透鏡和眼睛成像的基礎(chǔ)。,,一、單球面折射,單球面折射的定義：兩種透明介質(zhì)的分界面是球面的一部分時，所產(chǎn)生的折射現(xiàn)象,,,,,,n1,n2,,點光源O,C,,r,,,M,像I,,,,,,u,v,,α,,i1,i2,,,θ,,β,主光軸,近

3、軸光線,,推導：設(shè)球面曲率半徑為r、物距為u、像距為v,頂點,球面曲率中心,P,1.單球面折射公式,(設(shè):n1< n2),單球面折射公式：,由折射定律得：,第一節(jié) 球面折射,單球面折射公式符號規(guī)則：,①實物距、實像距取正值；,②虛物距、虛像距取負值；,③凸球面對著入射光線則r 為正，反之為負。,第一節(jié) 球面折射,,,,,,,,,r1,v1,發(fā)散的入射光束的頂點稱為實物u1>0,發(fā)散的折射光束的頂點稱為虛像v1<0,凹

4、面迎光r1<0,會聚的入射光束的頂點稱為虛物u2<0,會聚的折射光束的頂點稱為實像v2>0,凸面迎光r2>0,u1,--------單球面折射本領(lǐng)。,折射率差值越大、半徑越小，Ф越大，折光本領(lǐng)越強。,單位：Ф---屈光度（D） r---米（m）,折射面的焦度（dioptric strength）,第一節(jié) 球面折射,2.焦點和焦距,,,第一焦點F1（物空間焦點）：,第二焦距 ：,,F1,,,,f1,

5、,F2,,,,f2,第一焦距 ：,第二焦點F2 （像空間焦點）,,第一節(jié) 球面折射,當f1、 f2為正時， F1、F2為實焦點，折射面有匯聚光線的作用當f1、 f2為負時， F1、F2為虛焦點，折射面有發(fā)散光線的作用,二、共軸球面系統(tǒng),兩個或兩個以上的折射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，即為相鄰的后一個折射面的物----逐次成像法。,第一節(jié) 球面折射,v1=60cm,,,,,,,,,20,,,

6、40,O,I1,n=1.5,,,40,I2,,,v2,,v1,[例題]玻璃球(n=1.5)的半徑為10cm，一點光源放在球前40cm處，求近軸光線通過玻璃球后所成的像。,u2=-40cm, r =-10cm,v2=11.4cm,,第一節(jié) 球面折射,第一折射面：,第二折射面：,第二節(jié) 透鏡,一、薄透鏡成像公式：,,（僅討論透鏡兩側(cè)介質(zhì)相同的情況）,一次成像,二次成像,第二節(jié) 透鏡,,單位：屈光度，用D表示,薄透鏡焦度：,1D=100度,空

7、氣中，n0=1,凸面迎光，r為正，凹面迎光，r為負,,例：如圖，兩曲率半徑分別為0.2m和0.4m，求焦距。,例11-3：如圖，求平薄透鏡在空氣中的焦距。設(shè)透鏡的折射率為1.5.凸面半徑為30厘米。,,二、薄透鏡的組合,兩式相加得,第二節(jié) 透鏡,等效焦度：例：驗光時，鏡片的疊加,例11-4 兩個透鏡L1和L2組成共軸透鏡組，兩者的焦距分別為15cm與25cm,他們之間距離d=70cm,若一物體在L1前20cm處，求此透鏡組所成的像在何

8、處？例11-5上例中若兩個透鏡的距離d=45cm，求此透鏡組所成的像在何處？,,四、柱面透鏡,表面是圓柱面的一部分,凸柱面透鏡,凹柱面透鏡,第二節(jié) 透鏡,柱面透鏡的光學特性,包含主光軸各個方向的平面稱為子午面，子午面與折射面的交線稱為子午線光線通過軸向子午線（圖中垂直方向）不會出現(xiàn)聚散度的改變光線通過屈光力子午線（圖中水平方向）會出現(xiàn)聚散度的改變,第二節(jié) 透鏡,,,主光軸,第二節(jié) 透鏡,討論1：平行光線經(jīng)凸柱面透鏡后的像,討論2

9、：平行光線經(jīng)凹柱面透鏡后的像,討論3：點光源發(fā)出的光經(jīng)凸柱面透鏡后的像,應(yīng)用：條形碼掃描,五、透鏡的像差(aberration),1、球面像差：主光軸上點狀物發(fā)出的遠軸光線與近軸光線不能匯聚于主光軸上同一點的現(xiàn)象。,像差：物體經(jīng)過透鏡所成的像與理論上所成的像有所偏差的現(xiàn)象。,分類：球面像差、色像差等等。,矯正方法1：光闌,第二節(jié) 透鏡,矯正方法2：會聚透鏡后放置發(fā)散透鏡,2、色像差(chromatic aberration),第二節(jié)

10、透 鏡,不同波長的光折射率不同，故不同波長的光在經(jīng)過透鏡折射后不能在同一點成像。,矯正方法：特殊色散鏡片組合,特殊色散鏡片的色像差補償效果對比,,第三節(jié) 眼睛,一、眼的光學結(jié)構(gòu),簡約眼: 把眼睛簡化為一個單球面(接近角膜)折射系統(tǒng)。,,,,,,,,C,,,,,,,15mm,r,15mm,,,F1,F2,n=1.33,第三節(jié) 眼睛,眼睛處于放松狀態(tài)時：,r=5mm,由于眼睛看近處、遠處物體是像距不變，故簡約眼的r值必須改變，滿足：,

11、,,,,,對近物:增大晶狀體表面曲率（即曲率半徑減?。? 焦度增大,最大為70.6D,對遠物：減小晶狀體表面曲率（即曲率半徑增大）, 焦度減小，最小為56.7D,,,,,,,,,,,二、眼的調(diào)節(jié),第三節(jié) 眼睛,通過睫狀肌收縮改變晶狀體表面的曲率實現(xiàn)眼的調(diào)節(jié)。,是指眼睛改變自身焦度，使遠近不同的物體均能在視網(wǎng)膜上成清晰像的本領(lǐng)。,遠點：眼睛在完全不調(diào)節(jié)時所能看清物體的最遠位置。,近點：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

12、：最適宜而不易引起眼睛過度疲勞的看物距離。,,,,,近點(10~12cm),,,,,,遠點(∞),（明視距離）,,,,25cm,眼的調(diào)節(jié)的范圍：,第三節(jié) 眼睛,三、眼的分辨本領(lǐng)及視力,,,,,,,,視角：從物體兩端入射到眼中節(jié)點的光線所夾的角度。視角決定了物體在視網(wǎng)膜成像的大小。,,眼節(jié)點,視力=,,,,,α,眼睛能分辨物體的最小視角α的倒數(shù)表示眼的分辨本領(lǐng)，并稱為視力，即：,,,第三節(jié) 眼睛,據(jù)此所繪視力表稱為國際標準視力表,,第三節(jié)

13、 眼睛,國家標準視力表，即五分法視力表,最小視角,最小視角,最小視角,討論：,四、眼的屈光不正及其矯正,正視眼,遠點距離：∞,近點距離：10-12cm,非正視眼,近視眼,遠視眼,散光眼,,,近視眼 (short sight)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；或眼軸過長。矯正：凹透鏡。,遠視眼 (far sight)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

14、短。矯正：凸透鏡。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第三節(jié) 眼睛,,近視眼的配鏡：凹透鏡的作用是把無窮遠處物體成像在近視眼遠點,使眼在不調(diào)節(jié)的情況下可看清遠物。,,,,,,,,,,,,,,,,,,遠點,此時有：u =∞, v=-50cm,,,,遠點距離50cm,,,,,,,第三節(jié) 眼睛,例題14-4：某近視眼患者的遠點在眼前50cm處，今欲使其看清無限遠的物體，應(yīng)佩戴多少度的眼鏡？,,,遠視眼的配鏡：凸透鏡的作用是把

15、正視眼近點處的物體成像在遠視眼近點。,,,,,,,,,,,,近點,凸透鏡,,,,,,此時有： u = 0.12m, v=-1.2m,物,,,,,12cm,,,,,凸透鏡片度數(shù)750度,第三節(jié) 眼睛,例題14-5：某遠視眼患者近點距離為1.2m，要看清眼前12cm處的物體，應(yīng)配戴怎樣的眼鏡？,原因：角膜的各個方向子午線的半徑不相等,矯正：配戴適當焦度的柱面透鏡,,,,A,B,C,D,,,即散光眼為非對稱折射系統(tǒng),AB＞CD,3、散光眼和

16、配鏡,第三節(jié) 眼睛,老花是指對近物的視力調(diào)節(jié)出現(xiàn)退化。眼睛的聚焦能力隨著年齡逐漸減弱，到65歲時，很少或完全沒有聚焦能力。,,,老花眼,原因：調(diào)節(jié)功能衰退,特點：看遠正常，看近不行,矯正方法：配戴適當焦度的凸透鏡,第三節(jié) 眼睛,一、放大鏡,,,,,,,β,,眼節(jié)點,,,,,,,,,,,f,,γ,角放大率：,,即,y,作用：增大視角。,第四節(jié) 幾種醫(yī)用光學儀器,,,,,,,,,,y,F1,F2,L1,L2,,,,,,,,,物鏡,目鏡,,,

17、,,u2,,,,,顯微鏡的放大率：,1.顯微鏡的光學原理：,第四節(jié) 幾種醫(yī)用光學儀器,二、光學顯微鏡,,2.光學系統(tǒng)的分辨本領(lǐng),光學儀器的圓孔衍射現(xiàn)象限制了光學系統(tǒng)分辨物體細節(jié)的能力。,分辨極限:光學系統(tǒng)能分辨開兩物點的最短距離。分辨本領(lǐng):最短距離的倒數(shù)稱為光學系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。,,A,B,,,物鏡,兩物點,A’,B’,相應(yīng)兩象點,艾里斑,,,第四節(jié) 幾種醫(yī)用光學儀器,兩個物點（A1和A2）剛能夠被分辨的條件是： 一個物點的衍射

18、亮斑的第一暗環(huán)正好與另一個物點的衍射亮斑中央點重合。 此時Z為剛能分辨的最短距離（即顯微鏡的分辨距離）。,討論：顯微鏡分辨本領(lǐng)的決定因素,顯微鏡的能分辨的最短距離Z：,物鏡的數(shù)值孔徑：,第四節(jié) 幾種醫(yī)用光學儀器,顯微鏡的分辨本領(lǐng),提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑：,增大物鏡的數(shù)值孔徑 N.A.,（比如：采用油浸鏡頭）,減小照射光的波長λ,蓋玻片,n=1.52,,n=1,,,,干物鏡,物鏡(n=1.52),油浸物鏡,,,油,n=1.5

19、2,,β,,,,,標本,第四節(jié) 幾種醫(yī)用光學儀器,,,,三、纖鏡,纖鏡：由數(shù)萬根玻璃纖維捆縛成束構(gòu)成,纖鏡作用：,⒈把強光導入器官（體）內(nèi);⒉把器官（體）內(nèi)的像導出體外.,（光導纖維內(nèi)窺鏡）,光導纖維：,第四節(jié) 幾種醫(yī)用光學儀器,支纖鏡,纖維支氣管鏡檢查,第四節(jié) 幾種醫(yī)用光學儀器,醫(yī)學常用纖鏡：,支氣管鏡、食道鏡、胃鏡、腸鏡、膀胱鏡、鼻腔鏡、宮腔、關(guān)節(jié)鏡等。,本章小結(jié),注意：符號規(guī)則,2、薄透鏡（1）成像公式：,（2）焦距公式：,1