医用物理学几何光学
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医用物理学：第十一章 几何光学
矫正：手术、盖住屈光不正的眼睛
屈光不正的眼睛与正常眼睛调节范围的比较图示：
·
10m (∞)
·
25cm
正常 近视眼
远视眼 老花眼 近视+老花
一、概念
本节小结
1、远点、近点
2、明视距离
3、屈光不正的眼睛及类型
二、重要公式
近视的矫正 远视的矫正
1 1
-远点
1
1
0.25 -近点
共轴多球面系统作图法
解：当棒置于空气中时，n1=1.0，n2=1.5，r=2cm，u=8cm， 代入公式
1 1.5 1.5 1.0
8v
2
得：v = 12 cm 为实像
当棒放入水中时，n1=1.33，n2=1.5，r =2cm，u=8cm， 代入公式
1.33 1.5 1.5 1.33
8v
2
得：v = -18.5 cm ,为虚像， 且像在棒外。
n=1.5
n=1
90cm
n 4 3
两种方法:(1)两次单球面成像 (2)一次单薄透镜成像＋一次单球面成像
无论用哪种方法，都必须知道 r1=r2=r 的值，可利用 f 的公式 求得：
1 f
(n
1)
1 r
1 r
(
3 2
1)
2 r
1 r
r f 30cm
方法一： 相加
1
3 2
32 1
90 v1
——三对基点等效光路法
一、像方焦点F'
1、无限远轴上物点发出的光线
2、像方参数
★ 像方焦点F' 像方焦平面；
★ 像方主点H' 像方主平面Q'H'；
喀蔚波医用物理学课件09章几何光学
❖ 单球面成像放大率
M
hi
F2
F1 P
i
h
u
N
v
横向放大率 由图中可看出
h
h
h tan i u
h tan i h v tan i
v
h u tan i
M
hi
F2
F1 P
i
h
u
N
v
由折射定律知：
sin i n2 sin i n1
所以
tani sini n2 tani sini n1
第九章 几何光学
▪ 几何光学的三 个基本定律
▪ 球面折射 ▪ 透镜 ▪ 放大镜 光学
显微镜
几何光学是研究光波波长趋近于零的 光传播的问题.
§9-1 三个基本实验定律
(1)直线传播定律 光在均匀的介质中沿直线传播 (2)反射和折射定律
(3)光的独立传播定律和光路可逆原理 光在传播过程中与其他光束相遇时,各光束都各 自独立传播,不改变其传播方向.光沿反方向传 播,必定沿原光路返回.
n2 n1 单位 m1
r
例题：一玻璃半球的曲率半径为R,折射率为1.5, 其平面的一边镀银.一物高为h,放在曲面顶点前 2R处.求:(1)由曲面所成的第一个像的位置(2)这 一光学系统所成的最后的像在哪里?
解： (1)球面折射公式
n1 n2 n2 n1
u1 v
r
h
h
2R
其中 n 1 1 ,n 2 1 .5 ,u 2 R ,r R
即最后所成的像在球面顶点左方2R处,与物体的 位置重合,由图可见是倒立的.
二.共轴球面系统
❖ 共轴球面系统的逐次成像 物体经过一共轴球面系统所成的像可采用逐次 球面成像法,即先求出物体经第一个单球面折射 后所成的像,然后以此像作为第二个折射面的物, 再求出它通过第二个折射面后所成的像,以此类 推,直到求出经最后一个折射面后所成的像为止, 该像即为整个球面系统所成的像.
医用物理学 几何光学习题解答
第十一章 几何光学一、内容概要【基本内容】1. 单球面折射公式r n n p n p n 1221'-=+ （1）近轴条件（2）符号规定：凡是实物、实像的距离，p 、'p 均取正值；凡是虚物、虚像的距离, p 、'p 均取负值；若是入射光线对着凸球面，则r 取正值，反之，若是入射光线对着凹球面，则r 取负值．2. 单球面折射焦距 r n n n f 1211-=r n n n f 1222-= 3．折射面的焦度 rn n Φ12-=或2211f n f n Φ== 4. 单球面折射成像的高斯公式（近轴）1'21=+p f p f 5．共轴系统成像规则 采用逐次成像法，先求出物体通过第一折射面后所成的像I 1，以I 1作为第二折射面的物，求出通过第二折射面后所成的像I 2，再以I 2作为第三折射面的物，求出通过第三折射面所成的像I 3，依次类推，直到求出最后一个折射面所成的像为止．6. 薄透镜成像（1）成像公式 )11('112100r r n n n p p --=+ （2）焦距公式 12100)]11([---=r r n n n f （3）空气中 121)]11)(1[(---=r r n f （4）高斯公式 fp p 1'11=+7. 薄透镜组合 21111f f f += 或 21ΦΦΦ+= 8. 厚透镜成像 采用三对基点作图9. 透镜的像差远轴光线通过球面折射时不能与近轴光线成像于同一位置，而产生像差，这种像差称为球面像差．物点发出的不同波长的光经透镜折射后不能成像于一点的现象，称为色像差．10. 简约眼 生理学上常常把眼睛进一步简化为一个单球面折射系统，称为简约眼.11. 能分辨的最小视角视力1= 最小视角以分为单位．例如医学视力表，最小视角分别为10分，2分，1分时，其视力分别是0.1，0.5，1.0．标准对数视力表，规定 θlg 5-=L ，式中视角θ以分为单位．例如视角θ分别为10分，2分，1分时，视力L 分别为4.0，4.7，5.0．12．近视眼和远视眼 当眼睛不调节时，平行入射的光线，经折射后会聚于视网膜的前面，而在视网膜上成模糊的像，这种眼称为近视眼，而成像在视网膜后，这样的眼称为远视眼．11. 放大镜的角放大率 fy f y a 2525//==12. 显微镜的放大率 （1）理论放大率 2'2'2525f y y y f y M ⋅=⋅= 其中y y /'为物镜的线放大率（m ），2/25f 为目镜的角放大率（a ） （2）实际放大率 21212525f f s f f s M =⋅= 式中s 为显微镜与目镜之间的距离；f 1为物镜的焦距；f 2为目镜的焦距。
医用物理学第十一章几何光学几何光学4
正常人眼的近点为10～12 cm
近视眼的远点比正常眼要近些 远视眼的近点则比正常眼要远些 正常眼无须进行调节，可使平行光线聚焦在视网膜上； 经过调节，只要物体不小于近点距离，也可以看清。
若眼的折光能力异常，或眼球的形状异常，眼不调节时平 行光线不能聚焦在视网膜上，则称为非正常眼。 非正常眼包括近视、远视和散光。
人到老年，眼的折光能力正常，但由于晶状体弹性丧失或减弱， 调节能力变差，看近物能力减弱，成为老光眼。
正常眼睛在正常照明的情况下，长时间用眼观察 而不产生疲劳的距离，称为明视距离。
正常眼睛的明视距离为：25厘米 近视眼的明视距离比正常眼近； 远视眼的明视距离比正常眼远。
｛ 折光本领强
2、近视眼及其矫正 近视眼的原因 前后径过长
因此，眼晴简化成一个理想的单球面成像系统，即简约
眼或简化眼。
三、眼的分辨本领
1、视角和最小视角
从物体的两端射到眼中节点的光线所夹的角度叫做视角
视角愈大
眼睛就愈能看清楚物体的细节
正常人眼要看到物体 视网膜上的像必须足够大
视角也必须足够大
人眼睛刚能辨清物体的细节所对应的视角称为最小视角 用最小视角可以表示人眼的分辨本领
第十一章 几何光学
基础理论教学中心
一、眼的结构：
睫状肌
二、眼的光学系统
晶状体 房水 角膜 虹膜
眼睛是共轴球面系统
两种常用的模型： 古氏平均眼模型 简约眼模型
巩膜 视网膜 玻璃体
黄斑
①H1、H2可视为是一点H
②N1、N2也可视为是一个 点,N接近角膜的曲率中心 R=7.7mm处
③眼球内各物质折射率 接近，故可认为近似相 同，为n=1.33。
角膜到视网膜的距离是不变的 眼能使不同远近的物体成像在视网膜上
近视眼的远点比正常眼要近些 远视眼的近点则比正常眼要远些 正常眼无须进行调节，可使平行光线聚焦在视网膜上； 经过调节，只要物体不小于近点距离，也可以看清。
若眼的折光能力异常，或眼球的形状异常，眼不调节时平 行光线不能聚焦在视网膜上，则称为非正常眼。 非正常眼包括近视、远视和散光。
人到老年，眼的折光能力正常，但由于晶状体弹性丧失或减弱， 调节能力变差，看近物能力减弱，成为老光眼。
正常眼睛在正常照明的情况下，长时间用眼观察 而不产生疲劳的距离，称为明视距离。
正常眼睛的明视距离为：25厘米 近视眼的明视距离比正常眼近； 远视眼的明视距离比正常眼远。
｛ 折光本领强
2、近视眼及其矫正 近视眼的原因 前后径过长
因此，眼晴简化成一个理想的单球面成像系统，即简约
眼或简化眼。
三、眼的分辨本领
1、视角和最小视角
从物体的两端射到眼中节点的光线所夹的角度叫做视角
视角愈大
眼睛就愈能看清楚物体的细节
正常人眼要看到物体 视网膜上的像必须足够大
视角也必须足够大
人眼睛刚能辨清物体的细节所对应的视角称为最小视角 用最小视角可以表示人眼的分辨本领
第十一章 几何光学
基础理论教学中心
一、眼的结构：
睫状肌
二、眼的光学系统
晶状体 房水 角膜 虹膜
眼睛是共轴球面系统
两种常用的模型： 古氏平均眼模型 简约眼模型
巩膜 视网膜 玻璃体
黄斑
①H1、H2可视为是一点H
②N1、N2也可视为是一个 点,N接近角膜的曲率中心 R=7.7mm处
③眼球内各物质折射率 接近，故可认为近似相 同，为n=1.33。
角膜到视网膜的距离是不变的 眼能使不同远近的物体成像在视网膜上
几何光学-ppt医用物理学PPT课件
本单元测验题
第十四章 几何光学
1 利用旋转矢量法确定下述各种t=0情况下的初相。
(1) x0 A 2,v0 0
(2) x0A 2,v00
(3) x0 22A,v00 (4) x023A,v00
2．已知波源在原点x＝0的平面简谐波方程为
y=acos(10πt-πx+π/3)，其中a、b、c均为常量，试确
理
论 体
量子光学
以光和物质相互作用时所显示出的粒 子性为基础，研究光的一系列规律
系
激光原理及应用
现代光学
傅立叶光学 全息光学 光谱学
非线性光学
P.6/33
几何光学
一、 几何光学的基本定律
1. 光的直线传播定律 ： 2. 在均匀介质中,光沿直线传播
第十四章 几何光学
2. 光的反射定律 i i
入射光线 反射光线
P.10/33
第十四章 几何光学
色散：白光通过三棱镜,折射时 将各波长的光分散形成光谱
光的独立传播定律 光在传播过 程中与其它光线相遇时，不改 变传播方向，各光线之间互不 受影响，各自独立传播，会聚 处，光能量简单相加
光路可逆性原理 如果反射光或折射光的方向反转， 光线将按原路返回
P.11/33
二、全反射
P.4/33
光是什么？
光的波粒之争
第十四章 几何光学
惠
牛
更
顿
斯
微粒说
波动说
牛 顿:物体发出的粒子流(微粒说) 惠更斯:光是一种波(波动说)
光的波粒二象性
P.5/33
第十四章 几何光学
几何光学
以光的直线传播为 基础,研究光在透明 介质中的传播问题
经典光学
第十四章 几何光学
1 利用旋转矢量法确定下述各种t=0情况下的初相。
(1) x0 A 2,v0 0
(2) x0A 2,v00
(3) x0 22A,v00 (4) x023A,v00
2．已知波源在原点x＝0的平面简谐波方程为
y=acos(10πt-πx+π/3)，其中a、b、c均为常量，试确
理
论 体
量子光学
以光和物质相互作用时所显示出的粒 子性为基础，研究光的一系列规律
系
激光原理及应用
现代光学
傅立叶光学 全息光学 光谱学
非线性光学
P.6/33
几何光学
一、 几何光学的基本定律
1. 光的直线传播定律 ： 2. 在均匀介质中,光沿直线传播
第十四章 几何光学
2. 光的反射定律 i i
入射光线 反射光线
P.10/33
第十四章 几何光学
色散：白光通过三棱镜,折射时 将各波长的光分散形成光谱
光的独立传播定律 光在传播过 程中与其它光线相遇时，不改 变传播方向，各光线之间互不 受影响，各自独立传播，会聚 处，光能量简单相加
光路可逆性原理 如果反射光或折射光的方向反转， 光线将按原路返回
P.11/33
二、全反射
P.4/33
光是什么？
光的波粒之争
第十四章 几何光学
惠
牛
更
顿
斯
微粒说
波动说
牛 顿:物体发出的粒子流(微粒说) 惠更斯:光是一种波(波动说)
光的波粒二象性
P.5/33
第十四章 几何光学
几何光学
以光的直线传播为 基础,研究光在透明 介质中的传播问题
经典光学
医用物理学几何光学
1 2 0.83D
f 1.20m
三 共轴光具组
多个透镜组合的透镜系统，只要具有同一主光轴，就可以被视 为共轴光具组。
可用: 依次成像法 和三对基点法.
1、两个主焦点
F1 F2
平行与主光轴的光线，在第二主平面折射后通过第二主焦点F2 通过第一主焦点F1的光线，在第一主平面折射后平行与主光轴射 出。
F1
p
n1 f1 r n2 n1
第二焦距：
p
n1 p
n2 F2
n1 n2 n2 n1 f2 r
n2 f2 r n2 n1
f1 、f2为正时，F1 、 F2是实焦点。f1 、f2为负时，F1 、 F2是
虚焦点。
n1 n2 f1 f 2
f1 n1 f 2 n2
（1） 如果从物点到折射点的方向，与入射光线的方向相同，
该物称为实物，物距p为正。反之物为虚物，物距为负。
（2）如果从折射点到像点的方向，与折射光线的方向相同，
该像称为实像，像距p’为正。反之像为虚像，像距为负。
（3）如果从折射点到曲率中心的方向，与折射光线的方向相 同曲率半径r为正。反之r为负。
光学显微镜：直接观察（虚像）和显微摄影（实像）
n1
i1 O p
A
M
i2
n2
C I
N r
p
p’ 图11-1单球面折射
n1
由折射定律有： n1Sini1=n2Sini2 Sini1i1，Sini2i2
O
i1
A p
M i2
N r n2 C I
OA是近轴光线AP<<p、p’、r，
p
p’
医用物理学-几何光学习题解答
提示：1）利用过焦点光线，平行主轴射出，定出第一主截面。先过p点和F1点做一直线，并延长，再做过P’点，且平行于主轴的直线，过两线相交点做垂直于主轴的主截面，定出H1和N1点（相同媒质主点和节点重合）。
2)利用通过节点的光线平行射出，定出H2和N2
3）利用平行光线出射后通过焦点，定出F2
11-14 一近视眼患者的远点在眼前2m处，今欲使其能看物，问至少应配戴什么样的眼睛？
11-4 显微镜的放大倍数越大，是否其分辨本领越高？
答：不是，因为分辨本领的大小只决定于物镜，与目镜无关。
11-5 电子显微镜与普通光学显微镜的主要区别？
答：电子显微镜用波长很短的电子射线代替可见光制作成的普通显微镜。
11-6 一直径为20cm，折射率为1.53的球有两个气泡，看上去一个恰好在球心，另一个从最近的方向看去，好象在球面表面和中心的中间，求两气泡的实际位置？
4.激光扫描共聚焦显微镜是在荧光显微镜成像的基础上加装了激光扫描装置。使用紫外光或激光激发荧光探针，可以得到细胞或组织部微细结构的荧光图像，从而可以观察细胞的形态变化或生理功能的改变，能产生真正具有三维清晰度的图像，同时可在亚细胞水平上观察诸如Ca2+、pH值和膜电位等生理信号及细胞形态的实时动态变化。激光扫描共聚焦显微镜成为形态学、分子细胞生物学、神经科学、药理学和遗传学等领域中新的有力研究工具，在基因芯片，克隆技术中都有较好的应用．
根据透镜成像： 得 （2）
解得 cm，说明物体通过凸透镜成像在凹透镜后20cm处，由此可得
=5cm+20cm=25cm，代入（1）式，有
解得：p1=37.5cm
11-13 如图11-2所示，已知物、像和厚透镜的第一主焦点F1的位置，厚透镜的两侧为同一媒质。适用做图的方法找出厚透镜的第二主焦点F2，一对主点H1，H2和一对节点N1，N2。
2)利用通过节点的光线平行射出，定出H2和N2
3）利用平行光线出射后通过焦点，定出F2
11-14 一近视眼患者的远点在眼前2m处，今欲使其能看物，问至少应配戴什么样的眼睛？
11-4 显微镜的放大倍数越大，是否其分辨本领越高？
答：不是，因为分辨本领的大小只决定于物镜，与目镜无关。
11-5 电子显微镜与普通光学显微镜的主要区别？
答：电子显微镜用波长很短的电子射线代替可见光制作成的普通显微镜。
11-6 一直径为20cm，折射率为1.53的球有两个气泡，看上去一个恰好在球心，另一个从最近的方向看去，好象在球面表面和中心的中间，求两气泡的实际位置？
4.激光扫描共聚焦显微镜是在荧光显微镜成像的基础上加装了激光扫描装置。使用紫外光或激光激发荧光探针，可以得到细胞或组织部微细结构的荧光图像，从而可以观察细胞的形态变化或生理功能的改变，能产生真正具有三维清晰度的图像，同时可在亚细胞水平上观察诸如Ca2+、pH值和膜电位等生理信号及细胞形态的实时动态变化。激光扫描共聚焦显微镜成为形态学、分子细胞生物学、神经科学、药理学和遗传学等领域中新的有力研究工具，在基因芯片，克隆技术中都有较好的应用．
根据透镜成像： 得 （2）
解得 cm，说明物体通过凸透镜成像在凹透镜后20cm处，由此可得
=5cm+20cm=25cm，代入（1）式，有
解得：p1=37.5cm
11-13 如图11-2所示，已知物、像和厚透镜的第一主焦点F1的位置，厚透镜的两侧为同一媒质。适用做图的方法找出厚透镜的第二主焦点F2，一对主点H1，H2和一对节点N1，N2。
西安交通大学医用物理学ch-11 几何光学
f1
（1）
O
I
I1
11 1
L2：
v1 v f 2
将（1）（2）式相加，得
11 1 1 u v f1 f2
（2）
u1=
u
1 f
1 f1
1 f2
D
D1
D2
vv2=vu12=-
D，f分别为 薄透镜组的 等效焦度和
这一关系用来测定透镜的焦度 等效焦距
11 1 uvf
（3）
D凸 D凹 0 D凸 D凹
2.色像差
复色光经透镜后，不同颜色（λ）光成的像位置大小 不同，形成彩色圆斑——色像差
补救的方法：
紫 红
透镜组合_消色差透镜组
火石玻璃 色散大
冕牌玻璃色散小
§11-3 眼睛（The eye）
一、眼的结构
由外界射来的光线经角膜、水 状液、晶状体、玻璃状液的几次 折射后,成像在视网膜上。 由于 角膜的折射率比周围介质的折射 率大的多,所以光线从空气进入角 膜时将发生最大的折射.
逐次成像时,要注意物像的虚实,参考点和折射率。
例11-2 一玻璃球（n=1.50),r =10cm,点物置于球前 40cm 处,求近轴光线通过玻璃球后所成的像。
解 n1=1.00(空气), n2=1.50,
u=u1=40cm, r=10cm
n1
对第一折射面 n1 n 2 n 2 n1 uv r
4v
4
v 12cm
三、共轴球面系统（coaxial spherical system）
如果一个光学系统由多个折射球面组成,且所有球面的曲率 半径都在同一条直线上,则该系统称为共轴球面系统。
连接各球面曲率中心的直线，称为该系统的主光轴。
医用物理课件：第13章几何光学
③通过第一节点N1 的光线（3）从第 二节点N2平行于入 射方向射出。
第十三章 几何光学
五、（薄）柱面透镜（自学为主） 1柱面透镜:薄透镜的两个折射面都是圆柱面或有一面 为平面的透镜.有凸柱面透镜和凹柱面透镜两种
2、子午面和子午线 通过主光轴的平面称为子午面，子午面与折射面之间 的交线称为子午线。 球面透镜各方向的子午线曲率半径相同，对称折射面； 柱面透镜各方向的子午线曲率半径不同，非对称折射 面。
会聚 f 0 ，发散
u0 v0
f 0
第十三章 几何光学
三、薄透镜成像的作图法 1、三条特殊光线
1）与主光轴平行的入射光线, 通过凸透镜后, 折射光线 过焦点, 通过凹透镜后折射光线的反向延长线过焦点.
2）过焦点（凸透镜）(延长线过焦点，凹透镜)的入射 光线, 其折射光线与主光轴平行.
3）过薄透镜中心的入射光线, 其折射光线无偏折地沿 原方向出射.
u v1
r1
n n0 n0 n
v1 v
r2
（3）空气中的物像公式
1 u
1 v
n
n0 n0
1 r1
1 r2
1 u
1 v
(n
1)
1 r1
1 r2
（1）各符号物理意义（透镜两侧是同一种介质）。
（2）适应于所有形状的凸、凹球面薄透镜，符号 规则与单球面相同。
第十三章 几何光学
2、焦度和焦距
常用单位：度 1D=100度
（1）绝对值：表示球面折射 本领大小。
大，折射本领大。
（2）正负：球面起发散作用 还是会聚作用。
Φ>0 会聚作用 Φ<0 发散作用
n1
n1
F
F′
f
第十三章 几何光学
五、（薄）柱面透镜（自学为主） 1柱面透镜:薄透镜的两个折射面都是圆柱面或有一面 为平面的透镜.有凸柱面透镜和凹柱面透镜两种
2、子午面和子午线 通过主光轴的平面称为子午面，子午面与折射面之间 的交线称为子午线。 球面透镜各方向的子午线曲率半径相同，对称折射面； 柱面透镜各方向的子午线曲率半径不同，非对称折射 面。
会聚 f 0 ，发散
u0 v0
f 0
第十三章 几何光学
三、薄透镜成像的作图法 1、三条特殊光线
1）与主光轴平行的入射光线, 通过凸透镜后, 折射光线 过焦点, 通过凹透镜后折射光线的反向延长线过焦点.
2）过焦点（凸透镜）(延长线过焦点，凹透镜)的入射 光线, 其折射光线与主光轴平行.
3）过薄透镜中心的入射光线, 其折射光线无偏折地沿 原方向出射.
u v1
r1
n n0 n0 n
v1 v
r2
（3）空气中的物像公式
1 u
1 v
n
n0 n0
1 r1
1 r2
1 u
1 v
(n
1)
1 r1
1 r2
（1）各符号物理意义（透镜两侧是同一种介质）。
（2）适应于所有形状的凸、凹球面薄透镜，符号 规则与单球面相同。
第十三章 几何光学
2、焦度和焦距
常用单位：度 1D=100度
（1）绝对值：表示球面折射 本领大小。
大，折射本领大。
（2）正负：球面起发散作用 还是会聚作用。
Φ>0 会聚作用 Φ<0 发散作用
n1
n1
F
F′
f
西安交通大学医用物理学ch-11 几何光学
判断依据（概括上述三点）
1.入射光束：发散—实物（折射面2）；会聚—虚物（折射面2）。 2.物所处空间：物空间—实物；象空间—虚物。
逐个球面依次成像 如图所示
n1
（1） （2）（3）
O
I1
n2 n3
I2 I3
物点O发出的近轴光线经第一球面折射成虚像I1，I1是第二 折射面的实物；第二折射面的实像I2是第三折射面的虚物， I3是经第三个折射面所成的实像。
逐次成像时,要注意物像的虚实,参考点和折射率。
例11-2 一玻璃球（n=1.50),r =10cm,点物置于球前 40cm 处,求近轴光线通过玻璃球后所成的像。
解 n1=1.00(空气), n2=1.50,
u=u1=40cm, r=10cm
n1
对第一折射面 n1 n 2 n 2 n1 uv r
例11-3 如图，一弯月形薄透镜(n=1.5)两表面的曲 率半径分别为5cm和10cm,若将透镜的凹面朝上且 盛满水(n=4/3),求水与透镜组合后的等效焦距。
解 由薄透镜焦距公式
1
f
n
1
1 r1
1 r2
1
f1
1.5
1
1 5
1 10
20cm
1
f2
4 3
1
1 10
0
30cm
1
f
1 f1
1 f2
,
v
2
11.4cm
如果将玻璃球放在水中,像 会成在何处?
(由同学自己计算)
§11-2 透镜（Lens）
一. 薄透镜成像公式(The thin lens equation)
1 . 薄透镜的定义及分类
定义：若透镜的厚度t（透镜 n0
1.入射光束：发散—实物（折射面2）；会聚—虚物（折射面2）。 2.物所处空间：物空间—实物；象空间—虚物。
逐个球面依次成像 如图所示
n1
（1） （2）（3）
O
I1
n2 n3
I2 I3
物点O发出的近轴光线经第一球面折射成虚像I1，I1是第二 折射面的实物；第二折射面的实像I2是第三折射面的虚物， I3是经第三个折射面所成的实像。
逐次成像时,要注意物像的虚实,参考点和折射率。
例11-2 一玻璃球（n=1.50),r =10cm,点物置于球前 40cm 处,求近轴光线通过玻璃球后所成的像。
解 n1=1.00(空气), n2=1.50,
u=u1=40cm, r=10cm
n1
对第一折射面 n1 n 2 n 2 n1 uv r
例11-3 如图，一弯月形薄透镜(n=1.5)两表面的曲 率半径分别为5cm和10cm,若将透镜的凹面朝上且 盛满水(n=4/3),求水与透镜组合后的等效焦距。
解 由薄透镜焦距公式
1
f
n
1
1 r1
1 r2
1
f1
1.5
1
1 5
1 10
20cm
1
f2
4 3
1
1 10
0
30cm
1
f
1 f1
1 f2
,
v
2
11.4cm
如果将玻璃球放在水中,像 会成在何处?
(由同学自己计算)
§11-2 透镜（Lens）
一. 薄透镜成像公式(The thin lens equation)
1 . 薄透镜的定义及分类
定义：若透镜的厚度t（透镜 n0
医学物理学：19第十四章 几何光学(一)
称 为折射面的焦度，单位是 D （屈光度），
I
FC
P
称为第一焦距。
F C
PI
称为第二焦距。
作业
做教材中第239页 第14－1题。
本 次 课 程 内 容
第三章 流 体 的 运 动
第一节 理想流体 稳定流动
1.抽象 2.逻辑性强 3.相对独立
§3 多 项 式 的 除 法
注:
定义 4 定理 2
O
C
例 玻璃球（n = 1.5）的半径为10cm，一点光 源放在球前 40cm处。求近轴光线通过玻璃球后 所成的像。
O
I
小结单球面折射公式球源自面 折折射面的焦度定义
射
第一（第二）焦距定义
A
O
P rC
I
则有折射定律： 注意到当一个角 很小时，数学上有
（弧度）
可以推得 其中
—— 单球面折射公式 —— 物距 —— 像距
CO IP u 取正值； v 取负值； r 取负值；
C I OP u 取负值； v 取正值； r 取正值；
称 为折射面的焦度，单位是 D （屈光度），
I
FC
P
称为第一焦距。
F C
PI
称为第二焦距。
例 圆柱形玻璃棒（n = 1.5）的一端是半径为 2cm的凸球面。 (1)求棒置于空气中时，在棒的轴线上距离棒端 外 8cm 的物点所成像的位置。 (2)若将此棒放入水（n = 1.33）中时，物距不 变，像距应是多少（设棒足够长）？
对成象质量、光学仪器的分辨本领等问题， 就不能完全依靠几何光学，必须同时应用光的波 动理论，才能获得完满的解决。
第一节 球 面 折 射
当两种折射率不同的透明媒质的分界面为 球面的一部分时，光所产生的折射现象称为单 球面折射。
医用物理学课件：几何光学
1.5 1 1 1.5 40 v2 10
解得
v2=11.4cm
因此最後所成的實像在玻璃球後11.4cm處.
❖ 共軸球面系統的基點
一對焦點
一對主點
一對節點
B1 B2
F1
H1 H2
F2
(1)
N1 N2
(3)
(2)
A1 A2
作圖法求像
B1 B2
F1
H1 H2
F2
(1)
N1 N2
(3)
(2)
A1 A2
n2 n1 單位 m1
r
例 一玻璃半球的曲率半徑為R,折射率為1.5,其平 面的一邊鍍銀.一物高為h,放在曲面頂點前2R處. 求：(1)由曲面所成的第一個像的位置.(2)這一光 學系統所成的最後的像在哪里?
解： (1)球面折射公式
n1 n2 n2 n1
u1 v
r
h
h
2R
其中
n1 1, n2 1.5, u 2R, r R
幾何光學
▪ 幾何光學的三 個基本定律
▪ 球面折射 ▪ 透鏡 ▪ 放大鏡 光學
顯微鏡
幾何光學是研究光波波長趨近於零的 光傳播的問題.
§9-1 三個基本實驗定律
(1)直線傳播定律 光在均勻的介質中沿直線傳播. (2)反射和折射定律
(3)光的獨立傳播定律和光路可逆原理 光在傳播過程中與其他光束相遇時,各光束都各 自獨立傳播,不改變其傳播方向.光沿反方向傳 播,必定沿原光路返回.
像光路如圖所示.
L1
L2
F1 F2
F2
F1
二.柱面透鏡
柱面透鏡(cylindrical lens)又 叫做圓柱鏡,簡稱柱鏡,它的 表面是圓柱面的一部分,柱 面透鏡的橫截面和球面透鏡 的截面一樣,對於同一水平 面上入射的光束有會聚和發 散作用.
医用物理学13几何光学2017
支纤镜
纤维支气管镜检查
本章小结
1、单球面折射
n1 n2 n2 n1
uv
r
注意：符号规则
2、薄透镜 （1）成像公式：
（2）焦距公式：
11 1 uv f
f
(
n2
n0
n0
)(
1 r1
1 1
r2
)
薄透镜焦度：
1
f
本章小结
3、眼睛 （1）视力 国际标准视力：视力
国家标准对数视力：
1
L 5 lg
光线通过屈光力子午线（图中水平方向）会出 现聚散度的改变
第二节 透镜
讨论1：平行光线经凸柱面透镜后的像
讨论2：平行光线经凹柱面透镜后的像
讨论3：点光源发出的光经凸柱面透镜后的像 应用：条形码扫描
第二节 透镜 五、透镜的像差(aberration)
像差：物体经过透镜所成的像与理论上所成的像有所偏差的现象。 分类：球面像差、色像差等等。 1、球面像差：主光轴上点状物发出的远轴光线与近轴光线不能汇聚于主 光轴上同一点的现象。
空气中，n0=1
f [(n 1)( 1 1 )]1 r1 r2
凸面迎光，r为正，凹面迎光，r为负
薄透镜焦度：
1
f
单位：屈光度，用D表示 1D=100度
例：如图，两曲率半径分别为0.2m和0.4m，求焦距。
1 f
1.5
1
1 0.2
1 0.4
1 f
1.5
1
1 0.4
1 0.2
例11-3：如图，求平薄透镜在空气中的焦距。设透镜的折射率为1.5.凸面半 径为30厘米。
作业：及时完成同步练习
n1 n2 n2 n1
医用物理学第十一章几何光学课件
600× 0.23 μm
2 50× 9× 1.2
450× 0.19μm
3 50× 10× 1.4
原因：a.角膜晶状体折射面曲率太小
•
b.眼球前后直径太短
c.眼内介质的折射率异常
d.遗传
矫正：加凸透镜，先会聚，再成像
例：
近点(清晰点)在眼前2m处的远视眼看书，配度？镜？
• 2m
0.25m •
眼前近物
成像
远视眼的近点
明视距离：0.25m
凸透镜
3. 散光眼
原因：角膜曲面曲率不对称（不是球面）
爱里斑的半角宽度为:
物镜所成的像
物镜成像细节
光的波动性
限制
瑞利判据:对于两个等光强的非相干物点,如果一个像斑中心恰好落在另一像斑的边缘(第一暗纹处),则此两像被认为是刚好能分辨。此时两像斑中心角距离为最小分辨角
可分辨
刚可分辨
不可分辨
眼睛的最小分辨角为
设人离车的距离为 S 时，恰能分辨这两盏灯。
1. 近视眼
现象：平行光入射，会聚在视网膜前
原因：a.角膜晶状体折射面曲率太大
•
b.眼球前后直径太长
c.眼内介质的折射率异常
d.遗传
矫正：加凹透镜，先发散，再成像
例：
远点在眼前1m处的近视眼，配度？ 镜？
• ∞
1m •
无穷远物
成像
近视眼的远点
凹透镜
2. 远视眼
现象：平行光入射，会聚在视网膜后
•
二. 共轴球面系统
定义：两个或两个以上折射面 曲率中心在一条直线上的光学系统
逐次成像法
例：玻璃球：n＝1.5，R＝10cm，点光源在球前40cm处。
2 50× 9× 1.2
450× 0.19μm
3 50× 10× 1.4
原因：a.角膜晶状体折射面曲率太小
•
b.眼球前后直径太短
c.眼内介质的折射率异常
d.遗传
矫正：加凸透镜，先会聚，再成像
例：
近点(清晰点)在眼前2m处的远视眼看书，配度？镜？
• 2m
0.25m •
眼前近物
成像
远视眼的近点
明视距离：0.25m
凸透镜
3. 散光眼
原因：角膜曲面曲率不对称（不是球面）
爱里斑的半角宽度为:
物镜所成的像
物镜成像细节
光的波动性
限制
瑞利判据:对于两个等光强的非相干物点,如果一个像斑中心恰好落在另一像斑的边缘(第一暗纹处),则此两像被认为是刚好能分辨。此时两像斑中心角距离为最小分辨角
可分辨
刚可分辨
不可分辨
眼睛的最小分辨角为
设人离车的距离为 S 时，恰能分辨这两盏灯。
1. 近视眼
现象：平行光入射，会聚在视网膜前
原因：a.角膜晶状体折射面曲率太大
•
b.眼球前后直径太长
c.眼内介质的折射率异常
d.遗传
矫正：加凹透镜，先发散，再成像
例：
远点在眼前1m处的近视眼，配度？ 镜？
• ∞
1m •
无穷远物
成像
近视眼的远点
凹透镜
2. 远视眼
现象：平行光入射，会聚在视网膜后
•
二. 共轴球面系统
定义：两个或两个以上折射面 曲率中心在一条直线上的光学系统
逐次成像法
例：玻璃球：n＝1.5，R＝10cm，点光源在球前40cm处。
医学物理学-几何光学课件
医学物理学-几何光学课件xx年xx月xx日contents •几何光学的基本原理•光学仪器•医学几何光学应用•几何光学与其他领域的交叉应用•几何光学发展前沿及挑战目录01几何光学的基本原理光的直线传播定律光在均匀介质中沿直线传播，遇到介质分界面时会发生反射和折射现象。
光的独立传播定律光在传播过程中，不同路径的光线相互独立，无干扰。
光的直线传播定律和光的独立传播定律光的反射定律光在介质分界面上反射，反射光线与入射光线关于分界面对称。
全反射当光线从光密介质射向光疏介质时，若入射角大于某一临界角，光线将全部被反射回原介质，而不会进入光疏介质。
光的反射定律和全反射•光的折射定律：光在介质分界面上折射，折射光线偏离原来直线传播方向，且入射角和折射角满足一定的关系。
光的折射定律•光的双折射现象：某些晶体中，光线会因为晶格结构的排列不同，而产生两条折射光线，这种现象称为双折射。
光的双折射现象02光学仪器眼睛结构眼睛由眼球、视神经、视网膜等组成，光线通过角膜、晶状体等光学元件成像于视网膜上，再由视神经传输至大脑进行处理。
眼睛与视觉矫正近视与远视人的眼睛由于遗传、用眼习惯等因素，会产生近视和远视两种视力问题，需要用凹透镜或凸透镜进行矫正。
视觉矫正原则对于不同的视力问题，需要选择适当的透镜，使光线正确聚焦于视网膜上，以达到矫正视力的目的。
显微镜显微镜的种类01显微镜分为光学显微镜和电子显微镜两大类，其中光学显微镜又分为单筒和双筒两种。
显微镜的应用02显微镜在医学、生物学、物理学等领域有广泛的应用，如观察细胞结构、病毒形态等。
显微镜的构造03显微镜由光源、聚光器、物镜、目镜、载物台等组成，能够将微小物体放大，提高观察的精度和清晰度。
望远镜分为天文望远镜、军事望远镜、观鸟望远镜等多种类型。
望远镜的种类望远镜在军事、天文学、野生动物观察等领域有广泛的应用，能够将远处的目标放大，提高观察的精度和清晰度。
望远镜的应用望远镜由物镜、目镜、棱镜、反射器等组成，能够将远处的光线聚集于目镜处，提高观察的倍数。
医用物理学：几何光学
• 镜面反射和漫反射
第10章 几何光学 医用光学仪器
法线
入射光线
反射光线
i = i' i i’
• 平面镜反射成像
第10章 几何光学 医用光学仪器
• 实物和虚物 实像和虚像
第10章 几何光学 医用光学仪器
• 光路可逆性原理 如果光路方向反转, 光线将按原路返回.
光路可逆原理分 析镜子的高度
10.1.3 光的折射定律 • 折射定律
第10章 几何光学 医用光学仪器
• 光导纤维数值孔径 N ⋅ A = n12 − n22
• 纤镜的导光和传像
第10章 几何光学 医用光学仪器
内窥镜
第10章 几何光学 医用光学仪器
10.2 球面折射成像
10.2.1 球面折射物像公式
n1 sin i1 = n2 sin i2 n1i1 = n2i2
2. 过焦点(或延长线过焦点)的入射光线, 其折射光线与主 光轴平行.
3. 过薄透镜中心的入射光线, 其折射光线无偏折地沿原 方向出射.
第10章 几何光学 医用光学仪器
2倍焦距之外, 成缩小倒立实像
成缩小正立虚像
小于焦距, 成放大正立虚像 1~2倍焦距之间, 成放大倒立实像
• 薄透镜的横向放大率
h
第10章 几何光学 医用光学仪器
h′
m
=
h′ h=
-
s′ s
m > 0 成正立像 m < 0 成倒立像
第10章 几何光学 医用光学仪器
例题. 一凸透镜的焦距为10cm. 已知物距分别为⑴30cm; ⑵ 5cm. 试计算这两种情况下的像距, 并确定成像性质.
解: ⑴
1 s
+
1 s′
第10章 几何光学 医用光学仪器
法线
入射光线
反射光线
i = i' i i’
• 平面镜反射成像
第10章 几何光学 医用光学仪器
• 实物和虚物 实像和虚像
第10章 几何光学 医用光学仪器
• 光路可逆性原理 如果光路方向反转, 光线将按原路返回.
光路可逆原理分 析镜子的高度
10.1.3 光的折射定律 • 折射定律
第10章 几何光学 医用光学仪器
• 光导纤维数值孔径 N ⋅ A = n12 − n22
• 纤镜的导光和传像
第10章 几何光学 医用光学仪器
内窥镜
第10章 几何光学 医用光学仪器
10.2 球面折射成像
10.2.1 球面折射物像公式
n1 sin i1 = n2 sin i2 n1i1 = n2i2
2. 过焦点(或延长线过焦点)的入射光线, 其折射光线与主 光轴平行.
3. 过薄透镜中心的入射光线, 其折射光线无偏折地沿原 方向出射.
第10章 几何光学 医用光学仪器
2倍焦距之外, 成缩小倒立实像
成缩小正立虚像
小于焦距, 成放大正立虚像 1~2倍焦距之间, 成放大倒立实像
• 薄透镜的横向放大率
h
第10章 几何光学 医用光学仪器
h′
m
=
h′ h=
-
s′ s
m > 0 成正立像 m < 0 成倒立像
第10章 几何光学 医用光学仪器
例题. 一凸透镜的焦距为10cm. 已知物距分别为⑴30cm; ⑵ 5cm. 试计算这两种情况下的像距, 并确定成像性质.
解: ⑴
1 s
+
1 s′
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1
2
2
1
v r
f2
n2 n2 n1
r
3、焦度(focal power)
D n1 n2 n2 n1
f1 f2
r
焦度D 的单位：屈光度（f 以m为单位） 焦度越大，折射本领越强
1 屈光度= 100度
二、共轴球面系统 1. 计算方法
以单球面折射公式为基础，逐个球面计算， 求得最后 成象位置：
度镜片后能看清的最近物体在何处？
【解】 1 1 1
uv f
1 1 5 u 0.45
u 0.1385m 13.85cm
【例7】一患者戴上+400度的眼镜矫正屈光不正
后，近点在眼前10cm处，远点同正视眼。此患者
眼睛的屈光不正为
，不戴眼镜时的近点
在
，远点在
。
【解】 ⑴矫正前近点 1 1 4
【解】⑴
n1 n2 n2 n1 uv r
1.5 1 1 1.5 u2 R
u2 3R
⑵ 1 1.5 1.5 1
u1 R R
u1
R 2
§2 眼屈光
自动调节曲率半径 (折射本领——焦度)， 眼的这种机能称为调
节视网物来自角 膜水 状液
瞳孔 (虹膜)
水 晶 体
⑵矫正后远点
1 1 1 u 1
u
【例9】某患者眼睛的近点在眼前0.5米处，而远
点在眼后1米，今欲使他在眼不调节时看清远方物
体，应配戴
度的
透镜片；戴了此镜
片后的近点移到眼前
米处。
【解】 ⑴ 1 1 1
1 f
f 1m
⑵ 矫正后近点
1 1 1 u 0.5
u 0.33m
一、单球面折射
1.单球面折射公式
(前提条件：近轴光线)
符
号
实物 u＞0 入
射
法 则
虚物 u＜0
光
U
折 射 光
入 射 光
V
V
U
折
射 实象v ＞0
光
虚象v ＜0
入 射
符光 号
n2
折
射 凹面迎着入射光，r ＜0
n1
光
法
则
入 射
光 n1
n2 折
射 光
凸面迎着入射光，r ＞0
折射率:
入射光所处媒质为n1 折射光所处媒质为n2
u = ∞ v = 2米
1 1 1 2 f
D 1 1 0.5屈光度 50度 f2
一远视眼的近点在眼前90厘米处，欲使他最近 能看清眼前15厘米处的物体，应配戴多少度的 凸透镜镜片?
u＝15厘米， v＝ - 90厘米
1 1 1 0.15 0.90 f
D 1 1 5.56屈光度 556 度 f 0.18
A（孔径角）越大，光纤导光能力越强
n＝1.62，n1＝1.52，A＝34°
作用：导光、导象
二、放大镜(magnifier)
作用
代替眼的调 节， 将视 角β放大为γ （将物Y放 大为Y′）
凸透镜
放大倍数——角放大率：
25
f ( cm )
【例10】已知放大镜焦度为12屈光度，求
角放大率。
第一球面
第二球面
物 折射 (象／物) 折射 (象／物)……
一玻璃球(n＝1.5)半径为10厘米,点光源 放在球面前40厘米处,求近轴光线通过玻璃球后 所成的像。
1 1.5 1.5 1 40 v1 10
1.5 1 1 1.5 40 v2 10
V1＝60厘米 v2＝11．4厘米
5. 眼的屈光不正及矫正 近视眼、远视眼、散光眼、老花眼
6. 纤镜 光纤的导光导象原理
8. 显微镜的放大率
物镜的单向放大率m Y s Y f1
目（放大）镜的角放大率 Y 25
Y f2 (cm)
显微镜放大率M m 25s Y
f1 f2(cm) Y
2. 虚实物判断方法
以折射面为界,入射光线和折射光线分居两侧
物与入射光线同侧为实,异侧为虚, 象与折射光线同侧为实,异侧为虚。
前一球面成象位于次一球面之前，此象 为次一球面的实物；
前一球面成象位于次一球面之后，此象 为次一球面的实虚物。
【例5】半径为R，折射率为1.5的玻璃球置于空气 中，一点光源放于玻璃球外何处，经玻璃球折射后 向右成平行光？
9. 显微镜的分辨本领（分辨率）
Z
0.61 nsin
1 分辨本领
n·sinβ——物镜的数值孔径（N.A.）
10. 电子显微镜成象原理
N.A.
1.3
1
2.6 104 385 1
0.1
【例12】一油浸物镜恰能分辨每厘米40000
条的一组等距线条，光源为波长4500
A
的蓝
光，求显微镜物镜的数值孔径。
【解】 Z 0.61
N.A.
0.61 0.61 4.5 105
N.A.
1.098
Z
1
40000
【解】
25 0.25D 0.2512 3
f (cm)
§4 显微镜 电子显微镜
一、显微镜(microscope)的放大率
物镜(objective)
目镜(eyepiece)
物镜的单向 ( 线）放大率
m Y s Y f1
目镜的角放大率 Y 25
Y f2
此时目镜相 当于放大镜!
β——物体入射到物镜边缘光线与主轴的夹角
n·sinβ——物镜的数值孔径（N.A）
Z 0.61 nsin
2.提高分辨率的方法：降低λ和提高n及β
Β=42°
sin 1 OJ
PJ
【例11】一台显微镜的N.A.为1.3，照射光波 长5500埃，求分辨本领是肉眼的几倍？
【解】
Z 0.61 0.61 5.5 107 2.6 104 mm
§3 放大镜 纤镜
一、纤镜（fibrescope） 作用：观察体内器官壁情况 种类：支气管镜、食道镜、胃镜、肠镜和 膀胱镜等
材料：由数万根玻璃纤维有序排列组成(光 学玻璃纤维，直径小于20微米，可 任意弯曲）
导光导象原理：
i 90
i ＝A，入射光线沿着纤维内全反射
显微镜放大率M m 25s Y
f1 f2 Y
二、显微镜的分辨本领（分辨率）
1. 分辨本领(resolving power)或分辨率
(resolution)用最小分辨距离(resolving
distance)Z表示：
Z 0.61 分辨本领 1
nsin
Z
λ——照明光波长 n——物体与物镜之间媒质折射率
几何光学
Geometrical optics
掌握：单球面折射公式、共轴球面系统的 计算、近视眼和远视眼的矫正及其 计算、显微镜的分辨距离和物镜的 数值孔径
熟悉：放大镜的放大率、光学纤维导光、 导象原理
了解：眼的折光作用、散光眼和老光眼的 成因及其矫正、显微镜放大率、电 子显微镜的原理
§1 球面折射
膜 感 光
古氏平均眼 简约眼
1. 远点(far point ——眼不调节时能看清物体的最远位置。
正视眼： 无穷远
近视眼： 眼前一定距离
远视眼： 眼后（虚远点）
2. 近点(near point) ——眼最大调节时能看清物体的最近位置
正视眼： 眼前10～12厘米 近视眼： ＜10厘米
远视眼： ＞12厘米 3. 明视距离 ——正常光照下不使眼高度调节
n0 sinφA=n sinθ＝n cosA
1 sin A n0
n
n0
sinφA＝n sinA＝n1
sinφA＝
2
sin90o＝n1
n2
n
1
1
n2
n2 n12
n
sinA=
n
1
光学纤维的数值孔径(numerical aperture
N.A.)
n0 sinφA＝
n
n2 1 1
n2
n 2 n12
而过分疲劳的距离 25cm
二、眼的屈光不正及矫正
1. 近视眼（近点：< 10 cm、远点：< ）
矫正：配一副凹透镜，使远物所成(虚象) 与(近视眼远点)重合
计算：
11 1 D uv f
一近视眼的远点在眼前l米处，今欲使其能 看清远方的物体，问应配多少度的凹透镜镜片?
u = ∞ v = _1m
0.1 v
v 0.167m 16.7cm
⑵矫正前远点
1 1 4 v 0.25m 25cm
v
【例8】某人不戴眼镜时能看清10cm 到100cm之间
的物体，戴上-100度眼镜后，能看清
到
之间的物体
。
【解】
⑴矫正后近点
1 1 1 u 0.1
u 0.11m 11cm
二、球面透镜公式
2. 折射本领
第一焦点F1： 主光轴上点光源在此
发出的光束经折射后为
平行光的点
第一焦距（F1至球面顶点P的距离）：
n 1
u
n 2
f1
n2
nr2
nn1 1
n1
r
第二焦点F2： 平行于主光轴的光束
位折射后会聚在此的点
第二焦距（F2至球面顶点P的距离）：
n n n n
【例13】一架显微镜，用以分辨标本上相