临本几何光学

➢液晶的电光效应：有些液晶在外加电压影响下，液晶 的光学特性（折射率）发生变化。加电压时液晶会由透 明状态变成混浊状态，去掉电压，又恢复透明。可以制 成显示元件。（如用于电子手表，电子计算器、微电脑）
玻璃板
+
在两电极间将液晶涂
液晶 成文字或数码，加上
适当的电压，透明的
-
液晶变得混浊了，文 字或数码就显示出来
特点：各种媒 质的折射率不 同。
视网膜中的视 色素分子：生 物液晶。
液晶的光学特性(P215) ➢液晶：液态晶体的简称，它是介于结晶态 与液态之间的一种物质态。具有晶体的各向 异性（指晶体各个方向的上的物理性质不同， 如弹性模量、导电性、导热性、折射率等）， 又具有液体的流动性。
中学物理：晶体（如冰、水晶、石英、食盐、 各种金属等），有一定的熔点和凝固点。
➢液晶的双折射现象：
光的双折射现象：一束光射入晶体后，折射 光分成了两束。（参考P196)
液晶的双折射现象：液晶具有晶体的各向异性，当光线 射入液晶后也会产生双折射现象。主要原因是液晶各个 方向上的折射率不同。
ABC D EF G H I J K D EF G H
方解石晶体（CaCO3),可观 察到字迹的双重像
O为实物时u取正值（发散的入射光线的顶点，如P221图2A O为虚物时u取负值（会聚的入射光线的顶点，如P221图2B
像距V规定：
I为虚像时V取负值（发散的折射光线的顶点,如P221图2A ） I为实像时V取正值（会聚的折射光线的顶点,如P221图2B ）
球半径r规定： 凸球面顺着入射光线时r为负值
➢液晶的选择反射现象：某些液晶在白光照射下，
会呈现美丽的颜色，这是它有选择反射某些波长的
光的特性。反射光的波长与折射率、液晶螺距P、
入射角φ有关。
2npsin
φ 公式表明：沿不同角度可以观察到不
P
同颜色的光。另外，当温度变化时， 液晶螺距会变化 ，反射光的颜色也
随之发生变化 ，温度变化1℃，液晶
二、 眼睛的调节作用 1、 眼睛的调节作用：睫状肌能自动改变眼睛的焦 度，使远近不同的物体成像在视网膜上。
物体在无穷远处，睫状肌完全放松，晶状体曲率半 径最大，焦度最小，大约58.67D，焦距1.71cm
物体在最近处，睫状肌收缩，晶状体曲率半径最小， 焦度最大，大约70.6D，焦距1.42cm。
焦距在1.42cm~1.71cm 2、 正常眼睛的远点和近点：远点∞
成像特点：点状物
圆斑
矫正方法：加一个光阑或在凸透镜后放一个凹透镜。
（2）色像差：不同波长的光通过透镜折射 后不能在同一点成像。（书后彩图）
成像特点：白光点
多个彩色光点
矫正方法：将具有不同折射率的凸透镜和凹透镜 适当配合。
第三节 眼睛
一、 眼睛的光学结构
1、 眼睛的生理结构：
角膜、虹膜、晶 状体、睫状肌、 瞳孔、玻璃体、 视网膜、黄斑
第一次作业：教材P239 指导P147
14－1 14－1
第二次作业 ：教材P239 14－5，改为（1）相距13cm (2) 相距3cm
指导P147 ： 14－11
第二次作业：指导P147 教材P240
14—13 14－7 14－8
fcm
（注意：焦距f太小（厚度大）时，会产生色像差。）
二、 光学显微镜
1、 显微镜的光学成像原理： 逐次成像法
物体y 物镜L1 放大 目镜L2 放大
的实 像y1
的虚 像y2
视角放大率 M V1 25 m 25S
U1 f2
f1 f2
S为镜筒距离
f1、f2是物镜、目镜焦距（cm)
m物镜线放大率（5倍、10倍、15倍低倍； 40倍、45倍、60倍高倍）
1 1 1 f为组合透镜的焦距 f f1 f2
1 f
1 f1
1 f2
1 2
应用：测定未知透镜的焦度
例题：14－3
四、柱面透镜
两个折射面是圆柱面的一部分(凸柱面透镜和凹柱面 透镜）
成像特点：一个物点
一条直线
五、透镜的像差
1、像差：成的像与原物有偏差
2、种类：
（1）球面像差：近轴光线与远轴光线经透镜折射 后不能聚于一点。
玻璃表面涂上二氧化锡等透明导 电薄膜可形成透明电极。
了。
玻璃板
液晶
玻璃表面涂 上二氧化锡 等透明导电
薄透膜明可电形极成。强光照射
➢液晶的光生伏 特效应:在镀有透 明电极的两玻璃
板之间夹一层液
晶，在强光照射
下，电极间会出 现电动势。
应用
视网膜中的视色素分子：生物液晶。（生物 液晶：存在于生物体内的液晶称为生物液晶。 如生物膜处于液晶态，肌肉、卵巢、胆囊胆 汁中都存在有液晶态的物质。） 具有光生伏特效应。当光刺激眼睛时，视色 素分子产生了“早期感受器电位”，经视神 经传入视觉中枢，从而感知光信号。
1）（ 1 r1
1
r2
)
物距U
像点I1 N 最后像
点I
像距V
薄透镜高斯形式（高中）：常用公式
11 1 uv f
1 f米
f 1屈 100度
三、薄透镜组合
1、薄透镜组：由两个或两个以上薄透镜组成的 共轴系统。
2、成像原理： 逐次成像法
3、两个薄透镜紧贴一起：
11 1 1 u v f1 f2
射面间距)
像点I2
u2
物体 F
F
虚物（对第二个透镜）
d
u
V1
例题：14－2
第二节 透镜 一、 透镜特点： 两个折射面的共轴系统
二、薄透镜放在前后是
相同媒质空气的成像公 式
物点O
1 u
1 v
(n
1）（ 1 r1
1 r2
)
1 f
(n
1）
（
1 r1
1 r2
)
1 f
1
f
f1
f2
(n
散光眼（非对称折射系统）：把一个点的物体看成 一条直线，可配柱形透镜。
例题分析：如何求近视和远视眼的眼镜度数。
教材例题4和例题5关键点：明确物距和像距；用“米” 作单位。
第四节 几种医用光学仪器
一、 放大镜
1、 成像原理：物体放在凸透镜的焦点内，成放 大、正立、同侧的虚像。
2、 放大镜视角放大率： 25cm
第一节 球面折射
一、单 球面折射
1、单 球面折射定义：两种折射率不同的透明媒质的
分界面是球面的一部分，光产生的折射现象。
N1 N2（＞ N1） I
物点O 顶点P 物距U
球心C 半径r
像点
n1 n2 n2 n1
像距 V u v
r
2、单 球面折射公式
公式中各物理量的符号规定： 物距U规定：
n1 n2 n2 n1 uv r
就会按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫
的顺序改变颜色；温度降低，又按相
反顺序改变颜色。
应用
✓利用液晶的温度效应制成液晶温度计。
✓在医学上可用来检查肿瘤，在皮肤表面上涂 上一层液晶，由于肿瘤部分的温度与周围正 常组织的温度不一样，液晶会显示出不同的 颜色。电路中的短路点温度高，用同样办法 可检查出短路点。
焦点F1
焦点F2
例题：14－1
二、共轴球面系统
1、定义：两个或两个以上折射球面的曲率中心在 同一直线上，组成共轴球面系统。
2、成像原理：逐次成像法
即：前一个折射面所成的像为相邻的后一个折射面的 物体。（注意：该物可能是实物u，为正值；可能是 虚物u,为负值）
第一折射面 物点O
像点I1
第二折射面
物距 (像点I1对于第像二距折V射1面是新物点, U1 新物距U2=d-V1,其中d是两个折
2、透镜 （1）透镜定义:折射面是两个球面，或一个球面一个 平面的透明体。 （2）透镜类型：凸透镜；凹透镜 （3）透镜作用：会聚作用；发散作用
（4）透镜焦点：凸透镜有两个对称实焦点；凹透镜
有两个对称的虚焦点
焦点 F
焦点 F
虚焦 点F
虚焦 点F
物体 F
实像 F
物体 F 虚像 F
（3）透镜作图的两条基本光线：一是平行光 ；二是 经过光心的光线。
第十四章 几何光学
学习内容： 一、复习高中知识 二、 单球面折射 三、透镜 四、眼睛 五、几种医用光学仪器
➢复习:高中几何光学
1、光的折射定律
n1 sin n2 sin
N1为入射光线所在的 媒质的折射率；N2为 折射光线所在的媒质折 射率。α为入射角， γ为 折射角。
折射率：把常数1.33和1.5分别称 为水和玻璃的折射率。折射率反 映一种媒质对光的偏折能力.又 如:空气1,水晶1.54,酒精1.36,冰 1.31
2、简约眼：角膜、晶状体、视网膜等组成的单球 面折射系统。（放松状态时的参数：曲率半径 5mm、焦距15mm、20mm、折射率1.33）
正常眼：角膜和晶状体各面都有规则的球面（各 个方向的曲率半径相同）。
异常眼（散光眼）：角膜和晶状体各面没有 规则的球面。
3、眼睛的光学结构：多种媒质组成的较复杂的共 轴球面系统。
四、 特殊显微镜 1、 荧光显微镜：可观察经紫外线照射后能发出荧 光的物质。
2、 偏光显微镜：可观察有双折射现象和有旋光的 物质。（骨骼、牙齿、蛋白质、葡萄糖等） 3、 相差显微镜：可观察透明的物质。(细胞等）
4、电子显微镜：可观察细胞、病毒、分子、原 子、细菌内部结构（分子水平） 最小分辨距离Z=0.1nm
（4）提高分辩率的方法 ➢增大孔径数N·A的值。
（如：空气媒质孔径数0.95；油媒质孔径数1.5）
➢减小光波的波长。
（如：当孔径数为1.5时，可见光λ=550nm，Z=223.7nm 紫外线λ=275nm，Z=112nm）
三、 纤镜
1、 纤镜组成：光导Leabharlann Baidu维 2、 成像原理：全反射 3、 作用：将光导入人体器官；把图像导出体外。
近点10~12cm（年青年）、30cm（老年人） 3、 明视距离：S=25cm
三、 眼睛的分辨本领及视力
1、 视角：物体两端对眼的光心所张的角α
正常眼最小 视角α=1分，对应在明视距离处物体最短 距离为0.1mm 2、 视力：视角α的倒数。 视力 1
比如 : 10时,视力为0.1
3、 国际标准视力表： 国家标准视力表： （对数视力表）
α目镜角放大率（5倍、10倍、15倍）
2、光学系统的分辩本领 能分辩两个物点间最短距离的倒数。
2、显微镜的分辩本领 （1）最小分辩距离 ：显微镜能分辨最短距离。
（2）显微镜的分辩本领（分辨率）： 显微镜能分辨最短距离的倒数。
（3）物镜分辩最短距离： Z 1.22 0.61
2nsin u N A
5、激光扫描共焦显微镜：可观察活细胞，获得 动态图像。
6、扫描隧道显微镜：可观察单个原子的立体图像、 DNA结构。 最小分辨距离：横向Z=0.6~1.2nm；纵向Z=0.001nm
（对比：普通光学显微镜（可见光/紫外线）： 微细物体、细菌。）
扫描隧道显微镜技术的应用：移动原子
用扫描隧道显微镜还可操纵原子。IBM公司1990 年第一次在一块镍晶体上用35个原子拼出了IBM 3个字母，每个字母长5个纳米。
（35个原子）
“原子书法 ”
硅单晶 表面直 接提走 硅原子 形成2 纳米的 线条
1994年中国科学院科学家“写”出的 平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米 “原子和分子的观察与操纵” -- 白春礼 插页彩图13
1993年美国科 学家移动铁原 子，铁原子距 离0.9纳米
“量子围栏” 48个铁原子排列在 铜表面
α 媒质n1(如:空气)
媒质n2(如:水) γ
光从空气 水 : sin 1.33 sin
光从空气 玻璃: sin 1.5 sin
棱镜材料对不同光色的折射率: 紫、蓝、绿、黄、橙 、红 1.532 1.528 1.519 1.517 1.514 1.513
白光 三棱镜
色光折射率n C V
红 紫
凸球面对着入射光线时r为正值
4、焦度： n2 n1 焦度单位：屈光度D
r
半径r单位：米
意义：焦度大小决定了球面折射本领的大小。
5、焦距公式：
焦点F1
第一焦距f1
n1 n2
n1
r
n1
第二焦距f2
n2 n2 n1
r
n2
焦点F2
焦度 n2 n1 n1 n2
r
f1 f2
(如：N2＝1.5，N1＝1.0，r=-10cm,焦度为－5D)
视力 1
L 5 lg
（比如：视角α=10分，L=5-lg10=4）
四、 异常眼的屈光不正和矫正方法
远点/ 眼的前 折光本领 成像位置 矫正方法 近点 后径
正常眼 ∞/10~ L0 12cm
正常 视网膜上
近视眼 远点： 大于L0 强 有限距 离
远视眼 近点： 小于L0 弱 比正常 眼远
视网膜前 凹透镜 视网膜后 凸透镜