第十一章 几何光学课件

第一节.球面成像RefractionofaSphericalSurface第二节.透镜Lens第三节.眼睛Humaneye第四节.放大镜和显微镜Magnifyingglassandmicroscope第十一章几何光学

Geometricoptics1第十一章几何光学一.单球面折射（RefractionofaSphericalSurface）第一节球面成像

（RefractionofaSphericalSurface）二.共轴球面系统（CoaxialSphericalSystem）2第十一章几何光学一.单球面折射（RefractionofaSphericalSurface）系统n1n2规律uv•物点•像点r•Cr球面折射系统3第十一章几何光学n1n2uv•物点•像点r•Crn1i1i2AP近轴光线：i1i2

很小

分析物像公式球面折射系统H一.单球面折射（RefractionofaSphericalSurface）4第十一章几何光学

讨论适用范围：只适用于近轴光线符号规定：实物、实像的距离u、v取正号凸球面对着入射光线，r取正号虚物、虚像的距离u、v取负号凹球面对着入射光线，r取负号球面折射系统一.单球面折射（RefractionofaSphericalSurface）5第十一章几何光学焦度描述折射系统折射本领的物理量越大，系统的折射能力越强单位：D屈光度6第十一章几何光学焦距n1n2•Cr•第一焦点F1f1第一焦距球面折射系统一.单球面折射（RefractionofaSphericalSurface）7第十一章几何光学焦距n1n2•Cr第二焦点F2f2第二焦距球面折射系统一.单球面折射（RefractionofaSphericalSurface）8第十一章几何光学焦距第一焦点第一焦距第二焦点第二焦距像在无穷远处的物点物在无穷远处的像点焦度描述折射系统折射本领的物理量球面折射系统一.单球面折射（RefractionofaSphericalSurface）9第十一章几何光学二.共轴球面系统（CoaxialSphericalSystem）系统

如果一个光学系统由多个折射球面组成，而且所有折射球面的曲率中心都在同一条直线上，则此系统称为共轴球面系统。连接各球面曲率中心的直线为主光轴。球面折射系统10第十一章几何光学成像规律

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，即可得到最后的像。注意

前一像作为下一折射面的物时，是实物还是虚物仍对近轴光线成立球面折射系统二.共轴球面系统（CoaxialSphericalSystem）11第十一章几何光学ExampleToaglass’ssphere(n=1.5)whichradiusis10cm,aobjectisputattheplaceof40cminfrontofthesphere.whereistheimage?Tothefirstrefractivesurfacen1＝1.0，n2＝1.5，u1＝40cm，r＝10cm，

＝60cm

12第十一章几何光学Tothesecondrefractivesurfaceu2＝－（60-20）＝－40cm，此时n1＝1.5，n2＝1.0，u2＝－40cm，r＝－10cm，

＝11.4cm13第十一章几何光学一.透镜的概念Lens二.薄透镜的成像公式Thelensequation

三.薄透镜的焦距、焦度Focaldistance,Focalpower四.薄透镜的组合Systemoftwolenses五.共轴光具组第二节透镜(Lens)14第十一章几何光学由两个共轴折射面构成的光学系统。

两个折射面都是球面或者其中一个的球面，另一个是平面的透镜为球面透镜。

透镜的两个折射面与主光轴的交点之间的距离称为透镜的厚度。一.透镜的概念lens薄透镜Alensisasimplecoaxialsystemanditisanopticalsystemincludingtworefractingsurfaces.1.透镜15第十一章几何光学Ifthethicknessofalensismuchsmallerthancurvatureradius,theobjectandimagedistances,thethicknessofthelenscanbenegligibleincomparisonwiththem.Suchalensiscalledthinlens.Lenscanconvergeanddivergelight.converginganddiverginglens2.透镜的分类Classification1)按透镜的厚度分为薄透镜和厚透镜。2)按透镜的结构分为凸透镜和凹透镜。3)按透镜的光学性质分为会聚透镜和发散透镜。薄透镜16第十一章几何光学二.薄透镜的成像公式(Thelensequation)u=u1v=v2n2n1结论：薄透镜17第十一章几何光学对第一折射面Forthefirstsurface对第二折射面Forthesecondsurfaceu=u1

n1v=v2-v1=u2+二.薄透镜的成像公式(Thelensequation)薄透镜18第十一章几何光学u=u1v=v2

n1-v1=u2+二.薄透镜的成像公式(Thelensequation)n1n2薄透镜19第十一章几何光学三.薄透镜的焦距、焦度

如果透镜放在空气中，则n1=1，并且以n表示透镜材料的折射率，则焦距为符号规定：凸球面对着入射光线，r取正号凹球面对着入射光线，r取负号薄透镜1.焦距focaldistance

20第十一章几何光学凸透镜凹透镜三.薄透镜的焦距、焦度

r1>0

r2<0f>0

r1<0

r2>0f<0薄透镜21第十一章几何光学三.薄透镜的焦距、焦度

表示透镜的折光本领。单位：屈光度D（国际单位制）通常所说的眼镜的度数等于屈光度的100倍1屈光度=100度焦度越大，系统的折光能力越强。1/fiscalledlenspower(orfocalpower),alsodenotedbyΦ,withunitofdiopter(D).薄透镜2.焦度focalpower22第十一章几何光学四.薄透镜的组合Systemoftwolenses

由两个或两个以上的薄透镜组成的共轴系统称为薄透镜组。依次成像薄透镜定义作图公式23第十一章几何光学对第一个透镜对第二个透镜u=u1v=v2-v1=u2+四.薄透镜的组合薄透镜24第十一章几何光学四.薄透镜的组合

由两个或两个以上的薄透镜组成的共轴系统称为薄透镜组。依次成像薄透镜定义作图公式25第十一章几何光学Cardinalpoints(基点):1.Twofocalpoints(F1,F2),2.Twoprincipalpoints(H1,H2,firstprincipalplaneB1H1A1andsecondprincipalplaneB2H2A2),3.Twonodes(N1,N2).

五.共轴光具组薄透镜26第十一章几何光学Cardinalpoints(基点):

1.Twofocalpoints两个焦点(F1,F2)：theyhavethesamedefinitionasabove.薄透镜27第十一章几何光学2.Twoprincipalpoints

两个主点(H1,H2,firstprincipalplaneB1H1A1andsecondprincipalplaneB2H2A2):theextensionofincidentrayandbackwardextensionofrefractedray(notethattherefractedlineisparalleltothelightaxis)meetatpointA1.Firstprincipalplane…薄透镜28第十一章几何光学3.Twonodes两个节点

(N1,N2),throughthesepoints,theincidentlineandrefractivelineareparallel.

薄透镜29第十一章几何光学Positionsofthethreepairsofcardinalpointsarebasedonthespecificconditionsoftherefractivesystem.Whentherefractivesystemisputinonemedium,intheairforexample,thetwofocallengthscanbeprovedtobeequaltoeachother.f1=f2=f,N1andH1areatthesameposition,N2andH2areatthesameposition.Thesameequationforthethinlenscanbeobtained.Notethattheobjectdistanceisfromthefirstprincipalplaneandtheimagedistanceisfromthesecondprincipalplane,notfromthesurfaceoflens.薄透镜30第十一章几何光学一、眼的调节、视力Adjustmentandvisionoftheeye二、眼的屈光不正及矫正Defectsofvision

anditscorrection第三节眼Humaneye31第十一章几何光学1.眼的结构角膜虹膜瞳孔网膜黄斑水状液玻璃状液眼球剖面图眼睛一、眼的调节、视力32第十一章几何光学一、眼的调节、视力眼睛33第十一章几何光学

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的折射作用，进入眼睛的光线，经多次折射后，才成像在视网膜上。

把眼睛看做是由多种均匀介质组成的共轴球面折射系统。

根椐古氏（Gullstrand）的计算，这一系统的光学性质大概有表11-1所给的平均数值。2.古氏平均眼眼睛一、眼的调节、视力34第十一章几何光学2.古氏平均眼眼睛一、眼的调节、视力35第十一章几何光学

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5mm），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。3.简约眼

生理学上常常把眼睛简化为单球面折射系统，叫做简约眼。

n=1.33f2=20mm•F2•F1f1=15mmr=5mmC眼睛一、眼的调节、视力36第十一章几何光学4.眼睛的调节

眼睛之所以能够看清远近不同的物体，是由于眼的焦度可以在一定范围内改变。远点farpoint：正常人在无穷远近点nearpoint:正常人在10~12cm明视距离visualdistance:正常人为25cm眼睛一、眼的调节、视力37第十一章几何光学5.视力视力：••••••••能分辨的最小视角：

从物体两端射到眼中节点的光线所夹的角度。0.10.20.3……1.01.21.51053.3……1.00.80.67眼睛视角：一、眼的调节、视力38第十一章几何光学2.Myopiceye1.Normaleye3.Hyperopiceye眼睛正常眼近视眼远视眼二、眼的屈光不正及矫正39第十一章几何光学1.近视眼眼睛近视患者的远点前移配镜眼睛不调节时，平行光进入眼内经折射后会聚于视网膜前面，在视网膜上成像模糊不清，则称为近视眼。近视的原因可能是角膜或晶状体的折射面曲率半径太小，对光线的偏折太强，或者眼球的前后直径太长。40第十一章几何光学近视眼的矫正方法是配戴一副适当焦度的凹透镜，使光线进入眼睛之前经凹透镜适当发散，再经眼睛折射后恰好在视网膜上形成清晰的像，具体地说，近视眼所配戴的凹透镜要使光线所成虚象在近视眼的远点处，这样近视眼在不调节时就能看清远处的物体。1.近视眼眼睛41第十一章几何光学例题14-4一近视眼的远点在眼前50cm处，今欲使其看清无限远的物体，则应配戴多少度的镜？解：配戴的眼镜必须使无限远的物体应在眼前50cm处成一虚象，如图所示。设眼镜的焦距为f，u=∞，v=-0.5m,代入薄透镜公式，得：解得φ=1/ƒ=–1/0.5=–2D=–200度眼睛42第十一章几何光学v=－0.4m

Solution:一近视眼的远点在眼前０.4m，为了看清楚无穷远处物体，应配多少度的眼镜？眼睛43第十一章几何光学眼睛不调节时，来自远处的平行光射入眼内经折射后会聚于视网膜的后面，因此，在视网膜上得不到清晰的像，如图。此类眼睛称为远视眼远视眼在不调节时既看不清远处物体，也看不清较近的物体。远视眼的近点比正常眼要远些。2.远视眼二、眼的屈光不正及矫正眼睛44第十一章几何光学远视的原因可能是角膜或晶状体折射面的曲率半径太大，焦度过小；或者是眼球前后直径太短，将物体的像成在视网膜之后。远视眼矫正的方法是配戴一副适当焦度的凸透镜，让平行光线进入眼睛之前先经凸透镜适当会聚，再经眼睛折射后会聚于视网膜上，如图11-2