医用物理学几何光学

几何光学Geometricaloptics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球面折射一、单球面折射1.单球面折射公式(前提条件：近轴光线)符号法则入射光折射光实物u＞0虚物u＜0UU实象v＞0虚象v＜0入射光折射光VV符号法则凸面迎着入射光，r＞0凹面迎着入射光，r＜0入射光折射光入射光折射光折射率:入射光所处媒质为n1折射光所处媒质为n2n1n2n1n2二、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rnnnun1221第一焦距（F1至球面顶点P的距离）：rnnnf1211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）：rnnnf1222rnnvnn12213、焦度(focalpower)rnnfnfnD122211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：物第一球面折射(象／物)第二球面折射……(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。1015.15.14011vV1＝60厘米105.111405.12vv2＝11．4厘米2.虚实物判断方法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。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。【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？【解】⑴Ru5.1115.12Ru32RRu15.15.11121Ru⑵rnnvnun1221§2眼屈光物角膜水状液瞳孔(虹膜)水晶体视网膜感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古氏平均眼简约眼1.远点(farpoint——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(nearpoint)——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：10cm、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：Dfvu111一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=1mfvu111f1111D＝-1屈光度=-100度欲看清处为物,成象于未戴眼镜的远(近)点_2.远视眼（近点：12cm、远点：在网膜后)矫正：配一副凸透镜，使远物所(成实象)与(虚远点)重合计算：fvu111f1211一远视眼的远点在眼后2米处，今欲使其在眼不调节时能看清远方的物体，问应配戴多少度的凸透镜镜片?u=∞v=2米度屈光度505.0211fD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f190.0115.01度屈光度55656.518.011fD3.散光眼原因：角膜球面不匀称，不同方向具有不同曲率矫正：用适当的（方向、凹凸）柱面透镜4.老花眼原因：眼调节功能的衰退，看近物屈光不够，近点同远视眼，远于正视眼矫正：凸透镜例如某一眼球角膜在纵向曲率半径正常小，水平曲率半径最大，屈光不够，用圆柱面凸透镜矫正：（单纯远视散光）【例6】某眼近点在眼前45厘米处，戴上+500度镜片后能看清的最近物体在何处？【解】fvu111545.011ucmmu85.131385.0【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411.01vcmmv7.16167.0⑵矫正前远点411vcmmv2525.0【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11.011ucmmu1111.0⑵矫正后远点1111u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】⑴f1111mf1⑵矫正后近点15.011umu33.0§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：＝A，入射光线沿着纤维内全反射ii90n0sinφA=nsinθ＝ncosAn0sinφA＝nnsinA＝n1sin90o＝n1sinA=n0sinφA＝光学纤维的数值孔径(numericalapertureN.A.)A21sin2122211nnnnnnn1A（孔径角）越大，光纤导光能力越强n＝1.62，n1＝1.52，A＝34°n0sinφA＝2122211nnnnn作用：导光、导象二、放大镜(magnifier)凸透镜作用代替眼的调节，将视角β放大为γ（将物Y放大为Y′）放大倍数——角放大率：)(cmf25【例10】已知放大镜焦度为12屈光度，求角放大率。【解】31225025025..)(Dcmf§4显微镜电子显微镜一、显微镜(microscope)的放大率物镜(objective)目镜(eyepiece)1fsYYm线）放大率物镜的单向(225fYY目镜的角放大率YYffsmM2125显微镜放大率此时目镜相当于放大镜!二、显微镜的分辨本领（分辨率）1.分辨本领(resolvingpower)或分辨率(resolution)用最小分辨距离(resolvingdistance)Z表示：ZnZ1sin61.0分辨本领λ——照明光波长n——物体与物镜之间媒质折射率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）2.提高分辨率的方法：降低λ和提高n及βsin61.0nZΒ=42°PJOJ1sin【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】mmANZ47106.23.1105.561.0..61.03851.01106.214【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的蓝光，求显微镜物镜的数值孔径。【解】A..61.0ANZ098.1400001105.461.061.0..5ZAN【例13】一架显微镜，用以分辨标本上相距0.25m的细节，目镜成象在明视距离处，而肉眼在明视距离处的分辨距离为0.1mm，如照射光波长为550nm，求显微镜的放大率和物镜的数值孔径N.A.。【解】4001025.01.03minYYM342.110251055061.061.0..89ZAN三、电子显微镜（electronmicroscope）1.提高分辨本领的理论依据Umvh26.12德布罗意公式：eU=221mvv=meU2U＝50KVλ＝0.055AU＝100KVλ＝0.039A电磁透镜2.电子显微镜成像原理电子源（光源）聚光线圈(聚光镜）标本电子透镜（物镜）中间象电子透镜（目镜）最后象3.电子显微镜的应用本章小结1.单球面折射rnnvnun12212.折射本领rnnfnfnD1222113.共轴球面系统计算物第一球面折射象／物第二球面折射象／物4.眼的调节眼的折光作用、近点、远点、明视距离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1fsYYm物镜的单向放大率)(cmfYY225率目（放大）镜的角放大YYcmffsmM)(2521显微镜放大率9.显微镜的分辨本领（分辨率）分辨本领1sin61.0nZn·sinβ——物镜的数值孔径（N.A.）10.电子显微镜成象原理