应用光学chapter3

第三章 眼睛和目视光学系统,目视光学仪器：和人眼配合使用的仪器,本章主要解决的问题：,眼睛的构造望远镜、显微镜的工作原理眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷及调整,3-1 人眼的光学特性,人眼的构造,从光学角度看，主要有三部分：,镜头底片光阑,人眼相当于一架照相机，能够自动调节,角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛,前室：角膜后面的空间部分，充满水液，n=1.3374,对光线起会聚作用,水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松弛，前表面半径可减小或加大，改变焦距。,角膜，前室和水晶体相当于镜头部分,视网膜：视神经细胞和神经纤维，相当于感光底片,黄斑：视网膜上视觉最灵敏的地方,这两项相当于感光部分,虹膜：水晶体前面的薄膜，中心有一圆孔，成为瞳孔，随着入射光能量的多少，瞳孔直径可放大或缩小。相当于可变光阑,盲点：视神经纤维的出口，没有感光细胞，不产生视觉,盲点实验,视觉的产生,外界的光线进入人眼,成像在视网膜上，产生视神经脉冲,通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经活动，形成视觉,物理过程，生理过程，心理过程,倒像实验,视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线,人眼的光学特性,人眼视场：观察范围可达150 头不动，能看清视轴中心68 要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动,人眼的调节：视度调节、瞳孔调节,1、视度调节 定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使像落在视网膜上的过程。,F,调节量的表示：视度,与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数,1,l,SD=,明视距离和近点、远点,明视距离：眼睛前方250mm，SD=(1 / (-0.25)= -4,l 单位为米,近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离,远点：眼睛能看清物体的最远距离,最大调节范围近点视度远点视度,不同年龄正常人眼的调节能力,2、瞳孔调节,虹膜可以自动改变瞳孔大小，以控制人眼的进光量强光下，白天 D=2mm; 夜晚，D=8mm设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大小配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大一些,外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同,人眼的分辨率,两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较大，人眼能够分辨开是两个像点，如果两像点距离小到一定程度，人眼就有可能分辨不出是两个像点,对两物点的视角分辨率：,为什么呢？,人眼视网膜的结构,视网膜由视神经细胞组成，分锥状细胞和杆状细胞,锥状细胞：在亮光下工作杆状细胞：在弱光下工作,如果两像点之间的距离大于两视神经细胞，落在两个不相邻视神经细胞上，就能分清是两个像点,视神经细胞直径约为0.001-0.003mm，取0.006为眼睛的分辨率。,此距离在物空间对应的张角，称为视角分辨率。刚刚能被人眼分辨开的两物点之间的最小视角称为视角分辨率,而 ymin=-0.006mm，f=-16.68mm所以,对线的分辨率：分辨率可以提高到10,在很多仪器中需要瞄准，瞄准的方式有,对线的分辨率称为对准精度，右图的对准精度都是10”,看得清楚的条件,必要条件：成像在视网膜上,充分条件：对二点，视角大于或等于60” 对二线，视角大于或等于10”,作业：应用光学教材64页第1，2题,3-2 放大镜和显微镜的工作原理,被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼的张角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。,1、成像在无限远,对各类目视光学仪器的共同要求,正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜上,2、增大视角,直接观察：,用仪器观察：,-y眼= tg 眼,-y仪= tg 仪,用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网膜上的像高之比表示了仪器的放大作用，称为视放大率，用 表示。, ,y仪,y眼, tg 仪, tg 眼,tg 仪,tg 眼,越大，放大作用越大。有正负之分， 为正，正像， 为负，倒像,放大镜工作原理,y,-l,y,物体对人眼张角,要求最小视角,最小视角,提高视角的途径： 提高y，不行 减小物距L，但不能无限的减小，否则，就不能成像在视网膜上,我们希望物体位在无限远处，因此可以在人眼前加一个正透镜，把物体放在透镜的物方焦点处，成像在无限远，供人眼观察,F,-f=f ,y,仪, ,tg 仪,tg 眼,=,250,f,tg 眼,=,y,f,=,tg 仪,y,-l,=,y,250,注意：250为明视距离，物体可以移动到明视距离,放大镜的视放大率,如果要1，则要求透镜焦距f0，和同号，成正像 0，成正像不须加倒像系统体积较短系统中不存在实像，不能安装分划板，无法进行测量和瞄准常用于观察,望远镜的类型,开卜勒望远镜：物镜和目镜的焦距均为正,0，成倒像通常须加倒像系统体积较长系统中存在实像，可安装分划板，进行测量和瞄准军用光学仪器,望远镜的放大率,望远镜的角放大率不随共轭面的位置变化而变化，数值上等于视放大率,平行于光轴入射的光线仍然平行于光轴出射,望远镜的放大率,望远镜的垂轴放大率也不随共轭面的位置变化而变化，数值上等于视放大率的倒数,思考：,望远系统与有限焦距系统的组合,例：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄准，如果在1公里内的瞄准误差要求小于2毫米，问视放大率为多少？,解：,3-4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节,1、正常人眼的焦点F、远点和近点,一、眼睛的缺陷和校正,正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜上，即焦点F与网膜重合,F,正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节可以将F点前移，使像成在网膜上,人眼能看清的最远距离称为远点，远点是人眼自然状态下与网膜像相共轭的物平面位置,人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点,F,2、近视眼的特点,近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像在网膜上,近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远点）是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体,近视程度用远点距离对应的视度表示,比如远点距离在眼睛前方0.5m，对应的视度 SD=1/(-0.5)= -2,医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为 1 视度100此人的近视程度为200,3、近视眼的校正,F,远点,采用负透镜，焦距等于远点距离,例如：某人远点距离为眼睛前方200mm，要戴多大度数的眼镜？焦距为多少？,4、远视眼的特点,远视眼的像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可能看清无限远物体,F,远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加,5、远视眼的校正,F,远点,采用正透镜，焦距等于远点距离,二、目视光学仪器的视度调节,物镜,正常眼,目镜,F,F,近视眼,F物,F目,F目,F,远视眼,F目,调节量的计算,由 x x =f f,注意：当SD为“”时，x为“”， x是物相对于目镜移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为朝向物镜；当SD为“”时，x为“”， x远离目镜，目镜移动方向为远离物镜。,调节量的计算,实际应用中，在目镜的镜圈上刻有对应的视度值，转动目镜，实际上就是在调节视度。,实际光学系统中，在物镜像方焦点处需要放置分划板，为了在调视度时，避免目镜和分划板相碰，目镜的物方顶焦距需足够长,3-5 空间深度感觉和双眼立体视觉,一、单眼深度感觉单眼判断远近的依据：1、物高已知时，根据视角判断；2、根据物体之间的遮蔽关系和日光阴影等；3、根据对物体细节的分辩程度、空气透明度；4、根据眼睛的调节程度,B,二、双眼深度感觉1、转动视轴，注视目标时肌肉紧张程度,视轴：眼睛像方节点与黄斑中心连线,A,1,2,2、立体视觉体视,体视的产生(视差角),B,B,A,A,b1,b2,a2,a1,A、B离眼睛距离相同，此时：,A,B,b1、b2都在a1、a2的同侧； a1b1=a2b2,若A、B离眼睛距离不等， 有两种情况,b1、b2位在a1、a2两侧,b1、b2位在a1、a2同侧，但 a1b1 a2b2,A,A,B,B,a1,b2,a2,b1,B,B,A,A,b1,b2,a2,a1,A,B,体视锐度、体视半径、体视误差,视差角之差的大小标志着物体远近差别的大小,10时，人眼就分不清A、B的远近区别了，这一极限值称为体视锐度,人眼有体视的最大距离称为体视半径,能够判断远近的体视范围内，对两物体是否处在同一空间深度的判断是有误差的，称为体视误差,此公式只适用于物距小于十分之一立体视觉半径,3-6 双眼观察仪器,一、体视放大率,