眼睛和目视光学系统

第三章眼睛和目视光学系统,目视光学系统:和人眼配合使用的/可直接扩大人眼的视觉能力的光学系统,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的缺陷及其调整,3-1人眼的光学特性,人眼的结构,人眼的结构与照相机类似,从光学角度看,主要有三个主要组成部分：,水晶体镜头Lens视网膜底片Film瞳孔光阑Stop,人眼相当于一台最高档的超级照相机,可以自动调焦,自动调节进入人眼的光能量,角膜:角质构成的透明球面薄膜,入射光线首先通过角膜,前室:角膜后的空间,充满透明的n=1.3374的水状液,会聚光线.,水晶体:双凸透镜,通过其周围肌肉的调节可以改变其前表面的曲率半径,从而使眼睛的有效焦距发生改变.,角膜,前室和水晶体可以看作镜头的一个组成部分.,视网膜:视神经细胞和神经纤维,作为感光底片.,黄斑:视网膜上视觉最敏感的区域.,视网膜和黄斑可看作是照相机的感光部分.,虹膜:水晶体和前室之间的隔膜.其中心有一圆孔,为瞳孔,限制进入眼睛的光能量,作为相机中的可调光圈.,盲点:视神经纤维在眼睛的出口,没有感光细胞,不能形成视觉.,盲点的测试,视觉的产生,外部光线进入人眼,在视网膜上形成一个像,通过视神经细胞产生了一个视觉信号刺激,通过视神经传输到大脑.最后经过高级神经活动形成视觉.,这个过程包括物理学/生理学和心理学.,成倒像,视轴:黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线.,人眼的视觉特征,人眼的视场:人眼的视场可以达到150度.如果头保持不动,我们只能看清视轴中心附近68的范围.为了看到更大的范围,可以自由旋转眼球,头也动.,眼睛的调节:视度调节和瞳孔调节.,1.视度调节定义:随着物体距离的改变,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SD,与视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距离处，SD=(1/(-0.25)=-4,l的单位是米,且有正有负,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,不同年龄段正常的人眼调节能力,2.瞳孔调节,虹膜可以自动调节瞳孔的大小,来控制眼睛的进光量.强光下,白天,D=2mm;夜晚,D=8mm当设计目视光学仪器时,仪器的出射瞳孔要和人眼的瞳孔大小相配合.白天使用的出射瞳孔可以小些;晚上使用的则要大些.,外界物体的亮度是随着物体种类/天气和时间不断变化着的.,眼睛的视觉灵敏度,假设有两个物点成像在视网膜上.如果这两个像点之间的间距足够大,就认为是可以用肉眼分辨的,当间距很小时,人眼就有可能分辨不开.,两个物点的视觉灵敏度：,为什么？,视网膜的结构,视网膜是由视神经细胞构成,这里包括视锥细胞和杆状视神经细胞,视锥细胞:在强光条件下工作杆状视神经细胞:在弱光情况下工作,如果两个像点之间的距离大于视神经细胞直径的两倍,或者这两个像点分别位于两个不相邻的两个细胞上时,这两个像点就可以被分辨.,视神经细胞直径约为0.001-0.003mm,一般取0.006mm作为眼睛的分辨率,这是人眼视网膜上可以分辨的最短距离.,通常用这段距离在物空间对应的张角来表示,称为视角分辨率.,ymin=-0.006mm，f=-16.68mm所以,表征人眼的分辨能力,对线分辨率:一直线的像刺激着一系列视神经细胞,而另一直线的像又刺激着旁边另一列视神经细胞,所以眼睛能够敏锐地感觉到它们之间的位移,这时的分辨率可以提高到10”,一些测量仪器都采取这种类型的对准方式来提高测量精度.,眼睛的像方节点J到视网膜的距离,忽略眼睛的调节作用,认为是一个常数,人眼在完全放松的自然状态下,无限远目标成像于视网膜上,为了使用仪器观察时,人眼不至于疲劳,目标通过仪器后应成像在无限远,或者说要出射平行光束,F,-f=f,y,仪,tg仪,tg眼,=,250,f,tg眼,=,y,f,=,tg仪,y,-l,=,y,250,注意:250mm是一般人阅读或操作时被观察目标放在眼前的距离,明视距离,半径这样小的透镜很难加工出来,因此放大镜不超过15倍,F物,F目,-y,y,仪,f物,-f目,tg眼,=,250,y,=,y,f目,tg仪,物,=,y,y,-,f物,=,=,-,f物,f目,y,tg仪,tg眼,=,-250,f物,f目,例题1,如果要求读数显微镜的对准精度为0.001mm，求显微镜的放大率。,解：,要能区分：,已知显微镜的视放大率为-300，目镜焦距为20mm，求显微镜物镜的倍率。若人眼的视角分辨率为60，则用该显微镜能分辨的两物点的最小距离是多少？,可以安装分划板,便于瞄准和测量,无法安装分划板,常用于观剧镜,望远镜视放大率的测量:在望远镜前垂轴放置一个有刻划的物体,在望远镜后测量像高的大小,二者的比值即为望远系统的视放大率,用一5倍的开普勒望远镜观察500mm处的目标，物镜焦距为100mm，求实际视放大率。,5倍是观测远处物体的视放大率，但现在是观测近处的目标。,此公式只适用于物距小于十分之一立体视觉半径,双眼仪器的基线长(双眼仪器的二个入射光轴之间的距离),二、体视误差,三、对双眼仪器的要求1、左右光轴平行；2、左右两系统放大率一致；3、左右两系统不应有像倾斜。,例1：显微镜的放大率为58，采用夹线对准方式，求显微镜的物方对准误差，如果采用10倍的目镜，物镜的倍率应为多大，目镜的焦距为多少？,解：,对准误差：,求物镜的倍率,求目镜焦距,例2：若显微镜的对准精度为0.001mm，采用压线对准，视角分辨率为60”,问显微镜的视放大率为多少？,解：,例3：测微目镜的对准精度为0.001mm，采用叉线对准，视角分辨率为10”,问应采用多大焦距的目镜？,解：,例4：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄