应用光学第十四章

1、苏州大学现代光学所苏州市十梓街1号，215006*马 韬 第十四章 眼睛应用光学应用光学2目录目录眼睛的构造1眼睛的调节和聚散2眼睛的适应和视角分辨率3组眼睛的缺陷与校正4双目立体视觉5体视测距原理614.114.1眼睛眼睛1.1.眼睛的结构眼睛的结构人眼本身相当于摄影光学系统,在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元件。 巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬； 角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明,眼睛内的折射主要发生在角膜上； 脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；巩膜角膜脉络膜14.114.1眼睛眼睛 虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色； 瞳

2、孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直径在28mm范围内变化；它是人眼的孔径光阑。 网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化巩膜角膜脉络膜虹膜瞳孔网膜黄斑中心凹14.114.1眼睛眼睛 黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方 盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。 晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射率都是

3、不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，总能将像成在网膜上巩膜角膜脉络膜虹膜瞳孔网膜盲斑晶状体黄斑中心凹14.114.1眼睛眼睛 角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.337的水状液； 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体 眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。 巩膜角膜脉络膜虹膜瞳孔网膜黄斑中心凹盲斑晶状体前室后室光轴视轴14.114.1眼睛眼睛 眼睛的视场很大，可达150，但只有黄斑附近才能清晰识别，其他部分比较

4、模糊， 所以能看清物体的角度范围为6 8（台上简单实验） 从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视网膜和瞳孔 眼睛和照相机很相似，如果对应起来看： 人眼 水晶体 视网膜 瞳孔 照相机 镜头 底片 光阑14.114.1眼睛眼睛2.2.标准眼和简约眼标准眼和简约眼 标准眼:根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，包括角膜、水状液、玻状液和水晶体的折射率、各光学表面的曲率半径、以及各有关距离。称满足这些光学常数值的眼睛为标准眼 简约眼:把标准眼简化为一个折射球面的模型，称为简约眼 简约眼参数：14.214.2眼睛的调节和聚散眼睛的调节和聚散1.1.眼睛的调节眼睛的调节 肌肉完全放松时，眼睛所

5、能看到的最远点称为眼睛的远点。 肌肉最紧张时，眼睛所能看到的最近点称为眼睛的近点 分别以 P和r 表示近点和远点到眼睛物方主点的距离(米)，则其倒数1/P 和1/r 就是近点和远点会聚度的折光度数。人眼的调节能力是用远点距离r的倒数和近点距离P的倒数之差来描述，用A来表示，即 PRprA1114.214.2眼睛的调节和聚散眼睛的调节和聚散 人眼的调节能力随年龄的增加而变化。随着年龄的增大，近点位置 往远移，远点位置往近 移，因而调节范围减少。 2.2.眼睛的聚散眼睛的聚散 眼睛除了有调节能力外，还有双眼聚散功能。聚散是指双眼视轴相互向内或向外的协同运动的能力，目的是使被注视目标处于双眼视轴交点

6、处14.314.3眼睛的适应和视角分辨率眼睛的适应和视角分辨率1.1.眼睛的适应眼睛的适应 眼睛的适应指对各种光亮环境的适应能力。眼睛所能感受的光亮度变化范围是很大的，可达 1012:1 人眼能感受到的最低照度值称为绝对暗阈值，约为10-9勒克斯。它相当于蜡烛在30公里远处所产生的照度 适应有暗适应和亮适应两种，前者发生在自亮处到暗处时，过程较慢，极限为60分钟；后者发生在自暗处到亮处时，过程较快，只需要几分钟14.314.3眼睛的适应和视角分辨率眼睛的适应和视角分辨率2.2.眼睛的分辨率眼睛的分辨率 眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分辨率（分辨本领），物体对人眼的张角称为视角，通常

7、将人眼能够分辨开的的两物点之间的视角称为视角分辨率 眼睛的分辨率与视网膜上两像点距离及视觉细胞的直径大小有关，当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨 人眼的极限分辨角可表示为 y 是视觉细胞的直径，f是像方节点到视网膜的距离fy/tanminmin 从衍射角度出发 可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关 = 50“ 120”；在良好的照明条件下，一般认为 = 60” = 1 认为人眼的极限分辨角为1，在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率14.314.3眼睛的适应和视角分辨率眼睛的适应和视角分辨率DD14020626500055. 0

8、22. 114.314.3眼睛的适应和视角分辨率眼睛的适应和视角分辨率 眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度，这个不重合限度的极限值称为人眼的瞄准精度 人眼的瞄准精度一般用角度值来表示，即两线宽的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值时，虽然还存在着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时角度值即为人眼瞄准精度。 人眼通过两物的比较发现它们外形变化的能力比分辨它们要强得多 瞄准精度和分辨率是两个概念，又有一定的联系，经验证明，人眼的最高瞄准精度约为分辨率的1/5至1/1014.314.3眼睛的适应和视角分辨率眼睛的适应和视角分辨率 测量时需要用某种标志对目标进行对准

9、，这一过程称为瞄准，瞄准精度随所取的标志而异 常用的瞄准标志和方式有二直线重合，二直线端部对准，叉丝对直线对准和双线对直线瞄准如上图中的(a),(b),(c)和(d)所示，其瞄准精度分别为30”60”，10”20”，10”和5”（a）（b）（c）（d）14.414.4眼睛的缺陷与校正眼睛的缺陷与校正 正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远 （R = 0），像方焦点正好和视网膜重合，若不符合这一条件就是非正常眼，或称视力不正常 最常见的有近视眼和远视眼最常见的有近视眼和远视眼 所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（r 0）这是由于屈光过度，像方焦点位于视

10、网膜的前面所致。因此，只有眼前有限距离处的物体才能成像在视网膜上。 对应着负视度，配上适当的负光焦度眼镜后，即可使无限远物体成像于眼睛的远点上，然后再经眼睛成像于网膜上，因而眼 镜矫正了眼睛的缺陷。14.414.4眼睛的缺陷与校正眼睛的缺陷与校正 所谓远视眼就是其近点距离增加 这是由于屈光不足，像方焦点位于视网膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是会聚时，才能正好聚焦在视网膜上。 对应着正视度，需以正透镜矫正。 近视眼：将远点矫正到无限远 远视眼：将近点矫正到明视距离 散光折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不同的焦距 矫正应配戴柱面透镜14.514.5双目立体视觉双目立体视觉1.1.双目视

11、觉特征双目视觉特征 单眼体视：单眼体视：对于较近的物体，利用眼睛的调节发生变化而产生的感觉来估计距离，范围不大于5米。对于较远的熟悉物体，是利用它对眼睛的张角大小来估计远近的；对于不熟悉的物体，以与邻近的熟悉物比较来确定其相对远近。 双眼体视：双眼体视：物体成像于双眼中心凹的同侧对应点时产生单像，否则产生双像。 注视A时，成像a1和a2,在中心凹 这时B成像为b1和b2，产生双像 C成像为c1和c2，也产生双像 D成像为d1和d2，产生单像 内的点都是成双像的。 14.514.5双目立体视觉双目立体视觉2.2.双目空间视觉双目空间视觉 眼睛估计距离是利用眼睛的调节，当视线转向被观察物时肌肉用力

12、，最小能觉察7分。而辨别相对远近是利用两眼视线的夹角，即立体视差角：b为基线长，成人为65mm。L为观察点到眼睛的距离 如右图所示,有： 立体视差：14.514.5双目立体视觉双目立体视觉 体视锐度是人眼能觉察的最小立体视差，一般约为3060”，经训练可以达5”10 体视圈半径是人眼存在立体视觉的范围 体视阈值 是能分辨不同远近两点间的最小距离20600010minbbLm14.614.6体视测距原理体视测距原理 为了在使用仪器观察时仍能保持住人眼的体视能力，必须采用双眼仪器，如“双目望远镜”和“双目显微镜”等，利用体视仪器可以提高人眼的体视能力 双眼仪器的体视放大率 人眼直接观察时的视角差眼为 假设双眼望远镜的二个入射光轴之间为距离B,称为该仪器的基线长，则同一物体对仪器的二入射瞳孔所构成的视角差为眼仪Lb眼lB14.614.6体视测距原理体视测距原理 若系统的视放大率为，则物方视角差和像方视角差在不大的条件下存在以下关系 又由于 可得体视放大率的公式为 体视测距仪，是一种利用人眼的立体视觉来测量目标距离的仪器，为了提高仪器的测量精度，必须增大仪器的体视放大率，要增大体视放大率，一个途径是增大仪