应用光学3课件

第三章

眼睛和目视光学系统1AppliedOptics人眼的光学特性放大镜和显微镜的工作原理望远镜的工作原理眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节空间深度感觉和双眼立体视觉双眼观察仪器2AppliedOptics这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称为目视光学系统

3-1人眼的光学特性一、眼睛的结构——成像光学系统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。3AppliedOptics巩膜*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；角膜*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*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；5AppliedOptics巩膜角膜脉络膜虹膜*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；瞳孔*瞳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2~8mm范围内变化；它是人眼的孔径光阑。6AppliedOptics巩膜角膜细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米脉络膜，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处虹膜瞳孔网膜*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；黄斑中心凹7AppliedOptics巩膜角膜

光脉络膜盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜瞳孔网膜黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，黄斑中心凹神经纤维盲斑大脑盲斑晶状体8AppliedOptics巩膜角膜角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.337的水状液；脉络膜晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体虹膜瞳孔网膜总能将像成在网膜上。黄斑中心凹盲斑晶状体前室后室10AppliedOptics眼睛的视场很大，可达150˚，但只有黄斑附近才能清晰识别，其他部分比较模糊，所以能看清物体的角度范围为6~8˚。从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视网膜和瞳孔。人眼水晶体视网膜瞳孔眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：

↕↕↕↕照相机镜头底片光阑12AppliedOptics二、眼睛的调节眼睛有两类调节功能：视度调节

和瞳孔调节。1．视度调节远近不同的其他物体，物距不同，则不会成像在视网膜上，这样我们就看不清。要想看清其他的物体，人眼就要自动地调节眼睛中水晶体的焦距，使像落在视网膜上。

眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节。14AppliedOptics正常人眼在完全放松的自然状态下，无限远目标成像在视网膜上，即眼睛的像方焦点在视网膜上。

在观察近距离物体时，人眼水晶体周围肌肉收缩，使水晶体前表面半径变小眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前移，从而使该物体的像成在视网膜上。15AppliedOptics当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能看清的最远的点称为远点，其相应的距离称为远点距离，以r表示（米）当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的最近的点称为近点，其相应的距离称为近点距离，以p

表示（米）正常眼睛的远点距离为负的无限远，非正常眼睛（远视或近视）的远点距离为一有限值。这里必须指出，近点距离并不是明视距离

16AppliedOptics后者是指正常的眼睛在正常照明（约50勒克斯）下最方便和最习惯的工作距离，它等于250mm。它不同于人眼的近点距离，两者不能混淆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17AppliedOpticsA称为眼睛的调节范围或调节能力。当人眼观察在调节范围内的某一距离l处的物体时，它总能清晰地成像在视网膜上。如果l

的单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度如观察眼前10米的物体，对应的视度为:18AppliedOptics2．瞳孔调节（适应特性）人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情况适应的过程

称为适应（即为瞳孔的调节）。眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼睛的进光亮（2mm~8mm)。在设计目视光学仪器时要充分考虑与眼瞳的配合。适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变态过程，可分为对暗适应和对光适应两种，前者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。20AppliedOptics三、眼睛的分辨率（分辨本领）所谓人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力。

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）人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪器设计的重要依据之一。用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼时也可据此作为参考。21AppliedOptics如果这两点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即得到两个点的视觉由此可见，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23AppliedOptics所以人眼的极限分辨角可表示为（rad）ε—眼睛的极限分辨角(rad

)；η′

—视觉细胞的直径，约为0.006mm；

xj′—像方节点到视网膜的距离应为而当眼睛处于放松状态时，f=-17.1mm。上式可得：（秒）24AppliedOptics经常需要将一条直线重合到另一条直线，但是，要使两条直线完全重合是不可能的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26AppliedOptics即两线宽的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值α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α角度值即为人眼瞄准精度。人眼对于线条的变形或两条线错开造成的外形变化或比较两条线宽的变化具有很高的灵敏度。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。

27AppliedOptics形成对眼睛瞄准有利的条件。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1/6至1/10。1、两实线瞄准±60"2、两实线端部瞄准±10~20"3、双线平分或对称瞄准±5~10"4、虚线压测件轮廓边缘±20~30"28AppliedOptics3-2放大镜和显微镜的工作原理物体对眼睛的视角，不仅取决于物体的大小，还取决于该物体到眼睛的距离，距离越近视角越大在近处观察细小物体其视角小于人眼极限分辨角就需要借助放大镜或显微镜将其放大，使像的视角大于人眼的极限分辨角—扩大视角是目视光学仪器的第一个要求一、放大镜的工作原理人眼在观察物体时完全放松的自然状态，即无限远目标成像到视网膜上在利用仪器观察时，目标通过仪器后应成像在无限远处，即要求仪器出射平行光束—对目视光学仪器的第二个要求30AppliedOptics因为眼睛通过放大镜或显微镜等目视光学仪器来观察物体时，所看到的是在眼睛视网膜上的物体像的大小。放大镜的放大率为：通过放大镜观察物体时，物体像的视角ω’正切与人眼直接观察该物体时的视角ω正切之比。这种放大率称为视角放大率。用字母Γ表示放大镜的放大率与眼睛一起使用的目视光学仪器，其放大作用不能由横向放大率来表征。31AppliedOptics物体经放大镜成像的简图y'yABA'B'FF'ω’P'-ff’-x’a’虚像A′B′对眼睛所张的视角的正切为眼睛直接去观察物体时，是将其放在明视距离250mm处。此时物体对人眼张角的正切为:32AppliedOptics放大镜的放大率Γ可由下式求得将横向放大率代入上式得33AppliedOptics由此可见，放大镜的放大率，除了和其焦距有关之外，还和眼睛离开放大镜的距离有关在实际使用过程中，眼瞳大致位于放大镜的像方焦点的附近放大镜的放大率仅由放大镜的焦距f′所决定，焦距越大则放大率越小。

上式分母中的a′相对于x′而言，是一个很小的值，可以略去。放大镜放大率的公式，通常采用以下形式34AppliedOptics二、显微镜的工作原理对于工作在可见光波长范围的光学显微镜按用途区分，使用量较大的有三种：工具显微镜（主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测量）；生物显微镜（主要应用于生物学、医学、农学等方面）；金相显微镜（主要应用于冶金和机械制造工业，观察研究金相组织结构）。显微镜是人眼的辅助工具，显微镜的光学系统由物镜和目镜两个部分组成。35AppliedOptics显微镜系统成像原理显微镜和放大镜起着同样的作用

物镜目镜F1F1’F2BAA’B’A”B”36AppliedOptics

A’B’位于目镜的物方焦点F2上或在很靠近F2的位置上

此像在经目镜放大为虚像A”B”

后供眼睛观察。这说明目镜与放大镜的作用一样。物镜目镜F1F1’F2BAA’B’A”B”37AppliedOptics经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜系统总的放大率Γ应该是物镜横向放大率β和目镜放大率Γe的乘积。物体被物镜成的像A’B’位于目镜的物方焦点上或附近，此像相对于物镜像方焦点的距离为Δ（物镜和目镜的光学间隔），在显微镜系统中称为光学筒长设物镜的焦距为f1’,则物镜的放大率为38AppliedOptics物镜的像被目镜放大，其放大率为式中：f2'为目镜的焦距。由此，显微镜系统的总放大率为可见显微镜系统的放大率与光学筒长Δ成正比，和物镜及目镜的焦距成反比。式中有负号，即当显微镜系统具有正物镜和正目镜时（常用这种结构），则整个显微镜系统给出倒像。39AppliedOptics根据组合光组的焦距公式可知，整个显微镜的总焦距f’

和物镜及目镜焦距之间符合以下关系：将其代入上式中，则有它与放大镜公式具有完全相同的形式。显微镜系统实质上就是一个复杂化了的放大镜40AppliedOptics在显微镜系统中存在着中间像，故可以在物镜的实像平面上放置分划板，对被观察物体进行测量，并且在该处还可以设置视场光阑以消除渐晕现象。精密测量用的显微系统与一般观察显微镜有一定的区别。为后面讨论的内容叙述方便，有必要对测量显微系统有一个初步的概念。

41AppliedOptics显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共轭距在显微镜中，取下显微物镜和目镜后，所剩下的镜筒长度即物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称为机械筒长，用tm表示。对于一台显微镜来说，机械筒长是固定的机械筒长各国标准是不同的，有160mm，170mm和190mm等。我国规定机械筒长为160mm。物平面光学系统第一个物镜的球面顶点的距离称为“工作距”42AppliedOptics人眼的光学特性放大镜和显微镜的工作原理望远镜的工作原理眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节空间深度感觉和双眼立体视觉双眼观察仪器43AppliedOptics3-3望远镜的工作原理一、望远系统的一般性质物镜（入瞳）视场光阑目镜F1’F2物镜的像方焦点应与目镜的物方焦点重合，光学间隔△=0。

使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学系统称为望远系统或望远镜。44AppliedOptics按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系统焦平面上所形成的衍射图样，其第一暗环的半径（即爱里斑半径）可表示为式中，λ—波长，D—入射光瞳直径。对望远物镜，其出瞳与入瞳可认为与物镜重合。D/f′—可认为是物镜的相对孔径。物镜的分辨本领决定于它的相对孔径。望远系统的分辨率是以远处能分辨的两点对物镜入瞳中心的张角φ来表示的，称为最小分辨角。45AppliedOpticsφ与爱里斑半径之间有如下关系：将r暗1公式代入上式中得现以人眼最灵敏的波长λ=550nm代入，得到可见，以最小分辨角来表示望远物镜的分辨率时，它仅决定于物镜的孔径（入瞳直径）。46AppliedOptics对于目视系统来说有意义的是视角放大率即通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角ω′的正切与眼睛直接观察该物体时的视角ω0正切之比。由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说要大得多，ω0与物体对入射光瞳中心的张角ω可认为相等因此望远镜的视角放大率以Г表示，与望远镜的角放大率γ相同，即47AppliedOptics由于垂轴放大率β为常数（因为）即可用出瞳直径D′和入瞳直径D之比表示，所以视角放大率仅仅取决于望远系统的结构参数。严格来说，望远镜应该用来观察无限远物体。48AppliedOptics表示观测仪器精度的指标是它的最小分辨角。若以60"作为人眼的分辨极限，为使望远镜所能分辨的细节也能被人眼分辨即达到了充分利用望远镜分辨率的目的望远镜的视角放大率应与其最小分辨角φ有如下关系：49AppliedOptics把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：这就是望远镜应该具备的最小视角放大率。也是正常放大率。为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系统时应用大于正常分辨率的工作分辨率来作为望远系统的视角放大率。50AppliedOptics工作放大率常为正常放大率的1.5~3倍。若取2.3倍，则Г=D。在瞄准仪器中，仪器的精度用瞄准误差△φ来表示，它与瞄准方式有关。若是压线瞄准时：若是对线、双线或叉线瞄准时：由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测量精度越高。51AppliedOptics二、伽利略望远镜和开普勒望远镜伽利略望远镜是由物镜和负目镜按光学间隔△=0的方式组合而成。F1’F2出瞳df1’d<f1′,具有筒长短、体积小、重量轻等特点；这种望远镜没有中间实像面，无法安置分划板，不能直接作为瞄准和精确定位之用。52AppliedOptics说明，伽利略望远镜在物镜口径一定时，倍率越高，视场越小。伽利略就是利用这种望远镜发现了木星的卫星。这种结构的望远镜多被采用为激光的发射系统，做为激光准直仪的一个组成部分。开普勒望远镜是在1611年在开普勒的光学术中介绍的。开普勒望远镜的物镜和目镜都是正透镜，这样就克服了伽利略望远镜中间没有实像的缺点。因为最后成倒像，系统需要考虑转像系统的安置以便正像，结构上要比伽利略望远镜复杂。这样就具备了测量和瞄准的条件。53AppliedOptics下图为开普勒望远镜的光路图：物镜（入瞳）目镜视场光阑出瞳被目镜拦掉部分54AppliedOptics人眼的光学特性放大镜和显微镜的工作原理望远镜的工作原理眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节空间深度感觉和双眼立体视觉双眼观察仪器55AppliedOptics一、眼睛的缺陷和矫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F'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3-4眼睛缺陷和视度调节56AppliedOptics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。57AppliedOptics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。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对应着正视度，需以正透镜矫正。58AppliedOptics近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来测得，知道此值后即可求得所需眼镜的焦距。例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为-2个屈光度（眼镜行业称近视200度）则其远点距离r=-0.5m，需配焦距为-500mm的近视眼镜。59AppliedOptics二、目视光学仪器视度调节人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正目视光学仪器要适应不同视力的人使用为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪器所成的像不再位于无限远，而位于目镜的前方或后方一定的位置这就是目视光学仪器的视度调节60AppliedOptics物镜目镜正常眼近视眼远视眼F眼’F眼’F眼’61AppliedOptics人眼的光学特性放大镜和显微镜的工作原理望远镜的工作原理眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节空间深度感觉和双眼立体视觉双眼观察仪器62AppliedOptics眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能够产生远近的感觉，被称为“空间深度感觉”单眼或双眼都能产生这种感觉单眼