应用光学课件：ch3 眼睛和目视光学系统

1、第三章,眼睛和目视光学系统,主要内容,目视光学系统：与人眼配合使用，直接扩大人眼视觉能力的光学系统。 研究内容： WHY？为什么使用目视光学系统后能够看得更远更细 HOW？这些系统应该怎样构成 WHAT？对目视光学系统有什么要求,3-1 人眼的光学特性,眼睛的结构 成像光学系统,人眼 vs 照相机,水晶体镜头；网膜底片；瞳孔光阑 人眼是一架最高档的照相机： 自动对目标调焦（autofocusing) 根据景物的亮度自动调节进入眼睛的光能量 （速度先决 1/100自动调光圈； 光圈先决 - 自动调速度） 眼睛的视场很大150o,人眼的调节 - 视度调节,（一）定义 正常人眼睛在没有调节的自然放松

2、状态时，无限远物体正好成像在视网膜上，即眼睛的像方焦点正好与视网膜重合.,人眼的调节 - 视度调节,看近距离物体时，在水晶体周围肌肉的作用下，使水晶体前表面半径变小，眼睛的焦距变短，此时有限距物体成像在视网膜上,人眼的调节 - 视度调节,上述结论可用薄透镜焦距公式简单分析,人眼自动调节眼睛的焦距，使像落在视网膜上的这个过程称为眼睛的视度调节。,人眼的调节 - 视度调节,（二）视度 表示人眼的调节程度 与视网膜共轭的物面到眼睛距离的倒数，SD。,l 以米为单位，可正可负。,例：观察眼睛前方2米处的目标时，眼睛的视度为：,人眼的调节 - 视度调节,（三）几个概念 明视距离：一般人阅读或操作时常把被

3、观察目标放在眼前250mm处，此距离为明视距离。 近点距离：人眼通过调节所能看清物体的最短距离称为近点距离。 远点距离：人眼能看清的最远距离。 最大调节范围：远点距离与近点距离之间的视度之差。,人眼的调节 - 视度调节,例：20岁的正常人眼 明视距离：250mm，SD = -4。 最大调节范围：-10 远点距离： 近点距离：SD = -10 ,人眼的调节 - 瞳孔调节,在水晶体的前面有一层虹彩，它的中间有个圆孔叫瞳孔。瞳孔的大小可以改变。在白昼的时候外界光线较强，瞳孔会比较小，在昏暗的情况下瞳孔会自动扩大，以使更多的光线（光能）进入眼睛。这叫“适应”。瞳孔的大小可由2mm到8mm。 设计目视光

4、学仪器时要考虑和人眼瞳孔的配合。,人眼的分辨率,人眼对物体的大小感觉：在视网膜上所成实像大小造成感觉上“物体的大小”,趣味光学 眼见为实吗？,数学表示,视角：物体对水晶体物方节点张角。 像方 实质是视网膜实像的大小，数学用表示方便。视角大，正切tan大，实像大，感觉物体大。为能看清物体的细节，较近好，此时大，感觉此物大。但不可能无限靠近，一般置于明视距离。,2 人眼的分辨率,定义：通常把眼睛刚能分辨的两物点在网膜上成的两像点之间的距离称为眼睛的分辨率。 量化：一般取0.006mm为人眼的分辨率，其对应的人眼物空间的张角min为： 以上是对两物点的分辨率，如果观察的是两条平行直线，则分辨率可以提

5、高到10”。,3-2 放大镜和显微镜的工作原理,对于各类目视光学仪器的共同要求： 对于目视光学仪器的一个首要要求 扩大视角。 目标通过仪器后应成像在无限远，或者说要出射平行光束。,扩大视角,用仪器观察时网膜上的像高与人眼直接观察时网膜上的像高之比，表示了该仪器的放大作用，一般用表示。 等于同一目标用仪器观察时的视角和人眼直接观察时的视角二者的正切之比，所以称为仪器的视放大率。,一、放大镜（magnifier）的工作原理,放大镜用来观察近距离微小物体。 物在物方焦点，出射的是平行光束。,人眼直接观察,设一微小物体其高为y，用肉眼直接观察时不能离眼太近，放在l = -250mm处。此时，视角为：,

6、用放大镜观察,对正常人眼，物正放在F上。人眼对被放大了的象的张角为：,放大镜的视觉放大率,放大作用： 视放大率：,放大镜成像原理图,用作图法或解析法可求出成一放大正立虚像。,设计实例：放大镜（n1.5） 已知5，求r1、r2；若10，求r1、r2,5,10,5x,10 x,设计实例：只有两块5倍的，要求设计10倍的。,将这两块合成:,d取不同值时，两块搭成不同的倍率的放大镜,二、显微镜（microscope）的工作原理,显微镜由物镜和目镜组成，用以观察更微细物体,显微镜的工作原理 两级放大,成像过程： 物体首先经过显微物镜并在目镜的物方焦平面上形成一个放大的实像； 再经过目镜成像在无限远。 两

7、级放大： 第一级：显微物镜将被观察物体进行尺寸放大； 第二级：靠近眼睛的目镜扩大视角,显微镜的视觉放大率,式中：250mm是明视距离；f0 为物镜焦距； fe为目镜焦距。 上式说明显微镜的视觉放大率等于物镜的垂轴放大率和目镜的视觉放大率e之积。,显微镜的互换性,各国生产的通用显微镜从物平面到像平面的距离（共轭距），不论放大率如何都是相等的，大约为180mm。对于生物显微镜，我国规定为195mm。 把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度称为机械筒长，也是固定的。各国有不同标准，如160mm，170mm和190mm等，我国规定160mm为目镜和物镜定位面的标准距离。 显微镜的物镜和目镜都可以根

8、据倍率要求而替换。常用的物镜倍率有4、10、40和100；常用的目镜倍率有5、10和15 。,人眼直接观察0.001mm的物体所对应的视角 人眼通过显微镜看两点时，若此两点通过显微镜成像后对人眼的张角大于1则人眼能分出这两个点,设计一显微镜要求看清间距为0.001mm两点，求显微镜的放大率。,3-3 望远镜（telescope）的工作原理,望远镜用来观察无限远的物体,物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，即光学间隔= 0。,望远镜的视角放大,不用望远镜时，远物对人眼的张角： 通过望远镜后，像对人眼的张角 ： 望远镜的视觉放大率为：,望远镜光组的几个特点,无焦系统（焦点在无限远） 整个系统的垂轴放

9、大率、轴向放大率和角放大率为一常数，与物体所在的位置无关。 望远镜的视觉放大率与角放大率相等，但仅是值相同，其概念是不同的。,望远镜的分类的依据,扩大视角的要求,可正可负,物镜为正透镜，即fo0。,目镜焦距的正负决定了的正负。,望远镜的分类,开普勒望远镜（ fe 0， 0） 优点：正像 缺点：无法安装分划板；另视觉放大率受到物镜口径的限制，不可能很大，一般在2-3倍。,设计实例,例1：用望远镜观察时要鉴别5公里处200毫米的间距，应选用多大倍率的望远镜？ 例2：经纬仪望远镜视觉放大率=20，使用夹线瞄准，问瞄准角误差等于多少？,3-4 眼睛的缺陷和 目视光学仪器的适度调节,一、眼睛的缺陷 正常

10、人眼：在自然状态下，像方焦点正好和视网膜重合 近视眼：像方焦点位于视网膜的前方 远视眼：像方焦点位于视网膜的后方,无穷远物体不能在视网膜上清晰成像。而近距离物体，却可以在网膜上清晰成像，即看远物不清晰，近物才看清。,近视：看远物不清晰，近物才看清。,远点：有限距离。（采用远点对应的视度来表示近视的程度。） 例如远点距离l = -500mm，近视为-2视度（即200度） 明视距离： 近点距离（以20岁的人为例）：,近视：看远物不清晰，近物才看清。,近视镜-发散透镜；其焦距正好与远点距离相同。,近视的矫正,对于上述近视眼，配一负透镜f = -500mm = -0.5m，即：,，又称200度近视镜。

11、,以远视为+2个视度为例： 远点：无限远 明视距离： 近点距离（以20岁的人为例）：,远视：近点距离增加。,远视镜会聚透镜,远视的矫正,二、视度调节,通过改变目镜的前后位置使仪器所成的像位于适当的位置，以适应各种不同视力的人使用，这就是目视光学仪器的视度调节。,3-5 空间深度感觉和双眼立体视觉,当观察外界物体时，除了能够知道物体的大小、 、亮暗以及表面 以外， 还能够产生 的感觉。这种远近的感觉称为空间深度感觉。,形状,颜色,远近,单眼空间深度感觉,当物体的高度已知时，根据它对应的视角大小来判断它的远近； 根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影也能判断物体之间的相对位置； 根据对物体细节的鉴别程度和空气的透