第三章眼睛的目视光学系统应用光学PPT课件

1、1 第三章第三章 眼睛和目视光学系统眼睛和目视光学系统 应用光学讲稿 2 本章主要解决的问题本章主要解决的问题： 眼睛的构造眼睛的构造 望远镜、显微镜的工作原理望远镜、显微镜的工作原理 眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷 及调整及调整 应用光学讲稿 3 第一节第一节 人眼的光学特性人眼的光学特性 人眼的构造人眼的构造 从光学角度看，主要有三部分： 水晶体 视网膜 瞳孔 镜头 底片 光阑 人眼相当于一架照相机，能够自动调节 应用光学讲稿 4 问题：照相机使物成倒像，人眼是否成倒像？问题：照相机使物成倒像，人眼是否成倒像？ 视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像

2、方节点连线 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 应用光学讲稿 5 眼睛的调节：眼睛的调节：视度调节、瞳孔调节 1、视度调节 l 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 应用光学讲稿 6 调节量的表示：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 明视距离和近点、远点明视距离和近点、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最大调节范围近点视度远

3、点视度 l SD 1 应用光学讲稿 7 2、瞳孔调节 虹膜可以自动瞳孔大小，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 应用光学讲稿 8 人眼的分辨率人眼的分辨率 人眼刚能分清两物点在网膜上的人眼刚能分清两物点在网膜上的像点像点之间的距离之间的距离 y 对两物点的分辨率对两物点的分辨率： 应用光学讲稿 9 视神经细胞直径约为视神经细胞直径约为0.001-0.003mm，取，取0.006为为 眼睛的分辨率眼睛的分辨率。 通常用此距离在物空间对应的张角表示，称为通常用此距离在物空

4、间对应的张角表示，称为 视角分辨率视角分辨率。 -y 60 206000 68.16 006. 0 68.16,006. 0 min min min f y mmfmmytgfy 所以 而 应用光学讲稿 10 以上是对应视轴周围很小范围内的视角分辨率。当物体以上是对应视轴周围很小范围内的视角分辨率。当物体 偏离视轴时，视神经细胞加大，分辨率迅速下降，如图中曲偏离视轴时，视神经细胞加大，分辨率迅速下降，如图中曲 线所示。线所示。 图中横坐标代表物点和眼的连线与视轴之间的夹角，纵图中横坐标代表物点和眼的连线与视轴之间的夹角，纵 坐标代表相对分辨率（假定黄斑的分辨率等于坐标代表相对分辨率（假定黄斑的

5、分辨率等于1 1）。）。 0 0 0.20.2 0.40.4 0.60.6 0.80.8 1 1 6040200204060 图 5-4 耳侧 黄斑 鼻侧 视角分辨率（相对值） 应用光学讲稿 11 对线的分辨率： 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 像又刺激着旁边的另一列视神经细胞，所以眼睛能够像又刺激着旁边的另一列视神经细胞，所以眼睛能够 敏锐地感觉到它们之间的位移。敏锐地感觉到它们之间的位移。 分辨率可以提高到10 应用光学讲稿 12 在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准 精度。精度。 综合一

6、下，看得清的条件：综合一下，看得清的条件： 必要条件：成像在视网膜上必要条件：成像在视网膜上 充分条件：对二点充分条件：对二点, ,视角视角 60”60” 对二线对二线, ,视角视角 10”10” 应用光学讲稿 13 第二节第二节 放大镜和显微镜的工作原理放大镜和显微镜的工作原理 人眼的视角分辨率（人眼的视角分辨率（60”60”）。物高）。物高y y和物距和物距l l满足关系：满足关系： y/L0.0003y/L0.0003（60“60“） 如果通过仪器以后的像对人眼所张的视角大于用人眼直如果通过仪器以后的像对人眼所张的视角大于用人眼直 接观察时的视角，就有可能看清楚更加细微的物体。接观察时的

7、视角，就有可能看清楚更加细微的物体。 扩大人眼视觉能力的光学仪器，称为扩大人眼视觉能力的光学仪器，称为“目视光学仪器目视光学仪器”。 望远镜，显微镜等与眼睛配合的仪器称为目视光学仪器望远镜，显微镜等与眼睛配合的仪器称为目视光学仪器 对各类目视光学仪器的共同要求对各类目视光学仪器的共同要求 应用光学讲稿 14 对各类目视光学仪器的共同要求对各类目视光学仪器的共同要求 1、扩大视角 J 直接观察： 用仪器观察： J y眼 y仪 眼眼 仪仪 -y眼=tg眼 眼 -y仪=tg仪 仪 应用光学讲稿 15 用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网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

8、表示了仪器的放大作用，称为膜上的像高之比表示了仪器的放大作用，称为 视角放大率视角放大率，用，用 表示。表示。 2、成像在无限远（出射平行光） 眼 仪 眼 仪 眼 仪 tg tg tg tg y y 应用光学讲稿 16 目视光学仪器的视放大率大于目视光学仪器的视放大率大于1 1 目视光学仪器所成的像应该位于无限远。目视光学仪器所成的像应该位于无限远。 这是对目视光学仪器的两个共同要求。这是对目视光学仪器的两个共同要求。 根据所观察目标的情况不同，目视光学仪器分为根据所观察目标的情况不同，目视光学仪器分为 两大类：一类叫望远镜，它是用于观察远距离目标的；两大类：一类叫望远镜，它是用于观察远距离目

9、标的； 另一类叫显微镜，它是用于观察近距离微小目标的。另一类叫显微镜，它是用于观察近距离微小目标的。 应用光学讲稿 17 放大镜工作原理 只要物体对人眼的张角大于人眼的视角分辨率即只要物体对人眼的张角大于人眼的视角分辨率即 可看清楚可看清楚 如果物体对人眼张角小于如果物体对人眼张角小于60”60”，人眼看不见，人眼看不见， 则可以考虑借用仪器来观察。则可以考虑借用仪器来观察。 1. 1. 物体必须放在系统的物方焦平面处，使得出物体必须放在系统的物方焦平面处，使得出 射光为平行光。射光为平行光。 2.2.从仪器出射的光线对人眼的张角必须大于人从仪器出射的光线对人眼的张角必须大于人 眼直接观察时物

10、体对人眼的张角，人眼直接观察眼直接观察时物体对人眼的张角，人眼直接观察 时物体放在时物体放在250250毫米处毫米处 l y min 应用光学讲稿 18 F -f=f y 仪 仪 f y tg 仪 250 y l y tg 眼 250 ftg tg 眼 仪 应用光学讲稿 19 放大镜的视放大率只与放大镜的焦距有关放大镜的视放大率只与放大镜的焦距有关 注意，这里统一规定人眼直接观察时，物体放在离人注意，这里统一规定人眼直接观察时，物体放在离人 眼眼250毫米处，如果不能满足这个条件，公式就不是毫米处，如果不能满足这个条件，公式就不是 250除以焦距除以焦距 要提高放大镜的倍率，就必须减小透镜的焦

11、距，单个要提高放大镜的倍率，就必须减小透镜的焦距，单个 透镜的焦距不可能做的很小，为什么？透镜的焦距不可能做的很小，为什么？ 例如：例如：1515倍的放大镜，焦距为倍的放大镜，焦距为16.616.6，假设双凸，则两，假设双凸，则两 个半径为个半径为1717毫米左右，若平凸，则半径为毫米左右，若平凸，则半径为8.58.5毫米左毫米左 右。右。 为此，设计了显微镜，即复杂化的放大镜为此，设计了显微镜，即复杂化的放大镜 应用光学讲稿 20 显微镜的工作原理 F物F目 -y y 仪 仪 目镜 物镜 f物 -f目 显微镜同放大镜一样，需将物体放在物方焦平面处，为显微镜同放大镜一样，需将物体放在物方焦平面

12、处，为 提高放大率，先将此物体放大，经过两次放大，放大率提高放大率，先将此物体放大，经过两次放大，放大率 就有很大提高。前面的系统叫物镜，后面的系统叫目镜就有很大提高。前面的系统叫物镜，后面的系统叫目镜 应用光学讲稿 21 物镜所成的放大的实像位于目镜的物方焦平面处物镜所成的放大的实像位于目镜的物方焦平面处 F物F目 -y y 仪 仪 目镜 物镜 f物 -f目 目 物 目物 250 ff 应用光学讲稿 22 显微镜的视放大率 眼 仪 tg tg 250 y tg 眼 目目目 仪 f y f y f y tgtg 物物 ff x y ff tg 物目 仪 目 物目 250 ff 应用光学讲稿 2

13、3 物镜的垂轴放大率和目镜的视放大率的数值分别刻在物镜的垂轴放大率和目镜的视放大率的数值分别刻在 镜管上，把它们相乘，就是显微镜的视放大率镜管上，把它们相乘，就是显微镜的视放大率 这个公式同单个放大镜的视放大率一样，因此显微镜这个公式同单个放大镜的视放大率一样，因此显微镜 可看成一个复杂化的放大镜可看成一个复杂化的放大镜 不同倍率的物镜和目镜都可以互换，为保证互换性，不同倍率的物镜和目镜都可以互换，为保证互换性， 要求显微镜物镜的物平面到像平面的距离都等于要求显微镜物镜的物平面到像平面的距离都等于195 毫米毫米 组 物目 250 250 f ff 应用光学讲稿 24 第三节 望远镜的工作原理

14、 F物 F目 应用光学讲稿 25 F物 F目 f物 f目 y - 眼 仪 tg tg 用了仪器以后目标像对人眼的张角用了仪器以后目标像对人眼的张角 仪器的像方视场角仪器的像方视场角 人眼直接观察物体时对人眼的张角人眼直接观察物体时对人眼的张角 仪 仪 眼 眼 应用光学讲稿 26 tg tg 物 物 f y tgtgfy 目 目 f y tgtgfy yy 目 物 物 目 f f f y f y tg tg 应用光学讲稿 27 要增大视角 成正像 成反像 两类系统 1。刻卜勒望远镜 2。伽利略望远镜 1 目物 ff 0 0 000 目物 ff 000 目物 ff 应用光学讲稿 28 开普勒望远镜

15、：0，成正像，系统中存在虚像 F物 F目 F物 F目 应用光学讲稿 29 性质： y -y = =1/ =D/D tg tg 应用光学讲稿 30 第四节第四节 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调 节节 1、正常人眼的焦点F、远点和近点 一、眼睛的缺陷和校正 l 正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜 上，即焦点上，即焦点F与网膜重合与网膜重合 F 应用光学讲稿 31 l 正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节 可以将可以将F点前移，使像成在网膜上点前移，使像成在网膜上 l

16、人眼能看清的最远距离称为人眼能看清的最远距离称为远点远点，远点是人眼自，远点是人眼自 然状态下与网膜像相共轭的物平面位置然状态下与网膜像相共轭的物平面位置 l 人眼依靠调节能看清的最近距离称为人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点近点 应用光学讲稿 32 F 2、近视眼的特点 近视眼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 应用光学讲稿 33 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

17、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 应用光学讲稿 34 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，要带多大度数 的眼镜？焦距为多少？ 应用光学讲稿 35 4、远视眼的特点 远视眼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 应用光学讲稿 36 F 应用光学讲稿 37 A1 A2 A3 A4 应用光学讲稿 38 5、远视眼的校正 F 远点 采用正透镜，焦距等于远点距离 应用光学讲稿 39 对于正常人眼，随年龄增加调节能力减弱，如50岁，最

18、大调节范围-2.5, 近点距离为 0 + (-2.5)=-2.5, 对应距 离为-400 mm;看近处(如300mm)需要戴花镜; 对于近视眼,如原有近视500度，即远点视度为-5, 对应距离为-200 mm,不戴眼镜最远看清前方200mm;戴 近视眼镜后,把无限远目标成像在-200处。年龄大了， 调节能力差，50岁仅-2.5，这时戴上近视镜也只能看 到无限远到-2.5视度（-400mm），400mm以内近距离 目标戴近视镜反倒看不清了；摘了眼镜，最远只能看 200mm，所以200到400总看不清；这时就需要戴花镜， 把200成像到400处。 应用光学讲稿 40 二、目视光学仪器的视度调节 物

19、镜 正常眼 目镜 F F 近视眼 F物 F目 F目 F 远视眼 F目 应用光学讲稿 41 调节量的计算 由 xx=ff， x=-f目2/ / x= -SD f目2 / /1000 (mm) 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； 应用光学讲稿 42 第五节 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 应用光学讲稿 43 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 应用光学讲稿 44 2、立体视觉体视 l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= aB b1、b2都在a1、a2的同侧