工程光学眼睛及目视光学系统

1、1 第第7章章 眼睛及目视光学系统眼睛及目视光学系统 7.17.1 眼睛的光学成像特性眼睛的光学成像特性 7.27.2 放大镜放大镜 7.37.3 显微镜系统显微镜系统 7.47.4 望远镜系统望远镜系统 7.57.5 目镜目镜 2 第第7章章 眼睛及目视光学系统眼睛及目视光学系统 7.1 眼睛的光学成像特性眼睛的光学成像特性 一、眼睛的结构一、眼睛的结构 精巧的照相机精巧的照相机 3 Pr l1Pl1R 令令 表示其发散度（会聚度）表示其发散度（会聚度） pr l 1 l 1 PRA 1D=1m-1 年龄102030404550607080 Lp(mm)-70- 100-143-222-28

2、6-400 -20001000400 P(D)-14-10-7-4.5-3.5-2.5-0.512.5 lr(mm) 2000800400 R(D)0000000.51.252.5 141074.53.52.510.250 A 二二. 眼睛的调节及适应眼睛的调节及适应 1、视度调节、视度调节 视度视度与视网膜相共轭的物面到人眼距离的与视网膜相共轭的物面到人眼距离的倒数倒数。SD=1/l 眼睛的调节：眼睛成像系统对任意距离物体眼睛的调节：眼睛成像系统对任意距离物体自动调焦的过程自动调焦的过程。 调节能力用能清晰调焦的极限距离表示：调节能力用能清晰调焦的极限距离表示：lr、lp(远点距、近点距远点

3、距、近点距) 4 2 2、瞳孔调节、瞳孔调节 3 3、适应、适应 适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动 适应程度，通过瞳孔的自动增大或缩小完适应程度，通过瞳孔的自动增大或缩小完 成。成。 n 明适应：暗明适应：暗亮，瞳孔自动缩小。亮，瞳孔自动缩小。 n 暗适应：亮暗适应：亮暗，瞳孔自动增大。暗，瞳孔自动增大。 5 三、眼睛的缺陷及校正三、眼睛的缺陷及校正 n正常眼：正常眼：眼睛的远点在眼睛的远点在,或眼睛光学系或眼睛光学系 统的像方焦点在视网膜上。统的像方焦点在视网膜上。 n反常眼：反常眼：近视眼：近视眼：远点位于眼前有限距远点位于眼前有限距 远视眼：远视眼：远

4、点位于眼后有限距远点位于眼后有限距 散光眼、斜视眼、散光近视散光眼、斜视眼、散光近视 6 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 7 l y l y tg e 四、眼睛的视角 8 刚刚能分辨开的两点对眼睛物方节点所张刚刚能分辨开的两点对眼睛物方节点所张 的角度的角度极限分辨角极限分辨角 。 白天：白天：2mm70”0.006mm 眼睛在松弛状态：眼睛在松弛状态： f =23mm 得得 = a /f = 0.006 /23 60（良好（良好 照明）照明） 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 )( D 140 D 22. 1 五、眼睛的分辨率五、眼睛的分辨率 9 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 设计目视

5、光学仪器时，必须考虑眼睛的分设计目视光学仪器时，必须考虑眼睛的分 辨率。应满足：辨率。应满足： 仪 仪 = tan /tan / ：被观察物体所需的分辨角。被观察物体所需的分辨角。 10 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 601020510 10 不同瞄准方式的瞄准精度不同瞄准方式的瞄准精度 六、眼睛的瞄准精度（对准精度）六、眼睛的瞄准精度（对准精度） n分辨：分辨：眼睛能区分开两个点或线之间的线距离或眼睛能区分开两个点或线之间的线距离或 角距离的能力。角距离的能力。 n对准：对准：垂直于视轴方向上的重合或置中过程。垂直于视轴方向上的重合或置中过程。 n对准误差对准误差( (精度精度) )：对

6、准后，偏离置中或重合的线对准后，偏离置中或重合的线 距离或角距离。距离或角距离。 11 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 七七. 双目立体视觉双目立体视觉 对物体位置在空间分布以及对物体对物体位置在空间分布以及对物体 体积的感觉体积的感觉立体视觉。立体视觉。 1. 单眼观察单眼观察 2双眼观察双眼观察 双像双像 单一像单一像 物在两眼视网膜上的像必须位于视物在两眼视网膜上的像必须位于视 网膜的对应点，即相对于黄斑中心网膜的对应点，即相对于黄斑中心 的同一侧时，才有单像的印象的同一侧时，才有单像的印象 12 tg tg tgl tgl y y e e e i 250yLytg 人眼直接观察时：人

7、眼直接观察时： lP y f lf lP y tg 通过放大镜观察时：通过放大镜观察时： 放大镜放大镜 -L - -y A B ye y y y y -lf P F 7.2 放大镜放大镜 一、视觉放大率一、视觉放大率 - -y yi 13 f 250 lP lf 放大镜放大镜 并非常数并非常数 y y y y -lf P F 14 放大镜放大镜 1) 当当l= ，或或P=f时时， 0=250/f 2) 正常视力的眼，正常视力的眼， P-l= 250，看书用看书用 f P f 250 1 f l 1 如果眼睛紧贴放大镜，即如果眼睛紧贴放大镜，即P=0，则，则 f 250 1 结结 论论 f 25

8、0 lP lf y y y y -lf P F 15 眼瞳：眼瞳：孔径光阑，系统的出瞳孔径光阑，系统的出瞳 放大镜框：放大镜框：视场光阑，入窗，出窗，同时也是渐晕光阑视场光阑，入窗，出窗，同时也是渐晕光阑 （视场光阑与物面不重合视场光阑与物面不重合） 放大镜放大镜 虚像平面虚像平面 1 2 2a 2h P 场阑场阑 出瞳出瞳 y KD=1 KD=0.5 KD=0 二光束限制和线视场二光束限制和线视场 16 Phtg:5 . 0K D P h500 tgf2y2 o 2h y F P f F 当物面位于放大镜前焦面时，其线视场当物面位于放大镜前焦面时，其线视场2y （50%渐晕）渐晕）: 17

9、P ah500 tgf2y2 o P ah500 tgf2y2 o P ah tg:1K 1D P ah tg:0K 2D 2h P y F f 2h y F P f F 18 7.3 7.3 显微镜系统显微镜系统 19 e0e0 eoee f 250 f 250 ff 250 fy 250 y 250 y f y tg tg 显微镜系统显微镜系统 -y FoFe 眼瞳眼瞳 y 场阑场阑 一显微镜的视觉放大率一显微镜的视觉放大率（物体一次像位于目镜物方焦面）（物体一次像位于目镜物方焦面） 20 1显微镜的孔径光阑、出瞳直径显微镜的孔径光阑、出瞳直径 普通显微镜普通显微镜：物镜框：物镜框孔径光阑

10、。孔径光阑。 测量显微镜测量显微镜：物镜像方焦面：物镜像方焦面孔径光阑孔径光阑 显微镜系统显微镜系统 A A B B -U U Fe Fo 二、显微镜的光束限制和线视场二、显微镜的光束限制和线视场 21 显微镜系统显微镜系统 500 D 2f D 2 D fff 2D f x Usin nUsinnNA 2121 物镜满足正弦条件：物镜满足正弦条件：UsinynUsinny NA500D 显微镜的出瞳直径显微镜的出瞳直径 22 tg500tg500tgf22y y2 e e 显微镜系统显微镜系统 -y FoFe 眼瞳眼瞳 y 场阑场阑 2、显微镜的视场光阑、显微镜的视场光阑 显微镜的线视场取决

11、于视场光阑的大小。所以，显微显微镜的线视场取决于视场光阑的大小。所以，显微 镜的线视场：镜的线视场： 23 三显微镜的分辨本领、有效放大率三显微镜的分辨本领、有效放大率 1显微镜的分辨本领显微镜的分辨本领 24 当一个像点衍射斑中心落在另一像点衍当一个像点衍射斑中心落在另一像点衍 射光环第一个暗环时，则两像点刚好能被分射光环第一个暗环时，则两像点刚好能被分 辨（即辨（即两相邻点之间隔等于艾里斑半径两相邻点之间隔等于艾里斑半径时）。时）。 艾里斑半径：艾里斑半径：a=0.61 /nsinu 分辨率是能分辨物方两点间最短距离分辨率是能分辨物方两点间最短距离 ： NA 61. 0 usinn 61.

12、 0a 显微镜系统显微镜系统 瑞利判断：瑞利判断： 25 显微镜系统显微镜系统 两相邻像点间隔两相邻像点间隔0.85a时，被系统分辨：时，被系统分辨： = 0.85a =0.5 /NA 以以道威判断道威判断作为系统的目视衍射分辨率或理作为系统的目视衍射分辨率或理 想目视衍射分辨率。想目视衍射分辨率。 道威判断：道威判断： 26 便于眼睛分辨的角距离为便于眼睛分辨的角距离为24 ，在明视距离，在明视距离 上对应的线距离上对应的线距离s ： = 0.85a =0.5 /NA =555nm 按道威判断，得：按道威判断，得： 523NA 1046NA 取取 500NA 1000NA min = 0.0

13、725mm 显微镜系统显微镜系统 29mm. 0145mm. 0 2显微镜的有效放大率显微镜的有效放大率 27 常用的：物镜常用的：物镜4个：个：4 、10 、40 、100 目镜目镜3个：个：5 、10 、15 组成：组成： 20 1500 （光学筒长（光学筒长随随 f 不同而不同）不同而不同） 28 四、显微镜的景深四、显微镜的景深 n几何景深几何景深 n物理景深物理景深 n调节景深调节景深250mm 调节范围调节范围4D NA、 22 mpg 250n NA n NA 250n 2 29 显微镜系统显微镜系统 亮视场照明图亮视场照明图 1 1物镜；物镜；2 2小灯泡；小灯泡；3 3物体；

14、物体；4 4载物台载物台 工具显微镜反射照明工具显微镜反射照明 单向暗视场照明单向暗视场照明 五五. 显微镜的照明方法显微镜的照明方法 1反射光照明：反射光照明： 亮视场照明：亮视场照明：一般通过物镜从上面照明。一般通过物镜从上面照明。 暗视场照明：暗视场照明：侧面入射，从物镜侧向通过。侧面入射，从物镜侧向通过。 进入物镜成进入物镜成 像的仅为从物体表面散射的光线。像的仅为从物体表面散射的光线。 30 显微镜系统显微镜系统 2. 透射光照明：透射光照明： 亮视场照明：亮视场照明：临界照明、柯勒照明（像方远心）临界照明、柯勒照明（像方远心） a. 临界照明临界照明光源成像于物平面光源成像于物平面

15、。 多用于投影物体面积较小的情况。多用于投影物体面积较小的情况。 光源表面亮度的光源表面亮度的 不均匀性影响观察效果。不均匀性影响观察效果。 “窗对窗，瞳对瞳窗对窗，瞳对瞳” 31 显微镜系统显微镜系统 显微物镜系统显微物镜系统 b. 柯勒照明：柯勒照明：光源成像于物镜的入瞳面上光源成像于物镜的入瞳面上。 多用于大面积的投影情况。多用于大面积的投影情况。消除了物体平面光照度不消除了物体平面光照度不 均匀的缺点。均匀的缺点。 “窗对瞳，瞳对窗窗对瞳，瞳对窗” 32 显微镜系统显微镜系统 暗视场照明：暗视场照明：光线倾斜入射，在物体旁侧向通过。光线倾斜入射，在物体旁侧向通过。 33 六、显微镜的物

16、镜六、显微镜的物镜 1. 低倍物镜低倍物镜 36 0.010.15 2. 中倍物镜中倍物镜 810 0.250.30 3. 高倍物镜高倍物镜 40 0.65 4. 浸液物镜浸液物镜 90100 1.251.4(1.5) 5. 复消色差物镜复消色差物镜 90 1.3 6. 平视场复消色差物镜平视场复消色差物镜 40 0.85 显微镜系统显微镜系统 34 tg tg 1DDff eo 7.4望远镜系统望远镜系统 一、望远系统的视觉放大率一、望远系统的视觉放大率 35 1DDff eo 与物体的位置无关。仅取决于望远镜系统的结构。与物体的位置无关。仅取决于望远镜系统的结构。 随随f fo o、f fe e符号不同而不同。符号不同而不同。 0 0正像，正像， 视度调节的深度视度调节的深度 44 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 二二 . 光学仪器中目镜的视度调节光学仪器中目镜的视度调节 1000 f5 1000 fN x 2 e 2 e 1000 f x 2 e 45 46 1. 惠更斯目镜惠更斯目镜2 =400500 p/ fe =1/3 三三.目镜类型目镜类型 47 2. 冉斯登目镜冉斯登目镜 2 =300400 p/ fe =1/31/4 48 3.对称式目镜对称式目镜 2 =400420 p/ fe =1/1.