北京理工大学应用光学课件第三章ppt

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目视光学仪器：和人眼配合使用的仪器目视光学仪器：和人眼配合使用的仪器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3-1 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：从光学角度看，主要有三部分：镜头镜头底片底片光阑光阑人眼相当于一架照相机人眼相当于一架照相机，能够自动调节，能够自动调节角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入

2、眼睛前室：角膜后面的空间部分，充满水液，前室：角膜后面的空间部分，充满水液，n=1.3374,对光线起会聚作用对光线起会聚作用水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松弛，前水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松弛，前表面半径可减小或加大，改变焦距。表面半径可减小或加大，改变焦距。角膜，前室和水晶体角膜，前室和水晶体相当于镜头部分相当于镜头部分视网膜：视神经细胞和神经纤维，相当于感光底片视网膜：视神经细胞和神经纤维，相当于感光底片黄斑：视网膜上视觉最灵敏的地方黄斑：视网膜上视觉最灵敏的地方这两项相当于感光部分这两项相当于感光部分虹膜：水晶体前面的虹膜：水晶体前面的薄膜，中心有一圆薄膜，中心有一

3、圆孔，成为瞳孔，随孔，成为瞳孔，随着入射光能量的多着入射光能量的多少，瞳孔直径可放少，瞳孔直径可放大或缩小。大或缩小。相当于可变光阑相当于可变光阑 盲点：视神经纤维的盲点：视神经纤维的出口，没有感光细胞，出口，没有感光细胞，不产生视觉不产生视觉盲点实验盲点实验视觉的产生视觉的产生外界的光线进入人眼外界的光线进入人眼成像在视网膜上，产生视神经脉冲成像在视网膜上，产生视神经脉冲通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经活动，形成视觉活动，形成视觉物理过程，生理过程，心理过程物理过程，生理过程，心理过程倒像实验倒像实验视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线视轴：

4、黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线人眼的光学特性人眼的光学特性人眼视场：观察范围可达人眼视场：观察范围可达150 头不动，能看清视轴中心头不动，能看清视轴中心68 要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动人眼的调节：人眼的调节：视度调节、瞳孔调节视度调节、瞳孔调节1、视度调节、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。落在视网膜上的过程。 F 调节量的表示：视度调节量的表示：视度与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数1lSD= 明视距离和近点

5、、远点明视距离和近点、远点明视距离：眼睛前方明视距离：眼睛前方250mm，SD=(1 / (-0.25)= -4 l 单位为米单位为米 近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离近点：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点视度年龄年龄最大调节范围最大调节范围/视度视度近点距离近点距离/mm101520253035404550-14-12-10-7.8-7.0-5.5-4.5-3.5-2.57083100130140180220290400 不同年龄正常人眼的调节能力不同年龄正常人眼的调节能力

6、2、瞳孔调节、瞳孔调节 虹膜可以自动改变瞳孔大小，以控制人眼的进光量虹膜可以自动改变瞳孔大小，以控制人眼的进光量 强光下，白天强光下，白天 D=2mm; 夜晚，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，夜晚使用的则要大小配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大一些一些外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同 人眼的分辨率人眼的分辨率两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较大两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较大，人眼能够分辨开是两个像点，如果两像点距离小，人

7、眼能够分辨开是两个像点，如果两像点距离小到一定程度，人眼就有可能分辨不出是两个像点到一定程度，人眼就有可能分辨不出是两个像点对两物点的视角分辨率：对两物点的视角分辨率：为什么呢？为什么呢？人眼视网膜的结构人眼视网膜的结构 视网膜由视神经细胞组成，分锥状细胞和杆状细胞视网膜由视神经细胞组成，分锥状细胞和杆状细胞 y 锥状细胞：在亮光下工作锥状细胞：在亮光下工作杆状细胞：在弱光下工作杆状细胞：在弱光下工作如果两像点之间的距离大于两视神经细胞，落在两如果两像点之间的距离大于两视神经细胞，落在两个不相邻视神经细胞上，就能分清是两个像点个不相邻视神经细胞上，就能分清是两个像点视神经细胞直径约为视神经细胞

8、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。此距离在物空间对应的张角，称为视角分辨率。此距离在物空间对应的张角，称为视角分辨率。刚刚能被人眼分辨开的两物点之间的最小视角称为视角分刚刚能被人眼分辨开的两物点之间的最小视角称为视角分辨率辨率而而 ymin=-0.006mm，f=-16.68mm所以所以tgfy6020600068.16006. 0minminfy对线的分辨率：分辨率可以提高到对线的分辨率：分辨率可以提高到10在很多仪器中需要瞄准在很多仪器中需要瞄准，瞄准的方式有，瞄准的方式有对线的分辨率称为对准对线的分辨率称为对准精度，右图的对准精度精度，右

9、图的对准精度都是都是10”看得清楚的条件看得清楚的条件必要条件：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，视角大于或等于充分条件：对二点，视角大于或等于60” 对二线，视角大于或等于对二线，视角大于或等于10”作业：应用光学教材作业：应用光学教材64页第页第1，2题题3-2 放大镜和显微镜的工作原理放大镜和显微镜的工作原理 被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼的张角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。的张角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。1、成像在无限远、成像在无限远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正常人

10、眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜上正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜上2、增大视角、增大视角直接观察：直接观察：用仪器观察：用仪器观察：-y眼眼= tg 眼眼-y仪仪= tg 仪仪用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网膜上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表示了仪器的放大作用，称为视放大率，的像高之比表示了仪器的放大作用，称为视放大率，用用 表示。表示。 y仪仪 y眼眼 tg 仪仪 tg 眼眼 tg 仪仪 tg 眼眼越大，放大作用越大。越大，放大作用越大。有正负之分，有正负之分， 为正，正像，为正，正像， 为负，倒像为负，倒像 放大镜工作原理放大镜工作

11、原理 y-ly 物体对人眼张角物体对人眼张角lytg要求最小视角要求最小视角)60(0003. 0min弧度ly最小视角最小视角)60(0003. 0min弧度ly提高视角的途径：提高视角的途径： 提高提高y，不行，不行 减小物距减小物距L，但不能无限的减小，否则，但不能无限的减小，否则，就不能成像在视网膜上就不能成像在视网膜上我们希望物体位在无限远处，因此可以在我们希望物体位在无限远处，因此可以在人眼前加一个正透镜，把物体放在透镜人眼前加一个正透镜，把物体放在透镜的物方焦点处，成像在无限远，供人眼的物方焦点处，成像在无限远，供人眼观察观察 F-f=f y 仪仪 tg 仪仪 tg 眼眼= 25

12、0 f tg 眼眼= y f= tg 仪仪 y -l= y 250注意：注意：250为明视距离，物体可以移动到明视距离为明视距离，物体可以移动到明视距离放大镜的视放大率放大镜的视放大率250f如果要如果要1，则要求透镜焦距，则要求透镜焦距f0，和和同号，成正像同号，成正像 0，和和异号，成倒像异号，成倒像 的正负号由物镜和目镜焦距的正负号决定的正负号由物镜和目镜焦距的正负号决定望远镜的类型望远镜的类型开卜勒望远镜：物镜和目镜的焦距均为正开卜勒望远镜：物镜和目镜的焦距均为正0，成正像，成正像不须加倒像系统不须加倒像系统体积较短体积较短系统中不存在实像系统中不存在实像，不能安装分划板，不能安装分划

13、板，无法进行测量和，无法进行测量和瞄准瞄准常用于观察常用于观察 问题问题伽里略望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？伽里略望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜中分划板安装在什么地方？开卜勒望远镜中分划板安装在什么地方？物镜和目镜的焦距均为负，能否构成一个望远镜？物镜和目镜的焦距均为负，能否构成一个望远镜？望远镜的放大率望远镜的放大率望远镜的角放大率不随共轭面的位置变化而变化，望远镜的角放大率不随共轭面的位置变化而变化，数值上等于视放大率数值上等于视放大率tgtgtgutgu平行于光轴入射的光线仍然平行

14、于光轴出射平行于光轴入射的光线仍然平行于光轴出射1物目物目ffffyy1DD望远镜的放大率望远镜的放大率望远镜的垂轴放大率也不随共轭面的位置变化而变望远镜的垂轴放大率也不随共轭面的位置变化而变化，数值上等于视放大率的倒数化，数值上等于视放大率的倒数测量视放大率的方法：倍率计测量视放大率的方法：倍率计1DD作业：应用光学作业：应用光学64，65页第页第3，6，7题题例：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄准，如果在例：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄准，如果在1公公里内的瞄准误差要求小于里内的瞄准误差要求小于2毫米，问视放大率为多少？毫米，问视放大率为多少？解：解：眼眼仪仪tgtg10仪仪4 . 020

15、60001026眼眼254 . 010眼眼仪仪眼眼仪仪tgtg3-4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节1、正常人眼的焦点、正常人眼的焦点F、远点和近点、远点和近点一、眼睛的缺陷和校正一、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 Fl 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 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

16、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F2、近视眼的特点 近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像在网膜上成像在网膜上 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共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体 近视程度用近视程度用远点距离对应的视度远点距离对应的视度表示表示比

17、如远点距离在眼睛前方比如远点距离在眼睛前方0.5m，对应的视度，对应的视度 SD=1/(-0.5)= -2医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为 1 视度视度100此人的近视程度为此人的近视程度为2003、近视眼的校正、近视眼的校正 F远点远点采用负透镜，焦距等于远点距离采用负透镜，焦距等于远点距离例如：某人远点距离为眼睛前方例如：某人远点距离为眼睛前方200mm，要戴多大度，要戴多大度数的眼镜？焦距为多少？数的眼镜？焦距为多少？4、远视眼的特点、远视眼的特点 远视眼的像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可远视眼的像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可能看

18、清无限远物体能看清无限远物体 F 远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加增加F5、远视眼的校正、远视眼的校正 F远点采用正透镜，焦距等于远点距离采用正透镜，焦距等于远点距离例：某人对例：某人对1米以外的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？米以外的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？某人对某人对1米以内的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？米以内的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？解：解：视度视度米米远远11SDlf111fll第一人第一人第二个人：近点距离为第二个人：近点距离为1米，需要将米，需要将1米处的物体成像在米处的物体成像在250毫米处毫米处mmff

19、3331250110001300100333. 01SD二、目视光学仪器的视度调节二、目视光学仪器的视度调节 物镜正常眼目镜F F近视眼F物F目F目 F远视眼F目调节量的计算调节量的计算由由 x x =f f注意：注意：当当SD为为“”时，时，x为为“”， x是物相对于目镜是物相对于目镜移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为朝向物镜；朝向物镜；当当SD为为“”时，时，x为为“”， x远离目镜，目镜远离目镜，目镜移动方向为远离物镜。移动方向为远离物镜。SDlxlx1000远远100010002 2 目目fSDxfSDx调节量的计算调节量的计算实际应用

20、中，在目镜的镜圈上刻有对应的视度值实际应用中，在目镜的镜圈上刻有对应的视度值，转动目镜，实际上就是在调节视度。，转动目镜，实际上就是在调节视度。10002 目fSDx实际光学系统中，在物镜像方焦点处需要放置分实际光学系统中，在物镜像方焦点处需要放置分划板，为了在调视度时，避免目镜和分划板相碰划板，为了在调视度时，避免目镜和分划板相碰，目镜的物方顶焦距需足够长，目镜的物方顶焦距需足够长作业：应用光学作业：应用光学65页第页第9，10题题3-5 空间深度感觉和双眼立体视觉空间深度感觉和双眼立体视觉一、单眼深度感觉一、单眼深度感觉单眼判断远近的依据：单眼判断远近的依据：1、物高已知时，根据视角判断；

21、、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；、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；、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、根据眼睛的调节程度B二、双眼深度感觉二、双眼深度感觉1、转动、转动视轴视轴，注视目标时肌肉紧张程度，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视轴：眼睛像方节点与黄斑中心连线A122、立体视觉体视、立体视觉体视l体视的产生体视的产生(视差角视差角) BBAAb1b2a2a1A、B离眼睛距离相同，此时：离眼睛距离相同，此时：AB b1、b2都在都在a1、a2的同侧；的同侧； a1b1=a2b2若若A、B离眼睛距离不等，离眼睛距离不等， 有两种情况有两种情况 b1、b2位在位在a1、a2两侧两侧 b1