工程光学与技术7

1、第七章第七章典型光学系统典型光学系统这类光学系统是直接扩大人眼的视这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称为觉能力的，称为目视光学系统。目视光学系统。 7-1 人眼的光学特性人眼的光学特性一、眼睛的结构一、眼睛的结构成像光学系统成像光学系统 人眼本身相当于摄影光学系统。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在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元。构造均可以看作成像元。人眼的构造剖视图人眼的构造剖视图巩膜巩膜* *巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；角膜角膜* *角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；角膜是巩膜的最前端

2、部分，无色而透明；眼睛内的折射主要发生在角膜上；眼睛内的折射主要发生在角膜上；脉络膜脉络膜* *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；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；人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜* *虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；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* *瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹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膜肌肉能使瞳孔的直径在直径在28mm28mm范围内变化范围内变化；它是人眼的孔径光阑孔径光阑。人眼的

3、构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜细胞，锥状细胞直径约细胞，锥状细胞直径约5微米，长约微米，长约35微米；微米；杆状细胞直径约杆状细胞直径约2 2微米微米脉络膜脉络膜，长约，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹黄斑中心凹处处虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜*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；由中心向外，逐渐相对变化；黄斑中心凹黄斑中心凹人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 光脉络膜脉络

4、膜 盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜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， 黄斑中心凹黄斑中心凹神经纤维盲斑大脑盲斑盲斑晶状体晶状体人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高脉络膜脉络膜 成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜角膜和晶状体之间的空

5、间称为前室；充满1.336的水状液；脉络膜脉络膜 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜总能将像成在网膜上。 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 脉络膜脉络膜眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室1.3761.3361.336光轴光轴视轴视轴 眼睛的视场很大，可达眼睛的视场很大，可达150150，但只有，但只有黄斑附近黄斑附近才才能清晰识别，其他部分比较模糊，能清

6、晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看清物所以能看清物体的角度范围为体的角度范围为6 86 8。 从光学角度看，眼睛中最主要的是：从光学角度看，眼睛中最主要的是： 水晶体、视网膜和瞳孔。水晶体、视网膜和瞳孔。 人眼人眼 水晶体水晶体 视网膜视网膜 瞳孔瞳孔 眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：眼睛和照相机很相似，如果对应起来看： 照相机照相机 镜头镜头 底片底片 光阑光阑 人眼相当于一架照相机，它可以自动对人眼相当于一架照相机，它可以自动对目标调焦。目标调焦。照相机中，正立的人在底片上成倒像，照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像人眼也是成倒像但我们感觉为什么还是正立的？但我们感觉为什

7、么还是正立的？这是视神经系统内部作用的结果。这是视神经系统内部作用的结果。二、眼睛的调节二、眼睛的调节 眼睛有两类调节功能：眼睛有两类调节功能：视度调节视度调节 和和瞳孔调节瞳孔调节。 1 1视度调节视度调节 远近不同的其他物体，物距不同，则不会成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。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眼睛自动改变焦距的过程称为称为眼睛的调节眼睛的调节。 正常人眼在完全放松

8、的自然状态下，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，即无限远目标成像在视网膜上，即眼睛的眼睛的像方焦点在视网膜上。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。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眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前后焦点前移，移，从而使该物体的像成在视网膜上。从而使该物体的像成在视网膜上。 当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能看清的能看清的最远的点最远的点称为称为远点远点，其相应的距，其相应的距离称为离称为远点距远点距，以

9、，以 r 表示（米）表示（米） 当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的看清的最近的最近的点称为点称为近点近点，其相应的距离称，其相应的距离称为为近点距近点距，以，以 p 表示（米）表示（米） 正常眼睛的远点距为正常眼睛的远点距为负的负的无限远无限远，非正常，非正常眼睛（远视或近视）的远点距为一眼睛（远视或近视）的远点距为一正正/负负的的有限值。有限值。 这里这里必须指出必须指出，近点距离，近点距离并不是并不是明视距离明视距离 后者是指正常的眼睛在正常照明（约后者是指正常的眼睛在正常照明（约50勒克斯）下勒克斯）下最方便和最习惯的工作距离最方便和最习惯

10、的工作距离，它等于它等于250mm。 prpra11 它不同于人眼的近点距，两者不能混淆。它不同于人眼的近点距，两者不能混淆。 人眼的人眼的调节能力调节能力是用远点距是用远点距r的倒数和近点距的倒数和近点距p的倒数之差来描述，用的倒数之差来描述，用a来表示，即来表示，即 a称为称为眼睛眼睛的调节范围或调节能力。的调节范围或调节能力。 101.lsd 当人眼观察在调解范围内的某一距离当人眼观察在调解范围内的某一距离l处的处的物体时，它总能清晰地成像在视网膜上。物体时，它总能清晰地成像在视网膜上。 如果如果 l 的单位为米，则其的单位为米，则其倒数倒数称为称为视度视度，单位为，单位为屈屈光度。光度

11、。 如观察眼前如观察眼前10米的物体，对应的视度为屈光度米的物体，对应的视度为屈光度。 lsd1 近点距倒数近点距倒数 称为称为近点视度近点视度。 pp1 在医院和眼镜店通常把在医院和眼镜店通常把1屈光度屈光度称为称为100度度。 人眼的调节能力随年龄的增加而变化。人眼的调节能力随年龄的增加而变化。 随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近移，因而调节范围减少。往近移，因而调节范围减少。 远点距倒数远点距倒数 称为称为远点视度远点视度， rr12瞳孔调节（适应特性）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。人眼还能在不同亮暗程度的条件

12、下工作。 这就是人眼的另一个特性这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮具有对周围空间光亮情况适应的过程情况适应的过程 称为称为适应适应（即为（即为瞳孔的调节瞳孔的调节）。）。 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（睛的进光亮（2mm8mm)。在设计目视光学仪器。在设计目视光学仪器时要充分考虑与眼瞳的配合。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，可分为生的变态过程，可分为对暗适应对暗适应和和对光适应对光适应两种，两种，前者发生在光亮处到黑暗处的时候，

13、前者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。自黑暗处到光亮处的时候。 三、眼睛的缺陷和矫正三、眼睛的缺陷和矫正f 正常眼在肌肉完全放松的自正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无远处的物体，即远点应在无限远（限远（r = 0），像方焦点正），像方焦点正好和视网膜重合好和视网膜重合 。ff 若不符合这一条件就是非正常眼，或称若不符合这一条件就是非正常眼，或称视力不正常。视力不正常。 f 最常见的有近视眼和远视眼。最常见的有近视眼和远视眼。f 所谓所谓近视眼近视眼就是其远点在眼睛前方就是其远点在眼睛前方有限有限

14、距离处（距离处（r 0），）， o 这是由于眼球偏短，这是由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜像方焦点位于视网膜的之后所致。因此，的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有射入眼睛的光束只有是会聚时，才能正好是会聚时，才能正好聚焦在视网膜上。聚焦在视网膜上。o 对应着正视度，需以对应着正视度，需以正透镜正透镜来使其远点恢复到来使其远点恢复到无限远。无限远。 o 近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来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测得，知道此值后即可求得所需眼镜的焦距。距。o 例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为度为-2个

15、屈光度（眼镜行业称近视个屈光度（眼镜行业称近视200度）度）o则其远点距则其远点距r = - 0.5 m，o需配需配焦距为焦距为-500mm的近视眼镜。的近视眼镜。目视光学仪器视度调节目视光学仪器视度调节o 人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正。以矫正。o 目视光学仪器要适应不同视力的人使用。目视光学仪器要适应不同视力的人使用。o 为此，目镜可以改变其前后的位置，使为此，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。目镜的前方或后方一定的位置。o 这就是目视光学仪器的视度调节。这

16、就是目视光学仪器的视度调节。物镜物镜目镜目镜正常眼正常眼近视眼近视眼远视眼远视眼f眼眼f眼眼f眼眼四、眼睛的分辨率（分辨本领）四、眼睛的分辨率（分辨本领）o 所谓所谓人眼的分辨能力人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时指的是成像在中央凹区时的分辨能力。的分辨能力。 ? 眼睛能分辨出两个非常近的点的能力眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛称为眼睛的分辨率（分辨本领）的分辨率（分辨本领）? 人眼的分辨率一般用人眼的分辨率一般用极限分辨角极限分辨角来表示。来表示。o 人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同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。时也是目视光学仪器设计

17、的重要依据之一。o 用其它观测设备（如照相机、用其它观测设备（如照相机、ccd等）替等）替代人眼时也可据此作为参考。代人眼时也可据此作为参考。?人眼刚能将两点分开的视角人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极称为眼睛的极限分辨角。限分辨角。?人眼分辨率人眼分辨率与与极限分辨角极限分辨角成反比成反比关系。关系。o现在从现在从两个不同的角度两个不同的角度来分析眼睛的极限来分析眼睛的极限分辨角的大小。分辨角的大小。 o首先从人眼的视网膜结构上来分析：首先从人眼的视网膜结构上来分析： ? 眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节物方节点点的张角成为两点间的的张角成为两点间

18、的角距离角距离或称为或称为视角。视角。o 如果这两点的像分别落在如果这两点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细被分隔开的两个视网膜细胞上，即得到胞上，即得到两个点的视两个点的视觉。觉。o 由此可见，眼睛的分辨率与由此可见，眼睛的分辨率与视网膜上两像点视网膜上两像点距离距离及视觉及视觉细胞的细胞的直径直径大小有关大小有关。 o 当两像点的间距大于（或等于）当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞的直径时，就认为眼视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。睛可以分辨。 o 人眼的极限分辨角人眼的极限分辨角可表示为可表示为 tgxj（rad）o 所以人眼的极限分辨角可表示为所以人眼的极限分辨角可表示为tgxj

19、fxj702062651170060.（rad） o 眼睛的极限分辨角眼睛的极限分辨角( rad )；o 视觉细胞的直径，约视觉细胞的直径，约0.006mm； o xj 像方节点到视网膜的距离像方节点到视网膜的距离o 应为应为 o 而当眼睛处于放松状态时，而当眼睛处于放松状态时，f = -17.1mm。上式可得：。上式可得：（秒）（秒）o 可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关波长有关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关。dd.140206265000550221o = 50 120”；o 在在良好的照明条件良好的照明条件下，一般认为下，一般认为 = 60” = 1 o 认为认为人眼的极限分辨角为人眼的极限分辨角为1 。o 在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。o 经常需要将一条直线重合到另一条直线，但是，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。要使两条直线完全重合是不可能的。o眼睛虽具有发现一个平眼睛