应用光学第九章1ppt课件

1、2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所1第九章第九章 典型光学系统典型光学系统2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所2这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称为目视光学系统力的，称为目视光学系统 9-1 人眼的光学特性 (3-1、3- 4)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 在角膜和视网膜之间的生物构造在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元。均可以看作成像元。2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技

2、术与装备研究所3人眼的构造剖视图2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所4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；2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所5人眼的

3、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直径在膜肌肉能使瞳孔的直径在28mm28mm范围内变化；它是人眼范围内变化；它是人眼的孔径光阑。的孔径光阑。2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所6人眼的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；杆状细胞直径约微米；

4、杆状细胞直径约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。在黄斑中心凹处微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹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；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；黄斑中心凹黄斑中心凹2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所7人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 光脉络膜脉络膜 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

5、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2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所8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2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技

6、术与装备研究所9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2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所10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1.3761.33

7、61.336光轴光轴视轴视轴2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所11 眼睛的视场很大，可达150，但只有黄斑附近才能清晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看清物体的角度范围为6 8。 从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视网膜和瞳孔。从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视网膜和瞳孔。 人眼 水晶体 视网膜 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 镜头 底片 光阑2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所12人眼相当于一架照相机，它可以自动对目标调焦人眼相当于一

8、架照相机，它可以自动对目标调焦照相机中，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。2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所13二、眼睛的调节二、眼睛的调节 眼睛有两类调节功能：视度调节眼睛有两类调节功能：视度调节 和瞳孔调节。和瞳孔调节。 1 1视度调节视度调节 远近不同的其他物体，物距不同，则不会成像在视网膜上，这样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。我们就看不

9、清。 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。距，使像落在视网膜上。 眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节。眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节。2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所14 正常人眼在完全放松的自然状态下，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，即眼睛的无限远目标成像在视网膜上，即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，人眼水晶体周围肌肉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

10、小收缩，使水晶体前表面半径变小 眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前移，眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前移，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。2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所15当肌肉完全放松时通过调节），眼睛当肌肉完全放松时通过调节），眼睛所能看清的最远的点称为远点，其相应所能看清的最远的点称为远点，其相应的距离称为远点距，以的距离称为远点距，以 r 表示米）表示米） 当肌肉在最紧张时通过调节），眼睛所当肌肉在最紧张时通过调节），眼睛所能看清的最近的点称为近点，其相应的距能看清的最近的点称为近点，其相应的距离称为近点距，以

11、离称为近点距，以 p 表示米）表示米） 正常眼睛的远点距为负的无限远，非正常眼睛远正常眼睛的远点距为负的无限远，非正常眼睛远视或近视的远点距为一正视或近视的远点距为一正/负的有限值。负的有限值。 这里必须指出，近点距离并不是明视距离这里必须指出，近点距离并不是明视距离 2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所16 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勒克斯勒克斯下最方便和最习惯的工作距离，它等于下最方便和最习惯的工作距离，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

12、的调节能力是用远点距人眼的调节能力是用远点距r的倒数和近点距的倒数和近点距p的倒的倒数之差来描述，用数之差来描述，用A来表示，即来表示，即2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所17A称为眼睛的调节范围或调节能力。称为眼睛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处的物处的物体时，它总能清晰地成像在视网膜上。体时，它总能清晰地成像在视网膜上。 假如假如 l 的单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度的单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度如观察眼前如观察眼前10米的物体，对应的视度为米的物体

13、，对应的视度为 屈光度。屈光度。 lSD12021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所18近点距倒数近点距倒数 称为近点视度。称为近点视度。 Pp1在医院和眼镜店通常把在医院和眼镜店通常把1屈光度称为屈光度称为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，远点位置往近移，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。因而调节范围减少。 远点距倒数远点距倒数 称为远点视度，称为远点视度， Rr12021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究

14、所19 2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下工作。这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情况适应的过程况适应的过程 称为适应即为瞳孔的调节）。称为适应即为瞳孔的调节）。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生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

15、对暗适应和对光适应两种，前的变态过程，可分为对暗适应和对光适应两种，前者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。暗处到光亮处的时候。 2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所20三、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然状态正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远即远点应在无限远R = 0），），F 像方焦点正好和视网膜重合像方焦点正好和视网膜重合 FF 若不符合这一条件就是若不符合这一条件就是F非

16、正常眼，或称视力不正常非正常眼，或称视力不正常 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2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所21F 所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处r 0），）， 这是由于眼球偏短，像这是由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜的之方焦点位于视网膜的之后所致。因而，射入眼后所致。因而，射入眼睛的光束只有是会聚时，睛的光束只有是会聚时，才能正好聚焦在视网膜才能正好聚焦在视网膜上。上。对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远。对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远。 202

17、1-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所23近视眼或远视眼的远点视度可通过仪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器来测得，知道此值后即可求得所需眼镜的焦距。眼镜的焦距。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个屈光度眼镜行业称近视个屈光度眼镜行业称近视200度）度）则其远点距则其远点距r = - 0.5 m，需配焦距为需配焦距为-500mm的近视眼镜。的近视眼镜。2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所24目视光学仪器视度调节目视光学仪器视度调节

18、人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正矫正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为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪为此，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，而位于目镜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的前方或后方一定的位置这就是目视光学仪器的视度调节这就是目视光学仪器的视度调节2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所25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2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工

19、大光电测控技术与装备研究所26四、眼睛的分辨率分辨本领）四、眼睛的分辨率分辨本领）所谓人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力。所谓人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力。 ?眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分辨率分眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分辨率分辨本领）辨本领）?人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视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。光学仪器设计的重要依据之一。用其它观测设备如照相机、用其它观测设备如照相机、CCD等替代人眼时也等替

20、代人眼时也可据此作为参考。可据此作为参考。2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所27?人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角?人眼分辨率与极限分辨角成反比关系人眼分辨率与极限分辨角成反比关系现在从两个不同的角度来分析眼睛的极限分辨角的现在从两个不同的角度来分析眼睛的极限分辨角的大小。大小。 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，这两点对眼睛物方节眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节点的张角成为两点间的角距离或称为视角点的张角成为两点间的角距离或称为

21、视角2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所28如果这两点的像分别如果这两点的像分别落在被分隔开的两个落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即得视网膜细胞上，即得到两个点的视觉到两个点的视觉由此可见，眼睛的分辨率与视由此可见，眼睛的分辨率与视网膜上两像点距离及视觉细胞网膜上两像点距离及视觉细胞的直径大小有关的直径大小有关 当两像点的间距大于或等于视觉细当两像点的间距大于或等于视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。 人眼的极限分辨角可表示为人眼的极限分辨角可表示为 tgxj（rad）2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究

22、所哈工大光电测控技术与装备研究所29 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tgxjfxj702062651170060.（rad） 眼睛的极限分辨角眼睛的极限分辨角( rad )； 视觉细胞的直径，约为视觉细胞的直径，约为0.006mm； xj 像方节点到视网膜的距离像方节点到视网膜的距离应为应为 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）2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所30可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有可以看出，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。关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关。DD.140206265000550221 = 50 120”；在良好的照明条件下，一般认为在良好的照明条件下，一般认为 = 60” = 1 认为人眼的极限分辨角为认为人眼的极限分辨角为1。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。2021-12-14哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所31经常需要将一条直线重合到另一经常需要将一条直线重