第三章眼睛的目视光学系统应用光学课件

19十二月2022第三章眼睛的目视光学系统应用光学18十二月2022第三章眼睛的目视光学系统应用光学1本章主要解决的问题：眼睛的构造望远镜、显微镜的工作原理眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷及调整本章主要解决的问题：眼睛的构造2第一节人眼的光学特性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，能够自动调节第一节人眼的光学特性人眼的构造从光学角度看，主要有三部分3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方节点连线视场：观察范围可达150゜头不动，能看清视轴中心6゜－8゜，要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动问题：照相机使物成倒像，人眼是否成倒像？视轴：黄斑中心与眼睛4眼睛的调节：视度调节、瞳孔调节1、视度调节定义：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’眼睛的调节：视度调节、瞳孔调节1、视度调节F’5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：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62、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2、瞳孔调节

虹膜可以自动瞳孔大小，以控制人眼的进光量7人眼的分辨率人眼刚能分清两物点在网膜上的像点之间的距离对两物点的分辨率：人眼的分辨率人眼刚能分清两物点在网膜上的像点之间的距离对两物8视神经细胞直径约为0.001-0.003mm，取0.006为眼睛的分辨率。通常用此距离在物空间对应的张角表示，称为视角分辨率。ω-y’视神经细胞直径约为0.001-0.003mm，取0.006为9

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，纵坐标代表相对分辨率（假定黄斑的分辨率等于1）。图5-4耳侧黄斑鼻侧视角分辨率（相对值）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10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。分辨率可以提高到10’’对线的分辨率：11在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准精度。综合一下，看得清的条件：必要条件：成像在视网膜上充分条件：对二点,视角》60”对二线,视角》10”在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准精度。综合一下，看得清12第二节放大镜和显微镜的工作原理人眼的视角分辨率（60”）。物高y和物距l满足关系：y/L≥0.0003（≈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接观察时的视角，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“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第二节放大镜和显微镜的工作原理人眼的视角分辨率（60”）13对各类目视光学仪器的共同要求1、扩大视角直接观察：用仪器观察：－y’眼－y’仪ω眼π’π’ω仪-y’眼=π’tgω眼-y’仪=π’tgω仪对各类目视光学仪器的共同要求1、扩大视角直接观察：用仪器观察14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，称为视角放大率，用Г表示。2、成像在无限远（出射平行光）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15目视光学仪器的视放大率大于1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。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；另一类叫显微镜，它是用于观察近距离微小目标的。目视光学仪器的视放大率大于116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可看清楚

如果物体对人眼张角小于60”，人眼看不见，则可以考虑借用仪器来观察。1.物体必须放在系统的物方焦平面处，使得出射光为平行光。2.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体对人眼的张角，人眼直接观察时物体放在250毫米处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可看17F-f=f’－y’

ω仪

F-f=f’－y’ω仪18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，物体放在离人眼250毫米处，如果不能满足这个条件，公式就不是250除以焦距

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？例如：15倍的放大镜，焦距为16.6，假设双凸，则两个半径为17毫米左右，若平凸，则半径为8.5毫米左右。

为此，设计了显微镜，即复杂化的放大镜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19显微镜的工作原理F’物F目-y

y’

ω仪

目镜物镜f’物-f目Δ显微镜同放大镜一样，需将物体放在物方焦平面处，为提高放大率，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，后面的系统叫目镜显微镜的工作原理F’物F目-yy’ω仪目镜物镜f’物-20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’

ω仪

目镜物镜f’物-f目Δ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-yy21显微镜的视放大率

显微镜的视放大率22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

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

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195毫米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23第三节望远镜的工作原理F’物F目第三节望远镜的工作原理F’物F目24F’物F目f’物－f目y’

ω’

-ω

用了仪器以后目标像对人眼的张角仪器的像方视场角人眼直接观察物体时对人眼的张角

F’物F目f’物－f目y’ω’-ω用了仪器以后25

26要增大视角成正像成反像两类系统1。刻卜勒望远镜2。伽利略望远镜要增大视角27开普勒望远镜：Г<0，成倒像，系统中存在实像伽利略望远镜：Г>0，成正像，系统中存在虚像F’物F目F’物F目开普勒望远镜：Г<0，成倒像，系统中存在实像伽利略望远镜：Г28性质：

y-y’Г=γ=1/β=D/D’性质：y-y’Г=γ=1/β=D/D’29第四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F’、远点和近点一、眼睛的缺陷和校正正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜上，即焦点F’与网膜重合F’第四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30

正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节可以将F’点前移，使像成在网膜上

人眼能看清的最远距离称为远点，远点是人眼自然状态下与网膜像相共轭的物平面位置

人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节可以将F’点前31F’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32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゜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0.5333、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？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344、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35F’F’36A1A2A3A4A1A2A3A4375、远视眼的校正F’远点采用正透镜，焦距等于远点距离5、远视眼的校正F’远点采用正透镜，焦距等于远点距离38对于正常人眼，随年龄增加调节能力减弱，如50岁，最大调节范围-2.5,近点距离为0+(-2.5)=-2.5,对应距离为-400mm;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-200mm,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。对于正常人眼，随年龄增加调节能力减弱，如50岁，最大调节范围39二、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40调节量的计算由xx’=ff’，x=-f’目2/x’=-SDf’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；调节量的计算由xx’=ff’，注意：41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第五节空间深度感觉和双眼立体视觉一、单眼深度感觉42B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Aα1α2B二、双眼深度感觉视轴：眼睛像方节点与黄斑中心连线Aα1α2432、立体视觉－－体视体视的产生(视差角)αBBAαAb1b2a2a1A、B离眼睛距离相同，此时：αA=aBb1、b2都在a1、a2的同侧；a1b1=a2b22、立体视觉－－体视体视的产生(视差角)αBBAαAb1b244若A、B离眼睛距离不等，有两种情况b1、b2位在a1、a2两侧b1、b2位在a1、a2同侧，但a1b1≠a2b2αAABαBa1b2a2b1αBBAαAb1b2a2a1αAαB＝若A、B离眼睛距离不等，有两种情况b1、b45体视锐度、体视半径、体视误差视差角之差Δα的大小标志着物体远近差别的大小Δα≤10″时，人眼就分不清A、B的远近区别了，这一极限值称为体视锐度人眼有体视的最大距离称为体视半径能够判断远近的体视范围内，对两物体是否处在同一空间深度的判断是有误差的，称为体视误差体视锐度、体视半径、体视误差视差角之差Δα的大小标志着物体远46立体视觉半径立体视觉误差立体视觉半径47第六节双眼观察仪器一、体视放大率

若人眼直接观察的视差角为α眼，通过仪器后视差角放大为α仪，则体视放大率定义为第六节双眼观察仪器一、体视放大率48人眼直接观察时进入仪器物方视差角通过仪器的视差角因此人眼直接观察时进入仪器物方视差角通过仪器的视差角因此49二、体视误差二、体视误差5019十二月2022第三章眼睛的目视光学系统应用光学18十二月2022第三章眼睛的目视光学系统应用光学51本章主要解决的问题：眼睛的构造望远镜、显微镜的工作原理眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷及调整本章主要解决的问题：眼睛的构造52第一节人眼的光学特性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，能够自动调节第一节人眼的光学特性人眼的构造从光学角度看，主要有三部分53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方节点连线视场：观察范围可达150゜头不动，能看清视轴中心6゜－8゜，要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动问题：照相机使物成倒像，人眼是否成倒像？视轴：黄斑中心与眼睛54眼睛的调节：视度调节、瞳孔调节1、视度调节定义：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’眼睛的调节：视度调节、瞳孔调节1、视度调节F’55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：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562、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2、瞳孔调节

虹膜可以自动瞳孔大小，以控制人眼的进光量57人眼的分辨率人眼刚能分清两物点在网膜上的像点之间的距离对两物点的分辨率：人眼的分辨率人眼刚能分清两物点在网膜上的像点之间的距离对两物58视神经细胞直径约为0.001-0.003mm，取0.006为眼睛的分辨率。通常用此距离在物空间对应的张角表示，称为视角分辨率。ω-y’视神经细胞直径约为0.001-0.003mm，取0.006为59

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，纵坐标代表相对分辨率（假定黄斑的分辨率等于1）。图5-4耳侧黄斑鼻侧视角分辨率（相对值）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60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。分辨率可以提高到10’’对线的分辨率：61在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准精度。综合一下，看得清的条件：必要条件：成像在视网膜上充分条件：对二点,视角》60”对二线,视角》10”在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准精度。综合一下，看得清62第二节放大镜和显微镜的工作原理人眼的视角分辨率（60”）。物高y和物距l满足关系：y/L≥0.0003（≈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接观察时的视角，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“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第二节放大镜和显微镜的工作原理人眼的视角分辨率（60”）63对各类目视光学仪器的共同要求1、扩大视角直接观察：用仪器观察：－y’眼－y’仪ω眼π’π’ω仪-y’眼=π’tgω眼-y’仪=π’tgω仪对各类目视光学仪器的共同要求1、扩大视角直接观察：用仪器观察64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，称为视角放大率，用Г表示。2、成像在无限远（出射平行光）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65目视光学仪器的视放大率大于1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。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；另一类叫显微镜，它是用于观察近距离微小目标的。目视光学仪器的视放大率大于166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可看清楚

如果物体对人眼张角小于60”，人眼看不见，则可以考虑借用仪器来观察。1.物体必须放在系统的物方焦平面处，使得出射光为平行光。2.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体对人眼的张角，人眼直接观察时物体放在250毫米处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可看67F-f=f’－y’

ω仪

F-f=f’－y’ω仪68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，物体放在离人眼250毫米处，如果不能满足这个条件，公式就不是250除以焦距

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？例如：15倍的放大镜，焦距为16.6，假设双凸，则两个半径为17毫米左右，若平凸，则半径为8.5毫米左右。

为此，设计了显微镜，即复杂化的放大镜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69显微镜的工作原理F’物F目-y

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ω仪

目镜物镜f’物-f目Δ显微镜同放大镜一样，需将物体放在物方焦平面处，为提高放大率，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，后面的系统叫目镜显微镜的工作原理F’物F目-yy’ω仪目镜物镜f’物-70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

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目镜物镜f’物-f目Δ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-yy71显微镜的视放大率

显微镜的视放大率72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

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

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195毫米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73第三节望远镜的工作原理F’物F目第三节望远镜的工作原理F’物F目74F’物F目f’物－f目y’

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用了仪器以后目标像对人眼的张角仪器的像方视场角人眼直接观察物体时对人眼的张角

F’物F目f’物－f目y’ω’-ω用了仪器以后75

76要增大视角成正像成反像两类系统1。刻卜勒望远镜2。伽利略望远镜要增大视角77开普勒望远镜：Г<0，成倒像，系统中存在实像伽利略望远镜：Г>0，成正像，系统中存在虚像F’物F目F’物F目开普勒望远镜：Г<0，成倒像，系统中存在实像伽利略望远镜：Г78性质：

y-y’Г=γ=1/β=D/D’性质：y-y’Г=γ=1/β=D/D’79第四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F’、远点和近点一、眼睛的缺陷和校正正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜上，即焦点F’与网膜重合F’第四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80

正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节可以将F’点前移，使像成在网膜上

人眼能看清的最远距离称为远点，远点是人眼自然状态下与网膜像相共轭的物平面位置

人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节可以将F’点前81F’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82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゜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0.5833、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？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844、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85F’F’86A1A2A3A4A1A2A3A4875、远视眼的校正F’远点采用正透镜，焦距等于远点距离5、远视眼的校正F’远点采用正透镜，焦距等于远点距离88对于正常人眼，随年龄增加调节能力减弱，如50岁，最大调节范围-2.5,近点距离为0+(-2.5)=-2.5,对应距离为-400mm;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-200mm,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。对于正常人眼，随年龄增加调节能力减弱，如50岁，最大调节范围89二、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