工程光学2008（第六章）人眼的光学结构

1、1,2020/7/5,第六章 眼睛和放大镜,2,2020/7/5,6-1 人眼的结构,眼睛是一个完整的成像光学系统，同时又是目视光学系统的接收器，可以看成是整个光学系统的一个组成部分。,3,2020/7/5,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,脉络膜,眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。,虹膜,瞳孔,网膜,黄斑中心凹,盲斑,晶状体,前室,后室,1.336,视轴,1.3374,4,2020/7/5,角膜：角膜是由角质构成的透明球面，厚度约为0.55毫米，折射率为1.3771，外界的光线就是首先通过角膜进入眼睛的。 前室：角膜后面的一部分空间称为前室。

2、前室中充满了折射率为1.3374的透明液体，称为水状液，前室的深度大约为3.05毫米。 水晶体：它是由多层薄膜构成的一个双凸透镜。中间较硬，外层较软，在自然状态下，其前表面的半径为10.2毫米，后表面的半径为6毫米。各层的折射率不同，中央为1.42，最外层为1.373。借助于水晶体周围肌肉的作用，可以使前表面的半径发生变化，以改变眼睛的焦距，使不同距离的物体都能成像在视网膜上。 虹彩：它在水晶体前，中央是一个圆孔，它能限制进入眼睛的光束口径，称为瞳孔。随着被观察物体的亮暗程度，它能相应地改变瞳孔直径，以调节进入眼睛的光能量。,5,2020/7/5,后室：水晶体后面的空间称为后室，里面充满着一种

3、与蛋白质类似的透明液体，叫做玻璃液，它的折射率为1.336。 视网膜：后室的内壁为一层由视神经细胞和神经纤维构成的膜，称为视网膜，它是眼睛的感光部分。 脉络膜：网膜的外面包围着一层黑色膜，它的作用是吸收透过视网膜的光线，把后室变成一个暗室。 巩膜：它是一层不透明的白色外皮，将整个眼球包围起来。 黄斑：视网膜上视觉最灵敏的区域。 盲点：神经纤维的出口，由于没有感光细胞，所以不能产生视觉。,6,2020/7/5,黄斑,盲点,角膜,前室,虹彩,视轴,后室,水晶体,巩膜,脉络膜,网膜,7,2020/7/5,简约眼眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼,8,2020/7/5,简约眼,n=1.33,n=1

4、.0,R =5.56,R =9.7,9,2020/7/5,人眼与照相机,眼睛如同一只自动变焦和自动改变光圈大小的照相机。从光学角度看，眼睛中三个最重要的部分是水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对应与照相机中的镜头、光阑和底片。,10,2020/7/5,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：, 照相机 镜头 底片 光阑,11,2020/7/5,人眼相当于一架照相机，它可以自动对目标调焦,人眼在视网膜上成的是倒像。,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。,12,2020/7/5,6-2 眼睛的缺陷及

5、矫正,1眼睛的调节,对远近不同的物体，人眼能够自动地调节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称为眼睛的调节。,明视距离：是指正常的眼睛在正常照明下，最舒服的距离，为250mm。,13,2020/7/5,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，其相应的距离称为近点距，以 p 表示（米）,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/负的有限值。,正常眼睛的近点距约为眼前100mm。,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，其相应的距离称为远点距，以 r 表示（米）。,14,2020/7/5,2.视度调节范

6、围,人眼的调节范围是用远点距r的倒数和近点距p的倒数之差来描述，用A来表示，即,A的单位：屈光度（D）， 1D=m-1,A称为眼睛的视度调节范围或调节能力。,15,2020/7/5,近点距倒数 称为近点视度。,在医院和眼镜店通常把1屈光度称为100度。,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。,其中，远点距倒数 称为远点视度，,16,2020/7/5,眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围,17,2020/7/5,3.人眼的适应,眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。 适应可分为明适应和暗适应。前者发生在由暗处到亮处时，适应时间大约几秒钟；后者发生在由亮处到暗处时，适应

7、时间大约30-60秒钟。,18,2020/7/5,4.眼睛的缺陷和矫正,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，即远点应在无限远（R = 0）。,F,像方焦点正好和视网膜重合 。,19,2020/7/5,原理：加凹透镜使无限远物体经凹透镜后 成像于该近视眼的远点处。,二、人眼的缺陷及矫正,1、近视眼及矫正方法,近视眼：人眼在完全放松情况下， 无限远物体成像于视网膜前。,不恰当描述：近视眼就是越近的 物体越能看清楚。,矫正方法：配戴 的凹透镜。,其它矫正方法：角膜激光手术。,或：人眼在完全放松情况下，眼前 有限远物体成像于视网膜上。,正常眼：完全放松时，能看清处的物体。,3,

8、远点,20,2020/7/5,2、远视眼及矫正方法,远视眼：人眼在完全放松情况下， 无限远物体成像于视网膜后。,不恰当描述：远视眼就是越远的 物体越能看清楚。,矫正方法：配戴 的凸透镜。,其它矫正方法：角膜激光手术。,或：人眼在完全放松情况下，眼后 有限远物体成像于视网膜上。,4,远点,21,2020/7/5,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距。,例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为-2个屈光度（眼镜行业称近视200度）,则其远点距r = - 0.5 m，,需配焦距为-500mm的凹透镜眼镜。,远视眼的矫正度数有2种：1.远点视度可求得所需眼镜的焦

9、距。 2.将眼前250mm的物经眼镜（凸透镜）成像于眼睛的近点处。,22,2020/7/5,6-3 眼睛的分辨本领 瞄准精度,人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。,1.眼睛的分辨率,定义：眼睛能分辨开两个很靠近的点的能力称为眼睛的分辨率。,视角：物体的两端点对眼睛物方节点的张角称为眼睛的视角。,最小分辨距：在良好的照明条件下，通过理论计算得出人眼的极限分辨角为 =1。 相当于在明视距离处y=250tg=0.073mm,刚能分辨开的二个点对眼睛物方节点的张角称为眼睛的极限分辨角。,23,2020/7/5,在瞄准时，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。,眼睛虽

10、具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度。这个不重合限度的极限值称为人眼的瞄准精度。,人眼的瞄准精度一般用角度值来表示,2.瞄准精度,24,2020/7/5,两线宽的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值时，虽然还存在着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时角度值即为人眼瞄准精度。,人眼对于线条的变形或两条线错开造成的外形变化或比较两条线宽的变化具有很高的灵敏度。,25,2020/7/5,1、两实线瞄准 60,2、两实线端部瞄准1020 ,3、双线平分或对称瞄准510,4、虚线压测件轮廓边缘2030,如果选用合适的瞄准方式，可以提高人眼的分辨能力。,Next,26,2020

11、/7/5,6-4 放大镜的工作原理,物体对眼睛的视角，不仅取决于物体的大小，还取决于该物体到眼睛的距离，距离越近视角越大。,借助放大镜或显微镜将其放大，使像的视角大于人眼的极限分辨角 扩大视角是目视光学仪器的第一个要求。,一、目视光学仪器成像的要求,人眼在观察物体时完全放松的自然状态，即无限远目标成像到视网膜上。在利用仪器观察时，目标通过仪器后应成像在无限远处，即要求仪器出射平行光束 对目视光学仪器的第二个要求。,27,2020/7/5,通过仪器观察物体时，物体像的视角正切与人眼直接观察该物体时的视角正切之比。,二、目视仪器的视角放大率,28,2020/7/5,2.放大镜原理图,29,2020

12、/7/5,将横向放大率 代入上式得,30,2020/7/5,放大镜的放大率仅由放大镜的焦距f 所决定，焦距越大则放大率越小。,31,2020/7/5,三、放大镜(+人眼)系统的光束限制,孔径光阑： 入瞳： 出瞳：,眼瞳 眼瞳对放大镜成的像 眼瞳本身,视场光阑：,无,渐晕光阑：,透镜边框。,由于存在渐晕系数为零的视场位置，故透镜边框 实际上起到了限制视场的作用。,四、放大镜像差情况：存在全部七类像差，倍率不宜过大。,32,2020/7/5,本章小结,1.眼睛的成像光学系统：瞳孔（照相机光圈） 水晶体（镜头） 视网膜（底片框）,2.眼睛的调节范围：用视度调节范围表示。即,3.眼睛的缺陷及矫正：近视和远视,分别配戴负（发散）透镜，正（会聚）透镜,33,2020/7/5,5.分辨率是指眼睛能分开两最近点的能力，瞄准精度是指对两条线重合或置中、变形程度的能力。,6. 放大镜的成像原理,7.放大镜的视角放大率,4.眼睛的分辨本领：眼睛能分开的两相邻最近的点的能力。, = 60” = 1 .,34,2020/7/5,本次课要点,1.眼睛的主要光学结构有哪些