工程光学第7章眼睛、放大镜、显微镜、望远镜...

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。 • ε = 50~ 120”； • 在良好的照明条件下，一般认为
ε = 60” = 1’
• 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。
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一般视觉鉴别率取1 时，视觉敏锐度为1。 当瞳孔直径增大时，眼睛光学系统像差增大， 分辨能力随之减小。 对于目视光学仪器，光学系统的放大率和被观察 物体所需要的分辨率的乘积应等于眼睛的分辨率。 五. 眼睛的对准精度
②两物体横向距离太远；
③物体位于两眼的垂直平分线上； ④两物体之一为直线，且与两眼中心 连线平行。
第二节 放大镜 一. 视觉放大率 目视光学系统的放大率用视觉放大率表示，即用 仪器观察物体时视网膜上的像高和人眼直接观察 物体时像高之比：
yi l tan tan l tan tan ye tan y / D D 250mm,明视距离
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 前室 晶状体 盲斑 虹膜 网膜 脉络膜 黄斑中心凹
后室 总能将像成在网膜上。 角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液； 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体
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人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜
1.376
虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹 视轴
四. 眼睛的分辨率
视网膜上最小鉴别距离等于两神经细胞直径，不 小于0.006mm。 物体对人眼的张角称为视角，人眼能分辨的物点 间的最小视角称为视角鉴别率ε ：
0.006 tan 20626 5 f
眼睛的分辨能力或视觉敏锐度是极限鉴别率的 倒数： 1
视觉敏锐度

1.22 0.00055 140 206265 D D
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即两线宽的几何中心线对人 眼的张角小于某一角度值α 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α 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。 • 人眼通过两物的比较发现它们外形 变化的能力比分辨它们要强得多。
人眼的构造剖视图
瞳孔 角膜 虹膜
巩膜 脉络膜
*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的 颜色； *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2~8mm范围内变化；它是人眼的 2014-12-3 5 孔径光阑。
人眼的构造剖视图
瞳孔 角膜 虹膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
人眼 ↕ 照相机
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水晶体 ↕ ↕ 镜头
视网膜 瞳孔 ↕ 底片 光阑
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人眼相当于一架照相机，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， 人眼也是成倒像
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。
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标准眼： 根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，包 括角膜、水状液、玻状液和水晶体的折射率、各光学表面的 曲率半径、以及各有关距离。称满足这些光学常数值的眼睛 为标准眼 简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型，称为简约眼。
三. 眼睛—辐射接收器
杆状细胞对光刺激敏感，但不感色； 锥状细胞对颜色敏感，但感光能力差。 明视觉时，锥状细胞器作用；暗视觉时，主要杆状 细胞起作用。 适应有暗适应和亮适应两种，前者发 对光亮的自适应。 生在自亮处到暗处时，过程较慢，极
限为 60 分钟；后者发生在自暗处到亮 处时，过程较快，只需要几分钟。
两实线重合 双线对准单线
端点重合 叉线对准单线
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
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虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑 神经纤维 盲斑
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。
光
视神经细胞
大脑
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盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。 晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体， 2014-12-3
人眼的构造剖视图
瞳孔 角膜
巩膜
虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高 成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围肌肉 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时， 2014-12-3 8
显微镜
望远镜 目镜 摄影系统 投影系统 变焦距光学系统
第一节 眼睛及其光学系统 一. 眼睛的结构—成像光学系统
人眼的构造剖视图
角膜
巩膜 脉络膜
*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬； *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；厚度仅为0.55mm,折射率1.3771； *脉络膜是眼球的第二层膜，吸收透过网膜的光线，使后室成为暗 室； 2014-12-3 4
lr：远点距离， l p：近点距离 R：远点发散度， P：近点发散度
当人眼观察在调解范围内的某一距离l处 的物体时，它总能清晰地成像在视网膜上。
A称为眼睛的调节范围或调节能力。
如果 l 的单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度
1 D l
如观察眼前10米的物体，对应的视度为
1 D 0.1 屈光度。 l
即应配-500度的近视眼镜。
近点在眼前1.25m处，应配多少度的眼镜？
将近点校正到250mm处： 光焦度
1 1 1 1 1 3.2(m 1 ) 3.2( D) f ' l ' l 1.25 0.25
即应配 320 度的眼镜。
当水晶体两表面不对称时，细光束的两个主截面 光线不交于一点---散光。 用两正交的黑白线条图案可以检验散光，由于存在 像散，不同方向的线条不能同时看清。
由于成像理论的逐步完善，构成了许多在 科学技术和国民经济中得到广泛应用的光学 系统，例如放大镜、显微镜、望远镜、摄影 仪器和投影仪器等。本章主要介绍上述光学 系统的成像特性和设计要求，组成上述光学 系统的物镜和目镜的结构型式及其主要光学 参数等。
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第七章 典型光学系统
眼睛
放大镜
晶体的折射率逐渐增加的；
瞳孔直径可自动变化（2-8mm），调节进入人眼
的光能（孔径光阑）；
主平面 H和 H距角膜顶点后约 1.3和1.6mm； 焦距约为：
f 17mm, f 23mm
视场可达1500，能同时清晰观察物体的范围只在 视轴周围60-80。
二. 眼睛的调节与校正
眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的 过程—眼睛的调节。 通过环形肌肉的调节，是水晶体曲率变化来实现 的，曲率半径变小，曲率增大，焦距变小。 眼睛的调节能力是以远点距离和近点距离的倒数 之差来度量的，单位为屈光度（D），1D=1m-1： 1 1 A RP lr l p
Lmax b / min 1200 m
双眼能分辨两点间的最短深度距离—立体视觉阈： 2 L L / b 物体越远， 立体视觉误差越大
b 62m m, min 10 0.00005 L 8 104 L2
不能产生体视感觉的几种情况： ①如右图，C、D两点的像在右眼重合；
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远点距倒数
1 R r
称为远点视度，
近点距倒数
1 P p
称为近点视度。
在医院和眼镜店通常把1屈光度称为100度。
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，因而调节范围减少。
表是正常眼在不同年龄时的调节能力： 年 龄 (岁) 10 20 近点距p ( 米) -0.071 -0.100 远点距 r (米) ∞ ∞
7 4.5 2.5 1.00 0.25 0.00
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表7-1：
随着年龄的增大，调节范围变小。 60岁时，远点在200cm，即只有入射汇聚光束， 汇聚点在眼睛后200cm时才能在视网膜形成清晰 的像。
明视距离：250mm。 远点在无限远---正常眼； 远点在眼前有限远---近视眼；（负透镜校正） 远点在眼后有限远---远视眼；（正透镜校正） 50岁以后的远视眼---老花眼。
这里必须指出，近点距离并不是明视距离
后者是指正常的眼睛在正常照明（约50勒克斯）下 最方便和最习惯的工作距离，它等于250mm。
视度：非正常眼的程度，用远点距离的倒数表 示。单位为屈光度(D)。1D为100度。 远点在眼前0.2m，应配多少度的近视眼镜？
将远点恢复到无穷远： 光焦度
1 1 5.0( m 1 ) 5.0( D) f' l'
A b / L
两不同距离的物点对应不同 的视差角，其差异—立体视差。 立体视差大，人眼感觉两物体 的纵向深度大。 能感觉到的最小立体视差—体视锐度。
无限远物点对应的视差角为零，当物点对应的 视差角等于体视锐度时，人眼刚好可分辨它和 无限远物点的距离差别，这个距离为人眼能分 辨远近的最大距离—立体视觉半径：
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形成对眼睛瞄准有利的条件。 • 瞄准精度和分辨率是两个概念。
• 又有一定的联系，经验证明，人眼的最高瞄准 精度约为分辨率的1/6至1/10。
• 1、两实线瞄准 ±60"
• 2、两实线端部瞄准±10~20 " • 3、叉线瞄准精度±5~10" • 4、双线平分或对称瞄准±5~10"
前室
1.336
晶状体 后室 1.336
光轴
盲斑
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。
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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。 眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：
(屈光度) -14 -10
(屈光度) 0 0
(屈光度)
14 10
30 40 50 60 70 80
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-0.143 -0.222 -0.40 -2.00 1.00 0.40
-7 -4.5 -2.5 -0.5 1.00 2.50
∞ ∞ ∞ 2.0 0.80 0.40
0 0 0 0.5 1.25 2.5
简约眼参数： 介质折射率：n=1.3333 物方焦距：f '≈-17mm 折射面半径：r1=5.77mm 像方焦距：f '≈23mm
光焦度：D=58.48(1/m)
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网膜半径：r2=9.7mm
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空气和角膜之间的界面有较大的折射率差，物体 主要通过这个界面成像在视网膜上； 水晶体的曲率半径可调（40mm-70mm），改变 焦距，使不同距离的物体均能在视网膜成像；水
p 2 1 p p1 D p p
p 2 p2 p D p p
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若眼睛调节在无限远，P＝∞，远、近景深距离为
P1∞＝+DP/ε P2∞＝－DP/ε
双目观察物体时，视差角； 视觉基线—两眼节点连线； 物体远近不同，眼球转动 角度不同，肌肉的紧张不 同，从而感知物体远近。
*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
细胞，锥状细胞源自文库径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米 ，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 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；
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人眼的构造剖视图
瞳孔 角膜
巩膜
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六、眼睛的景深
ε
c d
设Dp为人眼的直径，ε为节点处的人眼分辨角
由图可知：ab = - pε ΔabA2∽ΔA2cd
Dp pDp p ; p2 p2 p2 p Dp p
Dp
由ΔA1ab∽ΔA1cd 远景深 近景深
pDp p ; p1 p1 p p1 D p p