應(yīng)用光學(xué)第三章-眼睛和目視光學(xué)系統(tǒng)

1、第三章眼睛和目視光學(xué)系統(tǒng)主要內(nèi)容目視光學(xué)系統(tǒng)：與人眼配合使用，直接擴(kuò)大人眼視覺能力的光學(xué)系統(tǒng)。研究?jī)?nèi)容：WHY？為什么使用目視光學(xué)系統(tǒng)后能夠看得更遠(yuǎn)更細(xì)HOW？這些系統(tǒng)應(yīng)該怎樣構(gòu)成WHAT？對(duì)目視光學(xué)系統(tǒng)有什么要求3-1 人眼的光學(xué)特性眼睛的結(jié)構(gòu) 成像光學(xué)系統(tǒng)人眼 vs 照相機(jī)水晶體鏡頭；網(wǎng)膜底片；瞳孔光闌人眼是一架最高檔的照相機(jī)：自動(dòng)對(duì)目標(biāo)調(diào)焦（autofocusing)根據(jù)景物的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光能量（速度先決 1/100自動(dòng)調(diào)光圈； 光圈先決 - 自動(dòng)調(diào)速度）眼睛的視場(chǎng)很大150o人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié)（一）定義正常人眼睛在沒有調(diào)節(jié)的自然放松狀態(tài)時(shí)，無限遠(yuǎn)物體正好成像在視網(wǎng)膜上，

2、即眼睛的像方焦點(diǎn)正好與視網(wǎng)膜重合.人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié)看近距離物體時(shí)，在水晶體周圍肌肉的作用下，使水晶體前表面半徑變小，眼睛的焦距變短，此時(shí)有限距物體成像在視網(wǎng)膜上人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié)上述結(jié)論可用薄透鏡焦距公式簡(jiǎn)單分析人眼自動(dòng)調(diào)節(jié)眼睛的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上的這個(gè)過程稱為眼睛的視度調(diào)節(jié)。人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié)（二）視度 表示人眼的調(diào)節(jié)程度 與視網(wǎng)膜共軛的物面到眼睛距離的倒數(shù)，SD。 l 以米為單位，可正可負(fù)。例：觀察眼睛前方2米處的目標(biāo)時(shí)，眼睛的視度為：人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié)（三）幾個(gè)概念明視距離：一般人閱讀或操作時(shí)常把被觀察目標(biāo)放在眼前250mm處，此距離為明視距離。近點(diǎn)距離：人

3、眼通過調(diào)節(jié)所能看清物體的最短距離稱為近點(diǎn)距離。遠(yuǎn)點(diǎn)距離：人眼能看清的最遠(yuǎn)距離。最大調(diào)節(jié)范圍：遠(yuǎn)點(diǎn)距離與近點(diǎn)距離之間的視度之差。人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié)例：20歲的正常人眼明視距離：250mm，SD = -4。最大調(diào)節(jié)范圍：-10遠(yuǎn)點(diǎn)距離： 近點(diǎn)距離：SD = -10 人眼的調(diào)節(jié) - 瞳孔調(diào)節(jié) 在水晶體的前面有一層虹彩，它的中間有個(gè)圓孔叫瞳孔。瞳孔的大小可以改變。在白晝的時(shí)候外界光線較強(qiáng)，瞳孔會(huì)比較小，在昏暗的情況下瞳孔會(huì)自動(dòng)擴(kuò)大，以使更多的光線（光能）進(jìn)入眼睛。這叫“適應(yīng)”。瞳孔的大小可由2mm到8mm。 設(shè)計(jì)目視光學(xué)儀器時(shí)要考慮和人眼瞳孔的配合。人眼的分辨率人眼對(duì)物體的大小感覺：在視網(wǎng)膜上所

4、成實(shí)像大小造成感覺上“物體的大小”趣味光學(xué) 眼見為實(shí)嗎？數(shù)學(xué)表示視角：物體對(duì)水晶體物方節(jié)點(diǎn)張角。 像方 實(shí)質(zhì)是視網(wǎng)膜實(shí)像的大小，數(shù)學(xué)用表示方便。視角大，正切tan大，實(shí)像大，感覺物體大。為能看清物體的細(xì)節(jié)，較近好，此時(shí)大，感覺此物大。但不可能無限靠近，一般置于明視距離。2 人眼的分辨率定義：通常把眼睛剛能分辨的兩物點(diǎn)在網(wǎng)膜上成的兩像點(diǎn)之間的距離稱為眼睛的分辨率。量化：一般取0.006mm為人眼的分辨率，其對(duì)應(yīng)的人眼物空間的張角min為：以上是對(duì)兩物點(diǎn)的分辨率，如果觀察的是兩條平行直線，則分辨率可以提高到10”。3-2 放大鏡和顯微鏡的工作原理對(duì)于各類目視光學(xué)儀器的共同要求：對(duì)于目視光學(xué)儀器的一

5、個(gè)首要要求 擴(kuò)大視角。目標(biāo)通過儀器后應(yīng)成像在無限遠(yuǎn)，或者說要出射平行光束。擴(kuò)大視角用儀器觀察時(shí)網(wǎng)膜上的像高與人眼直接觀察時(shí)網(wǎng)膜上的像高之比，表示了該儀器的放大作用，一般用表示。等于同一目標(biāo)用儀器觀察時(shí)的視角和人眼直接觀察時(shí)的視角二者的正切之比，所以稱為儀器的視放大率。一、放大鏡（magnifier）的工作原理放大鏡用來觀察近距離微小物體。物在物方焦點(diǎn)，出射的是平行光束。人眼直接觀察設(shè)一微小物體其高為y，用肉眼直接觀察時(shí)不能離眼太近，放在l = -250mm處。此時(shí)，視角為：用放大鏡觀察對(duì)正常人眼，物正放在F上。人眼對(duì)被放大了的象的張角為：放大鏡的視覺放大率放大作用：視放大率：放大鏡成像原理圖用

6、作圖法或解析法可求出成一放大正立虛像。設(shè)計(jì)實(shí)例：放大鏡（n1.5） 已知5，求r1、r2；若10，求r1、r2 5105x10 x設(shè)計(jì)實(shí)例：只有兩塊5倍的，要求設(shè)計(jì)10倍的。將這兩塊合成:d取不同值時(shí)，兩塊搭成不同的倍率的放大鏡二、顯微鏡（microscope）的工作原理顯微鏡由物鏡和目鏡組成，用以觀察更微細(xì)物體顯微鏡的工作原理 兩級(jí)放大成像過程：物體首先經(jīng)過顯微物鏡并在目鏡的物方焦平面上形成一個(gè)放大的實(shí)像；再經(jīng)過目鏡成像在無限遠(yuǎn)。兩級(jí)放大：第一級(jí)：顯微物鏡將被觀察物體進(jìn)行尺寸放大；第二級(jí)：靠近眼睛的目鏡擴(kuò)大視角顯微鏡的視覺放大率式中：250mm是明視距離；f0 為物鏡焦距； fe為目鏡焦距。

7、上式說明顯微鏡的視覺放大率等于物鏡的垂軸放大率和目鏡的視覺放大率e之積。顯微鏡的互換性各國生產(chǎn)的通用顯微鏡從物平面到像平面的距離（共軛距），不論放大率如何都是相等的，大約為180mm。對(duì)于生物顯微鏡，我國規(guī)定為195mm。把顯微鏡的物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒長(zhǎng)度稱為機(jī)械筒長(zhǎng)，也是固定的。各國有不同標(biāo)準(zhǔn)，如160mm，170mm和190mm等，我國規(guī)定160mm為目鏡和物鏡定位面的標(biāo)準(zhǔn)距離。顯微鏡的物鏡和目鏡都可以根據(jù)倍率要求而替換。常用的物鏡倍率有4、10、40和100；常用的目鏡倍率有5、10和15 。人眼直接觀察0.001mm的物體所對(duì)應(yīng)的視角人眼通過顯微鏡看兩點(diǎn)時(shí)，若此兩點(diǎn)通過顯微鏡成

8、像后對(duì)人眼的張角大于1則人眼能分出這兩個(gè)點(diǎn) 設(shè)計(jì)一顯微鏡要求看清間距為0.001mm兩點(diǎn)，求顯微鏡的放大率。3-3 望遠(yuǎn)鏡（telescope）的工作原理望遠(yuǎn)鏡用來觀察無限遠(yuǎn)的物體物鏡的像方焦點(diǎn)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合，即光學(xué)間隔= 0。望遠(yuǎn)鏡的視角放大不用望遠(yuǎn)鏡時(shí)，遠(yuǎn)物對(duì)人眼的張角：通過望遠(yuǎn)鏡后，像對(duì)人眼的張角 ：望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率為： 望遠(yuǎn)鏡光組的幾個(gè)特點(diǎn)無焦系統(tǒng)（焦點(diǎn)在無限遠(yuǎn)）整個(gè)系統(tǒng)的垂軸放大率、軸向放大率和角放大率為一常數(shù)，與物體所在的位置無關(guān)。望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率與角放大率相等，但僅是值相同，其概念是不同的。望遠(yuǎn)鏡的分類的依據(jù)擴(kuò)大視角的要求可正可負(fù)物鏡為正透鏡，即fo0。目鏡焦距的正負(fù)決

9、定了的正負(fù)。望遠(yuǎn)鏡的分類開普勒望遠(yuǎn)鏡（ fe 0， 0）優(yōu)點(diǎn)：物鏡與目鏡之間有中間實(shí)像，可以安裝分劃板，便于瞄準(zhǔn)和測(cè)量。缺點(diǎn)：正立的物體成倒像，不方便觀察。需加入倒像系統(tǒng)。伽利略望遠(yuǎn)鏡（ fe 0）優(yōu)點(diǎn)：正像缺點(diǎn)：無法安裝分劃板；另視覺放大率受到物鏡口徑的限制，不可能很大，一般在2-3倍。設(shè)計(jì)實(shí)例例1：用望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)要鑒別5公里處200毫米的間距，應(yīng)選用多大倍率的望遠(yuǎn)鏡？例2：經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡視覺放大率=20，使用夾線瞄準(zhǔn)，問瞄準(zhǔn)角誤差等于多少？3-4 眼睛的缺陷和 目視光學(xué)儀器的適度調(diào)節(jié)一、眼睛的缺陷正常人眼：在自然狀態(tài)下，像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合近視眼：像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的前方遠(yuǎn)視眼：像方焦點(diǎn)

10、位于視網(wǎng)膜的后方無窮遠(yuǎn)物體不能在視網(wǎng)膜上清晰成像。而近距離物體，卻可以在網(wǎng)膜上清晰成像，即看遠(yuǎn)物不清晰，近物才看清。近視：看遠(yuǎn)物不清晰，近物才看清。遠(yuǎn)點(diǎn)：有限距離。（采用遠(yuǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視度來表示近視的程度。）例如遠(yuǎn)點(diǎn)距離l = -500mm，近視為-2視度（即200度）明視距離：近點(diǎn)距離（以20歲的人為例）：近視：看遠(yuǎn)物不清晰，近物才看清。近視鏡-發(fā)散透鏡；其焦距正好與遠(yuǎn)點(diǎn)距離相同。近視的矯正對(duì)于上述近視眼，配一負(fù)透鏡f = -500mm = -0.5m，即：，又稱200度近視鏡。以遠(yuǎn)視為+2個(gè)視度為例：遠(yuǎn)點(diǎn)：無限遠(yuǎn)明視距離：近點(diǎn)距離（以20歲的人為例）：遠(yuǎn)視：近點(diǎn)距離增加。遠(yuǎn)視鏡會(huì)聚透鏡遠(yuǎn)視的矯正二、視度調(diào)節(jié)通過改變目鏡的前后位置使儀器所成的像位于適當(dāng)?shù)奈恢茫赃m應(yīng)各種不同視力的人使用，這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)。3-5 空間深度感覺和雙眼立體視覺 當(dāng)觀察外界物體時(shí)，除了能夠知道物體的大小、 、亮暗以及表面 以外， 還能夠產(chǎn)生 的感覺。這種遠(yuǎn)近的感覺稱為空間深度感覺。形狀顏色遠(yuǎn)近單眼空間深度感覺當(dāng)物體的高度已知時(shí)，根據(jù)它對(duì)應(yīng)的視角大小來判斷它的遠(yuǎn)近；根據(jù)物體之間的遮蔽關(guān)系和日光的陰影也能判斷物體之間的相對(duì)位置；根據(jù)對(duì)物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空