工程光學(xué)2008第六章人眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)

第六章

眼睛和放大鏡12/11/20221醫(yī)學(xué)ppt§6-1人眼的結(jié)構(gòu)

眼睛是一個(gè)完整的成像光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)又是目視光學(xué)系統(tǒng)的接收器，可以看成是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。12/11/20222醫(yī)學(xué)ppt人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜

脈絡(luò)膜眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線(xiàn)為眼睛的視軸,在觀察物體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。虹膜瞳孔網(wǎng)膜

黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室1.336視軸1.337412/11/20223醫(yī)學(xué)ppt角膜：角膜是由角質(zhì)構(gòu)成的透明球面，厚度約為0.55毫米，折射率為1.3771，外界的光線(xiàn)就是首先通過(guò)角膜進(jìn)入眼睛的。前室：角膜后面的一部分空間稱(chēng)為前室。前室中充滿(mǎn)了折射率為1.3374的透明液體，稱(chēng)為水狀液，前室的深度大約為3.05毫米。水晶體：它是由多層薄膜構(gòu)成的一個(gè)雙凸透鏡。中間較硬，外層較軟，在自然狀態(tài)下，其前表面的半徑為10.2毫米，后表面的半徑為6毫米。各層的折射率不同，中央為1.42，最外層為1.373。借助于水晶體周?chē)∪獾淖饔茫梢允骨氨砻娴陌霃桨l(fā)生變化，以改變眼睛的焦距，使不同距離的物體都能成像在視網(wǎng)膜上。虹彩：它在水晶體前，中央是一個(gè)圓孔，它能限制進(jìn)入眼睛的光束口徑，稱(chēng)為瞳孔。隨著被觀察物體的亮暗程度，它能相應(yīng)地改變瞳孔直徑，以調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光能量。12/11/20224醫(yī)學(xué)ppt后室：水晶體后面的空間稱(chēng)為后室，里面充滿(mǎn)著一種與蛋白質(zhì)類(lèi)似的透明液體，叫做玻璃液，它的折射率為1.336。視網(wǎng)膜：后室的內(nèi)壁為一層由視神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)纖維構(gòu)成的膜，稱(chēng)為視網(wǎng)膜，它是眼睛的感光部分。脈絡(luò)膜：網(wǎng)膜的外面包圍著一層黑色膜，它的作用是吸收透過(guò)視網(wǎng)膜的光線(xiàn)，把后室變成一個(gè)暗室。鞏膜：它是一層不透明的白色外皮，將整個(gè)眼球包圍起來(lái)。黃斑：視網(wǎng)膜上視覺(jué)最靈敏的區(qū)域。盲點(diǎn)：神經(jīng)纖維的出口，由于沒(méi)有感光細(xì)胞，所以不能產(chǎn)生視覺(jué)。12/11/20225醫(yī)學(xué)ppt黃斑盲點(diǎn)角膜前室虹彩視軸后室水晶體鞏膜脈絡(luò)膜網(wǎng)膜12/11/20226醫(yī)學(xué)ppt簡(jiǎn)約眼

眼睛簡(jiǎn)化成一個(gè)折射球面的模型，即簡(jiǎn)約眼

折射面的曲率半徑像方介質(zhì)的折射率網(wǎng)膜的曲率半徑物方焦距像方焦距光焦度5.56mm1.3339.7mm-16.70mm22.26mm59.88D12/11/20227醫(yī)學(xué)ppt簡(jiǎn)約眼n=1.33n=1.0R=5.56R=9.712/11/20228醫(yī)學(xué)ppt人眼與照相機(jī)眼睛如同一只自動(dòng)變焦和自動(dòng)改變光圈大小的照相機(jī)。從光學(xué)角度看，眼睛中三個(gè)最重要的部分是水晶體、瞳孔和網(wǎng)膜，它們分別對(duì)應(yīng)與照相機(jī)中的鏡頭、光闌和底片。12/11/20229醫(yī)學(xué)ppt

從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。人眼水晶體視網(wǎng)膜瞳孔眼睛和照相機(jī)很相似，如果對(duì)應(yīng)起來(lái)看：???照相機(jī)鏡頭底片光闌12/11/202210醫(yī)學(xué)ppt人眼相當(dāng)于一架照相機(jī)，它可以自動(dòng)對(duì)目標(biāo)調(diào)焦人眼在視網(wǎng)膜上成的是倒像。但我們感覺(jué)為什么還是正立的？這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果。12/11/202211醫(yī)學(xué)ppt§6-2

眼睛的缺陷及矯正

1．眼睛的調(diào)節(jié)對(duì)遠(yuǎn)近不同的物體，人眼能夠自動(dòng)地調(diào)節(jié)眼睛中水晶體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。眼睛自動(dòng)改變焦距的過(guò)程稱(chēng)為眼睛的調(diào)節(jié)。

明視距離：是指正常的眼睛在正常照明下，最舒服的距離，為250mm。

12/11/202212醫(yī)學(xué)ppt當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點(diǎn)稱(chēng)為近點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱(chēng)為近點(diǎn)距，以p表示（米）

正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為負(fù)的無(wú)限遠(yuǎn)，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一正/負(fù)的有限值。正常眼睛的近點(diǎn)距約為眼前100mm。當(dāng)肌肉完全放松時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱(chēng)為遠(yuǎn)點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱(chēng)為遠(yuǎn)點(diǎn)距，以r表示（米）。

12/11/202213醫(yī)學(xué)ppt

2.視度調(diào)節(jié)范圍人眼的調(diào)節(jié)范圍是用遠(yuǎn)點(diǎn)距r的倒數(shù)和近點(diǎn)距p的倒數(shù)之差來(lái)描述，用A來(lái)表示，即A的單位：屈光度（D），1D=m-1A稱(chēng)為眼睛的視度調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。12/11/202214醫(yī)學(xué)ppt近點(diǎn)距倒數(shù)稱(chēng)為近點(diǎn)視度。

在醫(yī)院和眼鏡店通常把1屈光度稱(chēng)為100度。

隨著年齡的增大，近點(diǎn)位置往遠(yuǎn)移，遠(yuǎn)點(diǎn)位置往近移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。

其中，遠(yuǎn)點(diǎn)距倒數(shù)稱(chēng)為遠(yuǎn)點(diǎn)視度，

12/11/202215醫(yī)學(xué)ppt眼睛在不同年齡時(shí)的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)范圍年齡1020304050607080近點(diǎn)距(mm)-7-10-14-22-40-20010040遠(yuǎn)點(diǎn)距（mm)2008040A=R-P(屈光度)141074.52.510.25012/11/202216醫(yī)學(xué)ppt3.人眼的適應(yīng)

眼睛能適應(yīng)不同亮暗環(huán)境的能力稱(chēng)為適應(yīng)。適應(yīng)可分為明適應(yīng)和暗適應(yīng)。前者發(fā)生在由暗處到亮處時(shí)，適應(yīng)時(shí)間大約幾秒鐘；后者發(fā)生在由亮處到暗處時(shí)，適應(yīng)時(shí)間大約30-60秒鐘。

12/11/202217醫(yī)學(xué)ppt4.眼睛的缺陷和矯正正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無(wú)限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無(wú)限遠(yuǎn)（R=0）。

F'像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合

。12/11/202218醫(yī)學(xué)ppt原理：加凹透鏡使無(wú)限遠(yuǎn)物體經(jīng)凹透鏡后成像于該近視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)處。二、人眼的缺陷及矯正

1、近視眼及矯正方法

近視眼：人眼在完全放松情況下，無(wú)限遠(yuǎn)物體成像于視網(wǎng)膜前。不恰當(dāng)描述：近視眼就是越近的物體越能看清楚。

矯正方法：配戴的凹透鏡。

其它矯正方法：角膜激光手術(shù)。

或：人眼在完全放松情況下，眼前

有限遠(yuǎn)物體成像于視網(wǎng)膜上。F’

正常眼：完全放松時(shí)，能看清∞處的物體。

F’

3遠(yuǎn)點(diǎn)

12/11/202219醫(yī)學(xué)ppt2、遠(yuǎn)視眼及矯正方法

遠(yuǎn)視眼：人眼在完全放松情況下，無(wú)限遠(yuǎn)物體成像于視網(wǎng)膜后。不恰當(dāng)描述：遠(yuǎn)視眼就是越遠(yuǎn)的物體越能看清楚。

矯正方法：配戴的凸透鏡。

其它矯正方法：角膜激光手術(shù)?；颍喝搜墼谕耆潘汕闆r下，眼后

有限遠(yuǎn)物體成像于視網(wǎng)膜上。3、散光眼散光眼：不同主截面內(nèi)光線(xiàn)匯聚點(diǎn)不同。有正常和非正常散光眼。雙心柱面透鏡矯正正常散光眼。F’4遠(yuǎn)點(diǎn)

12/11/202220醫(yī)學(xué)ppt近視眼或遠(yuǎn)視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)視度可通過(guò)儀器來(lái)測(cè)得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。例如：有一近視眼，通過(guò)驗(yàn)光得知其遠(yuǎn)點(diǎn)視度為-2個(gè)屈光度（眼鏡行業(yè)稱(chēng)近視200度）則其遠(yuǎn)點(diǎn)距r=-0.5m，需配焦距為-500mm的凹透鏡眼鏡。遠(yuǎn)視眼的矯正度數(shù)有2種：1.遠(yuǎn)點(diǎn)視度可求得所需眼鏡的焦距。2.將眼前250mm的物經(jīng)眼鏡（凸透鏡）成像于眼睛的近點(diǎn)處。12/11/202221醫(yī)學(xué)ppt§6-3

眼睛的分辨本領(lǐng)瞄準(zhǔn)精度人眼的分辨率一般用極限分辨角來(lái)表示。1.眼睛的分辨率

定義：眼睛能分辨開(kāi)兩個(gè)很靠近的點(diǎn)的能力稱(chēng)為眼睛的分辨率。視角：物體的兩端點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角稱(chēng)為眼睛的視角。

最小分辨距：在良好的照明條件下，通過(guò)理論計(jì)算得出人眼的極限分辨角為ε=1′。相當(dāng)于在明視距離處y=250tgε=0.073mm剛能分辨開(kāi)的二個(gè)點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角稱(chēng)為眼睛的極限分辨角。

-y′12/11/202222醫(yī)學(xué)ppt在瞄準(zhǔn)時(shí)，經(jīng)常需要將一條直線(xiàn)重合到另一條直線(xiàn)。但是，要使兩條直線(xiàn)完全重合是不可能的。眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線(xiàn)的不重合能力，但也有一定的限度。這個(gè)不重合限度的極限值稱(chēng)為人眼的瞄準(zhǔn)精度。人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來(lái)表示

2.瞄準(zhǔn)精度12/11/202223醫(yī)學(xué)ppt兩線(xiàn)寬的幾何中心線(xiàn)對(duì)人眼的張角小于某一角度值α?xí)r，雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)α角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。人眼對(duì)于線(xiàn)條的變形或兩條線(xiàn)錯(cuò)開(kāi)造成的外形變化或比較兩條線(xiàn)寬的變化具有很高的靈敏度。12/11/202224醫(yī)學(xué)ppt1、兩實(shí)線(xiàn)瞄準(zhǔn)±60"

2、兩實(shí)線(xiàn)端部瞄準(zhǔn)±10~20

"3、雙線(xiàn)平分或?qū)ΨQ(chēng)瞄準(zhǔn)±5~10"

4、虛線(xiàn)壓測(cè)件輪廓邊緣±20~30"

如果選用合適的瞄準(zhǔn)方式，可以提高人眼的分辨能力。Next12/11/202225醫(yī)學(xué)ppt

§6-4放大鏡的工作原理

物體對(duì)眼睛的視角，不僅取決于物體的大小，還取決于該物體到眼睛的距離，距離越近視角越大。借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使像的視角大于人眼的極限分辨角—擴(kuò)大視角是目視光學(xué)儀器的第一個(gè)要求。一、目視光學(xué)儀器成像的要求人眼在觀察物體時(shí)完全放松的自然狀態(tài)，即無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)成像到視網(wǎng)膜上。在利用儀器觀察時(shí)，目標(biāo)通過(guò)儀器后應(yīng)成像在無(wú)限遠(yuǎn)處，即要求儀器出射平行光束—對(duì)目視光學(xué)儀器的第二個(gè)要求。12/11/202226醫(yī)學(xué)ppt

通過(guò)儀器觀察物體時(shí)，物體像的視角ω’正切與人眼直接觀察該物體時(shí)的視角ω正切之比。二、目視儀器的視角放大率-y′-y〞

12/11/202227醫(yī)學(xué)ppt

2.放大鏡原理圖

y'yABA'B'FF'ω’P'-ff’-x’a’-y′250mmy12/11/202228醫(yī)學(xué)ppt將橫向放大率代入上式得12/11/202229醫(yī)學(xué)ppt放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距f′所決定，焦距越大則放大率越小。

y'yABA'B'FF'ω’P'-ff’-x’a’12/11/202230醫(yī)學(xué)ppt三、放大鏡(+人眼)系統(tǒng)的光束限制孔徑光闌：入瞳：出瞳：眼瞳眼瞳對(duì)放大鏡成的像眼瞳本身

眼瞳視場(chǎng)光闌：

無(wú)

漸暈光闌：透鏡邊框。由于存在漸暈系數(shù)為零的視場(chǎng)位置，故透鏡邊框?qū)嶋H上起到了限制視場(chǎng)的作用。

結(jié)論放大鏡直徑越大人眼離透鏡越近放大鏡倍率越小視場(chǎng)越大四、放大鏡像差情況：存在全部七類(lèi)像差，倍率不宜過(guò)大。經(jīng)推導(dǎo)可得：物方線(xiàn)視場(chǎng)(50%漸暈時(shí))12/11/202231醫(yī)學(xué)ppt本章小結(jié)1.眼睛的成像光學(xué)系統(tǒng)：瞳孔（照相機(jī)光圈）水晶體（鏡頭）視網(wǎng)膜（底片框）2.眼睛的調(diào)節(jié)范圍：用視度調(diào)節(jié)范圍表示。即3.眼睛的缺陷及矯正：近視和遠(yuǎn)視分別配戴負(fù)（發(fā)散）透鏡，正（會(huì)聚）透鏡12/11/202232醫(yī)學(xué)ppt5.分辨率是指眼睛能分開(kāi)兩最近點(diǎn)的能力，瞄準(zhǔn)精度是指對(duì)兩條線(xiàn)重合或置中、變形程度的能力。6.放大鏡的成像原理

7.放大鏡的視角放大率4.眼睛的分辨本領(lǐng)：眼睛能分開(kāi)的兩相鄰最近的點(diǎn)的能力。

ε=60”=1’.12/11/202233醫(yī)學(xué)ppt本次課要點(diǎn)