應用光學課件：ch3 眼睛和目視光學系統(tǒng)

1、第三章,眼睛和目視光學系統(tǒng),主要內容,目視光學系統(tǒng)：與人眼配合使用，直接擴大人眼視覺能力的光學系統(tǒng)。 研究內容： WHY？為什么使用目視光學系統(tǒng)后能夠看得更遠更細 HOW？這些系統(tǒng)應該怎樣構成 WHAT？對目視光學系統(tǒng)有什么要求,3-1 人眼的光學特性,眼睛的結構 成像光學系統(tǒng),人眼 vs 照相機,水晶體鏡頭；網膜底片；瞳孔光闌 人眼是一架最高檔的照相機： 自動對目標調焦（autofocusing) 根據(jù)景物的亮度自動調節(jié)進入眼睛的光能量 （速度先決 1/100自動調光圈； 光圈先決 - 自動調速度） 眼睛的視場很大150o,人眼的調節(jié) - 視度調節(jié),（一）定義 正常人眼睛在沒有調節(jié)的自然放松

2、狀態(tài)時，無限遠物體正好成像在視網膜上，即眼睛的像方焦點正好與視網膜重合.,人眼的調節(jié) - 視度調節(jié),看近距離物體時，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，此時有限距物體成像在視網膜上,人眼的調節(jié) - 視度調節(jié),上述結論可用薄透鏡焦距公式簡單分析,人眼自動調節(jié)眼睛的焦距，使像落在視網膜上的這個過程稱為眼睛的視度調節(jié)。,人眼的調節(jié) - 視度調節(jié),（二）視度 表示人眼的調節(jié)程度 與視網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。,例：觀察眼睛前方2米處的目標時，眼睛的視度為：,人眼的調節(jié) - 視度調節(jié),（三）幾個概念 明視距離：一般人閱讀或操作時常把被

3、觀察目標放在眼前250mm處，此距離為明視距離。 近點距離：人眼通過調節(jié)所能看清物體的最短距離稱為近點距離。 遠點距離：人眼能看清的最遠距離。 最大調節(jié)范圍：遠點距離與近點距離之間的視度之差。,人眼的調節(jié) - 視度調節(jié),例：20歲的正常人眼 明視距離：250mm，SD = -4。 最大調節(jié)范圍：-10 遠點距離： 近點距離：SD = -10 ,人眼的調節(jié) - 瞳孔調節(jié),在水晶體的前面有一層虹彩，它的中間有個圓孔叫瞳孔。瞳孔的大小可以改變。在白晝的時候外界光線較強，瞳孔會比較小，在昏暗的情況下瞳孔會自動擴大，以使更多的光線（光能）進入眼睛。這叫“適應”。瞳孔的大小可由2mm到8mm。 設計目視光

4、學儀器時要考慮和人眼瞳孔的配合。,人眼的分辨率,人眼對物體的大小感覺：在視網膜上所成實像大小造成感覺上“物體的大小”,趣味光學 眼見為實嗎？,數(shù)學表示,視角：物體對水晶體物方節(jié)點張角。 像方 實質是視網膜實像的大小，數(shù)學用表示方便。視角大，正切tan大，實像大，感覺物體大。為能看清物體的細節(jié)，較近好，此時大，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在網膜上成的兩像點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，其對應的人眼物空間的張角min為： 以上是對兩物點的分辨率，如果觀察的是兩條平行直線，則分辨率可以提

5、高到10”。,3-2 放大鏡和顯微鏡的工作原理,對于各類目視光學儀器的共同要求： 對于目視光學儀器的一個首要要求 擴大視角。 目標通過儀器后應成像在無限遠，或者說要出射平行光束。,擴大視角,用儀器觀察時網膜上的像高與人眼直接觀察時網膜上的像高之比，表示了該儀器的放大作用，一般用表示。 等于同一目標用儀器觀察時的視角和人眼直接觀察時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，出射的是平行光束。,人眼直接觀察,設一微小物體其高為y，用肉眼直接觀察時不能離眼太近，放在l = -250mm處。此時，視角為：,

6、用放大鏡觀察,對正常人眼，物正放在F上。人眼對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,用作圖法或解析法可求出成一放大正立虛像。,設計實例：放大鏡（n1.5） 已知5，求r1、r2；若10，求r1、r2,5,10,5x,10 x,設計實例：只有兩塊5倍的，要求設計10倍的。,將這兩塊合成:,d取不同值時，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，用以觀察更微細物體,顯微鏡的工作原理 兩級放大,成像過程： 物體首先經過顯微物鏡并在目鏡的物方焦平面上形成一個放大的實像； 再經過目鏡成像在無限遠。 兩

7、級放大： 第一級：顯微物鏡將被觀察物體進行尺寸放大； 第二級：靠近眼睛的目鏡擴大視角,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。 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，所剩的鏡筒長度稱為機械筒長，也是固定的。各國有不同標準，如160mm，170mm和190mm等，我國規(guī)定160mm為目鏡和物鏡定位面的標準距離。 顯微鏡的物鏡和目鏡都可以根

8、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的物體所對應的視角 人眼通過顯微鏡看兩點時，若此兩點通過顯微鏡成像后對人眼的張角大于1則人眼能分出這兩個點,設計一顯微鏡要求看清間距為0.001mm兩點，求顯微鏡的放大率。,3-3 望遠鏡（telescope）的工作原理,望遠鏡用來觀察無限遠的物體,物鏡的像方焦點與目鏡的物方焦點重合，即光學間隔= 0。,望遠鏡的視角放大,不用望遠鏡時，遠物對人眼的張角： 通過望遠鏡后，像對人眼的張角 ： 望遠鏡的視覺放大率為：,望遠鏡光組的幾個特點,無焦系統(tǒng)（焦點在無限遠） 整個系統(tǒng)的垂軸放

9、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。 望遠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。,望遠鏡的分類的依據(jù),擴大視角的要求,可正可負,物鏡為正透鏡，即fo0。,目鏡焦距的正負決定了的正負。,望遠鏡的分類,開普勒望遠鏡（ fe 0， 0） 優(yōu)點：正像 缺點：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。,設計實例,例1：用望遠鏡觀察時要鑒別5公里處200毫米的間距，應選用多大倍率的望遠鏡？ 例2：經緯儀望遠鏡視覺放大率=20，使用夾線瞄準，問瞄準角誤差等于多少？,3-4 眼睛的缺陷和 目視光學儀器的適度調節(jié),一、眼睛的缺陷 正常

10、人眼：在自然狀態(tài)下，像方焦點正好和視網膜重合 近視眼：像方焦點位于視網膜的前方 遠視眼：像方焦點位于視網膜的后方,無窮遠物體不能在視網膜上清晰成像。而近距離物體，卻可以在網膜上清晰成像，即看遠物不清晰，近物才看清。,近視：看遠物不清晰，近物才看清。,遠點：有限距離。（采用遠點對應的視度來表示近視的程度。） 例如遠點距離l = -500mm，近視為-2視度（即200度） 明視距離： 近點距離（以20歲的人為例）：,近視：看遠物不清晰，近物才看清。,近視鏡-發(fā)散透鏡；其焦距正好與遠點距離相同。,近視的矯正,對于上述近視眼，配一負透鏡f = -500mm = -0.5m，即：,，又稱200度近視鏡。

11、,以遠視為+2個視度為例： 遠點：無限遠 明視距離： 近點距離（以20歲的人為例）：,遠視：近點距離增加。,遠視鏡會聚透鏡,遠視的矯正,二、視度調節(jié),通過改變目鏡的前后位置使儀器所成的像位于適當?shù)奈恢?，以適應各種不同視力的人使用，這就是目視光學儀器的視度調節(jié)。,3-5 空間深度感覺和雙眼立體視覺,當觀察外界物體時，除了能夠知道物體的大小、 、亮暗以及表面 以外， 還能夠產生 的感覺。這種遠近的感覺稱為空間深度感覺。,形狀,顏色,遠近,單眼空間深度感覺,當物體的高度已知時，根據(jù)它對應的視角大小來判斷它的遠近； 根據(jù)物體之間的遮蔽關系和日光的陰影也能判斷物體之間的相對位置； 根據(jù)對物體細節(jié)的鑒別程度和空氣的透