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1、Engineering Optics 授课：任秀云 第四章 典型成像光学系统 一个光学系统的设计大致分为两个步骤： 第一步，根据使用单位提出的技术要求(如光学性能、 外形、重量及有关技术条件)拟定光学系统原理图，并 确定系统中各透镜组的焦距，各光学部件和零件的尺 寸，相互间的间隔等，称为初步设计，亦即外形尺寸 计算。 第二步，进行像差设计，通过大量的光线追迹和人工 或利用程序对结构参数的修改确定保证成像质量优良 的各种透镜的半径r、厚度和间隔d以及透镜的材料等 。 Engineering Optics 授课：任秀云 本章学习目的：通过解剖典型光学系统，初步具备 设计光学系统的能力 很久以前，人
2、们就利用透镜、反射镜和棱镜等制成各 种仪器来达到一定的成像要求。 （1）帮助人眼观察近处微 小的物体显微镜 （2）帮助人眼观察远处的 物体望远镜 Engineering Optics 授课：任秀云 （3）为了在屏上得到一个 放大或缩小的像投影 仪和照相机。 （4）有些物体本身不发光 ，为了能清晰地观察，必 须研究照明系统。 Engineering Optics 授课：任秀云 现代光学仪器种类繁多 ，主要实现的无非是这 些功能或者是这几种功 能的组合 Engineering Optics 授课：任秀云 显微镜、望远镜、放大镜等光学系统是直接扩大人 眼的视觉能力的，称为目视光学系统 4.1 眼睛
3、4.1.1 眼睛的结构成像光学系统 人眼本身相当于摄影光学系统 在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元件。 n人眼是与目视光学系统配合使用的，所以眼睛应 该看成是整个光学系统的一个部分。 Engineering Optics 授课：任秀云 人眼的构造剖视图 巩膜 *巩膜是眼球的第一层保 护膜，白色、不透明、 坚硬； 角膜 *角膜是巩膜的最 前端部分，无色 而透明； 脉络膜 *脉络膜是眼球的 第二层膜，上面 有供给眼睛营养 的网状微血管； 虹膜 *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 *瞳孔是虹膜中间的小孔，随外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能 使瞳孔的直径在28m
4、m范围内变化；是人眼的孔径光阑。 网膜 黄斑中心凹 盲斑 晶状体 前室 后室 视轴 1.376 1.336 1.336 Engineering Optics 授课：任秀云 光 u 盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。 u黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。 视神经细胞 u晶状体（水晶体）在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成 的透明体，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，其周围是毛状肌能改 变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，总能将 像成在网膜上。 神经纤维 盲斑 大脑
5、 *网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞（ 形）和杆状细胞（色）。它们在网膜上的分布是不均匀的。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； Engineering Optics 授课：任秀云 u 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充 满1.336的玻状体 u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。 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68。 u角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的 水状液； Engineering
6、Optics 授课：任秀云 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 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。 Engineering Optics 授课：任秀云 4.1.2 眼睛的调节能力 要想看清远近不同的物体，人眼就要自动地调节 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。 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
7、，其相应的距离称为远点距，以 r 表示（米） 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。 Engineering Optics 授课：任秀云 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。 它不同于人眼的近点距，两者不能混淆 人眼的调节能力是用远点距r的倒数和近点距p 的倒数之差来描述，用A来表示，即 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
8、100度。 远点距倒数 称为远点视度， Engineering Optics 授课：任秀云 调节调节 能力随年龄龄增大而减少 年龄龄1020304050607080 p(cm)-7-10-14-22-40-20010040 r(cm)-2008040 (D)141074.52.510.250 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。 Engineering Optics 授课：任秀云 4.1.3、眼睛的缺陷和矫正 F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）， 像方焦 点正好和视网
9、膜重合 。 F F 若不符合这一条件就是非正常眼，或称视力不正常，最 常见的有近视眼和远视眼 F所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（r 0）， n这是由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜之后所致。 因此，射入眼睛的光束只有是会聚时，才能正好聚焦 在视网膜上。 n对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远。 Engineering Optics 授课：任秀云 散光眼：由于水晶体或角膜表面的不对称，散光眼的光焦 度在不同方向上不同，造成物点发出的光束经眼睛不能 相交于一点。散光眼需用柱面透镜矫正。 Engineering Optics 授课：任秀云 4.1.4 眼睛对光强变化的适应 人眼还能
10、在不同亮暗程度的条件下工作。 这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情 况适应的过程 称为适应（即为瞳孔的调节）。 眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼 睛的进光量（2mm8mm)。在设计目视光学仪器 时要充分考虑与眼瞳大小的配合。 适应是一种当周围照明条件发生变化时眼睛所产生 的状态变化过程，可分为对暗适应和对亮适应两种 ，前者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在 自黑暗处到光亮处的时候。 Engineering Optics 授课：任秀云 4.1.5 眼睛的分辨率和瞄准精度 ?眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分 辨率（分辨本领） n人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同
11、时也是 目视光学仪器设计的重要依据之一。 ?人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角 ?眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节点 的张角称为两点间的角距离或称为视角 n在良好的照明条件下，一般认为人眼的极限分辨 角为1。 Engineering Optics 授课：任秀云 n眼睛发现一个平面上两根平行直 线不重合能力的限度称为人眼的 瞄准精度。 n人眼的瞄准精度一般用角度值来表示，即两线宽 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。 n瞄准精度 n瞄准精度和分辨率是两个概念。 n又有一定的联系，=K n经验证
12、明，人眼的最高瞄准精度约为极限分辨角的 1/6至1/10。 Engineering Optics 授课：任秀云 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“ 5、叉线对准单线 2030“ n要形成对眼睛瞄准有利的条件 Engineering Optics 授课：任秀云 4.1.6目视光学仪器视度调节 n人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜矫正 n目视光学仪器要适应不同视力的人使用，为此，目 镜可以改变其前后的位置，使仪器所成的像不再位 于无限远，而位于目镜的前方或后方一定的位置， 这就是目视光学仪器的视度调节 N5m-1
13、设观察者视力调节为N视度，则目镜轴向移动距离为： Engineering Optics 授课：任秀云 物镜 目镜 正常眼 近视眼 远视眼 F眼 F眼 F眼 Engineering Optics 授课：任秀云 n眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能 够产生远近的感觉，被称为“空间深度感觉”。单 眼或双眼都能产生这种感觉。 n单眼深度感觉来源： 1）物体高度已知，它所对应的视角大小来判断其远近 2）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对 位置 3）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深 度感觉 4）眼睛的调节程度来判断物体的远近。 4.1.7 空间深度感觉和双眼立体视觉 Eng
14、ineering Optics 授课：任秀云 B A BA a2b2a1 b1 n双眼立体视觉（简称体视） 称为“视差角” A a2a1 l b Engineering Optics 授课：任秀云 其极限值 称为“体视锐度 ” n当A、B两点距离不等时， 或 产生了远近的感觉 被称为双眼立体视觉 A B A B b2 a2a1 b1 l b A B A B b2 a2 a1 b1 约为10”，有可能达到5”或3” 立体视差 Engineering Optics 授课：任秀云 n当物点对应的视角差等于 时，人眼刚能分 辨出它和无限远物点之间的距离差别，即反映了 人眼可能分辨出物点远近的最大距离。
15、 n人眼瞳孔之间的平均距离为b=62mm， nlmax称为立体视觉半径 对视差角 微分得立体视觉误差： Engineering Optics 授课：任秀云 双眼观察仪器 n利用仪器观察物体时，必须采用 双眼仪器来保持人眼的体视能力 ，这种仪器称为体视仪器，如“ 双眼望远镜”和“双眼显微镜” n利用体视仪器可以提高人眼的体 视能力 n双眼仪器的体视放大率 n人眼直接观察时的视角差眼为 B A B A A-B Engineering Optics 授课：任秀云 n假设双眼望远镜的二个入射光轴之间为距离B,称为该 仪器的基线长，则同一物体对仪器的二入射瞳孔所构 成的视角差为 n若系统的视觉放大率为，
16、则物方视角差和像方视 角差存在以下关系 Engineering Optics 授课：任秀云 4.2 目视光学系统 n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 n若在近点处观察细小物体其视角仍小于人眼极限分 辨角，就需要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 光学仪器的作用。 Engineering Optics 授课：任秀云 n眼睛通过放大镜或显微镜等目视光学仪器来观察物 体时，有意义的是在眼睛视网膜上的物体像的大小 。 n视觉放大率应为： 4.2.1放大镜 物体像的视角， 人眼直接观察该物体时的视角 一、视觉放大率 Engineering Op
