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1、第七章 典型光学系统 这类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 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。 人眼的构造剖视图 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； 眼睛内的折射主要发生在角膜上； 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； 人眼的构造剖视图 巩膜 角膜 脉络膜 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，随着外界明亮程度
2、的不同，虹 膜肌肉能使瞳孔的直径在28mm范围内变化；它是人眼 的孔径光阑。 人眼的构造剖视图 巩膜 角膜 细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米 脉络膜 ，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 虹膜 瞳孔 网膜 *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 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； 黄斑中心凹 人眼的构造剖视图 巩膜 角膜 光 脉络膜 盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。 虹膜 瞳孔 网膜 黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。 视神经细胞 晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透
3、明体， 黄斑中心凹 神经纤维 盲斑 大脑 盲斑 晶状体 人眼的构造剖视图 巩膜 角膜 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高 脉络膜 成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌 虹膜 瞳孔 网膜 似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时， 黄斑中心凹 盲斑 晶状体 人眼的构造剖视图 巩膜 角膜 角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液； 脉络膜 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体 虹膜 瞳孔 网膜 总能将像成在网膜上。 黄斑中心凹 盲斑 晶状体 前室 后室 人眼的构造剖视图
4、巩膜 角膜 脉络膜 眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物 虹膜 瞳孔 网膜 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。 黄斑中心凹 盲斑 晶状体 前室 后室 1.376 1.336 1.336 光轴 视轴 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。 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 人眼相当当于一架照相机，它它可以自动对动对 目标调标调 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
5、为什么还是正立的？ 这是视神经系统内部作用的结果。 二、眼睛的调节及校正 眼睛有两类调节功能：视度调节 和瞳孔调节。 1视度调节 远近不同的其他物体，物距不同，则不会成像在视网 膜上，这样我们就看不清。 要想看清其他的物体，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。 正常人眼在完全放松的自然状态下， 无限远目标成像在视网膜上，即眼睛的 像方焦点在视网膜上。 在观察近距离物体时，人眼水晶体周围肌肉 收缩，使水晶体前表面半径变小 眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前移， 从而使该物体的像成在视网膜上。 当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛 所能看清
6、的最远的点称为远点，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。 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 A称为称为 眼睛的调节调节 范围围或调节调节 能力。 当人眼观察在调解范围内的某一距离l处
7、的物 体时，它总能清晰地成像在视网膜上。 如果 l 的单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度 如观察眼前10米的物体，对应的视度为 屈光度。 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。 远点距倒数 称为远点视度， 2瞳孔调节（适应特性） 人眼还能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 的进光亮（2mm8mm)。在设计目视光学仪器时 要充
8、分考虑与眼瞳的配合。 适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生 的变态过程，可分为对暗适应和对光适应两种，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。 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 F 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）， 这是由于眼球偏短，像方 焦点位于视网膜的之后所 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。 对应着正视
9、度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远。 近视眼或远视眼的远点视度可通过仪 器来测得，知道此值后即可求得所需 眼镜的焦距。 例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视 度为-2个屈光度（眼镜行业称近视200度） 则其远点距r = - 0.5 m， 需配焦距为-500mm的近视眼镜。 4、目视光学仪器视度调节 人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以 矫正 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 物镜 目镜 正常眼 近视眼 远视眼 F眼 F眼 F眼 四、眼睛的分辨率（分辨本领） 所
10、谓人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力。 ?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） ?人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。 人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视 光学仪器设计的重要依据之一。 用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼时也 可据此作为参考。 ?人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角 ?人眼分辨率与极限分辨角成反比关系 现在从两个不同的角度来分析眼睛的极限分辨角的 大小。 首先从人眼的视网膜结构上来分析： ?眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节 点的张角成为两点间的角距离或称为视角 如果这两点的像分别 落在被分隔开的两个 视
11、网膜细胞上，即得 到两个点的视觉 由此可见，眼睛的分辨率与视 网膜上两像点距离及视觉细胞 的直径大小有关 当两像点的间距大于（或等于）视觉细 胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。 人眼的极限分辨角可表示为 （rad） 所以人眼的极限分辨角可表示为 （rad） 眼睛的极限分辨角( rad )； 视觉细胞的直径，约为0.006mm； xj 像方节点到视网膜的距离 应为 而当眼睛处于放松状态时，f = -17.1mm。上式可得： （秒） 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。 = 50 120”； 在良好的照明条件下，一般认为 = 60” = 1 认为人眼的极限分辨
12、角为1。 在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。 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 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。 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。 五、眼睛的对准精度 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1020 “ 3、双线平分或对称瞄准510“ 4、虚线压测件轮廓边缘2030“
