工程光学第七章课件

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1、第七章典型光学系统 1 第七章典型光学系统 2 第一节眼睛第二节放大镜第三节显微镜系统第四节望远镜系统第五节摄影系统 第七章典型光学系统 3 第一节眼睛第二节放大镜第三节显微镜系统第四节望远镜系统第五节摄影系统 眼睛 4 眼睛是一个完整的成像光学系统 眼睛是目视光学系统的接收器 是整个光学系统的一部分 眼睛 5 眼睛的结构结构角膜前室 水状液 瞳孔晶状体后室 玻璃体 视网膜 眼睛 6 眼睛的结构结构盲点盲点验证实验章鱼 乌贼等眼睛没有盲点 1denotestheretinaand2thenervefibers 说明 首先靠近屏幕 头放在表格中间 用手遮住你的右眼 用你的左眼注视O处 继续注视O

2、处并慢慢向后移 你会发现随之X消失了 继续向后移 你会发现X又出现了 眼睛 7 眼睛的结构眼睛类似于照相机自动变焦 对焦 自动调节光圈大小 视网膜拥有500万个视锥细胞 感受视觉色彩 1亿个视杆细胞 感受单色对比度 明暗 水平可视角度 120 垂直可视角度 60 约等于5 76亿像素 眼睛 8 眼睛的结构简约眼眼睛可简化成一个折射球面模型 眼睛 9 眼睛的调节与校正定义视度与视网膜共轭的物平面到人眼距离的倒数 视度 SD 1 l 单位 屈光度 D 1D 1m 1 远点 远点距离与远点视度远点 眼睛能看清的最远点远点距离 最远点到人眼的距离 lr远点视度 远点距离的倒数 R 1 lr 眼睛 10

3、 眼睛的调节与校正定义近点 近点距离与近点视度近点 眼睛能看清的最近点近点距离 最近点到人眼的距离 lp近点视度 近点距离的倒数 P 1 lp明视距离正常眼在正常照明 50lx 情况下最舒适 方便的工作距离 250mm 眼睛 11 眼睛的调节与校正眼睛的调节眼睛通过自动调焦以看清不同距离物体的过程 称为调节 改变晶状体的曲率半径 眼睛的焦距在一定范围内变化 眼睛 12 眼睛的调节与校正眼睛的调节调节范围远点距离与近点距离的倒数之差 远点视度与近点视度之差 称为调节范围 或调解能力 眼睛 13 眼睛的调节与校正眼睛的调节调节范围随着年龄的增大 调节范围变小 60岁 远点距离为 200cm 只有会

4、聚点在眼睛后200cm处的光束能成清晰像点 80岁 调节能力完全丧失 眼睛 14 眼睛的调节与校正眼睛的校正正常眼眼睛完全放松时 远点在无限远 lr R 0 像方焦点F 在视网膜上 非正常眼R 0 F 不在视网膜上 分类近视远视散光 眼睛 15 眼睛的调节与校正眼睛的校正非正常眼近视眼球偏长 眼睛像方焦点F 在视网膜前方 或 远点在眼前有限远处 用远点视度R 1 lr表示近视程度 1D 100度 眼睛 16 眼睛的调节与校正眼睛的校正非正常眼近视矫正 基本原则 前一个系统所成的像是后一个系统的物 采用负透镜 透镜像方焦点与远点重合 f lr 眼睛 17 眼睛的调节与校正眼睛的校正非正常眼远视眼

5、球偏短 眼睛像方焦点F 在视网膜后方 或 远点在眼后有限远处 用远点视度R 1 lr表示远视程度 1D 100度 眼睛 18 眼睛的调节与校正眼睛的校正非正常眼远视矫正 采用正透镜 透镜像方焦点与远点重合 f lr 眼睛 19 眼睛的调节与校正眼睛的校正非正常眼散光晶状体表面不对称 两个互相垂直的主截面内远点距离不相同 R1 R2 用散光度表示散光的程度 AST R1 R2 眼睛 20 眼睛的调节与校正眼睛的校正非正常眼散光分类 单纯散光 A B 复性散光 C D 混合性散光 E 眼睛 21 眼睛的调节与校正眼睛的校正非正常眼散光矫正采用柱面 球柱面或双心圆柱面透镜 眼睛 22 眼睛的调节与校

6、正例一个人近视程度是 2D 眼睛的调节范围是8D 求远点距离 求近点距离 若配戴100度的近视镜 求该眼镜的焦距 求戴上该近视镜后能看清的远点距离 求戴上该近视镜后能看清的近点距离 眼睛 23 眼睛的调节与校正例一个人近视程度是 2D 眼睛的调节范围是8D 求远点距离 求近点距离 眼睛 24 眼睛的调节与校正例一个人近视程度是 2D 眼睛的调节范围是8D 若配戴100度的近视镜 求该眼镜的焦距 注 R 1D 1 lr R 1D 1m 1 f lr 1m 眼睛 25 眼睛的调节与校正例一个人近视程度是 2D 眼睛的调节范围是8D 求戴上该近视镜后能看清的远点距离 基本原则 前方系统所成的像是后方

7、系统的物 即透镜所成的像是眼睛的物 新的远点经透镜成像后的像点应与近视眼的远点重合 眼睛 26 眼睛的调节与校正例一个人近视程度是 2D 眼睛的调节范围是8D 求戴上该近视镜后能看清的近点距离 眼睛 27 眼睛的分辨率眼睛能够分辨最靠近两相邻点的能力 称为眼睛的分辨能力 像方视网膜上两像点能被分辨 它们之间的距离至少要等于两个神经细胞的直径 0 006mm 眼睛 28 眼睛的分辨率物方视角 物体对人眼的张角极限分辨角 人眼能分辨的物点间最小视角人眼放松状态 f 23mm 下 1 0 00029rad 眼睛 29 眼睛的分辨率物方极限分辨距离 在明视距离 250mm 处 极限分辨角对应的线长度视

8、角敏锐度 1 眼睛 30 双目立体视觉人的3D感知人对3D世界的认知并不完全依赖于眼睛所提供的信息 人眼每一个瞬间所搜集的信息都只是2D信息 大脑结合其他来源的相关信息 最终形成了人的3D感知 2D信息中每一个物体离自己的远近每一个物体自身的厚度 眼睛 31 双目立体视觉人的3D感知大脑需要的其他信息眼睛肌肉的张弛感小测试 把食指竖放在距离眉心3厘米左右的位置 双眼盯住手指 并逐渐拉大手指与眉心的距离 可以感受到眼睛肌肉由紧张逐渐变松弛 这种张弛的感觉就是大脑用来判断的远近的因素之一 肌肉紧张时物体离得较近 肌肉松弛时物体离得较远 眼睛 32 双目立体视觉人的3D感知大脑需要的其他信息眼球聚焦

9、 聚 双眼注视一个物体时两个眼球聚拢 形成 视差角 聚拢动作越大 视差角越大 大脑就判断被视物体越近 反之则越远 焦 视觉焦点 双眼之间存在一定的距离 当双眼把焦点放在同一个物体上时 左眼和右眼看到的影像存在一定的差别 这种视觉差别随距离不同而变化 越近则区别越大 反之越小 眼睛 33 双目立体视觉人的3D感知大脑需要的其他信息视差从不同位置观察同一个目标所产生的差异 包括静态视差和动态视差 静态视差 小明和小华站在远处 如果小明挡住了小华 那么得出的结论就是小明比小华离我们近 动态视差 空无一物的荒原上有一辆车 一开始看不出来它是静止还是运动的 当它越来越大越来越大 于是知道了它是运动的 且

10、持续向我们接近 眼睛 34 双目立体视觉人的3D感知大脑需要的其他信息视差大脑在利用视差判断物理位置关系的时候经常发挥 想象力 即在无法通过不同位置比较视觉差异的时候会进行 脑补 平面艺术品基本都是利用这一点使人从平面作品中感受到立体感 比如近大远小 轮廓畸变的透视法 甚至是光影表现 眼睛 35 双目立体视觉双眼视觉双眼可分别看作是一个光学系统 物体在左右眼中分别成像 利用眼睛的调节变化所产生的感觉最终在大脑中汇成单一像 左右眼分别所成像在视网膜上的分布只有满足几何上某些条件时 才可以产生单一像 眼睛 36 双目立体视觉双眼视觉人眼注视A点 将在两眼各自黄斑处产生一个像A1 A2 J1AJ2范

11、围内 B也将同时在双眼各自成像 B1 B2 分别成像于黄斑的不同侧 成双像 J1AJ2范围外 C也将同时在双眼各自成像 C1 C2 成像于黄斑的同侧 成单一像 J1AJ2范围内所有点成双像 J1AJ2范围外所有点成单一像 眼睛 37 双目立体视觉双眼视觉观察周围空间时 应该既有双像 也有单一像存在 由于双眼不断运动 注视点A在不断改变 所以不易察觉双像部分空间在人眼中的影响 眼睛 38 双目立体视觉双目立体视觉视觉基线两眼节点J1 J2的连线视差角 A两视轴之间的夹角 双目立体视觉双目立体视觉不同距离的物体对应了不同的视差角 其差异 称为立体视差 眼睛 39 大 则人眼感觉两物体纵向深度大 小

12、 则人眼感觉两物体纵向深度小 体视锐度 人眼能感觉到的 的极限值 min 10 体视半径 人眼能分辨远近的最大距离 Lmax 双目立体视觉双目立体视觉不同距离的物体对应了不同的视差角 其差异 称为立体视差 眼睛 40 无限远物点的视差角 0 某物点对应的视差角 min时 人眼刚好能分辨出它和无限远物点的距离差别 双目立体视觉双目立体视觉不同距离的物体对应了不同的视差角 其差异 称为立体视差 眼睛 41 并不是在体视半径Lmax内所有的情况下人眼都能产生立体感觉 两物体位于基线垂直平分线上 右眼中 B C两点的像重合 双目立体视觉双目立体视觉不同距离的物体对应了不同的视差角 其差异 称为立体视差

13、 立体视觉阈 人眼能分辨两点间的最短深度距离 L 眼睛 42 min 对应双目立体视觉阈 物体距离越远 误差越大 眼睛 43 双目立体视觉双目立体视觉不同距离的物体对应了不同的视差角 其差异 称为立体视差 增大基线b或增大体视锐度 即减小 可以增大体视半径L 增大立体视觉阈 L 眼睛 44 双目立体视觉3D电影 眼睛 45 双目立体视觉3D电影 第七章典型光学系统 46 第一节眼睛第二节放大镜第三节显微镜系统第四节望远镜系统第五节摄影系统 目视光学仪器的基本工作原理人眼感觉的物体大小 放大镜 47 人眼感觉的物体大小取决于其像在视网膜上的大小 眼睛光学系统焦距一定 故像的大小取决于物体对人眼张

14、角 的大小 同样的物体 离眼睛越近 张角 越大 物体不能无限制靠近眼睛 必须位于眼睛近点之外 物体细节对人眼张角 大于极限分辨角 60 目视光学仪器的基本工作原理目视光学仪器为了扩大人眼的视觉能力 引入各种目视光学仪器 基本工作原理通过目视光学仪器观察物体时 其像对人眼的张角 大于人眼直接观察时物体对人眼的张角 常见的目视光学仪器 放大镜 显微镜 望远镜 放大镜 48 放大镜 49 放大镜 放大镜 50 放大镜视觉放大率定义用仪器观察物体时视网膜上的像高yi 与用人眼直接观察物体时视网膜上的像高ye 之比 放大镜 51 放大镜视觉放大率定义 放大镜 52 放大镜视觉放大率不同条件下的视放大率放

15、大镜的视放大率不是常数 与观察条件P 和l 有关 眼睛调焦在无穷远 l 放大镜的光学常数 放大镜 53 放大镜视觉放大率不同条件下的视放大率放大镜的视放大率不是常数 与观察条件P 和l 有关 物像调焦在明视距离 P l D 放大镜 54 放大镜目镜放大镜不仅可以直接对物体放大成像 也可以对一组光学系统的实像放大成像 称为目镜 放大镜 55 放大镜光束限制放大镜与眼睛组成目视光学系统 眼睛瞳孔 孔径光阑 出瞳 放大镜框 视场光阑 入射窗 出射窗 渐晕光阑 放大镜 56 放大镜光束限制像方视场角 放大镜 57 放大镜光束限制像方视场角 tan 1 K 1 放大镜 58 放大镜光束限制像方视场角 t

16、an 2 K 0 5 放大镜 59 放大镜光束限制像方视场角 tan 3 K 0 放大镜 60 放大镜光束限制像方视场角放大镜边框越大 眼睛越靠近放大镜 视场越大 放大镜 61 放大镜光束限制物方线视场当物面置于放大镜前焦面 且线渐晕系数为50 放大镜 62 放大镜例一个放大镜直径为20mm 视觉放大率为8 眼睛离放大镜的距离为40mm 经放大镜所成的像位于眼睛的明视距离250mm处 渐晕系数K 50 试求 放大镜的焦距 线视场 物体的位置 放大镜 63 放大镜例2h 20mm 8 P 40mm D 250mm K 50 放大镜的焦距 放大镜 64 放大镜例2h 20mm 8 P 40mm D 250mm K 50 线视场 放大镜 65 放大镜例2h 20mm 8 P 40mm D 250mm K 50 物体的位置 第七章典型光学系统 66 第一节眼睛第二节放大镜第三节显微镜系统第四节望远镜系统第五节摄影系统 显微镜系统 67 显微镜系统的结构 显微镜的物镜一般将物成像在目镜物方焦平面附近偏右位置 使像A B 经目镜成像后所得的像 恰好在眼睛明视距离处 在计算过程中一般认为A B 像与