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1、2020/9/23,1,第七章 典型光学系统,2020/9/23,2,由于成像理论的逐步完善，构成了许多在科学技术和国民经济中得到广泛应用的光学系统，例如放大镜、显微镜、望远镜、摄影仪器和投影仪器等。本章主要介绍上述光学系统的成像特性和设计要求，组成上述光学系统的物镜和目镜的结构型式及其主要光学参数等。,2020/9/23,3,已学过：折射定律单个折射球面理想光组平面系统光束限制像差 目的：组成仪器，得到实际应用的光学系统,根据光学基本理论，将光学元件合理组合，得到光学仪器。 由使用要求决定成像要求，根据成像要求设计光学系统。 设计过程就是合理的组合过程。,2020/9/23,4,7-1 人眼
2、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,2020/9/23,5,人眼的构造剖视图,*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；,*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；,*脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；,2020/9/23,6,人眼的构造剖视图,*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；,*瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，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。,2020/9/23,7,人眼
3、的构造剖视图,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,，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,*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；,2020/9/23,8,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明体，,黄斑中心凹,神经纤维,盲斑,大脑,盲斑,晶状体,2020/9/23,9,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜
4、,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,2020/9/23,10,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,2020/9/23,11,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,脉络膜,眼睛的像方节
5、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,2020/9/23,12,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,2020/9/23,13,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
6、觉为什么还是正立的？,这是视神经系统内部作用的结果。,2020/9/23,14,标准眼：根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，包括角膜、水状液、玻状液和水晶体的折射率、各光学表面的曲率半径、以及各有关距离。称满足这些光学常数值的眼睛为标准眼,简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型，称为简约眼。,简约眼参数：,2020/9/23,15,二、眼睛的调节,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
7、调节。,2020/9/23,16,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。,2020/9/23,17,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，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
8、离并不是明视距离,2020/9/23,18,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,2020/9/23,19,A称为眼睛的调节范围或调节能力。,当人眼观察在调解范围内的某一距离l处的物体时，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
9、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，,2020/9/23,21,表是正常眼在不同年龄时的调节能力：,2020/9/23,22,2、眼睛的缺陷和矫正,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,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,2020/9/23,23,所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（r 0）,这是由于眼球太长，像方焦点位于视网膜的前面所致。因此，只有眼前有限距离处的物体才能成像在视网膜上。,对应着负视度，配上 适当
10、的负光焦度眼镜后，即可使无限远物 体成像于眼睛的远点上，然后再经眼睛成 像于网膜上，因而眼 镜矫正了眼睛的缺陷。,2020/9/23,24,所谓远视眼就是其远点在眼睛之后（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。,对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远。,2020/9/23,25,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,202
11、0/9/23,26,物镜,目镜,正常眼,近视眼,远视眼,F眼,F眼,F眼,2020/9/23,27,三眼睛辐射接收器,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）。,适应有暗适应和亮适应两种，前者发生在自亮处到暗处时，过程较慢，极限为60分钟；后者发生在自暗处到亮处时，过程较快，只需要几分钟。,2020/9/23,28,四、眼睛的分辨率（分辨本领）,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。,2020/9/23,29,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,2020/9/23,30,如果这两点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即得到两个点的
