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1、第三章 眼睛和目视光学系统目视光学系统: 和人眼配合使用的/可直接扩大人眼的视觉能力的光学系统应用光学讲稿本章主要解决的问题： 眼睛的构造 望远镜/显微镜的工作原理 眼睛与目视光学仪器配合的问题 眼睛的缺陷及其调整 应用光学讲稿3-1 人眼的光学特性 人眼的结构人眼的结构与照相机类似,从光学角度看,主要有三个主要组成部分：水晶体镜头Lens 视网膜底片Film 瞳孔 光阑Stop 人眼相当于一台最高档的超 级照相机,可以自动调焦,自动调节进入人眼的光能量应用光学讲稿角膜: 角质构成的透明球面薄膜,入射光线首先通过角膜 前室: 角膜后的空间,充满透明的 n=1.3374的水状液, 会聚光线 .水
2、晶体: 双凸透镜, 通过其周围肌肉的调节可以改变其前表面 的曲率半径,从而使眼睛的有效焦距发生改变. 角膜, 前室和水晶体可以看 作镜头的一个组成部分.应用光学讲稿视网膜: 视神经细胞和神经纤维,作为感光底片.黄斑: 视网膜上视觉最敏感的区域. 视网膜和黄斑可看作是照相机的感光部分.虹膜: 水晶体和前室 之间的隔膜. 其中心有一圆孔,为瞳孔,限制进入眼睛的光能 量, 作为相机中的可 调光圈. 应用光学讲稿盲点: 视神经纤维 在眼睛的出口, 没有感光细胞, 不能形成 视觉.盲点的测试 应用光学讲稿视觉的产生外部光线进入人眼在视网膜上形成一个像, 通过视神经细胞产生了一个视觉信号刺激通过视神经传输
3、到大脑. 最后经过高级神经活动形成视觉.这个过程包括物理学/生理学和心理学.成倒像应用光学讲稿视轴: 黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线.人眼的视觉特征人眼的视场:人眼的视场可以达到 150 度.如果头保持不动, 我们只能看清视轴中心附近68的范围. 为了看到更大的范围,可以自由旋转眼球,头也动.应用光学讲稿眼睛的调节: 视度调节 和瞳孔调节. 1. 视度调节定义:随着物体距离的改变,人眼自动改变焦距,使像落在 视网膜上的过程.F应用光学讲稿 调节量的表示: 视度SD与视网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数1lSD= 明视距离和近点/远点 明视距离: 眼睛前方250mm 距离处，SD=(1 /
4、(-0.25)= -4l 的单位是米,且有正有负近点: 眼睛通过调节能看清物体的最短距离.远点: 眼睛能看清物体的最远距离最大调节范围 = 近点视度 远点视度应用光学讲稿年龄龄最大调节调节 范围围/视视度近点距离 (mm) 10 15 20 25 30 35 40 45 50-14 -12 -10 -7.8 -7.0 -5.5 -4.5 -3.5 -2.570 83 100 130 140 180 220 290 400不同年龄段正常的人眼调节能力 应用光学讲稿2. 瞳孔调节 虹膜可以自动调节瞳孔的大小,来控制眼睛的进光量. 强光下,白天, D=2mm;夜晚, D=8mm 当设计目视光学仪器时
5、, 仪器的出射瞳孔要和人眼的 瞳孔大小相配合. 白天使用的出射瞳孔可以小些; 晚上使用的则要大些.外界物体的亮度是随着物体种类/天气和时间不断变 化着的.应用光学讲稿 眼睛的视觉灵敏度假设有两个物点成像在视网膜上. 如果这两个像点之 间的间距足够大, 就认为是可以用肉眼分辨的, 当间 距很小时, 人眼就有可能分辨不开.两个物点的视觉灵敏度：为什么？应用光学讲稿视网膜的结构视网膜是由视神经细胞构成, 这里包括视锥细胞和杆状视神经细胞视锥细胞: 在强光条件下工作杆状视神经细胞: 在弱光情况下工作如果两个像点之间的距离大于视神经细胞直径的两倍,或者这两 个像点分别位于两个不相邻的两个细胞上时, 这两
6、个像点就可以 被分辨.应用光学讲稿视神经细胞直径约为 0.001-0.003mm, 一般取 0.006mm 作为眼 睛的分辨率,这是人眼视网膜上可以分辨的最短距离.通常用这段距离在物空间对应的张角 来表示, 称为视角分辨率.ymin=-0.006mm，f=-16.68mm所以表征人眼的分辨能力应用光学讲稿应用光学讲稿对线分辨率: 一直线的像刺激着一系列视神经细胞,而 另一直线的像又刺激着旁边另一列视神经细胞,所以 眼睛能够敏锐地感觉到它们之间的位移,这时的分辨 率可以提高到 10”一些测量仪器都采取这种类型的 对准方式来提高测量精度.应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿眼睛的像方节点J到视网膜
7、的距离,忽略眼睛的调节作用,认为是一个常数应用光学讲稿人眼在完全放松的自然状态下,无限远目标成像于视网膜上,为了使用仪器观察 时,人眼不至于疲劳,目标通过仪器后应成像在无限远,或者说要出射平行光束应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿F-f=f y 仪 tg 仪tg 眼=250ftg 眼= yf=tg 仪y-l=y250注意: 250mm是一般人阅读或操作时被观察目标放在眼前的距离,明视距离应用光学讲稿半径这样小的透镜很难加工出来,因此放大镜不超过15倍应用光学讲稿应用光学讲稿F物F目-yy仪f物-f目 tg 眼=250y = yf目tg 仪物 =yy- f物=- f物f目y tg 仪tg 眼=
8、-250 f物f目应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿例题1如果要求读数显微镜的对准精度为0.001mm，求显微镜的放大率。解： 要能区分：应用光学讲稿已知显微镜的视放大率为-300，目镜焦距为20mm，求显微镜物镜 的倍率。若人眼的视角分辨率为60，则用该显微镜能分辨的两物 点的最小距离是多少？ 应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿可以安装分划板,便于瞄准和测量无法安装分划板,常用于观剧镜应用光学讲稿望远镜视放大率的测量:在望远镜前垂轴放置一个有刻划的物体,在 望远镜后测量像高的大小,二者的比值即为望远系统的视放大率应用光学讲稿用一5倍的开普勒望远镜观察500mm处的
9、目标，物镜焦距为100mm ，求实际视放大率。 5倍是观测远处物体的视放大率，但现在是观测近处的目标。 应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿应用光学讲稿 此公式只适用于物距小于十分之一立体视觉半径应用光学讲稿应用光学讲稿双眼仪器的基线长 (双眼仪器的二个入射光 轴之间的距离)应用光学讲稿二、体视误差三、对双眼仪器的要求1、左右光轴平行；2、左右两系统放大率一致；3、左右两系统不应有像倾斜。应用光学讲稿例1：显微镜的放大率为58，采用夹线对准方式，求显微
10、镜的 物方对准误差，如果采用10倍的目镜，物镜的倍率应为多 大，目镜的焦距为多少？解：对准误差：应用光学讲稿求物镜的倍率求目镜焦距应用光学讲稿例2：若显微镜的对准精度为0.001mm，采用压线对准，视角 分辨率为60”,问显微镜的视放大率为多少？解：应用光学讲稿例3：测微目镜的对准精度为0.001mm，采用叉线对准，视角 分辨率为10”,问应采用多大焦距的目镜？解：应用光学讲稿例4：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄准，如果在1公 里内的瞄准误差要求小于2毫米，问视放大率为多少？解：应用光学讲稿例5：某人对1米以外的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？ 某人对1米以内的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？解：第一人第二个人：近点距离为1米，需要将250毫米处的物体成像在 1米处
