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1、应用光学（第三章）厦门大学机电系张建寰2006眼睛和目视光学系统主要内容：1、讨论放大镜、显微镜和望远镜类与人眼配合使用的光学系统。这类系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称为目视光学系统。2、弄清使用目视光学系统可看得更清更细的原理；设计这些系统时应该满足什么要求。1、人眼的光学特性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。角膜：由角质构成的透明的球面薄膜，厚度为0.55mm，折射率为1.3771；前室：角膜后的空间，充满折射率为1.3774的水状液体；虹彩：位于前室后，中间有一圆孔，称为瞳孔，它限制了进入人眼的光束口径，可随景物的亮暗随时进行大小调节；水晶体：由
2、多层薄膜组成的双凸透镜，中间硬外层软，各层折射率不同，中心为1.42，最外层为1.373，自然状态下其前表面半径为10.2mm，后表面半径为6mm，水晶体周围肌肉的紧张和松驰可改变前表面的曲率半径，从而改变水晶体焦距；（1）、人眼的光学构造：从光学角度，眼中最重要的三样东西：水晶体、网膜、瞳孔人眼照相机水晶体镜头网膜感光底片瞳孔光阑人眼可以自动对目标调焦，可以根据景物的亮暗自动调节进入眼光能量；照相机中，底片上成倒像，人眼成像也是倒像，但由于人的神经系统作用，看到的还是正像。眼睛的视角可达150，只有黄斑附近人眼方可清晰识别，其它地方较模糊，要看清其它地方的景物，人眼要转动，将黄斑和眼睛光学系
3、统像方节点边线（视轴）对向该景物。（2）、人眼的调节人眼有两类调节：视度调节和瞳孔调节视度调节：用眼观察一物时，物通过眼在网膜上形成一个清晰像，视神经细胞受到光刺激引起了视觉，于是看清了这一物体；此时，物像眼睛光学系统三者间满足共轭方程式。其它不同远近的物的像不在网膜上，因此看不清。要看清其它物，人眼要自动调节焦距。正常人眼在完全放松的自然状态下，无限远处的物成像在网膜上。即眼的像方焦点在网膜上；当观察近处物时，水晶体周围肌肉收缩，水晶体前表面半径变小，眼睛光学系统焦距变短，后焦点前移，从而使该物体的像成在网膜上。为描述人眼调节的程度，引入了视度的概念，与网膜共轭的物面到眼睛距离的倒数称为视度
4、，用SD表示SD有正有负如观察眼前2米处的目标时，l=-2，SD=-0.5，即眼睛视度为-0.5，如物在无穷远处时，SD=0；可见，视度绝对值越大，说明眼的调节量越大。明视距离：对应的SD=-4人眼的近点距离远点距离：人眼的调节范围：远点与近点视度差。瞳孔调节眼睛的虹彩可自动改变瞳孔大小，以控制眼睛的进光量，一般人眼在白天光线较强时，瞳孔缩到2mm左右，夜晚光线较暗时，瞳孔扩大到8mm左右。设计目视光学系统时，要考虑仪器与人眼瞳孔的配合。（3）、人眼的分辨率眼睛的分辨率是眼睛的重要光学特性，也是设计目视光学仪器的重要依据之一；眼睛分辨率：将眼睛刚能分辨的两物点在网膜上成的两像点间的距离称为眼的
5、分辨率与网膜上神经细胞大小有关。要使两像点能被分辨，它们间距离至少要大于两个神经细胞的直径。黄斑上视神经细胞直径约为0.0010.003mm，所以一般取0.006mm为人眼的分辨率。另外一个最常用的描述人眼分辨能力的是0.006mm对人眼的物空间张角前面讨论的是人眼对两物点的分辨率。如果被观察的对象是两条直线，分辨率可以提高到10，其原因见图。因此，一些测量仪器中都采用如图所示的对准方式，来提高测量精度。2、放大镜和显微镜由前面的内容可知，如果物空间的两点对人眼的张角小于60，则其像在网膜上不能占据两不相邻的细胞上，因此分不清是一个点还是两个点。如果先用一个光学仪器将物点成像，使其像对人眼的张
6、角大于角分辨率，则可看清。这就是说用仪器扩大了视角，使人可以看清用肉眼看不清的目标。这是设计目视仪器时要满足的第一个要求.（1）放大镜的工作原理放大镜是用来近距离观察微小物体的。人眼能够分辨的物体大小y与物距l间的满足以下关系：这样要观察微小物体，就要将物体拉近眼。但人眼的调节范围有限，不可能无限拉近，所用眼直接观察物时，物不可能太小。这样在人眼与物间放一透镜，使物刚好在透镜的物方焦平面上，这样经过透镜的物成像在无穷远处。这样满足了目视光学系统的第二个要求。但第一个要求，扩大视角达到了吗？放大镜受通光孔径限制不能将焦距做得太短，所以放大率一般不超过15倍（2）显微镜的工作原理为满足人们对细小物
7、体观察要求，人们想到了多级放大：先用一组透镜将细小物，成像到放大镜焦平面上，再用放大镜观察，就可观察细小物体了。显微物镜：显微目镜：显微镜的组合焦距为：显微镜的发展：生物显微镜、金相显微镜等光、机、电、计算机综合应用方向发展为便于使用和维修，各国生产的显微物镜的共轭距是相等，195mm。例题如果读数显微镜的对准精度为0.001mm，求显微镜的放大率。解：人眼直接观察0.001mm的物体所对应的视角为：人眼的视角分辨力为60因此要求显微镜的视放大率为：如果用10倍的目镜，则根据公式（3-7）可求得物镜的倍数为：因此用一个8倍的物镜就可以满足要求。（3）望远镜的工作原理望远镜也是目视光学仪器，据目
8、视仪器使用要求，仪器应出射平行光。这样使人眼在放松状态下观察，不致产生视觉疲劳。因此,要求望远镜将无限远物成像在无限远处，这样望远镜是一个物像方焦点均在无穷远处的无焦系统。如图所示。望远镜的视角扩大功能物在无穷远处，同一物对眼和对仪器张角可近似相等。因此有 。物通过光学系统后的像对人眼的张角，即：下面我们来研究视角扩大的条件：将望远镜像方视场角和物对仪器张角用仪器的光学参数表示出来有：代入视放大率公式并考虑到y物=y目，得到：此式即为望远镜放大率公式，从此式可以看到望远镜放大率数值上等于物镜焦距与目镜焦距之比。只要物镜焦距大于目镜焦距，就可以扩大视角，起到望远作用。当视放大率为负值时，通过望远
9、镜观察得到的是倒立的像。望远系统的特点：视放大率与角放大率相等，见图。正常人眼在自然状态下，像方焦点正好和网膜重合。如果像方焦点和网膜不重合，则称为视力不正常。若像方焦点位于网膜前方，称为近视眼，位于网膜后方称为远视眼，如图所示。（4）眼睛缺陷和目视光学仪器的视度调节由于近视眼像方焦点位于网膜前方，则网膜上就不能获得无限远物体清晰像，因此就看不清无限远物体，而只能看清一定距离以内的物体。眼睛能看清的最远点距离称为远点，正常人眼的远点在无限远处，而近视眼的远点在有限远处。近视眼依靠调节只能看清远点以内的物。通常用近视眼远点的距离所对应的视度表示近视的程度。例如，当远点距离为0.5m时，近视为2视
10、度，和医学上的近视200度相对应。如果眼睛的调节能力不变，则近视眼的明视距离和近点距离也将相应地缩短。近视度的视度加负4(正常人眼的明视距离视度)就等于近视眼的明视距离视度。同理，近视的视度加正常人眼的近点视度(等于最大调节视度)就等于近视眼的近点视度。例如，近视为2个视度的青年人，假定他的调节能力为10个视度则他的近点距离为（5）空间深度感觉和双眼立体视觉当观察外界物体时，除了能够知道物体的大小、形状、亮暗以及表面颜色以外，还能够产生远近的感觉。这种远近的感觉称为空间深度感觉，它无论是用单眼或者双眼观察时都能产生。但是双眼的深度感觉比单眼观察时强得多，也正确得多。单眼深度感觉的来源有以下几种
11、：第一，当物体的高度已知时，根据它所对应的视角大小来判断它的远近。视角大则近，视角小则远；第二，根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影也能判断物体之间的相对位置；第三，根据对物体细节的鉴别程度和空气的透明度也能产生一定的深度感觉；第四，根据眼睛调节的程度(即眼肌肉收缩的紧张程度)也能判定物体的远近。但是，只是对在23m以内的物体才能感觉出远近的差别。（6）双眼观察仪器上节讲到，当用双眼观察外界景物时，能够产生明显的远近感觉，这种感觉称为双眼立体视觉，简称为体视。如果使用单眼望远镜或单眼显傲镜观察时，就不能产生体视，因而也就影响观察效果。为了在使用仪器观察时仍能保持住入眼的体视能力，所以必须采用双眼仪器，如双眼望远镜”和“双目显微镜”。 当使用双眼仪器时，人眼的体视能力不仅可以保持，而且还可以得到提高。由上节知道，人眼能否分辨出两个物点A和B的远近，取决于此二物点对应的视差角之差（ AB ），如图319所示。假定人眼直接观察某一物体时对应的视差角为眼，当使用仪器观察时对应的视差角为仪，二者之比称为双眼仪器的体视放大率，用表示假如人眼左右二瞳孔之间的距离为b，物体距离为l，则直接观察时的视差角眼为假如双眼望远镜的二入射光轴之间的距离为B，称为该仪器的基线长，则同一物体对仪器的二入射瞳孔构成的视差角为
