工程光学第二十一讲

100 80 0.25
80
40 40 0
明视距离是指正常的眼睛在正常照明(50lx)下的工作距离，为250mm
*正常人眼的近点距离小于明视距离。 * 45岁后的人眼近点距离>明视距离----老年性远视眼(老花 眼)
正常眼： 眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后焦点F’在 视网膜上。即r=-∞,R=0。
一、人眼的构造剖视图 巩膜 瞳孔 角膜
1.376
虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹 视轴
前室
1.336
晶状体 后室 1.336
光轴
盲斑
眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。
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人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜
1.376
三膜两室一体
虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹 视轴
1 1 1 1 1 f 5.0(m 1 ) 5.0( D) f ' l ' l 0.2
即应配-500度的近视眼镜。
例：已知远视眼的近点距离为眼前1.25m,应配多 少度的眼镜，才能将近点矫正到250mm处？
散光眼及其校正：一个方向能会聚，另一个方向不能会聚。 用圆柱面或双心圆柱面透镜校正。检验散光眼可用两正交的黑白 线条图案。
眼睛的适应
对各种光亮环境的适应能力，亮度比可达1012:1
亮适应：暗处到明处，过程很快，几分钟； 暗适应：明处到暗处，过程较慢，极限60分钟。
锥状细胞：感受强光，对555nm最灵敏； 杆状细胞：感受微光敏锐，对510nm最灵敏，但分辨细节能力差 因此，在黄昏视觉下，光谱敏感度曲线向短波方向偏移，称波涅金效应
眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：
角膜、晶状体 虹膜、瞳孔 视网膜
物镜
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孔径光阑
感光底片
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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
但我们感觉为什么还是正立的？
这是视神经系统内部作用的结果。
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标准眼和简约眼
1.标准眼：根据大量测试结果，定出了眼睛的各项光学常数，包括各透光 部分的折射率、各光学表面的曲率半径以及有关距离。称满足这些光学 数值的眼镜为标准眼。 2.简约眼：为了近似计算的方便，可把标准眼简化为一个折射球面的模型 来代替，称为简约眼。简约眼的参数为：
折射面的曲率半径 r 5.56m m 像方介质的折射率 n 4 / 3 视网膜的曲率半径 r 9.7m m 物方焦距 f 16.7m m 像方焦距 f 22.26m m 光焦度 59.88屈光度
非正常眼：正常年龄内 r=-∞,R≠0， F’不在视网膜上
近视眼：远点位于眼前有限距离（r < 0）。由于眼球过长，后焦 点（像方）位于视网膜之前所致。因此，只有眼前有限距离处的 物体才能成像在视网膜上。 远视眼：远点位于眼后有限距离（r > 0）。由于眼球过短，后焦 点位于视网膜之后所致。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。 近视眼的校正: 在近视眼前放一负透镜,其焦距f =lr。使无限 远物点成像于眼前有限远。 远视眼的校正: 在远视眼前放一正透镜, 其焦距f =lr。使无限 远物点成像于眼后有限远。
前室
1.336
晶状体 后室 1.336
光轴
盲斑
空气和角膜之间的界面间有较大的折射率差（1.00/1.38） 水晶体的曲率半径(40mm-70mm), 远近调节 瞳孔直径调节(2-8mm),明暗适应
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几个概念：
盲点：视神经进入眼球的地方，不引起视觉。 黄斑：在眼球光轴上方附近有一直径为2mm的黄色区域
1 1 A RP lr l p
A、R、P的单位是屈光度（D），
1D 1m
1
* 眼睛的调节能力随年龄的增长而衰退。
年 龄
lp/cm lr/cm A(屈光度)
10
-7 14
20
-10 10
30
-14 7
40
-22 4.5
50
-40 2.5
60
-200 200 1
70
f = -17mm 简约眼模型
f ' = 23mm
二、眼睛的功能---辐射接收器
视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。
杆状细胞对光刺激非常敏感，但完全不感色； 锥状细胞对颜色很敏感，但感光能力差很多，但对各色光有不 同的感受。 1. 眼睛的适应能力（动态范围） 眼睛对空间光亮情况的自动适应程度——适应。 适应分为暗适应和明适应两种： 暗适应：发生在由明→暗时，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高， 经一定时间才能适应，约60分钟后，敏感度达最大。 明适应：适应过程较快，几分钟即可，但敏感度大大降低。 *眼睛能感受的光亮变化非常大，可达1012:1。
图7-3a、 b 散光的圆柱面
图7-3c 校正散光的双心圆柱面
四、眼睛的分辨率
眼睛刚能分辨最靠近两相邻点的能力称为眼睛的分辨率， 又称视觉敏锐度。 刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角。 视网膜上的最小鉴别距离至少等于两个视神经细胞的直径， 约0.006mm。 物体对人眼的张角，称作视角；人眼能分辨的物点间最小视角，称作视角鉴 别率ε。
叉线对准单线 10
双线对称夹单线 （5～10）
• 即两线宽的几何中心线对人眼 的张角小于某一角度值α 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 α 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。
•
人眼的瞄准精度一般用角度值来表示
瞄准精度与分辨率是不同的概念，分辨是指眼睛能区分开两个 点或线之间角距离或角距离的能力，而对准是指在垂直于视轴 方向上的重合或置中过程。
瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。
二实线重合 60
二直线端部对准 （ 10～20）
•
•
的瞄准精度。
人眼的瞄准精度一般用角度值来表示
•
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五、眼睛的对准精度
测量工作中，为了读数，常常采用某种标志对目标进行对准或 重合，这种重合或对准的过程，就称为瞄准。 而由于受人眼分辨率的限制，把两根线完全重合是不可能的， 偏离于完全重合的程度就称为瞄准精度。
瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？
二者成 反比
0.006 tg 20626f " f'
视觉敏锐度
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1.22l 对于理想光学系统 ＝ D 式中：D是入射光瞳直径， 是极限分辨角。
眼睛的极限分辨角 与眼瞳直径D成反比，即：

1.22l 1.22 0.00055 140" 206265 " D D D
n 4 / 3
Baidu Nhomakorabea
简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型称为简约眼。
R =5.56 n=1.0
R =9.7
n=1.33
折射面曲率半径: 5.56mm 像方介质折射率:1.333 视网膜曲率半径: 9.7mm
物方焦距: -16.7mm 像方焦距: 22.26mm 光焦度: 59.88D
• 人眼光学系统的模型：
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眼睛的调节能力用能清晰调焦的极限距离表示，即远点距离lr 和近点距离lp。
远点：当眼睛处于肌肉完全放松时所能看清最远的点称为远点,用r表示。
近点：当眼睛处于肌肉最紧张时所能看清的最近点称为近点，用p表示。
其倒数R=1/ lr ，P=1/lp分别表示远点和近点的发散度(会聚度)， 单位为屈光度(D)。1D为100度。调节能力
f' l' l
2

这里必须指出，近点距离并不是明视距离
• 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。
例：一个人的眼睛远点距为眼前0.2m，应配何种 眼镜？多少度的近视眼镜？ 将远点恢复到无穷远： 光焦度
二、眼睛的光学特性(辐射接收器)
从亮处到暗处的适应过程。人由外面进入暗室,一下子 视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器， 什么也看不清。随着对暗适应的逐渐完成，瞳孔自动张 杆状细胞对光刺激极敏感，但完全不感色； 大, 进入眼睛的光能增加, 才能看清周围的物体。 锥状细胞对 颜色很敏感，但感光能力差很多，但对各色光有不 人眼在暗处的灵敏度很高：能看清十分微弱的光线， 从黑暗处到光亮处时人眼的适应过程。产生眩目现象： 同的感受。 在暗处停留时间越长，眼睛的对暗适应越好。经过约 60 什么也看不清。 分钟后，其敏感度达到极限。 对亮适应过程较快，只要几分钟时间。眼睛对光适应 眼睛的适应能力：（动态范围） 绝对暗阈值：被人眼感受的最低光照度，~10-9lx，相 时灵敏度大为下降。 当于在 30km处一支蜡烛产生的光照度。 人眼的适应是通过瞳孔大小的自动改变实现的，随着 眼睛对空间光亮情况的自动适应程度——适应。 光亮度的变化，瞳孔直径变化范围2~8mm。1012:1 人眼的适应很大，能感受的光亮变化非常大，可达 对暗适应：瞳孔自动增大以适应暗环境。 对亮适应：当由暗处进入亮处时，瞳孔自动缩小;
（1）与物体的亮度及对比度有关：当照度大于50lx时，分辨率达到极 值。对比度大时分辨率高； （2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）； （3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。
对于555nm波长而言，用秒表示得 1.22 0.000555 140 ＝ 206265 D为瞳孔直径，取 mm D D 眼睛的分辨本 良好光照条件下，认为 ＝60＝1
领与哪些因素 有关？
（1）与物体的亮度及对比度有关：当照度大于50lx时，分辨率达到极 值。对比度大时分辨率高； （2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）； （3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。 对眼睛张角小物体的要借助望远镜或显微镜等仪器，仪器 应有适当的放大率，使能被仪器分辨的也能被眼睛分辨。
白天, 眼瞳直径D=2mm，则眼睛的极限分辨角 =70, 对应于视网 眼睛的分辨本 膜上的像高为0.006mm, 而在眼睛视网膜的黄斑上的视神经细胞直 领与哪些因素 径约为0.003mm, 视网膜的结构完全能满足分辨率。 有关？ 统计结果表明：一般=50~120；良好照明条件下, 眼睛的 极限分辨角 =60。
1.0
光谱光效率
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 400 500 600 700 800
为什么暗环境下能 做饭、洗衣，但不 能描龙绣凤？
光谱光效率函数曲线
l(nm)
三、眼睛的调节及矫正：
眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的过程称为眼睛的调节。
在眼球内，水晶体到视网膜的距离时不变地，在观察远近物 体时，必须自动调焦来改变水晶体的焦距。肌肉用力，曲率增 大，可看清近物；肌肉放松，曲率减小，可看清远物。 眼睛的焦距变化18mm-23mm
中央窝：黄斑中心有一直径为0.25mm的区域，视觉最灵敏。
光轴：光学系统的对称轴。 视轴：眼球光学系统的节点与黄斑中心窝的连线。与光轴的夹 角约为5℃。
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。
设计目视光学仪器时应注意：
Φ×τ=ε
眼睛分辨率 被观察物体 所需的分辨 率 光学系统 的放大率
设计目视光学系统时，必须考虑眼睛的分辨率：应使仪器本身 由衍射决定的分辨能力与眼睛的视角分辨率相适应，即被观察 对象所需的分辨率与所设计系统的放大率乘积等于人眼分辨率。
• 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
黄斑 H H
图 7-2a 远视的校正
黄斑
H H 图 7-2b 近视的校正
视度：非正常眼的程度，用远点距离lr的倒数R表示。 单位为屈光度(D)。1D为100度。
例：远点为2m的近视眼，所需眼镜的光焦度为-0.5D，即50度。
光焦度
f 1 1 1 1 1 0.5(m1 )