神奇的眼睛应用光学__人眼特性

2．瞳孔调节（适应特性） ．瞳孔调节（适应特性）
人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。 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， 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）。 称为适应 即为瞳孔的调节 适应（ 瞳孔的调节）。 眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼 眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小， 睛的进光亮（2mm~8mm)。在设计目视光学仪器 睛的进光亮（ 。 时要充分考虑与眼瞳的配合。 适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生 的变态过程，可分为对暗适应 对光适应两种 对暗适应和 两种， 的变态过程，可分为对暗适应和对光适应两种，前 者发生在光亮处到黑暗处的时候， 者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑 暗处到光亮处的时候。 暗处到光亮处的时候。
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η' = x j ' ⋅tgε
（rad） ）
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所以人眼的极限分辨角可表示为
η' = x j ' ⋅tgε
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（rad） ）
ε — 眼睛的极限分辨角 rad )； 眼睛的极限分辨角( ；
η′ — 视觉细胞的直径，约为 视觉细胞的直径，约为0.006mm； ；
xj′— 像方节点到视网膜的距离 应为
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所谓人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力。 所谓人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力。 人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力 眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分辨率（ 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 称为眼睛的分辨率 辨本领） 辨本领） 人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。 人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。 极限分辨角来表示
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现在从两个不同的角度来分析眼睛的极限分辨角的 现在从两个不同的角度来分析眼睛的极限分辨角的 两个不同的角度 大小。 大小。 首先从人眼的视网膜结构上来分析： 首先从人眼的视网膜结构上来分析：
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如果这两点的像分别 落在被分隔开的两个 视网膜细胞上， 视网膜细胞上，即得 到两个点的视觉
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由此可见， 由此可见，眼睛的分辨率与视 网膜上两像点距离 距离及视觉细胞 网膜上两像点距离及视觉细胞 直径大小有关 的直径大小有关 当两像点的间距大于（或等于） 当两像点的间距大于（或等于）视觉细 胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。 胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。 人眼的极限分辨角可表示为 人眼的极限分辨角可表示为
高尔斯特简化眼的参数
介质折射率 折射面曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度 视网膜曲率半径
4/3=1.33 5.7mm －17.1mm 22.8mm 58.48折光度 折光度 9.7mm
眼睛的视场很大，可达150˚，但只有黄斑附近才能清晰识别， 眼睛的视场很大，可达150˚，但只有黄斑附近才能清晰识别， 150˚ 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˚。 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。 从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视网膜和瞳孔。
当人眼观察在调解范围内的某一距离l处的物 当人眼观察在调解范围内的某一距离 处的物 体时，它总能清晰地成像在视网膜上。 体时，它总能清晰地成像在视网膜上。 A称为眼睛的调节范围或调节能力。 称为眼睛的调节范围或调节能力。 称为眼睛的调节范围或调节能力 的单位为米，则其倒数称为视度 单位为屈光度 倒数称为视度， 如果 l 的单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 虹膜 网膜 脉络膜 黄斑中心凹
*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 网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，
细胞，锥状细胞直径约 微米 长约35微米 杆状细胞直径约2 微米， 微米； 细胞，锥状细胞直径约5微米，长约 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。 微米。 ，长约 微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处 由中心向外，逐渐相对变化； 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；
人眼的光学特性
一、眼睛的结构——成像光学系统 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。 均可以看作成像元。
人眼的构造剖视图
人眼的构造剖视图
巩膜 脉络膜
角膜
*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬； 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； 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； 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； *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；
眼睛和照相机很相似，如果对应起来看： 眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：
人眼 ↕ 照相机 水晶体 ↕ 镜头 视网膜 ↕ 底片 瞳孔 ↕ 光阑
人眼相当于一架照相机， 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， 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？ 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。 这是视神经系统内部作用的结果。
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这是由于眼球偏短， 这是由于眼球偏短，像 方焦点位于视网膜的之 后所致。因此， 后所致。因此，射入眼 睛的光束只有是会聚时， 睛的光束只有是会聚时， 才能正好聚焦在视网膜 上。
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对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远。 对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远。 正透镜来使其远点恢复到无限远
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 虹膜 脉络膜
*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色； 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 瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同， 直径在2~8mm范围内变化 2~8mm 膜肌肉能使瞳孔的直径在2~8mm范围内变化；它是人眼 的孔径光阑 孔径光阑。 孔径光阑
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xj '= f ′
0.006 × 206265 ≈ 54 （秒） 22.8
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而当眼睛处于放松状态时， = 上式可得： 而当眼睛处于放松状态时， f ′ 22.8 。上式可得：
晶状体
盲斑
似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高 成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 前室 晶状体 盲斑 虹膜 网膜 脉络膜 黄斑中心凹
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近视眼或远视眼的远点视度可通过仪 器来测得， 器来测得，知道此值后即可求得所需 眼镜的焦距。 眼镜的焦距。
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例如：有一近视眼， 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 个屈光度（ 度为 个屈光度（眼镜行业称近视 度）
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则其远点距r 则其远点距 = - 0.5 m， ， 需配焦距为 的近视眼镜。 需配焦距为-500mm的近视眼镜。 焦距为 的近视眼镜
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目视光学仪器视度调节
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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， 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， 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
二、眼睛的调节
眼睛有两类调节功能： 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 远近不同的其他物体，物距不同， 膜上，这样我们就看不清。 膜上，这样我们就看不清。 要想看清其他的物体， 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。 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 眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节。
所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（ 所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（r < 0） 近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处 ）
这是由于眼球太长， 这是由于眼球太长，像方焦点位于视网膜的前 面所致。因此， 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。 能成像在视网膜上。
后室 总能将像成在网膜上。 角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.3374的水状液； 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜
1.3771
虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹 视轴
前室
1.3374
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。
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 虹膜 网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。
盲斑 神经纤维
盲斑
光
视神经细胞
大脑
盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。 晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 虹膜 网膜 脉络膜 黄斑中心凹
负视度， 对应着负视度 对应着负视度，配上 适当的负光焦度眼镜后， 适当的负光焦度眼镜后， 即可使无限远物 体成像于眼睛的远点上， 体成像于眼睛的远点上， 然后再经眼睛成 像于网膜上， 像于网膜上，因而眼 镜矫正了眼睛的缺陷。
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所谓远视眼就是其远点在眼睛之后（ 所谓远视眼就是其远点在眼睛之后（r >源自文库0）， 远视眼就是其远点在眼睛之后 ），
1 SD = l
如观察眼前10米的物体， 如观察眼前 米的物体，对应的视度为 米的物体
1 SD = = −0.1 屈光度。 l
远点距倒数
1 =R r
1 =P p
称为远点视度， 称为远点视度， 远点视度
近点距倒数
称为近点视度。 称为近点视度。 近点视度
在医院和眼镜店通常把1屈光度称为100度 在医院和眼镜店通常把 屈光度称为 度。 屈光度称为 人眼的调节能力随年龄的增加而变化。 人眼的调节能力随年龄的增加而变化。 随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近移， 随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近移， 因而调节范围减少。 因而调节范围减少。
眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节 眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节 的张角成为两点间的角距离或称为视角 角距离或称为 点的张角成为两点间的角距离或称为视角
人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角 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 人眼分辨率与极限分辨角成反比关系 成反比
三、眼睛的缺陷和矫正
正常眼在肌肉完全放松的自然状态 能够看清楚无限远处的物体， 下，能够看清楚无限远处的物体， 即远点应在无限远（ 即远点应在无限远（R = 0）， ）， 像方焦点正好和视网膜重合 若不符合这一条件就是 非正常眼，或称视力不正常 非正常眼，或称视力不正常 最常见的有近视眼和远视眼
F'
目镜 F眼’ 正常眼
物镜
F眼’ 近视眼
F眼’ 远视眼
四、眼睛的分辨率（分辨本领） 眼睛的分辨率（分辨本领）
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人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性， 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。 光学仪器设计的重要依据之一。 用其它观测设备（如照相机、 用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼时也 等 可据此作为参考。 可据此作为参考。
正常人眼在完全放松的自然状态下， 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， 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。 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 在观察近距离物体时， 收缩， 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， 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。 从而使该物体的像成在视网膜上。