(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统

应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 眼睛的视觉灵敏度 两个物点的视觉灵敏度： 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.
为什么？
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3 人眼及其光学系统 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视杆细胞 视锥细胞: 在强光条件下工作，视锥细胞主司昼光觉，有色觉，光敏感性差， 但视敏度高。 视杆细胞: 在弱光情况下工作，能感受弱光。 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, 这两个像点就可以被分辨.
3 人眼及其光学系统
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系 统
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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.
y’
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3 人眼及其光学系统
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 ω 来表示, 称为视角分辨率.
y' f tg
y'min=-0.006 mm，f=-23 mm
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3 人眼及其光学系统 人眼的视觉特征
视轴: 黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线. 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6º－8º的范围. 为了看到更大的范围,可以自由旋转眼球,头也动.
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所以
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3 人眼及其光学系统 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.
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1 0.8
r暗1
瑞利指出：这种合成的衍射图样还是可以看出是由两个发光点构成的。
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从图中可看出，两个爱里斑的中心 距正好是艾里斑的半径。
瑞利就以艾里斑半径或衍射图样
的第一暗环半径（r暗1）作为 光
学系统能对无限远两点的像分辨
得开的最小距离称之为瑞利判据；
1 0.8
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. 脉络膜:视网膜后面包裹的一层黑色膜，
吸收透过网膜的光线。 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.
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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
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2. 瞳孔调节
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.
• 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, 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。
3.2-3.3 放大镜、显微镜、望远镜
• 1.放大镜 • 2.显微镜 • 3.望远镜
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1. 理想光学系统的分辨率
无穷远自身发光的物点，在焦平面上所成的像不是几何点，而是一个 由一系列光环组成的衍射图样。
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中央亮斑称为艾里斑
3 人眼及其光学系统 中央亮斑的直径
眼睛的调节:视度调节 和瞳孔调节 1. 视度调节（主要是水晶体调节）
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. 调节量的表示: 视度SD
l 的符合规则和理想光学系统一致
明视距离: 眼睛前方250mm 距离处，SD=(1 / (-0.25))= -4 近点距离: 眼睛通过调节能看清物体的最短距离. 远点距离: 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
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3 人眼及其光学系统 不同年龄段正常的人眼调节能力
年龄 10 15 20 25 30 35 40 45Biblioteka Baidu50
最大调节范围/视度 -14 -12 -10 -7.8 -7.0 -5.5 -4.5 -3.5 -2.5
近点距离 (mm) 70 83 100 130 140 180 220 290 400
r暗1
按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。
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人眼的视角分辨率为ω″,如果远距离两目标对人眼的张角 小于ω″,它们的像不能落在网膜不相邻的细胞上,就分不清是一 个点还是两个点。
设想,如果先用一个光学仪器对两目标成像,使它们的两像 点对人眼的张角大于ω〃,人眼看清这两个像点,也就是看得清 两目标了。
λ——光的波长 n'——像空间介质折射率
U‘max——光束的会聚角
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当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的艾 里斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。 这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。
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当相邻两点的间隔，正好使一个 衍射图样中的艾里斑中心和另一 个图样的第一暗环重合时，两个 衍射图样的光强分布曲线相加而 得到的合成光强分布曲线，两个 极大值之间存在的一个极小值， 能量约为极大值的80%。
角膜, 前室和水晶体可以看作镜头的一个组成部分.
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.
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后室: 水晶体后面的空间，后室中充满蛋白状的玻璃液，折射率为1.336。 视网膜: 视神经细胞和神经纤维组成，作为感光底片。