眼睛和目视光学系统.
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2013/12/6 6
§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
瞳孔
巩膜
虹膜
2013/12/6 7
§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
5、视网膜：视神经细胞和神经纤维构成的膜 6、黄斑：位于视网膜中 部的椭圆形区域，并且 中心还有一凹部，是视 觉最灵敏的区域。 7、盲点：视神经纤维 的出口，没有感光细 胞，不产生视觉.
§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
一、眼睛的缺陷和校正 4、远视眼的特点
• 在自然状态下，远视眼的像方焦点在视网膜后方，依靠
调节有可能看清无限远物体。
F’
• 远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加。
F’
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远 点
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
一、眼睛的缺陷和校正 5、远视眼的校正
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§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的超级照相机 水晶体－－镜头 网膜－－底片 瞳孔－－光阑
2013/12/6
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§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
视网膜的神经细胞:
锥状细胞:具有高分辨力和颜色分辨能力—明视觉 杆状细胞：视觉灵敏度比锥状细胞高几千倍，但 不能分辨颜色—暗视觉
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§3.1 人眼的光学特性
二、人眼的光学参数
视轴：黄斑中心与眼睛光 学系统像方节点的连线
人眼视场： 观察范围可达150º 能看清视轴中心6º－8º 要看清旁边物体，眼睛 在眼窝内转动，头也动
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§3.1 人眼的光学特性
二、人眼的光学参数
• 眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的超级
一、眼睛的缺陷和校正 3、近视眼的校正
眼睛前加一凹透镜,先将无限远物体成像于眼睛的远 点上.再经过眼睛聚焦在视网膜上,此时负透镜的焦距f’ 远点 -lr
F’
1 1 1 f' lr
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f ' -lr
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采用负透镜，焦距等于远点距离
§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
l远 f '
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1 1 SD 100 300 l远 0.333
24
1. 眼睛相当于一台超级照相机，调焦通过 __________实现，光圈调节通过_______ 实现，像平面位于________。 2. 眼睛的物方焦距和像方焦距不相等？ 3. 明视距离？ 4. 视度的计算公式？ 5. 近点和远点的概念？如何表征人眼的最大 调节范围？正常人眼的远点在什么地方？ 6. 如何校正近视眼和远视眼？
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
一、眼睛的缺陷和校正
2、近视眼的特点 近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像在 网膜上
F’
• 近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远
点）是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方 共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体
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一、眼睛的缺陷和校正
2、近视眼的特点
近视程度用远点距离对应的视度表示 比如远点距离在眼睛前方0.5m，对应的视度
1 SD 2 0.5
医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为 1 视度＝100゜ 此人的近视程度为－200゜
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
2013/12/6
35
§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼的张 角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。
一. 各类目视光学仪器的共同要求: 1、成像在无限远
正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜 上，为了在使用仪器观察时人眼不至于疲劳，目标通过 仪器后应成像在无穷远，或者说要出射平行光束。
对二线的分辨率称为 对准精度，右图的对 准精度都是10”
2013/12/6Baidu Nhomakorabea33
§3.1 人眼的光学特性
看得清楚的条件
必要条件：成像在视网膜上
充分条件：对二点，视角大于或等于60” 对二线，视角大于或等于10”
2013/12/6
34
第三章
眼睛和目视光学系统
3.1 人眼的光学特性 3.2 放大镜和显微镜的工作原理 3.3 望远镜的工作原理 3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 3.5 空间深度感觉和双眼立体视觉 3.6 双眼观察仪器
物体
光学 系统
视网 膜
感光
视神经 正立的像
2013/12/6
信号传输 信号处理和显示
5
大脑
§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
1、角膜：透明球面薄膜， 光线首先通过角膜进入眼睛 。 2、前室：角膜后面的一 部分空间，充满水状液, 对光线起会聚作用 3、水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松 弛，前表面半径可减小或加大，改变焦距，使不同 距离的物体在视网膜上成像 4、虹膜：水晶体前面的薄膜，中心有一圆孔，称为瞳 孔，随着入射光能量的多少，瞳孔直径可放大/缩小。
即目镜的移动量
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
二、目视光学仪器的视度调节
物镜 F’物 F目 目镜 F’ 正常眼
近视眼 F目 F’ 目镜向前
F目
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F’
远视眼 目镜向后
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调节量的计算：
'2 SD f目 x mm 1000
当SD为“－”时，即为近视眼时，x为“＋”， 目镜移动方 向为朝向物镜。
f ' l远 1米
远点
1 1视度 100 SD l远
F’
第二个人为远视：近点 距离为1米，需要将明视距 离250毫米处的物体成像近 点1m处 1 1 1 1 1 1 1000 250 f ' l' l f '
F ’
远 点
f ' 333mm 0.333m
第三章 眼睛和目视光学系统
微电子技术系 王昱琳
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第三章 眼睛和目视光学系统
2013/12/6
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第三章
眼睛和目视光学系统
3.1 人眼的光学特性 3.2 放大镜和显微镜的工作原理 3.3 望远镜的工作原理 3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 3.5 空间深度感觉和双眼立体视觉 3.6 双眼观察仪器
最大调节范围＝近点视度－远点视度
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不同年龄正常人眼的调节能力 年龄 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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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
25
§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
二、目视光学仪器的视度调节 调节量的计算：
若要求仪器的视度值为SD，对于目镜，则要求像距即 为眼睛的远点距离：
1000 x' l远 mm （SD的单位为米-1） SD
由 x x’ =f f’：
'2 SD f目 x mm 1000
1000 '2 f目 x SD
近视眼 F目 F’
当SD为“＋”时，即为远视眼时， x为“－”， 目镜 移动方向为远离物镜。
F目
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F’
远视眼
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
实际应用中，绝大多数仪器通过移动目镜来调节视 度。在目镜的镜圈上刻有对应的视度值，转动目镜， 实际上就是在调节视度。 散光：折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不 同的焦距。 校正方法：可用圆柱面透镜
斜视：水晶体位置不正或折射面曲率异常，矫正应 配戴光楔
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§3.1 人眼的光学特性
五、人眼的分辨率 1. 对两物点的视角分辨率
两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较大 ，人眼能够分辨开是两个像点，如果两像点距离小到一 定程度，人眼就有可能分辨不出是两个像点。 人眼的分辨率-----眼睛刚能分辨的两物点在网膜上成 的两像点之间的距离. 如果两像点之间的距离大于两视神经细胞的直 径，落在两个不相邻视神经细胞上，就能分清是 两个像点。
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§3.1 人眼的光学特性
五、人眼的分辨率 1. 对两物点的视角分辨率
如果两像点之间的距离大于两视神经细胞的直 径，落在两个不相邻视神经细胞上，就能分清是 两个像点。
y’
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五、人眼的分辨率
1. 对两物点的视角分辨率
视神经细胞直径约为0.001～0.003mm，取0.006mm 为眼睛的分辨率。 刚刚能被人眼分辨的两物点对眼睛的张角ωmin称为眼 睛的视角分辨率。 0.006mm的距离在物空间对应的张角就 是视角分辨率。
2、增大视角
用视放大率表征。
§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
2、增大视角
直接观察： 用仪器观察：
-y’眼=π ’ tg ω眼
-y’仪=π ’ tg ω仪
π’------眼睛的像方节点J’到网膜的距离
§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
2、增大视角
用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网膜上 的像高之比表示了仪器的放大作用，称为视放大率，用Г 表示。 视网膜上像高之比 物方的视角正切之比
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
一、眼睛的缺陷和校正
1、正常人眼的焦点F’、远点和近点 正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜上， 即像方焦点F’与网膜重合
F’
正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调 节可以将F’点前移，使像成在网膜上 人眼能看清的最远距离称为远点，远点是人眼 自然状态下与网膜像相共轭的物平面位置 人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点
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§3.1 人眼的光学特性 请大家思考：
• 为什么我们在暗处难以分辨物体的颜色？ • 为什么从暗处突然走到明亮的室外，我们
要眯起双眼？
• 眼睛最小能分辨多大的物体？ • 余光可以看到多大的范围？为什么能看清
楚的只有中央附件的一小部分？
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人眼成像过程
倒立的像
成像
照相机
• 眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-17mm f¹=23mm • 在调焦范围内，-f=14.2~17.1mm f¹=18.9~22.8mm • 瞳孔起着孔径光阑的作用，自动调节进入人眼的光
能，调节范围：2~8mm
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§3.1 人眼的光学特性
三、人眼的调节 1、视度调节
定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使像落在 视网膜上的过程。
一、眼睛的缺陷和校正 3、近视眼的校正
远点 F’
采用负透镜，
f ' -lr
例如：某人远点距离为眼睛前方200mm，要戴多大 度数的眼镜？焦距为多少？
f ' l远 200mm 0.2m
1 1 SD 5视度 500 l远 0.2
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F’ lr 眼睛前加凸透镜，将无限远物体成像于眼睛的远 点上.再经过眼睛聚焦在视网膜上,
远 点
1 1 1 lr f'
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f ' lr
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采用正透镜，焦距等于远点距离
[例]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： 第一人为近视:
F’
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四、人眼的调节
1、视度调节
明视距离：正常眼睛在正常照明下最方便的操作距离 ，规定为眼睛前方250mm 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——正常为无限远 视度：与视网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数 调节量的表示，绝对值越大，调节量越大 SD= 1 l l 单位为米，有正有负
y' f tg
而 y’min=-0.006mm，f=-16.68mm
min
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' 0.006 y min 206000 " 60" f 16 .68
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五、人眼的分辨率
2. 两条平行直线的分辨率
对两条平行直线的分辨率 可以提高到10’’ 在很多仪器中需要瞄准， 瞄准的方式有（a）、（b） 、（c）.
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四、人眼的调节
2、适应调节
外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同
• 虹膜可以自动改变瞳孔大小，以控制人眼的进
光量：强光下，白天 D=2mm;夜晚，D=8mm
• 亮度动态范围：1012:1 • 最低照度：10-6lx • 设计目视光学仪器时，仪器的出射孔径要和人
眼瞳孔大小配合，白天使用的可以小些，夜晚 使用的则要大一些
§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
瞳孔
巩膜
虹膜
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§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
5、视网膜：视神经细胞和神经纤维构成的膜 6、黄斑：位于视网膜中 部的椭圆形区域，并且 中心还有一凹部，是视 觉最灵敏的区域。 7、盲点：视神经纤维 的出口，没有感光细 胞，不产生视觉.
§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
一、眼睛的缺陷和校正 4、远视眼的特点
• 在自然状态下，远视眼的像方焦点在视网膜后方，依靠
调节有可能看清无限远物体。
F’
• 远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加。
F’
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远 点
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
一、眼睛的缺陷和校正 5、远视眼的校正
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§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的超级照相机 水晶体－－镜头 网膜－－底片 瞳孔－－光阑
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§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
视网膜的神经细胞:
锥状细胞:具有高分辨力和颜色分辨能力—明视觉 杆状细胞：视觉灵敏度比锥状细胞高几千倍，但 不能分辨颜色—暗视觉
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§3.1 人眼的光学特性
二、人眼的光学参数
视轴：黄斑中心与眼睛光 学系统像方节点的连线
人眼视场： 观察范围可达150º 能看清视轴中心6º－8º 要看清旁边物体，眼睛 在眼窝内转动，头也动
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§3.1 人眼的光学特性
二、人眼的光学参数
• 眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的超级
一、眼睛的缺陷和校正 3、近视眼的校正
眼睛前加一凹透镜,先将无限远物体成像于眼睛的远 点上.再经过眼睛聚焦在视网膜上,此时负透镜的焦距f’ 远点 -lr
F’
1 1 1 f' lr
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采用负透镜，焦距等于远点距离
§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
l远 f '
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1 1 SD 100 300 l远 0.333
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1. 眼睛相当于一台超级照相机，调焦通过 __________实现，光圈调节通过_______ 实现，像平面位于________。 2. 眼睛的物方焦距和像方焦距不相等？ 3. 明视距离？ 4. 视度的计算公式？ 5. 近点和远点的概念？如何表征人眼的最大 调节范围？正常人眼的远点在什么地方？ 6. 如何校正近视眼和远视眼？
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
一、眼睛的缺陷和校正
2、近视眼的特点 近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像在 网膜上
F’
• 近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远
点）是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方 共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体
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一、眼睛的缺陷和校正
2、近视眼的特点
近视程度用远点距离对应的视度表示 比如远点距离在眼睛前方0.5m，对应的视度
1 SD 2 0.5
医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为 1 视度＝100゜ 此人的近视程度为－200゜
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
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§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼的张 角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。
一. 各类目视光学仪器的共同要求: 1、成像在无限远
正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜 上，为了在使用仪器观察时人眼不至于疲劳，目标通过 仪器后应成像在无穷远，或者说要出射平行光束。
对二线的分辨率称为 对准精度，右图的对 准精度都是10”
2013/12/6Baidu Nhomakorabea33
§3.1 人眼的光学特性
看得清楚的条件
必要条件：成像在视网膜上
充分条件：对二点，视角大于或等于60” 对二线，视角大于或等于10”
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第三章
眼睛和目视光学系统
3.1 人眼的光学特性 3.2 放大镜和显微镜的工作原理 3.3 望远镜的工作原理 3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 3.5 空间深度感觉和双眼立体视觉 3.6 双眼观察仪器
物体
光学 系统
视网 膜
感光
视神经 正立的像
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信号传输 信号处理和显示
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大脑
§3.1 人眼的光学特性
一、人眼的构造
1、角膜：透明球面薄膜， 光线首先通过角膜进入眼睛 。 2、前室：角膜后面的一 部分空间，充满水状液, 对光线起会聚作用 3、水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松 弛，前表面半径可减小或加大，改变焦距，使不同 距离的物体在视网膜上成像 4、虹膜：水晶体前面的薄膜，中心有一圆孔，称为瞳 孔，随着入射光能量的多少，瞳孔直径可放大/缩小。
即目镜的移动量
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
二、目视光学仪器的视度调节
物镜 F’物 F目 目镜 F’ 正常眼
近视眼 F目 F’ 目镜向前
F目
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F’
远视眼 目镜向后
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调节量的计算：
'2 SD f目 x mm 1000
当SD为“－”时，即为近视眼时，x为“＋”， 目镜移动方 向为朝向物镜。
f ' l远 1米
远点
1 1视度 100 SD l远
F’
第二个人为远视：近点 距离为1米，需要将明视距 离250毫米处的物体成像近 点1m处 1 1 1 1 1 1 1000 250 f ' l' l f '
F ’
远 点
f ' 333mm 0.333m
第三章 眼睛和目视光学系统
微电子技术系 王昱琳
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第三章 眼睛和目视光学系统
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第三章
眼睛和目视光学系统
3.1 人眼的光学特性 3.2 放大镜和显微镜的工作原理 3.3 望远镜的工作原理 3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 3.5 空间深度感觉和双眼立体视觉 3.6 双眼观察仪器
最大调节范围＝近点视度－远点视度
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不同年龄正常人眼的调节能力 年龄 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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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
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
二、目视光学仪器的视度调节 调节量的计算：
若要求仪器的视度值为SD，对于目镜，则要求像距即 为眼睛的远点距离：
1000 x' l远 mm （SD的单位为米-1） SD
由 x x’ =f f’：
'2 SD f目 x mm 1000
1000 '2 f目 x SD
近视眼 F目 F’
当SD为“＋”时，即为远视眼时， x为“－”， 目镜 移动方向为远离物镜。
F目
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F’
远视眼
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
实际应用中，绝大多数仪器通过移动目镜来调节视 度。在目镜的镜圈上刻有对应的视度值，转动目镜， 实际上就是在调节视度。 散光：折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不 同的焦距。 校正方法：可用圆柱面透镜
斜视：水晶体位置不正或折射面曲率异常，矫正应 配戴光楔
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§3.1 人眼的光学特性
五、人眼的分辨率 1. 对两物点的视角分辨率
两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较大 ，人眼能够分辨开是两个像点，如果两像点距离小到一 定程度，人眼就有可能分辨不出是两个像点。 人眼的分辨率-----眼睛刚能分辨的两物点在网膜上成 的两像点之间的距离. 如果两像点之间的距离大于两视神经细胞的直 径，落在两个不相邻视神经细胞上，就能分清是 两个像点。
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§3.1 人眼的光学特性
五、人眼的分辨率 1. 对两物点的视角分辨率
如果两像点之间的距离大于两视神经细胞的直 径，落在两个不相邻视神经细胞上，就能分清是 两个像点。
y’
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五、人眼的分辨率
1. 对两物点的视角分辨率
视神经细胞直径约为0.001～0.003mm，取0.006mm 为眼睛的分辨率。 刚刚能被人眼分辨的两物点对眼睛的张角ωmin称为眼 睛的视角分辨率。 0.006mm的距离在物空间对应的张角就 是视角分辨率。
2、增大视角
用视放大率表征。
§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
2、增大视角
直接观察： 用仪器观察：
-y’眼=π ’ tg ω眼
-y’仪=π ’ tg ω仪
π’------眼睛的像方节点J’到网膜的距离
§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
2、增大视角
用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网膜上 的像高之比表示了仪器的放大作用，称为视放大率，用Г 表示。 视网膜上像高之比 物方的视角正切之比
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§3.4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节
一、眼睛的缺陷和校正
1、正常人眼的焦点F’、远点和近点 正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜上， 即像方焦点F’与网膜重合
F’
正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调 节可以将F’点前移，使像成在网膜上 人眼能看清的最远距离称为远点，远点是人眼 自然状态下与网膜像相共轭的物平面位置 人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点
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§3.1 人眼的光学特性 请大家思考：
• 为什么我们在暗处难以分辨物体的颜色？ • 为什么从暗处突然走到明亮的室外，我们
要眯起双眼？
• 眼睛最小能分辨多大的物体？ • 余光可以看到多大的范围？为什么能看清
楚的只有中央附件的一小部分？
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人眼成像过程
倒立的像
成像
照相机
• 眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-17mm f¹=23mm • 在调焦范围内，-f=14.2~17.1mm f¹=18.9~22.8mm • 瞳孔起着孔径光阑的作用，自动调节进入人眼的光
能，调节范围：2~8mm
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§3.1 人眼的光学特性
三、人眼的调节 1、视度调节
定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使像落在 视网膜上的过程。
一、眼睛的缺陷和校正 3、近视眼的校正
远点 F’
采用负透镜，
f ' -lr
例如：某人远点距离为眼睛前方200mm，要戴多大 度数的眼镜？焦距为多少？
f ' l远 200mm 0.2m
1 1 SD 5视度 500 l远 0.2
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F’ lr 眼睛前加凸透镜，将无限远物体成像于眼睛的远 点上.再经过眼睛聚焦在视网膜上,
远 点
1 1 1 lr f'
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f ' lr
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采用正透镜，焦距等于远点距离
[例]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： 第一人为近视:
F’
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四、人眼的调节
1、视度调节
明视距离：正常眼睛在正常照明下最方便的操作距离 ，规定为眼睛前方250mm 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——正常为无限远 视度：与视网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数 调节量的表示，绝对值越大，调节量越大 SD= 1 l l 单位为米，有正有负
y' f tg
而 y’min=-0.006mm，f=-16.68mm
min
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' 0.006 y min 206000 " 60" f 16 .68
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五、人眼的分辨率
2. 两条平行直线的分辨率
对两条平行直线的分辨率 可以提高到10’’ 在很多仪器中需要瞄准， 瞄准的方式有（a）、（b） 、（c）.
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四、人眼的调节
2、适应调节
外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同
• 虹膜可以自动改变瞳孔大小，以控制人眼的进
光量：强光下，白天 D=2mm;夜晚，D=8mm
• 亮度动态范围：1012:1 • 最低照度：10-6lx • 设计目视光学仪器时，仪器的出射孔径要和人
眼瞳孔大小配合，白天使用的可以小些，夜晚 使用的则要大一些