眼睛和目视光学系统.
工程光学眼睛及目视光学系统ppt课件
±60"
±10~20"
±10"
±5~10"
不同瞄准方式的瞄准精度
10
眼睛及其光学系统
七. 双目立体视觉
对物体位置在空间分布以及对物体 体积的感觉——立体视觉。 1. 单眼观察 2．双眼观察 双像 单一像 物在两眼视网膜上的像必须位于视 网膜的对应点，即相对于黄斑中心 的同一侧时，才有单像的印象
11
看书用
如果眼睛紧贴放大镜，即P’=0，则 1
250 f
y’
P’ ’
y
f’
F’
-l’
14
二．光束限制和线视场
放大镜
眼瞳：孔径光阑，系统的出瞳 放大镜框：视场光阑，入窗，出窗，同时也是渐晕光阑 （视场光阑与物面不重合） 虚像平面
KD=0 KD=0.5 KD= 1
场阑
出瞳
y
1’ 2’ ’
1．显微镜的孔径光阑、出瞳直径 普通显微镜：物镜框——孔径光阑。 测量显微镜：物镜像方焦面——孔径光阑
B’ A-U’源自Fo’BU’ A’
Fe
20
显微镜系统
•显微镜的出瞳直径
物镜满足正弦条件： ny sin U n y sin U
x ' D ' 2 D ' D ' D ' NA n sin U n ' sin U ' f ' f f ' f ' 2 2f' 50 1 2 1 2
5
眼睛及其光学系统
6
四、眼睛的视角
y y tg l l ' e
7
眼睛及其光学系统
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
畸变
畸变
畸变是目视光学系统成像的一种 失真现象，表现为图像的几何形 状发生变化。畸变分为桶形畸变
和枕形畸变两种类型。
畸变的测量
畸变的测量通常采用畸变系数， 即实际图像与理想图像的几何形 状差异的比例。畸变系数越大，
畸变越严重。
畸变的影响因素
影响畸变的因素包括光学系统的 设计、镜片质量、制造误差等。
望远镜
用于观察远距离物体的目 视光学系统，通常具有较 大的视场和较长的焦距。
摄影镜头
用于拍摄照片的目视光学 系统，通常具有较高的成 像质量。
目视光学系统的基本参数
焦距
目视光学系统的焦距是指 物镜与目镜之间的距离， 决定了系统的放大倍数和 观察距离。
视场
目视光学系统的视场是指 物镜所能够覆盖的视野范 围，决定了观察者能够看 到的物体范围。
眼镜广泛应用于人们的日常生活和工 作，是矫正视力缺陷、保护眼睛健康 的重要工具。
摄影镜头
摄影镜头是一种将景物光线聚焦在感光材料上的目视光学仪器，能够将景物拍摄 成照片。
摄影镜头广泛应用于新闻报道、广告、电影和摄影等领域，为人们提供了记录和 分享美好瞬间的工具。
04
目视光学系统的性能评价
分辨率
分辨率
对比度
对比度
对比度是衡量目视光学系统区分 明暗变化的能力的指标。对比度 越高，光学系统呈现的图像明暗
差异越大，细节越丰富。
对比度的公式
对比度通常用公式表示为"明暗区 域的亮度比值"。比值越大，对比 度越高。
对比度的影响因素
影响对比度的因素包括光学系统的 透过率、反射率、像差等。优化这 些因素可以提高光学系统的对比度。
分辨率
目视光学系统的分辨率是 指系统能够分辨的最小细 节程度，通常以线对数表 示。
精选第六章应用光学目视光学系统
一、工作原理 目视光学仪器的两个要求 扩大视角 出射平行光 显微镜是将近物成像于无限远，望远镜使无限远物体 成像在无限远，所以望远镜是一个无焦系统 由于是无焦系统，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点 重合，光学筒长＝0
望远镜有两种基本型式：伽利略望远镜、开普勒望远镜。
➢开普勒望远系统，物镜和目镜都是正透镜，中间有实像面，可在实像处
一、显微镜的成像原理及视角放大率
放大镜不能满足对更细小的物体观察，考虑可以先用 一组透镜把物体放大成像到放大镜前焦面上，再通过 放大镜观察；
这样经过两级放大形成的光学系统称为显微镜系统；
靠近物体，把物体尺寸放大的透镜叫做显微物镜 靠近眼睛，用来扩大视角的放大镜叫做显微目镜。
光学筒长△：F′物 到F目之间的距离。
tg f目 D
➢望远镜系统的特点：P148 1.Γ可正可负，Γ>0,ω、ω´同号，物像方向相同（伽利略望远镜）
Γ<0,ω、ω´异号，物像方向相反（开普勒望远镜）
2.目镜焦距不能太小，因此要提高放大率，必须加长物镜焦距； 3.出瞳与人眼眼瞳直径相匹配，为了得到高倍率，要加大物镜口径。
三、分辨率及工作放大率
⑴、显微镜的视角放大率； ⑵、出瞳距离（镜目距）； ⑶、斜入射光照明，波长为0.55微米，求其分辨率； ⑷、物镜通光孔径； ⑸、出瞳直径； ⑹、设物高2y＝6mm，K=50％，求目镜的通光口径。
6.4 望远镜系统
主要内容： 1、工作原理； 2、视放大率； 3、分辨率及工作放大率； 4、透镜转象系统；
NA ，λ 时， σ ，分辨率
3、有效放大率（要使显微镜分辨的细节能被人眼所分辨）
便于眼睛分辨的角距离为 2 ~ 4
该角距离在眼睛的明视距离250mm处所对应的线距离σ眼，可表示为：
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
3 人眼及其光学系统
已知显微镜的视放大率为-300，目镜焦距为20mm，求显微镜物镜 的倍率。若人眼的视角分辨率为60’’ ，则用该显微镜能分辨的两物点 的最小距离是多少？
目
250
f目'
=物目
300
物
250 20
物
24
tan 仪 =
y' f目'
物 24
y' y
tan 60''
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
应用光学（第四版）
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 45 50
'
r'
0.61 n'sin U 'max
0.61 n'(D / 2R)
1.22R n'D
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
'
0.61 n'sin U 'max
1.22R n'D
当满足小角度时，sinU'max=tanU'max=U'max
'
0.61 n'sin U 'max
0.61 n’u '
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
工程光学第七章典型光学系统
①透射光亮视场照明。光通过透明物体产生亮视场。 ②反射光亮视场照明。对不透明的物体，从上面照射产生漫射或规 则的反射形成亮视场。 ③透射光暗视场照明。倾斜入射的照明光束在物体旁侧向通过，光 束通过物体结构的衍射、折射和反射，射向物镜，形成物体的像， 则获得暗视场。 ④反射光暗视场照明。在旁侧入射到物体上的照明光束经反射后在 物镜侧向通过，若无缺陷的放射镜作为物体，得到一均匀暗视2场2 。
距离
距离
R为远点视度，P为近点视度，单位为屈光度（D）=1/m。 医学上， 1D=100度。 随着年龄增大，肌肉调节能力下降，调节范围减小。
（二）眼的缺陷及校正
眼睛的远点在无限远或眼光学系统的后焦点在视网膜上，称
为正常眼。
正常眼观察近物时，物体距眼最适宜的距离是250mm，称
为明视距离M。
4
①近视眼 近视眼的网膜离水晶体太远或水晶体表面曲率太大，无限 远物点成像在网膜之前，远点在眼前有限远。 需配一负光角度凹面透镜，透镜的像方焦点与眼睛的远点 重合，这样，无限远物点就能成像在网膜上。
大小应与目 500tgw 6，8，11，16，22，32。 镜的视场角 250 D ②成实像的眼睛、摄影和投影系统。
f e
e
一致： e
2 y 5 0 0tg w e
5 0 0tg w
表明：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物
空间的线视场越小。
18
三、显微镜的出瞳直径 普通显微镜，物镜框是孔径光阑。 复杂物镜，其最后镜组的镜框为孔径光阑。 测量用显微镜，物镜像方焦平面上设置专门的孔径光阑， 经目镜所成的像为出瞳（直径为D‘）。 则有： n ysinun ysinu nsinuyn sinu y n sinu fo
眼睛的目视光学系统应用光学
眼睛的目视光学系统应用光学光学是研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射和吸收等现象的学科。
而眼睛是我们视觉系统的重要组成部分，在光学学科的基础上应用了一系列的光学原理和技术，形成了眼睛的目视光学系统。
光的传播和折射首先，让我们来了解一下光的传播和折射原理。
光是一种电磁波，它在空气、液体和固体之间传播时会发生折射现象。
光的传播速度在不同介质中是不同的，当光从一种介质传播到另一种介质时，它的传播速度会改变，导致光线的传播方向发生偏折。
这个偏折现象对于我们的眼睛来说非常重要。
眼睛的光学构造眼睛的光学构造包括角膜、瞳孔、晶状体和视网膜等部分。
角膜是我们眼睛的前窗口，它具有一个曲弯的表面，可以折射光线。
瞳孔是一个可收缩的孔洞，可以控制光线进入眼睛的数量。
晶状体是位于瞳孔后面的一个透明组织，可以通过改变其形状来对光线进行进一步的聚焦。
视网膜是我们眼睛的后窗口，可以对光线进行感光。
眼睛的屈光系统眼睛的光学系统由角膜、晶状体和视网膜组成，它们构成了眼睛的屈光系统。
眼睛的屈光系统主要负责将进入眼睛的光线进行折射和聚焦，使其能够清晰地投影在视网膜上。
角膜的屈光作用角膜是眼睛的前窗口，它作为光线的第一个折射界面起到了很重要的作用。
由于角膜的曲率并非均匀，不同位置的角膜对光线的折射能力也有所不同。
角膜的屈光作用对眼球的总屈光度起到了决定性的影响。
晶状体的调焦作用晶状体是眼睛的主要调焦器官，它可以改变自身的形状来调节眼镜的焦距。
通过晶状体的调焦作用，眼睛可以实现对不同距离的物体进行清晰的视觉焦点调节。
眼球的像的成像原理当光线通过眼睛的屈光系统后，它会在视网膜上形成一个倒立的实像。
这个实像是通过眼球的光学元件对光线进行折射和聚焦产生的。
视网膜上的感光细胞会将光信号转化为神经信号，并通过视神经传递到大脑进行处理和解读。
眼睛的调节机制人眼除了具有通过改变晶状体形状进行调焦的功能外，还具有调节瞳孔直径的能力。
当环境光线较暗时，瞳孔会扩大以增加进入眼睛的光线数量，提高光的敏感度；当环境光线较亮时，瞳孔会收缩以减少进入眼睛的光线数量，保护视网膜不受强光的损伤。
眼睛及目视光学系统
眼睛及目视光学系统简介眼睛是人类最重要的感觉器官之一，它负责接收光线并将其转化为神经信号，让我们能够看到周围的世界。
而目视光学系统则是由多个部分组成的复杂系统，包括角膜、水晶状体、玻璃体等等，它们共同协作完成光线的折射和聚焦，使我们能够清晰地看到物体。
本文将介绍眼睛及目视光学系统的结构和功能，以及一些与视力相关的常见问题和疾病。
眼睛结构角膜和巩膜眼睛的前表面由透明薄膜组成，这就是角膜。
角膜负责让光线通过并折射到眼睛中。
而巩膜则是覆盖在眼球表面的一层坚韧的结缔组织，保护眼睛免受外界伤害。
虹膜和瞳孔虹膜是位于角膜和晶状体之间的有色隔膜，它决定了我们的眼睛的颜色。
而瞳孔则是位于虹膜中央的孔洞，它的大小能够调节光线的进入量。
晶状体和睫状体晶状体是位于眼球内部的透明结构，它能够改变自身的形状，并且通过对光线的折射来进行聚焦。
与晶状体相连的是睫状体，它通过张力的调节来控制晶状体的形状，从而实现对不同距离物体的聚焦。
玻璃体玻璃体是填充在眼球后部的透明胶状物质，它保持了眼球的形状并且帮助光线继续聚焦在视网膜上。
视网膜视网膜位于眼球的后部，是感光细胞的聚集区域。
当光线聚焦在视网膜上时，感光细胞会转化为神经信号，并通过视神经传递到大脑，我们才能够看到物体。
目视光学原理眼睛的视觉功能是通过一系列的光学过程来实现的。
当光线进入眼睛时，它首先经过角膜的折射，然后通过晶状体的调节来进一步聚焦。
最后，光线聚焦到视网膜上的感光细胞上，形成清晰的图像。
角膜的折射角膜是眼睛中最前面的透明薄膜，具有强烈的折射能力。
当光线从空气中进入角膜时，它会被角膜的曲率所改变，并在进入眼球后继续向晶状体传播。
晶状体的调节晶状体是眼睛中的一个透明结构，它具有可以改变形状的能力。
这一调节能力使得晶状体能够根据物体的远近来改变其折射力，从而实现对光线的聚焦。
调节失调与屈光度调节失调是指晶状体无法有效调节，导致眼睛无法聚焦到远近不同的物体上。
屈光度是用来度量眼睛对光的折射能力的单位，调节失调常常与屈光度有关。
北京理工大学考研眼睛和目视光学系统知识点
一．人的眼睛光学仪器中的一大类就是目视仪器，其用于与眼睛配合使用，以增强人眼的视觉能力，所以要了解目视光学系统，就必须对对人眼的结构和性能有所了解，从光学角度来讲，眼睛相当于一架高级相机。
人眼的水晶体（晶状体），相当于由多层透明介质薄膜构成的一个可调节的双凸透镜，相当于相机的镜头。
人眼的虹膜在晶状体前面，中央是一个圆孔，可以随物体亮暗程度改变圆孔的直径，以调节进入人眼睛光束的孔径，成为瞳孔，相当于照相机的可变光阑（也就是我们所讲的光圈大小的调节），人眼视网膜可以感光，相当于相机的底片（对于数码相机，就相当于CCD或者CMOS感光器件）二．人眼的调节眼睛的调节是指：为了使不同距离的物体都能在视网膜上清晰成像，必须随物体距离的改变，相应的改变眼睛的焦距（我们在拍摄照片时也是一样的，通过改变焦距，实现对不同远近的物体清晰拍摄），这个过程成为“眼睛的调节”。
那么眼睛的调节的程度我们用什么来度量呢？实际上我们使用视度来表示的。
如果视网膜在物空间的共轭面离开眼睛的距离为l（单位为米），那么l的倒数就是视度，并且使用SD表示：1=SDl正常的人眼，在没有调节的自然状态下，无限远物体的像，正好成在视网膜上，此时视度为：1==0SD∞正常人眼观察从无穷远到250mm范围的物体时，可以不费力的调节，因此250mm 又被规定为正常人眼的明视距离，明视距离对应的视度为：1==-4-0.25SD（）三．人眼的视角分辨率人眼能不能分辨两个物点，取决于你两个物点在视网膜上成像的距离，而视网膜上两点的距离又两物点对人眼的张角，也就是视角决定。
我们规定，刚刚能分辨的两个物点对人眼的张角称为人眼的视角分辨率，数值约为60″。
四．视放大率Γ目视光学仪器用来帮助人眼扩大视觉，其作用大小我们用视放大率来描述，那么什么是视放大率呢？视网膜上像的大小近似的和视角的正切成正比，因此，我们把同一个目标，用仪器观察的视角ω仪和人眼直接观察的视角ω眼二者的正切的比值称为目视光学仪器的视放大率，用Γ来表示：tan tan ωωΓ=仪眼实际表示了用仪器观察和直接用眼睛观察时，视网膜上像的大小之比，描述了仪器放大作用的大小。
工程光学 典型光学系统
2、非正常眼睛及其矫正
1）近视眼：无穷远物点成像于视网膜之前，远点为有限远。加负透镜 (ຫໍສະໝຸດ 距与远点重合) 将远点校正到无穷远
50岁之后， 老花眼！
Myopia/ Nearsightedness
H
H
2）远视眼：无穷远物点成像于视网膜之后； 近点变远，非明视距离。
Hyperopia/ Farsightedness
★ 自外层至内层的折射率 n 逐渐增大（1.37→1.41）——校正像差 ★ 调节肌作用改变水晶体曲率(焦距)，不同距离物均成像于视网膜。
8、后室：水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液n =1.336。
9、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经 调节肌 细胞和神经纤维构成。 ——感光和成像的位置。 (1) 辐射接收器 杆状细胞：对光刺激极敏感， 感光（明暗视觉） 锥状细胞：感色（色视觉） (2) 黄斑(Macula)：视网膜中部、黄色椭圆形区域。 中心凹：黄斑点中心D ≈0.25mm区域，密集感光细胞， 视觉最灵敏。 (3) 盲斑（点）：视神经的出口，无感光细胞。视网膜的像被 传输至大脑形成视觉。
★眼睛的散光度： AST
R1 R2
1 R 视度 lr
圆柱面透镜 可校正散光
（4）白内障：水晶体变为浑浊而不透明。
手术治疗
(5)斜视:水晶体位置不正或折射面曲率异常 矫正应配戴光楔
四、眼睛的适应能力
★ 适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。
明适应：从暗处到亮处—— 瞳孔自动缩小 暗适应：从亮处到暗处—— 瞳孔自动增大
老年
+200→+40cm
约-200cm
★ 远点发散度（会聚度）： R 1 lr ★ 近点发散度（会聚度）： P 1 lp
典型光学系统
f1 tg
f 2 tg
f1 tg tg f 2 D D D 2 f1 2 f 2 D
1、D 为望远镜的入射光瞳直径 ；D‘ 为望远镜的出射光瞳直径 ； 2、望远镜的视觉放大率决定于望远系统的结构。
三、分辨率及工作放大率
2y
4、显微镜的景深
2 y
物
nf 250 mm n 2dx NA NA
显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。
三、显微镜的分辨率和有效放大率
1、分辨率（用分辨距离σ 表示）
1）两个发光点的分辨率：
1.22 0.61 2n sin U NA
这些特性参数决定了望远镜的分辨率，像的主观亮度，和系统的 外形尺寸。
2）物镜的焦距 f1 ：在目镜焦距 f 2 选定后，由视觉放大率决定； 3）望远物镜需校正的主要象差：有球差、色差和正弦差； 4）物镜后有 透镜转象系统时，二者可分别校正象差； 棱镜转象系统时，必须用物镜和棱镜的象差互相补偿。
2、望远目镜
五、显微目镜
主要光学特性参数有： 1、视觉放大率：
250 0 f目
2、目镜的线视场（由视场光阑的大小决定）
3、镜目距（出瞳距离）： l Z 6mm
4、目镜的通光口径： 由渐晕系数及几何关系决定。
习题2：一个显微镜物镜的垂轴放大倍率为-3倍，数值孔径为
0.2，共轭距L为180毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为30毫米，求：
0.5 NA
设所用照明的平均波长为0.00055mm， 有
近似为： 显微镜的放大率取决于物镜的分辨率或数值孔径。当使用比有效 放大率下限(500NA)更小的放大率时，不能看清物镜已分辨出的某些 细节。若用比有效放大率上限(1000NA)更高的放大率，是无效放大， 并不能使被观察物体的细节更清晰。
眼睛和目视光学系统例题黄振永老师
眼睛和⽬视光学系统例题黄振永⽼师Chapter 3: instruments for human eyes例1：对正常⼈眼，如要观察2m 远的⽬标，需要调节多少视度？解：5.0m 21 1-=-==l SD 视度需调节5.0-视度。
例2：如要求测微⽬镜的对准精度为0.001mm ，使⽤夹线对准精度为10〞，试问需采⽤多⼤焦距的测微⽬镜？解:从题意可知，测微⽬镜的镜焦距的⼤⼩应使夹线⾓对准精度为10〞，这就和测微⽬镜分划⾯上的线对准精度正好配合，如图1所⽰。
AB =0.001mm, ''10=αmm f 63.20'10' tg 001.0 tg AB '===α测微⽬镜的焦距可取为20.63mm 。
例3：已知显微镜的视放⼤率为?-300，⽬镜的焦距为20mm ，求显微镜物镜的倍率。
假定⼈眼的视⾓分辨率为60〞，问使⽤该显微镜观察时，能分辨的两物点的最⼩距离等于多少？解：①已知⽬镜焦距mm 20/=⽬f ,根据⽬镜视放⼤率公式==Γ5.12250/⽬⽬f ②显微镜的视放⼤率显Γ等于物镜的垂轴放⼤率物β和⽬镜视放⼤率的乘积。
因为?-=Γ300显，所以?-=-=ΓΓ=245.12300⽬显物β③⽬镜焦平⾯上可分辨距离 mm f 0058.0''60tan mm 20tan '/=?=?=ασ⽬，物⽅可分辨的最⼩距离00024.024058.0'===物βσα例4：⽤⼀架?5的开普勒望远镜通过⼀个观察窗观察位于距离500mm 远处的⽬标，假定该望远镜的物镜和⽬镜之间有⾜够的调焦可能，该望远镜物镜焦距，物mm 100/=f 求此时仪器的实际视放⼤率Γ等于多少？解：求⽬镜的焦距：mm 205100//=--=Γ-=物⽬f f ；求物体通过物镜的像距'l 和物镜的垂轴放⼤率物β：由⾼斯公式/11'1物f l l =-得：10015001'1=--l ；mm 125'=l ；41500125''-=-===l l y y 物β；⼈的眼睛直接观察时500y tan =眼ω；通过仪器观察时，80y 204/y y''tan /-=-==⽬仪f ω；视放⼤率?-=--==Γ25.6500/y 80/y tan tan /眼仪ωω此时实际的视放⼤率为6.25×，⽽不是5×。
典型光学系统
• 当人眼通过放大镜观察物体时
y' f 'l ' y tg ' P'l ' P'l ' f '
• 视放大率
tg ' f 'l ' D tg P'l ' f '
一般有：
tg ' f 'l ' D tg P'l ' f '
当l ' 当 P' f '
70
80
近点距 (cm)
远点距 （cm) A=R-P (屈光度)
-10 -14 -22 -40 -200 100 40 200 80 40
14
10
7
4.5
2.5
1
0.25
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在由暗处 到亮处时，适应时间大约几分钟；后者发生在由亮
近视眼
-r
远视眼：
r
散光眼
第一子午面
-r
第二子午面 -r
1.4 人眼的分辨力
• 明视距离：人眼在近距离工作时的通常距离 250 MM.
• 分辨力：眼睛能分辩两个很靠近的点的能力称为眼睛的
分辨率。
• 最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼睛的张角称为眼 睛的最小分辩角：60秒 • 最小分辨距离：在明视距离处（ 250MM ）最小分辨角对 应的线量：0.0725MM。
• 望远系统的视放大率等于仪器的角放大率
f '物 tg ' tg ' tg tg f '目
第七章 典型的光学系统
显然，从公式中见， Γ 是一个变量，它随着 p' （放大镜与人眼距离）和 l ' （虚像 与放大镜的距离）的变化而变化。 讨论：1）当 l ' = ∞ 时，即物放于透镜前焦点上时，从上式有： Γ =
D = 250 / f ' f'
2）但是实际上由于人眼观察物体最佳距离为明视距离，250 毫米处，故
为了舒适起见，一般将放大镜所成的虚像成像于明视距离处，而不是无穷远。
图 7—10
显微镜成像原理
在整个成像过程中，目镜起到了一个放大镜的作用，所以它对物体所起的放 大是一个视觉放大，而物镜所起的则是一个垂轴放大作用。显然整个显微镜的视 觉放大率既与物镜的垂轴放大率有关，也与目镜的视觉放大率有关。
Γ = β o ⋅ Γe x'1 250∆ 250 ∆ =− ⇒Γ=− = f 'o f 'o f 'o f 'e f'
∆ L = ∆θ L2 b
c 1 d
c 2 d
1
2
体视半径
可见， ∆L 与 L 及视差有关，随着它们取值的不同，有不同的 ∆L 值。
§7－2
一、视觉放大倍率
放大镜
P' y'
ω'
y F' -l' f'
图 7-8 1、定义：
放大镜成像原理
通过放大镜观察物体时，其像对眼睛所张角度的正切，与眼直接看物体时对 眼所张角度的正切之比。
a
c
) )
δ =( ~
1 6
)
d
b
对准形式
1 )ε 10
)
A C
图 7—5
1 1 ' J C 1 ' A 1 ' B
目视光学系统PPT课件
contents
目录
• 目视光学系统概述 • 目视光学系统的基本原理 • 目视光学系统的应用 • 目视光学系统的设计与优化 • 目视光学系统的未来发展 • 目视光学系统案例分析
01 目视光学系统概述
定义与分类
定义
目视光学系统是指通过光学原理，将目标物体成像并呈现给观察者，以便进行 观察、识别和测量的系统。
光学系统初步设计
根据系统目标和性能参数，选择 合适的光学元件和设计光学系统 结构。
光学系统仿真与优化
利用光学仿真软件进行光学系统 的模拟，对设计进行优化，提高 光学性能。
总结词
设计原则与流程
实际制作与测试
根据优化后的设计，制作实际的 光学系统，并进行性能测试和评 估。
光学元件的选择与优化
总
光学元件的选择与优化
02 目视光学系统的基本原理
光的性质与传播
光的波粒二象性
光的反射、折射和散射
光既具有波动性，又具有粒子性。光 波在空间传播时会产生衍射、干涉等 现象。
当光遇到不同介质时，会发生反射、 折射和散射现象，这些现象对目视光 学系统的成像质量有重要影响。
光的传播速度
光在真空中的传播速度最快，约为 299，792，458米/秒，在其他介质 中的传播速度会减慢。
性。
测量与定位
目视光学系统还可以用于测量和 定位，通过观察和测量目标物体 的位置和尺寸等信息，可以用于 各种领域，如科学研究、工业制
造、军事侦察等。
促进科技发展
目视光学系统的发展和应用推动 了多个领域的科技进步，如天文 学、生物学、医学、地理学等， 为人类认识世界和改造世界提供
了重要的工具。
目视光学系统的历史与发展
东华大学硕士研究生入学考试专业课(应用光学)考试大纲
东华大学硕士研究生入学考试专业课(应用光学)考试大纲东华大学应用物理系(光学工程一级硕士点)（参考书目：《应用光学》，安连生，北京理工大学出版社，2000年第2版）一、考试要求：1．本考试科目的目的在于考核报考学生掌握应用光学基础知识的范围，以及理解的深度和广度；2．考核的知识点主要围绕几何光学的基本原理与应用、理想光学系统的成像性质、共轴球面光学系统的物象关系、近轴光学的理论与计算方法、眼睛的构造和特性、目视光学仪器的基本原理与计算方法、平面镜棱镜系统的成像特性分析应用及计算方法、各种光学系统中成像光束的选择方法、辐射度学和光度学的基础理论、各种情况下光学系统中的光能量计算方法、光学系统成像质量评价的各种指标和评价方法以及各种光学系统分辨率的表示和计算方法；3．考生应注重基础理论知识的掌握，同时又能够灵活地应用所学知识解决应用问题；4．答题概念准确，表述清楚，书写和作图规范，卷面整洁，回答问题一律写在答题纸上。
二、考试内容：1．几何光学基本原理。
几何光学基本定律，光路可逆和全反射现象，成像概念，理想像和理想光学系统；2．共轴球面系统的物像关系。
符号规则，近轴区成像性质及相应公式，主平面和焦点，作图法求像，物像关系式，放大率，物像空间不变式，物像方焦距，节平面，理想像高，光学系统的组合，单透镜公式；3．眼睛和目视光学系统。
人眼的特性，放大镜、显微镜和望远镜，眼睛缺陷和视度调节，空间深度和立体视觉；4．平面镜棱镜系统。
平面镜的旋转，棱镜展开，屋脊棱镜，平板玻璃和棱镜外形尺寸计算，确定成像方向，球面和平面镜棱镜系统的组合；5．光学系统中成像光束的选择。
光阑，望远镜和显微镜中成像光束的选择，远心光路，场镜，景深；6．辐射度学和光度学基础。
立体角，辐射度学和光度学基本量，人眼视见函数，照度公式和发光强度余弦定律，全扩散表面，光束的亮度，像平面的照度，照相物镜像面的照度和光圈数，主观光亮度，光能损失计算；7．光学系统成像质量评价。
第七章 典型光学系统
适应是指眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程 度；是通过瞳孔的自动增大或缩小完成的。
明适应：由暗处到亮处 暗适应：由亮处到暗处
三、眼睛的调节及校正
眼睛的调节：眼睛成像系统对任意距离的物体自动 调焦的过程。 视度：眼睛的调节程度。若视网膜在物空间的共轭面离开
眼睛的距离为l（以米为单位），则l 的倒数称为视度，用 SD表示 1 SD l 正常人眼，在没有调节的自然状态下，无限远物体的像正 好成在视网膜上，即远点在无限远，此时视度为
L L2 / b
（7-10）
将b 62m m, min 10" 0.00005 代入上式, 得 L 8 104 L2
（7-11）
若通过双目光学系统来增大基线b或减少 Δθmin，则可以增大体视半径和减少立体 视觉误差。
第二节 放大镜
一、 视觉放大率
目视光学仪器的基本工作原理：使物体通过这 些仪器后，其像对人眼的张角大于直接观察 物体时对人眼的张角。
A b L
（7-8）
立体视差：不同距离的物体 对应不同的视差角， 其差 异 称为立体视差。 体视锐度：人眼能感觉到 的极限值 min 称为体视锐 度
人眼能分辨远近的最大距离
Lmax b
min
62mm 20265/ 10" 1200
（7-9）
Lmax称作立体视觉半径 立体视觉阈：双眼能分辨两点间的最 短深度距离。
第七章
典型光学系统
第一节 眼睛及其光学系统
第二节 放大镜 第三节 显微镜系统 第四节 望远镜系统 第五节 目镜 第六节 摄影系统 第七节 投影系统
第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构——成像光学系统
应用光学第三章 眼睛和目视光学系统
一、放大镜（magnifier）的工作原理
放大镜用来观察近距离微小物体。
物在物方焦点，出射的是平行光束。
人眼直接观察
设一微小物体其高为y，用肉眼直接观察时不能离 眼太近，放在l = -250mm处。此时，视角为：
tan 仪 tan眼
tan1' 4 106
0.0003 4 106
75
3-3 望远镜（telescope）的工作原理
望远镜用来观察无限远的物体
物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，即光学间隔Δ= 0。
望远镜的视角放大
1. 不用望远镜时，远物对人眼的张角：
眼
2. 通过望远镜后，像对人眼的张角' ：
标放在眼前250mm处，此距离为明视距离。 ✓ 近点距离：人眼通过调节所能看清物体的最短
距离称为近点距离。 ✓ 远点距离：人眼能看清的最远距离。 ✓ 最大调节范围：远点距离与近点距离之间的视
度之差。
二 人眼的调节 -- 视度调节
例：20岁的正常人眼 ✓ 明视距离：250mm，SD = -4。 ✓ 最大调节范围：-10
开普勒望远镜（ fe’ > 0， < 0）
优点：物镜与目镜之间有中间实像，可以安装分划板， 便于瞄准和测量。
缺点：正立的物体成倒像，不方便观察。需加入倒像 系统。
伽利略望远镜（ fe’ < 0， > 0）
优点：正像 缺点：无法安装分划板；另视觉放大率受到物镜口径
的限制，不可能很大，一般在2-3倍。
再经过目镜成像在无限远。
两级放大：
第一级：显微物镜将被观察物体进行尺寸放大； 第二级：靠近眼睛的目镜扩大视角
眼睛的目视光学系统应用光学
1 2
科学实验
在科学实验中，目视光学系统可以帮助学生更好 地观察实验现象和结果，加深对科学原理的理解 。
远程教育
通过目视光学系统，远程教育可以实现高质量的 视频传输和实时互动，提高教学效果。
3
虚拟现实
目视光学系统在虚拟现实技术中也有广泛应用， 为学生提供沉浸式的虚拟学习环境。
CHAPTER 03
目视光学系统的关键技术
人机交互
总结词
人机交互是目视光学系统中不可或缺的一环，它直接影响到用户的使用体验和系统效能。
详细描述
人机交互设计需要考虑用户界面的友好性、操作简便性和舒适性。此外，还需要关注适应性和个性化需求，以满 足不同用户群体的使用习惯和需求。通过优化人机交互设计，可以提高系统的易用性和用户满意度。
CHAPTER 04
目视光学系统的未来发展
新型材料的应用
总结词
新型材料在目视光学系统中的应用将有助于提高系统的性能和稳定性。
详细描述
随着科技的不断发展，新型材料如超材料、纳米材料等在目视光学系统中的应用越来越广泛。这些新 型材料具有优异的光学性能、轻量化和高稳定性等特点，能够提高目视光学系统的成像质量、减少系 统重量和提高抗干扰能力等。
人机交互的优化
总结词
人机交互的优化将提高目视光学系统的易用 性和用户体验。
详细描述
人机交互是目视光学系统的重要组成部分， 其优劣直接影响到用户的使用体验。随着人 机交互技术的不断发展，目视光学系统的人 机交互界面将更加人性化、直观和易用，提 高用户的使用效率和舒适度。同时，新型人 机交互方式如语音控制、手势控制等的引入
智能技术的应用
要点一
总结词
智能技术在目视光学系统中的应用将实现系统的自动化和 智能化。
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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
2013/12/6 21
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。
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 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
2013/12/6
3
§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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4
人眼成像过程
倒立的像
成像
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
28
§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
2013/12/6 30
§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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31
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。
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
F’
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13
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
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
2013/12/6
f ' -lr
20
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
第三章 眼睛和目视光学系统
微电子技术系 王昱琳
2013/12/6 1
第三章 眼睛和目视光学系统
2013/12/6
2
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
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'
2013/12/6
f ' lr
23
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:
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
2013/12/6
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
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
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
2013/12/6 17
§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
2013/12/6 10
§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
2013/12/6 11
§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
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。
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
2013/12/6
12
§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。
2013/12/6
8
§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
9
§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
y' f tg
而 y’min=-0.006mm，f=-16.68mm
min
2013/12/6
' 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）.
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
2013/12/6
F’
远视眼 目镜向后
27
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。