第三章应用光学

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y tgω = 250
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放大镜的放大率Γ可由下式求得
y' tgω' x' + a' 250 y' Γ= = = y ( x' + a' )y tgω 250
将横向放大率
y' x' β = = y f'
代入上式得
250 x' Γ= f ' x' a'
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在医院和眼镜店通常把1屈光度称为100度. 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, 因而调节范围减少.
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2.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. 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). 眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小,以控制眼睛的 进光亮(2mm~8mm).在设计目视光学仪器时要充 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,可分为对暗适应和对光适应两种,前者 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.
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巩膜 瞳孔 角膜 虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方. 光 视神经细胞 神经纤维 盲斑 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,
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巩膜 瞳孔 角膜 虹膜
由此可见,放大镜的放大率,除了和其焦距有关 之外,还和眼睛离开放大镜的距离有关 在实际使用过程中,眼瞳大致位于放大镜的像方焦 点的附近 上式分母中的a′相对于x′而言,是一个很小的值,可 以略去. 放大镜放大率的公式,通常采用以下形式
250 Γ= f'
放大镜的放大率仅由放大镜的焦距f ′ 所决定,焦距 越大则放大率越小.
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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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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. 眼睛和照相机很相似,如果对应起来看: 人眼 照相机
第三章 眼睛和目视光学系统
人眼的光学特性 放大镜和显微镜的工作原理 望远镜的工作原理 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 空间深度感觉和双眼立体视觉 双眼观察仪器
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3-1 人眼的光学特性
这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能力的, 称为目视光学系统 一,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 像元件.
tgω眼 tgω
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B' y' A'
物体经放大镜成像的简图 B y F A -f -x' f' a'
ω' F'
P'
虚像A′B′ 对眼 睛所张的视角 的正切为
y' tgω' = x' + a'
眼睛直接去观察物体时,是将其放在明视距离250mm 处.此时物体对人眼张角的正切为:
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后者是指正常的眼睛在正常照明(约50勒克斯)下 最方便和最习惯的工作距离,它等于250mm. 它不同于人眼的近点距离,两者不能混淆 人眼的调节能力是用远点距离r的倒数和近点距离 p 的倒数之差来描述,用A来表示,即
1 1 A= = RP r p
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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,即眼睛的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,从而使该 物体的像成在视网膜上.
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பைடு நூலகம்
当肌肉完全放松时(通过调节),眼睛所能看清的 最远的点称为远点,其相应的距离称为远点距离, 以 r 表示(米) 当肌肉在最紧张时(通过调节),眼睛所能看清的 最近的点称为近点,其相应的距离称为近点距离, 以 p 表示(米) 正常眼睛的远点距离为负的无限远,非正常眼睛(远 视或近视)的远点距离为一有限值. 这里必须指出,近点距离并不是明视距离
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放大镜的放大率 与眼睛一起使用的目视光学仪器,其放大作用不能 由横向放大率来表征. 因为眼睛通过放大镜或显微镜等目视光学仪器来观察 物体时,所看到的是在眼睛视网膜上的物体像的大小. 放大镜的放大率为: 通过放大镜观察物体时,物体像的视角ω'正切与人眼 直接观察该物体时的视角ω正切之比. 这种放大率称为视角放大率. tgω仪 tgω ' 用字母Γ 表示 Γ = =
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从衍射角度出发
1.22 × 0.00055 140 ε= × 206265 ≈ D D
可以看出,极限分辨角不仅与入射光线的波长有关, 而且还与眼睛的瞳孔直径有关. ε = 50~ 120"; 在良好的照明条件下,一般认为 ε = 60" = 1' 认为人眼的极限分辨角为1. 在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率.
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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,即得到两个点的视觉 由此可见,眼睛的分辨率与视 网膜上两像点距离及视觉细 胞的直径大小有关 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. 人眼的极限分辨角可表示为
η' = x j ' tgε
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二,显微镜的工作原理 对于工作在可见光波长范围的光学显微镜 按用途区分,使用量较大的有三种: 工具显微镜(主要应用于精密机构制造工业等方 面进行精密测量); 生物显微镜(主要应用于生物学,医学,农学 等方面); 金相显微镜(主要应用于冶金和机械制造工业, 观察研究金相组织结构). 显微镜是人眼的辅助工具,显微镜的光学系统由物镜 和目镜两个部分组成.
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眼睛在看物空间两点时,这两点对眼睛物方节点的 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 人眼分辨率与极限分辨角成反比关系 现在从两个不同的角度来分析眼睛的极限分辨角的 大小. 首先从人眼的视网膜结构上来分析:
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所以人眼的极限分辨角可表示为
ε=
η'
xj'
(rad)
ε — 眼睛的极限分辨角( rad ); η′ — 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
x j' = f
0.006 ε= × 206265 ≈ 70 17.1
而当眼睛处于放松状态时,f = -17.1mm.上式可得: (秒)
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三,眼睛的分辨率(分辨本领) 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. 用其它观测设备(如照相机,CCD等)替代人眼时 也可据此作为参考. 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. 眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分 辨率(分辨本领) 人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示.
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形成对眼睛瞄准有利的条件. 瞄准精度和分辨率是两个概念. 又有一定的联系,经验证明,人眼的最高瞄准精 度约为分辨率的1/6至1/10.
1,两实线瞄准 ±60" 2,两实线端部瞄准±10~20 " 3,双线平分或对称瞄准±5~10" 4,虚线压测件轮廓边缘±20~30"
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人眼的构造剖视图
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巩膜 角膜 脉络膜
*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; 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;
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网膜 脉络膜 黄斑中心凹
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,
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巩膜 瞳孔 角膜 前室 晶状体
当人眼观察在调节范围内的某一距离 l 处的物体时, 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. 如果 l 的单位为米,则其倒数称为视度,单位为屈光 度
1 SD = l
如观察眼前10米的物体,对应的视度为:
1 SD = = 0.1D l
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1 = R 称为远点视度, 远点距离倒数 r 1 = P 称为近点视度. 近点距离倒数 p
总能将像成在网膜上.
虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
盲斑 后室
角膜和晶状体之间的空间称为前室;充满1.337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
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巩膜 瞳孔 角膜 1.376 前室 1.336 晶状体 虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹 视轴 光轴 盲斑 后室 1.336
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人眼的光学特性 放大镜和显微镜的工作原理 望远镜的工作原理 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 空间深度感觉和双眼立体视觉 双眼观察仪器
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3-2 放大镜和显微镜的工作原理
一,放大镜的工作原理 物体对眼睛的视角,不仅取决于物体的大小,还取决 于该物体到眼睛的距离,距离越近视角越大 在近处观察细小物体其视角小于人眼极限分辨角 就需要借助放大镜或显微镜将其放大,使像的视角大 于人眼的极限分辨角 — 扩大视角是目视光学仪器的第 一个要求 人眼在观察物体时完全放松的自然状态,即无限远 目标成像到视网膜上 在利用仪器观察时,目标通过仪器后应成像在无限 远处,即要求仪器出射平行光束 — 对目视光学仪器 的第二个要求
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水晶体 镜头
视网膜 底片
瞳孔 光阑
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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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二,眼睛的调节 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 膜上,这样我们就看不清. 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. 眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节.
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; *瞳孔是虹膜中间的小孔,随着外界明亮程度的不同,虹膜肌肉能 使瞳孔的直径在2~8mm范围内变化;它是人眼的孔径光阑.
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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 细胞,锥状细胞直径约5微米,长约35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.在黄斑中心凹处 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;
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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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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.
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