第三章眼睛的目视光学系统应用光学

2、瞳孔调节
• 虹膜可以自动瞳孔大小，以控制人眼的进光量
• 强光下，白天 D=2mm; 夜晚，D=8mm
• 设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大 小配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大 一些
•
• 人眼的分辨率
•对两物点的分辨率： •人眼刚能分清两物点在网膜上的像点之间的距离
•
•视神经细胞直径约为0.001-0.003mm，取0.006 为眼睛的分辨率。 •通常用此距离在物空间对应的张角表示，称为 视角分辨率。
•ω •-y’
•
• 以上是对应视轴周围很小范围内的视角分辨率。当物 体偏离视轴时，视神经细胞加大，分辨率迅速下降，如图 曲线所示。 • 图中横坐标代表物点和眼的连线与视轴之间的夹角， 纵坐标代表相对分辨率（假定黄斑的分辨率等于1）。
•图 5-4
•视角分辨率（相对值 ）
•耳侧
黄斑
•
鼻侧
•对线的分辨率： •一直线的像刺激着一系列视神经细胞，而另一直线的 像又刺激着旁边的另一列视神经细胞，所以眼睛能够 敏锐地感觉到它们之间的位移。 •分辨率可以提高到10’’
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
•
• 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
•
SD=1/(-0.5)= -2
•医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系 为
正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜 上，即焦点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、近视眼的特点 • 近视眼像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成
称为体视锐度
➢人眼有体视的最大距离称为体视半径
➢能够判断远近的体视范围内，对两物体是否处在同 一空间深度的判断是有误差的，称为体视误差
•
• 立体视觉半径 • 立体视觉误差
•
第六节 双眼观察仪器
一、体视放大率 若人眼直接观察的视差角为α眼，通过仪器后视
差角放大为α仪，则体视放大率定义为
•
•人眼直接观察时 •进入仪器物方视差 角 •通过仪器的视差角 •因此
•
• 在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准 精度。 综合一下，看得清的条件： 必要条件：成像在视网膜上
充分条件：对二点,视角 》60” 对二线,视角 》10”
•
第二节 放大镜和显微镜的工作原理
人眼的视角分辨率（60”）。物高y和物距l满足关系： y/L≥0.0003（≈60“）
如果通过仪器以后的像对人眼所张的视角大于用人眼直 接观察时的视角，就有可能看清楚更加细微的物体。
•
•F’
•
•A3
•A2
•A1
•A4
•
•5、远视眼的校正
•F’ •远 点
•采用正透镜，焦距等于远点距离
•
➢对于正常人眼，随年龄增加调节能力减弱，如50岁，最 大调节范围-2.5, 近点距离为 0 + (-2.5)=-2.5, 对应距 离为-400 mm;看近处(如300mm)需要戴花镜;
➢对于近视眼,如原有近视500度，即远点视度为-5, 对应距离为-200 mm,不戴眼镜最远看清前方200mm;戴 近视眼镜后,把无限远目标成像在-200处。年龄大了 ，调节能力差，50岁仅-2.5，这时戴上近视镜也只能 看到无限远到-2.5视度（-400mm），400mm以内近距 离目标戴近视镜反倒看不清了；摘了眼镜，最远只能 看200mm，所以200到400总看不清；这时就需要戴花 镜，把200成像到400处。
•
•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 视角放大率，用Г 表示。
•2、成像在无限远（出射平行光）
•
目视光学仪器的视放大率大于1 目视光学仪器所成的像应该位于无限远。 这是对目视光学仪器的两个共同要求。 根据所观察目标的情况不同，目视光学仪器分为 两大类：一类叫望远镜，它是用于观察远距离目标的 ；另一类叫显微镜，它是用于观察近距离微小目标的 。
•
•二、体视误差
•
•
1 视度＝100゜
•此人的近视程度为－200゜
•
•3、近视眼的校正
•远点
•F’
•采用负透镜，焦距等于远点距离
•例如：某人远点距离为眼睛前方200mm，要带多大度 数的眼镜？焦距为多少？
•
•4、远视眼的特点 • 远视眼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
第三章眼睛的目视光学 系统应用光学
2020年7月25日星期六
本章主要解决的问题： • 眼睛的构造 • 望远镜、显微镜的工作原理 • 眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷
及调整
•
第一节 人眼的光学特性 • 人眼的构造
•从光学角度看，主要有三部分： •水晶体 •－－－－镜头 •视网膜 •－－－－底片 •瞳孔 •－－－－光阑
•F’
•
• 调节量的表示：视度 •与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数
• l 单位为米 • 明视距离和近点、远点
•明视距离：眼睛前方250mm，SD=(1 / (-0.25))= -4 • 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
•最大调节范围＝近点视度－远点视度
•
•
• 放大镜工作原理
•只要物体对人眼的张角大于人眼的视角分辨率即 可看清楚 • 如果物体对人眼张角小于60”，人眼看不见 ，则可以考虑借用仪器来观察。 • 1. 物体必须放在系统的物方焦平面处，使得 出射光为平行光。 • 2.从仪器出射的光线对人眼的张角必须大于人 眼直接观察时物体对人眼的张角，人眼直接观察 时物体放在250毫米处
• y’
•-y
•F’物
•F目
• ω仪
•f ’物
•Δ
•-f目
•
• 显微镜的视放大率
•
•
物镜的垂轴放大率和目镜的视放大率的数值分别刻在 镜管上，把它们相乘，就是显微镜的视放大率
这个公式同单个放大镜的视放大率一样，因此显微镜 可看成一个复杂化的放大镜 不同倍率的物镜和目镜都可以互换，为保证互换性， 要求显微镜物镜的物平面到像平面的距离都等于195 毫米
•扩大人眼视觉能力的光学仪器，称为“目视光学仪器” 。望远镜，显微镜等与眼睛配合的仪器称为目视光学仪 器 •对各类目视光学仪器的共同要求
•
• 对各类目视光学仪器的共同要求
•1、扩大视角
•直接观察：
•ω眼
•－y’眼 •π ’
•-y’眼=π’tgω眼
•用仪器观察：
• ω仪
•－y’仪 •π ’
•-y’仪=π’tgω仪
•当SD为“＋”时，x为“－”， x远离目镜，目镜
移动方向为远离物镜；
•
第五节 空间深度感觉和双眼立体视觉
一、单眼深度感觉
单眼判断远近的依据： 1、物高已知时，根据视角判断； 2、根据物体之间的遮蔽关系和日光阴影等； 3、根据对物体细节的分辩程度、空气透明度； 4、根据眼睛的调节程度
•
•二、双眼深度感觉 •1、转动视轴，注视目标时肌肉紧张程度
•视轴：眼睛像方节点与黄斑中心连线
•A •α1 •B •α2
•
•2、立体视觉－－体视
体视的产生(视差角)
•B
•A
•αB •αA
•A、B离眼睛距离相同，此时： •αA= aB
• b1、b2都在a1、a2的同侧； • a1b1=a2b2
•a 1 •b
1
•a •b 22
•
•若A、B离眼睛距离不等，•αA •＝•有αB两种情况
•
第三节 望远镜的工作原理
•F目
•F’物
•Leabharlann Baidu
• -ω
• •
• f’物
• y’
•F’物 •F目
• ω’
• －f
目
•用了仪器以后目标像对人眼的张角 •仪器的像方视场角 •人眼直接观察物体时对人眼的张角
•
• • • •
•
• 要增大视角
•
成正像
•
成反像
• 两类系统
• 1。刻卜勒望远镜
• 2。伽利略望远镜
•人眼相当于一架照相机，能够自动调节
•
问题：照相机使物成倒像，人眼是否成倒像？
•视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线 •视场：观察范围可达150゜ • 头不动，能看清视轴中心6゜－8゜， • 要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动
•
• 眼睛的调节：视度调节、瞳孔调节
•1、视度调节 定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使 落在视网膜上的过程。
•
•F
•-f=f ’
• ω仪
•－y’
•
放大镜的视放大率只与放大镜的焦距有关
注意，这里统一规定人眼直接观察时，物体放在离人 眼250毫米处，如果不能满足这个条件，公式就不是 250除以焦距
要提高放大镜的倍率，就必须减小透镜的焦距，单个 透镜的焦距不可能做的很小，为什么？
•例如：15倍的放大镜，焦距为16.6，假设双凸，则 两个半径为17毫米左右，若平凸，则半径为8.5毫米 左右。 为此，设计了显微镜，即复杂化的放大镜
•
• 显微镜的工作原理
•物镜
•目镜
• y’
•-y
•F’物
•F目
• ω仪
•f ’物
•Δ
•-f目
• 显微镜同放大镜一样，需将物体放在物方焦平面处，为 提高放大率，先将此物体放大，经过两次放大，放大率 就有很大提高。前面的系统叫物镜，后面的系统叫目镜
•
• 物镜所成的放大的实像位于目镜的物方焦平面处
•目镜 •物镜
•
•二、目视光学仪器的视度调节
•物镜
•目镜
•F’物
•F目
•F
’
•F目
•F ’
•F目
•F
’
•
•正常眼 •近视眼 •远视眼
•调节量的计算
•由 xx’=ff’，
•
x=-f’目2/ x’= -SD f’目2 /1000 (mm)
•注意：
•当SD为“－”时，x为“＋”， x是物相对于目镜
移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为朝 向物镜；
•
•开普勒望远镜：•Г<0，成倒像，系统中存在实像
•F’物 •F目
•伽利略望远镜：•Г>0，成正像，系统中存在虚像
•F’物 •F目
•
•性质：
•y • -y’
•Г=•γ •=1/β =D/D’
•
第四节 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
• b1、b2位在a1、a2两侧
•A
•αA •B •αB
• b1、b2位在a1、a2同侧，但 • a1b1≠ a2b2
•B •A
•αB
•αA
•b 1 •a
1
•a 2
•b 2
•a 1 •b
1
•
•a •b 22
体视锐度、体视半径、体视误差 ➢视差角之差Δα的大小标志着物体远近差别的大小
•Δα≤10″时，人眼就分不清A、B的远近区别了，这一极限值