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
=
SD
l
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
==0
SD
∞
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
-0.25
SD（）
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 ωω
Γ=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。

五．对目视光学仪器的共同要求
1. 放大视角，即视放大率||Γ应当大于1；
2. 通过仪器后的出射光束应为平行光束，即成像在无限远处，使人眼相当于观察无限
远物体，处于自然放松无调节状态（这里可以再多说两句，这一条的应用实际上还是非常好的，我们现在看电影，看电视，时间久了都会眼睛比较累，原因很大程度上是眼睛接收到的并不是平行光束）；
六．望远镜的工作原理
观察远距离目标的目视光学系统就是望远镜系统。

目标在远距离时，进入望远镜的光束可视为平行光，为了使人眼不至于疲劳，目视光学系统的出射光束又应为平行光，所以望远镜系统应该是一个平行光入射，平行光出射的系统，或者说是一个把无限远物成像在无限远的无焦系统。

最简单的望远镜系统由物镜和目镜组成，物镜和目镜之间的光学间隔应当为零，也就是说，物镜的像方焦点应当和目镜的物方焦点重合
由于物体位于无限远，同一目标对仪器的张角ω（仪器的物方视场角）和对人眼的张角ω眼是相等的，也就是=ωω眼。

而且目标通过仪器后对人眼的张角ω仪就是仪器的像方视场角'ω，带入视放大率定义式可得望远镜的视放大率Γ为：
'tan =tan ωω
Γ 根据望远镜的成像关系，望远镜的视放大率可以用物镜和目镜焦距表示为： ''f f Γ=-物目
想要扩大对人眼的张角，||Γ应当大于1，也就是说，物镜焦距应当大于目镜焦距。

望远镜系统有一个和其他光学系统不同的地方就是，其角放大率大小与共轭面的位置无关，在数值上和视放大率相等，由放大率之间的关系可以知道，望远镜系统的垂轴放大率和轴向放大率也和共轭面的位置无关。

望远镜的分类（主要分为两类）：
开普勒望远镜：''
0,0,0f f >>Γ<目物，系统成倒像，一般应添加棱镜或者透镜来倒像，系统有中间实像，可以安装分划板，进行瞄准和测量。

伽利略望远镜：''0,0,0f f ><Γ>目物，系统成正像，无需添加倒像系统，但没有中间实像，无法安装分划板，主要用于观察，且倍数不高，一般6Γ<。

七．显微镜工作原理
显微镜则用来观察近距离的微小物体，同样由物镜和目镜两部分组成。

物体首先通过显微物镜成倒立放大的实像，位于目镜的物方焦平面上，在经过目镜成像在无限远。

在这里，目镜相当于一个放大镜。

而放大镜的视放大率'250f
Γ=。

显微镜的视放大率的定义：同一物体用仪器观察的视角ω仪和把物体放在明视距离250mm 处直接观察时的视角ω眼二者的正切之比:
''tan 250tan f f ωω-∆Γ=
=仪眼目物 βΓ=Γ目
'250f Γ= 不难发现，式中的'''
f f f -=∆目物是显微镜系统的组合焦距，这一形式与前面的放大镜的形式完全相同，故可认为显微镜是一个组合放大镜。

八．眼睛缺陷和目视光学仪器的调节
正常眼：自然状态下，眼睛的像方焦点F ’眼与视网膜重合；
近视眼：眼睛像方焦点F ’眼位于视网膜前面；
远视眼：眼睛像方焦点F ’眼位于视网膜后面；
远点距离：眼睛能看清的最远距离。

正常眼睛的远点在无限远；近视眼的远点在眼前的有限距离处；远视眼的远点在脑后有限远处。

我们在光线的角度看，远视眼是把汇聚到脑后有限远处的管线聚焦到视网膜上，所以对于无限远处传来的平行光束，需要先汇聚一下，才能成像在远视眼远点处，使正常眼的远点和近视眼的远点相对应，因此远视眼矫正需要佩戴会聚透镜，同理近视眼需要佩戴发散透镜。

人眼的近视或远视的程度用远点距离（米）对应的视度表示：
1SD l =远
矫正视力的眼睛的焦距值和远点距离相同。

（近视负视度，对应负焦距值，为发散透镜）
目视光学仪器为了适应正常人眼和近视眼，远视眼的需要，采用移动目镜的方法调
节视度，使仪器所成像（是指最终仪器的出射光线成像）位于目镜前方或后方一定距离处（显然近视眼应当成像在目镜前边，即近视眼的远点距离处，远视眼应成像在目镜后边）。

调节的视度SD 与目镜移动量x 之间的关系为：
'2()1000
SDf x mm -=目 对近视眼，SD 为负值，则x 为正值，目镜应移向物镜方向；对远视眼，SD 为正
值，则x 为负值，目镜应远离物镜。

式中，f ’目以毫米为单位。

九．双眼观察仪器
视察角：用双眼观察同一物体时，两眼视轴间的夹角α成为视差角。

双眼立体视觉：用双眼观察不同物体，由于物体对应视差角的差异，使人眼视觉中枢产生物体在空间深度上远近不同的判断和感觉。

（图3-1）
体视锐度：人眼可能分辨的视差角之差的最小值成为体视锐度，用m i n α∆表示，min α∆约为10″。

当两物体视差角之差小于min α∆，我们就不能分清谁近谁远，而看成在同一空间深度。

体视半径：人眼能分辨远近的最大距离。

体视误差：两物之间的视差角之差α∆等于体视锐度min α∆时，两物体的空间深度的距离差l ∆。

体视放大率：对于同一目标使用仪器观察时对应的视差角α仪与人眼直接观察该目标的视察角α眼之比，称为双眼仪器的体视放大率，用∏表示：
αα∏=仪眼
双眼仪器的要求：
1. 双眼仪器左右两个光学系统的光轴要平行；
2. 两个光学系统的放大率应一致；
3. 两个光学系统之间不应有相对的像倾斜；。