眼睛及目视光学系统讲义
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第五章眼睛和目视光学系统
（2）、人眼的调节
• 人眼有两类调节：视度调节和瞳孔调节 • 视度调节：用眼观察一物时，物通过眼在网膜上形成一个清晰像，视 神经细胞受到光刺激引起了视觉，于是看清了这一物体；此时，物像 眼睛光学系统三者间满足共轭方程式。其它不同远近的物的像不在网 膜上，因此看不清。要看清其它物，人眼要自动调节焦距。 • 正常人眼在完全放松的自然状态下，无限远处的物成像在网膜上。即 眼的像方焦点在网膜上；当观察近处物时，水晶体周围肌肉收缩，水 晶体前表面半径变小，眼睛光学系统焦距变短，后焦点前移，从而使 该物体的像成在网膜上。 • 为描述人眼调节的程度，引入了视度的概念，与网膜共轭的物面到眼 睛距离的倒数称为视度，用SD表示 • SD有正有负 • 如观察眼前2米处的目标时，l=-2，SD=-0.5，即眼睛视度为-0.5，如物 在无穷远处时，SD=0；可见，视度绝对值越大，说明眼的调节量越大。
前面讨论的是人眼对两物点的分辨率。如果被观察 的对象是两条直线，分辨率可以提高到10’’，其原因 见图。 因此，一些测量仪器中都采用如图所示的对准方式， 来提高测量精度。
2、放大镜和显微镜
由前面的内容可知，如果物空间的两点对人 眼的张角小于60’’，则其像在网膜上不能占 据两不相邻的细胞上，因此分不清是一个点 还是两个点。如果先用一个光学仪器将物点 成像，使其像对人眼的张角大于角分辨率， 则可看清。这就是说用仪器扩大了视角，使 人可以看清用肉眼看不清的目标。这是设计 目视仪器时要满足的第一个要求.
（3）、人眼的分 辨率
y`= ftgω y`= −0.006 = f ⋅ tgωmin ⇒ ωmin = − 0.006 f
一般人眼在自然状态下物方焦距为
f = −16.68mm， 代入上式： • 眼睛的分辨率是眼睛的重要光 − 0.006 学特性，也是设计目视光学仪 ωmin = ⋅ 206000' ' = 60' ' − 16.68 器的重要依据之一； • 眼睛分辨率：将眼睛刚能分辨 的两物点在网膜上成的两像点 间的距离称为 • 眼的分辨率与网膜上神经细胞 大小有关。要使两像点能被分 辨，它们间距离至少要大于两 个神经细胞的直径。 • 黄斑上视神经细胞直径约为 0.001~0.003mm，所以一般取 0.006mm为人眼的分辨率。 • 另外一个最常用的描述人眼分 辨能力的是0.006mm对人眼的物 空间张角 ωmin
(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。
应用光学：第三章 眼睛和目视光学系统
B’
1 y y'
可在望远镜前垂直光轴放置一有刻化的物体，测量像高的大小， 即可得视放大率。
2、 望远系统的种类
a.开普勒望远系统
可安装分划板，用于瞄准
开普勒望远系统应用－军用望远镜
b.伽利略望远系统
结构紧凑，筒长短，较为轻便，光能损失少，并且使 物体呈正立的像。但是由于没有中间实像，不能安装分划 板，因而不能用来瞄准和定位
双目镜筒 是通过加 反射棱镜 和平行平 板实现的
3、显微镜设计中的规定参数：
• 共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离，约 180mm
• 机械筒长：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒 长度。（我国规定为160mm）
• 常用的物镜倍率：4x、 10x、 40x和100x • 常用的目镜倍率：5x、10x和15x
8.24"
8.24“扩大到60”，所以：
tg' tg
' ຫໍສະໝຸດ 60 8.247.3
例：经纬仪用望远镜的视放大率为20，使用夹线瞄准， 瞄准角误差等于多少？
tg' ' tg
' 10" 0.5"
20
像于此处，则看不到，该处称盲点。
2. 眼睛的成像：
• 眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光 圈的超级照相机
• 眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-16.7mm f’=22.3mm
• 在调焦范围内，-f=14.2－17.1mm f’=18.9 －22.8mm
人眼--------照相机 水晶体--------镜头 网膜---------底片 瞳孔---------光阑
物镜的像再被目镜放大，其放大率为e = 250 fe ；
1 y y'
可在望远镜前垂直光轴放置一有刻化的物体，测量像高的大小， 即可得视放大率。
2、 望远系统的种类
a.开普勒望远系统
可安装分划板，用于瞄准
开普勒望远系统应用－军用望远镜
b.伽利略望远系统
结构紧凑，筒长短，较为轻便，光能损失少，并且使 物体呈正立的像。但是由于没有中间实像，不能安装分划 板，因而不能用来瞄准和定位
双目镜筒 是通过加 反射棱镜 和平行平 板实现的
3、显微镜设计中的规定参数：
• 共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离，约 180mm
• 机械筒长：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒 长度。（我国规定为160mm）
• 常用的物镜倍率：4x、 10x、 40x和100x • 常用的目镜倍率：5x、10x和15x
8.24"
8.24“扩大到60”，所以：
tg' tg
' ຫໍສະໝຸດ 60 8.247.3
例：经纬仪用望远镜的视放大率为20，使用夹线瞄准， 瞄准角误差等于多少？
tg' ' tg
' 10" 0.5"
20
像于此处，则看不到，该处称盲点。
2. 眼睛的成像：
• 眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光 圈的超级照相机
• 眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-16.7mm f’=22.3mm
• 在调焦范围内，-f=14.2－17.1mm f’=18.9 －22.8mm
人眼--------照相机 水晶体--------镜头 网膜---------底片 瞳孔---------光阑
物镜的像再被目镜放大，其放大率为e = 250 fe ；
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
应用光学（第四版）
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
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
六、显微镜的照明方式
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
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
《眼睛及其光学系统》课件
白内障：由于晶状体混浊，导致光线无法 正常进入视网膜
干眼症：由于泪液分泌不足或蒸发过快， 导致眼睛干涩不适
眼病的预防与治疗
定期检查：定期进行眼科 检查，及时发现并治疗眼 病
健康饮食：多吃富含维生 素A、C、E的食物，有助 于保护眼睛
合理用眼：避免长时间使 用电子产品，保持良好的 用眼习惯
眼部卫生：保持眼部清洁， 避免细菌感染
单击此处添加副标题
眼睛及其光学系统
汇报人：
目录
01
添加目录项标题
02
眼睛概述
03
眼睛的光学原理
04
眼睛的视觉系统
05
眼睛的疾病与保护
06
光学眼镜与隐形眼镜
01
添加目录项标题
02
眼睛概述
眼睛的构造
眼球：由角膜、虹膜、晶状体、玻璃体 和视网膜组成
晶状体：位于虹膜和玻璃体之间，具 有折射光线的作用
产生电信号
光线传输：电 信号通过视神 经传输到大脑，
形成视觉
眼睛的光学特性
眼睛的屈光系统： 包括角膜、晶状体、 玻璃体等，负责将 光线聚焦到视网膜 上
眼睛的折射率：角 膜、晶状体、玻璃 体的折射率不同， 共同作用使光线聚 焦到视网膜上
眼睛的散光：由于 角膜、晶状体等屈 光系统的形状不规 则，导致光线不能 完全聚焦到视网膜 上
适当使用眼药水，如人工 泪液等，缓解眼部疲劳
保持眼部卫生，避免用手 揉眼，定期清洗眼部用品
06
光学眼镜与隐形眼镜
光学眼镜的种类与选择
光学眼镜的种类：包括近视眼镜、远视眼镜、散光眼镜等 光学眼镜的选择：根据个人视力情况、脸型、舒适度等因素选择合适的眼镜 光学眼镜的材质：包括玻璃、树脂、PC等，不同材质的眼镜有不同的特点和适用人群 光学眼镜的保养：定期清洗、更换镜片、避免接触高温等，保持眼镜的清洁和性能
干眼症：由于泪液分泌不足或蒸发过快， 导致眼睛干涩不适
眼病的预防与治疗
定期检查：定期进行眼科 检查，及时发现并治疗眼 病
健康饮食：多吃富含维生 素A、C、E的食物，有助 于保护眼睛
合理用眼：避免长时间使 用电子产品，保持良好的 用眼习惯
眼部卫生：保持眼部清洁， 避免细菌感染
单击此处添加副标题
眼睛及其光学系统
汇报人：
目录
01
添加目录项标题
02
眼睛概述
03
眼睛的光学原理
04
眼睛的视觉系统
05
眼睛的疾病与保护
06
光学眼镜与隐形眼镜
01
添加目录项标题
02
眼睛概述
眼睛的构造
眼球：由角膜、虹膜、晶状体、玻璃体 和视网膜组成
晶状体：位于虹膜和玻璃体之间，具 有折射光线的作用
产生电信号
光线传输：电 信号通过视神 经传输到大脑，
形成视觉
眼睛的光学特性
眼睛的屈光系统： 包括角膜、晶状体、 玻璃体等，负责将 光线聚焦到视网膜 上
眼睛的折射率：角 膜、晶状体、玻璃 体的折射率不同， 共同作用使光线聚 焦到视网膜上
眼睛的散光：由于 角膜、晶状体等屈 光系统的形状不规 则，导致光线不能 完全聚焦到视网膜 上
适当使用眼药水，如人工 泪液等，缓解眼部疲劳
保持眼部卫生，避免用手 揉眼，定期清洗眼部用品
06
光学眼镜与隐形眼镜
光学眼镜的种类与选择
光学眼镜的种类：包括近视眼镜、远视眼镜、散光眼镜等 光学眼镜的选择：根据个人视力情况、脸型、舒适度等因素选择合适的眼镜 光学眼镜的材质：包括玻璃、树脂、PC等，不同材质的眼镜有不同的特点和适用人群 光学眼镜的保养：定期清洗、更换镜片、避免接触高温等，保持眼镜的清洁和性能
工程光学 典型光学系统PPT课件
眼睛及其光学系统
放大镜 显微镜系统 望远镜系统
目视 光学系统
目镜
第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛(Eyes)的结构
调节肌
1、巩膜：包围眼球的白色 不透明外层，D≈25mm.
2、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜，
r≈8mm，n ≈1.38；
——主要折射成像界面(角膜—空气)
眼球横切面
3、前室：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液n =1.336。
1、调焦（对准）平面上的物点——视网膜上的点像
2、远景、近景平面上的物点——视网膜上的像为弥散斑
若弥散斑可看作一像点， 则要求其对人眼张角小于极限分辨角。
八、双目立体视觉
1,视差角
A
A
A
B
l
B
a1
a2 b2a2源自b1 a1b视觉基线
2,视差、体视锐度
视差：
视差越大，两物体的纵向 深度越大，反之越小
二、瑞利判据 ：等亮度的两个物点，其一衍射图样的中央 极大与另一衍射图样的第一级极小重合时，认 为刚好能分辨这两个物点。
——能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半径。
无限远物点被理想光学系统成衍射图案： 第一暗环半径对出瞳中心的张角：
=1.22 / D,入瞳直径D的函数
——能分辨的二点间的最小角距离
2、眼睛+目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大。 观察物体所需分辨率×目视光学仪器的放大率=眼睛分辨率
★ 不同的目视光学仪器，通常选择的物距为： 1）放大镜、显微镜：观察物位于明视距离附近； 2）望远镜：观察物位于远处或无穷远。
第二节 放大镜 （The Magnifying Glass）
一、放大镜的成像原理
目视光学系统PPT课件
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
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
工程光学眼睛及目视光学系统
•令
表示其发散度（会聚度）
•1D=1m-1
2、瞳孔调节 3、适应
适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动 适应程度，通过瞳孔的自动增大或缩小完 成。
n 明适应：暗——亮，瞳孔自动缩小。 n 暗适应：亮——暗，瞳孔自动增大。
三、眼睛的缺陷及校正
n 正常眼：眼睛的远点在∞,或眼睛光学系 统的像方焦点在视网膜上。
•眼睛及其光学系统
设计目视光学仪器时，必须考虑眼睛的分 辨率。应满足：
仪 = tan/tan / ：被观察物体所需的分辨角。
•眼睛及其光学系统
六、眼睛的瞄准精度（对准精度）
n 分辨：眼睛能区分开两个点或线之间的线距离或 角距离的能力。
n 对准：垂直于视轴方向上的重合或置中过程。 n 对准误差(精度)：对准后，偏离置中或重合的线
•
90х~100х
1.25~1.4(1.5)
• 复消色差物镜
•
90х 1.3
• 平视场复消色差物镜
1. 40х 0.85
•显微镜系统
•望远镜系统
§7.4 望远镜系统 一、望远系统的视觉放大率
•望远镜系统
§7.2 放大镜 一、视觉放大率
•A •-w
•-y
•B
•-L
•-
•-w’
y’
•ye’
•y’ •w’ •y
•yi’
•-l’
•放大镜
•P’ •F’ •f’
•人眼直接观察时： •通过放大镜观察时：
•放大镜
•并非常数
•y’ •w’ •y
•-l’
•P’
•F’ •f’
•结 论
1) 当l’= ∞，或P’=f’时，0=250/f ’
n 反常眼：近视眼：远点位于眼前有限距 远视眼：远点位于眼后有限距
应用光学第三章 眼睛和目视光学系统
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
设计实例：只有两块5倍的，要求设计10倍 的。
将这两块合成:
1 f '合
＝合＝1＋2
d12
当d 0，f '合＝25
＝10
d取不同值时，两块搭成不同的倍率的放大镜
二、显微镜（microscope）的工作原理
显微镜由物镜和目镜组成，用以观察更微细物体
显微镜的工作原理 – 两级放大
成像过程：
物体首先经过显微物镜并在目镜的物方焦平面上形成 一个放大的实像；
等于同一目标用仪器观察时的视角和人眼直接 观察时的视角二者的正切之比，所以称为仪器 的视放大率。
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：
3-5 空间深度感觉和双眼立体视觉
当观察外界物体时，除了能够知道物体的
大小、 、亮暗以及表面 以外，
还能够产生 的感觉。这种远近的感 觉称为空间深度感觉。
单眼空间深度感觉
当物体的高度已知时，根据它对应的视角大小 来判断它的远近；
根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影也能判 断物体之间的相对位置；
设计实例：放大镜（n＝1.5） 已知＝5， 求r1、r2；若＝10，求r1、r2
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
设计实例：只有两块5倍的，要求设计10倍 的。
将这两块合成:
1 f '合
＝合＝1＋2
d12
当d 0，f '合＝25
＝10
d取不同值时，两块搭成不同的倍率的放大镜
二、显微镜（microscope）的工作原理
显微镜由物镜和目镜组成，用以观察更微细物体
显微镜的工作原理 – 两级放大
成像过程：
物体首先经过显微物镜并在目镜的物方焦平面上形成 一个放大的实像；
等于同一目标用仪器观察时的视角和人眼直接 观察时的视角二者的正切之比，所以称为仪器 的视放大率。
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：
3-5 空间深度感觉和双眼立体视觉
当观察外界物体时，除了能够知道物体的
大小、 、亮暗以及表面 以外，
还能够产生 的感觉。这种远近的感 觉称为空间深度感觉。
单眼空间深度感觉
当物体的高度已知时，根据它对应的视角大小 来判断它的远近；
根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影也能判 断物体之间的相对位置；
设计实例：放大镜（n＝1.5） 已知＝5， 求r1、r2；若＝10，求r1、r2
工程光学设计 第3章 眼睛和目视光学系统.ppt
影响因素：调节能力随年龄增大而减少调节能力随 年龄增大而减少
年龄 10 20 30 40 50 60 70 80
lp -7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40 (cm)
lr ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 200 80 40 (cm) (dpt) 14 10 7 4.5 2.5 1 0.25 0
直接观察物体时对人眼的张角。
ω眼
-y’
ω仪
-y’
2、视觉放大率：
Г＝y'i /y'e
设人眼后节点到网膜的距离为l'，上式又可写作
二、放大镜的工作原理
ω仪
-y’
讨论: 1）当眼睛调焦在无限远，即l'＝∞时，物体放在放
大镜的前焦点上，则有G0＝D/f '＝250/f ' 2）正常视力的眼睛一般把像调焦在明视距离D，则
三、眼睛的分辨率
1、眼的分辨能力：眼能够分辨最靠近两相邻点的 能力称为眼的分辨能力，或视觉敏锐度。 2、视角：物体对人眼的张角称作视角。
3、视角分辨率ω 或ε
ω
-y’
在眼睛没有调节的松弛状态下，f '≈23mm，ε≈60″。
§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
一、视觉放大率
1、目视光学仪器的基本工作原理： 物体通过仪器，其像对人眼的张角大于人眼
一、工作原理（伽利略望远镜）
二、望远系统的参数（视角放大率）
Г＝－f '0/f 'e＝－D/D' Г＝1/β
其它形式的望远系统： 加入棱镜转像系统的军用望远镜
§3.4 眼睛的调节
1、非正常眼及其校正
①正常眼和反常眼： 正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后
年龄 10 20 30 40 50 60 70 80
lp -7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40 (cm)
lr ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 200 80 40 (cm) (dpt) 14 10 7 4.5 2.5 1 0.25 0
直接观察物体时对人眼的张角。
ω眼
-y’
ω仪
-y’
2、视觉放大率：
Г＝y'i /y'e
设人眼后节点到网膜的距离为l'，上式又可写作
二、放大镜的工作原理
ω仪
-y’
讨论: 1）当眼睛调焦在无限远，即l'＝∞时，物体放在放
大镜的前焦点上，则有G0＝D/f '＝250/f ' 2）正常视力的眼睛一般把像调焦在明视距离D，则
三、眼睛的分辨率
1、眼的分辨能力：眼能够分辨最靠近两相邻点的 能力称为眼的分辨能力，或视觉敏锐度。 2、视角：物体对人眼的张角称作视角。
3、视角分辨率ω 或ε
ω
-y’
在眼睛没有调节的松弛状态下，f '≈23mm，ε≈60″。
§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
一、视觉放大率
1、目视光学仪器的基本工作原理： 物体通过仪器，其像对人眼的张角大于人眼
一、工作原理（伽利略望远镜）
二、望远系统的参数（视角放大率）
Г＝－f '0/f 'e＝－D/D' Г＝1/β
其它形式的望远系统： 加入棱镜转像系统的军用望远镜
§3.4 眼睛的调节
1、非正常眼及其校正
①正常眼和反常眼： 正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后
眼睛和目视光学系统.
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
106lx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外界物体的亮暗随物体天气时间而不同四人眼的调节2适应调节201312171正常人眼的焦点f远点和近点一眼睛的缺陷和校正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34眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节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201312182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
15
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
物体
光学 系统
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。
工程光学眼睛及目视光学系统
的角度——极限分辨角 。
1.22 140 ( )
D
D
白天：2mm——70”——0.006mm
眼睛在松弛状态：
f ’ =23mm 得= a /f ’= 0.006 /2360"（良
好照明）
8
眼睛及其光学系统
设计目视光学仪器时，必须考虑眼睛的分 辨率。应满足：
仪 = tan/tan / ：被观察物体所需的分辨角。
第7章 眼睛及目视光学系统
• §7.1 眼睛的光学成像特性 • §7.2 放大镜 • §7.3 显微镜系统 • §7.4 望远镜系统 • §7.5 目镜
1
第7章 眼睛及目视光学系统 §7.1 眼睛的光学成像特性
一、眼睛的结构
精巧的照相机
2
二. 眼睛的调节及适应
1、视度调节 视度——与视网膜相共轭的物面到人眼距离的倒数。SD=1/l 眼睛的调节：眼睛成像系统对任意距离物体自动调焦的过程。
1物镜；2小灯泡；3物体；4载物台 工具显微镜反射照明
亮视场照明图
单向暗视场照明
29
显微镜系统
2. 透射光照明：
亮视场照明：临界照明、柯勒照明（像方远心） a. 临界照明——光源成像于物平面。
多用于投影物体面积较小的情况。 光源表面亮度的 不均匀性影响观察效果。
“窗对窗，瞳对瞳”
30
显微镜系统
b. 柯勒照明：光源成像于物镜的入瞳面上。
0.145mm ' 0.29mm
' = = 0.85a =0.5/NA =555nm
按道威判断，得： 523NA≤ ≤ 1046NA 取 500NA ≤ ≤ 1000NA
min = 0.0725mm
26
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结论
与物体的位置无关。仅取决于望远镜系统的结构。 随fo’、fe’符号不同而不同。0正像， <0倒
像。
35
1. 开普勒望远镜
2. 伽利略望远镜
Fo’ Fe
望远镜系统
36
望远镜系统
二. 望远镜系统的分辨率和工作放大率
望远镜的分辨率用极限分辨角表示。艾里斑
半径 a=0.61 /n’sinu’
1. 按瑞利判断
±5~10"
39
三.望远镜的视场
望远镜系统
1.开普勒望远镜
物镜框：孔径光阑、入瞳；出瞳在目镜外，与人眼重 合。
目镜框：渐晕光阑，允许50%渐晕；
分划板：视场光阑。
40
2.伽俐略望远镜
(场阑、入窗） 出窗
y y’ ’
-Li(L) L i l’ ’
孔阑
lz
’
lz
望远镜系统
DP
41
(1)当K=50%，tg = -D/2lz
4
三、眼睛的缺陷及校正 正常眼：眼睛的远点在∞,或眼睛光学系
统的像方焦点在视网膜上。 反常眼：近视眼：远点位于眼前有限距
远视眼：远点位于眼后有限距 散光眼、斜视眼、散光近视
5
眼睛及其光学系统
6
四、眼睛的视角
tg y y
l le' 7
五、眼睛的分辨率
眼睛及其光学系统
刚刚能分辨开的两点对眼睛物方节点所张
调节能力用能清晰调焦的极限距离表示：lr、lp(远点距、近点距)
令 R 1 lr P 1 lP表示其发散度（会聚度）
A RP 1 1 lr l p
1D=1m-1
年龄
10 20 30 40 45 50 60 70 80
Lp(mm)
P(D) lr(mm) R(D)
A
-70 - 100 -143 -222 -286 -400 -2000 1000 400
组成： 20 ~1500 （光学筒长Δ随 f ’ 不同而不同）
27
四、显微镜的景深
几何景深 物理景深 调节景深
250mm~∞ 调节范围4D
2g
p
m
250n NA
n
NA2
250n
2
NA、
28
五. 显微镜的照明方法
显微镜系统
1．反射光照明： 亮视场照明：一般通过物镜从上面照明。
暗视场照明：侧面入射，从物镜侧向通过。 进入物镜成 像的仅为从物体表面散射的光线。
加 强 自 身 建 设，增 强个人 的休养 。2020年 12月 9日上午 5时9分 20.12.920.12.9
追 求 卓 越 ， 让自己 更好， 向上而 生。2020年 12月 9日星 期三上 午5时 9分33秒 05:09:3320.12.9
x fe2
1000 x Nfe2 5 fe2
1000 1000
44
45
目镜
三.目镜类型
1. 惠更斯目镜 2’=400~500 p’/ ’=300~400 p’/ fe’ =1/3~1/4
47
目镜
3.对称式目镜
2’=400~420 p’/ fe’ =1/1.3
90х~100х 1.25~1.4(1.5) 2. 复消色差物镜
90х
1.3
• 平视场复消色差物镜
40х
0.85
显微镜系统
33
望远镜系统
§7.4 望远镜系统 一、望远系统的视觉放大率
tg tg
fo fe D D 1
34
fo fe D D 1
望远镜系统
a 0.61 0.61 n sin u NA
24
道威判断：
显微镜系统
两相邻像点间隔0.85a时，被系统分辨： = 0.85a =0.5 /NA
以道威判断作为系统的目视衍射分辨率或理 想目视衍射分辨率。
25
显微镜系统
2．显微镜的有效放大率
便于眼睛分辨的角距离为2'~4' ，在明视距离 上对应的线距离s' ：
yi le' tg tg ye le' tg tg
人眼直接观察时： tg y L y 250
通过放大镜观察时：tg
y P' l
f l y f P'l
放大镜
P’ F’ f’
12
f l 250
P'l f
放大镜
并非常数
y’
P’
’ y
F’
-l’
f’
13
结论
f l 250
多用于大面积的投影情况。消除了物体平面光照度不 均匀的缺点。
“窗对瞳，瞳对窗”
显微物镜系统
31
显微镜系统
暗视场照明：光线倾斜入射，在物体旁侧向通过。
32
六、显微镜的物镜
1. 低倍物镜
3х~6х 0.01~0.15 2. 中倍物镜
8х~10х 0.25~0.30 3. 高倍物镜
40х
0.65
1. 浸液物镜
P'l f
1) 当l’= ∞，或P’=f’时，0=250/f ’
2)
正常视力的眼，
P’-l’= 250， 1
l f
1
250 f
P' f
如果眼睛紧贴放大镜，即P’=0，则
1
250 f
放大镜
看书用
y’ ’ y
-l’
P’
F’ f’
14
放大镜
二．光束限制和线视场
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
（1）对观察仪器，精度要求是其分辨角。 =60″/ min
（2）对瞄准仪器，精度要求是其瞄准误差 ，与瞄准方式
有关：
a. 使用压线瞄准（两实线重合），人眼对准误差为±60″，
所以
=60″/
b. 使用双线或叉线瞄准，人眼对准误差为±10″，
=10″/
±60"
±10~20"
±10"
不同瞄准方式的瞄准精度
a 1.22 140
fo D
D
2. 按道威判断
0.85a 120
fo
D
37
望远镜系统
最小视觉放大率min；（有效放大率或正常放大率） min=60″
min=60″/ =D/2.3 瑞利判断
（道威判断：min=D/2）
一般取
=（2~3）min
常取 =D （工作放大率）
38
结论
望远镜系统
1物镜；2小灯泡；3物体；4载物台 工具显微镜反射照明
亮视场照明图
单向暗视场照明
29
显微镜系统
2. 透射光照明：
亮视场照明：临界照明、柯勒照明（像方远心） a. 临界照明——光源成像于物平面。
多用于投影物体面积较小的情况。 光源表面亮度的 不均匀性影响观察效果。
“窗对窗，瞳对瞳”
30
显微镜系统
b. 柯勒照明：光源成像于物镜的入瞳面上。
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
眼睛及其光学系统
11
§7.2 放大镜 一、视觉放大率
A -
-y
B
-L
-y’
-’
ye’ yi’
y’ ’ y
-l’
250
fo fe
250 f
0e
250 f
0e
场阑
眼瞳
y’
’
-y
Fo’
Fe
19
显微镜系统
二、显微镜的光束限制和线视场
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
A -U B
B’
’
Fo’U’
A’
Fe
20
•显微镜的出瞳直径
显微镜系统
物镜满足正弦条件：ny sinU ny sinU
48
目镜
4. 凯涅尔目镜
2’=450~500 p’/ fe’ =1/2
49
5. 无畸变目镜
2’=480 p’/ fe’ =0.8
50
目镜
6.长出瞳距目镜
2’=500~700
p’/ fe’ =1/1.7
51
7.艾尔弗目镜
2’＝650 ~720
目镜
lz’/ fe’=3/4
另外，还有广角目镜、超广角目镜。
y ltg l y lztg lz
1
lz 2l 2 ( lz'－Li' )
tg
D
D
D
2 ( Lz Li ) 2 ( Lz Li ) 2 ( Lz L )
(2)当K=0时，由入窗边缘和入瞳边缘的光线决定。
tg max
D DP 2 (L lz )
42
目镜
§7.5 目镜
安 全 象 只 弓 ，不拉 它就松 ，要想 保安全 ，常把 弓弦绷 。20.12.905:09:3305:09Dec-209-Dec-20
重 于 泰 山 ， 轻于鸿 毛。05:09:3305:09:3305:09Wednesday, December 09, 2020
不 可 麻 痹 大 意，要 防微杜 渐。20.12.920.12.905:09:3305:09:33December 9, 2020
NA n sinU n' sinU' x' D' 2 D' D' D'