工程光学 第7章 典型光学系统
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第七章 典型光学系统
眼睛及其光学系统 放大镜 显微镜系统 望远镜系统 目镜 摄影系统 习题
第一节眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构---成像光学系统
目视光学仪器都要配合人眼使用,以扩大人眼的视觉能 力.人眼本身相当于摄影光学系统,图7-1示出其水平截面.
二.眼睛的功能---辐射接收器
视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。 杆状细胞感光不感色;锥状细胞感色光不感光。
物点到基线距离L： A b / L
视 差： 不同距离的物体对应不同的视差角，
其差异Δθ称为立体视差，简称视差
Δθ大 人眼感觉两物体纵向深度大
Δθ小 人眼感觉两物体纵向深度小
体视锐度：人眼能感觉的Δθ的极限值Δθmin Δθmin一般为10``，经训练可达5``和3``
讨论：
1、两物点，一个在∞处，一个在较远处P处
2y 2 f ' tanw'
2 y 500 h mm 0 p'
第三节 显微镜系统
一、显微镜视觉放大率
视觉放大率：
tgw ' tgw
f '0
250
f 'e
e
看作组合系统：
f ' f0 ' fe ' ( 0时，f ' )
250 f'
即：显微镜实质上是一组合放大镜。
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。
yi ' ye '
人眼后节点到视网膜的距离为 l
则：
放大镜的视觉放大率：
y'D y'( p'l')
tgw
Fra Baidu bibliotek
y D
,
tgw'
y' p'l'
(
D p'l ' )
(
f
'l') f'
f 'l' p'l'
(
D) f'
(l',
p')
讨论：
1、当 l' 时，相当于把物体放在放大镜的前焦
点上。
f 'l' p'l'
1、单眼观察空间物体不能产生立体视觉效果 （1）单眼判断物体的远近时，利用眼睛的 调节变化所产生的感觉，通过水晶体的曲 率变化完成，由于曲率半径变化小，所以 判读极为粗略 （2）平常也可以用单目判断物体为立体， 是人脑的作用，凭借经验来完成的。
• •
2、双目观察物体时，同一物体在左右两眼中分别
产生一个像，这两个像在视网膜上的分布只有适 合几何上某些条件时才可以产生单一视觉，两眼 的视觉汇合到大脑中成为一个像，这种印象是出 自心理和生理的。（双目观察物体）
2、眼睛的缺陷及其矫正
远视眼、近视眼及其矫正(图7-2a) (图7-2 b) 通常用R表示近视或远视的程度,称为视度,单 位折光度. 医院或眼镜店把一折光度1D称作 100度.
散光:用圆柱面或双心圆柱面(图7-3a.b.c)透 镜矫正.
调节能力随年龄增大而减少 1/ lr 1/ lp R P A
视网膜上的 最小鉴别距离至少等于两个视神 经细胞的直径,即0.006mm. 眼睛的分辨能力： 眼睛能够分辨的最靠近两相邻 点的能力。 视角鉴别率：物体对眼睛的张角称为视角,人眼能 够分辨的最小视角称为视角鉴别率.
五、眼睛的对准精度
tg 0.006 206265 "
f'
对准和分辨的区别
对准误差：对准后,偏置置中或重合的线距离或角距
2、立体视觉阀：两眼能分辨的两点间的最短深度 距离 L
因为： A b / L
微分： L L2 / b
当Δθ= Δθmin时： ΔL 8104L2 L 为双目立体视觉误差，L越大误差越大
当L=100m时： ΔL=8m 当L=0.25m时：ΔL=0.05m
第二节 放大镜
一、视觉放大率
目视光学仪器放大率
(
D) f'
D f'
250 f'
0
2、习惯上，常把像调在明视距离上。
p'l' D
1
p'D f'
1
D f'
p' f'
1 0
p' f'
3、若眼睛紧贴着放大镜，即 p' 0则
250 1 f'
常用的放大镜，适当选择 2.5 ~ 25 4、目镜：若放大镜的物是前面光学系统的像
时，则这种放大镜称目镜。
眼睛的适应能力(动态范围):
适应分为明适应和暗适应. 适应过程,最长30min.
三、眼睛的调节和校正
1.眼睛的调节能力
眼睛的调节：眼睛对任意远的物体自动
调焦的过程
1/ lr 1/ lp R P A
发散度(或会聚度), 单位为折光度(lp或lr以
m为单位).
眼睛的调节能力
明视距离处250mm.
2、参数：
共轭距:显微镜物镜从物平面到像平面的距离。 （大约等于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）
∞处：θ=0 P处：θ=θP Δθ=θP= Δθmin
当两物点的视差刚好等于体视锐度时，P点即为人 眼能分辨远近的最大距离
Lmax b / min
62mm 206265/10`` 1200m
Lmax 立体视觉半径：
立体视觉半径以外的物体，人眼不能分辨 其远近 太阳和月亮，位于1200m以外，认为它们 位于距我们相同的球面上
二、光束限制和线视场
1、当k分别为100%、50%、0时
tgw1 '
h
a' p'
tgw2 ' tgw' 0
h p'
tgw3 '
h
a' p'
2、线视场：
2 y 500 h (mm) 0 p'
放大镜倍率越大，其线视场越小。
当物面放在放大镜的前焦平面上时，像平面在无限 远，则线视场（50%渐晕）
离称为 (图7-4) .
六、景深
定义：当眼睛调焦在某一对准平面时,眼睛不必调 节能同时看清对准平面前和后某一距离的物体,称作 眼睛的景深. 图7-5
远近景的景深分别为：
1
pP Dp P
p 1 (Dp )
p 2 Dp P
P
2
pP Dp P
p (Dp ) 1
p 2 Dp P
P
七、双目立体视觉
年龄
10 20 30 40 50 60 70 80
lp (cm) lr (cm)
(dpt)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 200 80 40 14 10 7 4.5 2.5 1 0.25 0
F’(S) f’’
一学生带500度近视镜，则该近视镜的焦距为___-_0_._2_m____ 该学生裸眼所能看清的最远距离为___眼_前__0_.2_m___。
眼睛及其光学系统 放大镜 显微镜系统 望远镜系统 目镜 摄影系统 习题
第一节眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构---成像光学系统
目视光学仪器都要配合人眼使用,以扩大人眼的视觉能 力.人眼本身相当于摄影光学系统,图7-1示出其水平截面.
二.眼睛的功能---辐射接收器
视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。 杆状细胞感光不感色;锥状细胞感色光不感光。
物点到基线距离L： A b / L
视 差： 不同距离的物体对应不同的视差角，
其差异Δθ称为立体视差，简称视差
Δθ大 人眼感觉两物体纵向深度大
Δθ小 人眼感觉两物体纵向深度小
体视锐度：人眼能感觉的Δθ的极限值Δθmin Δθmin一般为10``，经训练可达5``和3``
讨论：
1、两物点，一个在∞处，一个在较远处P处
2y 2 f ' tanw'
2 y 500 h mm 0 p'
第三节 显微镜系统
一、显微镜视觉放大率
视觉放大率：
tgw ' tgw
f '0
250
f 'e
e
看作组合系统：
f ' f0 ' fe ' ( 0时，f ' )
250 f'
即：显微镜实质上是一组合放大镜。
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。
yi ' ye '
人眼后节点到视网膜的距离为 l
则：
放大镜的视觉放大率：
y'D y'( p'l')
tgw
Fra Baidu bibliotek
y D
,
tgw'
y' p'l'
(
D p'l ' )
(
f
'l') f'
f 'l' p'l'
(
D) f'
(l',
p')
讨论：
1、当 l' 时，相当于把物体放在放大镜的前焦
点上。
f 'l' p'l'
1、单眼观察空间物体不能产生立体视觉效果 （1）单眼判断物体的远近时，利用眼睛的 调节变化所产生的感觉，通过水晶体的曲 率变化完成，由于曲率半径变化小，所以 判读极为粗略 （2）平常也可以用单目判断物体为立体， 是人脑的作用，凭借经验来完成的。
• •
2、双目观察物体时，同一物体在左右两眼中分别
产生一个像，这两个像在视网膜上的分布只有适 合几何上某些条件时才可以产生单一视觉，两眼 的视觉汇合到大脑中成为一个像，这种印象是出 自心理和生理的。（双目观察物体）
2、眼睛的缺陷及其矫正
远视眼、近视眼及其矫正(图7-2a) (图7-2 b) 通常用R表示近视或远视的程度,称为视度,单 位折光度. 医院或眼镜店把一折光度1D称作 100度.
散光:用圆柱面或双心圆柱面(图7-3a.b.c)透 镜矫正.
调节能力随年龄增大而减少 1/ lr 1/ lp R P A
视网膜上的 最小鉴别距离至少等于两个视神 经细胞的直径,即0.006mm. 眼睛的分辨能力： 眼睛能够分辨的最靠近两相邻 点的能力。 视角鉴别率：物体对眼睛的张角称为视角,人眼能 够分辨的最小视角称为视角鉴别率.
五、眼睛的对准精度
tg 0.006 206265 "
f'
对准和分辨的区别
对准误差：对准后,偏置置中或重合的线距离或角距
2、立体视觉阀：两眼能分辨的两点间的最短深度 距离 L
因为： A b / L
微分： L L2 / b
当Δθ= Δθmin时： ΔL 8104L2 L 为双目立体视觉误差，L越大误差越大
当L=100m时： ΔL=8m 当L=0.25m时：ΔL=0.05m
第二节 放大镜
一、视觉放大率
目视光学仪器放大率
(
D) f'
D f'
250 f'
0
2、习惯上，常把像调在明视距离上。
p'l' D
1
p'D f'
1
D f'
p' f'
1 0
p' f'
3、若眼睛紧贴着放大镜，即 p' 0则
250 1 f'
常用的放大镜，适当选择 2.5 ~ 25 4、目镜：若放大镜的物是前面光学系统的像
时，则这种放大镜称目镜。
眼睛的适应能力(动态范围):
适应分为明适应和暗适应. 适应过程,最长30min.
三、眼睛的调节和校正
1.眼睛的调节能力
眼睛的调节：眼睛对任意远的物体自动
调焦的过程
1/ lr 1/ lp R P A
发散度(或会聚度), 单位为折光度(lp或lr以
m为单位).
眼睛的调节能力
明视距离处250mm.
2、参数：
共轭距:显微镜物镜从物平面到像平面的距离。 （大约等于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）
∞处：θ=0 P处：θ=θP Δθ=θP= Δθmin
当两物点的视差刚好等于体视锐度时，P点即为人 眼能分辨远近的最大距离
Lmax b / min
62mm 206265/10`` 1200m
Lmax 立体视觉半径：
立体视觉半径以外的物体，人眼不能分辨 其远近 太阳和月亮，位于1200m以外，认为它们 位于距我们相同的球面上
二、光束限制和线视场
1、当k分别为100%、50%、0时
tgw1 '
h
a' p'
tgw2 ' tgw' 0
h p'
tgw3 '
h
a' p'
2、线视场：
2 y 500 h (mm) 0 p'
放大镜倍率越大，其线视场越小。
当物面放在放大镜的前焦平面上时，像平面在无限 远，则线视场（50%渐晕）
离称为 (图7-4) .
六、景深
定义：当眼睛调焦在某一对准平面时,眼睛不必调 节能同时看清对准平面前和后某一距离的物体,称作 眼睛的景深. 图7-5
远近景的景深分别为：
1
pP Dp P
p 1 (Dp )
p 2 Dp P
P
2
pP Dp P
p (Dp ) 1
p 2 Dp P
P
七、双目立体视觉
年龄
10 20 30 40 50 60 70 80
lp (cm) lr (cm)
(dpt)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 200 80 40 14 10 7 4.5 2.5 1 0.25 0
F’(S) f’’
一学生带500度近视镜，则该近视镜的焦距为___-_0_._2_m____ 该学生裸眼所能看清的最远距离为___眼_前__0_.2_m___。