應用光學(第七章)1

1、第七章第七章 典型光學系統(tǒng)典型光學系統(tǒng)這類光學系統(tǒng)是直接擴大人眼的視覺能這類光學系統(tǒng)是直接擴大人眼的視覺能力的，稱為力的，稱為目視光學系統(tǒng)目視光學系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 眼睛及其光學系統(tǒng)眼睛及其光學系統(tǒng)一、眼睛的結構一、眼睛的結構成像光學系統(tǒng)成像光學系統(tǒng) 人眼本身相當于攝影光學系統(tǒng)人眼本身相當于攝影光學系統(tǒng) 在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構造在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構造均可以看作成像元。均可以看作成像元。人眼的構造剖視圖人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜* *鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；角膜角膜* *角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；角膜是鞏膜的最

2、前端部分，無色而透明；眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)生在角膜上；眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)生在角膜上；脈絡膜脈絡膜* *脈絡膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；脈絡膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡膜脈絡膜虹膜虹膜* *虹膜是脈絡膜的最前端部分，含有色素細胞，決定眼的顏色；虹膜是脈絡膜的最前端部分，含有色素細胞，決定眼的顏色；瞳孔瞳孔* *瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的膜肌肉能使瞳孔的直徑在直徑在28mm28mm范圍內(nèi)變化范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌孔徑光闌。人

3、眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜細胞，錐狀細胞直徑約細胞，錐狀細胞直徑約5微米，長約微米，長約35微米；微米；桿狀細胞直徑約桿狀細胞直徑約2 2微米微米脈絡膜脈絡膜，長約，長約60微米。它們在網(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在微米。它們在網(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹黃斑中心凹處處虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜*網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細胞和桿狀網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細胞和桿狀是錐狀細胞的密集區(qū)而沒有桿狀細胞是錐狀細胞的密集區(qū)而沒有桿狀細胞，由中心向外，逐漸相對變化；由中心向外，逐漸相對變化；黃斑中心凹黃斑中心凹人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 光脈絡膜

4、脈絡膜 盲斑是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。視神經(jīng)細胞晶狀體在虹膜后面，是由兩個不同曲率的面組成的透明體， 黃斑中心凹黃斑中心凹神經(jīng)纖維盲斑大腦盲斑盲斑晶狀體晶狀體人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高脈絡膜脈絡膜 成像質量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周圍是毛狀肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜似雙凸透鏡，是眼睛光學系統(tǒng)的成像元件，其密度和折射 能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠近不同的物體時，黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜角膜和晶狀體之間

5、的空間稱為前室；充滿1.336的水狀液；脈絡膜脈絡膜 晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室;充滿1.336的玻狀體虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜總能將像成在網(wǎng)膜上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 脈絡膜脈絡膜眼睛的像方節(jié)點與中心凹的連線為眼睛的視軸, 在觀察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜 體時眼睛本能地把物體瞄準在這根軸上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室1.3761.3361.336光軸光軸視軸視軸 眼睛的視場很大，可達眼睛的視場很大，可達150150，但只有，但只有黃斑附近黃斑附近才能清晰識別，才能清晰識別，其他部

6、分比較模糊，其他部分比較模糊， 所以能看清物體的角度范圍為所以能看清物體的角度范圍為6 86 8。 從光學角度看，眼睛中最主要的是：從光學角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。 人眼人眼 水晶體水晶體 視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜 瞳孔瞳孔 眼睛和照相機很相似，如果對應起來看：眼睛和照相機很相似，如果對應起來看： 照相機照相機 鏡頭鏡頭 底片底片 光闌光闌人眼相當當于一架照相機，它它可以自動對動對目標調標調焦照相機中，正立的人在底片上成倒像，照相機中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像人眼也是成倒像但我們感覺為什么還是正立的？但我們感覺為什么還是正立的？這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作

7、用的結果。這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結果。二、眼睛的調節(jié)及校正二、眼睛的調節(jié)及校正 眼睛有兩類調節(jié)功能：眼睛有兩類調節(jié)功能：視度調節(jié)視度調節(jié) 和和瞳孔調節(jié)瞳孔調節(jié)。 1 1視度調節(jié)視度調節(jié) 遠近不同的其他物體，物距不同，則不會成像在視網(wǎng)遠近不同的其他物體，物距不同，則不會成像在視網(wǎng)膜上，這樣我們就看不清。膜上，這樣我們就看不清。 要想看清其他的物體，人眼就要自動地調節(jié)眼睛中要想看清其他的物體，人眼就要自動地調節(jié)眼睛中水晶體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。水晶體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。 眼睛自動改變焦距的過程眼睛自動改變焦距的過程稱為稱為眼睛的調節(jié)眼睛的調節(jié)。 正常人眼在完全放松的自然狀態(tài)下，正常人眼

8、在完全放松的自然狀態(tài)下， 無限遠目標成像在視網(wǎng)膜上，即無限遠目標成像在視網(wǎng)膜上，即眼睛的眼睛的像方焦點在視網(wǎng)膜上。像方焦點在視網(wǎng)膜上。 在觀察近距離物體時，人眼水晶體周圍肌肉在觀察近距離物體時，人眼水晶體周圍肌肉收縮，使水晶體前表面半徑變小收縮，使水晶體前表面半徑變小 眼睛光學系統(tǒng)的焦距變短眼睛光學系統(tǒng)的焦距變短，后焦點前移，后焦點前移，從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。當肌肉完全放松時（通過調節(jié)），眼睛當肌肉完全放松時（通過調節(jié)），眼睛所能看清的所能看清的最遠的點最遠的點稱為稱為遠點遠點，其相應，其相應的距離稱為的距離稱為遠點距遠點距，以，以 r 表示（米）表示（米

9、） 當肌肉在最緊張時（通過調節(jié)），眼睛所當肌肉在最緊張時（通過調節(jié)），眼睛所能看清的能看清的最近的最近的點稱為點稱為近點近點，其相應的距，其相應的距離稱為離稱為近點距近點距，以，以 p 表示（米）表示（米） 正常眼睛的遠點距為正常眼睛的遠點距為負的負的無限遠無限遠，非正常眼睛（遠，非正常眼睛（遠視或近視）的遠點距為一視或近視）的遠點距為一正正/負負的有限值。的有限值。 這里這里必須指出必須指出，近點距離，近點距離并不是并不是明視距離明視距離 后者是指正常的眼睛在正常照明后者是指正常的眼睛在正常照明（約（約50勒克斯）下勒克斯）下最方便和最習慣最方便和最習慣的工作距離的工作距離，它等于，它等于2

10、50mm。 PRprA11它不同于人眼的近點距，兩者不能混淆它不同于人眼的近點距，兩者不能混淆人眼的人眼的調節(jié)能力調節(jié)能力是用遠點距是用遠點距r的倒數(shù)和近點距的倒數(shù)和近點距p的倒的倒數(shù)之差來描述，用數(shù)之差來描述，用A來表示，即來表示，即A稱為稱為眼睛眼睛的調節(jié)調節(jié)范圍圍或調節(jié)調節(jié)能力。 101.lSD當當人眼觀觀察在調調解范圍內(nèi)圍內(nèi)的某一距離l處處的物體時時，它總它總能清清晰地成像在視網(wǎng)視網(wǎng)膜上。 如果如果 l 的單位為米，則其的單位為米，則其倒數(shù)倒數(shù)稱為稱為視度視度，單位為，單位為屈光度屈光度如觀察眼前如觀察眼前10米的物體，對應的視度為米的物體，對應的視度為 屈光度屈光度。 lSD1近點距

11、倒數(shù)近點距倒數(shù) 稱為稱為近點視度近點視度。 Pp1在醫(yī)院和眼鏡店通常把在醫(yī)院和眼鏡店通常把1屈光度屈光度稱為稱為100度度。 人眼的調節(jié)能力隨年齡的增加而變化。人眼的調節(jié)能力隨年齡的增加而變化。隨著年齡的增大，近點位置往遠移，遠點位置往近移，隨著年齡的增大，近點位置往遠移，遠點位置往近移，因而調節(jié)范圍減少。因而調節(jié)范圍減少。 遠點距倒數(shù)遠點距倒數(shù) 稱為稱為遠點視度遠點視度， Rr1 2瞳孔調節(jié)（適應特性）瞳孔調節(jié)（適應特性）人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。這就是人眼的另一個特性這就是人眼的另一個特性，具有對周圍空間光亮情具有對周圍空間光亮情況適應的過程況

12、適應的過程 稱為稱為適應適應（即為（即為瞳孔的調節(jié)瞳孔的調節(jié)）。）。眼睛的虹膜可以自動改變瞳孔的大小，以控制眼眼睛的虹膜可以自動改變瞳孔的大小，以控制眼睛的進光亮（睛的進光亮（2mm8mm)。在設計目視光學儀器在設計目視光學儀器時要充分考慮與眼瞳的配合時要充分考慮與眼瞳的配合。適應是一種當周圍照明條件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生適應是一種當周圍照明條件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生的變態(tài)過程，可分為的變態(tài)過程，可分為對暗適應對暗適應和和對光適應對光適應兩種，兩種，前前者發(fā)生在光亮處到黑暗處的時候，者發(fā)生在光亮處到黑暗處的時候，后者發(fā)生在自黑后者發(fā)生在自黑暗處到光亮處的時候。暗處到光亮處的時候。 3、眼睛的缺陷和

13、矯正、眼睛的缺陷和矯正F正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無限遠處的物體，下，能夠看清楚無限遠處的物體，即遠點應在無限遠（即遠點應在無限遠（R = 0），）， 像方焦點正好和視網(wǎng)膜重合像方焦點正好和視網(wǎng)膜重合 FF 若不符合這一條件就是若不符合這一條件就是非正常眼，或稱非正常眼，或稱視力不正常視力不正常 F 最常見的有近視眼和遠視眼最常見的有近視眼和遠視眼F 所謂所謂近視眼近視眼就是其遠點在眼睛前方就是其遠點在眼睛前方有限有限距離處（距離處（r 0），）， 這是由于眼球偏短，像這是由于眼球偏短，像方焦點位于視網(wǎng)膜的之方焦點位于視網(wǎng)膜的之后所致。因此，射入

14、眼后所致。因此，射入眼睛的光束只有是會聚時，睛的光束只有是會聚時，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。上。對應著正視度，需以對應著正視度，需以正透鏡正透鏡來使其遠點恢復到無限遠。來使其遠點恢復到無限遠。 近視眼或遠視眼的遠點視度可通過儀近視眼或遠視眼的遠點視度可通過儀器來測得，知道此值后即可求得所需器來測得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。眼鏡的焦距。例如：有一近視眼，通過驗光得知其遠點視例如：有一近視眼，通過驗光得知其遠點視度為度為-2個屈光度（眼鏡行業(yè)稱近視個屈光度（眼鏡行業(yè)稱近視200度）度）則其遠點距則其遠點距r = - 0.5 m，需配需配焦距為焦距為-500mm的近視眼鏡

15、。的近視眼鏡。4、目視光學儀器視度調節(jié)、目視光學儀器視度調節(jié)人眼的視覺缺陷可以在眼前加以透鏡可以人眼的視覺缺陷可以在眼前加以透鏡可以矯正矯正目視光學儀器要適應不同視力的人使用目視光學儀器要適應不同視力的人使用為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀器所成的像不再位于無限遠，而位于目鏡器所成的像不再位于無限遠，而位于目鏡的前方或后方一定的位置的前方或后方一定的位置這就是目視光學儀器的視度調節(jié)這就是目視光學儀器的視度調節(jié)物鏡物鏡目鏡目鏡正常眼正常眼近視眼近視眼遠視眼遠視眼F眼眼F眼眼F眼眼四、眼睛的分辨率（分辨本領）四、眼睛的分辨率（分辨本領）所謂所謂人眼的分辨能力

16、人眼的分辨能力指的是成像在中央凹區(qū)時的分辨能力。指的是成像在中央凹區(qū)時的分辨能力。 ?眼睛能分辨出兩個非常近的點的能力眼睛能分辨出兩個非常近的點的能力稱為眼睛的分辨率（分稱為眼睛的分辨率（分辨本領）辨本領）?人眼的分辨率一般用人眼的分辨率一般用極限分辨角極限分辨角來表示。來表示。人眼的分辨率是眼睛的重要光學特性，同時也是目視人眼的分辨率是眼睛的重要光學特性，同時也是目視光學儀器設計的重要依據(jù)之一。光學儀器設計的重要依據(jù)之一。用其它觀測設備（如照相機、用其它觀測設備（如照相機、CCD等）替代人眼時也等）替代人眼時也可據(jù)此作為參考。可據(jù)此作為參考。?人眼剛能將兩點分開的視角人眼剛能將兩點分開的視角

17、稱為眼睛的極限分辨角稱為眼睛的極限分辨角?人眼分辨率人眼分辨率與與極限分辨角極限分辨角成反比成反比關系關系現(xiàn)在從現(xiàn)在從兩個不同的角度兩個不同的角度來分析眼睛的極限分辨角的來分析眼睛的極限分辨角的大小。大小。 首先從人眼的視網(wǎng)膜結構上來分析：首先從人眼的視網(wǎng)膜結構上來分析： ?眼睛在看物空間兩點時，這兩點對眼睛眼睛在看物空間兩點時，這兩點對眼睛物方節(jié)物方節(jié)點點的張角成為兩點間的的張角成為兩點間的角距離角距離或稱為或稱為視角視角如果這兩點的像分別如果這兩點的像分別落在被分隔開的兩個落在被分隔開的兩個視網(wǎng)膜細胞上，即得視網(wǎng)膜細胞上，即得到到兩個點的視覺兩個點的視覺由此可見，眼睛的分辨率與視由此可見，

18、眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點網(wǎng)膜上兩像點距離距離及視覺細胞及視覺細胞的的直徑直徑大小有關大小有關 當兩像點的間距大于（或等于）視覺細當兩像點的間距大于（或等于）視覺細胞的直徑時，就認為眼睛可以分辨。胞的直徑時，就認為眼睛可以分辨。 人眼的極限分辨角人眼的極限分辨角可表示為可表示為 tgxj（rad） 所以人眼的極限分辨角可表示為所以人眼的極限分辨角可表示為tgxjfxj702062651170060.（rad） 眼睛的極限分辨角眼睛的極限分辨角( rad )； 視覺細胞的直徑，約為視覺細胞的直徑，約為0.006mm； xj 像方節(jié)點到視網(wǎng)膜的距離像方節(jié)點到視網(wǎng)膜的距離應為應為 而當眼睛處于放松

19、狀態(tài)時，而當眼睛處于放松狀態(tài)時，f = -17.1mm。上式可得：。上式可得：（秒）（秒）可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長有可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長有關，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關關，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關。DD.140206265000550221 = 50 120”；在在良好的照明條件良好的照明條件下，一般認為下，一般認為 = 60” = 1 認為認為人眼的極限分辨角為人眼的極限分辨角為1 。在設計光學系統(tǒng)時就必須考慮眼睛的分辨率在設計光學系統(tǒng)時就必須考慮眼睛的分辨率。經(jīng)常需要將一條直線重合到另一經(jīng)常需要將一條直線重合到另一條直線，但是，條直線，但是，要使兩條直線完要使兩條直線完全重合是不可能的全重合是不可能的