應(yīng)用光學(xué)第十四章

1、蘇州大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)所蘇州市十梓街1號(hào)，215006*馬 韜 第十四章 眼睛應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué)2目錄目錄眼睛的構(gòu)造1眼睛的調(diào)節(jié)和聚散2眼睛的適應(yīng)和視角分辨率3組眼睛的缺陷與校正4雙目立體視覺(jué)5體視測(cè)距原理614.114.1眼睛眼睛1.1.眼睛的結(jié)構(gòu)眼睛的結(jié)構(gòu)人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng),在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元件。 鞏膜是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬； 角膜是鞏膜的最前端部分，無(wú)色而透明,眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)生在角膜上； 脈絡(luò)膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營(yíng)養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；鞏膜角膜脈絡(luò)膜14.114.1眼睛眼睛 虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色； 瞳

2、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直徑在28mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。 網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿(mǎn)著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5微米，長(zhǎng)約35微米；桿狀細(xì)胞直徑約2微米長(zhǎng)約60微米。它們?cè)诰W(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹處是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒(méi)有桿狀細(xì)胞，由中心向外，逐漸相對(duì)變化鞏膜角膜脈絡(luò)膜虹膜瞳孔網(wǎng)膜黃斑中心凹14.114.1眼睛眼睛 黃斑中心凹是人眼視覺(jué)最靈敏的地方 盲斑是網(wǎng)膜上沒(méi)有感光元素的地方，不能引起光刺激。 晶狀體在虹膜后面，是由兩個(gè)不同曲率的面組成的透明體，似雙凸透鏡，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折射率都是

3、不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高成像質(zhì)量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周?chē)敲珷罴∧芨淖兙铙w的表面曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體時(shí)，總能將像成在網(wǎng)膜上鞏膜角膜脈絡(luò)膜虹膜瞳孔網(wǎng)膜盲斑晶狀體黃斑中心凹14.114.1眼睛眼睛 角膜和晶狀體之間的空間稱(chēng)為前室；充滿(mǎn)1.337的水狀液； 晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱(chēng)為后室;充滿(mǎn)1.336的玻狀體 眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線(xiàn)為眼睛的視軸, 在觀(guān)察物體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。 鞏膜角膜脈絡(luò)膜虹膜瞳孔網(wǎng)膜黃斑中心凹盲斑晶狀體前室后室光軸視軸14.114.1眼睛眼睛 眼睛的視場(chǎng)很大，可達(dá)150，但只有黃斑附近才能清晰識(shí)別，其他部分比較

4、模糊， 所以能看清物體的角度范圍為6 8（臺(tái)上簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)） 從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔 眼睛和照相機(jī)很相似，如果對(duì)應(yīng)起來(lái)看： 人眼 水晶體 視網(wǎng)膜 瞳孔 照相機(jī) 鏡頭 底片 光闌14.114.1眼睛眼睛2.2.標(biāo)準(zhǔn)眼和簡(jiǎn)約眼標(biāo)準(zhǔn)眼和簡(jiǎn)約眼 標(biāo)準(zhǔn)眼:根據(jù)大量的測(cè)量結(jié)果，定出了眼睛的各項(xiàng)光學(xué)常數(shù)，包括角膜、水狀液、玻狀液和水晶體的折射率、各光學(xué)表面的曲率半徑、以及各有關(guān)距離。稱(chēng)滿(mǎn)足這些光學(xué)常數(shù)值的眼睛為標(biāo)準(zhǔn)眼 簡(jiǎn)約眼:把標(biāo)準(zhǔn)眼簡(jiǎn)化為一個(gè)折射球面的模型，稱(chēng)為簡(jiǎn)約眼 簡(jiǎn)約眼參數(shù)：14.214.2眼睛的調(diào)節(jié)和聚散眼睛的調(diào)節(jié)和聚散1.1.眼睛的調(diào)節(jié)眼睛的調(diào)節(jié) 肌肉完全放松時(shí)，眼睛所

5、能看到的最遠(yuǎn)點(diǎn)稱(chēng)為眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)。 肌肉最緊張時(shí)，眼睛所能看到的最近點(diǎn)稱(chēng)為眼睛的近點(diǎn) 分別以 P和r 表示近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)到眼睛物方主點(diǎn)的距離(米)，則其倒數(shù)1/P 和1/r 就是近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)會(huì)聚度的折光度數(shù)。人眼的調(diào)節(jié)能力是用遠(yuǎn)點(diǎn)距離r的倒數(shù)和近點(diǎn)距離P的倒數(shù)之差來(lái)描述，用A來(lái)表示，即 PRprA1114.214.2眼睛的調(diào)節(jié)和聚散眼睛的調(diào)節(jié)和聚散 人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。隨著年齡的增大，近點(diǎn)位置 往遠(yuǎn)移，遠(yuǎn)點(diǎn)位置往近 移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。 2.2.眼睛的聚散眼睛的聚散 眼睛除了有調(diào)節(jié)能力外，還有雙眼聚散功能。聚散是指雙眼視軸相互向內(nèi)或向外的協(xié)同運(yùn)動(dòng)的能力，目的是使被注視目標(biāo)處于雙眼視軸交點(diǎn)

6、處14.314.3眼睛的適應(yīng)和視角分辨率眼睛的適應(yīng)和視角分辨率1.1.眼睛的適應(yīng)眼睛的適應(yīng) 眼睛的適應(yīng)指對(duì)各種光亮環(huán)境的適應(yīng)能力。眼睛所能感受的光亮度變化范圍是很大的，可達(dá) 1012:1 人眼能感受到的最低照度值稱(chēng)為絕對(duì)暗閾值，約為10-9勒克斯。它相當(dāng)于蠟燭在30公里遠(yuǎn)處所產(chǎn)生的照度 適應(yīng)有暗適應(yīng)和亮適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在自亮處到暗處時(shí)，過(guò)程較慢，極限為60分鐘；后者發(fā)生在自暗處到亮處時(shí)，過(guò)程較快，只需要幾分鐘14.314.3眼睛的適應(yīng)和視角分辨率眼睛的適應(yīng)和視角分辨率2.2.眼睛的分辨率眼睛的分辨率 眼睛能分辨出兩個(gè)非常近的點(diǎn)的能力稱(chēng)為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)），物體對(duì)人眼的張角稱(chēng)為視角，通常

7、將人眼能夠分辨開(kāi)的的兩物點(diǎn)之間的視角稱(chēng)為視角分辨率 眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點(diǎn)距離及視覺(jué)細(xì)胞的直徑大小有關(guān)，當(dāng)兩像點(diǎn)的間距大于（或等于）視覺(jué)細(xì)胞的直徑時(shí)，就認(rèn)為眼睛可以分辨 人眼的極限分辨角可表示為 y 是視覺(jué)細(xì)胞的直徑，f是像方節(jié)點(diǎn)到視網(wǎng)膜的距離fy/tanminmin 從衍射角度出發(fā) 可以看出，極限分辨角不僅與入射光線(xiàn)的波長(zhǎng)有關(guān)，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關(guān) = 50“ 120”；在良好的照明條件下，一般認(rèn)為 = 60” = 1 認(rèn)為人眼的極限分辨角為1，在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)就必須考慮眼睛的分辨率14.314.3眼睛的適應(yīng)和視角分辨率眼睛的適應(yīng)和視角分辨率DD14020626500055. 0

8、22. 114.314.3眼睛的適應(yīng)和視角分辨率眼睛的適應(yīng)和視角分辨率 眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線(xiàn)的不重合能力，但也有一定的限度，這個(gè)不重合限度的極限值稱(chēng)為人眼的瞄準(zhǔn)精度 人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來(lái)表示，即兩線(xiàn)寬的幾何中心線(xiàn)對(duì)人眼的張角小于某一角度值時(shí)，雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。 人眼通過(guò)兩物的比較發(fā)現(xiàn)它們外形變化的能力比分辨它們要強(qiáng)得多 瞄準(zhǔn)精度和分辨率是兩個(gè)概念，又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗(yàn)證明，人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為分辨率的1/5至1/1014.314.3眼睛的適應(yīng)和視角分辨率眼睛的適應(yīng)和視角分辨率 測(cè)量時(shí)需要用某種標(biāo)志對(duì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)

9、，這一過(guò)程稱(chēng)為瞄準(zhǔn)，瞄準(zhǔn)精度隨所取的標(biāo)志而異 常用的瞄準(zhǔn)標(biāo)志和方式有二直線(xiàn)重合，二直線(xiàn)端部對(duì)準(zhǔn)，叉絲對(duì)直線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)和雙線(xiàn)對(duì)直線(xiàn)瞄準(zhǔn)如上圖中的(a),(b),(c)和(d)所示，其瞄準(zhǔn)精度分別為30”60”，10”20”，10”和5”（a）（b）（c）（d）14.414.4眼睛的缺陷與校正眼睛的缺陷與校正 正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無(wú)限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無(wú)限遠(yuǎn) （R = 0），像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合，若不符合這一條件就是非正常眼，或稱(chēng)視力不正常 最常見(jiàn)的有近視眼和遠(yuǎn)視眼最常見(jiàn)的有近視眼和遠(yuǎn)視眼 所謂近視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方有限距離處（r 0）這是由于屈光過(guò)度，像方焦點(diǎn)位于視

10、網(wǎng)膜的前面所致。因此，只有眼前有限距離處的物體才能成像在視網(wǎng)膜上。 對(duì)應(yīng)著負(fù)視度，配上適當(dāng)?shù)呢?fù)光焦度眼鏡后，即可使無(wú)限遠(yuǎn)物體成像于眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)上，然后再經(jīng)眼睛成像于網(wǎng)膜上，因而眼 鏡矯正了眼睛的缺陷。14.414.4眼睛的缺陷與校正眼睛的缺陷與校正 所謂遠(yuǎn)視眼就是其近點(diǎn)距離增加 這是由于屈光不足，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是會(huì)聚時(shí)，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。 對(duì)應(yīng)著正視度，需以正透鏡矯正。 近視眼：將遠(yuǎn)點(diǎn)矯正到無(wú)限遠(yuǎn) 遠(yuǎn)視眼：將近點(diǎn)矯正到明視距離 散光折射面曲率異常，兩個(gè)互相垂直的方向有不同的焦距 矯正應(yīng)配戴柱面透鏡14.514.5雙目立體視覺(jué)雙目立體視覺(jué)1.1.雙目視

11、覺(jué)特征雙目視覺(jué)特征 單眼體視：?jiǎn)窝垠w視：對(duì)于較近的物體，利用眼睛的調(diào)節(jié)發(fā)生變化而產(chǎn)生的感覺(jué)來(lái)估計(jì)距離，范圍不大于5米。對(duì)于較遠(yuǎn)的熟悉物體，是利用它對(duì)眼睛的張角大小來(lái)估計(jì)遠(yuǎn)近的；對(duì)于不熟悉的物體，以與鄰近的熟悉物比較來(lái)確定其相對(duì)遠(yuǎn)近。 雙眼體視：雙眼體視：物體成像于雙眼中心凹的同側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生單像，否則產(chǎn)生雙像。 注視A時(shí)，成像a1和a2,在中心凹 這時(shí)B成像為b1和b2，產(chǎn)生雙像 C成像為c1和c2，也產(chǎn)生雙像 D成像為d1和d2，產(chǎn)生單像 內(nèi)的點(diǎn)都是成雙像的。 14.514.5雙目立體視覺(jué)雙目立體視覺(jué)2.2.雙目空間視覺(jué)雙目空間視覺(jué) 眼睛估計(jì)距離是利用眼睛的調(diào)節(jié)，當(dāng)視線(xiàn)轉(zhuǎn)向被觀(guān)察物時(shí)肌肉用力

12、，最小能覺(jué)察7分。而辨別相對(duì)遠(yuǎn)近是利用兩眼視線(xiàn)的夾角，即立體視差角：b為基線(xiàn)長(zhǎng)，成人為65mm。L為觀(guān)察點(diǎn)到眼睛的距離 如右圖所示,有： 立體視差：14.514.5雙目立體視覺(jué)雙目立體視覺(jué) 體視銳度是人眼能覺(jué)察的最小立體視差，一般約為3060”，經(jīng)訓(xùn)練可以達(dá)5”10 體視圈半徑是人眼存在立體視覺(jué)的范圍 體視閾值 是能分辨不同遠(yuǎn)近兩點(diǎn)間的最小距離20600010minbbLm14.614.6體視測(cè)距原理體視測(cè)距原理 為了在使用儀器觀(guān)察時(shí)仍能保持住人眼的體視能力，必須采用雙眼儀器，如“雙目望遠(yuǎn)鏡”和“雙目顯微鏡”等，利用體視儀器可以提高人眼的體視能力 雙眼儀器的體視放大率 人眼直接觀(guān)察時(shí)的視角差眼為 假設(shè)雙眼望遠(yuǎn)鏡的二個(gè)入射光軸之間為距離B,稱(chēng)為該儀器的基線(xiàn)長(zhǎng)，則同一物體對(duì)儀器的二入射瞳孔所構(gòu)成的視角差為眼儀Lb眼lB14.614.6體視測(cè)距原理體視測(cè)距原理 若系統(tǒng)的視放大率為，則物方視角差和像方視角差在不大的條件下存在以下關(guān)系 又由于 可得體視放大率的公式為 體視測(cè)距儀，是一種利用人眼的立體視覺(jué)來(lái)測(cè)量目標(biāo)距離的儀器，為了提高儀器的測(cè)量精度，必須增大儀器的體視放大率，要增大體視放大率，一個(gè)途徑是增大儀