第17課【典型光學(xué)系統(tǒng)-眼睛與放大鏡】

1、第七章第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)典型光學(xué)系統(tǒng) -1 人眼及其光學(xué)系統(tǒng)人眼及其光學(xué)系統(tǒng)一、眼睛的結(jié)構(gòu)一、眼睛的結(jié)構(gòu)最高級(jí)的攝影系統(tǒng)最高級(jí)的攝影系統(tǒng)視網(wǎng)膜表面為匹茲伐曲面變折射率;校正球差孔徑光闌:受虹膜控制黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。倒立的實(shí)像與感覺神經(jīng)分布有關(guān)正像視覺神經(jīng)纖維的出口，沒有感光細(xì)胞，不能產(chǎn)生視覺人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜* *鞏膜鞏膜是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；角膜角膜* *角膜角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；是鞏膜的最前端部分，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(luò)膜脈絡(luò)膜* *脈絡(luò)

2、膜脈絡(luò)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；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(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜虹膜虹膜* *虹膜虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色；是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色；瞳孔瞳孔* *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。人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5微米，長約微米，長約35微米；微

3、米；桿狀細(xì)胞直徑約桿狀細(xì)胞直徑約2 2微米微米脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜，長約，長約60微米。它們?cè)诰W(wǎng)膜上的分布式不均勻的。微米。它們?cè)诰W(wǎng)膜上的分布式不均勻的。虹膜虹膜瞳孔瞳孔視網(wǎng)膜視網(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(xì)胞和桿狀是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀黃斑中心凹黃斑中心凹人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 光脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜 虹膜虹膜瞳孔瞳孔視神經(jīng)細(xì)胞晶狀體在虹膜后面，是由兩個(gè)不同曲率的面組成的透明體， 黃斑中心凹黃斑中心凹神經(jīng)纖維盲斑大腦盲斑盲斑視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜水晶體水晶體人眼的構(gòu)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(luò)膜脈絡(luò)

4、膜 成像質(zhì)量。水晶體的平均折射率為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 能改變水晶體的表面曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體時(shí)，黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑水晶體水晶體視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿1.336的水狀液；脈絡(luò)膜脈絡(luò)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總能將像成在網(wǎng)膜上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑前室前室后室后室視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜水晶體水晶體人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的視軸, 在觀察物虹膜

5、虹膜瞳孔瞳孔 體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑前室前室后室后室1.3761.3361.336光軸光軸視軸視軸視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜水晶體水晶體 眼睛的視場(chǎng)很大，可達(dá)眼睛的視場(chǎng)很大，可達(dá)150150，但只有，但只有黃斑附近黃斑附近才能清才能清晰識(shí)別，其他部分比較模糊，晰識(shí)別，其他部分比較模糊， 所以能看清物體的角度所以能看清物體的角度范圍為范圍為6 86 8。 從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：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。水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。人眼的光學(xué)參數(shù)人眼的光學(xué)參數(shù) 靜態(tài)簡(jiǎn)約眼靜態(tài)簡(jiǎn)約眼f=18.922.8mm ， -f=14.217.1m

6、m眼睛的物方焦距和像方焦距不相等二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正 1 1眼睛的調(diào)節(jié)眼睛的調(diào)節(jié) 眼睛眼睛（通過水晶體）（通過水晶體）自動(dòng)改變焦自動(dòng)改變焦距的過程。（距的過程。（18mm23mm ） 當(dāng)肌肉完全放松時(shí)（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的當(dāng)肌肉完全放松時(shí)（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的最遠(yuǎn)的點(diǎn)點(diǎn)稱為稱為遠(yuǎn)點(diǎn)遠(yuǎn)點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為，其相應(yīng)的距離稱為遠(yuǎn)點(diǎn)距遠(yuǎn)點(diǎn)距，以，以 r 表示（米）表示（米） 當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的最近的點(diǎn)稱為點(diǎn)稱為近點(diǎn)近點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為，其相應(yīng)的距離稱為近點(diǎn)距近點(diǎn)距，以，以 p 表示（米）

7、表示（米） 明視距離明視距離-在閱讀時(shí)，或眼睛通過目視光學(xué)儀器觀測(cè)物像在閱讀時(shí)，或眼睛通過目視光學(xué)儀器觀測(cè)物像時(shí)，為了工作舒適，習(xí)慣上把物或像置于眼前時(shí)，為了工作舒適，習(xí)慣上把物或像置于眼前250mm處。處。注注:近點(diǎn)距離近點(diǎn)距離并不是并不是明視距離明視距離 250mmPRprA11 人眼的人眼的調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)能力表示為能清晰調(diào)焦的極限表示為能清晰調(diào)焦的極限距離范圍，距離范圍，用遠(yuǎn)點(diǎn)距用遠(yuǎn)點(diǎn)距r的倒數(shù)和近點(diǎn)距的倒數(shù)和近點(diǎn)距p的的倒數(shù)之差來描述，用倒數(shù)之差來描述，用A來表示，即來表示，即單位為折光度單位為折光度（或稱屈光度）（或稱屈光度）RR遠(yuǎn)點(diǎn)視度遠(yuǎn)點(diǎn)視度P近點(diǎn)視度2、眼睛的缺陷和校正、眼睛的缺

8、陷和校正正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為無限遠(yuǎn)正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為無限遠(yuǎn)，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一有限值。，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一有限值。2、眼睛的缺陷和校正、眼睛的缺陷和校正F正常眼正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)，能夠看清楚無限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無限遠(yuǎn)（點(diǎn)應(yīng)在無限遠(yuǎn)（R = 0），）， 像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合像方焦點(diǎn)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非正常眼，或稱，或稱視力不正常視力不正常 （屈光不正）（屈光不正）F 最常見的有近視眼和遠(yuǎn)視眼最常見的有近視眼和遠(yuǎn)視眼（先天、后天）

9、（先天、后天）斜視（光楔）斜視（光楔）散光（水晶體曲率半徑不等，柱面鏡，）散光（水晶體曲率半徑不等，柱面鏡，）老花眼屬自然生理現(xiàn)象，不是缺陷老花眼屬自然生理現(xiàn)象，不是缺陷F 近視眼：近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方有限有限距離處（距離處（r 0），），眼球扁平，焦點(diǎn)在視網(wǎng)眼球扁平，焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜后，用正透鏡校正。膜后，用正透鏡校正。同時(shí)，遠(yuǎn)視眼看不清明視距離的近物同時(shí)，遠(yuǎn)視眼看不清明視距離的近物，近點(diǎn)較正常眼遠(yuǎn)。，近點(diǎn)較正常眼遠(yuǎn)。對(duì)于遠(yuǎn)視眼，射入眼睛的光束只有對(duì)于遠(yuǎn)視眼，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)膜是會(huì)聚時(shí)，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)點(diǎn)為虛物點(diǎn)上。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的

10、遠(yuǎn)點(diǎn)為虛物點(diǎn)F 配上適當(dāng)?shù)恼饨苟妊坨R后，即配上適當(dāng)?shù)恼饨苟妊坨R后，即可使無限遠(yuǎn)物體成像于眼睛的遠(yuǎn)可使無限遠(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)膜點(diǎn)上，然后再經(jīng)眼睛成像于網(wǎng)膜上上。同時(shí)，可以使明視距離的物體同時(shí)，可以使明視距離的物體成像于近點(diǎn)成像于近點(diǎn)F此時(shí)，正透鏡的焦距等于遠(yuǎn)此時(shí)，正透鏡的焦距等于遠(yuǎn)點(diǎn)距。點(diǎn)距。校正的結(jié)果：組合系統(tǒng)的遠(yuǎn)點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)校正方法 近視眼或遠(yuǎn)視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)視度可通過儀器來測(cè)得近視眼或遠(yuǎn)視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)視度可通過儀器來測(cè)得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。 例如：有一近視眼，通過驗(yàn)光得知其遠(yuǎn)點(diǎn)視度為例如：有一近視眼，通過驗(yàn)光得知其遠(yuǎn)點(diǎn)

11、視度為-2個(gè)屈光度（眼鏡行業(yè)稱近視個(gè)屈光度（眼鏡行業(yè)稱近視200度）度） 則其遠(yuǎn)點(diǎn)距則其遠(yuǎn)點(diǎn)距r = - 0.5 m， 需配需配焦距為焦距為-500mm的近視眼鏡。的近視眼鏡。一般用遠(yuǎn)點(diǎn)視度（遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)）表示近視或遠(yuǎn)視程度，單位為折光度（或一般用遠(yuǎn)點(diǎn)視度（遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)）表示近視或遠(yuǎn)視程度，單位為折光度（或屈光度）。通常醫(yī)院和眼鏡店把一折光度稱作屈光度）。通常醫(yī)院和眼鏡店把一折光度稱作100度。度。例題例題 一個(gè)人近視程度是一個(gè)人近視程度是2D（屈光度），調(diào)節(jié)范圍是（屈光度），調(diào)節(jié)范圍是8D，求，求：（：（1）其遠(yuǎn)點(diǎn)距離；）其遠(yuǎn)點(diǎn)距離； （2）其近點(diǎn)距離；）其近點(diǎn)距離； （3）配戴）配戴1

12、00的近視鏡，求該鏡焦距；的近視鏡，求該鏡焦距； （4）求戴上該鏡后能看清的遠(yuǎn)點(diǎn)距離和近點(diǎn)距離。）求戴上該鏡后能看清的遠(yuǎn)點(diǎn)距離和近點(diǎn)距離。思考 某人對(duì)1米以外的物看不清，需佩戴什么眼鏡？ 另一人對(duì)1米以內(nèi)的物看不清，需佩戴什么眼鏡？三眼睛的適應(yīng)、感光與感色三眼睛的適應(yīng)、感光與感色 適應(yīng)適應(yīng)是一種當(dāng)周圍照明條件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生的變是一種當(dāng)周圍照明條件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生的變態(tài)過程，可分為態(tài)過程，可分為對(duì)暗適應(yīng)對(duì)暗適應(yīng)和和對(duì)光適應(yīng)對(duì)光適應(yīng)兩種。兩種。明適應(yīng)：由暗處進(jìn)入亮處，瞳孔自動(dòng)縮?。幻鬟m應(yīng)：由暗處進(jìn)入亮處，瞳孔自動(dòng)縮小；快快暗適應(yīng)：由亮處進(jìn)入暗處，瞳孔自動(dòng)放大。暗適應(yīng)：由亮處進(jìn)入暗處，瞳孔

13、自動(dòng)放大。慢慢桿狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞明（光）視覺明（光）視覺弱照明弱照明感光感光錐狀細(xì)胞錐狀細(xì)胞暗（色）視覺暗（色）視覺亮照明亮照明感色感色 四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）眼的分辨能力：眼能夠分辨最靠近兩相鄰點(diǎn)的能力稱為眼的分辨眼的分辨能力：眼能夠分辨最靠近兩相鄰點(diǎn)的能力稱為眼的分辨能力，或視覺敏銳度。能力，或視覺敏銳度。指的是成像在中央凹區(qū)時(shí)的分辨能力。指的是成像在中央凹區(qū)時(shí)的分辨能力。? 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。人眼分辨率人眼分辨率與與極限極限分辨角分辨角成反比成反比關(guān)系關(guān)系人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是目視光

14、學(xué)儀人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。用其它觀測(cè)設(shè)備（如照相機(jī)、用其它觀測(cè)設(shè)備（如照相機(jī)、CCD等）替代人眼時(shí)也可據(jù)此作為參考。等）替代人眼時(shí)也可據(jù)此作為參考。?人眼剛能將兩點(diǎn)分開的視角人眼剛能將兩點(diǎn)分開的視角稱為眼睛的極限分辨角稱為眼睛的極限分辨角 乃奎斯特極限：乃奎斯特極限：當(dāng)兩當(dāng)兩像點(diǎn)的間距大于（或像點(diǎn)的間距大于（或等于）視覺細(xì)胞的直等于）視覺細(xì)胞的直徑時(shí)，就認(rèn)為眼睛可徑時(shí)，就認(rèn)為眼睛可以分辨。以分辨。?眼睛在看物空間兩點(diǎn)時(shí)，這兩點(diǎn)對(duì)眼睛眼睛在看物空間兩點(diǎn)時(shí)，這兩點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)物方節(jié)點(diǎn)的的張角稱為兩點(diǎn)間的張角稱為兩點(diǎn)間的角距

15、離角距離或稱為或稱為視角視角極限分辨角極限分辨角 系統(tǒng)系統(tǒng).系統(tǒng)系統(tǒng)=人眼人眼 眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線的不重合能力兩根平行直線的不重合能力，但也有一定的限度，但也有一定的限度 這個(gè)不重合限度的極限值這個(gè)不重合限度的極限值稱稱為為人眼的瞄準(zhǔn)精度人眼的瞄準(zhǔn)精度。五、眼睛的對(duì)準(zhǔn)精度 即即兩線寬的兩線寬的幾何中心線幾何中心線對(duì)人眼的對(duì)人眼的張角張角小于某一角度值小于某一角度值時(shí)，雖然時(shí)，雖然還還存在存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)為是完全重合的，這時(shí)角度值角度值即為即為人眼瞄準(zhǔn)精度人眼瞄準(zhǔn)精度。 人眼對(duì)于人眼對(duì)于線條的變形線條的

16、變形或或兩條線錯(cuò)開兩條線錯(cuò)開造成的造成的外形變化或外形變化或比較兩條線寬的變化比較兩條線寬的變化具有很高具有很高的靈敏度。的靈敏度。 人眼通過兩物的比較發(fā)現(xiàn)它們外形變化的人眼通過兩物的比較發(fā)現(xiàn)它們外形變化的能力比能力比分辨分辨它們要強(qiáng)得多。它們要強(qiáng)得多。 人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值角度值來表示來表示 瞄準(zhǔn)精度瞄準(zhǔn)精度和和分辨率分辨率是兩個(gè)概念。是兩個(gè)概念。 又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗(yàn)證明，又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗(yàn)證明，人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為分辨率人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為分辨率的的1/61/6至至1/101/10。1、兩實(shí)線瞄準(zhǔn)、兩實(shí)線瞄準(zhǔn) 6060 2、兩實(shí)線端部瞄準(zhǔn)、兩實(shí)線端部瞄準(zhǔn)1

17、0102020 3、雙線平分或?qū)ΨQ瞄準(zhǔn)、雙線平分或?qū)ΨQ瞄準(zhǔn)5 51010 4、虛線壓測(cè)件輪廓邊緣、虛線壓測(cè)件輪廓邊緣20203030 六、眼睛的景深 眼睛在觀察物體時(shí)，除了一般的物體特征外，還能夠產(chǎn)生眼睛在觀察物體時(shí)，除了一般的物體特征外，還能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺，被稱為遠(yuǎn)近的感覺，被稱為“空間深度感覺空間深度感覺”。 單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺 單眼深度感覺來源：?jiǎn)窝凵疃雀杏X來源： 1 1）物體高度已知，它所對(duì)應(yīng)的視角大小來判斷其遠(yuǎn)近）物體高度已知，它所對(duì)應(yīng)的視角大小來判斷其遠(yuǎn)近 2 2）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽光的陰影來判斷它們相對(duì)位）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽光的陰影來判

18、斷它們相對(duì)位置置 3 3）對(duì)物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深度）對(duì)物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深度感覺感覺 4 4）眼睛的調(diào)節(jié)程度來判斷物體的遠(yuǎn)近。）眼睛的調(diào)節(jié)程度來判斷物體的遠(yuǎn)近。七七 雙目立體視覺雙目立體視覺 雙眼觀察的深度感覺除上述因素外：雙眼觀察的深度感覺除上述因素外： 5 5）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種感覺使）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種感覺使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的肌肉緊張程度就不同，據(jù)此就能判斷物眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的肌肉緊張程度就不同，據(jù)此就能判斷物體的遠(yuǎn)近；體的遠(yuǎn)近； 6 6）雙眼立體視覺（簡(jiǎn)稱體視）雙眼立體視覺（簡(jiǎn)稱體視） 稱為稱為“視差角視差角”BABABAa2b2a1b1Aa1a22211baba立體視差的極限立體視差的極限值值 稱為稱為“體視銳度體視銳度”當(dāng)當(dāng)A、B兩點(diǎn)距離不等時(shí)，兩點(diǎn)距離不等時(shí)， 或或產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺 被稱為雙眼立體視覺被稱為雙眼立體視覺 BAmin2211babaABABb2a2a1b1lbABABb2a2a1b1BAmin約為約為10”，有可能達(dá)到，有可能達(dá)到5”或或3”雙像與單一像雙像與單一像其他概念其他概念視覺基線立體