應(yīng)用光學(xué)：第三章 眼睛及目視光學(xué)系統(tǒng)

一、人眼的結(jié)構(gòu)從光學(xué)角度看,主要有三個(gè)主要組成部分：水晶體－－鏡頭Lens

視網(wǎng)膜－－底片F(xiàn)ilm

瞳孔－－光闌Stop

人眼相當(dāng)于一臺(tái)最高檔的超級(jí)照相機(jī),可以自動(dòng)調(diào)焦,自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入人眼的光能量。3.1人眼角膜:角質(zhì)構(gòu)成的透明球面薄膜,入射光線首先通過(guò)角膜

前室:角膜后的空間,充滿透明的

n=1.3374的水狀液,會(huì)聚光線.水晶體:雙凸透鏡,通過(guò)其周圍肌肉的調(diào)節(jié)可以改變其前表面的曲率半徑,從而使眼睛的有效焦距發(fā)生改變.

虹膜:水晶體和前室之間的隔膜.其中心有一圓孔,為瞳孔,限制進(jìn)入眼睛的光能量,作為相機(jī)中的可調(diào)光圈.

角膜,前室和水晶體可以看作鏡頭的一個(gè)組成部分.視網(wǎng)膜:視神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)纖維組成，作為感光底片。黃斑:視網(wǎng)膜上視覺(jué)最敏感的區(qū)域.

視網(wǎng)膜和黃斑可看作是照相機(jī)的感光部分.后室:水晶體后面的空間，后室中充滿蛋白狀的玻璃液，折射率為1.336。

盲點(diǎn):視神經(jīng)纖維在眼睛的出口,沒(méi)有感光細(xì)胞,不能形成視覺(jué).脈絡(luò)膜:視網(wǎng)膜后面包裹的一層黑色膜，吸收透過(guò)網(wǎng)膜的光線。視覺(jué)的產(chǎn)生外部光線進(jìn)入人眼

在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)像,通過(guò)視神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生了一個(gè)視覺(jué)信號(hào)刺激通過(guò)視神經(jīng)傳輸?shù)酱竽X.最后經(jīng)過(guò)高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)形成視覺(jué).這個(gè)過(guò)程包括物理學(xué)/生理學(xué)和心理學(xué).成倒像視軸:黃斑中心與眼睛光學(xué)系統(tǒng)像方節(jié)點(diǎn)的連線.人眼的視覺(jué)特征人眼的視場(chǎng):人眼的視場(chǎng)可以達(dá)到150度.如果頭保持不動(dòng),我們只能看清視軸中心附近6o－8o的范圍.為了看到更大的范圍,可以自由旋轉(zhuǎn)眼球,頭也動(dòng).眼睛的調(diào)節(jié):視度調(diào)節(jié)

和瞳孔調(diào)節(jié)

1.視度調(diào)節(jié)（主要是水晶體調(diào)節(jié)）定義:隨著物體距離的改變,人眼自動(dòng)改變焦距,使像落在視網(wǎng)膜上的過(guò)程.調(diào)節(jié)量的表示:視度SDl的符合規(guī)則和理想光學(xué)系統(tǒng)一致

明視距離:眼睛前方250mm距離處，SD=(1/(-0.25))=-4近點(diǎn)距離:

眼睛通過(guò)調(diào)節(jié)能看清物體的最短距離.遠(yuǎn)點(diǎn)距離:眼睛能看清物體的最遠(yuǎn)距離最大調(diào)節(jié)范圍=近點(diǎn)視度–遠(yuǎn)點(diǎn)視度年齡最大調(diào)節(jié)范圍/視度近點(diǎn)距離(mm)

101520253035404550-14-12-10-7.8-7.0-5.5-4.5-3.5-2.57083100130140180220290400不同年齡段正常的人眼調(diào)節(jié)能力2.瞳孔調(diào)節(jié)虹膜可以自動(dòng)調(diào)節(jié)瞳孔的大小,來(lái)控制眼睛的進(jìn)光量。強(qiáng)光下,白天,D=2mm;

夜晚,D=8mm當(dāng)設(shè)計(jì)目視光學(xué)儀器時(shí),儀器的出射瞳孔要和人眼的瞳孔大小相配合；白天使用的出射瞳孔可以小些;晚上使用的則要大些。外界物體的亮度是隨著物體種類/天氣和時(shí)間不斷變化著的.眼睛的視覺(jué)靈敏度假設(shè)有兩個(gè)物點(diǎn)成像在視網(wǎng)膜上.如果這兩個(gè)像點(diǎn)之間的間距足夠大,就認(rèn)為是可以用肉眼分辨的,當(dāng)間距很小時(shí),人眼就有可能分辨不開(kāi).兩個(gè)物點(diǎn)的視覺(jué)靈敏度：為什么？視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)視網(wǎng)膜是由視神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成,這里包括視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞視錐細(xì)胞:在強(qiáng)光條件下工作，視錐細(xì)胞主司晝光覺(jué)，有色覺(jué)，光敏感性差，但視敏度高。視桿細(xì)胞:在弱光情況下工作，能感受弱光。如果兩個(gè)像點(diǎn)之間的距離大于視神經(jīng)細(xì)胞直徑的兩倍,或者這兩個(gè)像點(diǎn)分別位于兩個(gè)不相鄰的兩個(gè)細(xì)胞上時(shí),這兩個(gè)像點(diǎn)就可以被分辨.視神經(jīng)細(xì)胞直徑約為0.001-0.003mm,一般取0.006mm

作為眼睛的分辨率,這是人眼視網(wǎng)膜上可以分辨的最短距離。通常用這段距離在物空間對(duì)應(yīng)的張角ω來(lái)表示,稱為視角分辨率.y'min=-0.006mm，f=-23mm

所以

對(duì)線分辨率:一直線的像刺激著一系列視神經(jīng)細(xì)胞,而另一直線的像又刺激著旁邊另一列視神經(jīng)細(xì)胞,所以眼睛能夠敏銳地感覺(jué)到它們之間的位移,這時(shí)的分辨率可以提高到10”一些測(cè)量?jī)x器都采取這種類型的對(duì)準(zhǔn)方式來(lái)提高測(cè)量精度.1.放大鏡2.顯微鏡3.望遠(yuǎn)鏡3.2-3.3放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡

1.理想光學(xué)系統(tǒng)的分辨率無(wú)窮遠(yuǎn)自身發(fā)光的物點(diǎn)，在焦平面上所成的像不是幾何點(diǎn)，而是一個(gè)由一系列光環(huán)組成的衍射圖樣。中央亮斑稱為艾里斑

中央亮斑的直徑λ——光的波長(zhǎng)n'——像空間介質(zhì)折射率U‘max——光束的會(huì)聚角當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的光強(qiáng)度相等的發(fā)光點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，其在系統(tǒng)像面上的艾里斑也逐漸靠近，并開(kāi)始有重疊的部分。這就引出光學(xué)系統(tǒng)對(duì)相鄰兩物點(diǎn)的分辨問(wèn)題。當(dāng)相鄰兩點(diǎn)的間隔，正好使一個(gè)衍射圖樣中的艾里斑中心和另一個(gè)圖樣的第一暗環(huán)重合時(shí)，兩個(gè)衍射圖樣的光強(qiáng)分布曲線相加而得到的合成光強(qiáng)分布曲線，兩個(gè)極大值之間存在的一個(gè)極小值，能量約為極大值的80%。10.8r暗1瑞利指出：這種合成的衍射圖樣還是可以看出是由兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)構(gòu)成的。10.8r暗1從圖中可看出，兩個(gè)愛(ài)里斑的中心距正好是艾里斑的半徑。瑞利就以艾里斑半徑或衍射圖樣的第一暗環(huán)半徑（r暗1）作為光學(xué)系統(tǒng)能對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)兩點(diǎn)的像分辨得開(kāi)的最小距離稱之為瑞利判據(jù)；按此判據(jù)，即可確定光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。

人眼的視角分辨率為ω″,如果遠(yuǎn)距離兩目標(biāo)對(duì)人眼的張角小于ω″,它們的像不能落在網(wǎng)膜不相鄰的細(xì)胞上,就分不清是一個(gè)點(diǎn)還是兩個(gè)點(diǎn)。

設(shè)想,如果先用一個(gè)光學(xué)儀器對(duì)兩目標(biāo)成像,使它們的兩像點(diǎn)對(duì)人眼的張角大于ω〃,人眼看清這兩個(gè)像點(diǎn),也就是看得清兩目標(biāo)了。

放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡通過(guò)增大物體像對(duì)人眼的張角，從而提高人眼的視覺(jué)能力。2.放大鏡一、放大鏡的工作原理

注：對(duì)目視光學(xué)系統(tǒng)的要求1.對(duì)目視光學(xué)儀器的一個(gè)首要的要求就是擴(kuò)大視角。2.目標(biāo)通過(guò)儀器后應(yīng)成像在無(wú)限遠(yuǎn),或者說(shuō)要出射平行光束。這是對(duì)目視光學(xué)。儀器的視放大率

物體經(jīng)放大鏡成像光路圖虛像A′B′對(duì)眼睛所張的視角的正切為眼睛直接去觀察物體時(shí)，是將其放在明視距離D=250mm處。此時(shí)物體對(duì)人眼張角的正切為A′B′BA放大鏡的放大率?？捎上率角蟮脤M向放大率代入上式得(1)當(dāng)眼睛調(diào)焦在無(wú)限遠(yuǎn)，即l’=∞時(shí)，物體放在放大鏡的前焦點(diǎn)上，則有：(2)正常視力的眼睛一般把物像調(diào)焦在明視距離D，則有P’-l’=D，得對(duì)于工作在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍的光學(xué)顯微鏡按用途區(qū)分，使用量較大的有三種：工具顯微鏡（主要應(yīng)用于精密機(jī)構(gòu)制造工業(yè)等方面進(jìn)行精密測(cè)量）；生物顯微鏡（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等方面）；金相顯微鏡（主要應(yīng)用于冶金和機(jī)械制造工業(yè)，觀察研究金相組織結(jié)構(gòu)）。顯微鏡是人眼的輔助工具，顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)由物鏡和目鏡兩個(gè)部分組成。3.顯微鏡系統(tǒng)

物鏡目鏡F1F1’F2BAA’B’A”B”

像A‘B’在經(jīng)目鏡放大為虛像A”B”后供眼睛觀察。這說(shuō)明目鏡與放大鏡的作用一樣。

顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用

一、顯微鏡系統(tǒng)的工作原理距離F1'F2稱為光學(xué)筒長(zhǎng)顯微鏡系統(tǒng)總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡橫向放大率β和目鏡放大率Γe的乘積。

設(shè)物鏡的焦距為f1′,則物鏡的放大率為物鏡的像被目鏡放大，其放大率為由此，顯微鏡系統(tǒng)的總放大率為可見(jiàn)顯微鏡系統(tǒng)的放大率與光學(xué)筒長(zhǎng)Δ成正比，和物鏡及目鏡的焦距成反比（倒像）。由于l'遠(yuǎn)大于焦距f',所以目鏡的放大率根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個(gè)顯微鏡的總焦距f’和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系：將其代入上式中，則有它與放大鏡公式具有完全相同的形式。顯微鏡系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)復(fù)雜化了的放大鏡

顯微系統(tǒng)的分辨率是以剛能分辨的兩物點(diǎn)之間的距離來(lái)表示的，稱為最小分辨距?？讖焦怅@（出瞳）P1’P2’z-Umaxσ′θ1U’maxA’-σ二、顯微鏡系統(tǒng)的分辨率當(dāng)滿足小角度時(shí)，sinU'max=tanU'max=U'max當(dāng)n=1時(shí)，由于顯微物鏡滿足物像空間不變量（正弦條件），即有滿足瑞利判據(jù)時(shí)，物空間兩點(diǎn)間的最短距離（最小分辨距）nu=NA，NA稱作顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑例1.如果要求讀數(shù)顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)精度為0.001mm,求顯微鏡的放大率。解：人眼直接觀察0.001mm的物體所對(duì)應(yīng)的視角為人眼的視角分辨率為60″,因此經(jīng)過(guò)顯微鏡的像所對(duì)應(yīng)的視角為

如果使用10+的目鏡，則物鏡的放大率為則物鏡的實(shí)際放大率-8+即可滿足需求。已知顯微鏡的視放大率為-300，目鏡焦距為20mm，求顯微鏡物鏡的倍率。若人眼的視角分辨率為60’’，則用該顯微鏡能分辨的兩物點(diǎn)的最小距離是多少？

一、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視覺(jué)放大率3.望遠(yuǎn)鏡ωωFoFeLoLey1開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡用一5倍的開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡觀察500mm處的目標(biāo)，物鏡焦距為100mm，求實(shí)際視放大率。5倍是觀測(cè)遠(yuǎn)處物體的視放大率，但現(xiàn)在是觀測(cè)近處的目標(biāo)。1、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率用極限分辨角表示：由瑞利判斷：二、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率及工作放大率FoFeLoLe瑞利判斷：FoFeLoLe視覺(jué)放大率和分辨率的關(guān)系：由上式求得的視覺(jué)放大率是滿足分辨要求的最小視覺(jué)放大率，稱為有效放大率（正常放大率）。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般視覺(jué)放大率比上式求得的數(shù)值大2~3倍，稱為工作放大率。若取=2.3，則有3、瞄準(zhǔn)誤差Δ使用壓線瞄準(zhǔn)，則有使用雙線或叉線瞄準(zhǔn)，則有此公式只適用于物距小于十分之一立體視覺(jué)半徑雙眼儀器的基線長(zhǎng)(雙眼儀器的二個(gè)入射光軸之間的距離)二、體視誤差三、對(duì)雙眼儀器的要求1、左右光軸平行；2、左右兩系統(tǒng)放大率一致；3、左右兩系統(tǒng)不應(yīng)有像傾斜。例1：顯微鏡的放大率為58，采用夾線對(duì)準(zhǔn)方式，求顯微鏡的物方對(duì)準(zhǔn)誤差，如果采用10倍的目鏡，物鏡的倍率應(yīng)為多大，目鏡的焦距為多少？解：對(duì)準(zhǔn)誤差：求物鏡的倍率求目鏡焦距例2：若顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)精度為0.001mm，采用壓線對(duì)準(zhǔn)