工程光學(xué)2008人眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)

工程光學(xué)2008人眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)第1頁/共35頁22023/4/2§6-1人眼的結(jié)構(gòu)

眼睛是一個完整的成像光學(xué)系統(tǒng)，同時又是目視光學(xué)系統(tǒng)的接收器，可以看成是整個光學(xué)系統(tǒng)的一個組成部分。第2頁/共35頁32023/4/2人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜

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,在觀察物體時眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。

虹膜瞳孔網(wǎng)膜

黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室1.336視軸1.3374第3頁/共35頁42023/4/2角膜：角膜是由角質(zhì)構(gòu)成的透明球面，厚度約為0.55毫米，折射率為1.3771，外界的光線就是首先通過角膜進(jìn)入眼睛的。前室：角膜后面的一部分空間稱為前室。前室中充滿了折射率為1.3374的透明液體，稱為水狀液，前室的深度大約為3.05毫米。水晶體：它是由多層薄膜構(gòu)成的一個雙凸透鏡。中間較硬，外層較軟，在自然狀態(tài)下，其前表面的半徑為10.2毫米，后表面的半徑為6毫米。各層的折射率不同，中央為1.42，最外層為1.373。借助于水晶體周圍肌肉的作用，可以使前表面的半徑發(fā)生變化，以改變眼睛的焦距，使不同距離的物體都能成像在視網(wǎng)膜上。虹彩：它在水晶體前，中央是一個圓孔，它能限制進(jìn)入眼睛的光束口徑，稱為瞳孔。隨著被觀察物體的亮暗程度，它能相應(yīng)地改變瞳孔直徑，以調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光能量。第4頁/共35頁52023/4/2后室：水晶體后面的空間稱為后室，里面充滿著一種與蛋白質(zhì)類似的透明液體，叫做玻璃液，它的折射率為1.336。視網(wǎng)膜：后室的內(nèi)壁為一層由視神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)纖維構(gòu)成的膜，稱為視網(wǎng)膜，它是眼睛的感光部分。脈絡(luò)膜：網(wǎng)膜的外面包圍著一層黑色膜，它的作用是吸收透過視網(wǎng)膜的光線，把后室變成一個暗室。鞏膜：它是一層不透明的白色外皮，將整個眼球包圍起來。黃斑：視網(wǎng)膜上視覺最靈敏的區(qū)域。盲點(diǎn)：神經(jīng)纖維的出口，由于沒有感光細(xì)胞，所以不能產(chǎn)生視覺。第5頁/共35頁62023/4/2黃斑盲點(diǎn)角膜前室虹彩視軸后室水晶體鞏膜脈絡(luò)膜網(wǎng)膜第6頁/共35頁72023/4/2簡約眼

眼睛簡化成一個折射球面的模型，即簡約眼

折射面的曲率半徑像方介質(zhì)的折射率網(wǎng)膜的曲率半徑物方焦距像方焦距光焦度5.56mm1.3339.7mm-16.70mm22.26mm59.88D第7頁/共35頁82023/4/2簡約眼n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7第8頁/共35頁92023/4/2人眼與照相機(jī)

眼睛如同一只自動變焦和自動改變光圈大小的照相機(jī)。從光學(xué)角度看，眼睛中三個最重要的部分是水晶體、瞳孔和網(wǎng)膜，它們分別對應(yīng)與照相機(jī)中的鏡頭、光闌和底片。第9頁/共35頁102023/4/2

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。人眼水晶體視網(wǎng)膜瞳孔眼睛和照相機(jī)很相似，如果對應(yīng)起來看：???照相機(jī)鏡頭底片光闌第10頁/共35頁112023/4/2人眼相當(dāng)于一架照相機(jī)，它可以自動對目標(biāo)調(diào)焦人眼在視網(wǎng)膜上成的是倒像。但我們感覺為什么還是正立的？這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果。第11頁/共35頁122023/4/2§6-2

眼睛的缺陷及矯正

1．眼睛的調(diào)節(jié)

對遠(yuǎn)近不同的物體，人眼能夠自動地調(diào)節(jié)眼睛中水晶體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。眼睛自動改變焦距的過程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。

明視距離：是指正常的眼睛在正常照明下，最舒服的距離，為250mm。

第12頁/共35頁132023/4/2當(dāng)肌肉在最緊張時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點(diǎn)稱為近點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為近點(diǎn)距，以p表示（米）

正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為負(fù)的無限遠(yuǎn)，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一正/負(fù)的有限值。正常眼睛的近點(diǎn)距約為眼前100mm。當(dāng)肌肉完全放松時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為遠(yuǎn)點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為遠(yuǎn)點(diǎn)距，以r表示（米）。

第13頁/共35頁142023/4/2

2.視度調(diào)節(jié)范圍人眼的調(diào)節(jié)范圍是用遠(yuǎn)點(diǎn)距r的倒數(shù)和近點(diǎn)距p的倒數(shù)之差來描述，用A來表示，即A的單位：屈光度（D），

1D=m-1A稱為眼睛的視度調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。第14頁/共35頁152023/4/2近點(diǎn)距倒數(shù)稱為近點(diǎn)視度。

在醫(yī)院和眼鏡店通常把1屈光度稱為100度。

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。

其中，遠(yuǎn)點(diǎn)距倒數(shù)稱為遠(yuǎn)點(diǎn)視度，

第15頁/共35頁162023/4/2眼睛在不同年齡時的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)范圍年齡1020304050607080近點(diǎn)距(mm)-7-10-14-22-40-20010040遠(yuǎn)點(diǎn)距（mm)2008040A=R-P(屈光度)141074.52.510.250第16頁/共35頁172023/4/23.人眼的適應(yīng)

眼睛能適應(yīng)不同亮暗環(huán)境的能力稱為適應(yīng)。適應(yīng)可分為明適應(yīng)和暗適應(yīng)。前者發(fā)生在由暗處到亮處時，適應(yīng)時間大約幾秒鐘；后者發(fā)生在由亮處到暗處時，適應(yīng)時間大約30-60秒鐘。

第17頁/共35頁182023/4/24.眼睛的缺陷和矯正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(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無限遠(yuǎn)（R=0）。

F'像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合

。第18頁/共35頁192023/4/2原理：加凹透鏡使無限遠(yuǎn)物體經(jīng)凹透鏡后成像于該近視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)處。二、人眼的缺陷及矯正

1、近視眼及矯正方法

近視眼：人眼在完全放松情況下，無限遠(yuǎn)物體成像于視網(wǎng)膜前。不恰當(dāng)描述：近視眼就是越近的物體越能看清楚。

矯正方法：配戴的凹透鏡。

其它矯正方法：角膜激光手術(shù)。

或：人眼在完全放松情況下，眼前

有限遠(yuǎn)物體成像于視網(wǎng)膜上。F’

正常眼：完全放松時，能看清∞處的物體。

F’

3遠(yuǎn)點(diǎn)

第19頁/共35頁202023/4/22、遠(yuǎn)視眼及矯正方法

遠(yuǎn)視眼：人眼在完全放松情況下，無限遠(yuǎn)物體成像于視網(wǎng)膜后。不恰當(dāng)描述：遠(yuǎn)視眼就是越遠(yuǎn)的物體越能看清楚。

矯正方法：配戴的凸透鏡。

其它矯正方法：角膜激光手術(shù)?；颍喝搜墼谕耆潘汕闆r下，眼后

有限遠(yuǎn)物體成像于視網(wǎng)膜上。3、散光眼散光眼：不同主截面內(nèi)光線匯聚點(diǎn)不同。有正常和非正常散光眼。雙心柱面透鏡矯正正常散光眼。F’4遠(yuǎn)點(diǎn)

第20頁/共35頁212023/4/2近視眼或遠(yuǎn)視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)視度可通過儀器來測得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。例如：有一近視眼，通過驗光得知其遠(yuǎn)點(diǎn)視度為-2個屈光度（眼鏡行業(yè)稱近視200度）則其遠(yuǎn)點(diǎn)距r=-0.5m，需配焦距為-500mm的凹透鏡眼鏡。遠(yuǎn)視眼的矯正度數(shù)有2種：1.遠(yuǎn)點(diǎn)視度可求得所需眼鏡的焦距。2.將眼前250mm的物經(jīng)眼鏡（凸透鏡）成像于眼睛的近點(diǎn)處。第21頁/共35頁222023/4/2§6-3

眼睛的分辨本領(lǐng)瞄準(zhǔn)精度人眼的分辨率一般用極限分辨角來表示。1.眼睛的分辨率

定義：眼睛能分辨開兩個很靠近的點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率。視角：物體的兩端點(diǎn)對眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角稱為眼睛的視角。

最小分辨距：在良好的照明條件下，通過理論計算得出人眼的極限分辨角為ε=1′。相當(dāng)于在明視距離處y=250tgε=0.073mm剛能分辨開的二個點(diǎn)對眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角稱為眼睛的極限分辨角。

-y′第22頁/共35頁232023/4/2在瞄準(zhǔn)時，經(jīng)常需要將一條直線重合到另一條直線。但是，要使兩條直線完全重合是不可能的。眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有一定的限度。這個不重合限度的極限值稱為人眼的瞄準(zhǔn)精度。人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來表示

2.瞄準(zhǔn)精度第23頁/共35頁242023/4/2兩線寬的幾何中心線對人眼的張角小于某一角度值α?xí)r，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α角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。人眼對于線條的變形或兩條線錯開造成的外形變化或比較兩條線寬的變化具有很高的靈敏度。第24頁/共35頁252023/4/21、兩實線瞄準(zhǔn)±60"

2、兩實線端部瞄準(zhǔn)±10~20

"3、雙線平分或?qū)ΨQ瞄準(zhǔn)±5~10"

4、虛線壓測件輪廓邊緣±20~30"

如果選用合適的瞄準(zhǔn)方式，可以提高人眼的分辨能力。Next第25頁/共35頁262023/4/2

§6-4放大鏡的工作原理

物體對眼睛的視角，不僅取決于物體的大小，還取決于該物體到眼睛的距離，距離越近視角越大。借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使像的視角大于人眼的極限分辨角

—擴(kuò)大視角是目視光學(xué)儀器的第一個要求。一、目視光學(xué)儀器成像的要求人眼在觀察物體時完全放松的自然狀態(tài)，即無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像到視網(wǎng)膜上。在利用儀器觀察時，目標(biāo)通過儀器后應(yīng)成像在無限遠(yuǎn)處，即要求儀器出射平行光束—對目視光學(xué)儀器的第二個要求。第26頁/共35頁272023/4/2

通過儀器觀察物體時，物體像的視角ω’正切與人眼直接觀察該物體時的視角ω正切之比。二、目視儀器的視角放大率-y′-y〞

第27頁/共35頁282023/4/2

2.放大鏡原理圖

y'yABA'B'FF'ω’P'-ff’-x’a’-y′250mmy第28頁/共35頁292023/4/2將橫向放大率代入上式得第29頁/共35頁302023/4/2放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距f′所決定，焦距越大則放大率越小。

y'yABA'B'FF'ω’P'-ff’-x’a’第30頁/共35頁312023/4/2三、放大鏡(+人眼)系統(tǒng)的光束限制孔徑光闌：入瞳：出瞳：眼瞳眼瞳對放大鏡成的像眼瞳本身

眼瞳視場光闌：

無

漸暈光闌：透鏡邊框。由于存在漸暈系數(shù)為零的視場位置，故透鏡邊框?qū)嶋H上起到了限制視場的作用。

結(jié)論放大鏡直徑越大人眼離透鏡越近放大鏡倍率越小視場越大四、放大鏡像差情況：存在全部七類像差，倍率不宜過大。經(jīng)推導(dǎo)可得：物方線視場(50%漸暈時)第31頁/共35頁322023/4/2本章小結(jié)1.眼睛的成像光學(xué)系統(tǒng)：瞳孔（照相機(jī)光圈）水晶體（鏡頭）視網(wǎng)膜（底片框）2.眼睛的調(diào)節(jié)范圍：用視度調(diào)節(jié)范圍表示。即3.眼睛的缺陷及矯正：近視和遠(yuǎn)視

分別配戴負(fù)（發(fā)散）透鏡，正（會聚）透鏡第32頁/共35頁332023/4/25.分辨率是指眼睛能分開兩最近點(diǎn)的能力，瞄準(zhǔn)精度是指對兩條線重合或置中、變形程度的能力。6.放大鏡的成像原理

7.放大鏡的視角放大率4.眼睛的分辨本領(lǐng)：眼睛能分開的兩相鄰最近的點(diǎn)的能力。

ε=60”=1’.第33頁/共