工程光學(xué)與技術(shù)7課件

第七章典型光學(xué)系統(tǒng)這類光學(xué)系統(tǒng)是直接擴(kuò)大人眼的視覺能力的，稱為目視光學(xué)系統(tǒng)。

§7-1人眼的光學(xué)特性一、眼睛的結(jié)構(gòu)——成像光學(xué)系統(tǒng)

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。人眼的構(gòu)造剖視圖人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜脈絡(luò)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；瞳孔*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直徑在2~8mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜細(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微米脈絡(luò)膜，長(zhǎng)約60微米。它們?cè)诰W(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹處虹膜瞳孔網(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)胞和桿狀是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒有桿狀細(xì)胞，由中心向外，逐漸相對(duì)變化；黃斑中心凹人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜

光脈絡(luò)膜盲斑是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜瞳孔網(wǎng)膜黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。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，黃斑中心凹神經(jīng)纖維盲斑大腦盲斑晶狀體人眼的構(gòu)造剖視圖鞏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

晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室;充滿1.336的玻狀體虹膜瞳孔網(wǎng)膜總能將像成在網(wǎng)膜上。

黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室人眼的構(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,

在觀察物虹膜瞳孔網(wǎng)膜

體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室1.3761.3361.336光軸視軸

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，其他部分比較模糊，所以能看清物體的角度范圍為6~8?。

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(duì)應(yīng)起來看：

????照相機(jī)鏡頭底片光闌二、眼睛的調(diào)節(jié)眼睛有兩類調(diào)節(jié)功能：視度調(diào)節(jié)和瞳孔調(diào)節(jié)。

1．視度調(diào)節(jié)

遠(yuǎn)近不同的其他物體，物距不同，則不會(huì)成像在視網(wǎng)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(dòng)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(dòng)改變焦距的過程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。正常人眼在完全放松的自然狀態(tài)下，無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像在視網(wǎng)膜上，即眼睛的像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。在觀察近距離物體時(shí)，人眼水晶體周圍肌肉收縮，使水晶體前表面半徑變小。眼睛光學(xué)系統(tǒng)的焦距變短，后焦點(diǎn)前移，從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。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）

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。

這里必須指出，近點(diǎn)距離并不是明視距離

A稱為眼睛的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。

當(dāng)人眼觀察在調(diào)解范圍內(nèi)的某一距離l處的物體時(shí)，它總能清晰地成像在視網(wǎng)膜上。如果l的單位為米，則其倒數(shù)稱為視度，單位為屈光度。如觀察眼前10米的物體，對(duì)應(yīng)的視度為屈光度。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。

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。

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

2．瞳孔調(diào)節(jié)（適應(yīng)特性）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(gè)特性，具有對(duì)周圍空間光亮情況適應(yīng)的過程稱為適應(yīng)（即為瞳孔的調(diào)節(jié)）。眼睛的虹膜可以自動(dòng)改變瞳孔的大小，以控制眼睛的進(jìn)光亮（2mm~8mm)。在設(shè)計(jì)目視光學(xué)儀器時(shí)要充分考慮與眼瞳的配合。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)生的變態(tài)過程，可分為對(duì)暗適應(yīng)和對(duì)光適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在光亮處到黑暗處的時(shí)候，后者發(fā)生在自黑暗處到光亮處的時(shí)候。

所謂近視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方有限距離處（r<0）

這是由于眼球太長(zhǎng)，像方焦點(diǎn)位于視網(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。所謂遠(yuǎn)視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛之后（r>0），這是由于眼球偏短，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，需以正透鏡來使其遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù)到無限遠(yuǎn)。

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。例如：有一近視眼，通過驗(yàn)光得知其遠(yuǎn)點(diǎn)視度為-2個(gè)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的近視眼鏡。物鏡目鏡正常眼近視眼遠(yuǎn)視眼F眼’F眼’F眼’四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）所謂人眼的分辨能力指的是成像在中央凹區(qū)時(shí)的分辨能力。

眼睛能分辨出兩個(gè)非常近的點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）人眼的分辨率一般用極限分辨角來表示。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。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。人眼剛能將兩點(diǎn)分開的視角稱為眼睛的極限分辨角。人眼分辨率與極限分辨角成反比關(guān)系?，F(xiàn)在從兩個(gè)不同的角度來分析眼睛的極限分辨角的大小。首先從人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上來分析：

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)的張角成為兩點(diǎn)間的角距離或稱為視角。所以人眼的極限分辨角可表示為（rad）ε—眼睛的極限分辨角(rad

)；η′

—視覺細(xì)胞的直徑，約0.006mm；

xj′—像方節(jié)點(diǎn)到視網(wǎng)膜的距離應(yīng)為

而當(dāng)眼睛處于放松狀態(tài)時(shí)，f=-17.1mm。上式可得：（秒）可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長(zhǎng)有關(guān)，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關(guān)。ε=50~120”；在良好的照明條件下，一般認(rèn)為ε=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。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(gè)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(gè)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。即兩線寬的幾何中心線對(duì)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(shí)α角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。人眼對(duì)于線條的變形或兩條線錯(cuò)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。人眼通過兩物的比較發(fā)現(xiàn)它們外形