工程光学第七章郁道银版作者窦柳明(长沙理工大学)

第七章典型光学系统第一节眼睛及其光学系统1第二节放大镜2第三节显微镜系统3第四节望远镜系统4第七章典型光学系统第五节目镜5第六节摄影系统与投影系统6第一节眼睛及其光学系统一、眼睛的构造角膜（1.38）前室（1.34）瞳孔水晶体（1.4）后室（1.34）盲点视神经视网膜黄斑虹彩膜睫状肌悬韧带括约肌主要光学器官角膜：角质透明体。前室：充满透明液体。瞳孔：虹彩膜围成的小孔，括约肌控制大小。水晶体：多层透明膜构成的双凸透镜，屈光度较大。形状由睫状肌和悬韧带改变。后室：充满胶状透明液体，有一定屈光度，支撑视网膜。视网膜：大量视神经构成的感光面，视神经与大脑相连。黄斑：视神经分布最为密集，视觉最灵敏的椭圆状凹陷区。第一节眼睛及其光学系统黄斑与眼睛光学系统物方节点的连线为视轴。人眼的视场可达150。，但清晰成像范围为６。－８。从光学角度，人眼中最重要的三样是什么？角膜（1.38）前室（1.34）瞳孔后室（1.34）盲点视神经视网膜黄斑虹彩膜睫状肌悬韧带括约肌瞳孔——光阑；水晶体——镜头；视网膜——感光底片；视网膜第一节眼睛及其光学系统水晶体（1.37-1.4）水晶体（1.37-1.4）瞳孔标准眼和简约眼标准眼：根据大量测试结果，定出了眼睛的各项光学常数，包括各透光部分的折射率、各光学表面的曲率半径以及有关距离，满足这些光学数值的眼睛为标准眼。简约眼：为了近似计算的方便，可把标准眼简化为一个折射球面的模型来代替，称为简约眼。简约眼的参数为：mmrnmmr7.93/456.5视网膜的曲率半径像方介质的折射率折射面的曲率半径mmfmmf26.227.16像方焦距物方焦距3/4n第一节眼睛及其光学系统1、适应：人眼本能地适应不同明暗环境的能力。视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。杆状细胞对光刺激非常敏感，感受弱光，能分辨明暗，对507nm最灵敏，但完全不感色；在暗照明时，视觉主要由杆状细胞起作用。锥状细胞的感光能力差很多，感受强光，对555nm最灵敏，对颜色和细节分辨能力强。在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用。二、人眼的适应与调节第一节眼睛及其光学系统注意：人眼的亮、暗环境适应不是只靠瞳孔大小改变来实现的。人眼对各种光亮环境的适应能力亮度比可达：1012:1瞳孔大小改变范围：2—9mm。适应分为暗适应和明适应两种：暗适应：发生在由明→暗时，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，经一定时间才能适应，约30分钟后，敏感度才达最大。明适应：适应过程较快，几分钟即可，但敏感度大大降低。第一节眼睛及其光学系统2、调节人眼能本能地改变光焦度(焦距)，以看清不同距离的物体。远点——在调节肌肉完全放松时，眼睛所能看清的最远点。近点——在调节肌肉最紧张时，眼睛所能看清的最近点。机理：在睫状肌和悬韧带的作用下，水晶体前后表面曲率半径变化，从而使光焦度变化。人眼是变焦距系统。远点距——眼睛物方主点到远点的距离，用表示；近点距——眼睛物方主点到近点的距离，用表示。plrl远点：f'≈23mm；近点：f'≈18mm。第一节眼睛及其光学系统明视距离：人眼观察物体最方便和习惯的工作距离，250mm。调节范围：（单位：屈光度D，1D=1/m）prllPRA11人眼的调节能力用调节范围来表示远点和近点的会聚度（发散度）调节范围随人年龄的增大而变小。原理：加凹透镜使无限远物体经凹透镜后成像于该近视眼的远点处。三、人眼的缺陷及矫正1、近视眼及矫正方法近视眼：人眼在完全放松情况下，无限远物体成像于视网膜前，或人眼在完全放松情况下，眼前有限远物体成像于视网膜上。原因：由于眼球过长，后焦点位于视网膜之前所致。矫正方法：配戴的凹透镜。rlfF’正常眼：眼睛光学系统的后焦点在视网膜上，称为正常眼；反之，称为反常眼。F’远点远点距离lr（单位为m）的倒数表示近视眼的程度，称为为视度，单位为屈光度，医院和眼镜店把1D称作100度。第一节眼睛及其光学系统2、远视眼及矫正方法远视眼：人眼在完全放松情况下，无限远物体成像于视网膜后；或人眼在完全放松情况下，眼后有限远物体成像于视网膜上。原因：由于眼球过短，后焦点位于视网膜之后所致。矫正方法：配戴的凸透镜。rlf其它矫正方法：角膜激光手术。F’远点第一节眼睛及其光学系统四、人眼的分辨能力能区分两个最靠近点的能力，用极限分辨角ε表示。极限分辨角ε：恰能分辨的两个点对人眼的张角。影响眼睛分辨能力的因素：视觉细胞的尺寸；瞳孔的衍射效应；眼睛存在的各类像差；照明光的光谱和亮度。普通正常人眼：ε≈60〃3、散光眼散光眼：由于水晶体两表面的不对称，使得细光束的两个主截面的光线不交于一点，即两主截面的远点距离不相同，其视度差称为散光度。可用圆柱面或双心柱面透镜矫正散光眼。第一节眼睛及其光学系统测量工作中，为了读数，常常采用某种标志对目标进行对准或重合，这种对准或重合的过程，就称为瞄准。而由于受人眼分辨率的限制，把两根线完全重合是不可能的，偏离于完全重合的程度就称为瞄准精度。瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。瞄准精度和前面讲到的分辨率不是一个概念！06二实线重合）～（二直线端部对准020101叉线对准单线）～（双线对称夹单线015五、人眼的对准精度第一节眼睛及其光学系统立体视觉：对于物体位置的空间分布及对物体的体积感觉。六、双目立体视觉②双目视觉：两眼分别产生一个像，这两个像在视网膜上的分布只有满足几何上的某些条件时才可以产生单一视觉，即两眼的视觉汇合到大脑成为一个像，产生立体视觉。这种印象出于心理和生理。①单目视觉：单眼观察物体不能产生立体视觉。对物体远近的判断，是通过眼睛（水晶体曲率的变化）的调节产生的。所以，判断很粗略，不超过5米。对远且熟的物体，通过物体的张角来估计；对非常熟的物体，通过细节来估计。（经验和想象）第一节眼睛及其光学系统1a2aA成像于双眼中心凹的同侧的对应点时产生单像，否则产生双像。2o1o在中心凹注视21aaA在中心凹的外侧注视21bbB2b1bB在中心凹的内侧注视21ccC1dD2dC1c2c成单像在中心凹的同侧注视21ddD成双像第一节眼睛及其光学系统当双眼观察一物点时，两眼的视轴对准物点，视轴夹角称为视差角。物体远近不同，视差角不同，眼球转动的肌肉紧张程度不同，利用这种感觉能容易辨别物体远近。Lb视觉基线长度，人眼均值62mm观察点到基线的距离AALb1a2aA2o1o2b1bBbABALBLBBLbAB立体视差体视锐度：人眼所能察觉到的最小立体视差，大约为10''，经训练可达到3''～5''。立体视觉半径：存在立体视觉的范围mbL120020626501062.0minmax视差越大，感觉两物纵向深度大，反之纵向深度小.第一节眼睛及其光学系统Lb体视阈值：能分辨不同远近两点间的最小距离LLb2双目立体视觉误差时：当-1046.7206265062.001242min2minmLLbLL0ttKbb则，二物镜中心距双筒望远镜：放大率为倍扩大到＝仪KLKKbbLttmax0倍缩小到＝仪KLKKbLbLLtt/110022应用实例：讨论：1.增大立体视觉半径，要求基线b长，体视锐度值小；2.减小体视阈值，要求基线b长，体视锐度值小，立体视觉半径大。minmaxbL第一节眼睛及其光学系统bLL2即：第二节放大镜第二节放大镜人眼感觉物体的大小取决于其像在视网膜上的大小，当光学系统（如人眼）的焦距一定时，也取决于物对人眼的张角的大小。一、视觉放大率目视光学仪器，可以扩大人眼的视觉能力；使其像对人眼的张角大于人眼直接观察时物对眼的张角。物对人眼的张角取决于距离，二者之间成反比。但物体要位于近点以外，才能被看清。视觉放大率：用仪器观察物体时，视网膜上的像高y'i与人眼直接观察时的视网膜上的像高y'e之比。ieytgytgiyleyytgplytgD由上图可知：而以眼睛直接观察时：yDflDyPlPlf所以，视觉放大率为：D为明视距离，250mm。ieytgytg第二节放大镜')''('''fflfxyyyDflDyPlPlf（1）放大镜的视觉放大率与使用条件有关，不是恒定的。0250Dff25011lPfff（2）正常视力下，人眼一般把物像调焦到明视距离：P'－l'=D2501f一般看书时：P'≈0讨论：')'(250)'(fplfl由可知：一般情况下，，'250f1)'()'(plfl即略大于或略小于。若物体为前面系统(如物镜)所成像，则放大镜特称为目镜。由此算出的视觉放大率作为放大镜和目镜的光学常数，标在镜筒上。在实际使用中，物大致位于物方焦点处：l'=∞第二节放大镜放大镜与人眼构成目视光学系统，人眼的眼瞳可以作为孔径光阑，也是出瞳；放大镜的镜框作为视场光阑，既是出射窗又是入射窗。放大镜本身又是渐晕光阑。所以，物平面的成像范围（视场）由镜框、眼瞳及它们之间的距离P'决定。二、光束限制与视场第二节放大镜321050022hyftgPPahtgB11线视场内无渐晕PhωtgB％渐晕线视场内502PahωtgB＋成像边缘点33由于放大镜是用于近距离观察小物体，故放大镜视场常用物方线视场2y表示。当物放于前焦面时，像平面在无限远，则线视场（以50％渐晕为界）虚像平面1B2B3B第二节放大镜PΓhy05002线视场放大镜半径放大倍率人眼与放大镜的距离hy2视场越大放大镜的直径越大，线12y场越大放大镜的倍率小，线视Py12近，线视场越大人眼与放大镜的距离越常用的放大镜，倍率在2.5～25×。单透镜作放大镜，通常不超过3×。放大镜像差情况：存在全部七类像差，倍率不宜过大。第二节放大镜第三节显微镜系统显微镜是由物镜、目镜和照明系统三部分组成。oF1O2OeFeFoFABAB在物镜前焦面稍前处AB（放大倒立的实像）物镜BA在目镜前焦面稍后处BAAB处位于无穷远或明视距离（放大虚像）目镜BA眼睛通过目镜看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的像。因此，目镜的成像光束是被物镜限制了的。一、显微镜的组成：物体经显微镜的物镜放大成像后，其像再经目镜放大以供人眼观察.第三节显微镜系统250mmf故可以把显微镜看作是组合放大镜。机械筒长：物镜支承面到目镜支承面之间的距离；我国规定160mm。光学筒长：物镜像方焦点到目镜物方焦点之间的距离Δ。二、显微镜的视觉放大率：显微镜的组合焦距为：f'＝－f'0f'e/Δ，则第三节显微镜系统'''0effLtgtg由视角放大率eeeffff'250'''25000工作距离：物镜第一面与物面之间的距离；镜目距(出瞳距)：目镜最后一面与出瞳之间的距离；(﹥6mm)物像共轭距：物镜的物面与物镜的像面之间的距离。(195mm)物镜像面与目镜固定面距离：10mm。目镜的视度调节范围：5屈光度。物镜倍率：2.5～100倍；目镜倍率：5～20倍。第三节显微镜系统显微镜与放大镜的比较（1）具有更大的放大率，二次放大；（2）人眼离物面较远，使用方便；（3）物镜和目镜可调换，从而得到多种放大率；（4）具有中间实像面，可放置分划板，用于测量（构成测微目镜）第三节显微镜系统（1）孔径光阑：对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑；对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；或专门设置孔径光阑（在物镜像方焦平面上）。*观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像)重合。出瞳的直径一般小于眼瞳的直径，只在低