应用光学讲课课件.ppt

1、目视光学仪器：和人眼配合使用的仪器目视光学仪器：和人眼配合使用的仪器-2-q眼睛的构造眼睛的构造q望远镜、显微镜的工作原理望远镜、显微镜的工作原理q眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷及眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷及调整调整-3-q人眼的构造人眼的构造从光学角度看，主要有三部分：从光学角度看，主要有三部分：镜头镜头底片底片光阑光阑人眼相当于一架照相人眼相当于一架照相机，能够自动调节机，能够自动调节-4-角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛前室：角膜后面的空间部分，充满水液，前室：角膜后面的空间部分，充满水液，n=1.3374,n=1.33

2、74,对光对光线起会聚作用线起会聚作用水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松弛，前表水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松弛，前表面半径可减小或加大，改变焦距。面半径可减小或加大，改变焦距。角膜，前室和水晶体角膜，前室和水晶体相当于镜头部分相当于镜头部分-5-视网膜：视神经细胞和神经纤维，相当于感光底片视网膜：视神经细胞和神经纤维，相当于感光底片黄斑：视网膜上视觉最灵敏的地方黄斑：视网膜上视觉最灵敏的地方这两项相当于感光部分这两项相当于感光部分虹膜：水晶体前面的虹膜：水晶体前面的薄膜，中心有一圆薄膜，中心有一圆孔，成为瞳孔，随孔，成为瞳孔，随着入射光能量的多着入射光能量的多少，瞳孔直径可放

3、少，瞳孔直径可放大或缩小。大或缩小。相当于可变光阑相当于可变光阑-6-盲点：视神经纤维盲点：视神经纤维的出口，没有感光细的出口，没有感光细胞，不产生视觉胞，不产生视觉盲点实验盲点实验-7-外界的光线进入人眼外界的光线进入人眼成像在视网膜上，产生视神经脉冲成像在视网膜上，产生视神经脉冲通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经活动，形通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经活动，形成视觉成视觉物理过程，生理过程，心理过程物理过程，生理过程，心理过程倒像实验倒像实验-8-视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线人眼视场：观察范围可达人眼视场：观察范围可达150

4、150 头不动，能看清视轴中心头不动，能看清视轴中心6 68 8 要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动-9-人眼的调节：人眼的调节：视度调节、瞳孔调节视度调节、瞳孔调节1 1、视度调节、视度调节l 定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使像落在视网膜上的过程。使像落在视网膜上的过程。FF-10-q调节量的表示：视度调节量的表示：视度与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数1lSD=q明视距离和近点、远点明视距离和近点、远点明视距离：眼睛前方明视距离：眼睛前方250mm250mm

5、，SD=1/(-0.25)=-4SD=1/(-0.25)=-4 l l 单位为米单位为米 近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离 远点：眼睛能看清物体的最远距离远点：眼睛能看清物体的最远距离最大调节范围近点视度远点视度最大调节范围近点视度远点视度-11-年龄年龄最大调节范围最大调节范围/视度视度近点距离近点距离/mm101520253035404550-14-12-10-7.8-7.0-5.5-4.5-3.5-2.57083100130140180220290400 不同年龄正常人眼的调节能力不同年龄正常人眼的调节能力-12-q虹膜可以自动改变瞳孔大小，以

6、控制人眼的进光量虹膜可以自动改变瞳孔大小，以控制人眼的进光量q强光下，白天强光下，白天 D=2mm;D=2mm;夜晚，夜晚，D=8mmD=8mmq设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大小设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大小配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大一些配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大一些外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同-13-q人眼的分辨率人眼的分辨率两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较大，人眼能够分辨开是两个像点，如果两像点距大，人眼能够分辨开是两个像点，如果

7、两像点距离小到一定程度，人眼就有可能分辨不出是两个离小到一定程度，人眼就有可能分辨不出是两个像点像点对两物点的视角分辨率：对两物点的视角分辨率：为什么呢？为什么呢？-14-人眼视网膜的结构人眼视网膜的结构 视网膜由视神经细胞组成，分锥状细胞和杆状细胞视网膜由视神经细胞组成，分锥状细胞和杆状细胞 y 锥状细胞：在亮光下工作锥状细胞：在亮光下工作杆状细胞：在弱光下工作杆状细胞：在弱光下工作如果两像点之间的距离大于两视神经细胞，落在如果两像点之间的距离大于两视神经细胞，落在两个不相邻视神经细胞上，就能分清是两个像点两个不相邻视神经细胞上，就能分清是两个像点-15-视神经细胞直径约为视神经细胞直径约为

8、0.001-0.003mm0.001-0.003mm，取，取0.0060.006为眼睛的为眼睛的分辨率。分辨率。此距离在物空间对应的张角，称为视角分辨率。此距离在物空间对应的张角，称为视角分辨率。刚刚能被人眼分辨开的两物点之间的最小视角称为视角分辨率刚刚能被人眼分辨开的两物点之间的最小视角称为视角分辨率而而 yyminmin=-0.006mm=-0.006mm，f=-16.68mmf=-16.68mm所以所以tgfy6020600068.16006.0minminfy-16-对线的分辨率：分辨率可以提高到对线的分辨率：分辨率可以提高到1010在很多仪器中需要瞄在很多仪器中需要瞄准，瞄准的方式有

9、准，瞄准的方式有对线的对线的分辨率称为对分辨率称为对准精度，右图的对准准精度，右图的对准精度都是精度都是10”10”-17-必要条件：成像在视网膜上必要条件：成像在视网膜上充分条件：对二点，视角大于或等于充分条件：对二点，视角大于或等于60”60”对二线，视角大于或等于对二线，视角大于或等于10”10”作业：应用光学教材作业：应用光学教材6464页第页第1 1，2 2题题-18-被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼的被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼的张角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。张角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。1 1、成像在无限远、成像在无限远对各类目视光学仪

10、器的共同要求对各类目视光学仪器的共同要求正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜上正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜上-19-2 2、增大视角、增大视角直接观察：直接观察：用仪器观察：用仪器观察：-y眼眼=tg 眼眼-y仪仪=tg 仪仪-20-用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网膜上的像高之比表示了仪器的放大作用，称为视膜上的像高之比表示了仪器的放大作用，称为视放大率，用放大率，用 表示。表示。yy仪仪 yy眼眼tgtg仪仪tgtg眼眼 tgtg仪仪 tgtg眼眼越大，放大作用越大。越大，放大作用越大。有有正负之分，正负之分，为为正

11、，正像，正，正像，为为负，倒像负，倒像-21-q放大镜工作原理放大镜工作原理 y-lyy 物体对人眼张角物体对人眼张角lytg要求最小视角要求最小视角)60(0003.0min弧度ly-22-最小视角最小视角)60(0003.0min弧度ly提高视角的途径：提高视角的途径：提高提高y y，不行不行 减小物距减小物距L L，但不能无限的减小，否但不能无限的减小，否则，就不能成像在视网膜上则，就不能成像在视网膜上我们希望物体位在无限远处，因此可以在人我们希望物体位在无限远处，因此可以在人眼前加一个正透镜，把物体放在透镜的物眼前加一个正透镜，把物体放在透镜的物方焦点处，成像在无限远，供人眼观察方焦点

12、处，成像在无限远，供人眼观察-23-F-f=f y 仪仪 tg 仪仪 tg 眼眼=250 f tg 眼眼=y f=tg 仪仪 y -l=y 250注意：注意：250250为明视距离，物体可以移动到明视距离为明视距离，物体可以移动到明视距离-24-放大镜的视放大率放大镜的视放大率250f如果要如果要11，则要求透镜焦距则要求透镜焦距f250f0 0，和和同号，成正像同号，成正像 00，和和异号，成倒像异号，成倒像 的的正负号由物镜和目镜焦距的正负号决定正负号由物镜和目镜焦距的正负号决定-40-开卜勒望远镜：物镜和目镜的焦距均为正开卜勒望远镜：物镜和目镜的焦距均为正000，成正像成正像不须加倒像系

13、统不须加倒像系统体积较短体积较短系统中不存在实系统中不存在实像，不能安装分像，不能安装分划板，无法进行划板，无法进行测量和瞄准测量和瞄准常用于观察常用于观察-42-伽里略望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？伽里略望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜中分划板安装在什么地方？开卜勒望远镜中分划板安装在什么地方？物镜和目镜的焦距均为负，能否构成一个望远镜？物镜和目镜的焦距均为负，能否构成一个望远镜？-43-望远镜的放大率望远镜的放大率望远镜的角放大率不随共轭面的位置变化而变化，数值望远镜的角放大率不随共轭

14、面的位置变化而变化，数值上等于视放大率上等于视放大率tgtgtgutgu平行于光轴入射的光线仍然平行于光轴出射平行于光轴入射的光线仍然平行于光轴出射1物目物目ffffyy1DD-44-望远镜的放大率望远镜的放大率望远镜的垂轴放大率也不随共轭面的位置变化而变化，望远镜的垂轴放大率也不随共轭面的位置变化而变化，数值上等于视放大率的倒数数值上等于视放大率的倒数测量视放大率的方法：倍率计测量视放大率的方法：倍率计1DD作业：应用光学作业：应用光学6464，6565页第页第3 3，6 6，7 7题题-45-例：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄准，如果在例：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄准，如果在1 1公里

15、内公里内的瞄准误差要求小于的瞄准误差要求小于2 2毫米，问视放大率为多少？毫米，问视放大率为多少？解：解：眼眼仪仪tgtg10仪仪4.02060001026眼眼254.010眼眼仪仪眼眼仪仪tgtg-46-1 1、正常人眼的焦点、正常人眼的焦点FF、远点和近点远点和近点一、眼睛的缺陷和校正一、眼睛的缺陷和校正l 正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜上，即焦点网膜上，即焦点FF与网膜重合与网膜重合 F-47-l 正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节可以将调节可以将FF点前移，使像成在网膜上点前移，使像成在网膜

16、上l 人眼能看清的最远距离称为人眼能看清的最远距离称为远点远点，远点是人，远点是人眼自然状态下与网膜像相共轭的物平面位置眼自然状态下与网膜像相共轭的物平面位置l 人眼依靠调节能看清的最近距离称为人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点近点-48-Fq近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像在网膜上在网膜上 q近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远点）近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远点）是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方共轭面；是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体眼睛依靠调节只能看清远点

17、以内的物体-49-q近视程度用近视程度用远点距离对应的视度远点距离对应的视度表示表示比如远点距离在眼睛前方比如远点距离在眼睛前方0.5m0.5m，对应的视度对应的视度 SD=1/(-0.5)=-2SD=1/(-0.5)=-2医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为 1 1 视度视度100100此人的近视程度为此人的近视程度为200200-50-3 3、近视眼的校正、近视眼的校正 F远点远点采用负透镜，焦距等于远点距离采用负透镜，焦距等于远点距离例如：某人远点距离为眼睛前方例如：某人远点距离为眼睛前方200mm200mm，要戴多大要戴多大度数的眼镜？焦

18、距为多少？度数的眼镜？焦距为多少？-51-4 4、远视眼的特点、远视眼的特点q远视眼的像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可能看远视眼的像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可能看清无限远物体清无限远物体 Fq远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加-52-F-53-5 5、远视眼的校正、远视眼的校正 F远点远点采用正透镜，焦距等于远点距离采用正透镜，焦距等于远点距离-54-例：某人对例：某人对1 1米以外的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？米以外的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？某人对某人对1 1米以内的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？米以内的物体看不

19、清，需配戴多少度的眼镜？解：解：视视度度米米远远11SDlf111fll第一人第一人第二个人：近点距离为第二个人：近点距离为1 1米，需要将米，需要将1 1米处的物体成像米处的物体成像在在250250毫米处毫米处mmff3331250110001300100333.01SD-55-二、目视光学仪器的视度调节二、目视光学仪器的视度调节 物镜物镜正常眼正常眼目镜目镜F F F F近视眼近视眼FF物物F F目目F F目目 F F远视眼远视眼F F目目-56-调节量的计算调节量的计算由由 x x=f fx x=f f注意：注意：当当SDSD为为“”时，时，x x为为“”，x x是物相对于是物相对于目镜

20、移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动目镜移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为朝向物镜；方向为朝向物镜；当当SDSD为为“”时，时，x x为为“”，x x远离目镜，远离目镜，目镜移动方向为远离物镜。目镜移动方向为远离物镜。SDlxlx1000远远100010002 2 目目fSDxfSDx-57-调节量的计算调节量的计算实际应用中，在目镜的镜圈上刻有对应的视度实际应用中，在目镜的镜圈上刻有对应的视度值，转动目镜，实际上就是在调节视度。值，转动目镜，实际上就是在调节视度。10002 目fSDx实际光学系统中，在物镜像方焦点处需要放置实际光学系统中，在物镜像方焦点处需要放置分划板，为了在调视度

21、时，避免目镜和分划板分划板，为了在调视度时，避免目镜和分划板相碰，目镜的物方顶焦距需足够长相碰，目镜的物方顶焦距需足够长作业：应用光学作业：应用光学6565页第页第9 9，1010题题-58-一、单眼深度感觉一、单眼深度感觉单眼判断远近的依据：单眼判断远近的依据：1 1、物高已知时，根据视角判断；、物高已知时，根据视角判断；2 2、根据物体之间的遮蔽关系和日光阴影等；、根据物体之间的遮蔽关系和日光阴影等；3 3、根据对物体细节的分辩程度、空气透明度；、根据对物体细节的分辩程度、空气透明度；4 4、根据眼睛的调节程度、根据眼睛的调节程度-59-B二、双眼深度感觉二、双眼深度感觉1 1、转动、转动

22、视轴视轴，注视目标时肌肉紧张程度，注视目标时肌肉紧张程度 视轴：眼睛像方节点与黄斑中心连线视轴：眼睛像方节点与黄斑中心连线A12-60-2 2、立体视觉体视、立体视觉体视l体视的产生体视的产生(视差角视差角)B BBAA Ab1b2a2a1A A、B B离眼睛距离相同，此时：离眼睛距离相同，此时：A AB B b b1 1、b b2 2都在都在a a1 1、a a2 2的同侧；的同侧；a a1 1b b1 1=a=a2 2b b2 2-61-若若A、B离眼睛距离不等，离眼睛距离不等，有两种情况有两种情况 b1、b2位在位在a1、a2两侧两侧 b1、b2位在位在a1、a2同侧，但同侧，但 a1b

23、1 a2b2 AABBa1b2a2b1 BBAAb1b2a2a1AB-62-l体视锐度、体视半径、体视误差体视锐度、体视半径、体视误差视差角之差视差角之差的大小标志着物体远近差别的大小的大小标志着物体远近差别的大小1010时，人眼就分不清时，人眼就分不清A A、B B的远近区别了，这一的远近区别了，这一极限值称为体极限值称为体视锐度视锐度人眼有体视的最大距离称为人眼有体视的最大距离称为体视半径体视半径mbl120020600010062.0minmax-63-能够判断远近的体视范围内，对两物体是否处在能够判断远近的体视范围内，对两物体是否处在同一空间深度的判断是有误差的，称为同一空间深度的判断

24、是有误差的，称为体视误差体视误差)(108)10(00005.0062.02422mllmbbllllblb此公式只适用于物距小于十分之一立体视觉半此公式只适用于物距小于十分之一立体视觉半径径-64-一、体视放大率一、体视放大率 若人眼直接观察的视差角为若人眼直接观察的视差角为眼眼，通过仪器后视差角，通过仪器后视差角放大为放大为仪仪，则体视放大率定义为，则体视放大率定义为仪眼-65-人眼直接观察时人眼直接观察时进入仪器物方视差角进入仪器物方视差角通过仪器的视差角通过仪器的视差角眼眼 l b l B仪仪 l B因此因此仪仪眼眼 b B16b=62mm-66-二、体视误差二、体视误差三、对双眼仪器的要求三、对双眼仪器的要求1 1、左右光轴平行；、左右光轴平行；2 2、左右两系统放大率一致；、左右两系统放大率一致；3 3、左右两系统不应有像倾斜。、左右两系统不应有像倾斜。Bll25105