工程光学眼睛及目视光学系统

1第7章眼睛及目视光学系统•§7.1眼睛的光学成像特性•§7.2放大镜•§7.3显微镜系统•§7.4望远镜系统•§7.5目镜2第7章眼睛及目视光学系统§7.1眼睛的光学成像特性一、眼睛的结构精巧的照相机3Prl1Pl1R令表示其发散度（会聚度）prl1l1PRA1D=1m-1年龄102030404550607080Lp(mm)-70-100-143-222-286-400-20001000400P(D)-14-10-7-4.5-3.5-2.5-0.512.5lr(mm)∞∞∞∞∞∞2000800400R(D)0000000.51.252.5141074.53.52.510.250A二.眼睛的调节及适应1、视度调节视度——与视网膜相共轭的物面到人眼距离的倒数。SD=1/l眼睛的调节：眼睛成像系统对任意距离物体自动调焦的过程。调节能力用能清晰调焦的极限距离表示：lr、lp(远点距、近点距)42、瞳孔调节3、适应适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度，通过瞳孔的自动增大或缩小完成。明适应：暗——亮，瞳孔自动缩小。暗适应：亮——暗，瞳孔自动增大。5三、眼睛的缺陷及校正正常眼：眼睛的远点在∞,或眼睛光学系统的像方焦点在视网膜上。反常眼：近视眼：远点位于眼前有限距远视眼：远点位于眼后有限距散光眼、斜视眼、散光近视6眼睛及其光学系统7'lylytge四、眼睛的视角8刚刚能分辨开的两点对眼睛物方节点所张的角度——极限分辨角。白天：2mm——70”——0.006mm眼睛在松弛状态：f’=23mm得=a/f’=0.006/2360（良好照明）眼睛及其光学系统)(D140D22.1五、眼睛的分辨率9眼睛及其光学系统设计目视光学仪器时，必须考虑眼睛的分辨率。应满足：仪=tan/tan/：被观察物体所需的分辨角。10眼睛及其光学系统±60±10~20±5~10±10不同瞄准方式的瞄准精度六、眼睛的瞄准精度（对准精度）分辨：眼睛能区分开两个点或线之间的线距离或角距离的能力。对准：垂直于视轴方向上的重合或置中过程。对准误差(精度)：对准后，偏离置中或重合的线距离或角距离。11眼睛及其光学系统七.双目立体视觉对物体位置在空间分布以及对物体体积的感觉——立体视觉。1.单眼观察2．双眼观察双像单一像物在两眼视网膜上的像必须位于视网膜的对应点，即相对于黄斑中心的同一侧时，才有单像的印象12tgtgtg'ltg'lyyeeei250yLytg人眼直接观察时：l'Pyflfl'Pytg通过放大镜观察时：放大镜-L--yABye’yy’-l’f’P’F’’§7.2放大镜一、视觉放大率-’-y’yi’13f250l'Plf放大镜并非常数yy’-l’f’P’F’’14放大镜1)当l’=∞，或P’=f’时，0=250/f’2)正常视力的眼，P’-l’=250，看书用f'Pf2501fl1如果眼睛紧贴放大镜，即P’=0，则f2501结论f250l'Plfyy’-l’f’P’F’’15眼瞳：孔径光阑，系统的出瞳放大镜框：视场光阑，入窗，出窗，同时也是渐晕光阑（视场光阑与物面不重合）放大镜虚像平面’1’2’场阑出瞳yKD=1KD=0.5KD=0二．光束限制和线视场16'Phtg:5.0KD'Ph500tgf2y2oyFP’f’F’’•当物面位于放大镜前焦面时，其线视场2y（50%渐晕）:17'P'ah500tgf2y2o'P'ah500tgf2y2o'Pahtg:1K1D'Pahtg:0K2D’yFf’’yFP’f’F’18§7.3显微镜系统19e0e0eoeef250f250ff250fy250'y250yf'ytgtg显微镜系统-y’Fo’Fe眼瞳y’场阑一．显微镜的视觉放大率（物体一次像位于目镜物方焦面）201．显微镜的孔径光阑、出瞳直径普通显微镜：物镜框——孔径光阑。测量显微镜：物镜像方焦面——孔径光阑显微镜系统’A’AB’B-UU’FeFo’二、显微镜的光束限制和线视场21显微镜系统500'D2f''D2'D'f'ff2'D'f'x'Usin'nUsinnNA2121物镜满足正弦条件：UsinynUsinnyNA500D•显微镜的出瞳直径22tg500tg500tgf2'2yy2ee显微镜系统-y’Fo’Fe眼瞳y’场阑2、显微镜的视场光阑显微镜的线视场取决于视场光阑的大小。所以，显微镜的线视场：23三．显微镜的分辨本领、有效放大率1．显微镜的分辨本领24当一个像点衍射斑中心落在另一像点衍射光环第一个暗环时，则两像点刚好能被分辨（即两相邻点之间隔等于艾里斑半径时）。艾里斑半径：a=0.61/n’sinu’分辨率是能分辨物方两点间最短距离：NA61.0usinn61.0a显微镜系统瑞利判断：25显微镜系统两相邻像点间隔0.85a时，被系统分辨：=0.85a=0.5/NA以道威判断作为系统的目视衍射分辨率或理想目视衍射分辨率。道威判断：26便于眼睛分辨的角距离为2'~4'，在明视距离上对应的线距离s'：'==0.85a=0.5/NA=555nm按道威判断，得：523NA≤≤1046NA取500NA≤≤1000NAmin=0.0725mm显微镜系统29mm.0'145mm.02．显微镜的有效放大率27常用的：物镜4个：4、10、40、100目镜3个：5、10、15组成：20~1500（光学筒长Δ随f’不同而不同）28四、显微镜的景深几何景深物理景深调节景深250mm~∞调节范围4DNA、22mpg250nNAnNA250n229显微镜系统亮视场照明图1物镜；2小灯泡；3物体；4载物台工具显微镜反射照明单向暗视场照明五.显微镜的照明方法1．反射光照明：亮视场照明：一般通过物镜从上面照明。暗视场照明：侧面入射，从物镜侧向通过。进入物镜成像的仅为从物体表面散射的光线。30显微镜系统2.透射光照明：亮视场照明：临界照明、柯勒照明（像方远心）a.临界照明——光源成像于物平面。多用于投影物体面积较小的情况。光源表面亮度的不均匀性影响观察效果。“窗对窗，瞳对瞳”31显微镜系统显微物镜系统b.柯勒照明：光源成像于物镜的入瞳面上。多用于大面积的投影情况。消除了物体平面光照度不均匀的缺点。“窗对瞳，瞳对窗”32显微镜系统暗视场照明：光线倾斜入射，在物体旁侧向通过。33六、显微镜的物镜1.低倍物镜3х~6х0.01~0.152.中倍物镜8х~10х0.25~0.303.高倍物镜40х0.654.浸液物镜90х~100х1.25~1.4(1.5)5.复消色差物镜90х1.36.平视场复消色差物镜40х0.85显微镜系统34tgtg1DDffeo望远镜系统§7.4望远镜系统一、望远系统的视觉放大率351DDffeo望远镜系统与物体的位置无关。仅取决于望远镜系统的结构。随fo’、fe’符号不同而不同。0正像，0倒像。结论36望远镜系统Fo’Fe1.开普勒望远镜2.伽利略望远镜37望远镜的分辨率用极限分辨角表示。艾里斑半径a=0.61/n’sinu’1.按瑞利判断2.按道威判断D014D221fao.D012fa850o.望远镜系统二.望远镜系统的分辨率和工作放大率38最小视觉放大率min；（有效放大率或正常放大率）min=60″min=60″/=D/2.3瑞利判断（道威判断：min=D/2）一般取=（2~3）min常取=D（工作放大率）望远镜系统39望远镜系统（1）对观察仪器，精度要求是其分辨角。=60″/min（2）对瞄准仪器，精度要求是其瞄准误差，与瞄准方式有关：a.使用压线瞄准（两实线重合），人眼对准误差为±60″，所以=60″/b.使用双线或叉线瞄准，人眼对准误差为±10″，=10″/结论±60±10~20±5~10±10不同瞄准方式的瞄准精度40望远镜系统三.望远镜的视场1.开普勒望远镜物镜框：孔径光阑、入瞳；出瞳在目镜外，与人眼重合。目镜框：渐晕光阑，允许50%渐晕；分划板：视场光阑。41lzlz’出窗(场阑、入窗）-Li’-Li(L)DPyy’’l’孔阑lzlz’出窗(场阑、入窗）-Li’-Li(L)DPyy’’l’孔阑望远镜系统2.伽俐略望远镜42(1)当K=50%，tg=-D/2lz)LL(2D)LL(2D)LL(2Dtg)'L'l(ll1lltgltglyyziziziz22zzz－)(maxzPlL2DDtg(2)当K=0时，由入窗边缘和入瞳边缘的光线决定。43目镜§7.5目镜同放大镜：=250/fe’一.目镜的主要光学参数2’、fe’、p’/fe’、lF1.视场角2’tg’=tg2.镜目距p’:出瞳到目镜后表面的距离，≥6mm相对镜目距p’/fe’3.工作距lF——目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离lF视度调节的深度44眼睛及其光学系统二.光学仪器中目镜的视度调节1000f51000fNx2e2e1000fx2e45461.惠更斯目镜2’=400~500p’/fe’=1/3目镜三.目镜类型47目镜2.冉斯登目镜2’=300~400p’/fe’=1/3~1/448目镜3.对称式目镜2’=400~420p’/fe’=1/1.349目镜4.凯涅尔目镜2’=450~500p’/fe’=1/2505.无畸变目镜2’=480p’/fe’=0.851目镜6.长出瞳距目镜2’=500~700p’/fe’=1/1.752目镜广角目镜7.艾尔弗目镜2’＝650~720lz’/fe’=3/4另外，还有广角目镜、超广角目镜。目镜型式较多，设计时在满足光学特性要求时，要兼顾成像质量和结构的简单化。