应用光学-07

第七章典型光学系统§8-1眼睛及其光学系统§8-2放大镜§8-3显微镜系统§8-4望远镜系统§8-5目镜§8-6摄影系统§8-7投影系统§8-8光学系统的外形尺寸计算重点讨论各种典型光学系统的工作原理、光学特性、结构型式以及外形尺寸计算方法。目视光学仪器以人眼为光能接收器，其作用是扩展人眼的视觉能力。必须了解人眼的结构与特性。一、眼睛的结构----成像光学系统人眼眼球直径约25mm，本身结构相当于摄影光学系统。１水晶体(物镜-成倒像)由多层薄膜构成的双凸透镜：中间较硬(1.42),外层较软(1.373),自然状态下,其前后表面曲率分别为10.2/6mm,借助于水晶体周围肌肉的作用,前表面曲率发生变化-水晶体焦距改变--使不同距离的物体成像在视网膜上,实现对物体的自动调焦。§7-1眼睛及其光学系统盲点(1.4*2.7)后室(1.336)水晶体(1.373~1.42)角膜(1.3771)前室(1.3374)虹彩视网膜巩膜黄斑(10.8)中心凹(0.30.1)视轴２视网膜(底片或光敏面)接收物体经水晶体所成的像。由神经细胞和神经纤维构成。黄斑：视网膜中心区域(10.8mm)；中心凹：(0.30.1椭圆)密集了大量感光细胞,是网膜的最灵敏区。视轴：中心凹与水晶体的像方节点的连线。观察物体时，眼球自动旋转，使视轴通过该物体。眼睛的视场：达~150,但只有视轴中心6~8的视场能清晰成像盲点：黄斑内侧(1.42.7),神经纤维出口,没有感光细胞,不存在视觉。盲点实验：相距70mm的“+”和“”；闭左眼,右眼看“+”;后移至200~220处,“”消失。盲点(1.4*2.7)后室(1.336)水晶体(1.373~1.42)角膜(1.3771)前室(1.3374)虹彩视网膜巩膜黄斑(10.8)中心凹(0.30.1)视轴３虹彩(瞳孔-光阑)在水晶体前面，中央是个圆孔，称为瞳孔。直径可以自动改变(2~8mm)：调节进入眼睛的光能量,以适应亮暗不同的物体。前室：虹彩前,深约3.05mm。充满1.3374的透明液体--水状液角膜：眼球最前面一层，是角质结构的半球状壳,厚0.55mm,折射率1.3771；巩膜：包围在眼球最外层的不透明的白色外皮。４眼睑(快门)物体经角膜、水晶体后成像在视网膜上，刺激网膜上的视神经细胞，产生视觉。成倒像，神经系统内部调节，感觉是正像。盲点(1.4*2.7)后室(1.336)水晶体(1.373~1.42)角膜(1.3771)前室(1.3374)虹彩视网膜巩膜黄斑(10.8)中心凹(0.30.1)视轴二、眼睛的调节1眼睛的调节眼睛对任意距离的物体自动调焦的过程称作眼睛的调节，是通过水晶体周围的肌肉作用改变其曲率实现自动变焦(f=18~23)的(认为水晶体到网膜的距离不变)。*眼睛的调节能力用能清晰调焦的极限距离表示，即远点距离lr和近点距离lp。*远点的发散度(会聚度)：远点距离的倒数1/lr=R.*近点的发散度(会聚度)：近点距离的倒数1/lp=P.*眼睛的调节能力：*R、P、A的单位都是屈光度(D)，1D=1/m，或者1D=100度。APRllpr11*眼睛的调节能力随年龄的增长而衰退。*在正常照明条件下(光照度50lx)，正常人眼最习惯的观察距离----明视距离(250)。*正常人眼的近点距离小于明视距离。*45岁后的人眼近点距离明视距离----老年性远视眼(老花眼)年龄1020304050607080lp/cm-7-10-14-22-40-20010040lr/cm2008040A(屈光度)141074.52.510.2502眼睛的缺陷及其校正正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后焦点在视网膜上。近视眼：远点位于眼前有限距离。远视眼：远点位于眼后有限距离。近视眼的校正:在近视眼前放一负透镜,其焦距f=lr；远视眼的校正:在远视眼前放一正透镜,其焦距f=lr。远视眼、近视眼及其矫正图8-1a和8-2b。通常用远点距离lr的倒数R，表示近视眼或远视眼的程度称为视度，单位为折光度(1折光度=100度)散光眼的校正：用圆柱面或双心圆柱面透镜(图8-3a、b、c)校正。检验散光眼可用两正交的黑白线条图案。图8-2a远视的校正HH黄斑图8-2b近视的校正HH黄斑图8-3a、b散光的圆柱面图8-3b校正散光的双心圆柱面三、眼睛的光学特性(辐射接收器)1、眼睛的适应视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器，杆状细胞对光刺激极敏感，但完全不感色；锥状细胞能对各色光有不同的感受。眼睛的适应能力：人眼能在不同亮暗条件下观察物体的能力,人眼的适应很大，亮暗比值可达1012:1！对暗适应：瞳孔自动增大以适应暗环境。对亮适应：当由暗处进入亮处时，瞳孔自动缩小;2、眼睛的视角和视觉感觉人眼观察物体时，远物感觉小，近物感觉大，对同一距离两个物体，也能分辨出其中的大小。主要取决于物体在视网膜上所成像的大小。从亮处到暗处的适应过程。人由外面进入暗室,一下子什么也看不清。随着对暗适应的逐渐完成，瞳孔自动张大,进入眼睛的光能增加,才能看清周围的物体。人眼在暗处的灵敏度很高：能看清十分微弱的光线，在暗处停留时间越长，眼睛的对暗适应越好。经过约60后，其敏感度达到极限。绝对暗阈值：被人眼感受的最低光照度，~10-9lx，相当于在30km处一支蜡烛产生的光照度。从黑暗处到光亮处时人眼的适应过程。产生眩目现象：什么也看不清。对亮适应过程较快，只要几分钟时间。眼睛对光适应时灵敏度大为下降。人眼的适应是通过瞳孔大小的自动改变实现的，随着光亮度的变化，瞳孔直径变化范围2~8mm。视角----物体对人眼的张角,决定物体在视网膜上成像的大小。视网膜上两个像大小的比值等于相应的视角正切的比值：2121tgωtgωyy3、眼睛的分辨率分辨率----眼睛所能辨别的两点间的最小距离。眼睛的分辨率通常用极限分辨角表示，即刚能分辨的两点对眼睛的物方节点所张的角度，该角度越小，眼睛的分辨率越高。极限分辨角与眼瞳直径D成反比，即：眼睛的极限分辨角与眼瞳直径D成反比，即：DDD14020626500055.022.122.1白天,眼瞳直径D=2mm，则眼睛的极限分辨角=70,对应于视网膜上的像高为0.006mm,而在眼睛视网膜的黄斑上的视神经细胞直径约为0.003mm,视网膜的结构完全能满足分辨率。统计结果表明：一般=50~120；良好照明条件下,眼睛的极限分辨角=60。设计目视光学系统时，必须考虑眼睛的分辨率：应使仪器本身由衍射决定的分辨能力与眼睛的视角分辨率相适应，即被观察对象所需的分辨率与所设计系统的放大率乘积等于人眼分辨率。4、眼睛的景深眼睛的景深：当眼睛调焦在某个对准平面时，眼睛不必调节能同时看清对准平面前和后某一距离的物体，这一距离就是眼睛的景深。若设对准平面到人眼的距离为P，人眼的极限分辨角为，眼瞳直径为Dp，则远、近景深分别为：若眼睛调节在无限远，P＝，则远、近景深距离为：εＤPεＤPＰＰ21pεDεpppΔpεDεpppΔPP222211pεDpDppεDpDpPPPp-215、眼睛的对准精度眼睛的对准精度----如果把一个点(或图案)与另一个相重合，当人眼感觉已重合，而实际上并没有完全重合在一起时，其偏离开的角距离或线距离。瞄准精度与分辨率是不同的概念，分辨是指眼睛能区分开两个点或线之间角距离或角距离的能力，而对准是指在垂直于视轴方向上的重合或置中过程。眼睛的最高瞄准精度值为分辨率的1/6~1/10。瞄准精度的高低与所选图案有关，不同图案达到的瞄准精度不同：四、双目立体视觉眼睛除能感受到物体的大小、形状、亮暗及表面颜色外，还能产生远近感觉及分辨不同物体在空间的相对位置，这种对物体远近的估计称空间深度感觉。立体视觉----对物体位置的空间分布及对物体的体积感觉。1、双眼视觉用双眼观察物体时，物在两眼中各自成像。然后，两眼的视觉汇合到大脑中产生单一的印象。形成单一像须满足一定条件，即：物在两眼视网膜的像必须位于视网膜的对应点(位于两中心窝的同一侧)。2、双目的立体视觉双目的立体视觉—分辨两个物体的相对位置，并可以估计空间物体的相对距离。这是双眼视觉的重要特性。两眼节点的连线称为视觉基线(眼基距)，用b表示，注视点A对眼睛两节点的张角为立体视差角。LbL不同距离的物体有不同的立体视差角，两者之差，称立体视差。体视锐度视差越小，两物体的纵向相对距离越小。当视差小到某一值min时，眼睛正好能感到两物体的距离分开，这一min称为体视锐度(体视灵敏度)。通常人眼：min=30~60,经过训练可达10,甚至3。一般情况下，定为10。显然：无限远物体的视差角为0,若有限距离的另一点的视差角为10,即该点与无限远物点的视差为=10，为人眼的体视锐度，此时，人眼对该有限远物点有深度感觉。即正好能分辨有限远和无限远。例：设人眼基线为65mm,则此有限远距离Lm,称为体视半径：位于体视半径以外的物体，眼睛无法分辨其远近。mbLm134120626510065.0min立体视觉限(阀)----双眼所能分辨的空间两点的最短空间深度距离L。)(1046.7,242min2mLbLLLLb观察物体时，立体视觉限很大，即对于远处物体，要有很大的距离差才能分辨出其远近。显然：增大b和减小min，能增大体视半径Lm，减小立体视觉限L，从而提高体视觉效果。如双筒棱镜望远镜和某些军用指挥仪就是为此目的设计的。Lb1可见：物体越远,立体视觉误差越大:8m@100m,0.7mm@1m,0.05mm@250mm。设望远镜放大率为，仪器基线(两物镜中心距)为bi，则通过仪器观察时，体视锐度：基线长度bi=Kbe，则体视半径与立体视觉阈分别为：上两式表明：体视半径比肉眼直接观察时扩大了Ｋ倍，而立体视觉阈缩小了Ｋ倍，从而大大提高了体视效果。体视测距—用于军事领域的被动测距。ΓΔθΔθimineeiiimeiiiΔLKΓΓΔθKbLΔθbLΔLKΓ/ΓΔθKbΔθbＬ1Lmin22min观察物体时，物体细节对眼睛节点的张角必须大于眼睛的极限分辨角，眼睛才能分辨。物体离眼睛越近，张角越大，但被观察的物体距离受眼睛近点限制。当物体移至近点处而其视角仍小于极限分辨角时，人眼不无法分辨其细节，必须借助于放大镜甚至显微镜将其放大，使放大后的像对眼的视角大于极限分辨角。一、放大镜的放大率眼睛是目视仪器的接收器，人眼感觉到的物体大小取决于其在视网膜上成像的大小，与物经光学系统后像对人眼张角的正切成正比，因此，目视仪器的放大率不能只用光学系统的放大率表示，通常采用视觉放大率。§7-2放大镜•视觉放大率Γ用仪器观察物体时，视网膜上的像高yi与用人眼直接观察物体时视网膜上的像高ye之比，即=yi/ye设人眼后节点到视网膜的距离为l，ω为人眼直接观察物体时对人眼所张的视角,ω为用仪器观察物体时物体的像对人眼所张的视角。tgtgtgltglyyei当人眼直接观察物体时,一般把物体放在明视距离D=250mm上。DytgyyF当通过放大镜观察时，假设眼瞳到放大镜的轴向距离为P，成像屏到放大镜的轴向距离为l，则有：tg=y/(P'-l')-lfP)lPy(DyΓ放大镜的视觉放大率并非常数，取决于观察条件。1、当调焦在无限远,即l=∞时,物体放在放大镜的前焦点上：Γ=D/f'=250/f'此视觉放大率作为放大镜和目镜的光学常数。2、正常视力的眼睛一般把物像调焦在明视距离D,即P-l=D时：Γ=1+(250-P)/f此式适用于小放大倍率(长焦距)的放大镜。实际看书用时，P0，则：fDlPlfyflfyfxy,　　　　有1250fΓ出瞳渐晕