第七章典型光学系统

第七章典型光学系统第二节放大镜第三节显微镜系统第四节望远镜系统第一节眼睛及其光学系统目视光学系统第五节目镜调节肌第一节眼睛及其光学系统2、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜，r≈8mm，n≈1.38；——主要折射成像界面(角膜—空气)1、巩膜：包围眼球的白色不透明外层，D≈25mm.眼球横切面一、眼睛(Eyes)的结构3、前室：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液n=1.336。调节肌5、虹膜：脉络膜前方的彩帘（水晶体前），眼球前的颜色。8、后室：水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液n=1.336。4、脉络膜：巩膜内侧、视网膜外侧包围的黑色膜层，吸收从视网膜透过的光线，把后室变为暗室。6、瞳孔(Pupil)：虹膜中央圆孔，孔径光阑，限制进入人眼光通量，D≈2～8mm.7、水晶体(Crystallinelens)：双凸透镜★调节肌作用改变水晶体曲率(焦距)，不同距离物均成像于视网膜。★自外层至内层的折射率n逐渐增大（1.37→1.41）——校正像差(3)盲斑（点）：视神经的出口，无感光细胞。视网膜的像被传输至大脑形成视觉。(1)辐射接收器杆状细胞：对光刺激极敏感，感光（明暗视觉）锥状细胞：感色（色视觉）9、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经细胞和神经纤维构成。——感光和成像的位置。调节肌(2)黄斑(Macula)：视网膜中部、黄色椭圆形区域。中心凹：黄斑点中心D≈0.25mm区域，密集感光细胞，视觉最灵敏。二、眼睛——共轴光学系统2、视轴：黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线。——眼球转动，使视轴对准观察物体并成像于黄斑上，视觉最清晰。1、成像过程：——折射球面：外界光线经角膜折射——孔径光阑：瞳孔自动调节直径控制入射光能——变焦系统：水晶体自动调节，保证成像于视网膜上——成像面：视网膜3、视场(角度)水平视场约达150°垂直视场约达130°最清晰的视场范围：视轴周围6°～8°3、简化眼模型FFOHH2r1r角膜顶点视网膜ff011211.3mm1.6mm214~17mm18~23mm4311.38345.7mm9.8mmOHHfHfHnnnrrrr视折眼睛的基点位置：）主点距角膜顶点：：，：）焦距：（距），（距））空气；角膜；前室。）半径：，眼睛像方焦点与视网膜重合4、物体经眼睛成像于视网膜10tanyyll★视角ω：★人眼对物体大小的感觉，取决于像在视网膜上的大小；或，视网膜上的像对眼睛光心张角（视角）的大小。★视角取决于物的大小和物距，但是物距必须在近点之外。视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节，才可被分辨。★眼睛的光心O0：眼睛节点、主点近似看做重合的位置。（进一步简化）0O1(0ll1y1y2y2(2y三、眼睛的调节及校正1、调节：眼睛成像系统对任意距离物体成像时，通过改变水晶体曲率达到自动调焦的过程。★能清晰调焦的极限距离：远点(farpoint)距离lr近点(nearpoint)距离lp远点lr(调节肌完全放松)近点lp(调节肌最大收缩，曲率半径最小)幼年∞-7～-8cm青中年∞-14→-40cm（明视距离-25cm）老年+200→+40cm约-200cm★远点发散度（会聚度）：r1Rl★近点发散度（会聚度）：p1Plrp11RPAll★眼睛的调节能力：1D1D1m单位:与光焦度相同,屈光度（）,眼睛的视度★眼睛的视度(diopter)：通常所说的眼镜度数为对应视度数值×100。HHHH2、非正常眼睛及其矫正1）近视眼：无穷远物点成像于视网膜之前，远点为有限远。加正透镜(焦距与近点重合)将近点校正到明视距离2）远视眼：无穷远物点成像于视网膜之后；近点变远，非明视距离。加负透镜(焦距与远点重合)将远点校正到无穷远50岁之后，老花眼！Myopia/NearsightednessHyperopia/Farsightedness所配眼镜的焦距与远点距离相等rlrlf远点为-2m的近视眼，所需眼镜的光焦度为-0.5D，即50度。光焦度)(5.01211'1'11mllf近点在眼前1.25m处，应配多少度的眼镜？光焦度)(2.3)(2.325.0125.111'1'11Dmllf将近点校正到250mm处：手术治疗（4）白内障：水晶体变为浑浊而不透明。（3）散光眼(Astigmatism)：★原因：角膜、或水晶体（两表面）不对称，是非球面造成.此时，眼轴上的物点对应有两条像线，眼睛在两个对称主截面上的焦距不同，即远点距离不同。像散导致不同方向的线条不能同时看清。21RRAST视度1rRl★眼睛的散光度：圆柱面透镜可校正散光(5)斜视:水晶体位置不正或折射面曲率异常矫正应配戴光楔四、眼睛的适应能力★适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。明适应：从暗处到亮处——瞳孔自动缩小暗适应：从亮处到暗处——瞳孔自动增大五、眼睛的分辨率★眼睛的分辨能力：人眼能分开最靠近两个相邻点的距离.★眼睛的极限分辨角：刚能分辨开的两点对人眼的张角，即人眼最小的视角。★视角：物体对人眼的张角。1、概念眼睛的分辨率与视网膜上两像点距离及视觉细胞的直径大小有关眼睛分辨率180360012062653.1415926弧度,(mm)DD140=D1.22=0.555m补充：根据瑞利判据计算理想光学系统分辨率（波动性）2、人眼的分辨能力⑴极限分辨角：~70白天的瞳孔直径D=2mm对应于视网膜上极限分辨距离：0.006mm约为两个视神经细胞直径，超过该距离的两像点可被分辨.★通常认为，白天人眼的极限分辨角：601★照明条件变差，瞳孔直径增大，眼睛系统的像差增大，分辨能力下降。六、眼睛的对准精度★对准误差（人眼的瞄准精度）偏离置中或偏离重合的线距离或角距离。★对准：垂直于视轴方向上的重合或置中过程。双线端部对准单线误差±10″叉线对准单线误差±10″两实线对准误差±60″单线置中误差±10″~±20″11~610对准误差约是人眼分辨率的七、眼睛的景深2、远景、近景平面上的物点——视网膜上的像为弥散斑对准近景远景眼瞳Dp1、调焦（对准）平面上的物点——视网膜上的点像若弥散斑可看作一像点，则要求其对人眼张角小于极限分辨角。八、双目立体视觉ABb2a2a1b1lb1,视差角Aa1a2ABAa1a2ABABb2a2a1b1lbABLb视觉基线AD2,视差、体视锐度视差越大，两物体的纵向深度越大，反之越小视差：体视锐度：min3,体视半径体视半径：人眼能辨别远近的最大距离minmaxbL说明：并不是在体视半径内所有的情况下人眼都能产生立体的感觉4,立体视觉阈人眼能够分辨两个点间的最短深度距离bLL2怎样才能有好的立体视觉？要有更好的立体视觉，即增大体视半径，减小体视阈值，怎样实现？可以借助光学仪器增大基线长，减小体视锐度值。如利用双简棱镜望远镜对焦你的双眼到图片后面，把顶部的二点成像成4个点，然后再慢慢改变对焦距离来把中间的两点重合，也就是眼中出现三个点的时候，观察出图片中包含的立体图像小结1、眼睛的结构：角膜、瞳孔、水晶体、视网膜2、简化眼模型3、眼睛的调节——水晶体远、近点，调节能力，视度，近视、远视、散光眼及校正4、眼睛的适应——瞳孔：明适应、暗适应5、眼睛的分辨率——瞳孔视角、极限分辨角、视网膜上最小的分辨距离6、眼睛的对准精度、景深7、眼睛的立体视觉衍射2、波动光学：物点高斯像面上的衍射斑（艾里斑）1、几何光学：物点高斯像点一、理想光学系统成像★两物点的间距逐渐变小时，对应像点的位置变化：(a)(b)(c)补充1：系统的分辨率★系统的分辨率：光学系统能分开两个像点的最小距离。：等亮度的两个物点，其一衍射图样的中央极大与另一衍射图样的第一级极小重合时，认为刚好能分辨这两个物点。二、瑞利判据——能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半径。0.555/,()mDDmm=140/,DD=1.22入瞳直径的函数无限远物点被理想光学系统成衍射图案：——能分辨的二点间的最小角距离第一暗环半径对出瞳中心的张角：补充2：目视光学仪器眼睛的光心O0：眼睛节点,主点近似看做重合的位置yey0O(一、裸眼直接成像：二、眼睛+目视光学仪器：e0tanyyll★视角ω：i0tanyyll★视角：0ll00tantantantanll(yyiy0OHH0ll★目视光学系统的视觉放大率：ieyy2、眼睛+目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大。1、裸眼直接成像：视角取决于物的大小和物距(近点之外)，视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节才可被分辨。★不同的目视光学仪器，通常选择的物距为：1）放大镜、显微镜：观察物位于明视距离附近；2）望远镜：观察物位于远处或无穷远。e0tanyylli0tanyl0ie0tantantantanlyyl观察物体所需分辨率×目视光学仪器的放大率=眼睛分辨率焦距以内成放大虚像一、放大镜的成像原理tan250mmy，明视距离★裸眼直接观察的视角ω：tanyPl★使用放大镜的视角ω′:★视觉放大率：tan250mmtan()yyPlxflyyyff★由垂轴放大倍率公式：250mmflPlf第二节放大镜（TheMagnifyingGlass）0ie0tantanlyyl二、两种特殊情况'l0250mm/f★当眼睛调焦在无限远：物体放在放大镜的前焦点上250mmflPlf★正常视力的眼睛一般调焦在明视距离，即虚像位于眼前250mm处，250mmPl0P250mm1f若眼睛紧靠着放大镜：焦距以内成放大虚像250mm250mm11PPfff注意：焦距一般用毫米作单位，式中mm不能漏掉。原则上，焦距越短放大倍率越高；但因受限于像差并考虑实用，倍率较大的放大镜由组合透镜组成。物像调焦在明视距离且眼睛位于像方焦点处：实际使用中的放大镜：mmlp250fp0250mm/f250mmflPlf各虚线为对应像点成像光束最上沿的光线P1'P'P2'1、眼瞳——孔径光阑；放大镜——视场光阑、渐晕光阑三、眼睛与放大镜联用——观察近距离小物体11）无渐晕视场：以内的各物点均以充满眼瞳的全光束成像。2）50%渐晕视场：对应于成像光束刚好充满眼瞳的一半。23）最大像方视场角：放大镜所可能成像的范围。2、渐晕与光束限制tan/hPtan/hP3、50%渐晕的线视场22tanyf★当物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限远线视场为：'l放大镜的倍率越大，线视场越小。05002mmhyP0250mm/feFoFyy眼睛eFoFoeff、一、复习：p33tanyL明视★物直接对眼的张角：目镜：放大物体经物镜所成的像第三节显微镜系统（Microscope）物镜：放大—实物oeeoetanyyyffff★像对眼的张角：oooofyyff★物镜的垂轴放大率：★显微镜视觉放大率：oetantanLff明视-L二、显微镜的视觉放大率1、定义：oeoetan(250mm)tanffoefff250mmf2、令显微镜的组合焦距：eFoFyy二、显微镜的视觉放大率1、定义：oeoe250mm,ffoeoetan(250m