第七章典型光學(xué)系統(tǒng)這類光學(xué)系統(tǒng)是直接擴(kuò)大人眼的視覺能力的，稱為目視光學(xué)系統(tǒng)。

§7-1人眼的光學(xué)特性一、眼睛的結(jié)構(gòu)——成像光學(xué)系統(tǒng)

人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)。在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元。人眼的構(gòu)造剖視圖人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜脈絡(luò)膜虹膜*虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色；瞳孔*瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直徑在2~8mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5微米，長約35微米；桿狀細(xì)胞直徑約2微米脈絡(luò)膜，長約60微米。它們在網(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹處虹膜瞳孔網(wǎng)膜*網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒有桿狀細(xì)胞，由中心向外，逐漸相對變化；黃斑中心凹人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜

光脈絡(luò)膜盲斑是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜瞳孔網(wǎng)膜黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。視神經(jīng)細(xì)胞晶狀體在虹膜后面，是由兩個不同曲率的面組成的透明體，黃斑中心凹神經(jīng)纖維盲斑大腦盲斑晶狀體人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿1.336的水狀液；脈絡(luò)膜

晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室;充滿1.336的玻狀體虹膜瞳孔網(wǎng)膜總能將像成在網(wǎng)膜上。

黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜

脈絡(luò)膜眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的視軸,

在觀察物虹膜瞳孔網(wǎng)膜

體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室1.3761.3361.336光軸視軸

眼睛的視場很大，可達(dá)150?，但只有黃斑附近才能清晰識別，其他部分比較模糊，所以能看清物體的角度范圍為6~8?。

從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。

人眼水晶體視網(wǎng)膜瞳孔

眼睛和照相機(jī)很相似，如果對應(yīng)起來看：

????照相機(jī)鏡頭底片光闌二、眼睛的調(diào)節(jié)眼睛有兩類調(diào)節(jié)功能：視度調(diào)節(jié)和瞳孔調(diào)節(jié)。

1．視度調(diào)節(jié)

遠(yuǎn)近不同的其他物體，物距不同，則不會成像在視網(wǎng)膜上，這樣我們就看不清。

要想看清其他的物體，人眼就要自動地調(diào)節(jié)眼睛中水晶體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。

眼睛自動改變焦距的過程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。正常人眼在完全放松的自然狀態(tài)下，無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像在視網(wǎng)膜上，即眼睛的像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。在觀察近距離物體時(shí)，人眼水晶體周圍肌肉收縮，使水晶體前表面半徑變小。眼睛光學(xué)系統(tǒng)的焦距變短，后焦點(diǎn)前移，從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。當(dāng)肌肉完全放松時(shí)（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為遠(yuǎn)點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為遠(yuǎn)點(diǎn)距，以r表示（米）

當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點(diǎn)稱為近點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為近點(diǎn)距，以p表示（米）

正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為負(fù)的無限遠(yuǎn)，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一正/負(fù)的有限值。

這里必須指出，近點(diǎn)距離并不是明視距離

A稱為眼睛的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。

當(dāng)人眼觀察在調(diào)解范圍內(nèi)的某一距離l處的物體時(shí)，它總能清晰地成像在視網(wǎng)膜上。如果l的單位為米，則其倒數(shù)稱為視度，單位為屈光度。如觀察眼前10米的物體，對應(yīng)的視度為屈光度。近點(diǎn)距倒數(shù)稱為近點(diǎn)視度。

在醫(yī)院和眼鏡店通常把1屈光度稱為100度。

人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。隨著年齡的增大，近點(diǎn)位置往遠(yuǎn)移，遠(yuǎn)點(diǎn)位置往近移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。

遠(yuǎn)點(diǎn)距倒數(shù)稱為遠(yuǎn)點(diǎn)視度，

2．瞳孔調(diào)節(jié)（適應(yīng)特性）人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。這就是人眼的另一個特性，具有對周圍空間光亮情況適應(yīng)的過程稱為適應(yīng)（即為瞳孔的調(diào)節(jié)）。眼睛的虹膜可以自動改變瞳孔的大小，以控制眼睛的進(jìn)光亮（2mm~8mm)。在設(shè)計(jì)目視光學(xué)儀器時(shí)要充分考慮與眼瞳的配合。適應(yīng)是一種當(dāng)周圍照明條件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生的變態(tài)過程，可分為對暗適應(yīng)和對光適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在光亮處到黑暗處的時(shí)候，后者發(fā)生在自黑暗處到光亮處的時(shí)候。

所謂近視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方有限距離處（r<0）

這是由于眼球太長，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的前面所致。因此，只有眼前有限距離處的物體才能成像在視網(wǎng)膜上。對應(yīng)著負(fù)視度，配上適當(dāng)?shù)呢?fù)光焦度眼鏡后，即可使無限遠(yuǎn)物體成像于眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)上，然后再經(jīng)眼睛成像于網(wǎng)膜上，因而眼鏡矯正了眼睛的缺陷。所謂遠(yuǎn)視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛之后（r>0），這是由于眼球偏短，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是會聚時(shí)，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。對應(yīng)著正視度，需以正透鏡來使其遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù)到無限遠(yuǎn)。

近視眼或遠(yuǎn)視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)視度可通過儀器來測得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。例如：有一近視眼，通過驗(yàn)光得知其遠(yuǎn)點(diǎn)視度為-2個屈光度（眼鏡行業(yè)稱近視200度）則其遠(yuǎn)點(diǎn)距r=-0.5m，需配焦距為-500mm的近視眼鏡。物鏡目鏡正常眼近視眼遠(yuǎn)視眼F眼’F眼’F眼’四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）所謂人眼的分辨能力指的是成像在中央凹區(qū)時(shí)的分辨能力。

眼睛能分辨出兩個非常近的點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）人眼的分辨率一般用極限分辨角來表示。人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。用其它觀測設(shè)備（如照相機(jī)、CCD等）替代人眼時(shí)也可據(jù)此作為參考。人眼剛能將兩點(diǎn)分開的視角稱為眼睛的極限分辨角。人眼分辨率與極限分辨角成反比關(guān)系。現(xiàn)在從兩個不同的角度來分析眼睛的極限分辨角的大小。首先從人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上來分析：

眼睛在看物空間兩點(diǎn)時(shí)，這兩點(diǎn)對眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角成為兩點(diǎn)間的角距離或稱為視角。所以人眼的極限分辨角可表示為（rad）ε—眼睛的極限分辨角(rad

)；η′

—視覺細(xì)胞的直徑，約0.006mm；

xj′—像方節(jié)點(diǎn)到視網(wǎng)膜的距離應(yīng)為

而當(dāng)眼睛處于放松狀態(tài)時(shí)，f=-17.1mm。上式可得：（秒）可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長有關(guān)，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關(guān)。ε=50~120”；在良好的照明條件下，一般認(rèn)為ε=60”=1’

認(rèn)為人眼的極限分辨角為1′。在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)就必須考慮眼睛的分辨率。經(jīng)常需要將一條直線重合到另一條直線，但是，要使兩條直線完全重合是不可能的。眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有一定的限度。這個不重合限度的極限值稱為人眼的瞄準(zhǔn)精度。人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來表示。即兩線寬的幾何中心線對人眼的張角小于某一角度值α?xí)r，雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)α角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。人眼對于線條的變形或兩條線錯開造成的外形變化或比較兩條線寬的變化具有很高的靈敏度。人眼通過兩物的比較發(fā)現(xiàn)它們外形