1、第三章,眼睛和目視光學(xué)系統(tǒng),主要內(nèi)容,目視光學(xué)系統(tǒng)：與人眼配合使用，直接擴(kuò)大人眼視覺(jué)能力的光學(xué)系統(tǒng)。 研究?jī)?nèi)容： WHY？為什么使用目視光學(xué)系統(tǒng)后能夠看得更遠(yuǎn)更細(xì) HOW？這些系統(tǒng)應(yīng)該怎樣構(gòu)成 WHAT？對(duì)目視光學(xué)系統(tǒng)有什么要求,3-1 人眼的光學(xué)特性,眼睛的結(jié)構(gòu) 成像光學(xué)系統(tǒng),人眼 vs 照相機(jī),水晶體鏡頭；網(wǎng)膜底片；瞳孔光闌 人眼是一架最高檔的照相機(jī)： 自動(dòng)對(duì)目標(biāo)調(diào)焦（autofocusing) 根據(jù)景物的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光能量 （速度先決 1/100自動(dòng)調(diào)光圈； 光圈先決 - 自動(dòng)調(diào)速度） 眼睛的視場(chǎng)很大150o,人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié),（一）定義 正常人眼睛在沒(méi)有調(diào)節(jié)的自然放松

2、狀態(tài)時(shí)，無(wú)限遠(yuǎn)物體正好成像在視網(wǎng)膜上，即眼睛的像方焦點(diǎn)正好與視網(wǎng)膜重合.,人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié),看近距離物體時(shí)，在水晶體周?chē)∪獾淖饔孟?，使水晶體前表面半徑變小，眼睛的焦距變短，此時(shí)有限距物體成像在視網(wǎng)膜上,人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié),上述結(jié)論可用薄透鏡焦距公式簡(jiǎn)單分析,人眼自動(dòng)調(diào)節(jié)眼睛的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上的這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為眼睛的視度調(diào)節(jié)。,人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié),（二）視度 表示人眼的調(diào)節(jié)程度 與視網(wǎng)膜共軛的物面到眼睛距離的倒數(shù)，SD。,l 以米為單位，可正可負(fù)。,例：觀察眼睛前方2米處的目標(biāo)時(shí)，眼睛的視度為：,人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié),（三）幾個(gè)概念 明視距離：一般人閱讀或操作時(shí)常把被

3、觀察目標(biāo)放在眼前250mm處，此距離為明視距離。 近點(diǎn)距離：人眼通過(guò)調(diào)節(jié)所能看清物體的最短距離稱(chēng)為近點(diǎn)距離。 遠(yuǎn)點(diǎn)距離：人眼能看清的最遠(yuǎn)距離。 最大調(diào)節(jié)范圍：遠(yuǎn)點(diǎn)距離與近點(diǎn)距離之間的視度之差。,人眼的調(diào)節(jié) - 視度調(diào)節(jié),例：20歲的正常人眼 明視距離：250mm，SD = -4。 最大調(diào)節(jié)范圍：-10 遠(yuǎn)點(diǎn)距離： 近點(diǎn)距離：SD = -10 ,人眼的調(diào)節(jié) - 瞳孔調(diào)節(jié),在水晶體的前面有一層虹彩，它的中間有個(gè)圓孔叫瞳孔。瞳孔的大小可以改變。在白晝的時(shí)候外界光線(xiàn)較強(qiáng)，瞳孔會(huì)比較小，在昏暗的情況下瞳孔會(huì)自動(dòng)擴(kuò)大，以使更多的光線(xiàn)（光能）進(jìn)入眼睛。這叫“適應(yīng)”。瞳孔的大小可由2mm到8mm。 設(shè)計(jì)目視光

4、學(xué)儀器時(shí)要考慮和人眼瞳孔的配合。,人眼的分辨率,人眼對(duì)物體的大小感覺(jué)：在視網(wǎng)膜上所成實(shí)像大小造成感覺(jué)上“物體的大小”,趣味光學(xué) 眼見(jiàn)為實(shí)嗎？,數(shù)學(xué)表示,視角：物體對(duì)水晶體物方節(jié)點(diǎn)張角。 像方 實(shí)質(zhì)是視網(wǎng)膜實(shí)像的大小，數(shù)學(xué)用表示方便。視角大，正切tan大，實(shí)像大，感覺(jué)物體大。為能看清物體的細(xì)節(jié)，較近好，此時(shí)大，感覺(jué)此物大。但不可能無(wú)限靠近，一般置于明視距離。,2 人眼的分辨率,定義：通常把眼睛剛能分辨的兩物點(diǎn)在網(wǎng)膜上成的兩像點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為眼睛的分辨率。 量化：一般取0.006mm為人眼的分辨率，其對(duì)應(yīng)的人眼物空間的張角min為： 以上是對(duì)兩物點(diǎn)的分辨率，如果觀察的是兩條平行直線(xiàn)，則分辨率可以提

5、高到10”。,3-2 放大鏡和顯微鏡的工作原理,對(duì)于各類(lèi)目視光學(xué)儀器的共同要求： 對(duì)于目視光學(xué)儀器的一個(gè)首要要求 擴(kuò)大視角。 目標(biāo)通過(guò)儀器后應(yīng)成像在無(wú)限遠(yuǎn)，或者說(shuō)要出射平行光束。,擴(kuò)大視角,用儀器觀察時(shí)網(wǎng)膜上的像高與人眼直接觀察時(shí)網(wǎng)膜上的像高之比，表示了該儀器的放大作用，一般用表示。 等于同一目標(biāo)用儀器觀察時(shí)的視角和人眼直接觀察時(shí)的視角二者的正切之比，所以稱(chēng)為儀器的視放大率。,一、放大鏡（magnifier）的工作原理,放大鏡用來(lái)觀察近距離微小物體。 物在物方焦點(diǎn)，出射的是平行光束。,人眼直接觀察,設(shè)一微小物體其高為y，用肉眼直接觀察時(shí)不能離眼太近，放在l = -250mm處。此時(shí)，視角為：,

6、用放大鏡觀察,對(duì)正常人眼，物正放在F上。人眼對(duì)被放大了的象的張角為：,放大鏡的視覺(jué)放大率,放大作用： 視放大率：,放大鏡成像原理圖,用作圖法或解析法可求出成一放大正立虛像。,設(shè)計(jì)實(shí)例：放大鏡（n1.5） 已知5，求r1、r2；若10，求r1、r2,5,10,5x,10 x,設(shè)計(jì)實(shí)例：只有兩塊5倍的，要求設(shè)計(jì)10倍的。,將這兩塊合成:,d取不同值時(shí)，兩塊搭成不同的倍率的放大鏡,二、顯微鏡（microscope）的工作原理,顯微鏡由物鏡和目鏡組成，用以觀察更微細(xì)物體,顯微鏡的工作原理 兩級(jí)放大,成像過(guò)程： 物體首先經(jīng)過(guò)顯微物鏡并在目鏡的物方焦平面上形成一個(gè)放大的實(shí)像； 再經(jīng)過(guò)目鏡成像在無(wú)限遠(yuǎn)。 兩

7、級(jí)放大： 第一級(jí)：顯微物鏡將被觀察物體進(jìn)行尺寸放大； 第二級(jí)：靠近眼睛的目鏡擴(kuò)大視角,顯微鏡的視覺(jué)放大率,式中：250mm是明視距離；f0 為物鏡焦距； fe為目鏡焦距。 上式說(shuō)明顯微鏡的視覺(jué)放大率等于物鏡的垂軸放大率和目鏡的視覺(jué)放大率e之積。,顯微鏡的互換性,各國(guó)生產(chǎn)的通用顯微鏡從物平面到像平面的距離（共軛距），不論放大率如何都是相等的，大約為180mm。對(duì)于生物顯微鏡，我國(guó)規(guī)定為195mm。 把顯微鏡的物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒長(zhǎng)度稱(chēng)為機(jī)械筒長(zhǎng)，也是固定的。各國(guó)有不同標(biāo)準(zhǔn)，如160mm，170mm和190mm等，我國(guó)規(guī)定160mm為目鏡和物鏡定位面的標(biāo)準(zhǔn)距離。 顯微鏡的物鏡和目鏡都可以根

8、據(jù)倍率要求而替換。常用的物鏡倍率有4、10、40和100；常用的目鏡倍率有5、10和15 。,人眼直接觀察0.001mm的物體所對(duì)應(yīng)的視角 人眼通過(guò)顯微鏡看兩點(diǎn)時(shí)，若此兩點(diǎn)通過(guò)顯微鏡成像后對(duì)人眼的張角大于1則人眼能分出這兩個(gè)點(diǎn),設(shè)計(jì)一顯微鏡要求看清間距為0.001mm兩點(diǎn)，求顯微鏡的放大率。,3-3 望遠(yuǎn)鏡（telescope）的工作原理,望遠(yuǎn)鏡用來(lái)觀察無(wú)限遠(yuǎn)的物體,物鏡的像方焦點(diǎn)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合，即光學(xué)間隔= 0。,望遠(yuǎn)鏡的視角放大,不用望遠(yuǎn)鏡時(shí)，遠(yuǎn)物對(duì)人眼的張角： 通過(guò)望遠(yuǎn)鏡后，像對(duì)人眼的張角 ： 望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率為：,望遠(yuǎn)鏡光組的幾個(gè)特點(diǎn),無(wú)焦系統(tǒng)（焦點(diǎn)在無(wú)限遠(yuǎn)） 整個(gè)系統(tǒng)的垂軸放

9、大率、軸向放大率和角放大率為一常數(shù)，與物體所在的位置無(wú)關(guān)。 望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率與角放大率相等，但僅是值相同，其概念是不同的。,望遠(yuǎn)鏡的分類(lèi)的依據(jù),擴(kuò)大視角的要求,可正可負(fù),物鏡為正透鏡，即fo0。,目鏡焦距的正負(fù)決定了的正負(fù)。,望遠(yuǎn)鏡的分類(lèi),開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡（ fe 0， 0） 優(yōu)點(diǎn)：正像 缺點(diǎn)：無(wú)法安裝分劃板；另視覺(jué)放大率受到物鏡口徑的限制，不可能很大，一般在2-3倍。,設(shè)計(jì)實(shí)例,例1：用望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)要鑒別5公里處200毫米的間距，應(yīng)選用多大倍率的望遠(yuǎn)鏡？ 例2：經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡視覺(jué)放大率=20，使用夾線(xiàn)瞄準(zhǔn)，問(wèn)瞄準(zhǔn)角誤差等于多少？,3-4 眼睛的缺陷和 目視光學(xué)儀器的適度調(diào)節(jié),一、眼睛的缺陷 正常

10、人眼：在自然狀態(tài)下，像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合 近視眼：像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的前方 遠(yuǎn)視眼：像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的后方,無(wú)窮遠(yuǎn)物體不能在視網(wǎng)膜上清晰成像。而近距離物體，卻可以在網(wǎng)膜上清晰成像，即看遠(yuǎn)物不清晰，近物才看清。,近視：看遠(yuǎn)物不清晰，近物才看清。,遠(yuǎn)點(diǎn)：有限距離。（采用遠(yuǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視度來(lái)表示近視的程度。） 例如遠(yuǎn)點(diǎn)距離l = -500mm，近視為-2視度（即200度） 明視距離： 近點(diǎn)距離（以20歲的人為例）：,近視：看遠(yuǎn)物不清晰，近物才看清。,近視鏡-發(fā)散透鏡；其焦距正好與遠(yuǎn)點(diǎn)距離相同。,近視的矯正,對(duì)于上述近視眼，配一負(fù)透鏡f = -500mm = -0.5m，即：,，又稱(chēng)200度近視鏡。

11、,以遠(yuǎn)視為+2個(gè)視度為例： 遠(yuǎn)點(diǎn)：無(wú)限遠(yuǎn) 明視距離： 近點(diǎn)距離（以20歲的人為例）：,遠(yuǎn)視：近點(diǎn)距離增加。,遠(yuǎn)視鏡會(huì)聚透鏡,遠(yuǎn)視的矯正,二、視度調(diào)節(jié),通過(guò)改變目鏡的前后位置使儀器所成的像位于適當(dāng)?shù)奈恢茫赃m應(yīng)各種不同視力的人使用，這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)。,3-5 空間深度感覺(jué)和雙眼立體視覺(jué),當(dāng)觀察外界物體時(shí)，除了能夠知道物體的大小、 、亮暗以及表面 以外， 還能夠產(chǎn)生 的感覺(jué)。這種遠(yuǎn)近的感覺(jué)稱(chēng)為空間深度感覺(jué)。,形狀,顏色,遠(yuǎn)近,單眼空間深度感覺(jué),當(dāng)物體的高度已知時(shí)，根據(jù)它對(duì)應(yīng)的視角大小來(lái)判斷它的遠(yuǎn)近； 根據(jù)物體之間的遮蔽關(guān)系和日光的陰影也能判斷物體之間的相對(duì)位置； 根據(jù)對(duì)物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透