[物理]第五章眼睛和目视光学系统.ppt

第五章 眼睛和目视光学系统 主讲：张建寰 单位：机电系 2186810, aeolus@xmu.edu.cn 本节内容介绍 眼睛和目视光学系统 放大镜、显微镜、望远镜 放大镜的工作原理 显微镜的工作原理 望远镜的工作原理 眼睛和目视光学系统 主要内容： 1、讨论放大镜、显微镜和望远镜类与人眼配合使用的光学系统。这类系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称为目视光学系统。 2、弄清使用目视光学系统可看得更清更细的原理；设计这些系统时应该满足什么要求。 1、人眼的光学特性 人眼是与目视光学系统配合使用的，所以眼睛应该看成是整个光学系统的一个部分。 角膜：由角质构成的透明的球面薄膜，厚度为0.55mm，折射率为1.3771； 前室：角膜后的空间，充满折射率为1.3774的水状液体； 虹彩：位于前室后，中间有一圆孔，称为瞳孔，它限制了进入人眼的光束口径，可随景物的亮暗随时进行大小调节； 水晶体：由多层薄膜组成的双凸透镜，中间硬外层软，各层折射率不同，中心为1.42，最外层为1.373，自然状态下其前表面半径为10.2mm，后表面半径为6mm，水晶体周围肌肉的紧张和松驰可改变前表面的曲率半径，从而改变水晶体焦距； 盲点存在实验： 用手捂住右眼，左眼注视右边的圆，调整眼睛与纸面的距离，在某一位置上就只能看见圆，十字消失了。 说明此位置上十字像正好落在盲点处。 从光学角度，眼中最重要的三样东西：水晶体、网膜、瞳孔 将人眼比做——照相机 水晶体——镜头 网膜——感光底片 瞳孔——光阑 人眼可以自动对目标调焦，可以根据景物的亮暗自动调节进入眼光能量； 照相机中，底片上成倒像，人眼成像也是倒像，但由于人的神经系统作用，看到的还是正像。 眼睛的视角可达150°，只有黄斑附近人眼方可清晰识别，其它地方较模糊，要看清其它地方的景物，人眼要转动，将黄斑和眼睛光学系统像方节点边线（视轴）对向该景物。 （2）、人眼的调节 人眼有两类调节：视度调节和瞳孔调节 视度调节：用眼观察一物时，物通过眼在网膜上形成一个清晰像，视神经细胞受到光刺激引起了视觉，于是看清了这一物体；此时，物像眼睛光学系统三者间满足共轭方程式。其它不同远近的物的像不在网膜上，因此看不清。要看清其它物，人眼要自动调节焦距。 正常人眼在完全放松的自然状态下，无限远处的物成像在网膜上。即眼的像方焦点在网膜上；当观察近处物时，水晶体周围肌肉收缩，水晶体前表面半径变小，眼睛光学系统焦距变短，后焦点前移，从而使该物体的像成在网膜上。 为描述人眼调节的程度，引入了视度的概念，与网膜共轭的物面到眼睛距离的倒数称为视度，用SD表示 SD有正有负 如观察眼前2米处的目标时，l=-2，SD=-0.5，即眼睛视度为-0.5，如物在无穷远处时，SD=0；可见，视度绝对值越大，说明眼的调节量越大。 明视距离： 对应的SD=-4 人眼的近点距离 远点距离： 人眼的调节范围：远点与近点视度差。 （3）、人眼的分辨率 眼睛的分辨率是眼睛的重要光学特性，也是设计目视光学仪器的重要依据之一； 眼睛分辨率：将眼睛刚能分辨的两物点在网膜上成的两像点间的距离称为 眼的分辨率与网膜上神经细胞大小有关。要使两像点能被分辨，它们间距离至少要大于两个神经细胞的直径。 黄斑上视神经细胞直径约为0.001~0.003mm，所以一般取0.006mm为人眼的分辨率。 另外一个最常用的描述人眼分辨能力的是0.006mm对人眼的物空间张角 （1）放大镜的工作原理 放大镜是用来近距离观察微小物体的。人眼能够分辨的物体大小y与物距l间的满足以下关系： （2）显微镜的工作原理 为满足人们对细小物体观察要求，人们想到了多级放大：先用一组透镜将细小物，成像到放大镜焦平面上，再用放大镜观察，就可观察细小物体了。 例题 如果读数显微镜的对准精度为0.001mm，求显微镜的放大率。 （3）望远镜的工作原理 望远镜也是目视光学仪器，据目视仪器使用要求，仪器应出射平行光。这样使人眼在放松状态下观察，不致产生视觉疲劳。 望远镜的视角扩大功能 物在无穷远处，同一物对眼和对仪器张角可近似相等。因此有 。 如果眼睛的调节能力不变，则近视眼的明视距离和近点距离也将相应地缩短。 近视度的视度加负4(正常人眼的明视距离视度)就等于近视眼的明视距离视度。同理，近视的视度加正常人眼的近点视度(等于最大调节视度)就等于近视眼的近点视度。例如，近视为-2个视度的青年人，假定他的调节能力为-10个视度．则他的近点距离为 对远视眼来说，在自然状态下像方焦点F ’落在网膜的后方，依靠眼睛的调节，有可能看清无限远的物体，但它所能看清的近点距离将增加。例如，当调节能力为－10个视度和远视为+2个视度时，近点距离为： 为了校正远视眼，可以在眼睛前面加一个会聚透镜，使由无限远物体发出的光