应用光学第三章.ppt
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1、应用光学(第三章),厦门大学机电系 张建寰 2006,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
2、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;,(1)、人眼的光学构造:,从光学角度,眼中最重要的三样东西:水晶体、网膜、瞳孔 人眼照相机 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
3、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
4、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。,瞳孔调节 眼睛的虹彩可自动改变瞳孔大小,以控制眼睛的进光量,一般人眼在白天光线较强时,瞳孔缩到2mm左右,夜晚光线较暗时,瞳孔扩大到8mm左右。 设计目视光学系统时,要考虑仪器与人眼瞳孔的配合。,(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
5、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0.0010.003mm,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,前面讨论的是人眼对两物点的分辨率。如果被观察的对象是两条直线,分辨率可以提高到10,其原因见图。 因此,一些测量仪器中都采用如图所示的对准方式,来提高测量精度。,2、放大镜和显微镜,由前面的内容可知,如果物空间的两点对人眼的张角小于60,则其像在网膜上不能占据两
6、不相邻的细胞上,因此分不清是一个点还是两个点。如果先用一个光学仪器将物点成像,使其像对人眼的张角大于角分辨率,则可看清。这就是说用仪器扩大了视角,使人可以看清用肉眼看不清的目标。这是设计目视仪器时要满足的第一个要求.,(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:,这样要观察微小物体,就要将物体拉近眼。但人眼的调节范围有限,不可能无限拉近,所用眼直接观察物时,物不可能太小。,这样在人眼与物间放一透镜,使物刚好在透镜的物方焦平面上,这样经过透镜的物成像在无穷远处。这样满足了目视光学系统的第二个要求。,但第一个要求,扩大视角达到了吗?,
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