1、2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所1第九章第九章 典型光學系統典型光學系統2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所2這類光學系統是直接擴大人眼的視覺能這類光學系統是直接擴大人眼的視覺能力的，稱為目視光學系統力的，稱為目視光學系統 9-1 人眼的光學特性 (3-1、3- 4)一、眼睛的結構一、眼睛的結構成像光學系統成像光學系統 人眼本身相當于攝影光學系統 在角膜和視網膜之間的生物構造在角膜和視網膜之間的生物構造均可以看作成像元。均可以看作成像元。2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技

2、術與裝備研究所3人眼的構造剖視圖2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所4人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜* *鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；角膜角膜* *角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；眼睛內的折射主要發生在角膜上；眼睛內的折射主要發生在角膜上；脈絡膜脈絡膜* *脈絡膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養的網狀微血管；脈絡膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養的網狀微血管；2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所5人眼的

3、構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡膜脈絡膜虹膜虹膜* *虹膜是脈絡膜的最前端部分，含有色素細胞，決定眼的顏色；虹膜是脈絡膜的最前端部分，含有色素細胞，決定眼的顏色；瞳孔瞳孔* *瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹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膜肌肉能使瞳孔的直徑在28mm28mm范圍內變化；它是人眼范圍內變化；它是人眼的孔徑光闌。的孔徑光闌。2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所6人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜細胞，錐狀細胞直徑約細胞，錐狀細胞直徑約5微米，長約微米，長約35微米；桿狀細胞直徑約微米；

4、桿狀細胞直徑約2微米微米脈絡膜脈絡膜，長約，長約60微米。它們在網膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹處微米。它們在網膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹處虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜*網膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細胞和桿狀是錐狀細胞的密集區而沒有桿狀細胞，由中心向外，逐漸相對變化；是錐狀細胞的密集區而沒有桿狀細胞，由中心向外，逐漸相對變化；黃斑中心凹黃斑中心凹2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所7人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 光脈絡膜脈絡膜 盲斑是網膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜黃斑中心凹是人眼視覺

5、最靈敏的地方。視神經細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， 黃斑中心凹黃斑中心凹神經纖維盲斑大腦盲斑盲斑晶狀體晶狀體2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所8人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高脈絡膜脈絡膜 成像質量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周圍是毛狀肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜似雙凸透鏡，是眼睛光學系統的成像元件，其密度和折射 能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠近不同的物體時，黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技

6、術與裝備研究所9人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角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；脈絡膜脈絡膜 晶狀體和網膜所包圍的空間稱為后室;充滿1.336的玻狀體虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜總能將像成在網膜上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所10人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 脈絡膜脈絡膜眼睛的像方節點與中心凹的連線為眼睛的視軸, 在觀察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜 體時眼睛本能地把物體瞄準在這根軸上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室1.3761.33

7、61.336光軸光軸視軸視軸2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所11 眼睛的視場很大，可達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。 從光學角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網膜和瞳孔。從光學角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網膜和瞳孔。 人眼 水晶體 視網膜 瞳孔 眼睛和照相機很相似，如果對應起來看：眼睛和照相機很相似，如果對應起來看： 照相機 鏡頭 底片 光闌2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所12人眼相當于一架照相機，它可以自動對目標調焦人眼相當于一

8、架照相機，它可以自動對目標調焦照相機中，正立的人在底片上成倒像，照相機中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像人眼也是成倒像但我們感覺為什么還是正立的？但我們感覺為什么還是正立的？這是視神經系統內部作用的結果。這是視神經系統內部作用的結果。2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所13二、眼睛的調節二、眼睛的調節 眼睛有兩類調節功能：視度調節眼睛有兩類調節功能：視度調節 和瞳孔調節。和瞳孔調節。 1 1視度調節視度調節 遠近不同的其他物體，物距不同，則不會成像在視網膜上，這樣遠近不同的其他物體，物距不同，則不會成像在視網膜上，這樣我們就看不清。我們就看不

9、清。 要想看清其他的物體，人眼就要自動地調節眼睛中水晶體的焦要想看清其他的物體，人眼就要自動地調節眼睛中水晶體的焦距，使像落在視網膜上。距，使像落在視網膜上。 眼睛自動改變焦距的過程稱為眼睛的調節。眼睛自動改變焦距的過程稱為眼睛的調節。2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所14 正常人眼在完全放松的自然狀態下，正常人眼在完全放松的自然狀態下， 無限遠目標成像在視網膜上，即眼睛的無限遠目標成像在視網膜上，即眼睛的像方焦點在視網膜上。像方焦點在視網膜上。 在觀察近距離物體時，人眼水晶體周圍肌肉在觀察近距離物體時，人眼水晶體周圍肌肉收縮，使水晶體前表面半徑變

10、小收縮，使水晶體前表面半徑變小 眼睛光學系統的焦距變短，后焦點前移，眼睛光學系統的焦距變短，后焦點前移，從而使該物體的像成在視網膜上。從而使該物體的像成在視網膜上。2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所15當肌肉完全放松時通過調節），眼睛當肌肉完全放松時通過調節），眼睛所能看清的最遠的點稱為遠點，其相應所能看清的最遠的點稱為遠點，其相應的距離稱為遠點距，以的距離稱為遠點距，以 r 表示米）表示米） 當肌肉在最緊張時通過調節），眼睛所當肌肉在最緊張時通過調節），眼睛所能看清的最近的點稱為近點，其相應的距能看清的最近的點稱為近點，其相應的距離稱為近點距，以

11、離稱為近點距，以 p 表示米）表示米） 正常眼睛的遠點距為負的無限遠，非正常眼睛遠正常眼睛的遠點距為負的無限遠，非正常眼睛遠視或近視的遠點距為一正視或近視的遠點距為一正/負的有限值。負的有限值。 這里必須指出，近點距離并不是明視距離這里必須指出，近點距離并不是明視距離 2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所16 后者是指正常的眼睛在正常照明約后者是指正常的眼睛在正常照明約50勒克斯勒克斯下最方便和最習慣的工作距離，它等于下最方便和最習慣的工作距離，它等于250mm。 PRprA11它不同于人眼的近點距，兩者不能混淆它不同于人眼的近點距，兩者不能混淆人眼

12、的調節能力是用遠點距人眼的調節能力是用遠點距r的倒數和近點距的倒數和近點距p的倒的倒數之差來描述，用數之差來描述，用A來表示，即來表示，即2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所17A稱為眼睛的調節范圍或調節能力。稱為眼睛的調節范圍或調節能力。 101.lSD當人眼觀察在調解范圍內的某一距離當人眼觀察在調解范圍內的某一距離l處的物處的物體時，它總能清晰地成像在視網膜上。體時，它總能清晰地成像在視網膜上。 假如假如 l 的單位為米，則其倒數稱為視度，單位為屈光度的單位為米，則其倒數稱為視度，單位為屈光度如觀察眼前如觀察眼前10米的物體，對應的視度為米的物體

13、，對應的視度為 屈光度。屈光度。 lSD12021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所18近點距倒數近點距倒數 稱為近點視度。稱為近點視度。 Pp1在醫院和眼鏡店通常把在醫院和眼鏡店通常把1屈光度稱為屈光度稱為100度。度。 人眼的調節能力隨年齡的增加而變化。人眼的調節能力隨年齡的增加而變化。隨著年齡的增大，近點位置往遠移，遠點位置往近移，隨著年齡的增大，近點位置往遠移，遠點位置往近移，因而調節范圍減少。因而調節范圍減少。 遠點距倒數遠點距倒數 稱為遠點視度，稱為遠點視度， Rr12021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究

14、所19 2瞳孔調節適應特性）瞳孔調節適應特性）人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。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這就是人眼的另一個特性，具有對周圍空間光亮情況適應的過程況適應的過程 稱為適應即為瞳孔的調節）。稱為適應即為瞳孔的調節）。眼睛的虹膜可以自動改變瞳孔的大小，以控制眼眼睛的虹膜可以自動改變瞳孔的大小，以控制眼睛的進光亮睛的進光亮2mm8mm)。在設計目視光學儀器。在設計目視光學儀器時要充分考慮與眼瞳的配合。時要充分考慮與眼瞳的配合。適應是一種當周圍照明條件發生變化是眼睛所產生適應是一種當周圍照明條件發生變化是眼睛所產生的變態過程，可分為

15、對暗適應和對光適應兩種，前的變態過程，可分為對暗適應和對光適應兩種，前者發生在光亮處到黑暗處的時候，后者發生在自黑者發生在光亮處到黑暗處的時候，后者發生在自黑暗處到光亮處的時候。暗處到光亮處的時候。 2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所20三、眼睛的缺陷和矯正三、眼睛的缺陷和矯正F正常眼在肌肉完全放松的自然狀態正常眼在肌肉完全放松的自然狀態下，能夠看清楚無限遠處的物體，下，能夠看清楚無限遠處的物體，即遠點應在無限遠即遠點應在無限遠R = 0），），F 像方焦點正好和視網膜重合像方焦點正好和視網膜重合 FF 若不符合這一條件就是若不符合這一條件就是F非

16、正常眼，或稱視力不正常非正常眼，或稱視力不正常 F 最常見的有近視眼和遠視眼最常見的有近視眼和遠視眼2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所21F 所謂近視眼就是其遠點在眼睛前方有限距離處所謂近視眼就是其遠點在眼睛前方有限距離處r 0），）， 這是由于眼球偏短，像這是由于眼球偏短，像方焦點位于視網膜的之方焦點位于視網膜的之后所致。因而，射入眼后所致。因而，射入眼睛的光束只有是會聚時，睛的光束只有是會聚時，才能正好聚焦在視網膜才能正好聚焦在視網膜上。上。對應著正視度，需以正透鏡來使其遠點恢復到無限遠。對應著正視度，需以正透鏡來使其遠點恢復到無限遠。 202

17、1-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所23近視眼或遠視眼的遠點視度可通過儀近視眼或遠視眼的遠點視度可通過儀器來測得，知道此值后即可求得所需器來測得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。眼鏡的焦距。例如：有一近視眼，通過驗光得知其遠點視例如：有一近視眼，通過驗光得知其遠點視度為度為-2個屈光度眼鏡行業稱近視個屈光度眼鏡行業稱近視200度）度）則其遠點距則其遠點距r = - 0.5 m，需配焦距為需配焦距為-500mm的近視眼鏡。的近視眼鏡。2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所24目視光學儀器視度調節目視光學儀器視度調節

18、人眼的視覺缺陷可以在眼前加以透鏡可以人眼的視覺缺陷可以在眼前加以透鏡可以矯正矯正目視光學儀器要適應不同視力的人使用目視光學儀器要適應不同視力的人使用為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀器所成的像不再位于無限遠，而位于目鏡器所成的像不再位于無限遠，而位于目鏡的前方或后方一定的位置的前方或后方一定的位置這就是目視光學儀器的視度調節這就是目視光學儀器的視度調節2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所25物鏡物鏡目鏡目鏡正常眼正常眼近視眼近視眼遠視眼遠視眼F眼眼F眼眼F眼眼2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工

19、大光電測控技術與裝備研究所26四、眼睛的分辨率分辨本領）四、眼睛的分辨率分辨本領）所謂人眼的分辨能力指的是成像在中央凹區時的分辨能力。所謂人眼的分辨能力指的是成像在中央凹區時的分辨能力。 ?眼睛能分辨出兩個非常近的點的能力稱為眼睛的分辨率分眼睛能分辨出兩個非常近的點的能力稱為眼睛的分辨率分辨本領）辨本領）?人眼的分辨率一般用極限分辨角來表示。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特性，同時也是目視人眼的分辨率是眼睛的重要光學特性，同時也是目視光學儀器設計的重要依據之一。光學儀器設計的重要依據之一。用其它觀測設備如照相機、用其它觀測設備如照相機、CCD等替代人眼時也等替

20、代人眼時也可據此作為參考。可據此作為參考。2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所27?人眼剛能將兩點分開的視角稱為眼睛的極限分辨角人眼剛能將兩點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系人眼分辨率與極限分辨角成反比關系現在從兩個不同的角度來分析眼睛的極限分辨角的現在從兩個不同的角度來分析眼睛的極限分辨角的大小。大小。 首先從人眼的視網膜結構上來分析：首先從人眼的視網膜結構上來分析： ?眼睛在看物空間兩點時，這兩點對眼睛物方節眼睛在看物空間兩點時，這兩點對眼睛物方節點的張角成為兩點間的角距離或稱為視角點的張角成為兩點間的角距離或稱為

21、視角2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所28如果這兩點的像分別如果這兩點的像分別落在被分隔開的兩個落在被分隔開的兩個視網膜細胞上，即得視網膜細胞上，即得到兩個點的視覺到兩個點的視覺由此可見，眼睛的分辨率與視由此可見，眼睛的分辨率與視網膜上兩像點距離及視覺細胞網膜上兩像點距離及視覺細胞的直徑大小有關的直徑大小有關 當兩像點的間距大于或等于視覺細當兩像點的間距大于或等于視覺細胞的直徑時，就認為眼睛可以分辨。胞的直徑時，就認為眼睛可以分辨。 人眼的極限分辨角可表示為人眼的極限分辨角可表示為 tgxj（rad）2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究

22、所哈工大光電測控技術與裝備研究所29 所以人眼的極限分辨角可表示為所以人眼的極限分辨角可表示為tgxjfxj702062651170060.（rad） 眼睛的極限分辨角眼睛的極限分辨角( rad )； 視覺細胞的直徑，約為視覺細胞的直徑，約為0.006mm； xj 像方節點到視網膜的距離像方節點到視網膜的距離應為應為 而當眼睛處于放松狀態時，而當眼睛處于放松狀態時，f = -17.1mm。上式可得：。上式可得：（秒）（秒）2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所30可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長有可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長有關，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關。關，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關。DD.140206265000550221 = 50 120”；在良好的照明條件下，一般認為在良好的照明條件下，一般認為 = 60” = 1 認為人眼的極限分辨角為認為人眼的極限分辨角為1。在設計光學系統時就必須考慮眼睛的分辨率。在設計光學系統時就必須考慮眼睛的分辨率。2021-12-14哈工大光電測控技術與裝備研究所哈工大光電測控技術與裝備研究所31經常需要將一條直線重合到另一經常需要將一條直線重