眼睛和目视光学系统.
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眼睛的目视光学系统应用光学光学是研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射和吸收等现象的学科。
而眼睛是我们视觉系统的重要组成部分,在光学学科的基础上应用了一系列的光学原理和技术,形成了眼睛的目视光学系统。
光的传播和折射首先,让我们来了解一下光的传播和折射原理。
光是一种电磁波,它在空气、液体和固体之间传播时会发生折射现象。
光的传播速度在不同介质中是不同的,当光从一种介质传播到另一种介质时,它的传播速度会改变,导致光线的传播方向发生偏折。
这个偏折现象对于我们的眼睛来说非常重要。
眼睛的光学构造眼睛的光学构造包括角膜、瞳孔、晶状体和视网膜等部分。
角膜是我们眼睛的前窗口,它具有一个曲弯的表面,可以折射光线。
瞳孔是一个可收缩的孔洞,可以控制光线进入眼睛的数量。
晶状体是位于瞳孔后面的一个透明组织,可以通过改变其形状来对光线进行进一步的聚焦。
视网膜是我们眼睛的后窗口,可以对光线进行感光。
眼睛的屈光系统眼睛的光学系统由角膜、晶状体和视网膜组成,它们构成了眼睛的屈光系统。
眼睛的屈光系统主要负责将进入眼睛的光线进行折射和聚焦,使其能够清晰地投影在视网膜上。
角膜的屈光作用角膜是眼睛的前窗口,它作为光线的第一个折射界面起到了很重要的作用。
由于角膜的曲率并非均匀,不同位置的角膜对光线的折射能力也有所不同。
角膜的屈光作用对眼球的总屈光度起到了决定性的影响。
晶状体的调焦作用晶状体是眼睛的主要调焦器官,它可以改变自身的形状来调节眼镜的焦距。
通过晶状体的调焦作用,眼睛可以实现对不同距离的物体进行清晰的视觉焦点调节。
眼球的像的成像原理当光线通过眼睛的屈光系统后,它会在视网膜上形成一个倒立的实像。
这个实像是通过眼球的光学元件对光线进行折射和聚焦产生的。
视网膜上的感光细胞会将光信号转化为神经信号,并通过视神经传递到大脑进行处理和解读。
眼睛的调节机制人眼除了具有通过改变晶状体形状进行调焦的功能外,还具有调节瞳孔直径的能力。
当环境光线较暗时,瞳孔会扩大以增加进入眼睛的光线数量,提高光的敏感度;当环境光线较亮时,瞳孔会收缩以减少进入眼睛的光线数量,保护视网膜不受强光的损伤。
眼睛及目视光学系统简介眼睛是人类最重要的感觉器官之一,它负责接收光线并将其转化为神经信号,让我们能够看到周围的世界。
而目视光学系统则是由多个部分组成的复杂系统,包括角膜、水晶状体、玻璃体等等,它们共同协作完成光线的折射和聚焦,使我们能够清晰地看到物体。
本文将介绍眼睛及目视光学系统的结构和功能,以及一些与视力相关的常见问题和疾病。
眼睛结构角膜和巩膜眼睛的前表面由透明薄膜组成,这就是角膜。
角膜负责让光线通过并折射到眼睛中。
而巩膜则是覆盖在眼球表面的一层坚韧的结缔组织,保护眼睛免受外界伤害。
虹膜和瞳孔虹膜是位于角膜和晶状体之间的有色隔膜,它决定了我们的眼睛的颜色。
而瞳孔则是位于虹膜中央的孔洞,它的大小能够调节光线的进入量。
晶状体和睫状体晶状体是位于眼球内部的透明结构,它能够改变自身的形状,并且通过对光线的折射来进行聚焦。
与晶状体相连的是睫状体,它通过张力的调节来控制晶状体的形状,从而实现对不同距离物体的聚焦。
玻璃体玻璃体是填充在眼球后部的透明胶状物质,它保持了眼球的形状并且帮助光线继续聚焦在视网膜上。
视网膜视网膜位于眼球的后部,是感光细胞的聚集区域。
当光线聚焦在视网膜上时,感光细胞会转化为神经信号,并通过视神经传递到大脑,我们才能够看到物体。
目视光学原理眼睛的视觉功能是通过一系列的光学过程来实现的。
当光线进入眼睛时,它首先经过角膜的折射,然后通过晶状体的调节来进一步聚焦。
最后,光线聚焦到视网膜上的感光细胞上,形成清晰的图像。
角膜的折射角膜是眼睛中最前面的透明薄膜,具有强烈的折射能力。
当光线从空气中进入角膜时,它会被角膜的曲率所改变,并在进入眼球后继续向晶状体传播。
晶状体的调节晶状体是眼睛中的一个透明结构,它具有可以改变形状的能力。
这一调节能力使得晶状体能够根据物体的远近来改变其折射力,从而实现对光线的聚焦。
调节失调与屈光度调节失调是指晶状体无法有效调节,导致眼睛无法聚焦到远近不同的物体上。
屈光度是用来度量眼睛对光的折射能力的单位,调节失调常常与屈光度有关。
一.人的眼睛光学仪器中的一大类就是目视仪器,其用于与眼睛配合使用,以增强人眼的视觉能力,所以要了解目视光学系统,就必须对对人眼的结构和性能有所了解,从光学角度来讲,眼睛相当于一架高级相机。
人眼的水晶体(晶状体),相当于由多层透明介质薄膜构成的一个可调节的双凸透镜,相当于相机的镜头。
人眼的虹膜在晶状体前面,中央是一个圆孔,可以随物体亮暗程度改变圆孔的直径,以调节进入人眼睛光束的孔径,成为瞳孔,相当于照相机的可变光阑(也就是我们所讲的光圈大小的调节),人眼视网膜可以感光,相当于相机的底片(对于数码相机,就相当于CCD或者CMOS感光器件)二.人眼的调节眼睛的调节是指:为了使不同距离的物体都能在视网膜上清晰成像,必须随物体距离的改变,相应的改变眼睛的焦距(我们在拍摄照片时也是一样的,通过改变焦距,实现对不同远近的物体清晰拍摄),这个过程成为“眼睛的调节”。
那么眼睛的调节的程度我们用什么来度量呢?实际上我们使用视度来表示的。
如果视网膜在物空间的共轭面离开眼睛的距离为l(单位为米),那么l的倒数就是视度,并且使用SD表示:1=SDl正常的人眼,在没有调节的自然状态下,无限远物体的像,正好成在视网膜上,此时视度为:1==0SD∞正常人眼观察从无穷远到250mm范围的物体时,可以不费力的调节,因此250mm 又被规定为正常人眼的明视距离,明视距离对应的视度为:1==-4-0.25SD()三.人眼的视角分辨率人眼能不能分辨两个物点,取决于你两个物点在视网膜上成像的距离,而视网膜上两点的距离又两物点对人眼的张角,也就是视角决定。
我们规定,刚刚能分辨的两个物点对人眼的张角称为人眼的视角分辨率,数值约为60″。
四.视放大率Γ目视光学仪器用来帮助人眼扩大视觉,其作用大小我们用视放大率来描述,那么什么是视放大率呢?视网膜上像的大小近似的和视角的正切成正比,因此,我们把同一个目标,用仪器观察的视角ω仪和人眼直接观察的视角ω眼二者的正切的比值称为目视光学仪器的视放大率,用Γ来表示:tan tan ωωΓ=仪眼实际表示了用仪器观察和直接用眼睛观察时,视网膜上像的大小之比,描述了仪器放大作用的大小。
眼睛和⽬视光学系统例题黄振永⽼师Chapter 3: instruments for human eyes例1:对正常⼈眼,如要观察2m 远的⽬标,需要调节多少视度?解:5.0m 21 1-=-==l SD 视度需调节5.0-视度。
例2:如要求测微⽬镜的对准精度为0.001mm ,使⽤夹线对准精度为10〞,试问需采⽤多⼤焦距的测微⽬镜?解:从题意可知,测微⽬镜的镜焦距的⼤⼩应使夹线⾓对准精度为10〞,这就和测微⽬镜分划⾯上的线对准精度正好配合,如图1所⽰。
AB =0.001mm, ''10=αmm f 63.20'10' tg 001.0 tg AB '===α测微⽬镜的焦距可取为20.63mm 。
例3:已知显微镜的视放⼤率为?-300,⽬镜的焦距为20mm ,求显微镜物镜的倍率。
假定⼈眼的视⾓分辨率为60〞,问使⽤该显微镜观察时,能分辨的两物点的最⼩距离等于多少?解:①已知⽬镜焦距mm 20/=⽬f ,根据⽬镜视放⼤率公式==Γ5.12250/⽬⽬f ②显微镜的视放⼤率显Γ等于物镜的垂轴放⼤率物β和⽬镜视放⼤率的乘积。
因为?-=Γ300显,所以?-=-=ΓΓ=245.12300⽬显物β③⽬镜焦平⾯上可分辨距离 mm f 0058.0''60tan mm 20tan '/=?=?=ασ⽬,物⽅可分辨的最⼩距离00024.024058.0'===物βσα例4:⽤⼀架?5的开普勒望远镜通过⼀个观察窗观察位于距离500mm 远处的⽬标,假定该望远镜的物镜和⽬镜之间有⾜够的调焦可能,该望远镜物镜焦距,物mm 100/=f 求此时仪器的实际视放⼤率Γ等于多少?解:求⽬镜的焦距:mm 205100//=--=Γ-=物⽬f f ;求物体通过物镜的像距'l 和物镜的垂轴放⼤率物β:由⾼斯公式/11'1物f l l =-得:10015001'1=--l ;mm 125'=l ;41500125''-=-===l l y y 物β;⼈的眼睛直接观察时500y tan =眼ω;通过仪器观察时,80y 204/y y''tan /-=-==⽬仪f ω;视放⼤率?-=--==Γ25.6500/y 80/y tan tan /眼仪ωω此时实际的视放⼤率为6.25×,⽽不是5×。
东华大学硕士研究生入学考试专业课(应用光学)考试大纲东华大学应用物理系(光学工程一级硕士点)(参考书目:《应用光学》,安连生,北京理工大学出版社,2000年第2版)一、考试要求:1.本考试科目的目的在于考核报考学生掌握应用光学基础知识的范围,以及理解的深度和广度;2.考核的知识点主要围绕几何光学的基本原理与应用、理想光学系统的成像性质、共轴球面光学系统的物象关系、近轴光学的理论与计算方法、眼睛的构造和特性、目视光学仪器的基本原理与计算方法、平面镜棱镜系统的成像特性分析应用及计算方法、各种光学系统中成像光束的选择方法、辐射度学和光度学的基础理论、各种情况下光学系统中的光能量计算方法、光学系统成像质量评价的各种指标和评价方法以及各种光学系统分辨率的表示和计算方法;3.考生应注重基础理论知识的掌握,同时又能够灵活地应用所学知识解决应用问题;4.答题概念准确,表述清楚,书写和作图规范,卷面整洁,回答问题一律写在答题纸上。
二、考试内容:1.几何光学基本原理。
几何光学基本定律,光路可逆和全反射现象,成像概念,理想像和理想光学系统;2.共轴球面系统的物像关系。
符号规则,近轴区成像性质及相应公式,主平面和焦点,作图法求像,物像关系式,放大率,物像空间不变式,物像方焦距,节平面,理想像高,光学系统的组合,单透镜公式;3.眼睛和目视光学系统。
人眼的特性,放大镜、显微镜和望远镜,眼睛缺陷和视度调节,空间深度和立体视觉;4.平面镜棱镜系统。
平面镜的旋转,棱镜展开,屋脊棱镜,平板玻璃和棱镜外形尺寸计算,确定成像方向,球面和平面镜棱镜系统的组合;5.光学系统中成像光束的选择。
光阑,望远镜和显微镜中成像光束的选择,远心光路,场镜,景深;6.辐射度学和光度学基础。
立体角,辐射度学和光度学基本量,人眼视见函数,照度公式和发光强度余弦定律,全扩散表面,光束的亮度,像平面的照度,照相物镜像面的照度和光圈数,主观光亮度,光能损失计算;7.光学系统成像质量评价。