第三章眼睛的目视光学系统应用光学
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应用光学第三章
（6）双眼观察仪器
上节讲到，当用双眼观察外界景物时，能够产生明显的远近感觉，这种感觉称为 双眼立体视觉，简称为体视。如果使用单眼望远镜或单眼显傲镜观察时，就不能产 生体视，因而也就影响观察效果。为了在使用仪器观察时仍能保持住入眼的体视能 力，所以必须采用双眼仪器，如双眼望远镜”和“双目显微镜”。
当使用双眼仪器时，人眼的体视能力不仅可以保持，而且还可以 得到提高。由上节知道，人眼能否分辨出两个物点A和B的远近，取 决于此二物点对应的视差角之差（ αA—αB ），如图3—19所示。假 定人眼直接观察某一物体时对应的视差角为α眼，当使用仪器观察时 对应的视差角为α仪，二者之比称为双眼仪器的体视放大率，用∏表 示
但第一个要求，扩大视角达到了吗？
tg 仪
y; f`
tg 眼
y; l
tg 仪 l 250 tg 眼 f ` f `
放大镜受通光孔径限制不能将焦距做得太短，所 以放大率一般不超过15倍
（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。
（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：
y 0.003 l
• 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。
（3）、人眼的分 辨率
y` ftg
y`
0.006
北理应用光学=习题
一个清晰的像。证明透镜的焦距为
。
• 有一个用于红外系统的球形浸没透镜，物空间为空气，折射率为
1.5 ，它将物体成像在后表面与球心的 1 / 2 处，证明此时的垂轴
放大率为 1/2 。
• 由两个正的薄透镜组成的系统，若物体位在第一个透镜的物方焦平
面处，证明此时像与物的垂轴放大率为第二个透镜与第一个透镜焦距
• 设有一个投影物镜，采用 100W 的灯泡照明，灯泡的光视效能为 20 lm/W, 发光体直径为 4 毫米 、各方向均匀发光的球形灯丝，要求银 幕的光照度为 60 lx ，银幕离开投影仪的距离为 10 米 ，投影仪片 门宽为 20 毫米 ，整个系统的透过率 τ ＝ 0.6 ，求投影物镜的焦 距和相对孔径。 • 有一对称照相物镜，相对孔径为 1:5 ，每亿半焦距为 200 毫米 ， 两透镜组相距 20 毫米 ，在透镜组中央有一个孔径光阑。在物镜前 方 400 毫米 处有一个垂直光轴的物体，其光亮度为 500 cd/m 2 。 如果不考虑系统的光能损失，求像平面光照度。当物体位于无限远时， 像平面光照度又为多少？
微小物体通过显微物镜的像距硅靶的距离为 210 毫距 及离硅靶的距离。（ 15 分）
• 思考题：为什么望远镜系统中成像光束的选择非常重要？ • 在设计一个光学系统时，应如何考虑选择孔径光阑和视场光阑？ • 怎样表示显微镜物镜的成像光束大小和成像范围大小？望远镜中 是怎样表示的？ • 一般用显微镜的孔径光阑选在什么地方？测量用显微镜的孔径光 阑选在什么地方？为什么？ 第六章 : 辐射度学和光度学基础 ( 理论学时： 8 学时 ) • 讨论题：光通量和辐射通量有什么区别？ • 讨论题：发光强度、光照度以及光亮度分别代表什么含义？ • 思考题：什么叫发光点？什么叫发光面？如何表示人眼对发光点和 发光面的主观光亮度？ • 一般钨丝白炽灯各方向的平均发光强度（ cd ）大约和灯泡的辐射 功率（ W ）相等，问灯泡的发光效能为多大？ • 有一直径 20 厘米 的球形磨砂灯泡，各方向均匀发光，其光视效 能为 15 lm/W ，若在灯泡正下方 2 米 处的光照度为 30 lx ，问该 灯泡的功率为多大？灯泡的光亮度多大？ • 用一个 250W 的溴钨灯作为 16 毫米 电影放映机的光源，光源的 光视效能为 30 lm/W ，灯丝的外形面积为 5 × 7mm 2 ，可以近似 看作一个两面发光的发光面，采用第一种照明方式。灯泡的后面加有 球面反光镜，使灯丝的平均光亮度提高 50 % ，银幕宽度为 4 米 ， 放映物镜的相对孔径为 1 ： 1.8 ，系统的透过率 τ ＝ 0.6 ，求 银幕光照度（ 16 毫米 放映机的片门尺寸为 10 × 7mm 2 ）。
应用光学第3章 理想光学系统
nytgU nytgU (10)
此式即为理想光学系统 的拉赫不变量公式。
3.5 理想光学系统的放大率
一、垂轴放大率
1.定义：共轭面像高与物高之比
y
y
2.表达式：
根据牛顿公式,得以焦点为原点的放大率公式
y f x (1)
y x f
根据高斯公式,得以主点为原点的放大率公式
fl (2)
f l
根据两焦距的关系，可得 nl (3)
nl
结论：此式与单个折射球面和共轴球面系统的放 大率公式一致。
④当系统处于同一种介质中时
l (4)
l
结论：垂轴放大率随物体位置不同而不同，在不同 共轭面上，垂轴放大率不同；在同一共轭面上， 放大率是一个常数。
二、轴向放大率
1.定义：轴上像点移动微小距离与物点移动的微小 距离之比。 dl dx dl dx
三、由已知共轭面和共轭点确定一切物点的像点 a.已知两对共轭面的位置和垂轴放大率
b.已知一对共轭面的位置和垂轴放大率以及两对共轭 点的位置
3.2理想光学系统的基点和基面
1.物像方焦点、焦平面 2.物像方主点、主平面， 3.物象方焦距 4.单个折射球面的主平面 5.单个折射球面的焦距 6.单个球面反射镜的主平面和焦距
像距：以像方焦点F为原点,到像点的距离(F'A')为像 距,用x’表示。
牛顿公式：
用f和f ' 表示理想光学系统物、象方焦距，用
x和x'表示物体和像位置。
三角形ABF和三角形MHF相似，得：
y f
yx
三角形A’B’F’和三角形H’N’F’相似，得：
y x
y f xx ff
————此式即为牛顿公式。
应用光学第二,三章ppt课件
r d 2 2
r d 1 3
14. 假定显微镜物镜由相隔20mm的两个薄透镜组 构成，物平面和像平面之间的距离为180mm， 放大率β=-10×，要求近轴光线通过二透镜组时 的偏角Δu1和Δu2相等，求二透镜 组的焦距。 解：
' u u u 1 1 1
' u u u 2 2 2
应用视度公式就可以了
1 1 SD 1 l 1
注意符号，这里是-1
3、假定用眼睛直接观察敌人的坦克时，可以在400m的距离上看清
坦克上的编号，如果要求距离2km也能看清，问应使用几倍的望远镜 ?
l ' 36 . 12 m
若 l'50 m
l ' 1 1 1 300 l l ' l f '
3 50 10 f' 166 . 11 mm 301
16. 一个投影仪用5×的投影物镜，当像平面与投影屏不重合而
外伸10mm时，则须移动物镜使其重合，试问物镜此时应向 物平面移动还是向像平面移动?移动距离多少?
x 8 m x ' 0 . 703 mm
x 6 m x ' 0 . 9375 mm
x 4 m x ' 1 . 406 mm
x 2 m x ' 2 . 813 mm
7. 设一物体对正透镜成像，其垂轴放大率等于-1，
试求物平面与像平面的位置，并用作图法验证。
ห้องสมุดไป่ตู้
解：
2 2 dx 5 25
dx ' 25 dx
dx ' 10 dx ' 10
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
畸变
畸变
畸变是目视光学系统成像的一种 失真现象，表现为图像的几何形 状发生变化。畸变分为桶形畸变
和枕形畸变两种类型。
畸变的测量
畸变的测量通常采用畸变系数， 即实际图像与理想图像的几何形 状差异的比例。畸变系数越大，
畸变越严重。
畸变的影响因素
影响畸变的因素包括光学系统的 设计、镜片质量、制造误差等。
望远镜
用于观察远距离物体的目 视光学系统，通常具有较 大的视场和较长的焦距。
摄影镜头
用于拍摄照片的目视光学 系统，通常具有较高的成 像质量。
目视光学系统的基本参数
焦距
目视光学系统的焦距是指 物镜与目镜之间的距离， 决定了系统的放大倍数和 观察距离。
视场
目视光学系统的视场是指 物镜所能够覆盖的视野范 围，决定了观察者能够看 到的物体范围。
眼镜广泛应用于人们的日常生活和工 作，是矫正视力缺陷、保护眼睛健康 的重要工具。
摄影镜头
摄影镜头是一种将景物光线聚焦在感光材料上的目视光学仪器，能够将景物拍摄 成照片。
摄影镜头广泛应用于新闻报道、广告、电影和摄影等领域，为人们提供了记录和 分享美好瞬间的工具。
04
目视光学系统的性能评价
分辨率
分辨率
对比度
对比度
对比度是衡量目视光学系统区分 明暗变化的能力的指标。对比度 越高，光学系统呈现的图像明暗
差异越大，细节越丰富。
对比度的公式
对比度通常用公式表示为"明暗区 域的亮度比值"。比值越大，对比 度越高。
对比度的影响因素
影响对比度的因素包括光学系统的 透过率、反射率、像差等。优化这 些因素可以提高光学系统的对比度。
分辨率
目视光学系统的分辨率是 指系统能够分辨的最小细 节程度，通常以线对数表 示。
应用光学：第三章 眼睛和目视光学系统
B’
1 y y'
可在望远镜前垂直光轴放置一有刻化的物体，测量像高的大小， 即可得视放大率。
2、 望远系统的种类
a.开普勒望远系统
可安装分划板，用于瞄准
开普勒望远系统应用－军用望远镜
b.伽利略望远系统
结构紧凑，筒长短，较为轻便，光能损失少，并且使 物体呈正立的像。但是由于没有中间实像，不能安装分划 板，因而不能用来瞄准和定位
双目镜筒 是通过加 反射棱镜 和平行平 板实现的
3、显微镜设计中的规定参数：
• 共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离，约 180mm
• 机械筒长：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒 长度。（我国规定为160mm）
• 常用的物镜倍率：4x、 10x、 40x和100x • 常用的目镜倍率：5x、10x和15x
8.24"
8.24“扩大到60”，所以：
tg' tg
' ຫໍສະໝຸດ 60 8.247.3
例：经纬仪用望远镜的视放大率为20，使用夹线瞄准， 瞄准角误差等于多少？
tg' ' tg
' 10" 0.5"
20
像于此处，则看不到，该处称盲点。
2. 眼睛的成像：
• 眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光 圈的超级照相机
• 眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-16.7mm f’=22.3mm
• 在调焦范围内，-f=14.2－17.1mm f’=18.9 －22.8mm
人眼--------照相机 水晶体--------镜头 网膜---------底片 瞳孔---------光阑
物镜的像再被目镜放大，其放大率为e = 250 fe ；
1 y y'
可在望远镜前垂直光轴放置一有刻化的物体，测量像高的大小， 即可得视放大率。
2、 望远系统的种类
a.开普勒望远系统
可安装分划板，用于瞄准
开普勒望远系统应用－军用望远镜
b.伽利略望远系统
结构紧凑，筒长短，较为轻便，光能损失少，并且使 物体呈正立的像。但是由于没有中间实像，不能安装分划 板，因而不能用来瞄准和定位
双目镜筒 是通过加 反射棱镜 和平行平 板实现的
3、显微镜设计中的规定参数：
• 共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离，约 180mm
• 机械筒长：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒 长度。（我国规定为160mm）
• 常用的物镜倍率：4x、 10x、 40x和100x • 常用的目镜倍率：5x、10x和15x
8.24"
8.24“扩大到60”，所以：
tg' tg
' ຫໍສະໝຸດ 60 8.247.3
例：经纬仪用望远镜的视放大率为20，使用夹线瞄准， 瞄准角误差等于多少？
tg' ' tg
' 10" 0.5"
20
像于此处，则看不到，该处称盲点。
2. 眼睛的成像：
• 眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光 圈的超级照相机
• 眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-16.7mm f’=22.3mm
• 在调焦范围内，-f=14.2－17.1mm f’=18.9 －22.8mm
人眼--------照相机 水晶体--------镜头 网膜---------底片 瞳孔---------光阑
物镜的像再被目镜放大，其放大率为e = 250 fe ；
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
已知显微镜的视放大率为-300，目镜焦距为20mm，求显微镜物镜 的倍率。若人眼的视角分辨率为60’’ ，则用该显微镜能分辨的两物点 的最小距离是多少？
目
250
f目'
=物目
300
物
250 20
物
24
tan 仪 =
y' f目'
物 24
y' y
tan 60''
明视距离: 眼睛前方250mm 距离处，SD=(1 / (-0.25))= -4 近点距离: 眼睛通过调节能看清物体的最短距离. 远点距离: 眼睛能看清物体的最远距离 最大调节范围 = 近点视度 – 远点视度
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 不同年龄段正常的人眼调节能力
年龄 10 15 20 25 30 35 40 45 50
'
r'
0.61 n'sin U 'max
0.61 n'(D / 2R)
1.22R n'D
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
'
0.61 n'sin U 'max
1.22R n'D
当满足小角度时，sinU'max=tanU'max=U'max
'
0.61 n'sin U 'max
0.61 n’u '
最大调节范围/视度 -14 -12 -10 -7.8 -7.0 -5.5 -4.5 -3.5 -2.5
近点距离 (mm) 70 83 100 130 140 180 220 290 400
3 人眼及其光学系统
已知显微镜的视放大率为-300，目镜焦距为20mm，求显微镜物镜 的倍率。若人眼的视角分辨率为60’’ ，则用该显微镜能分辨的两物点 的最小距离是多少？
目
250
f目'
=物目
300
物
250 20
物
24
tan 仪 =
y' f目'
物 24
y' y
tan 60''
明视距离: 眼睛前方250mm 距离处，SD=(1 / (-0.25))= -4 近点距离: 眼睛通过调节能看清物体的最短距离. 远点距离: 眼睛能看清物体的最远距离 最大调节范围 = 近点视度 – 远点视度
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 不同年龄段正常的人眼调节能力
年龄 10 15 20 25 30 35 40 45 50
'
r'
0.61 n'sin U 'max
0.61 n'(D / 2R)
1.22R n'D
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
'
0.61 n'sin U 'max
1.22R n'D
当满足小角度时，sinU'max=tanU'max=U'max
'
0.61 n'sin U 'max
0.61 n’u '
最大调节范围/视度 -14 -12 -10 -7.8 -7.0 -5.5 -4.5 -3.5 -2.5
近点距离 (mm) 70 83 100 130 140 180 220 290 400
《应用光学》第3章 理想像和理想光学系统
n' n n'n
l' l
上式两边同乘以l l'，得
r n'l nl' n'n ll' r
13
上式左边为0，对主点来说，将l'＝n'l / n代入右边得
n'n n' l 2 0 rn
由此得到l＝0，代入nl'＝n'l，又得l'＝0。所以球面
的两个主点H、H'与球面顶点重合。
14
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、球面焦距公式 按照球面定义像方焦点为无限远
•n1'= n2= 1.5163; •求: lF, lF', lH, lH', f, f'
采用计算机编程（MATLAB 程序）
22
• 已知条件
• r1=10;r2=-50;d1=5;h1=10;n1=1; • 同理可得：
• n1'=1.5163;n2=n1';
• r2=-10;r2=50;d1=5;h1=10;n1=1;
• 焦距是以相应的主点为原点来确定正负的，如果 由主点到相应焦点的方向与规定光线的正方向相同 为正，反之为负。在图3-1中，f<0 , f '>0. 以后将会 知道 f '>0为正系统，f '<0 为负系统。在图3-1中物 像方平行于光轴的光线高度均为 h，其共轭光线与 光轴的夹角为u和u'，则有：
学系统的物方焦点。显然，根据光路可逆原理，
物方焦点 F 经系统以后必成像于像方无限远的轴 上点。或者说，物方焦点与像方无限远的轴上点 是一对共轭点。
7
过物方焦点 F 的垂轴平面称为物方焦平面。显然，
应用光学(第三章)
2f ' 2x f' h
h
面反射镜的旋转特性。
Applied Optics
授课：任秀云
平面镜的平移效应
A B
A ′A ″=2h
P
Q
h
A” A’
2h
Applied Optics
授课：任秀云
综上所述， 单个平面镜的成像特性可归纳为：
①具有折转光路的作用，是唯一能成完善像的光学元件 ②β=1,物像虚实相反,具有对称性，故不影响光学系统 放大率和成像清晰度。 ③奇数次反射成镜像， 偶数次反射成一致像。
Applied Optics
授课：任秀云
这种系统就是原始的军用观察望远镜的光学系统，其体积、重 量都比较大，不能满足军用观察望远镜的要求，故早已被淘汰 了。目前使用的军用观察望远镜，由于在系统中使用了棱镜， 如图(b)所示，所以它不需要加入倒像透镜组即可获得正像，同 时又可大大地缩小仪器的体积和重量。
Applied Optics
授课：任秀云
此外，在很多仪器中，根据实际使用的要求，往往需要 改变共轴系统光轴的位置和方向。例如在迫击炮瞄准镜 中，为了观察方便，需要使光轴倾斜一定的角度，如图 所示：
Applied Optics
授课：任秀云
平面镜棱镜系统主要作用有： (1)将共轴系统折叠以缩小仪器的体积和减轻仪器 的重量； (2)改变像的方向——起倒像使用； (3)改变共轴系统中光轴的位置和方向——即形成 潜望高或使光轴转一定的角度； (4)利用平面镜或棱镜的旋转，可连续改变系统光 轴的方向，以扩大观察范围。 (5)利用平面镜转动作用扩大仪器的放大率 (6)实现分光、合像和微位移
3、当角锥棱镜绕其顶点旋转 时，出射方向不变仅产生一 个平移。
《应用光学》总结
2 Applied Optics
1 1 1 1 n( - ) = n' ( - ) = Q r l r l'
阿贝不变量,用Q表示.说明一折射球面的物空间 和像空间的Q值是相等的
n' - n n' u' - nu = h r
近轴光经球面折射前,后的u和u′ 角的关系
3
Applied Optics
折射球面物,像位置l和l′ 之间的关系,称为单个☆ 折射球面的物像位置公式.
自备铅笔,作图题一律用铅笔作答! 自备铅笔,作图题一律用铅笔作答! 试卷用黑色钢笔或签字笔作答! 试卷用黑色钢笔或签字笔作答
18
Applied Optics
《应用光学》答疑时间安排
时间:1月14日晚上 日晚上7:00-9:00 时间: 月 日晚上 地点:科研楼313信息光学教研室 地点:科研楼 信息光学教研室
16
Applied Optics
第八章 像差 七种像差的形成原因,表现形式,对成像的影响. 如何减小像差(球差,慧差等) 系统分辨率
17
Applied Optics
考试类型
填空( 填空(约38分) 分 简答题( 简答题(约16分) 分 作图题( 理想光学系统成像,平面镜棱 作图题(约18分,理想光学系统成像 平面镜棱 分 理想光学系统成像 镜系统成像方向,棱镜的选择 棱镜的选择) 镜系统成像方向,棱镜的选择) 折射球面焦距, 证明或计算题 (约28分,折射球面焦距,成像 约 分 折射球面焦距 成像; 双光组组合的焦点位置,焦距 主点位置;望远镜 焦距,主点位置 双光组组合的焦点位置 焦距 主点位置 望远镜 视放大率,显微镜 孔径光阑,视场光阑的确定 显微镜;孔径光阑 视放大率 显微镜 孔径光阑 视场光阑的确定)
1 1 1 1 n( - ) = n' ( - ) = Q r l r l'
阿贝不变量,用Q表示.说明一折射球面的物空间 和像空间的Q值是相等的
n' - n n' u' - nu = h r
近轴光经球面折射前,后的u和u′ 角的关系
3
Applied Optics
折射球面物,像位置l和l′ 之间的关系,称为单个☆ 折射球面的物像位置公式.
自备铅笔,作图题一律用铅笔作答! 自备铅笔,作图题一律用铅笔作答! 试卷用黑色钢笔或签字笔作答! 试卷用黑色钢笔或签字笔作答
18
Applied Optics
《应用光学》答疑时间安排
时间:1月14日晚上 日晚上7:00-9:00 时间: 月 日晚上 地点:科研楼313信息光学教研室 地点:科研楼 信息光学教研室
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Applied Optics
第八章 像差 七种像差的形成原因,表现形式,对成像的影响. 如何减小像差(球差,慧差等) 系统分辨率
17
Applied Optics
考试类型
填空( 填空(约38分) 分 简答题( 简答题(约16分) 分 作图题( 理想光学系统成像,平面镜棱 作图题(约18分,理想光学系统成像 平面镜棱 分 理想光学系统成像 镜系统成像方向,棱镜的选择 棱镜的选择) 镜系统成像方向,棱镜的选择) 折射球面焦距, 证明或计算题 (约28分,折射球面焦距,成像 约 分 折射球面焦距 成像; 双光组组合的焦点位置,焦距 主点位置;望远镜 焦距,主点位置 双光组组合的焦点位置 焦距 主点位置 望远镜 视放大率,显微镜 孔径光阑,视场光阑的确定 显微镜;孔径光阑 视放大率 显微镜 孔径光阑 视场光阑的确定)
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•最大调节范围＝近点视度－远点视度
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
2、瞳孔调节
• 虹膜可以自动瞳孔大小，以控制人眼的进光量
• 强光下，白天 D=2mm; 夜晚，D=8mm
• 设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大 小配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大 一些
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
2、近视眼的特点 • 近视眼像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成
像在网膜上
•F ’
• 近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远 点）是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方 共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 近视程度用远点距离对应的视度表示
•直接观察：
•ω眼
•－y’眼 •π ’
•-y’眼=π’tgω眼
•用仪器观察：
• ω仪
•－y’仪 •π ’
•-y’仪=π’tgω仪
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时 网膜上的像高之比表示了仪器的放大作用，称为 视角放大率，用Г 表示。
•2、成像在无限远（出射平行光）
• 放大镜工作原理
•只要物体对人眼的张角大于人眼的视角分辨率即 可看清楚
• 如果物体对人眼张角小于60”，人眼看不见， 则可以考虑借用仪器来观察。
• 1. 物体必须放在系统的物方焦平面处，使得 出射光为平行光。
• 2.从仪器出射的光线对人眼的张角必须大于人
眼直接观察时物体对人眼的张角，人眼直接观察
•例如：15倍的放大镜，焦距为16.6，假设双凸，则 两个半径为17毫米左右，若平凸，则半径为8.5毫米 左右。 为此，设计了显微镜，即复杂化的放大镜
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 显微镜的工作原理
•物镜
•目镜
• y’
•-y
•F’物
•F目
• ω仪
•f ’物
•Δ
•-f目
• 显微镜同放大镜一样，需将物体放在物方焦平面处，为 提高放大率，先将此物体放大，经过两次放大，放大率 就有很大提高。前面的系统叫物镜，后面的系统叫目镜
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•二、体视误差
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/12/7
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
目视光学仪器的视放大率大于1 目视光学仪器所成的像应该位于无限远。 这是对目视光学仪器的两个共同要求。 根据所观察目标的情况不同，目视光学仪器分为 两大类：一类叫望远镜，它是用于观察远距离目标的； 另一类叫显微镜，它是用于观察近距离微小目标的。
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•二、双眼深度感觉 •1、转动视轴，注视目标时肌肉紧张程度
•视轴：眼睛像方节点与黄斑中心连线
•A •α1 •B •α2
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•2、立体视觉－－体视
体视的产生(视差角)
•B
•A
•αB •αA
•A、B离眼睛距离相同，此时： •αA= aB
• b1、b2都在a1、a2的同侧； • a1b1=a2b2
移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为朝 向物镜；
•当SD为“＋”时，x为“－”， x远离目镜，目镜
移动方向为远离物镜；
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第五节 空间深度感觉和双眼立体视觉
一、单眼深度感觉
单眼判断远近的依据： 1、物高已知时，根据视角判断； 2、根据物体之间的遮蔽关系和日光阴影等； 3、根据对物体细节的分辩程度、空气透明度； 4、根据眼睛的调节程度
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•二、目视光学仪器的视度调节
•物镜
•目镜
•F’物
•F目
•F
’
•正常眼
•近视眼
•F目
•F ’
•F目
•远视眼 •F ’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•调节量的计算
•由 xx’=ff’，
•
x=-f’目2/ x’= -SD f’目2 /1000 (mm)
•注意：
•当SD为“－”时，x为“＋”， x是物相对于目镜
•开普勒望远镜：•Г<0，成倒像，系统中存在实像
•F’物 •F目
•伽利略望远镜：•Г>0，成正像，系统中存在虚像
•F’物 •F目
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•性质：
•y • -y’
•Г=•γ •=1/β =D/D’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第四节 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调 节
• 以上是对应视轴周围很小范围内的视角分辨率。当物 体偏离视轴时，视神经细胞加大，分辨率迅速下降，如图 曲线所示。 • 图中横坐标代表物点和眼的连线与视轴之间的夹角， 纵坐标代表相对分辨率（假定黄斑的分辨率等于1）。
•图 5-4
•视角分辨率（相对值）•Fra bibliotek侧黄斑
鼻侧
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•对线的分辨率： •一直线的像刺激着一系列视神经细胞，而另一直线的 像又刺激着旁边的另一列视神经细胞，所以眼睛能够 敏锐地感觉到它们之间的位移。 •分辨率可以提高到10’’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 立体视觉半径 • 立体视觉误差
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第六节 双眼观察仪器
一、体视放大率 若人眼直接观察的视差角为α眼，通过仪器后视
差角放大为α仪，则体视放大率定义为
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•人眼直接观察时 •进入仪器物方视差 角 •通过仪器的视差角 •因此
第三章眼睛的目视光学 系统应用光学
2020/12/7
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
本章主要解决的问题： • 眼睛的构造 • 望远镜、显微镜的工作原理 • 眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷
及调整
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第一节 人眼的光学特性 • 人眼的构造
•从光学角度看，主要有三部分： •水晶体 •－－－－镜头 •视网膜 •－－－－底片 •瞳孔 •－－－－光阑
1
•a •b 22
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
体视锐度、体视半径、体视误差 ➢视差角之差Δα的大小标志着物体远近差别的大小
•Δα≤10″时，人眼就分不清A、B的远近区别了，这一极限值
称为体视锐度
➢人眼有体视的最大距离称为体视半径
➢能够判断远近的体视范围内，对两物体是否处在同 一空间深度的判断是有误差的，称为体视误差
• y’
•F’物 •F目
• ω’
• －f
目
•用了仪器以后目标像对人眼的张角 •仪器的像方视场角 •人眼直接观察物体时对人眼的张角
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• • • •
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 要增大视角
•
成正像
•
成反像
• 两类系统
• 1。刻卜勒望远镜
• 2。伽利略望远镜
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•一、眼睛的缺陷和校正
•1、正常人眼的焦点F’、远点和近点
正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜 上，即焦点F’与网膜重合
•F’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节 可以将F’点前移，使像成在网膜上 人眼能看清的最远距离称为远点，远点是人眼自 然状态下与网膜像相共轭的物平面位置 人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准 精度。 综合一下，看得清的条件： 必要条件：成像在视网膜上
充分条件：对二点,视角 》60” 对二线,视角 》10”
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第二节 放大镜和显微镜的工作原理
人眼的视角分辨率（60”）。物高y和物距l满足关系： y/L≥0.0003（≈60“）
时物体放在250毫米处
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•F
•-f=f ’
• ω仪
•－y’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
放大镜的视放大率只与放大镜的焦距有关
注意，这里统一规定人眼直接观察时，物体放在离人 眼250毫米处，如果不能满足这个条件，公式就不是 250除以焦距
要提高放大镜的倍率，就必须减小透镜的焦距，单个 透镜的焦距不可能做的很小，为什么？
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•4、远视眼的特点 • 远视眼像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可能
看清无限远物体
•F’
• 远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼 增加
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•F’
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•A3
•A2
•A1
•A4
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• 眼睛的调节：视度调节、瞳孔调节
•1、视度调节 定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使 落在视网膜上的过程。
•F’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 调节量的表示：视度 •与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数
• l 单位为米 • 明视距离和近点、远点
•明视距离：眼睛前方250mm，SD=(1 / (-0.25))= -4 • 近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离 • 远点：眼睛能看清物体的最远距离
这个公式同单个放大镜的视放大率一样，因此显微镜 可看成一个复杂化的放大镜 不同倍率的物镜和目镜都可以互换，为保证互换性， 要求显微镜物镜的物平面到像平面的距离都等于195 毫米
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2、瞳孔调节
• 虹膜可以自动瞳孔大小，以控制人眼的进光量
• 强光下，白天 D=2mm; 夜晚，D=8mm
• 设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大 小配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大 一些
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
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2、近视眼的特点 • 近视眼像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成
像在网膜上
•F ’
• 近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远 点）是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方 共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 近视程度用远点距离对应的视度表示
•直接观察：
•ω眼
•－y’眼 •π ’
•-y’眼=π’tgω眼
•用仪器观察：
• ω仪
•－y’仪 •π ’
•-y’仪=π’tgω仪
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时 网膜上的像高之比表示了仪器的放大作用，称为 视角放大率，用Г 表示。
•2、成像在无限远（出射平行光）
• 放大镜工作原理
•只要物体对人眼的张角大于人眼的视角分辨率即 可看清楚
• 如果物体对人眼张角小于60”，人眼看不见， 则可以考虑借用仪器来观察。
• 1. 物体必须放在系统的物方焦平面处，使得 出射光为平行光。
• 2.从仪器出射的光线对人眼的张角必须大于人
眼直接观察时物体对人眼的张角，人眼直接观察
•例如：15倍的放大镜，焦距为16.6，假设双凸，则 两个半径为17毫米左右，若平凸，则半径为8.5毫米 左右。 为此，设计了显微镜，即复杂化的放大镜
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• 显微镜的工作原理
•物镜
•目镜
• y’
•-y
•F’物
•F目
• ω仪
•f ’物
•Δ
•-f目
• 显微镜同放大镜一样，需将物体放在物方焦平面处，为 提高放大率，先将此物体放大，经过两次放大，放大率 就有很大提高。前面的系统叫物镜，后面的系统叫目镜
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•二、体视误差
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目视光学仪器的视放大率大于1 目视光学仪器所成的像应该位于无限远。 这是对目视光学仪器的两个共同要求。 根据所观察目标的情况不同，目视光学仪器分为 两大类：一类叫望远镜，它是用于观察远距离目标的； 另一类叫显微镜，它是用于观察近距离微小目标的。
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第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•二、双眼深度感觉 •1、转动视轴，注视目标时肌肉紧张程度
•视轴：眼睛像方节点与黄斑中心连线
•A •α1 •B •α2
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•2、立体视觉－－体视
体视的产生(视差角)
•B
•A
•αB •αA
•A、B离眼睛距离相同，此时： •αA= aB
• b1、b2都在a1、a2的同侧； • a1b1=a2b2
移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为朝 向物镜；
•当SD为“＋”时，x为“－”， x远离目镜，目镜
移动方向为远离物镜；
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第五节 空间深度感觉和双眼立体视觉
一、单眼深度感觉
单眼判断远近的依据： 1、物高已知时，根据视角判断； 2、根据物体之间的遮蔽关系和日光阴影等； 3、根据对物体细节的分辩程度、空气透明度； 4、根据眼睛的调节程度
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•二、目视光学仪器的视度调节
•物镜
•目镜
•F’物
•F目
•F
’
•正常眼
•近视眼
•F目
•F ’
•F目
•远视眼 •F ’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•调节量的计算
•由 xx’=ff’，
•
x=-f’目2/ x’= -SD f’目2 /1000 (mm)
•注意：
•当SD为“－”时，x为“＋”， x是物相对于目镜
•开普勒望远镜：•Г<0，成倒像，系统中存在实像
•F’物 •F目
•伽利略望远镜：•Г>0，成正像，系统中存在虚像
•F’物 •F目
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•性质：
•y • -y’
•Г=•γ •=1/β =D/D’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第四节 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调 节
• 以上是对应视轴周围很小范围内的视角分辨率。当物 体偏离视轴时，视神经细胞加大，分辨率迅速下降，如图 曲线所示。 • 图中横坐标代表物点和眼的连线与视轴之间的夹角， 纵坐标代表相对分辨率（假定黄斑的分辨率等于1）。
•图 5-4
•视角分辨率（相对值）•Fra bibliotek侧黄斑
鼻侧
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•对线的分辨率： •一直线的像刺激着一系列视神经细胞，而另一直线的 像又刺激着旁边的另一列视神经细胞，所以眼睛能够 敏锐地感觉到它们之间的位移。 •分辨率可以提高到10’’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 立体视觉半径 • 立体视觉误差
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第六节 双眼观察仪器
一、体视放大率 若人眼直接观察的视差角为α眼，通过仪器后视
差角放大为α仪，则体视放大率定义为
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•人眼直接观察时 •进入仪器物方视差 角 •通过仪器的视差角 •因此
第三章眼睛的目视光学 系统应用光学
2020/12/7
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本章主要解决的问题： • 眼睛的构造 • 望远镜、显微镜的工作原理 • 眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷
及调整
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第一节 人眼的光学特性 • 人眼的构造
•从光学角度看，主要有三部分： •水晶体 •－－－－镜头 •视网膜 •－－－－底片 •瞳孔 •－－－－光阑
1
•a •b 22
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
体视锐度、体视半径、体视误差 ➢视差角之差Δα的大小标志着物体远近差别的大小
•Δα≤10″时，人眼就分不清A、B的远近区别了，这一极限值
称为体视锐度
➢人眼有体视的最大距离称为体视半径
➢能够判断远近的体视范围内，对两物体是否处在同 一空间深度的判断是有误差的，称为体视误差
• y’
•F’物 •F目
• ω’
• －f
目
•用了仪器以后目标像对人眼的张角 •仪器的像方视场角 •人眼直接观察物体时对人眼的张角
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• • • •
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 要增大视角
•
成正像
•
成反像
• 两类系统
• 1。刻卜勒望远镜
• 2。伽利略望远镜
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•一、眼睛的缺陷和校正
•1、正常人眼的焦点F’、远点和近点
正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜 上，即焦点F’与网膜重合
•F’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节 可以将F’点前移，使像成在网膜上 人眼能看清的最远距离称为远点，远点是人眼自 然状态下与网膜像相共轭的物平面位置 人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 在瞄准测量中常常把对线的分辨率叫做对准 精度。 综合一下，看得清的条件： 必要条件：成像在视网膜上
充分条件：对二点,视角 》60” 对二线,视角 》10”
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第二节 放大镜和显微镜的工作原理
人眼的视角分辨率（60”）。物高y和物距l满足关系： y/L≥0.0003（≈60“）
时物体放在250毫米处
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•F
•-f=f ’
• ω仪
•－y’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
放大镜的视放大率只与放大镜的焦距有关
注意，这里统一规定人眼直接观察时，物体放在离人 眼250毫米处，如果不能满足这个条件，公式就不是 250除以焦距
要提高放大镜的倍率，就必须减小透镜的焦距，单个 透镜的焦距不可能做的很小，为什么？
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•4、远视眼的特点 • 远视眼像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可能
看清无限远物体
•F’
• 远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼 增加
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•F’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•A3
•A2
•A1
•A4
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 眼睛的调节：视度调节、瞳孔调节
•1、视度调节 定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使 落在视网膜上的过程。
•F’
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 调节量的表示：视度 •与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数
• l 单位为米 • 明视距离和近点、远点
•明视距离：眼睛前方250mm，SD=(1 / (-0.25))= -4 • 近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离 • 远点：眼睛能看清物体的最远距离
这个公式同单个放大镜的视放大率一样，因此显微镜 可看成一个复杂化的放大镜 不同倍率的物镜和目镜都可以互换，为保证互换性， 要求显微镜物镜的物平面到像平面的距离都等于195 毫米