(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
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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 理想光学系统 ppt课件
2
结论：反射球面的焦点位于球心和顶点的中间
球面反射镜的主平面：
nlH nlH
1 nlH
nlH
n n
结论：球面反射镜的物像方主平面重合，
lH
11 l l
lH
2 r
与球面顶点相切。
lH lH 0
ppt课件
21
3.3 理想光学系统的物像关系式
4.两种放大率之间的关系
fl
f l
fl′2 α = - f ′ l2
α = n′β2 ( 9 ) n
结论：理想光学系统的沿轴放大率恒为正值，物、 像移动方向相同。
ppt课件
35
三、角放大率
1.定义：共轭面的轴上点发出的入射光线通过 光学系统后，出射光线的像方孔径角的正切 值与入射光线的物方孔径角的正切值之比。
Q’
A1
Ek
Ak
F O1
H H’
Ok F’
主平面：垂轴放大率为β=+1的共轭面称为光学系统 的主平面，QH为物方主平面，Q’H’为像方主平 面。
注：除望远系统外，所有系统都有一对主平面。
光学系统总是包含一对主点（主平面），一对焦点
（焦平面），前者是一对共轭点（面），后者不是。
ppt课件
16
主要内容： 1.两焦距关系：讨论在同一介质中、光学系
统包括反射面情况； 2.物象关系公式拓展 3.拉赫不变量
ppt课件
26
一、两焦距之间的关系
1.两焦距关系
直角三角形AQH和A'Q'H'
(x f )tgU h (x f )tgU (1)
三角形ABF和三角形HMF相似，三角形A’B’F’和
结论：反射球面的焦点位于球心和顶点的中间
球面反射镜的主平面：
nlH nlH
1 nlH
nlH
n n
结论：球面反射镜的物像方主平面重合，
lH
11 l l
lH
2 r
与球面顶点相切。
lH lH 0
ppt课件
21
3.3 理想光学系统的物像关系式
4.两种放大率之间的关系
fl
f l
fl′2 α = - f ′ l2
α = n′β2 ( 9 ) n
结论：理想光学系统的沿轴放大率恒为正值，物、 像移动方向相同。
ppt课件
35
三、角放大率
1.定义：共轭面的轴上点发出的入射光线通过 光学系统后，出射光线的像方孔径角的正切 值与入射光线的物方孔径角的正切值之比。
Q’
A1
Ek
Ak
F O1
H H’
Ok F’
主平面：垂轴放大率为β=+1的共轭面称为光学系统 的主平面，QH为物方主平面，Q’H’为像方主平 面。
注：除望远系统外，所有系统都有一对主平面。
光学系统总是包含一对主点（主平面），一对焦点
（焦平面），前者是一对共轭点（面），后者不是。
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16
主要内容： 1.两焦距关系：讨论在同一介质中、光学系
统包括反射面情况； 2.物象关系公式拓展 3.拉赫不变量
ppt课件
26
一、两焦距之间的关系
1.两焦距关系
直角三角形AQH和A'Q'H'
(x f )tgU h (x f )tgU (1)
三角形ABF和三角形HMF相似，三角形A’B’F’和
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•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
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
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r暗1
按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
人眼的视角分辨率为ω″,如果远距离两目标对人眼的张角 小于ω″,它们的像不能落在网膜不相邻的细胞上,就分不清是一 个点还是两个点。
设想,如果先用一个光学仪器对两目标成像,使它们的两像 点对人眼的张角大于ω〃,人眼看清这两个像点,也就是看得清 两目标了。
角膜, 前室和水晶体可以看作镜头的一个组成部分.
虹膜: 水晶体和前室之间的隔膜. 其中心有一圆孔,为瞳 孔,限制进入眼睛的光能量, 作为相机中的可调光圈.
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
后室: 水晶体后面的空间，后室中充满蛋白状的玻璃液，折射率为1.336。 视网膜: 视神经细胞和神经纤维组成，作为感光底片。
所以
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 对线分辨率: 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,这时的分辨率可以提高到 10”
一些测量仪器都采取这种类型的对准方 式来提高测量精度.
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
1 0.8
r暗1
瑞利指出：这种合成的衍射图样还是可以看出是由两个发光点构成的。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
从图中可看出，两个爱里斑的中心 距正好是艾里斑的半径。
瑞利就以艾里斑半径或衍射图样
的第一暗环半径（r暗1）作为 光
学系统能对无限远两点的像分辨
得开的最小距离称之为瑞利判据；
1 0.8
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
2. 瞳孔调节
外界物体的亮度是随着物体种类/天气和时间不断变化着的.
• 虹膜可以自动调节瞳孔的大小,来控制眼睛的进光量。 • 强光下,白天, D=2mm;
夜晚, D=8mm • 当设计目视光学仪器时, 仪器的出射瞳孔要和人眼的瞳孔大小相
配合；白天使用的出射瞳孔可以小些; 晚上使用的则要大些。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 人眼的视觉特征
视轴: 黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线. 人眼的视场: 人眼的视场可以达到 150 度. 如果头保持不动, 我们只能看清视轴中心附近6º－8º的范围. 为了看到更大的范围,可以自由旋转眼球,头也动.
应用光学（第四版、显微镜、望远镜
• 1.放大镜 • 2.显微镜 • 3.望远镜
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
1. 理想光学系统的分辨率
无穷远自身发光的物点，在焦平面上所成的像不是几何点，而是一个 由一系列光环组成的衍射图样。
应用光学（第四版）
中央亮斑称为艾里斑
3 人眼及其光学系统 中央亮斑的直径
眼睛的调节:视度调节 和瞳孔调节 1. 视度调节（主要是水晶体调节）
定义:随着物体距离的改变,人眼自动改变焦距,使像落在视网膜上的过程. 调节量的表示: 视度SD
l 的符合规则和理想光学系统一致
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
黄斑: 视网膜上视觉最敏感的区域. 视网膜和黄斑可看作是照相机的感光部分. 脉络膜:视网膜后面包裹的一层黑色膜，
吸收透过网膜的光线。 盲点: 视神经纤维在眼睛的出口, 没有 感光细胞, 不能形成视觉.
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
视觉的产生
外部光线进入人眼 在视网膜上形成一个像, 通过视神经 细胞产生了一个视觉信号刺激 通过视神经传输到大脑. 最后经过高级神经活动形成视觉. 这个过程包括物理学/生理学和心理学. 成倒像
3 人眼及其光学系统
(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
角膜: 角质构成的透明球面薄膜,入射光线首先通过角膜
前室: 角膜后的空间,充满透明的 n=1.3374的水状液, 会聚光线.
水晶体: 双凸透镜, 通过其周围肌肉的 调节可以改变其前表面的曲率半径, 从而使眼睛的有效焦距发生改变.
λ——光的波长 n'——像空间介质折射率
U‘max——光束的会聚角
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的艾 里斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。 这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
当相邻两点的间隔，正好使一个 衍射图样中的艾里斑中心和另一 个图样的第一暗环重合时，两个 衍射图样的光强分布曲线相加而 得到的合成光强分布曲线，两个 极大值之间存在的一个极小值， 能量约为极大值的80%。
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
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
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3 人眼及其光学系统 眼睛的视觉灵敏度 两个物点的视觉灵敏度： 假设有两个物点成像在视网膜上. 如果这两个像点之间的间距足 够大, 就认为是可以用肉眼分辨的, 当间距很小时, 人眼就有可能 分辨不开.
为什么？
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3 人眼及其光学系统 视网膜的结构
视网膜是由视神经细胞构成, 这里包括视锥细胞和视杆细胞 视锥细胞: 在强光条件下工作，视锥细胞主司昼光觉，有色觉，光敏感性差， 但视敏度高。 视杆细胞: 在弱光情况下工作，能感受弱光。 如果两个像点之间的距离大于视神经细胞直径的两倍,或者这两个像点分别位 于两个不相邻的两个细胞上时, 这两个像点就可以被分辨.
y’
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
视神经细胞直径约为 0.001-0.003mm, 一般取 0.006mm 作为眼睛的 分辨率,这是人眼视网膜上可以分辨的最短距离。 通常用这段距离在物空间对应的张角 ω 来表示, 称为视角分辨率.
y' f tg
y'min=-0.006 mm，f=-23 mm
按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
人眼的视角分辨率为ω″,如果远距离两目标对人眼的张角 小于ω″,它们的像不能落在网膜不相邻的细胞上,就分不清是一 个点还是两个点。
设想,如果先用一个光学仪器对两目标成像,使它们的两像 点对人眼的张角大于ω〃,人眼看清这两个像点,也就是看得清 两目标了。
角膜, 前室和水晶体可以看作镜头的一个组成部分.
虹膜: 水晶体和前室之间的隔膜. 其中心有一圆孔,为瞳 孔,限制进入眼睛的光能量, 作为相机中的可调光圈.
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3 人眼及其光学系统
后室: 水晶体后面的空间，后室中充满蛋白状的玻璃液，折射率为1.336。 视网膜: 视神经细胞和神经纤维组成，作为感光底片。
所以
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3 人眼及其光学系统 对线分辨率: 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,这时的分辨率可以提高到 10”
一些测量仪器都采取这种类型的对准方 式来提高测量精度.
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3 人眼及其光学系统
1 0.8
r暗1
瑞利指出：这种合成的衍射图样还是可以看出是由两个发光点构成的。
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3 人眼及其光学系统
从图中可看出，两个爱里斑的中心 距正好是艾里斑的半径。
瑞利就以艾里斑半径或衍射图样
的第一暗环半径（r暗1）作为 光
学系统能对无限远两点的像分辨
得开的最小距离称之为瑞利判据；
1 0.8
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3 人眼及其光学系统
2. 瞳孔调节
外界物体的亮度是随着物体种类/天气和时间不断变化着的.
• 虹膜可以自动调节瞳孔的大小,来控制眼睛的进光量。 • 强光下,白天, D=2mm;
夜晚, D=8mm • 当设计目视光学仪器时, 仪器的出射瞳孔要和人眼的瞳孔大小相
配合；白天使用的出射瞳孔可以小些; 晚上使用的则要大些。
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3 人眼及其光学系统 人眼的视觉特征
视轴: 黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线. 人眼的视场: 人眼的视场可以达到 150 度. 如果头保持不动, 我们只能看清视轴中心附近6º－8º的范围. 为了看到更大的范围,可以自由旋转眼球,头也动.
应用光学（第四版、显微镜、望远镜
• 1.放大镜 • 2.显微镜 • 3.望远镜
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3 人眼及其光学系统
1. 理想光学系统的分辨率
无穷远自身发光的物点，在焦平面上所成的像不是几何点，而是一个 由一系列光环组成的衍射图样。
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中央亮斑称为艾里斑
3 人眼及其光学系统 中央亮斑的直径
眼睛的调节:视度调节 和瞳孔调节 1. 视度调节（主要是水晶体调节）
定义:随着物体距离的改变,人眼自动改变焦距,使像落在视网膜上的过程. 调节量的表示: 视度SD
l 的符合规则和理想光学系统一致
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
黄斑: 视网膜上视觉最敏感的区域. 视网膜和黄斑可看作是照相机的感光部分. 脉络膜:视网膜后面包裹的一层黑色膜，
吸收透过网膜的光线。 盲点: 视神经纤维在眼睛的出口, 没有 感光细胞, 不能形成视觉.
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3 人眼及其光学系统
视觉的产生
外部光线进入人眼 在视网膜上形成一个像, 通过视神经 细胞产生了一个视觉信号刺激 通过视神经传输到大脑. 最后经过高级神经活动形成视觉. 这个过程包括物理学/生理学和心理学. 成倒像
3 人眼及其光学系统
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系 统
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3 人眼及其光学系统
角膜: 角质构成的透明球面薄膜,入射光线首先通过角膜
前室: 角膜后的空间,充满透明的 n=1.3374的水状液, 会聚光线.
水晶体: 双凸透镜, 通过其周围肌肉的 调节可以改变其前表面的曲率半径, 从而使眼睛的有效焦距发生改变.
λ——光的波长 n'——像空间介质折射率
U‘max——光束的会聚角
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3 人眼及其光学系统
当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的艾 里斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。 这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。
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3 人眼及其光学系统
当相邻两点的间隔，正好使一个 衍射图样中的艾里斑中心和另一 个图样的第一暗环重合时，两个 衍射图样的光强分布曲线相加而 得到的合成光强分布曲线，两个 极大值之间存在的一个极小值， 能量约为极大值的80%。
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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
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
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3 人眼及其光学系统 眼睛的视觉灵敏度 两个物点的视觉灵敏度： 假设有两个物点成像在视网膜上. 如果这两个像点之间的间距足 够大, 就认为是可以用肉眼分辨的, 当间距很小时, 人眼就有可能 分辨不开.
为什么？
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3 人眼及其光学系统 视网膜的结构
视网膜是由视神经细胞构成, 这里包括视锥细胞和视杆细胞 视锥细胞: 在强光条件下工作，视锥细胞主司昼光觉，有色觉，光敏感性差， 但视敏度高。 视杆细胞: 在弱光情况下工作，能感受弱光。 如果两个像点之间的距离大于视神经细胞直径的两倍,或者这两个像点分别位 于两个不相邻的两个细胞上时, 这两个像点就可以被分辨.
y’
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3 人眼及其光学系统
视神经细胞直径约为 0.001-0.003mm, 一般取 0.006mm 作为眼睛的 分辨率,这是人眼视网膜上可以分辨的最短距离。 通常用这段距离在物空间对应的张角 ω 来表示, 称为视角分辨率.
y' f tg
y'min=-0.006 mm，f=-23 mm