+第七章 典型光学系统

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1、第七章典型光学系统一、眼睛及其光学系统二、放大镜三、显微镜系统四、望远镜系统五、目镜六、摄影系统七、投影系统八、现代光学系统九、光学系统的外形尺寸计算第一节眼睛及其光学系统一、眼睛的结构——成像光学系统至少80％以上的外界信息经视觉获得，视觉是人和动物最重要的感觉。眼睛本身相当于摄影光学系统，其结构如图所示。空气和角膜之间有较大折射率差(1.0/1.38)，物体主要通过这个界面成像在视网膜上视网膜起光屏作用，视神经受到刺激，产生视觉。在视网膜上所形成的像是倒像，但由于神经系统的内部作用，感觉仍然是正立的像。▲主平面H和H’距角膜顶点后约1.3mm和1.6m

2、m，眼睛的焦距约为f=-17mm，f’=23mm。以上数据是近似值，仅适用于未调节的眼睛。▲水晶体由外层向内层折射率逐渐增加（1.37→1.41），是由多层膜构成的双凸透镜、通过水晶体周围肌肉的调节，能改变水晶体的曲率半径（40～70mm之间），从而改变人眼的焦距，使不同距离的物体都自动成像在视网膜上。▲在水晶体前的虹彩，中央是一圆孔，即瞳孔，它是人眼的孔径光阑。根据物体的亮暗，瞳孔直径可自动变化（2～8mm），以调节进入人眼的光能。▲黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线称为视轴。人眼的视场可达150º，但能同时清晰观察物体的范围只在视轴周围6º～8º，故

3、在观察物体时，眼球自动旋转，使视轴对准物体。二、眼睛的调节及校正1、眼睛的调节——对任意距离的物体自动调焦的过程。▲通过环形肌肉调节使水晶体的曲率半径变小，表面曲率增大，从而使眼睛的焦距可由f’≈23mm下降至f’≈18mm。▲眼睛调节能力的度量用能清晰调焦的极限距离表示，即远点距离lr和近点距离lp。其倒数1/lr=R、1/lr=P分别表示远点和近点的发散度（或会聚度），其单位为屈光度（D），属非法定计量单位，1D=1m-1。调节能力以远点距离和近点距离的倒数之差来度量的，即式（7-1）▲调节能力随年龄变化▲明视距离250mm在阅读，或眼睛通过目视光学仪

4、器观测物像时，为了工作舒适，习惯上把物或像置于眼前250mm处。▲正常眼与反常眼正常眼——远点在无限远，即眼睛光学系统的后焦点在视网膜上；反之，为反常眼。式（7-2）▲近视眼及其校正近视眼——远点位于眼前有限距离；近视眼的校正——在近视眼前放一负透镜，其焦距大小恰能使其后焦点F’与远点S重合，如图所示，或者▲远视眼及其校正远视眼——远点位于眼后有限距离；50岁以后的远视眼，也称作老花眼。远视眼的校正——在远视眼前放一正透镜，使其焦距恰等于远点距，如图所示。▲近视眼或远视眼的程度远点距离lr(单位为m)的倒数表示近视眼或远视眼的程度，称为视度，单位为屈光度(

5、D)。通常医院和眼镜店把1D称作100度。▲散光若水晶体两表面不对称，则使细光束的两个主截面的光线不交于一点，即两主截面的远点距也不相同，视度Rl≠R2，其差作为人眼的散光度AST。散光的校正——为校正散光可用柱面或双心柱面透镜。式（7-3）图7-3校正散光的圆柱面透镜双心柱面透镜用两正交的黑白线条图案可以检验散光眼。由于存在像散，不同方向的线条不能同时看清。具有0.5D的像散不足为奇，不必校正。三、眼睛——辐射接收器▲视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。杆状细胞——对光刺激极敏感，但完全不感色；锥状细胞——感光能力比杆状细胞差得多，但对各色光有

6、不同的感受。它决定了分辨颜色的能力——色视觉。在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用；弱照明时，视觉主要由杆状细胞起作用；明视觉时最大的亮度灵敏度为683lm/W；暗视觉时，最大的亮度灵敏度为1755lm/W。▲光谱灵敏度——人眼对不同的波长的光辐射有不同的灵敏度，称作光谱灵敏度。最敏感的波长是555nm，故在目视光学仪器，对D(λ=589.3nm)或e(λ=546.1nm)谱线校正单色像差。▲眼睛的明适应和暗适应适应——眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。适应分为明适应和暗适应。适应是通过瞳孔的自动增大或缩小完成的。当由暗处进入亮处时，瞳孔自动缩小；反之

7、，瞳孔自动增大。适应要有个过程，最长可达30min。▲眼睛能感受的光亮变化非常大，可达1012:1。四、眼睛的分辨率1、眼睛的分辨率▲眼睛的分辨能力（或称视觉敏锐度）——眼睛能分辨开两个最靠近点的能力。▲视角——物体对人眼的张角；▲眼睛的分辨能力取决于视网膜的结构。视神经能够分辨的两像点间最小距离应至少等于两个视神经细胞直径，若两像点落在相邻的两个细胞上，视神经无法分辨出两个点，故视网膜上最小鉴别距离等于两神经细胞直径，即不小于0.006mm。▲视角鉴别率ε——人眼能分辨的物点间最小视角。眼睛松弛状态下，f’≈23mm若把眼睛看作理想光学系统，则ε=140

8、’’/D（D以mm为单位）。当D=2mm时，ε≈70’’。当瞳孔直