眼睛与显微系统.ppt
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1、第九章,典型光学系统,本章学习目的:通过解剖典型光学系统,初步具备设计光学系统的能力,很久以前,人们就利用透镜、反射镜和棱镜等制成各种仪器来达到一定的成像要求。,(1)帮助人眼观察近处微小的物体显微镜,(2)帮助人眼观察远处的物体望远镜,(3)为了在屏上得到一个放大或缩小的像投影仪和照相机。,(4)有些物体本身不发光,为了能清晰地观察,必须研究照明系统。,现代光学仪器种类繁多,主要实现的无非是这些功能或者是这几种功能的组合,这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能力,称为目视光学系统,它们补充和扩大了人眼的功能。,然而最精巧、功能最强的光学系统是人眼,同时人眼是目视光学仪器的接收器。,了解人眼的结构
2、及光学性能有利于正确设计和使用仪器,对设计光学仪器有所启发。,人获取的外界信息80%90%来自眼睛!,俗话说:眼见为实!,9-1 人眼的光学特性(3-1、3-4),交叉点有黑点?,这些都是平行线?,中间是一个圆?,中间的圆是一样大的?,图案是否在旋转?,一、眼睛的结构,人眼的构造剖视图,人眼本身相当于摄影光学系统,直径约25mm,重量:约7克,人眼的构造剖视图,巩膜,*巩膜是眼球的第一层保护膜,白色、不透明、坚硬;,角膜,*角膜是巩膜的最前端部分,无色而透明;,厚度:0.55mm,折射率:1.3771,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,前室:角膜后的空间,充满了折射率为1.336的透明水状液,脉络
3、膜,前室,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,脉络膜,虹膜,*虹膜是脉络膜的最前端部分,含有色素细胞,决定眼的颜色;,*瞳孔是虹膜中间的小孔,随着外界明亮程度的不同,虹膜肌肉能使瞳孔的直径在28mm范围内变化;它是人眼的孔径光阑。,巩膜,角膜,脉络膜,虹膜,瞳孔,巩膜,角膜,脉络膜,虹膜,瞳孔,网膜,网膜是眼球的第三层膜,上面布满着微血管和感光元素,即锥状细胞和杆状细胞,锥状细胞直径约5微米,长约35微米;杆状细胞直径约2微米,长约60微米。,光敏细胞,在黄斑处是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞,由中心向外,锥状细胞逐渐减少杆状细胞逐渐增多。,巩膜,角膜,光,脉络膜,虹膜,瞳孔,网膜,黄斑中心凹是人眼
4、视觉最灵敏的地方。,视神经细胞,黄斑中心凹,神经纤维,盲斑,大脑,盲斑,晶状体,巩膜,角膜,脉络膜,眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴,在观察物体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。,虹膜,瞳孔,网膜,黄斑中心凹,盲斑,晶状体,前室,后室,光轴,视轴,眼睛的视场很大,可达150,但只有黄斑附近才能清晰识别,其他部分比较模糊,所以能看清物体的角度范围为6 8。,水晶体,视网膜,瞳孔,镜头,底片,光圈,可以自动对目标调焦。,根据景物的亮暗自动调节进入眼睛的光能量。,在视网膜上成倒像,人眼特点:,二、眼睛的调节,实现:通过肌肉的放松与收缩改变晶状体 前后面曲率实现。,定义:眼睛本能地改变晶状体的
5、表面曲率使 远近不同的物体成像于网膜上的能力。,1视度调节,眼睛有两类调节功能:视度调节 和瞳孔调节。,视度调节的过程即是眼睛自动改变焦距的过程,明视距离:眼睛观察近物时最适宜的距离是物体位于眼前250mm处,称此距离为明视距离(M)。,当肌肉完全放松时(通过调节),眼睛所能看清的最远的点称为远点,其相应的距离称为远点距,以 r 表示(米),当肌肉在最紧张时(通过调节),眼睛所能看清的最近的点称为近点,其相应的距离称为近点距,以 p 表示(米),正常眼睛的远点距为负的无限远,非正常眼睛(远视或近视)的远点距为一正/负的有限值。,人眼的调节能力是用远点距 r 的倒数和近点距p的倒数之差来描述,用
6、A 来表示,即,远点视度:远点距的倒数 R=1/r;,近点视度:近点距的倒数 P=1/p;,A称为眼睛的调节范围或调节能力。,调节用视度表示,单位:m-1,称为屈光度(D)。,与光焦度,一致,正常眼如观察无限远的物体,对应的视度为,屈光度,如观察眼前10米的物体,此时对应的视度为,屈光度,在医院和眼镜店通常把1屈光度称为100度。,人眼的调节能力随年龄的增加而变化。,随着年龄的增大,近点位置往远移,远点位置往近移,因而调节范围减少。,2瞳孔调节(适应特性),人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。,这就是人眼的另一个特性,具有根据周围空间光亮情况自动调节的过程 称为适应(即为瞳孔的调节)。,适应是
7、一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变态过程,可分为对暗适应和对光适应两种,前者发生在光亮处到黑暗处的时候,后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。,眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小,以控制眼睛的进光亮(2mm8mm)。在设计目视光学仪器时要充分考虑与眼瞳的配合。,三、眼睛的缺陷和矫正,正常眼在肌肉完全放松的自然状态下,能够看清楚无限远处的物体,即远点应在无限远(R=0),像方焦点正好和视网膜重合。,F,若不符合这一条件就是非正常眼,或称视力不正常,最常见的有近视眼和远视眼,所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处(r 0),由于眼球偏长,像方焦点位于视网膜的前面。只有眼前有限距离处的物体才能成
8、像在视网膜上。,近视眼为负视度,矫正方法:配戴适当的负光焦度眼镜。,使无限远物体成像于眼睛的远点上(虚像),然后再经眼睛成像于网膜上,所谓远视眼就是其远点在眼睛之后(r 0),,由于眼球偏短,像方焦点位于视网膜的之后所致。,只有汇聚光束才能在视网膜上成像,远点成为虚物点。,远视眼为正视度,矫正方法:需以正光焦度透镜来使其远点恢复到无限远,使像方焦点落在视网膜上。,近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来测得,知道此值后即可求得所需眼镜的焦距。,例如:有一近视眼,通过验光得知其远点视度为-2个屈光度(2D),眼镜行业称近视200度。,则其远点距,需配焦距为-0.5m的近视眼镜。,矫正时需将无限远物点
9、移到其远点距上,即将无限远轴上点成像于r处,眼睛远点视度为多少屈光度就要配相应屈光度的眼镜。,目视光学仪器视度调节,人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正目视光学仪器要适应不同视力的人使用为此,目镜可以改变其前后的位置,使仪器所成的像不再位于无限远,而位于目镜的前方或后方一定的位置这就是目视光学仪器的视度调节,物镜,目镜,正常眼,近视眼,远视眼,F眼,F眼,F眼,四、眼睛的分辨率(分辨本领),1.分辨本领,定义:人眼的分辨本领是指眼睛区分接近的两相邻点的能力;,视角:眼睛看空间两点时,该两点对眼睛物方节点的张角;,人眼观察物体的张角由物体的大小和距离的远近决定。,极限分辨角:人眼能分辨的最小
10、视角;在良好的照明条件下一般取 1。,极限分辨角 视神经细胞直径,=5mf 眼睛的像方焦距,f=17.05mm,如果空间两点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细胞上,即得到两个点的视觉,由此可见,眼睛的分辨率与视网膜上两像点距离及视觉细胞的直径大小有关。,当两像点的间距大于(或等于)视觉细胞的直径时,就认为眼睛可以分辨。,在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。,2.瞄准,定义:眼睛判断一点与另一点是否重合的能力;,人眼的瞄准精度一般用角度值来表示,即两线的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值时,虽然还存在着不重合,但眼睛已经认为是完全重合的,这时的角度值即为人眼瞄准精度。,瞄准精度和分辨率是两
11、个概念,但二者又有一定的联系,经验证明,人眼的最高瞄准精度约为分辨率的6倍至10倍。,人眼对于线条的变形或两条线错开造成的外形变化或比较两条线宽的变化具有很高的灵敏度。,在精密仪器的设计中,尽量形成对眼睛瞄准有利的条件。,1、两实线瞄准 60,2、两实线端部瞄准1020,3、双线平分或对称瞄准510,4、虚线压测件轮廓边缘2030,眼睛在观察物体时,除了一般的物体特征外,还能够产生远近的感觉,被称为“空间深度感觉”,9-2 空间深度感觉和双眼立体视觉(3-5),单眼或双眼都能产生这种感觉,1)物体高度已知,它所对应的视角大小来判断其远近2)物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对位置3)对
12、物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深度感觉4)眼睛的调节程度来判断物体的远近。,单眼深度感觉来源:,双眼观察的深度感觉除上述因素外:,5)物体的距离越近,视轴之间的夹角越大,这种感觉使眼球发生转动的肌肉紧张程度就不同,据此就能判断物体的远近;,6)双眼立体视觉(简称体视)称为“视差角”,设人眼左右两瞳孔距离为b,物体距离为l,由于通常很小,则视差角为,则感觉 A,B 距眼睛距离相等,当A、B两点距离不等时,或产生了远近的感觉,被称为双眼立体视觉,当物点对应的视角差等于 时,人眼刚能分辨出两个物点之间的远近差别,即反映了人眼可能分辨出物点远近的最大距离,Lmax称为立体视觉半径,其极限值称
13、为“体视锐度”,约为10”,有可能达到5”或3”,通过光学仪器观察物体时,放大率为物体像的视角正切值与人眼直接观察该物体时的视角正切之比。,这种放大率称为视角放大率。用字母表示,与眼睛一起使用的目视光学仪器,其放大作用不能由横向放大率来表征。,9-3 双眼观察仪器(3-6),由于双目观察有立体感,因此许多目视仪器采用双目结构。,双眼仪器不但可以保持人眼的体视能力,还可以提高人眼的体视能力,双眼仪器的体视放大率,双眼望远镜,双眼显微镜,人眼直接观察时的视差角眼为,B,A,B眼,A眼,眼 A眼-B眼,人眼能否分辨两个物点A 与B 的远近,取决于A眼 B眼,b,lA,lB,假设双眼观察仪器的二个入射
14、光轴之间为距离B,称为该仪器的基线长,则同一物体对仪器的二入射瞳孔所构成的视差角为,若系统的视(角)放大率为,则物方视差角和像方视差角 存在以下关系:,又因为:,由体视放大率定义:,有:,取人眼两瞳孔距离为b=62mm,则:,体视测距仪:利用人眼的立体视觉来测量目标距离,为了提高测量精度,必须增大,(1)增大,(2)增大B,一、放大镜,物体对眼睛的视角,不仅取决于物体的大小,还取决于该物体到眼睛的距离,距离越近视角越大,若在近处观察细小物体其视角小于人眼极限分辨角,就需要借助放大镜或显微镜将其放大,使像的视角大于人眼的极限分辨角,9-4 放大镜和显微镜的工作原理(3-2),放大镜的放大率,眼睛
15、通过放大镜或显微镜等目视光学仪器来观察物体时,所看到的是在物体通过光学仪器成的像的大小。,放大镜的放大率为:,通过放大镜观察物体时,其放大率为视角放大率。,y,y,A,B,A,B,F,F,P,-f,f,-x,a,虚像AB 对眼睛所张的视角的正切为(主光线),眼睛直接去观察物体时,是将其放在明视距离250mm处。此时物体对人眼张角的正切为,放大镜的放大率可由下式求得,将横向放大率 代入上式得,由此可见,放大镜的视角放大率并非常数,与物与放大镜的距离、眼睛离开放大镜的距离有关。,在实际使用过程中,眼瞳大致位于放大镜的像方焦点的附近,上式分母中的a相对于x而言,是一个很小的值,可以略去。,放大镜的放
16、大率仅由放大镜的焦距 f 所决定,焦距越大则放大率越小。,放大镜放大率的公式,通常采用以下形式,放大镜与眼睛联用,镜框为视场光阑,眼瞳为孔径光阑。视场内有渐晕。,二、显微镜的工作原理,显微系统,工具显微镜,金相显微镜,生物显微镜,主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测量,主要应用于生物学、医学、农学等方面,主要应用于冶金和机械制造工业,观察研究金相组织结构,世界上第一台显微镜是荷兰眼镜商詹森(Hans Janssen)(左图)在1604年发明的。(右图),1665年,英国的物理学家罗伯特胡克(Robert Hooke,16351703)(左图)用自己设计并制造的显微镜(右图)第一次发现细胞
17、。,1674年,荷兰布商列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek,16321723)为了检查布的质量,亲自磨制透镜,装配了高倍显微镜(300倍左右),并观察到了血细胞、池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的细胞,这是人类第一次观察到完整的活细胞。,显微镜是人眼的辅助工具,显微镜的光学系统由物镜和目镜两个部分组成。,夜光虫,太阳虫,显微镜下美丽的冰晶,1.显微镜系统成像原理,此像在经目镜放大为虚像A”B”后供眼睛观察。目镜和放大镜起着同样的作用,物镜,目镜,F1,F1,F2,B,A,A,B,A”,B”,AB 位于目镜的物方焦点 F2 上或在很靠近 F2 的位置上,物镜,目镜,F
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