第四章 光学仪器的基本原理

§4.1眼睛 一.眼睛的结构及其视觉原理 1.结构：人眼是可自动调焦的Ф>0的共轴球面系统或 Ф>0变焦系统。 1.结构：人眼是可自动调焦的Ф>0的共轴球面系统或 Ф>0变焦系统。 ⑴瞳孔（光阑）：孔径可调节（2-8mm）,相当空相上的光圈作用，控制进入人眼球内的光能量。 ⑵晶状体：通过睫状肌的张紧或放松改变其表面的曲率半径，从而改变焦距。 ⑶视网膜：（与视神经相连）成象屏幕。

2.视觉原理 物体成象于视网膜上，引起光化反应，产生脉冲作用，经视神经纤维传到神经中枢，传给大脑，因而得到视觉。 对人眼而言，象距S’一定，远近不同物体，物距S不同，只有通过改变焦距f f’，才能保证远近不同的物体成明于视网膜上。 S’一定，而S不同，只有改变ff’才能满足高斯公式，这就要求眼睛必须可自动调焦。

二.简化眼模型 从几何光学观点看，人眼是由角膜，晶状体等各折射球面构成的共轴球面系统，这一系统能在视网膜上形成清晰的象。 眼的光心——人眼的等效折射球面的曲率中心c

三.眼的调节、远点和近点 明视距离 1.眼的调节功能：眼睛的网膜位置是恒定的，景物远近的不同靠睫状肋的收缩和松驰，调节晶状体的曲率，即调节眼睛的焦距，使之成象于网膜上，即：对人眼来说，象距S’一定（成象于视网膜上）为看清远近不同的物体（不同的物距S），眼睛的ff’必须可自动调节，称眼睛的调节功能，眼睛的调节功能是靠睫状肌肉的张紧或放松改变晶状体曲率半径来实现改变ff’的。

2.远点：眼睛完全放松时（睫状肌肉完全放松，晶状体的两曲率半径最大，即晶状体最扁，焦距最长）所能看清的最远距离，称眼睛远点。 正常眼：远点在∞（与年龄有关）（看平行光， f’位于视网膜上） 3.近点： 眼睛最大限度张紧时（睫状肌肉最大限度的张紧，使晶状体最凸，r1r2最短，焦距最短）所能看清的最近距离，称眼睛近点。 正常眼睛的近点约15cm（与年龄有关） 远点和近点之间的范围，即:眼睛的调节（焦）范围，即物体位于此范围内均能在视网膜上成象。

4.明视距离： 在适当的照明条件下，眼睛处于正常状态（即睫状肌肉既不完全张紧，也不完全放松）所能看清眼前物的距离，称明视距离,正常眼睛d=25cm。 小结：正常眼睛的明视距离为眼前25cm，远点 为∞，这是眼睛有特殊意义的两个特殊点（眼睛久视不疲劳）.这是设计和使用助视学仪器的依据（匹配），即要求实物经助视光学仪器后所成的虚象位于明视距离处或∞处，然后再让眼睛观察这个虚象，这样眼睛久视不疲劳。

四.非正常眼及其矫正 正常眼：远点在∞，明视距离为眼睛前 25cm的眼睛为正常眼 非正常眼：近视眼、远视眼、散光眼

1.近视眼及其矫正 近视眼：远点在眼前有限距离处，而不是在 ∞ 原因：睫状肌肉完全放松，晶状体仍然过凸，焦距较短，聚焦能力太强致使无穷远处的∞之物成象在视网膜之前（f’在膜之前） YJING.SWF

校正方法：需戴凹透镜，先让入射光发散一下。凹透镜的作用：把s= ∞处的物经凹透镜后成象于近视眼的远点处。 凹透镜+近视眼=正常眼 例：某人远点为0.5米，配什么眼镜？ YJING1.SWF

2.远视点（包括老花眼）及其矫正 远视点（老花眼）：近点超过正常眼明视距离25cm 的眼睛 近点>25cm 原因：睫状肌肉完全放松，晶状体仍然过扁，焦距太长，聚焦能力太差致使无穷远处的∞之物成象在视网膜之后（f’在膜之后）

校正方法：需戴凸透镜，先让入射光会聚一下。凸透镜的作用：把s=25cm处的物（即正常物明视距离处的实物）经凸透镜后成象于远视眼的近点处。 凸透镜+远视眼=正常眼 例：某人近点为1.0米，配什么眼镜？ YJING10.SWF

3.散光眼及其矫正： (1) 定义：散光眼，又称象散眼，其角膜和晶状体的折射表面不是球面，而是椭球面（曲面不对称），不同截面光焦度不同，眼轴上的物点成象散光束。 (2) 校正方法：配戴柱面镜，用柱面镜的象散作用去抵消眼的象散作用。

§4.2 助视仪器的放大本领 一.放大本领的概念 1.视角（眼睛的视角）： 定义：物体或经光学系统所成的象对眼睛光心c的张角,称眼睛视角。 眼睛的光心c：是等效折射球面的曲率中心c。 θ：物体对眼睛光心的张角 θ’：视网膜上的象对眼睛光心c的张角

结论： ①物体远，则视角θ小，象就小（张角小），物体看起来小（θ=θ）。物体近，视角θ大，象就大，物体看起来大。 ②由于视网膜上感光细胞也有一定大小，当在视网膜上的象的大小y’小到与感光细胞还要小时，物体就看不清了。 ③正常眼睛所能分辨的最小视角θmin≈1’，明视距离25cm处的最小间距约为0.1mm。

2.视角放大率（视角放大本领） 视觉放大率定义为： 注意： 1º视角放大率是指两种不同情形下的视角之比，或象长之比，称助视仪器的视角放大率 2º助视光学仪器使用中，既可使物成象于∞，又可成象于25cm处，助视光学仪器可在上述两种情况下使用或求其M

二. 放大镜 1.放大镜：一个焦距较小的正透镜（薄凸透镜）就是简单的放大镜。 2. 放大率（放大本领）：

放大镜的光路图

§4.3目镜 一.目镜的作用： 一般放大镜可用来直接放大实物，而目镜却是用来放大其它光学系统（称为物镜）所成的象，复杂的助视光学仪器总包括两部分：物镜、目镜 目 镜 面向物体的透镜，称为向场镜（简称场镜） 　 接近眼睛者称为目镜，（或简称视镜）

二.两种目镜 1.惠更斯目镜 结构特点：由两块薄平凸透镜组成，两凸面均面对入射光线 f’为目镜的象方焦距

惠更斯目镜

2.冉斯登目镜 结构特点：由两个同种玻璃的平凸透镜构成，场镜、视镜焦距相等，凸面相对，平面向外。 f’为目镜的象方焦距

冉斯登目镜

3.差别： 相同处：都有对各自物镜的象有再成象和放大作用 差别：惠目镜，物方焦点F在两镜间，冉镜物焦点F在镜外。 ⑴冉镜可当作一般放大镜观察实物，惠镜则只能用来观察象。 ⑵在冉镜物方焦距平面上放置透明刻度尺或叉丝，此时叉丝或刻度尺与物镜成的实象经目镜系统同样放大，就能准确地测量象的长度和位置；惠镜中刻度尺或叉丝只能放在F2面上测中间象，并因刻度尺或叉丝仅经视镜一次成象，使目镜系统的消色差作用对它们不发挥作用，仅能在近轴的小范围内给出清晰的刻度尺或叉丝的象。