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1、人眼成像原理

人眼相当于一架照相机,晶状体相当于照相机镜头,视网膜相当于照相机的胶片,人眼看物体和凸透镜成像的原理是一样的,如图是眼睛的构造,就是一个凸透镜。根据成像条件可知,物体在视网膜上成的倒立、缩小的实像,来自物体的光线通过瞳孔,经过晶状体成像在视网膜上,再经过神经系统传到大脑,经过大脑处理,我们就看到物体而产生视觉了。

人眼是一个共轴光学系统,观察物体时,物体上的光线先经过角膜、前房水、瞳孔、晶状体、后房液,最后到达眼底视网膜上,成清晰的像。在成像过程中,眼睛如同一只自动变焦和自动改变光圈大小的照相机,它是把外界物体成像在眼底视网膜上,再结合人的大脑的生物作用,形成对外界客观事物的感观认识。从光学角度看,眼睛的角膜晶状体对应照相机中的镜头、虹膜与瞳孔相当于孔径光阑、视网膜如同底片或成像接收器。

人眼视轴,是黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线。眼球的转动,使视轴对准观察物体并成像于黄斑为中心的一个区域上,视细胞受到光的刺激而产生视觉信息,通过视神经传递到大脑,从而产生最清晰视觉。眼睛对物体的成像是是实物成实像,所以视网膜上的像始终是倒像,在神经系统和大脑的作用下,人的感觉像是像是正立的。

人观察物体时,有一定的视场(角)范围,其视场角度在水平方向上可以达到150°,在垂直视场角可以达到高水平130°,左右可达70°左右,最清晰的视场范围是在视轴周围6°~8°。

人眼结构参数与光学参数折射率如表6-1所示。

2、人眼的调节和适应

人眼要看清远近的物体,也能明辨明暗环境下的物体,这种自动调节叫眼睛调节,主要靠睫状肌的收缩和晶体的固有弹性来实现的。人眼的调节主要有两种类型:瞳孔调节和视度调节。

1)瞳孔调节

人眼的瞳孔是虹膜的中心圆孔,瞳孔可以自动调节直径大小来控制进入眼睛的光通量,直径变化范围是2~8mm之间。白天光线较强时,光亮度高时,虹膜收缩,瞳孔变小到2mm,光阑拦住部分光进入眼睛;光线暗时,瞳孔变大到8mm,使进入眼睛的光能多。由于瞳孔的调节,人眼能够感受很大范围的光亮度的变化。在设计目视光学仪器时必须考虑和人眼瞳孔大小配合。

若外界光很强,瞳孔缩小到2mm时仍然使人无法适应,就容易使视网膜造成伤害。直视太阳或正视激光束能在视网膜上烧成一盲斑,使人在观看任何景象时,总有一块或数块区域是黑斑。

眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。这种适应主要是因为人眼的瞳孔自动增大或缩小完成。适应可分为明适应和暗适应。 明适应 发生在由暗处到亮处时,会产生瞬间眩目现象,瞳孔自动缩小,导致进光量少,明适应适应过程较快,几分钟即可,但敏感度大大降低。 暗适应 发生在由亮处到暗处时,开始眼睛眼前一片漆黑,瞳孔自动增大并伴随着暗适应过程的逐渐完成,进入眼睛的光能量增加,眼睛适应于感受微弱的光能,眼睛的敏感度也相应地提高,眼睛适应了暗环境才能看清周围的环境。人在暗环境里呆的时间越长,眼睛的暗适应就越好,敏感度也就越好,约60分钟后,敏感度达最大。此时视杆细胞在起非常大的作用。眼睛能感受的光亮变化非常大,可达1012:1的范围。 ?

当人眼适应完成后,人眼瞳孔直径随所处的环境光亮度值有一对应值表6-2表出不同亮度条件下,人眼适应后瞳孔直径的平均取值,设计目视光学系统时要考虑环境与人眼瞳孔之间的大小配合。

2)视度调节

眼睛是一个光学成像系统,当观察物体时,使物体在视网膜上形成一个清晰的像。在眼球内,眼睛主要折射结构晶状体到视网膜的几何距离近似固定,对于眼睛特定的光学系统,在物距不断改变,像距不变的情况下,唯一能改变的是改变晶状体的焦距。睫状肌收缩时,牵拉晶状体的表面曲率半径变小,可观察近处物体;当睫状肌放松时,晶状体曲率半径变大,可看清远处物体。眼睛成像系统对任意距离物体成像时,通过自动改变晶状体曲率达到调焦用以看清不同距离物体的过程,称为眼睛的调节。眼睛长时间用眼可发生 眼疲劳 现象,眼疲劳的症状表现为:眼睛发胀、头疼、眼花,眼睛酸涩、眼睛发干等。

为了描述眼睛看清远近物体的调节能力,引入了视度的概念。定人眼能看清的物面位置到人眼的距离为l,单位m,则这距离的倒数就是视度,用SD来表示,单位为屈光度,符号为D,具体计算公式为:

正常眼 当肌肉完全放松时眼睛看远处物体,能看清的最远的点叫远点;当肌肉收缩时,眼睛看近处时能看清最近的点叫近点。正常眼所能看到的远点在极远处,近点在距离眼睛约10厘米处。设远点(far point)距离lr,近点(near point)距离 lp,远点视度与近点视度的差就是人眼调节的范围,或者叫人眼的调节能力,用符号表示,其单位为屈光度D。

眼睛是人的重要器官,不同的人眼睛的特点不同,所以近点与远点均会有差异。随着年纪的增长,远点近点都会有所变化,也就是人眼的调节能力会随着年龄的增长会慢慢变差,肌肉收缩的能力也会衰退,所以近点尤其会变化明显,往往会近点变远。年纪增大到一定年纪,会出现老年性远视眼或老花眼,这种现象的程度也会因人而异。表6-3列出了不同年龄段的眼睛的调节能力情况。

年龄近点距(CM)P/屈光度远点距(CM)R/屈光度=R-P/屈光度。通常情况下,人眼有一个近距离工作的习惯距离,称为 明视距离 ,即正常视力的眼睛在正常照明(50lx)下的习惯工作距离,长度为250mm,这个距离人眼看物体最舒服,它有别于近点距离,近点距离是人眼能够看清最近距离物体的极限距离。

例1 :远点为2m的近视眼,所需眼镜的光焦度为-0.5D,即50度。根据高斯成像公式可得:眼镜的度数等于屈光度数×100=-0 .5×100=50度。

(续)

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