2018-01-21
1888Лаб. работа № 1
В геодезических приборах, зрительных трубах и других оптических устройствах в качестве приемника света часто служит глаз.
Глаз человека, являясь своеобразной оптической системой, представляет собой шаровидное тело- диаметром около 25 мм с небольшой выпуклостью вперед. Передняя прозрачная часть оболочки называется роговицей.
За роговицей находится передняя камера глаза, заполненная прозрачной жидкостью. Внутри камеры расположена радужная оболочка с отверстием посредине — зрачком глаза.
За радужной оболочкой находится хрусталик глаза—двояковыпуклая линза, изображающая внешние предметы на сетчатой оболочке (сетчатке) внутренней полости глаза. Внутренняя полость заполнена студенистым прозрачным веществом.
Сетчатка состоит из светочувствительных элементов — палочек и колбочек, являющихся окончаниями зрительного нерва. Палочки имеют форму цилиндра диаметром около 2 мкм, колбочки — форму груши, максимальный диаметр которой 4,5—6,5 мкм. Всего на сетчатке расположено около 7 млн. колбочек и от 75 до 130 млн. палочек. Палочки и колбочки расположены неравномерно: в центральной части сетчатки преобладают колбочки — эта часть диаметром 1—1,5 мм называется желтым пятном. В центре пятна имеется углубление (ямка) диаметром 0,3—0,4 мм, где находятся только колбочки: к каждой колбочке подходит отдельное ответвление зрительного нерва. Изображения предметов, лежащие на желтом пятне, и особенно в его ямке, видны наиболее резко. Угловое поле зрения, соответствующее желтому пятну, равно 6—8°, а ямке желтого пятна — всего 2°.
|
|
|
Оптические характеристики нормального глаза.
Наблюдение различно удаленных предметов заключается в приведении их изображений на сетчатку с помощью хрусталика переменной оптической силы. Этот процесс изменения оптической силы хрусталика с пoмoщью кольцевой мышцы называется аккомодацией.
При наблюдении бесконечно удаленных предметов мышца хрусталика не напряжена и заднее фокусное расстояние равна максимальному значению 22,8 мм. При наибольшем напряжении мышцы заднее фокусное расстояние уменьшается до 18,93 мм, что позволяет приблизить предмет к глазу на расстояние всего 92 мм.
Для нормального глаза при хорошем освещении (~50 лк) расстояние наилучшего зрения равно 250-280 мм. Это расстояние позволяет длительно читать и вести другие наблюдения близко расположенных предметов без значительного утомления глаза. Размер изображения на сетчатке глаза определяется соотношением 
, где: l'э -размер наблюдаемого объекта; а- расстояние до объекта от передней, главной плоскости глаза. Если наблюдение ведется через лупу, окуляр, имеющим увеличение γл,то изображение на сетчатке глаза будет иметь размер: 
|
|
|
Одной из основных характеристик глаза является острота зрения, т. е. способность различать мелкие детали объектов. Острота зрения характеризуется величиной, обратной минимальному углу y, под которым глаз может видеть раздельно две близко расположенные точки или линии. Этот угол -y называют разрешающей способностью глаза.
Две точки видны раздельно лишь в том случае, если их изображения лежат на двух светочувствительных элементах сетчатки, разделенных невоспринимающим промежутком, и оба светочувствительные элемента имеют отдельные соединения с мозгом.
Расчет разрешающей способности для углубления желтого пятна дает значение y=60". Это значение хорошо согласуется с дифракционной теорией идеальной оптической системы при зрачке глаза 2,5 мм.
Разрешающая способность зависит от структуры сетчатки, контраста наблюдаемого объекта и фона, формы разрешаемых деталей объекта, диаметра зрачка глаза, дефектов зрения, освещенности объекта, спектрального состава света и других условий наблюдения.
Способность глаза приспосабливатьсяв к различным яркостям объектов
(от 2 10 -6 до 2-106 кд/м2) называется зрительной адаптацией. Она выражается в изменении чувствительности глаза с помощью нескольких зрительных устройств. Максимальная светочувствительность глаза, соответствующая пороговой освеженности1·10-9лк, достигается в результате предварительной темновой адаптации течении не менее 1-1,5ч.
Во-первых, при ночном зрении (малые яркости объектов до 0,01 кд/м2) действуют только палочки, обладающие высокой чувствительностью, но не различающие цветов; при сумеречном зрении (яркость до 10 кд/м2) палочки дей-
Таблица 1
| Температура излучателя, К | кпд глаза | Температура излучателя, К | КПД глаза |
| 6,10 • Ю-6 | 2 400 | 9,33 • 10~3 | |
| 1 400 | 5,60. 10~5 | 2 600 | 1,51 • 10~2 |
| 1 600 | 2,82. 10~4 | 2 850 | 2,43. 10~2 |
| 6,00. Ю-4 | 3 100 | 3,52 • 10~2 | |
| 2 000 | 2,45 • 10~3 | 3 300 | 4,47. Ю-2 |
| 2 200 | 5,16 • Ю-3 | 3 500 | 5,57. Ю-2 |
| 2 300 | 8,50 • Ю-3 | 4 000 | 8,10. Ю-2 |
| 4 250 | 9,24. Ю-2 | 13 000 | 7,60 • 10~2 |
| 4 500 | 1,03 • Ю-1 | 14 000 | 6,47. Ю-2 |
| 4 750 | 1,11 • Ю-1 | 15 000 | 5,83 • Ю-2 |
| 5 000 | 1,19 • Ю-1 | 16 000 | 5,11 • Ю-2 |
| 5 250 | 1,25 • Ю-1 | 17 000 | 4,45 • Ю-2 |
| 5 500 | 1,30 • Ю-1 | 18 000 | 3,85 • 10"2 |
| 5 750 | 1,34 • Ю-1 | 19 000 | 3,33 • Ю-2 |
| 6 000 | 1,36 • Ю-1 | 20 000 | 3,06 • Ю-2 |
| 6 500 | 1,37 • Ю-1 | 25 000 | 1,73 • Ю-2 |
| 7 000 | 1,35 • Ю-1 | 30 000 | 1,18 • Ю-2 |
| 7 500 | 1,31 • Ю-1 | 35 000 | 8,61. Ю-3 |
| 8 000 | 1,26 • Ю-1 | 40 000 | 5,37. 10~3 |
| 9 000 | 1,14 • Ю-1 | 50 000 | 3,58 • Ю-3 |
| 10 000 | 9,88 • Ю-2 | 60 000 | 2,64 • Ю-3 |
| 12 000 | 8,90 • 10~2 | 70 000 | 1,33. Ю-3 |
ствуют вместе с колбочками, различающими цвета; при дневном зрении (яркость свыше 10 кд/м2) действуют только колбочки.
Во-вторых, адаптация обеспечивается изменением отверстия зрачка от 2 до 8 мм.
В-третьих, зрительное раздражение регулируется изменением концентрации зрительного пурпура (светочувствительного вещества) палочек и колбочек и перемещением темного пигмента в слоях сетчатки, который защищает палочки и колбочки от избытка света.
Минимальная яркость, вызывающая зрительное ощущение в данных условиях наблюдения, называется пороговой яркостью, авеличина, обратная ей, — световой чувствительностью глаза. Динамический диапазон человеческого глаза: от яркого солнца до отдельных фотонов, составляет 1010 (т.е. 200 децибел!). Наилучшим по этому параметру искусственным светоприемником является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В режиме счета фотонов он имеет динамический диапазон до 105 (т.е. 100 дБ), а с устройством автоматического переключения на регистрацию в аналоговый режим динамический диапазон ФЭУ может достигать 107 (140 дБ), что в тысячу раз хуже по динамическому диапазону, чем глаз человека.
При максимальной световой адаптации, если яркость объекта достигает значения 15,9-16 кд/м2 наступает порог ослепления. Особенно опасно для сетчатки глаза концентрация интенсивного светового потока на небольших её участках.
|
|
|
Чувствительность глаза к монохроматическим излучениям различной длины волны называется спектральной чувствительностью глаза. Глаз реагирует на поток излучения при длинах волн от 380 до 770 нм. Спектральная чувствительность глаза непостоянна в этом диапазоне и характеризуется кривой видности. Максимум этой кривой для дневного зрения приходится на длину волны 555 нм, а для ночного зрения — на 510 нм.
Коэффициент использования глазом потока излучения черных тел с различной температурой.таб.1
Большое значение в распознавании внешних объектов имеет чувствительность глаза к различию яркостей объекта и фона. Он представляет собой отношение минимальной разности яркостей объекта и фона (DВ) к яркости фона (Вф). Наименьший контраст объекта и фона, воспринимаемый глазом, называется пороговым kи= 0,5%. Для практических расчетов kи= 1,5 - 2,0%.
Контрастная чувствительность глаза является величиной, обратной пороговому контрасту. В фотометрах при яркости Вф =130—640 кд/м2 достигается максимальная контрастная чувствительность Вф / DВ =500.
Особенность зрения человека — восприятие цвета — объясняется строением колбочкового аппарата сетчатки. Установлено, что колбочки разделяются по спектральной чувствительности на синечувствительные, зеленочувствительные и красночувствительные. При восприятии света сложного спектрального состава возникают три отдельных возбуждения, которые поступают в мозг и суммируются, в результате чего возникает окончательное впечатление о цвете объекта. При одинаковом уровне возбуждения трех различных колбочек создается впечатление белого цвета.
Зрение двумя глазами, когда два изображения одного и того же объекта соединяются в единый зрительный образ, называется бинокулярным. Такое зрение обеспечивается конвергенцией глаз, т. е. сведением их зрительных осей при наблюдении близко расположенных объектов.
|
|
|
При наблюдениях в оптику геодезических приборов необходимо учитывать специфику глаз отдельного наблюдателя. Расстояние от передней линзы до зрачка глаза должно быть не менее 20-25 мм. Размер зрачка выхода прибора должен быть не меньше зрачка глаза при данном уровне освещенности. При использовании лупы, предназначенной для одновременного наблюдения двумя глазами её поперечный размер выбираютс учетом максимильных размеров межзрачкового рассояния 70-75мм.Наблюдение- объектов двумя глазами дает представление о глубине пространства. Трехмерное восприятие пространства с помощью бинокулярного зрения называется стереоскопическим зрением.
Между центрами зрачков глаза имеется определенное расстояние – база глаза (~65мм)
Угол под которым видна база глаз из данной точки пространства называется параллактическим углом.
Очевидно, точки объектов, различно удаленных от глаза, видны наблюдателю под различными параллактическими углами. Разность этих углов называют бинокулярным парралаксом.
Опытный наблюдатель надежно фиксирует бинокулярный параллакс величиной 10¢¢ и даже несколько меньше.
Вопросы к лабораторной работе:
1. Особенности строения глаза.
2. Параметры глаза, как информационного приемника.
3. Какие параметры глаза важны при работе с геодезическими приборами и устройствами?
4.Проведите анализ использования глазом потока излучения черных тел с различной температурой.
