Строение глаза. Влияние свойств зрения на точность измерений. Продольное и поперечное наведение.

Строение глаза.

(см. слайд №1)

Глаз человека представляет собой оптическую систему, в некото­рой степени аналогичную объективу фотографического аппарата. К основным свойствам глаза относятся аккомодация, адаптация и разрешающая способность.

Свойство глаза рассматривать предметы, находящиеся на раз­личных расстояниях, называется аккомодацией или аккомодацион­ной способностью. Происходящее при этом изменение формы хру­сталика, вызывающее изменение фокусного расстояния глаза, обеспечивает получение резкого изображения предмета на сетчатке глаза. Предел аккомодации от дальней до ближней точки ясного видения определяет широту аккомодации, которая изменяется с воз­растом человека. ,

Для нормального глаза широта акккомодации находится в пре­деле от бесконечно удаленной точки до ближайшей точки, располо­женной на расстоянии 250 мм от глаза, или от 0 до 4 диоптрий. Рас­стояние, равное 250 мм, считают наиболее удобным для рассматри­вания предметов и называют расстоянием наилучшего зрения или расстоянием наилучшсния видения.

Глаз, подобно оптическому прибору, имеет глубину резкого изо­бражения, так называемую остроту аккомодации. Глаз, аккомоди­рованный на предмет, находящийся на расстоянии s, резко видит предметы, которые расположены несколько дальше или ближе этого расстояния. При диаметре зрачка глаза 2 мм острота аккомодации ±0,3 диоптрии и ограничивается остротой зрения (кружком наи­меньшего рассеяния).

Способность глаза приспосабливаться к различным яркостям называется адаптацией. В зависимости от яркости предмета, а при наблюдении в прибор — от яркости изображения диаметр зрачка глаза изменяется от 2 до 7—8 мм.

Приспособление глаза к изменяющейся яркости требует времени, Так, при переходе из яркого освещенного места в темному нужно 40—50 мин для полной адаптации; процесс адаптации при переходе из темноты на яркий свет идет очень быстро.

Нормальная освещенность при точных измерениях должна быть 50—250 лк. Освещенность изображения предмета и отсчетных шкал следует уравнять. Световое раздражение, которое способен воспри­нять глаз, адаптированный к темноте, называется абсолютным по­

рогом зрительного ощущения. Астрономы за меру порога светового раздражения принимают освещенность на зрачке 9· 10 9 л к, когда глаз может видеть звезды шестой величины. При лабораторных исследованиях с «искусственными звездами» (малыми точечными источниками света) получено иное значение — 2,44· Ю-9 лк.

Разрешающей способностью глаза или остротой зрения называ­ют наименьший угол, под которым раздельно видны два предмета, например две точки или линии. Разрешающая способность зависит от диаметра зрачка глаза, освещенности, контраста и формы пред­мета. В случае точечных предметов и при нормальных условиях на­блюдения разрешающая способность глаза при диаметре зрачка 2 мм

Рис. 1. Вид поля зрения при совмещении:

а — тонкого штриха с краем толстого; б — тонкого штриха с краем темного диска; в — двух тонких штрихов; г — штриха и биссектора; д — штриха и щели; е — косого штриха и бис-

сектора

равна одной угловой минуте. При уменьшении или увеличении диа­метра зрачка глаза от 2 мм разрешающая способность уменьшает­ся. Если диаметр зрачка меньше 1 мм, то разрешающая способность уменьшается из-за дифракции света, а больше 2 мм — в результате влияния сферической и хроматической аберраций и рассеяния света внутри глаза.

Пороговая контрастная чувствительность среднего глаза состав­ляет 1—2%, т. е. два предмета видны раздельно, если разность в яр­кости фона и предметов не ниже 1—2%.

Особым случаем является рассмотрение одиночных предметов, например, звезды на темном небе или темной нити на светлом фоне. В последнем случае нить видна при толщине, равной в угловой мере 2 2 j5.

На практике точность наведения на контролируемый объект оце­нивают с помощью штриховых шкал. Точность наведения, или точ­ность поперечной установки невооруженным глазом, зависит глав­ным образом от формы шкалы и контролируемого предмета. Суще­ствует несколько способов наведения.

1. Совмещение перекрестия нитей с краем темного широкого Штриха (рис. Ι,α) или темного диска (рис. 1,6). В этом случаз •"■шибка наведения равна 30—60".

2. Нонпусная установка — совмещением штрихов, между кото­рыми находится линия раздела — нониус (рис. \,в) или верньер >гломерного инструмента. Ошибка равна 10—15".

3. Биссекторная установка — симметричное расположение штриха между двумя тонкими нитями биссектора (рис. 1,г) или краями щели (рис. 1,(5). Ошибка наведения равна 6—8". К послед­нему случаю относится способ наведения косого перекрестия нитей на штрих, биссектор, щель и т. п. (рис. 1, е). Высокая чувствитель­ность глаза при биссекторном наведении объясняется его высокой .способностью различать Несимметричное расположение объектов.

Остроту зрения по отношению к поперечному смещению штрихов иногда называют нониальной остротой и принимают равной 10". При наведении по биссекторному способу отношение ширины штри­ха к расстоянию между нитями биссектора должно быть 0,5—0,9.

Глаз способен воспринимать свет в диапазоне длин волн 400— 760 нм. Наибольшую спектральную чувствительность при дневном освещении глаз проявляет для излучения с длиной волны 555 нм (зеленая часть спектра). Для уменьшения утомляемости глаза при длительном наблюдении в оптический прибор желательно приме­нять зеленый светофильтр. Освещенность рабочего места, журнала для записей наблюдения и рассматриваемого изображения должна быть одинакова.

К важным свойствам глаза относятся способность оценивать до­ли интервала отсчетной шкалы, поле зрения глаза и бинокулярное зрение. Наиболее благоприятное условие, когда глаз может оценить 0,1, а иногда и 0,05 интервала, создается при видимом расстоянии между штрихами шкалы 1,5—2 мм (в угловой мере 20—27').

Rf^mnma поля резкого видения неподвижного глаза равна 4° или 17 мм в пространстве предметов на расстоянии наилучшего ви­дения и определяется размерами желтого пятна (диаметр 1,25 мм) и ог.дннм фокусным расстоянием глаза (22,8 мм при аккомодации на бесконечность). Желтое пятно — наиболее чувствительная часть ccwaii-.H глаза. Углы, под которыми подвижный глаз рассматрива­ет пространство, называют углами обзора; в горизонтальной плоско­сти угол обзора равен 150°, а в вертикальной плоскости— 120°. Рез­кое видение предметов неподвижными глазами ограничено полем зрения 4е.

Восприятие окружающего пространства двумя глазами называ­ется бинокулярным зрением, которое значительно облегчает оценку размеров и разноудаленности предметов. Бинокулярное поле зрения составляет угол 120°.

Способность глаз к трехмерному восприятию пространства на­зывается стереоскопическим зрением. Угол, под которым сходятся зрительные оси глаз, направленные в точку предмета, называется параллактическим углом или параллаксом. Разность параллаксов двух удаленных точек предмета характеризует разрешающую спо­собность стереоскопического зрения, равную 10".

При наблюдении близких предметов оси глаз сходятся под неко­торым углом, называемым углом конвергенции, максимальное зна­чение которого 32°, а при расстоянии 250 мм—13—15°. Расстояние между глазами, называемое глазным базисом, 58—72 мм; среднее значение глазного базиса принято равным 65 мм.

§ 6. Свойства оптических приборов

Высокая точность измерений с помощью глаза обеспечивается применением оптических контрольно-измерительных приборов (зри­тельных труб и микроскопов), имеющих необходимую чувствитель­ность.

Под точностью измерений понимают качественную оценку изме­рений, характеризующуюся близостью результатов измерений к ис­тинному значению измеряемой величины [1]. Точность оптических измерений оценивается главным образом точностью прибора. Точ­ность некоторых приборов выражают ценой деления отсчетной шка­лы (наименьшим интервалом между двумя соседними штрихами шкалы). Иногда цену деления отсчетного устройства принимают за допустимую величину основной погрешности прибора.

Способность прибора реагировать на изменения измеряемой ве­личины называется чувствительностью, которая определяется отно­шением изменения сигнала или показания измерительного прибора к изменению измеряемой величины. У приборов, предназначенных для измерения длин, чувствительность выражается передаточным числом, т. е. отношением длины одного интервала деления к цене деления. Например, при длине интервала 0,8 мм и цене 0,01 мм чув­ствительность равна отношению 80: 1.

Важной характеристикой измерительных приборов являются пределы измерения — наибольшее и наименьшее значения измеряе­мой величины.

В оптических измерениях используют поперечное н продольное наведения (установки) перекрестия на шкалу, марку или контро­лируемый объект с последующим снятием отсчетов.

Каждое наведение сопровождается погрешностями поперечной и продольной установок, величина которых зависит от дифракции света, остаточных аберраций и рассеянного ceeia в оптических при­борах. Если влияние аберраций, рассеянного cBeia и других конст­руктивных недостатков на точность установки можно свести до ми­нимума или устранить полностью, то действие дифракции света не­избежно. Дифракция света ограничивает разрешающую способность оптической системы.

Из теории дифракции света известно, что разрешающая способ­ность зрительных труб зависит от диаметра D действующего отвер­стия объектива, а у микроскопов — от апертурного угла а а. Разре­шающая способность идеального объектива в угловой мере

где D выражено в миллиметрах; а для микроскопа в линейной мере

где λ — длина волны света; Л = /г| sin σ^Ι — числовая апертура в про­странстве предметов (п — показатель преломления среды).

Кроме того, на точность поперечной и продольной установки так­же влияет способ наведения, который зависит от формы наблюдае­мого объекта шкалы или марки прибора (табл. 4).

(12)

(13)

Таблица 4

Поперечную установку зрительной трубы чаще всего производят на удаленный предмет, поворачивая или наклоняя трубу, при этом ошибка установки выражается в угловой мере. Поперечную уста­новку микроскопа производят на близко расположенный объект пе­ремещением сетки нитей окулярным микрометром (у измерительных микроскопов) или же передвижением предметного- стола вместе с контролируемым объектом (у инструментальных микроскопов и горизонтальных компараторов).

Точность поперечной установки зависит от способа наведения и видимого увеличения оптического прибора. Для зрительной трубы точность наведения ξ" в угловой мере равна:

(14).

для микроскопа в линейной мере

(15)

где фгл и b — соответственно острота зрения глаза в угловой и ли­нейной мере при различных способах наведения; Γτ и Г — соответ­ственно видимое увеличение зрительной трубы и микроскопа.

В табл. 4 приведена вычисленная по формулам (14) и (15) точ­ность поперечной установки зрительной трубой с увеличением 20, 30 и 40х и микроскопом с увеличением 50 и 100х и числовой апер­турой 0,1.

Точность поперечной и продольной установки повышается в два раза при применении автоколлимационных оптических приборов (зрительной трубы и микроскопа). Аберрации оптических систем, дицеитрировка и другие дефекты снижают точность поперечной и продольной установки в 1,5—2 раза.

Продольную установку или фокусировку зрительной трубы про­изводят обычно перемещением окуляра, установку микроскопа — перемещением всего микроскопа. В обоих случаях предполагается, что окуляры трубы и микроскопа предварительно установлены на резкое видение сеток нитей.

Нередко микроскоп фокусируют на изображение объекта, по­строенное испытуемой оптической системой. При этом наиболее вы­сокая точность установки может быть получена при условии, что

числовая апертура объектива микроскопа равна или несколько больше апертуры испытуемого объектива.

При отсутствии сетки (марки) в фокальной плоскости окуляра фокусировка оптического прибора неопределенна. Для нормального глаза с широтой аккомодации 4 диоптрии диапазон резкого видения изображения между обеъктивом и окуляром

Например, у прибора с фокусным расстоянием окуляра fOK = 20 мм диапазон резкого видения Δ/=1,6 мм.

При наличии сетки точность продольной установки как зритель­ной трубы, так и микроскопа характеризуется выражением

(16)

и зависит от длины волны света λ и апертурного угла σ. Пусть λ = = 0,55 мкм, тогда

(17)

Оптические приборы, применяемые для измерений, должны иметь высокое качество изображения, что наилучшим образом до­стигается при небольших апертурах. На практике наиболее часто используют зрительные трубы с относительным отверстием (1 :8 — 1:15) и микроскопы с числовой апертурой 0,1—0,2.

Для зрительной трубы с относительным отверстием объектива 1 : 10 при λ = 0,55 мкм точность фокусировки Δ/ = 0,08 мм, для мик­роскопа с числовой апертурой 0,2 Δ/ = 0,005 мм. Полученные значе­ние Л/ показывают, что отсчетные шкалы окулярной подвижки тру­бы и губуса микроскопа должны иметь цены делений соответствен­но 0,05 и 0,003 мм.

Фокусировку оптических приборов на изображение объекта про­изводят одним из двух способов: одновременным получением резко­го изображения сетки и объекта (при выходных зрачках до 1 мм) и способом параллакса (при больших выходных зрачках). В пер­вом случае перемещают окулярную подвижку трубы или тубус мик­роскопа и отыскивают наиболее резкое изображение объекта, со­храняя в то же время резкое изображение сетки нитей окуляра. Во втором случае стремятся исключить параллакс (несовпадение плос­кости изображения контролируемого объекта с плоскостью визирной сетки нитей), который можно обнаружить, смещая глаз вправо и влево или вверх и вниз. Параллакс затрудняет наводку прибора и снижает точность измерений, так как глаз, аккомодированный на резкое изображение объекта, наблюдает размытое изображение сет­ки нитей или наоборот. Явление параллакса может возникнуть и при совмещенных фокусах объектива и окуляра, но при положении сетки нитей, сдвинутой вперед или назад относительно фокуса. Параллакс появляется также вследствие остаточных аберраций оп­тической системы, тогда он неустраним и может быть лишь «усред­нен». Параллакс прибора выражается в линейной и угловой мере

или в диоптриях. Наибольшая величина параллакса Af, незаметная для подвижного глаза, равна:

Δ/ = /οκφ„/Κ·3438),

где /ок — фокусное расстояние окуляра; сргл — разрешающая спо­собность глаза; а' — радиус выходного зрачка прибора, мм. При /ок = 20 мм и а'=1 мм Δ/ — 0.1 мм.

Выходной зрачок прибора должен быть немного меньше зрачка глаза или равен ему. Если яркость изображения объекта мала, то диаметр выходного зрачка следует увеличить до диаметра зрачка глаза. Оптимальный размер выходного зрачка трубы или микроско­па 0,5—1 мм, в этом случае глаз мало утомляется, а точность по­перечных и продольных установок сохраняется высокой.

Для исключения «мертвых» ходов микрометренных винтов, име­ющих место при установке сетки нитей прибора на изображение контролируемого объекта или отсчетной шкалы, наводку необходи­мо заканчивать на ввинчивании микрометра, т. е. по ходу часовой стрелки.