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眼的折光系统及其调节

 视觉器官主要有眼球及其附属结构,如眼睑、泪腺、眼肌等。人们对于各种物体的形状、轮廓和颜色等的认识是通过眼的感光作用实现的。人眼的适宜刺激是波长为370~740nm的电磁波。

人眼依其功能,可分为折光系统和感光系统。由角膜经房水、玻璃体、直至视网膜的前部,都是一些透明而无血管分布的组织,它们构成了眼内的折光系统,使来自眼外的光线发生折射,最后成像在视网膜上。视网膜中含有对光刺激高度敏感的视锥和视杆细胞,构成了眼内的感光系统(图)。

右眼水平切面
右眼水平切面

(一) 与眼折光成像有关的光学原理

当光线有空气进入由另一媒质构成的单球面折光体时,它进入该物质时的折射情况决定于该物质与空气界面的曲率半径R和该物质的折光指数n2;若空气的折光指数为n1,则关系式为

n2R/(n2-n1)=F2    (1)

F2称为后主焦距或第2焦距(空气侧的焦距为前主焦距或第一焦距),指由折射面到后主焦点的距离,可以表示这一折光体的折光能力。 表示折光体的折光能力还可用另一种方法,即把主焦距以m(米)作单位来表示, 再取该数值的倒数,后者就称为该折光体的焦度(diopter);如某一透镜的主焦距为10cm,这相当于0.1m,则该透镜的折光能力为10焦度(10D)。通常规定凸透镜的焦度为正值,凹透镜的焦度为负值。

主焦距是一个折光体最重要的光学参数,由此可算出位于任何位置的物体所形成的折射像的位置。以薄透镜为例,如果物距a是已知的,像距b可由下式算出。

1/a +1/b =1/F2    (2)

由式(2)可以看出,当物距a趋于无限大时,1/a趋近于零,于是1/b接近于1/F2,亦即像距b差不多和F2相等;这就是说,当物体距一个凸透镜无限远时,它成像的位置将在后主焦点的位置。同样不难看出,凡物距小于无限大的物体它的像距b恒大于F2,即它们将成像在比主焦点更远的地方。以上两点结论,对于理解眼的折光成像能力十分重要。

另外,根据光学原理,主焦点的位置是平行光线经过折射后聚焦成一点的位置,这一结论与上面提出的第一点结论相一致。每一个物体的表面,都可认为是由无数的发光点或反光点组成,而由每一个点发出的光线都是辐散形的;只有这些点和相应的折射面的距离趋于无限大时,由这些点到达折射面的光线才能接近于平行, 于是它们经折射后在主焦点所在的面上聚成一点,而整个物体就在这个面上形成物像。当然,无限远的概念本身决定了它是一个不可能到达的位置,实际上对于人眼和一般光学系统来说,来自6m以外物体的各光点的光线,都可以认为是近于平行的,因而可以在主焦点所在的面上形成物像(图)。

简化眼的视网膜成像
简化眼的视网膜成像

(二) 眼折光系统的光学特性

正常人眼处于安静而不进行调节的状态时,它的折光系统的后主焦点位置正好是其视网膜所在的位置,这说明凡是位于眼前方6m以外直至无限远处的物体,都可以在视网膜上形成基本清晰的像。但人眼不是无条件的看清任何远处的物体,正如人眼可以看清月亮却看不清月球表面更小的物体或特征。造成这一限制的原因是,如果来自物体的光线过弱,那它们在到达视网膜时已弱到不足以兴奋感光细胞的程度,这样就不可能被感知;另外如果物体过小或它们离眼的距离过大,则它们在视网膜上形成的像的大小,将会小到视网膜分辨能力限度以下,因而也不能感知。

晶状体调节
晶状体调节

(三)眼的调节

位于6m以外的物体,由于他们发出或反射的光线在到达眼的折光系统时已近于平行,人眼无需调节,即可在视网膜上成清晰的像。随着物体的移近,物体发出的光线越来越辐散,将成像在视网膜之后,因而物像是模糊的,需人眼进行调节,使近处辐散的光线仍可在视网膜上成清晰的像。

1.晶状体调节

晶状体呈双凸透镜形,安静时处于扁平状态,人眼的调节即折光能力的改变,主要是靠晶状体形状的改变(图);这是一个神经反射过程。

其过程为:远物的光线经其折射后成像在视网膜上,近物的光线折射后成像在视网膜后,视网膜上则成模糊的像,模糊物象信息传至视觉中枢, 经神经反射使睫状肌收缩,睫状小带松弛, 晶状体凸度加大,折光能力增强,物像前移落在视网膜上而形成清晰的像。

晶状体对视近物的调节有一定限度这决定于晶状体变凸的最大限度。

近点是指眼睛的最大能力调节即它所能看清物体的最近距离。近点越小说明晶状体弹性越好,晶状体的弹性随人的年龄增加而逐渐减弱,年龄越大弹性越差,近点越远。如8岁儿童的近点平均为8.6cm,而60岁时可增大到83.3cm。

2.瞳孔调节 

瞳孔调节通过调节瞳孔的大小而调节进入眼内的光量。

瞳孔的近反射:看近物时可反射性的引起瞳孔缩小。

意义:减少由折光系统造成的球面相差和色相差,使视网膜上形成的物像更清晰。

瞳孔的对光反射:不同强弱的光照射瞳孔时,瞳孔的大小可随光线的强弱而改变。

眼的折光异常

意义:随着所视物体的明亮程度调节进入眼内的光线,以便可在光线弱时增加进入眼内的光线量,看清物体;光线强时避免过量的强光损伤视网膜。瞳孔对光反射具有双侧性,当光照射一侧瞳孔时,两侧瞳孔将同时收缩,此称为互感性对光反射。

3.两眼汇聚

看近物时可见两眼视轴向鼻测聚合,称为两眼汇聚。

意义:看近物时两眼物象落在两眼视网膜相应位置上,从而产生清晰的视觉。

(四) 眼的折光异常

1.近视(myopia):多由眼球前后径过长引起,使得看远处物体时,物体成像在视网膜前方,而在视网膜上成模糊的像。当看近物时,这是聚焦的位置在平行光线之后,因而眼无需进行调节或进行较小的调节就可在视网膜上成清晰的像。矫正:配带凹透镜

2.远视 (hyperopia):多由眼球前后径过短引起。安静状态下,远处物体成像在视网膜之后,近处物体呈像更加靠后。矫正:配带凸透镜

3.散光 (astigmatism):由于眼球在不同方向上的折光力不一致引起。矫正:配带圆柱形透镜。

4.老视(presbyopia):由于年龄的原因造成晶状体的弹性明显下降,看远物时正常,看近物时不清楚。

 简化眼及其成像情况
简化眼及其成像情况

(五)简化眼

简化眼(Reduced Eye)是根据眼的实际光学特性,而设计的一些与正常眼在折光效果上相同、但更为简单的等效光学系统或模型。

简化眼只是一个假想的人工模型,但其光学参数和其它特征与正常眼等效,故可用来分析眼的成像情况和进行其它计算。利用简化眼可以方便地计算出不同远近的物体在视网膜上成像的大小。


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