眼科学之（三）眼睛的成像、调节

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。

图1人眼成像与照相机照相对比

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。

图2眼睛成像简图

图3眼睛的成像光学系统

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。

图4 人眼结构的光学参数

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。假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：

1屈光度=1D

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。

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）