眼睛的构造和主要光学常数

6.1.1　眼睛的构造和主要光学常数

对眼睛的研究经历了约两千年的历史，到17世纪以后才逐步取得了基本正确的认识。从几何光学观点看，眼睛是相当复杂的光学系统，图6.1是人右眼通过光轴的水平剖面图。眼睛是一个近似球形的胶状体，其直径约24mm。眼球的大部分被由外向内的三层膜包住：即巩膜，脉络膜、视网膜；眼球的前面部分由透明的角膜包住，光从角膜进入，通过前房水、水晶体、后房玻璃液等透明介质到达眼底的视网膜成像。各部分的具体构造如下：

（1）角膜：它处于眼球光学系统的最前缘，其主要部分是由胶原纤维（折射率为1.55）和基质（折射率为1.354）组成，其平均折射率为1.376。角膜的中央区厚度为0.5mm，正常情况下，周边区比中央区约厚0.1mm，因而为凹透镜。由于角膜与外界（例如空气）折射率差很大，因而形成整个眼球光学系统屈光力最大的折射面，其屈光力约为45屈光度，占眼球总屈光力（60屈光度）的大部分。由此可以解释眼睛在水下看不清楚的重要原因是，水的折射率（n_水≈1.333）非常接近于角膜的折射率（n_角膜=1.376），因而不能得到足够的折射。由于角膜的屈光力不能调节，因此它的曲率畸变对于屈光异常（主要是散光）有很大影响。

角膜的外层为结膜。为保持角膜的透明度，角膜上皮经常有泪液使之保持湿润，泪液的折射率为1.336～1.337。

图6.1　右眼结构的水平剖面图

（2）前房：在角膜与水晶体之间称为前房，内充透明的水状液，其折射率为1.3354，由于其折射率与角膜相近，因而在角膜——前房水状液界面上光线只稍微改变方向。前房液的主要作用是供给角膜和水晶体以营养，对成像并无重要作用。前房轴向厚度一般在4.2～2.4mm范围内，眼睛调节时向减小的方向变化。

（3）虹膜与瞳孔：虹膜（iris，来源于希腊字彩虹）是浸没在水状液中的一个光阑，它起孔径光阑作用。虹膜由环状肌和径向肌组成，其中央是一能变化的圆孔，称为“瞳孔”。利用环状肌和径向肌的作用可使瞳孔扩大或缩小，从而控制调节从瞳孔进入眼睛的光量，其范围从1.5mm（强光下）到8mm（黑暗条件下）。此外，瞳孔直径的变化还影响焦深和球差。附带指出，虹膜的色素情况决定了眼的颜色特征（如蓝色、褐色、灰色、绿色）。

（4）水晶体（即眼球）：是一个透明的、具有调节能力的凸透镜，但其组成物质的折射率是不均匀的。它是由相邻层折射率差极小的约22000个薄层所组成的多层薄膜结构，是一种复杂的分层纤维体。其中心是晶体内核，质较硬，其折射率约为1.406；外层较软，最外层包着一层透明的胶囊（弹性膜），其折射率约为1.386。整个水晶体是一个富有弹性的粘弹性体。胶囊以两个特殊的韧带与睫状体的两枝相联结，借助于睫状肌的收缩放松，可以改变水晶体的形状从而达到改变水晶体的焦距和屈光力的目的。这就是水晶体的调节作用。从这个意义上说，眼睛是。可变一焦般距说系，统水晶体的前表面近于旋转抛物面，后表面近于旋转椭球面，即均为非球面。调节时，前表面曲率半径变化大，后表面的曲率半径变化小。前表面曲率半径在无调节状态下约为10.2～10.9mm，在强调节状态时约为5.5～6.5mm；后表面曲率半径在无调节状态下约为6.0～6.7mm，在强调节状态时约为5.3mm。应该指出，在调节时，不仅前后表面曲率半径的改变影响水晶体屈光力改变，而且由于水晶体变形而引起的折射率分布状态变化等因素也将影响屈光力改变。这部分调节作用称为“囊内调节”，约为4个屈光度，大约占水晶体总体调节量的30％。

（5）后房：在水晶体后面的腔房称为后房，其内充透明的胶状物称为后房玻璃液，其折射率约为1.3354，与前房液近乎相同。

（6）视网膜：相当于感光部分的视网膜是由10层组成的网状结构。视网膜的厚度随眼底位置而异，从0.1mm～0.5mm，平均为0.3mm。10层中的前8层对光透明但不引起刺激；第9层是感光层，布满了作为光感受器的视细胞，其总数大约为1.07×10⁹个；第十层直接与脉络膜相接。

表6.1是stenstr9m对20～25岁的1000只眼的部分参数统计数据。

6.1　眼睛部分结构参数统计数据

视细胞按其形态和功能可分为两类，即视杆（或圆柱）细胞和视锥（或圆锥）细胞，它们不均匀地混合分布在视网膜上。视杆细胞大约有一亿个，这种细胞是直径为2～4μm、长约60μm的长圆柱形细胞，其特性可类比于高速粗粒的黑白胶片，对光亮度的反应非常灵敏，它可在10^－3～10^－1lx这样的暗视条件下检测亮度信息，但是它不能辨别颜色；圆锥细胞大约有7×10⁷个，其直径约2～6μm，长40μm，呈圆锥状，它可在明视（10¹～10⁵lx）条件下检测亮度和颜色信息，给出细致的彩色图像，但在弱光下很不灵敏，其特性可类比于低速细粒的彩色胶卷。在间视（10^－1～10¹lx）条件下，两种细胞同时活动。两种视细胞数量随视角的分布规律如图6.2所示。其中，圆锥细胞的大部分集中分布在视力最好的中央凹部分（视角为0°附近）。

图6.2　视杆与视锥细胞数量随视角的分布规律

（7）黄斑和中心凹：在视网膜的中心，有一个椭圆形的小凹陷，其水平方向直径约为1～3mm，竖直方向直径约为0.8mm，其相应视角近于2.2°。由于这个区域呈黄色，故称“黄斑”。黄斑的中心有一椭圆形凹坑，称为“中心凹”，其水平直径为0.3mm，竖直直径为0.2mm。由于该处密集布满了大部分锥细胞，因而是视网膜上视觉最灵敏的区域。观察时，眼球不停地转动，以使物体上使我们最感兴趣的区域成像在中心凹上。

（8）盲斑：在视神经纤维的出口处，由于没有感光细胞，不能产生视觉因而称为“盲斑”，其形状亦为椭圆形。

（9）巩膜：是包住整个眼球的一层不透明的白膜，其厚度约为0.4～1.1mm。

（10）脉络膜：是在视网膜外包着的一层黑色膜层。其作用是吸收透过网膜的杂散光，将后房变为一个暗室。

（11）光轴和视轴：光轴是光学上的对称轴；视轴是眼球光学系统的节点与黄斑中心凹的连线。两者交角约为5°。对眼光学系统重要的是视轴而不是光轴。两眼视轴的交叉位置在眼前约45～50cm处，因此其调节状态约为2屈光度，在该点处形成双眼体视最容易，且附近球差最小。

总的看，眼睛的光学系统犹如照相机：其角膜与水晶体的组合相当于照相机的物镜，不同的是，眼睛具有调节能力，为可变焦距系统；其虹膜和瞳孔相当于照相机中的可变光阑；视网膜相当于照相机中的感光底片；脉络膜相当于照相机的暗匣。当成像时，来自物体上的光线，经过角膜和水晶体折射后，成像在视网膜上，使视细胞受到刺激，视网膜将光信号转变为电脉冲，并借助于视神经系统传至大脑的信息处理系统，产生视觉。在视网膜上所成的像实际上是倒像，但由于神经系统内部作用的结果，人的感觉仍是正立的像。

眼睛观察空间物体时，靠其外部肌肉牵动眼球不停地转动。使视轴通过所要观察的点，将该点成像在中心凹上。所有落在黄斑上的空间点像均比较清晰，而落在黄斑外的空间点像则比较模糊。对落在黄斑外的空间点的像，眼睛都是用“边缘视觉”去看的（眼睛视场可达150°）。眼球的转动中心（固定点）在光轴上距角膜顶点13.5mm处，它距视轴约为1.6mm（靠鼻子那一侧）。