4.1.1 眼生理光学：眼的光学系统 - 眼镜验光员(基础知识)

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4.1.1 眼生理光学：眼的光学系统

2009-12-07 15:03:27 来源:网络作者:天鸿【大中小】浏览:55310次评论:0条

屈光的英文为refraction，其译文还有屈折、折射(作用)等，这说明在几何光学中所谈及的光线由一种介质进入另一种介质时所发生的前进方向的改变，即所谓折射，实际上为眼屈光学所称的“屈光”。

一、眼的光学系统
1.眼的屈光结构和光学常数
眼屈光系统由角膜、房水、晶状体、玻璃体四种屈光介质所组成。其组织结构已在眼科学知识中介绍，现主要从光学角度分析其结构特点。
(1)角膜
角膜是外界光线进入眼内产生视觉的唯一途径，是主要的眼屈光介质，其前面分隔着空气和角膜实质，后面与房水接触，在切面上如同一凹弦月形透镜。不过由于角膜厚度差很小，仍可把角膜前后看成是近似平行的弧面。因其很薄，平行光线通过角膜时并不发生折射，而是移位，因而角膜本身的屈光作用可以不计。但其屈光力占眼总屈光力的70%~75%，这是因为角膜构成房水透镜的前曲面，角膜的前曲率半径(与前房深度有关)和房水的折射率是构成角膜屈光力的重要因素。
角膜光学常数见表4—1，关于角膜的屈光力可依透镜面屈光力的计算公式计算。
表4—1 眼屈光系统的光学常数
屈光介质折射率(屈光指数)屈光力(D)曲率半径(mm)厚度(厚度深度)(mm)
角膜1.376+43.05+7.7(前)
+6.8(后)0.5
房水1.336 3.0~3.1
晶状体1.40619.11+10(前面静止时)
-6(后面静止时)3.6(静止时)
玻璃体1.336

角膜前面屈光力D1=(1.376—1)/0.007 7≈+48.83(D)
角膜后面屈光力D2=(1.336—1.376)/0.006 8≈-5.88(D)
角膜总屈光力D=D1 +D2-(d/n)D1 D2
=48.83 +(-5.88)-(0.000 5/1.376)×48.83 X(-5.88)
≈+43.05(D)
角膜是透明屈光介质，其前面具有凸球面反射镜的光学作用，故投射于角膜表面的光线，约有2.5%被反射。另外，角膜对波长为390~760 nm的可见光线可任其透过，但对波长短于295 nm的光线可吸收。据研究，角膜上皮吸收紫外线的峰值波长为265 nm，故雪地、冰面等集中反射及电焊弧光是角膜损坏的常见诱因。
(2)房水
房水是充满前后眼房中的无色透明澄清液体，为眼球屈光系统的第二介质，犹如一透镜。角膜构成了房水透镜的前曲面，房水的屈光指数为l.336，如上所述，角膜的前曲率半径(与前房的深度有关)和房水的折射率是构成角膜屈光力的重要因素。
(3)晶状体
晶状体的光学常数见表4—1，不过要说明的是，晶状体并不具有均匀的折射率，这是因为晶状体是由多层不同折射率的物质(类似洋葱)所组成，中央部最致密，故折射率最高，为l.406，表层为l.386，即其屈光指数存在着梯度。
晶状体对波长为390~760 nm的可见光线，均任其通过透达视网膜，但随着年龄的增长，晶状体核由黄色渐变为淡褐色，所以对接近350 nm或更短的短波光线常会部分吸收，如对290 nm的紫外光则会大量吸收，晶状体常发出荧光，并形成不透明变性蛋白质，这是日光性白内障发生的重要原因。
(4)玻璃体
玻璃体是无色透明凝胶状组织，填充于眼球内腔，为眼屈光系统的终末屈光介质。玻璃体具有与房水相等的屈光指数(1.336)，光线经玻璃体屈折后，立刻投射于视网膜上成像而引起光化作用。

2.眼的三对基点
(1)眼屈光系统——共轴球面系统
依几何光学，若光学系统由球面透镜和球面反射镜组成，则被称为球面系统。若所有球面的球心均处于同一条直线上，则该直线就是整个系统的对称轴线，被称为系统的光轴，这样的系统称为共轴球面系统。
如前所述，从光学角度分析，人眼是由角膜、房水、晶状体和玻璃体所组成的光学器具，各屈光介质的屈光面大都为球面，且基本上均具有凸透镜的光学作用，故为球面系统。而依几何光学原理，可将角膜表面中央部定名为眼球前极，通过该中央部与角膜垂直的线应为整个系统的对称轴线。严格来讲各屈光面的中心并不都是排列在该轴上，但偏差很小，从功能上可忽略不计，所以仍可视为在同一轴上，这条轴即是眼的光轴，眼的旋转中心(回旋点)以及眼的焦点、主点和结点等光学上的重要点也都基本在该轴上。故眼的屈光系统从光学原理上可视为共轴球面系统。眼屈光系统的组成如图4—1所示。

(2)眼的三对基点
眼屈光系统的三对基点如图4—2所示，包括主焦点、主点和结点。

1)主焦点。主焦点是平行光线经眼屈光系统折射后与主轴的交点，简称焦点。
2)主点。主点是眼屈光系统屈光成像的参考点，许多基本线段如焦距、物距、像距等均从此点起计算。
3)结点。结点是次轴光线与主轴的交点。以任何角度射向第一结点的光线，经眼屈光系统系折射后，均由第二结点以同一角度射出，虽向一侧移位，但方向不变。
4)眼屈光系统三对基点的位置如下：
①前焦点(距第一主点位置)：-1 7.05 mm。
②后焦点(距第二主点位置)：+22.78 mm。
③第一主点：1.348 mm。
④第二主点：1.602 mm。
⑤第一结点：7.078 mm。
⑥第二结点：7.332 mm。
上述两主点和两结点的位置均极为接近，故可分别视为一个主点及一个结点，即下文述及的简化眼状态。其中结点是整个屈光系统的光学中心，任何光线通过此点都不会屈折。

3.简化眼(简略眼、简约眼)
眼睛实际上是由各种不同屈光指数的屈光介质所组成的一个复杂光学系统，以上述眼球光学常数及三对基点的数值为基础，模拟人眼光学结构的模型即称为模型眼，其中主要以Gullstrand六折射面精密模型眼为标准。但为便于理解和使用，依光学原理将模型眼进一步简化：眼球的各屈光单位以一个曲率半径为5.73 mm的单一折射球面代替(见图4—3)，该球面位于角膜后1.35 mm，其一侧为空气，另一侧为n=1.336的屈光介质，结点或光学中心即该球面曲率中心，位于角膜前表面后方7.08 mm处；前焦距为-1 7.05 mm，后焦距为+22.78 mm，总屈光力为+58.64 D。简化后的模型眼叫做简化眼。

2009-8-28 15:57:07

4.视网膜成像
(1)视网膜成像大小的计算
在图4—4中AB为置于眼前的物体，N为简化眼光学系统的光学中心，凡经过此点的光线不被屈折。物体AB所反射出的光线，经结点在视网膜上形成倒像，亦如凸透镜的成像，在结点处夹角为α。根据相似三角形各对应边成正比，可得：
物体大小/成像大小=物体与结点的距离/像与结点的距离
即：
AB/ab=BN/bN
像的大小(正视眼)=物体大小X像与结点的距离/物体与结点的距离
=AB X bN/BN
把简化眼数据代入：
像的大小(mm)=(物体大小mm×17.05-)/(物体与眼的距离mm+7.08)
例如：若物体高为2 000 mm，位于眼前20 000 mm处，则：
像的大小=2 000 × 1 7.05/(20 000+7.08)≈1.7(mm)
另外，和球面透镜成像原理一样，像的大小还可通过视角与结点至视网膜的距离计算求得，即tanα×17.05(mm)。例如，正视眼在5 m处查其远视力为1.0，现以视角方法计算该1.0E形视标在视网膜上像的大小：
tan5′× 1 7.05=5 × 0.000290 8 ×1 7.05≈0.024 8(mm)≈24.8(μm)
tanα在角度(弧度)很小时，可以用角度本身代替(1’=0.000 290 8rad)。

(2)影响视网膜成像大小的因素及其意义
视网膜成像大小是依所视物体大小及与结点距离远近而定，即与所形成的视角大小有关。故物体距眼越近，所形成的视角越大，视网膜成像越大(其中伴随着调节，引致眼屈光系统前后结点的向前移位，也使视角更加增大)。
由此不难理解：
1)凡所目睹的物体，若其视角相同，视网膜成像大小也相同。在视力表设计时，如我国常用的国际标准视力表，从0.1~0.5的各行视标的高度就正是从眼结点到无限远的5′视角进程中，依不同“设计距离”计算求得。换言之，视力表上的视标虽大小不同，但人若在各视标相应的设计距离观察，则在眼内所形成的像大小相同。
2)由视网膜成像大小的计算可知视网膜距结点近的(如远视眼)所成像较小；反之，如近视眼所成像较大。前者戴用凸透镜有放大像的作用，后者戴用凹透镜有缩小像的作用。

5.眼的生理轴与角
眼的生理轴与角如图4—5所示。

(1)光轴
光轴是通过角膜表面中央部(眼球前极)的垂直线，眼的结点、回旋点均在光轴上。该轴通常在视网膜中心凹鼻侧，其与巩膜后面的交点为眼球后极。
前后极的距离即眼轴长度。眼屈光系统各表面的中心均近似位于光轴上。
实际应用中因角膜前极不易由观察法得到，而瞳孔中心易于确定，故常将由瞳孔中心所作垂直于角膜的瞳孔线(轴)代替光轴。
(2)眼的视轴
由眼外注视(固视)点通过结点与黄斑中心凹的连线。由于黄斑中心凹位于眼球后极颞下侧约1.25 mm，故人眼的光轴通常在视轴外侧，两轴并不重合。
(3)眼的固定轴
当眼转动观看物体时，人们设想是以一点为力学回转中心，称为“旋转中心”(回旋点)，大约位于角膜顶点后方1 3.5 mm光轴上。
注视点与眼旋转中心的连线为固定轴。
(4)视角(α角)
视轴与光轴在眼内结点处所形成的夹角。
(5)Kappa角(K角)
眼外注视点与角膜前极连线和光轴所形成的夹角。如上所述，一般常以瞳孔线(轴)代替光轴，故Kappa角可认为是视轴与瞳孔线的夹角。Kappa角与视角在临床上大致可视为同一角度。由于Kappa角不易测量，所以常用光轴与角膜反光点(视轴)偏离的角度(圆周度)来度量。
最简单的方法可令患者注视33 cm处的灯光，观察角膜反光点，如在瞳孔中央鼻侧，为正Kappa角，在颞侧则为负Kappa角。通常Kappa角为正，一般在3°~5°。远视时可大至7°左右，近视时则约有2°以内的减少。过大的正(负)Kappa角常表现为外(内)斜的外观，即所谓的“假性斜视”“伪斜视”。

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