第三章眼的生理性光学缺陷 - 眼科屈光学

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第三章眼的生理性光学缺陷

2009-12-09 10:37:53 来源:网络作者:蓝精灵【大中小】浏览:85884次评论:0条

从光学理论讲，任何一种光学仪器，甚至一个简单的透镜，都存在着一定程度的光学缺陷。人眼的光学结构基本上是一个复杂的光学仪器，因而光学缺陷在人眼的屈光系统中也是不可避免的。同时应当了解，人类的眼睛是依靠太阳光的存在，在不断地进化和演化中，由低级动物的眼点逐渐成为极精确完善的视觉系统。因而人类眼球的一些固有的光学缺陷，可以用视觉过程的生理和心理机制予以补偿和调节，使一些纯物理性缺陷所造成的影响降低到最低限度。再则，眼的远近距离的自动调节、光的明暗适应、视网膜的影像分辨力和视中枢的分析综合能力等，都具有补偿物理性缺陷的作用，因而更降低了光学缺陷的影响程度。为了了解它、掌握它，现将眼屈光系统中主要的光学缺陷分述如下。

第一节色像差

白光是由很多不同波长的光所组成的。白光通过三棱镜可使之分光，成为七色的光谱。众所周知，不同波长的光经过屈光介质时，短波光行进比较缓慢，因此在透镜内行程中的弯曲度要比长波光大，所以短波中的蓝光要在长波中的红光之前先集合成为焦点(图3-1)。这种现象称为色像差，可以很轻微地降低视网膜像的清晰度。这种缺陷随着瞳孔的散大而增加。当瞳孔是2mm时，差不多有70%的光集合在直径为0.0O5mm的区域内。再则，如果是一个正视眼，可把光谱中最亮的黄光在视网膜上形成极为清晰的像，而由比黄光波长较长的红光或比黄光波长较短的蓝光均形成较为不清的像，易被忽略，并不感到色差的干扰。由于这种色差的存在，正视眼对红光来说是远视的，对蓝光是近视的。以钴蓝光为例，它只让红光与蓝光通过，如果令白光通过钴蓝的透镜，以毛玻璃来观察成像的变化，则发现当把毛玻璃放在红光正确聚焦的部位时，毛玻璃上形成一个很锐利的小红点，而蓝光则成为环绕红点的蓝色光环，反之，在另外一个部位(即较近处)可以发现一个非常锐利的蓝色光点，并环绕着模糊的红色光环。这就是利用色像差来鉴定屈光不正的理论基础。

在光学仪器中，这种色像差可用不同的折光系数和不同色散度的玻璃，配合起来做成复合透镜使之消除。例如，燧石玻璃的色散几乎是冕牌玻璃的2倍，它的折光系数为1.7，而冕牌玻璃为1.5。如果将一个冕牌玻璃的凸透镜和一个只有半数屈光度的燧石玻璃的凹透镜叠合在一起，色散的缺陷可以被中和，相当一部分冕牌玻璃的屈光力量被保留下来，这就形成了所谓的无色差透镜。
如图3-1所示，如果用一块毛玻璃放在凸透镜的焦距以外向凸透镜移近，首先看到的是红光的聚焦点，其次为黄光，最靠近眼球的是蓝光的聚焦点，即同一视网膜接受着不同距离和不同清晰度的颜色像。再者，当投射光稍微偏离光轴时，短波光所成的像要比长波光小些。我们人类眼的中心凹的位置轻度偏离眼光学系统的光轴，因而所有落在中心凹上的像，随着物体的远近和投射方向不同而使视网膜像的形状和大小发生轻度改变，因而使色差的现象扩大，这称之为放大的色分散。从物理学的观点看，色差的扩大只会给视觉带来不良影响，但实际上，由于人类视觉在进化中所形成的微妙适应，不但将原有的物理缺陷予以弥补。甚至这些物理缺陷还给视觉带来好处。所以许多学者认为，中心凹生理性地偏离光轴也是人类进化中自然选择的一个突出表现。
很有趣的例子是，Kohlrausch于1871年所提出的颜色立体视觉的形成机制。即在一张彩色平面图上可以显现出鲜明的立体感，所有颜色都有这种立体效应，即光谱中距离愈远的两种光表现越为突出。所以彩色图片上红与蓝两色表现最为明显。这种现象被认为是由于放大的色分散所引起的。一方面由于不同焦距所形成的不同大小的色像落在同一视网膜上，另一方面由于投射光不与光轴平行，使不同波长的光刺激不同的视网膜部位，通过长期的实践和认识使之产生立体感。这种现象可以用一个移动的人工瞳孔的办法表演出来。当人工瞳孔偏向颞侧时，红色在蓝色之前；如将瞳孔移到鼻侧时，则立体现象反转过来，蓝色在前。更为方便的方法是在试镜盘中取红和蓝镜片各一片，分别放在左右眼之前，观察一张简单的彩色图，可使图的立体感更为加深，成为一张立体图画。根据这个原理，可以设计一套观察镜片，向大量观众同时表演立体视觉。但用这种方法所形成的立体感觉要比立体镜者差些。

第二节球面像差

任何一个透镜，它的周边部的屈光力量要比中央部强，因此，经过周边部的光要比中央部者形成焦点要早些，此者称为球面像差。如图3-2中，光A的焦点A'要比光 B的焦点B’更靠近透镜。因此严格地讲，任何焦点都不是一个锐利的点，而是一个小的光斑。在一般情况下人眼的瞳孔不很大时，周边部的光线大部分均被虹膜遮住，所以球面像差的影响并不明显。另外由于晶状体中央部密度和弯曲度均较大，也可将这种现象的影响予以消减；甚至当瞳孔放大时，由于角膜周边部较平的关系，也可使这种缺陷得到部分矫正。因此，总的来说，球面像差与光的衍射和色差相比，对于成像的影响可以略而不计。

为了消除像差缺陷，在磨制镜片时，可使镜片周边部的弯曲度慢慢变小。最常用的是把透镜磨成新月形或周视形，就是前面的弯曲度大于后面的弯曲度，也可部分消除球面像差。比较理想的办法是用适当比例的燧石玻璃和冕牌玻璃所配制的联合透镜，既可消除色像差，也可消除球面像差。上述几种透镜都可称为消球面像差透。

第三节透镜偏离光心

为了在视网膜上形成理想的像，眼屈光系统中的屈光表面要准确地对准光学中心，也就是角膜表面的弯曲中心，要与晶状体前后两个表面的中心都精确地排列在光学系统的光轴上。眼的光学中心轴并不都是很准确，但它的偏斜度一般都很小，因而从功能上说，可以略而不计。按照Tscherning的研究，这种缺陷一般是由角膜的弯曲中心位于透镜光轴下方0.25mm左右所造成的。

另外，视网膜的中心凹并不是恰好位于光轴上，而是位于光轴的颞侧下方125mm处。因为中心凹是获得最佳视力的部位，当注视物体时，我们的视线并不是沿着光轴看出去，而是在被观察物体(或者固视点)与中央凹之间的联线上。这个联线通过结点(N)，如图3-3中的FNM联线，称为视轴。有时光轴对着中心凹，使光轴与视轴相一致。但通常是视轴在角膜中央的鼻上方通过。因此，当眼注视正前方物体时，光轴轻度向下向外。光轴和视轴两者在结点处所夹之角如图3-3的∠0NF，称为α (apha)角，此角的平均值为5°。有的学者认为，这种偏斜有利于矫正视网膜中心凹处产生的像差，是人眼在进化中形成的。

按照一般情况，视轴通过角膜时，是在光轴的鼻侧，这样所形成的夹角称为阳性α角；当两轴合而为一，角度就消失。有时，视轴是在光轴的颞侧通过角膜，这样形成的角，称为阴性α角。近视眼者多为阳性α角，远视眼多为阴性α角。
当我们转动眼球，而且不是一直注视正前方时，情况就较为复杂。眼球是以眼球的旋转中心为轴心而进行旋转运动。图3-4的C为旋转中心并位于光轴上，C点与固视点之间联线FC称为固定轴，光轴与固定轴所夹之角，即图3-4的∠OCF，称为γ(gamma)角。

在以后的章节中还会提到测定这些角度在斜视问题中的重要性。在实际应用中，由于很难测出角膜中心点的准确位置，故亦很难精确地测定眼的光轴，然而用一个光点的影像来测定角膜上的瞳孔中心则要容易些。由瞳孔中心点画一条垂直于角膜的瞳孔线，用它来代替光轴，即图3-5的AN。瞳孔线与视轴间的夹角，如图3-5的∠ADF称为κ(kappa)角。瞳孔的中央有时偏于角膜中央的鼻侧，但在临床应用上，可将光轴与瞳孔线合而为一，并且可以考虑把角膜上形成的∠ADF与结点(N)处所夹的∠ANF看作是相等的。因而可用∠ADF代替∠ANF为κ角。

第四节周边像差
由于眼受到某些光学因素的影响，使视网膜周边部的像总是不如中心凹处的成像清楚，这种现象称为周边像差。其主要原因有慧形像差、放射状散光及像的变形。眼的特殊结构使上述光学现象引起的视觉干扰大部予以纠正。并且视网膜的弯曲表面对于提高周边视力方面发挥了重要作用。根据生理光学的计算，由于视网膜的表面呈弯曲状，因而使得眼的光学系统非常接近于理想的光学设计。

第五节弥散光环

因为这种像差发生在正常情况下，并且在日常生活中不易被察觉，一般不予重视，但在屈光矫正，特别是屈光不正的度数较高时，对此应当引起注意。由于上述生理光学缺陷的联合作用，即使是正常眼，也不能使外界的一个物点在视网膜上形成锐利的点状焦点，仅形成一个轻度模糊的光环，称为弥散光环。图3- 6中的A是两个非常靠近的物点在视网膜上两个光环互相重叠的示意图。线是由无数点所组成，因而一条线的像成为无数光环重叠排列的形状，成为一条模糊的条带(图3-6B)。而物又由许多线条所组成，以致物像变模糊。眼的光学缺陷愈小，弥散光环愈小；弥散光环形成的条带愈细，像愈清楚，视力也就增加。矫正各种屈光不正的目的，就是使视网膜上形成的弥散圈缩小到最小限度，以得到最好的视力。

第六节瞳孔大小

从图3-7可以看到外界物体的光进入眼球后在眼内就成为一个光锥，这个锥形的基底由瞳孔裂洞所形成。从图中还可看到瞳孔愈小，光锥的横切面就愈小，同时光在眼内的绕射效应也就愈小。因此，瞳孔缩小就可大大地降低晶状体周边部所引起的球面像差和色像差，从而提高了视功能。从图3-7还可看到当光锥的尖端不是落在视网膜上，小瞳孔对视力的有益效应更为明显。图中O代表物体，当瞳孔由原来的大小aa，缩小为b时，由O形成的弥散光环将从 a'a'缩小到b'，相应地大大减少了干扰效应。设想瞳孔为aa时，集合的光笔落在黄斑区域遮盖的面积为a'a'，它包括了100个锥状细胞。当瞳孔缩小到原瞳孔直径的1/5时，这时像占据的面积仅为原来的1/25，即图中的b'，它仅包括着4个锥状细胞。从理论上说，当瞳孔缩小到仅是一个点时，只允许一条光能够进入眼内时，不管哪种屈光不正，都可以在视网膜上形成清楚的像。这种成像清楚的原理和图3-8的针孔照相机的原理相同，这个原理对于临床检查有很大的帮助。因为将一个针孔镜片放在眼前可使各种屈光不正的眼提高视力，因此，一个远视眼喜欢在较强的照明下阅读，使瞳孔缩小到最小限度；而近视眼在看物体时习惯将眼半闭起来，因而得到裂隙成像的好处。关于光线经过小孔后结成倒像的简单几何光学现象，古代宋朝的沈括在《梦溪笔谈》中就已有论述。

这种缩瞳方法也有其不利的一面，因为瞳孔缩小，进入眼内的光亦相应减少，因而使视力反而降低。更为重要的是，瞳孔过小时即发生光衍射，使视力降低。据Miller(1977)的研究，如瞳孔小于2mm时，即有绕射现象发生，只有用照明予以补偿。又据Holladay(1911)对瞳孔大小与视力之间关系的研究认为，随着瞳孔直径的增加，由于Stiles-Crawfbrd效应的参与使视力降低。当瞳孔直径缩小为0.5mm时，可使±5.0D屈光不正的视力提高到0.5 (4.7)，再小时由于绕射作用使视力降低。故从理论上讲，瞳孔变小时，可使所有屈光不正予以矫正的说法是有根据的。因此，为了提高屈光不正的视力，虽有两种可以利用的方法，即增加照明强度和缩小瞳孔，但其中每种方法都仅可将视力提高到一定程度。若要得到最好的视力，须在它们两者之间来取适当的折衷选择办法。最主要的是随着照明情况而改变，在照明强的地方，为了便于产生一个明亮的像，可来用缩小瞳孔的办法；反之，在照明较差的地方，要用较大瞳径使像的亮度增加，才可以得到较好的视力。在一般情况下，最佳的瞳径是2mm。

第七节波前像差

发光体向四周辐射光波，在某一时刻光波所到达的位置称为“波前”，或称“波阵面”、“波面”。一个位于均匀介质中的发光点发射的光的波面，是以发光点为球心的球面，同时按几何光学的观点，发光点向四周发出无数条几何线，如图3-9所示，显然光线垂直于波面，换句话说，“光线就是波面的法线”，反之“波面就是所有光线的垂直曲面”。这就是波面和光线之间的对应关系。

如果光学系统成像符合理想状态，则各种几何像差都等于零，由同一物点发出的全部光线均聚交于理想像点。根据光线和波面的对应关系，光线是波面的法线，波面为与所有光线垂直的曲面。因此，在理想成像的情况下，对应的波面应该是一个以理想像点为中心的球面——理想波面。如果光学系统成像不符合理想状态，存在几何像差，则对应的波面也不再是一个以理想像点为中心的球面。我们可以把实际波面和理想波面之间的光程差，作为衡量该像点质量优劣的指标，称为波前像差或波像差(图3-10)。

由于波面和光线存在着互相垂直的关系，因此，几何像差和波像差必然存在一定的对应关系。根据这种关系，可以由波像差求出对应的几何像差，也可以由几何像差求出波像差。在很多情况下，波像差比几何像差更能反映系统的成像质量。一般认为最大波像差小于四分之一波长，则系统质量与理想光学系统没有显著差别。这是长期以来评价高质量光学系统质量的一个经验标准，称为瑞利(Ray1eigh)准则。

第八节对比敏感度函数

传统的像差理论是建立在几何光学基础上的，研究和实践表明它具有一定的局限性。现代光学的发展，提出了一种新的表达和评价光学系统成像质量的方法，即调制传递函数(简称MTF)。从20世纪6O年代起，MTF被引入了视觉系统，称之为对比敏感度函数(简称CSF)。

人眼观察物体时，能否分辨物的细节部分，决定于该细节的光强相对其背底光强的高出或低下的程度。例如。在照度暗弱的室内可以清楚地看电影或电视，而在明朗阳光照射下或照度很高的室内，同样的电影和电视就看不清楚；无月夜晴空可见满天星斗，白天却一个不见。所以实际上人们是依靠像的调制度(即对比度)的大小来看到和分辨物体的。

调制度或对比度的定义为:
M=C=(Imax-Imin)物面/(Imax-Imin)像面

其中M为调制度，C为对比度，Imax和min分别为物面或像面的最大光强和最小光强。如图3-11所示。

根据傅里叶光学理论，已经证明，物面是由许多不同频率的光强按正弦分布的空间光栅组成；一个正弦波空间光栅通过光学系统给出的像，仍然是同一频率的正弦波，只不过像的调制度有所下降和位相有所移动。

所谓空间光栅，即空间频率，是单位长度或单位张角内光强变化的周期数。视力表的视标，实际上也是一种空间光栅，一笔白色和一笔黑色就是光强变化一个周期，也称一个“线对”，只不过现行视力表视标的光强不是按正弦波分布的，而是按矩形波分布。

一个光学系统成像质量的好坏，就是要看它成的像对物的对比度的保真程度，也就是说，可用C/CO(其中CO为物的对比度，C为像的对比度)来评价。对于一幅图像(二维的物)则应测定各种空间频率N的对比敏感度函数CSF。

CSF=C(N)/CO(N)

人眼对比敏感度函数的测定，主要有三方面内容： (1)全视觉系统CSF的测定 (2)视网膜到大脑系统的CSF测定；(3)屈光系统CSF的测定。

测定全视系统CSF的方法，最常用的是在屏幕上呈现出不同空间频率的光强按正弦分布的空间光栅(也可称之为视标)，改变其对比度，用心理物理学方法确定受试者刚可辨认的光栅的对比度阈值，其倒数定义为对比敏感度。产生这些视标的方法有多种，可用印刷的办法制成一张表或制成灯箱，也可用投影的方式照射到屏幕上，也可通过电脑软件在显示器上显示。

测定视网膜到大脑系统的CSF，需采用特殊的光学技术，“越过”屈光系统，直接在视网膜上形成视标。

屈光系统CSF可以单独测定，测定中光线先经过屈光系统，到达视网膜后反射，又一次经过屈光系统出来，进行检测。这种方法要对视网膜的反射特性作近似的假设。另一种方法，也可以先测定全视系统的CSF和视网膜到大脑系统的CSF，然后两者相除即得到屈光系统的 CSF，因为:
全视系统CSF=屈光系统CSF×视网膜到大脑系统CSF。

图3-12为正常人眼对比敏感度函数曲线。连接圆圈的曲线为全视系统的CSF，表示了光栅空间频率与对比敏感度的关系。在低频时(间隔较宽的光栅)对比敏感度很高，即较低的对比度即可分辨，但随着空间频率的增加，敏感度迅速下降。连续曲线表示视网膜到大脑系统的CSF，呈钟形，在空间频率为8周/度左右，有一峰值，然后逐步下降。以上两CSF曲线之比(显示在图的上方)，就是屈光系统的CSF曲线。

研究表明，CSF曲线对于一些眼疾患者非常敏感，一般都显示出不同程度的峰值下降(甚至消失)，或出现峰值向左偏移及高频区曲线明显下降等特点。近年来，在激光角膜手术方面，应用CSF的测定，可确定术前和术后的眩光现象改变状况。

(徐广第金成鹏)

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