生理学/眼的折光系统及其调节

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当光线由 空气进入另一媒质构成的单球面折光体时,它进入物质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α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,这一结论与上面提到的第一点结论相一致。每一物体的表面,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,整个物质就达个面上形成物像。当然,无限过的概念本身决定了它是一个不可能到达的位置,实际上对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,因而可能在主焦点所在的面上形成物像。

(二)眼的折光系统的光学特性

当用上述光学原理分析眼的折光特性时,首先遇到的一个困难是,眼球并非一个薄透镜或单球面折光体,而是由一系列由率半径和折光指数都不相同的折光体所组成的折光系统。显然,人眼折光系统的后主焦距不能简单地由式(1)算出,不过它的最主要的折射发生在角膜,而按几何学原理进行较复杂的计算,还是可以追踪出光线经眼内多个折光面行进的途径,并得出由这些组合的透镜组所决定的后主焦点的所在位置。

计算结果表明,正常成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的位置,正好是其视风膜所在的位置。这一解剖关系对于理解正常眼的折光成像能力十分重要。它说明,凡是位于眼前方6m以外直至无限远处的物体,根据式(2)或由于由它们发出或反射出的光线在到达眼的折光系统时已近于平行,因而都可以在视网膜上形成基本清晰的像,这正如放置于照相机主焦点处的底片,可以拍出清晰的远景一样。当然,人眼不是无条件的看清任何远处的特体,例如,人眼可以看清楚月亮(或其他更远的星体)和它表面较大的阴影,但不能看清楚月球表面更小的物体或特征。造成后一限制的原因是,如果来自某物体的光线过弱,或它们在空间处女内传播时被散射或吸收,那么它们到达视网膜时已减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大小,将会小到视网膜分辨能力的限度以下,因而也不能感知。

(三)眼的调节

如果安静状态的眼的折光能力正好把6m以外的物体成像在视网膜上,那么来自较6m为近的物体的光线将是不同程度呈辐射状的,它们在折射后的成像位置将在主焦点,亦即视网膜的位置之后;由于光线到达视网膜时尚未聚焦,因而物像是模糊的,由此也只能引起一个模糊的视觉形象。但正常眼在看近特时也十分清楚,这是由于眼在看近物时已进行了调节(accommodation),使进入眼内的光线经历较强的折射,结果也能成像在视网膜上。人眼的调节亦即折光能力的改变,主要是靠晶状体形状的改变;这是一个神经反射性活动,其过程如下:当模糊的视觉形象出现在视区皮层时,由此引起的下行冲动经锥体束中的皮层-中脑束到达中脑的正中核,再到达发出动眼神经副交感节前纤维的有关核团,最后再经睫状神经节到达眼内睫状肌,使其中环行肌收缩,引起连接于水晶体囊悬韧带放松;这样就促使水晶体由于其自身的弹性而向前方和后方凸出(以前突较为明显),使眼的总的折光能力较安静时增大,使较辐射的光线提前聚焦,也能成像在视网膜上。因9-3表示调节前后晶状体形状的改变。很明显,物体距眼球愈近,到达眼的光线辐散程度愈大,因而也需要晶状体作更大程度的变凸。调节反射进行时,除晶状体的变化外,同时还出现瞳孔的缩小和两眼视轴向鼻中线的会聚,前者的意义在于减少进入眼内光线的量(物体移近时将有较强光线到达眼球)和减少折光系统的球面像差和色像差;两眼会聚的意义在于看近物时物像仍可落在两眼视网膜的相称位置。

眼调节前后睫状体位置和晶状体形状的改变


图9-3 眼调节前后睫状体位置和晶状体形状的改变

实线为安静时的情况,虚线为看近物经过调节后的情况,注意晶状体的前凸比后凸明显

人眼看近物的能力,亦即晶状体的调节能力是有一定限度的,这决定于水晶体变凸的最大限度。随着年龄的增加,水晶体自身的弹性将下降,因而调节能力也随年龄的增加而降低。眼的最大调节能力可用它所能看光天化日物体的最近距离来表示,这个距离或限度称为近点。近点愈近,说明晶状体的弹性愈好,亦即它的悬韧带放松时可以作较大程度的变凸,因而使距离更近的物体也能成像在视网膜上。例如,8岁左右的儿童的近点平均约8.6cm,20岁左右的成为约为10.4cm,而60岁时可增大到83.3cm。

(四)简化眼视敏度

由于眼内有多个折光体,要用一般几何光学的原理画出光线在眼内的行进途径和成像情况时,显得十分复杂。因此,有人根据眼的实际光学特性,设计一些和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,称为简化眼。简化眼只是一种假想的人工模型,但它的光学参数和其它特性与正常眼等值,故可用来分析眼的成像情况和进行其他计算。常用的一种简化眼模型,设想眼球由一个前后径为20mm的单球面折光体构成,折光指数为1.333;外界光线只在由空气进入球形界面时折射一次,此球面的曲率半径为5mm,亦即节点在球形界面后方5mm的位置,后主焦点正相当于此折光体的后极。显然,这相模型和正常安静的人眼一样,正好能使平行光线聚焦在视网膜上(图9-4)。

简化眼及其成像情况


图9-4 简化眼及其成像情况

n为节点,AnB和anb是两个相似三角形;如果物距为已知,就可由物体大小算出物像

大小,也可算出两三角形对顶角(即视角)的大小

利用简化眼可以方便地计算出不远近的物体在视网膜上成像的大小。如图9-4所示,AnB和and是具有对顶角的两个相似的三角形,因而有:

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其中nb固定不变,相当于15mm,那么根据物体的大小和它距眼的距离,就可算出物像的大小。此外,利用简化眼可以算出正常人眼所能看清的物体的视网膜像大小的限度。检查证明,正常人眼即使在光照良好的情况下,如果视网膜小于5μm,一般就不能引起清晰的视觉。这说明,正常人的视力或视敏度(visualacuity)有一个限度;要表示这个限度,只能用人所能看清的最小视网膜的大小,而不能用所能看清的物体大小表示,因为物像有大小与物体的大小有关,大致相当于视网膜中央凹处一个视锥细胞的平均直径(但有些视锥的直径可小于2μm)。

通常用业检查视敏度的国际通用的视力表,就是近上述原理设计的。当人眼能看清5m处的一个圆形或E字形上相距1.5mm的缺口的方向时,按简化眼计算,此缺口在视网膜像中的距离约为5μm(实际计算值为 4.5μm),说明此眼视力正常,定为1.0;由图9-4也可以算出,当物像为5μm时,由光路形成的两个三角形的对顶角即视角约相当于1分度(即1');因此,如果受试者在视角为10分分度时才能看清相应增大了视力表上的标准图形的缺口(相当于国际视力表上最上面一排图),则视力定为0.1;在表上还列出视力0.2至0.9时的逐步减小的图形;但国际视力表上对这些相应图形的大小设计是有缺点的,如相当于0.2视力的图形比视力0.1的图形小1/2,而相当于视力1.0的图形只比视力为0.9时的图形小了1/9。这种表示视力方法显然不利于临床上表示视力的改善程度,例如由原来0.9的视力改善为1.0,或由0.1的视力改善为0.2,虽然视力都增加了0.1,但其真正改善的程度并不一样,因而不能作为统计处理的数据。为了避免这一缺点,我国有人设计了一种对数视力表(缪天荣,1966),它把国际视力表上记为1.0的正常视力记为5.0,而将视角为10分度时的视力记为4.0,其间相当于视力4.1、4.2直至4.9的图形,各比上一排形成的视角小=1.259……倍,而log=0.1;这样,视力表上不论原视力为何值,改善程度的数值都具有同样的意义。

眼的折光能力和调节能力异常 正常眼的折光系统在无需进行调节的情况下,就可使平行光线聚焦在视网膜上,因而可看清远处的物体;经过调节的眼,只要物体的距离不小于近点的距离,也能在视网膜上形成清晰的像被看清,此称为正视眼。若眼的折光能力异常,或眼球的形态异常,使平行光线不能在安静未调节的眼的视网膜上成像,则称为非正视眼,其中包括近视远视散光眼。有些眼静息时折光能力正常,但由于水晶体的弹性减弱或丧失,看远物时的调节能力减弱,此称为老视

近视 多数由于眼球的前后径过长(轴性近视),致使来自远方物体的平行光线在视网膜前即已聚焦,此后光线又开始分散,到视网膜时形成扩散开的光点,以致物像模糊。便近视看近物时,因这时聚焦的位置较平行光线时为后,因而眼无需进行调节或进行较小程度的调节,就可在视网膜上成像;这就使近视能看清近物,且远点比正常眼还要近。纠正近视眼的方法是在眼前增加一个定焦度的凹透镜片,使入眼的平行光线适当辐散,以便聚焦位置移后,正好能成像在视网膜上;这样使远物可以看清,而近物则像正常眼一样,依靠眼睛自身的调节能力。近视也可由于眼的折光能力超过正常,使平行光线成像在位置正常的视网膜之前,这种近视特称为屈光近视。

远视 由于眼球前后径过短,以致主焦点的位置实际在视网膜之后,这样入眼的平行光线在到达视网膜时尚未聚焦,也形成一个模糊的像,引起模糊的视觉。这时,患者在看远物时就需使自己的调节能力,使平行光线能提前聚焦,成像在位置前的视网膜上。由此可见,远视眼的特点是在看远物时即需动用眼的调节能力,因而看近物时晶状体的凸出差差不多已达到它的最大限度,故近点距离较正常人为大,视近物能力下降,纠正的方法是戴一适当焦度的凸透镜,使看远时不需晶状体的调节亦能在像在视网膜上,于是通过调节能力就可像正视眼一样用来看近物了。

散光 正常眼的折光系统的各折光面都是正球面的,即在球表面任何一点的曲率半径都是相等的。如果由于某些原因,折光面(通常见于角膜)在某一方位上曲率半径变小,而在与之相垂直的方位上曲率半径变大(相当于在一个硬的桌面上轻压一个乒乓球时,球面的曲率半径在垂直的方位上变小,在横的方位上变大一样),在这种情况下,通过角膜不同方位的光线在眼内不能同时聚焦,这会造成物像变形和视物不清。这种情况属于规则散光,可用适当的柱面镜纠正,后者的特点正是互相垂直方位上具有不同的曲率半径,当它和角膜的曲率半径改变大小相抵消时,使角膜的曲率异常得到纠正。

32 视觉器官 | 瞳孔和瞳孔对光反应 32
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