生理學(xué)/眼的折光系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)
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當(dāng)光線由 空氣進(jìn)入另一媒質(zhì)構(gòu)成的單球面折光體時(shí)，它進(jìn)入物質(zhì)的折射情況決定于該物質(zhì)與空氣界面的曲率半徑R和該物質(zhì)的折光指數(shù)n2;若空氣的折光指數(shù)為n1,則關(guān)系式為
n2R／（n2－n1）＝F2 (1)
F2稱為后主焦距或第2焦距（空氣側(cè)的焦距為前主焦距或第一焦距），指由折射面到后主焦點(diǎn)的距離，可以表示這一折光的折光能力。表示折光體的折光能力還可用另一種方法，即把主焦距以m（米）作單位來表示，再取該數(shù)值的倒數(shù)，后者就稱為該折光體的焦度（diopter）；如某一透鏡的主焦距為10cm，這相當(dāng)于0,1m，則該透鏡的折光能力為10焦度（10D）。通常規(guī)定凸透鏡的焦度為正值，凹透鏡的焦度為負(fù)值。
主焦距是一個(gè)折光體最重要的光學(xué)參數(shù)，由此可算出位于任何位置的物體所形成的折射像的位置。以薄透鏡為例，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，當(dāng)物距a趨于無限大時(shí)，1/a趨近于零，于是1/b接近于1/F2，亦即像距b差不多和F2相等；這就是說，當(dāng)物體距一個(gè)凸透鏡無限遠(yuǎn)時(shí)，它成像的位置將在后主焦點(diǎn)的位置。同樣不難看出，凡物距小于無限大的物體，它的像距b恒大于F2，即它們將成像在比主焦點(diǎn)更遠(yuǎn)的地方。以上兩點(diǎn)結(jié)論，對于理解眼的折光成像能力十分重要。
另外，根據(jù)光學(xué)原理，主焦點(diǎn)的位置是平行光線經(jīng)過折射后聚焦成一點(diǎn)的位置，這一結(jié)論與上面提到的第一點(diǎn)結(jié)論相一致。每一物體的表面，都可認(rèn)為是由無數(shù)的發(fā)光點(diǎn)或反光點(diǎn)組成，而由每一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光線都是輻散形的；只有這些點(diǎn)和相應(yīng)的折射面的距離趨于無限大時(shí)，由這些點(diǎn)到達(dá)折射面的光線才能接近于平行，于是它們經(jīng)折射后在主焦點(diǎn)所在的面上聚成一點(diǎn)，整個(gè)物質(zhì)就達(dá)個(gè)面上形成物像。當(dāng)然，無限過的概念本身決定了它是一個(gè)不可能到達(dá)的位置，實(shí)際上對人眼和一般光學(xué)系統(tǒng)來說，來自6m以外物體的各光點(diǎn)的光線，都可以認(rèn)為是近于平行的，因而可能在主焦點(diǎn)所在的面上形成物像。
（二）眼的折光系統(tǒng)的光學(xué)特性
當(dāng)用上述光學(xué)原理分析眼的折光特性時(shí)，首先遇到的一個(gè)困難是，眼球并非一個(gè)薄透鏡或單球面折光體，而是由一系列由率半徑和折光指數(shù)都不相同的折光體所組成的折光系統(tǒng)。顯然，人眼折光系統(tǒng)的后主焦距不能簡單地由式（1）算出，不過它的最主要的折射發(fā)生在角膜，而按幾何學(xué)原理進(jìn)行較復(fù)雜的計(jì)算，還是可以追蹤出光線經(jīng)眼內(nèi)多個(gè)折光面行進(jìn)的途徑，并得出由這些組合的透鏡組所決定的后主焦點(diǎn)的所在位置。
計(jì)算結(jié)果表明，正常成人眼處于安靜而不進(jìn)行調(diào)節(jié)的狀態(tài)時(shí)，它的折光系統(tǒng)的后主焦點(diǎn)的位置，正好是其視風(fēng)膜所在的位置。這一解剖關(guān)系對于理解正常眼的折光成像能力十分重要。它說明，凡是位于眼前方6m以外直至無限遠(yuǎn)處的物體，根據(jù)式（2）或由于由它們發(fā)出或反射出的光線在到達(dá)眼的折光系統(tǒng)時(shí)已近于平行，因而都可以在視網(wǎng)膜上形成基本清晰的像，這正如放置于照相機(jī)主焦點(diǎn)處的底片，可以拍出清晰的遠(yuǎn)景一樣。當(dāng)然，人眼不是無條件的看清任何遠(yuǎn)處的特體，例如，人眼可以看清楚月亮（或其他更遠(yuǎn)的星體）和它表面較大的陰影，但不能看清楚月球表面更小的物體或特征。造成后一限制的原因是，如果來自某物體的光線過弱，或它們在空間處女內(nèi)傳播時(shí)被散射或吸收，那么它們到達(dá)視網(wǎng)膜時(shí)已減弱到不足以興奮感光細(xì)胞的程度，這樣就不可能被感知；另外，如果物體過小或它們離眼的距離過大，則它們在視網(wǎng)膜上形成的大小，將會小到視網(wǎng)膜分辨能力的限度以下，因而也不能感知。
（三）眼的調(diào)節(jié)
如果安靜狀態(tài)的眼的折光能力正好把6m以外的物體成像在視網(wǎng)膜上，那么來自較6m為近的物體的光線將是不同程度呈輻射狀的，它們在折射后的成像位置將在主焦點(diǎn)，亦即視網(wǎng)膜的位置之后；由于光線到達(dá)視網(wǎng)膜時(shí)尚未聚焦，因而物像是模糊的，由此也只能引起一個(gè)模糊的視覺形象。但正常眼在看近特時(shí)也十分清楚，這是由于眼在看近物時(shí)已進(jìn)行了調(diào)節(jié)（accommodation），使進(jìn)入眼內(nèi)的光線經(jīng)歷較強(qiáng)的折射，結(jié)果也能成像在視網(wǎng)膜上。人眼的調(diào)節(jié)亦即折光能力的改變，主要是靠晶狀體形狀的改變；這是一個(gè)神經(jīng)反射性活動，其過程如下：當(dāng)模糊的視覺形象出現(xiàn)在視區(qū)皮層時(shí)，由此引起的下行沖動經(jīng)錐體束中的皮層-中腦束到達(dá)中腦的正中核，再到達(dá)發(fā)出動眼神經(jīng)中副交感節(jié)前纖維的有關(guān)核團(tuán)，最后再經(jīng)睫狀神經(jīng)節(jié)到達(dá)眼內(nèi)睫狀肌，使其中環(huán)行肌收縮，引起連接于水晶體囊的懸韌帶放松；這樣就促使水晶體由于其自身的彈性而向前方和后方凸出（以前突較為明顯），使眼的總的折光能力較安靜時(shí)增大，使較輻射的光線提前聚焦，也能成像在視網(wǎng)膜上。因9-3表示調(diào)節(jié)前后晶狀體形狀的改變。很明顯，物體距眼球愈近，到達(dá)眼的光線輻散程度愈大，因而也需要晶狀體作更大程度的變凸。調(diào)節(jié)反射進(jìn)行時(shí)，除晶狀體的變化外，同時(shí)還出現(xiàn)瞳孔的縮小和兩眼視軸向鼻中線的會聚，前者的意義在于減少進(jìn)入眼內(nèi)光線的量（物體移近時(shí)將有較強(qiáng)光線到達(dá)眼球）和減少折光系統(tǒng)的球面像差和色像差；兩眼會聚的意義在于看近物時(shí)物像仍可落在兩眼視網(wǎng)膜的相稱位置。
圖9-3 眼調(diào)節(jié)前后睫狀體位置和晶狀體形狀的改變
實(shí)線為安靜時(shí)的情況，虛線為看近物經(jīng)過調(diào)節(jié)后的情況，注意晶狀體的前凸比后凸明顯
人眼看近物的能力，亦即晶狀體的調(diào)節(jié)能力是有一定限度的，這決定于水晶體變凸的最大限度。隨著年齡的增加，水晶體自身的彈性將下降，因而調(diào)節(jié)能力也隨年齡的增加而降低。眼的最大調(diào)節(jié)能力可用它所能看光天化日物體的最近距離來表示，這個(gè)距離或限度稱為近點(diǎn)。近點(diǎn)愈近，說明晶狀體的彈性愈好，亦即它的懸韌帶放松時(shí)可以作較大程度的變凸，因而使距離更近的物體也能成像在視網(wǎng)膜上。例如，8歲左右的兒童的近點(diǎn)平均約8.6cm，20歲左右的成為約為10.4cm，而60歲時(shí)可增大到83.3cm。
（四）簡化眼和視敏度
由于眼內(nèi)有多個(gè)折光體，要用一般幾何光學(xué)的原理畫出光線在眼內(nèi)的行進(jìn)途徑和成像情況時(shí)，顯得十分復(fù)雜。因此，有人根據(jù)眼的實(shí)際光學(xué)特性，設(shè)計(jì)一些和正常眼在折光效果上相同、但更為簡單的等效光學(xué)系統(tǒng)或模型，稱為簡化眼。簡化眼只是一種假想的人工模型，但它的光學(xué)參數(shù)和其它特性與正常眼等值，故可用來分析眼的成像情況和進(jìn)行其他計(jì)算。常用的一種簡化眼模型，設(shè)想眼球由一個(gè)前后徑為20mm的單球面折光體構(gòu)成，折光指數(shù)為1.333;外界光線只在由空氣進(jìn)入球形界面時(shí)折射一次，此球面的曲率半徑為5mm，亦即節(jié)點(diǎn)在球形界面后方5mm的位置，后主焦點(diǎn)正相當(dāng)于此折光體的后極。顯然，這相模型和正常安靜的人眼一樣，正好能使平行光線聚焦在視網(wǎng)膜上（圖9-4）。
圖9-4 簡化眼及其成像情況
n為節(jié)點(diǎn)，AnB和anb是兩個(gè)相似三角形；如果物距為已知，就可由物體大小算出物像
大小，也可算出兩三角形對頂角（即視角）的大小
利用簡化眼可以方便地計(jì)算出不遠(yuǎn)近的物體在視網(wǎng)膜上成像的大小。如圖9-4所示，AnB和and是具有對頂角的兩個(gè)相似的三角形，因而有：
其中nb固定不變，相當(dāng)于15mm，那么根據(jù)物體的大小和它距眼的距離，就可算出物像的大小。此外，利用簡化眼可以算出正常人眼所能看清的物體的視網(wǎng)膜像大小的限度。檢查證明，正常人眼即使在光照良好的情況下，如果視網(wǎng)膜小于5μm，一般就不能引起清晰的視覺。這說明，正常人的視力或視敏度(visualacuity)有一個(gè)限度；要表示這個(gè)限度，只能用人所能看清的最小視網(wǎng)膜的大小，而不能用所能看清的物體大小表示，因?yàn)槲锵裼写笮∨c物體的大小有關(guān)，大致相當(dāng)于視網(wǎng)膜中央凹處一個(gè)視錐細(xì)胞的平均直徑（但有些視錐的直徑可小于2μm）。
通常用業(yè)檢查視敏度的國際通用的視力表，就是近上述原理設(shè)計(jì)的。當(dāng)人眼能看清5m處的一個(gè)圓形或E字形上相距1.5mm的缺口的方向時(shí)，按簡化眼計(jì)算，此缺口在視網(wǎng)膜像中的距離約為5μm（實(shí)際計(jì)算值為 4.5μm），說明此眼視力正常，定為1.0；由圖9-4也可以算出，當(dāng)物像為5μm時(shí)，由光路形成的兩個(gè)三角形的對頂角即視角約相當(dāng)于1分度（即1'）；因此，如果受試者在視角為10分分度時(shí)才能看清相應(yīng)增大了視力表上的標(biāo)準(zhǔn)圖形的缺口（相當(dāng)于國際視力表上最上面一排圖），則視力定為0.1；在表上還列出視力0.2至0.9時(shí)的逐步減小的圖形；但國際視力表上對這些相應(yīng)圖形的大小設(shè)計(jì)是有缺點(diǎn)的，如相當(dāng)于0.2視力的圖形比視力0.1的圖形小1/2，而相當(dāng)于視力1.0的圖形只比視力為0.9時(shí)的圖形小了1/9。這種表示視力方法顯然不利于臨床上表示視力的改善程度，例如由原來0.9的視力改善為1.0，或由0.1的視力改善為0.2，雖然視力都增加了0.1，但其真正改善的程度并不一樣，因而不能作為統(tǒng)計(jì)處理的數(shù)據(jù)。為了避免這一缺點(diǎn)，我國有人設(shè)計(jì)了一種對數(shù)視力表（繆天榮，1966），它把國際視力表上記為1.0的正常視力記為5.0，而將視角為10分度時(shí)的視力記為4.0，其間相當(dāng)于視力4.1、4.2直至4.9的圖形，各比上一排形成的視角小=1.259……倍，而log=0.1；這樣，視力表上不論原視力為何值，改善程度的數(shù)值都具有同樣的意義。
眼的折光能力和調(diào)節(jié)能力異常 正常眼的折光系統(tǒng)在無需進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況下，就可使平行光線聚焦在視網(wǎng)膜上，因而可看清遠(yuǎn)處的物體；經(jīng)過調(diào)節(jié)的眼，只要物體的距離不小于近點(diǎn)的距離，也能在視網(wǎng)膜上形成清晰的像被看清，此稱為正視眼。若眼的折光能力異常，或眼球的形態(tài)異常，使平行光線不能在安靜未調(diào)節(jié)的眼的視網(wǎng)膜上成像，則稱為非正視眼，其中包括近視、遠(yuǎn)視和散光眼。有些眼靜息時(shí)折光能力正常，但由于水晶體的彈性減弱或喪失，看遠(yuǎn)物時(shí)的調(diào)節(jié)能力減弱，此稱為老視。
近視 多數(shù)由于眼球的前后徑過長（軸性近視），致使來自遠(yuǎn)方物體的平行光線在視網(wǎng)膜前即已聚焦，此后光線又開始分散，到視網(wǎng)膜時(shí)形成擴(kuò)散開的光點(diǎn)，以致物像模糊。便近視看近物時(shí)，因這時(shí)聚焦的位置較平行光線時(shí)為后，因而眼無需進(jìn)行調(diào)節(jié)或進(jìn)行較小程度的調(diào)節(jié)，就可在視網(wǎng)膜上成像；這就使近視能看清近物，且遠(yuǎn)點(diǎn)比正常眼還要近。糾正近視眼的方法是在眼前增加一個(gè)定焦度的凹透鏡片，使入眼的平行光線適當(dāng)輻散，以便聚焦位置移后，正好能成像在視網(wǎng)膜上；這樣使遠(yuǎn)物可以看清，而近物則像正常眼一樣，依靠眼睛自身的調(diào)節(jié)能力。近視也可由于眼的折光能力超過正常，使平行光線成像在位置正常的視網(wǎng)膜之前，這種近視特稱為屈光近視。
遠(yuǎn)視 由于眼球前后徑過短，以致主焦點(diǎn)的位置實(shí)際在視網(wǎng)膜之后，這樣入眼的平行光線在到達(dá)視網(wǎng)膜時(shí)尚未聚焦，也形成一個(gè)模糊的像，引起模糊的視覺。這時(shí)，患者在看遠(yuǎn)物時(shí)就需使自己的調(diào)節(jié)能力，使平行光線能提前聚焦，成像在位置前的視網(wǎng)膜上。由此可見，遠(yuǎn)視眼的特點(diǎn)是在看遠(yuǎn)物時(shí)即需動用眼的調(diào)節(jié)能力，因而看近物時(shí)晶狀體的凸出差差不多已達(dá)到它的最大限度，故近點(diǎn)距離較正常人為大，視近物能力下降，糾正的方法是戴一適當(dāng)焦度的凸透鏡，使看遠(yuǎn)時(shí)不需晶狀體的調(diào)節(jié)亦能在像在視網(wǎng)膜上，于是通過調(diào)節(jié)能力就可像正視眼一樣用來看近物了。
散光 正常眼的折光系統(tǒng)的各折光面都是正球面的，即在球表面任何一點(diǎn)的曲率半徑都是相等的。如果由于某些原因，折光面（通常見于角膜）在某一方位上曲率半徑變小，而在與之相垂直的方位上曲率半徑變大（相當(dāng)于在一個(gè)硬的桌面上輕壓一個(gè)乒乓球時(shí)，球面的曲率半徑在垂直的方位上變小，在橫的方位上變大一樣），在這種情況下，通過角膜不同方位的光線在眼內(nèi)不能同時(shí)聚焦，這會造成物像變形和視物不清。這種情況屬于規(guī)則散光，可用適當(dāng)?shù)闹骁R糾正，后者的特點(diǎn)正是互相垂直方位上具有不同的曲率半徑，當(dāng)它和角膜的曲率半徑改變大小相抵消時(shí)，使角膜的曲率異常得到糾正。
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