2.3　眼球的光学系统

图2‐6　眼球坐标图

眼球光学系统由角膜、房水、（瞳孔）、晶状体、玻璃体等具有光学特性的元件组成，它把周围世界的景物或光线折射后清晰成像在视网膜上。

眼球基本上呈球体，眼球前面的正中点叫前极，后面的正中点叫后极。以两极的中点包括眼球水平轴所作的眼球的垂直截面，与眼球径向两端点相交的环线叫做赤道线。赤道把眼球分为前后两半（图2‐6）。

关于眼球的尺寸，各科学家所测得的数据并不一致，一般认为，眼球的垂直径约为23～24.4mm，水平径约为23.5～24.6mm。

2.3.1　光轴和视轴

通过前、后极间的前后径是眼球系统的光轴，在医学上又称作眼轴，光轴是眼球光学系统的对称轴。被注视的物体与视网膜中心凹的连线叫视轴，从眼球光学系统来说，视轴也就是中心凹与节点的连线。视轴也用来表示眼睛观看物体时的视线方向（图2‐7）。

图2‐7　光轴和视轴

需要特别指出，光轴和视轴并不重合，两者相交约5°角。两眼视轴的交叉位置在眼前约45～50cm处，调节状态约为2屈光度（D）。在此点附近球差最小，也是形成双眼视觉最容易之点。在动物的眼睛中，部分也存在类似的光轴和视轴不重合的现象，不过这一交叉角各有不同，可能与其生活习惯有关。

在这里尚需引入注视点的概念，当眼睛在一个很大的空间里搜索某一物体时，一旦发现一个所要观看的物体时，眼珠就会盯着这个被搜索的物体。这时对人来说似乎这个被搜索的物体前后、左右都不存在其他物体，而被观看物体却很清晰地成像在视网膜上。我们称在这种状态下的被观看物是眼睛的注视点，从眼球光学系统来说，注视点是在视轴上的物点，它与视网膜中心凹上的像共轭。

2.3.2　眼球系统光学元件的光学常数

1.角膜

角膜处于眼球光学系统的最前面，与外界空气的折射率差别很大，由角膜的解剖学可知，角膜的主要部分由基质层组成，基质的折射率为1.550，而角膜的平均折射率约为1.375。

由于角膜基质层的胶质纤维按一定间隔，且十分有规则排列的结构特性，它使入射方向以上的杂散光相互干涉而抵消。提高了入射光的强度，从而使角膜具有良好的透明性。

角膜呈椭圆形，一般其横径约11.5mm。不同民族人眼角膜的横径和垂直径略有差异，日本人的横径约10.6～12mm，垂直径约9.3～11mm。另外，角膜的垂直断面的曲率一般比水平断面曲率较少。因此绝大多数的正常眼具有生理性正散光，但并不影响视力，角膜的光学特性也是色差减少的一个重要原因。

根据角膜的几何尺寸进行光学计算，角膜的屈光度约为45D，它占整个眼球光学系统屈光度（60D）的3/4，只是角膜的屈光度是不可调节的。因此，角膜是眼球光学系统中屈光度最大的屈光面，如果角膜表面发生异常，如曲率畸变，表面损伤等，将严重影响眼睛的屈光特性，尤其表现在散光方面。

2.房水

房水充满在前房和后房。前房的中央深度约1.64～2.21mm，房水的折射率为1.334，呈弱碱性，它对成像并没有什么太大影响。

3.晶状体

在眼球光学系统中，晶状体的屈光力虽然不如角膜，但却是唯一可调节屈光度的光学元件，在调节中起着十分重要的作用。就晶状体本身而言，它是一种多层纤维结构，其层数达2200层。整个晶状体的折射率并非均匀一致，而是愈向中心折射率愈高，并且折射率在中心区域变化剧烈。这样的渐变折射率结构，使像差大大降低，调节也变得更为容易。晶状体的外形如双凸透镜，赤道直径为9～10mm，前面的曲率半径约10mm，后面的曲率半径约6mm，中心厚度约4～5mm。晶状体在调节时，曲率半径发生显著变化。一般而言，晶状体的曲面是一个非球面，前面与抛物面相似，后面与旋转椭圆体接近。通常，晶状体具有负散光特性，因此适度地校正了角膜的正散光。

由于晶状体的折射率是不均匀的，晶状体的皮质折射率为1.377～1.405，核体的折射率为1.399～1.424，平均组合折射率约1.42，所以晶状体是一个变折射率体。在调节时，随着晶状体的形状发生变化，不仅核体的中折射率随之变化，而且整个折射率的分布状况也相应发生改变，因而屈光率也变化。

4.玻璃体

玻璃体占据了眼球内的大部分体积，其折射率约为1.335，基本上可认为与房水是同一折射率的物质。

5.瞳孔

瞳孔是通过缩瞳肌与散瞳肌的收缩和舒张实现缩小与放大的。瞳孔的作用好似照相机的可变光阑或光圈。虽然瞳孔不是“光学元件”，但在眼球光学系统中却起着至关重要的作用，正如照相机中的光阑一样，它不仅对明暗作出反应，调节进入眼睛的光亮，同时也影响眼球光学系统的焦深和球差。

一般成年人的瞳孔平均直径为2.5～4mm，且随光强等因素的变化而变化。两眼瞳孔间距离为64～65mm。不同人种的瞳孔大小和瞳距有所不同；瞳孔的大小还与人的年龄、性别、生理状况、外界刺激和情绪等因素有关。例如通常女性瞳孔比男性大、青少年的瞳孔比儿童和老年人来得大；看远物时瞳孔放大；光线强时瞳孔缩小；注意力集中或对某特别感兴趣时人眼瞳孔也会增大；另外，在某些药物的作用下瞳孔也会放大。因此人眼瞳孔的大小实际上是经常变化的。

人眼的瞳孔呈正圆形（参见图2‐2），但动物的瞳孔形状不一定都是圆形的，而且瞳孔缩小和放大时的形状也有变化。一般情况下，猴子、猩猩、鸟类、狗、老虎、狮子等的瞳孔为圆形，猫眼、壁虎则分别是椭圆形和钥匙孔形的瞳孔（图2‐8）。壁虎在日光灯下瞳孔为四个小菱形，某些蛇也有类似钥匙形的瞳孔，企鹅的瞳孔近似方形，而热带的四眼鱼则每只眼睛有两只瞳孔，一个用于看空中，另一个用于看水下。另外，公牛的瞳孔呈腰果形，羊的瞳孔呈锯齿形。总之，各种动物瞳孔的形状可谓千姿百态，各式各样，主要是因它们的生活环境和生活习性不同所致。

图2‐8　猫（左）和壁虎（右）的瞳孔

由于眼球光学系统各光学元件均为活体，其参数的精确测量有一定困难，因此各著作所列的测量数值可能略有差别。为了便于研究，一般选取这些光学元件参数的平均值作为计算分析的数据，并且提出了模型眼和简化眼概念。(www.daowen.com)

2.3.3　模型眼和简化眼

1.模型眼（Schematic eye）

眼球是一个非常复杂的光学系统，它不仅因人而异，而且变化迅速和难以捉摸，很难精确测定眼球光学系统中各元件的光学常数。在实际计算时，常将多次实测值取其平均作为某一光学元件的一个常数值。同时又把眼球光学系统的各折射面模拟成一定形式的光学表面，并将其折射率看作是均匀一致的，根据这些条件制作的“眼”称为模型眼。其中以亥姆霍兹（Helmholtz）模型眼和吉尔斯坦德（Gullstand）模型眼为主要代表。图2‐9为亥姆霍兹模型眼示意图，表2‐2列出了其光学参数。有了模型眼及其光学参数，就能较方便地进行光学计算和分析。

图2‐9　亥姆赫兹模型眼示意图

表2‐2　亥姆赫兹模型眼的光学常数

2.简化眼（Reduced eye）

眼球光学系统虽然经亥姆赫兹和吉尔斯坦德等人简化成模型眼，但因为其中仍有晶状体（内核）存在，在临床和教学方面作计算时有时还嫌不便。为此，人们进一步将模型眼的光学系统简化成由只有一个屈光面的光学系统，简化和去除了内核。由此构成了一个只有一个节点，一个主点和二个焦点的眼球光学系统，称为简化眼，见图2‐10。

简化眼的节点是眼球光学系统的光学中心，经过光学中心的光线不发生偏折，因此来自物体的光线经节点直至视网膜，并在视网膜上形成倒像。经计算，简化眼的屈光能力约为66.67D，其光学常数列于表2‐3。

图2‐10　简化眼

表2‐3　简化眼的光学常数

2.3.4　像差

与任何光学系统一样，眼球光学系统也存在着各种像差。在明亮的环境下，视觉系统主要由集中于黄斑区的视锥细胞起作用，此时，视锥细胞分布较少的视网膜周边区起的作用不大，因此，像散和像差等轴外像差不甚明显，人眼光学系统的像差主要表现在色差和球差方面。

1.色差

人眼在380 nm到780 nm的可见光谱波范围内，对各波长光线的色差随人眼的调节而发生变化，眼睛在完全放松时，即无调节时，红光比黄光能更好地聚焦于视网膜上，当调节量为2.5D时，则蓝绿光更好地聚焦于视网膜。眼睛每调节一个屈光度，色差增加2%。

由于人眼在光亮条件下瞳孔较小，大部分光线位于瞳孔中央微小的直径内成像，加之眼睛对黄绿光较敏感，两者色差较小，而且人眼对色差较大的光谱两端的色光不敏感，因此，总的来说色差对人眼的视觉效果影响不明显。

2.球差

人眼在观察远距离物体时具有正球差，观察近距离物体时则为负球差，但总的来说人眼的球差不大，其主要原因是:（1）角膜并非球面、其边缘部分较平，使边缘的折射减弱；（2）晶状体为非均匀折射体，中心部分折射率大，边缘折射率小，使进入眼中心部分的光线折射加强；（3）由于Stiles‐Grawford效应，使进入眼瞳中央部分所产生的亮度感觉比同样的光线通过瞳孔边缘时产生的亮度感觉来得强，从而导致球差减少。

由以上分析可知，眼球光学系统虽然存在一定的像差，但在视轴附近，即中央视场的像差还是很小的。

2.3.5　视野

通常所说的视野，是指眼睛所看到的范围。它既可指客观环境所见范围的大小，也可指主观感觉上能看到的范围大小。但视野的确切定义，应是眼球固定并注视正前方一点时所能看见的空间范围。

正常眼的视野呈椭圆形、水平方向宽、上下方向窄。如以单眼观察白色视标，当视标直径为3mm，观察距离为33cm时，单眼的视野为颞侧90°，鼻侧60°，上侧55°和下侧70°。

视野分为中心视野和周边视野两种。中心视野是指围绕注视点30°范围以内的视野，其中黄斑部的视野范围约5°，与这一部分视野相应的视网膜视敏度较高，在单眼平面视野颞侧15.5°处为生理盲点。周边视野则是指中心视野以外的视野，广义而言，是眼睛所能看到的最大范围。

视野又可分为单眼视野和双眼视野，双眼视野大于单眼视野。双眼的共同视野通常可达124°视角。

人眼对不同的颜色，其视野的范围是不同的。在同样的照明条件下，白色的视野最大，蓝色和红色次之，绿色视野最小。人眼对蓝、红和绿色的视野范围依次递减10°左右。

除此之外，视野还有静态和动态视野区别。静态视野是指眼球固定，单眼注视时的视野，动态视野则是头部固定不动，眼球向各个方向旋转所能看见的空间范围，显然，动态视野比静态视野要大。

视野检查在神经生理和医学上有重要的作用，尤其是双眼视野对体视的形成至关重要，在医学上则是确诊许多眼疾的依据，如根据视野缺损情况诊断视网膜脱落、青光眼、偏盲和黄斑部病变等眼科疾病。

在正常眼情况下，视野的大小与观察的视标形式、视标大小和视标的颜色有关。当照明固定时，强刺激（大视标）的视野范围要比弱刺激（小视标）的视野范围来得大。有关视野的检查方法和仪器，将在第九章介绍。