2.5　眼的调节及信息处理机制

2.5.1　调节现象

平时我们通过玻璃窗看远景时，能清晰地看到远景，如果玻璃窗上有污点，眼睛经过调节后也能看到，但两者必居其一，要么看清远景，要么看清玻璃上的污点，反之亦然。眼睛能注视近物和远景的机能就是调节。

可以用双针孔实验证明人眼的调节现象是确实存在的（图2‐13）。图中O为远处的一个物体，挡板D上有两个小孔A和B作为光阑，两个小孔的间距约为2mm，两个小孔的直径和它们的间距之和不大于瞳孔直径。将一枚针放在10cm远处，当眼睛注视针时，可以看到一个清晰的像，如把眼睛注视针的远处或近处，则可以看到两个模糊像。这就从几何光学的角度证明了眼球确实存在一个可控制屈光系统的调节机构。这种证明眼睛调节存在的实验方法，后来经过改进应用于验光，以检测眼睛调节放松的程度，这种方法常称为针孔验影法。

图2‐13　针孔法实验

正常眼能看清任何距离的物体，就是依靠眼睛所具有调节的功能，使远处或近处的物体清晰地成像于视网膜上，否则，眼睛就只能看清某一固定距离的景物，而对其他距离的物体则只能在视网膜上成一弥散像。

从几何光学的基本原理可知，若要对不同距离的物体均成像于一固定的面上，其方法只能是移动镜头、移动成像面的位置或改变镜头本身的焦距。从各种动物眼球的解剖过程中发现，有些软体动物（如海豹）可使视网膜后移，有些鱼类可使晶状体向前移动，而有些鸟类可采用改变角膜的曲率等方法来获得不同距离的物体的清晰视网膜像。人类眼睛的晶状体和视网膜都不能位移，而是通过改变晶状体的曲率来达到调节的目的，这已为解剖学和物理学实验所验证。

2.5.2　调节的生理学机制

尽管我们知道人眼是通过改变晶状体的形状来完成调节，但对如何使晶状体形状发生变化的机制众说纷纭，至今仍有争议。

在眼球中使光线发生曲折的光学元件主要有角膜和晶状体，但角膜的曲率半径是不会变化的，因而晶状体的曲率半径的变化是调节的主要特征，这种曲率变化尤其是表现在晶状体的前表面。

晶状体外面的晶状体囊是有弹性的。晶状体在静止状态时前表面的曲率半径约10mm，后表面的曲率半径约为6mm，晶状体的赤道部与晶状体的悬韧带相连，而悬韧带的周围是睫状体和睫状肌。对人眼调节机制的生理学说主要有以下几种:

亥姆赫兹认为，晶状体是有弹性的，在正常状况时，悬韧带处于收缩（拉紧）状态，使晶状体呈扁平状；在调节时，睫状肌收缩减小睫状体的环形直径，这样悬韧带处于放松状态，而晶状体根据本身的弹性向外凸出，更呈球形，以致晶状体的形状发生变化，以此改变晶状体的曲率半径。晶状体的厚度最大变化大约不超过0.5mm，这种学说一般称之为亥姆赫兹弹性学说。

契尔宁（Tscherning）则认为，晶状体在调节时，前面并非一个球形面，而是一个双曲面形状。他假设由于睫状肌收缩而拉紧了悬韧带，这样使晶状体的外膜变得紧张，因而压迫晶状体的皮质，并使它紧压在玻璃体上，由玻璃体的反作用使晶状体的中央最薄处向前凸出，由于这两种学说都不能完善地解释所有的调节现象，因此又提出了其他的调节机制学说。

古尔斯特兰德基本上支持亥姆赫兹学说，但他认为调节的机制不能排除其他因素的存在。芬希姆（Fincham）则认为晶状体是没有弹性的，但晶状体的薄膜是有弹性的，悬韧带的放松和拉紧，实际上是拉紧或放松晶状体的囊膜。在正常状态，膜和悬韧带都是拉紧的，在调节时两者都放松，另外，由于晶状体赤道部厚，中央薄，因此在放松时，晶状体向两极凸出，但在后极受到玻璃体的限制，因而只能特别向前凸出。当然，还有其他调节机制的学说，但不论是何种学说，基本上都是认为，眼睛的调节是借助于睫状肌和悬韧带的联合动作，改变晶状体的形状和曲率半径，从而使光线曲折程度发生相应的改变。各种学说之间的差异无非是在细微之处看法不一致而已。

2.5.3　调节时的信息处理机制

眼的调节机制与眼球的运动、瞳孔的调节等功能互相配合及协调，它们对在视网膜上形成清晰的像并保持像的稳定，起着至关重要的作用。视觉的这种调节原理和功能，对于工程应用也有重要的借鉴意义。例如，照相机、摄像机等需要采用相似的对焦方法实现对景物的快速有效调焦；机器人的视觉必须拥有相同的调焦系统，才能从广阔的视野中正确辨认目标。

在视觉系统中，误差信号对焦点调节起着重要作用。所谓误差信号，是指视觉目标与眼的注视点之间的相对位置差异，通常以屈光度表示。图2‐14给出了单眼视觉时的调节机制框图。当视觉目标与注视点存在误差时，目标在视网膜上的像会出现弥散。中枢神经系统会根据像质的好坏及相应的评价函数来计算出误差信号的大小。基于这一误差信号，睫状神经产生脉冲控制信号使睫状体收缩或放松，使晶状体曲率变平（向更远处调节，屈光力减弱）或变凸（向更近处调节，屈光力增加）。晶状体的这种屈光力变化，使眼睛的注视点向着视觉目标移动，以不断修正误差信号，直至误差信号为零，即获得清晰的视网膜像。

图2‐14　人眼的调节机制框图

人眼的上述调节信息处理机制，其实质与当今最先进的数码照相机的自动对焦原理相一致，只是人眼调节过程更加快速高效，更具智能化。例如，采用对焦深度法或离焦深度法的数码照相机，要实现一次完整的对焦一般需要经过几次反复，对焦时间在一秒至数秒钟之间，取决于数字信号处理的运算时间及电机的响应时间等因素，而人眼的任何一次对焦几乎都在瞬间完成。还需指出的是，即使最先进的数码相机，对玻璃窗外的物体、百叶窗、太暗淡的景物、太亮的景物、本身闪光的目标等，都可能对焦失败，而人眼的对焦过程几乎丝毫不受这些问题的影响。

当人眼完成对目标的调焦后，眼球光学系统并不是就此完全稳定或固定了。对运动变化的目标自不必说，即使对静止的目标，晶状体的屈光力仍会以振幅约0.5D、频率约2～3Hz作微小波动，称为调节微波动。有些研究者认为微波动的数值为平均振幅约0.1D、频率约0～5Hz。调节微波动的存在，其主要作用应该是通过不断的微小修正，使视觉系统能够始终保持对目标的清晰成像。另一方面，它也会带来一些特殊的视觉现象，特别是当我们观看一些密集的周期性图案或辐射状图案时，往往会造成视觉不稳定，这也正是造成图1‐2的视觉不稳定图案的一个主要原因。

2.5.4　调节与辐辏

在观察某一目标时，一方面需要通过晶状体的调节作用将它清晰成像在视网膜上，在此之前，双眼视轴其实还需要同时转动，以便将视线集合到注视目标上。这便是双眼视轴的辐辏。

1.辐辏(www.daowen.com)

双眼注视近物时，两个眼球同时向内转动，使双眼视轴集合于注视点的过程，即称之为辐辏或集合。辐辏主要是由双眼的内直肌作用完成的。

双眼所能看清最近距离的那一点，称为辐辏近点，而看清最远距离的那一点，则称为辐辏远点。两者之间的距离，称为辐辏范围，双眼视轴的夹角称为辐辏角。

当双眼注视眼前1m距离的物体时，需调节1D，其辐辏角为1米角（图2‐15），换算成角度约为3°44′。同理，距离0.5m时辐辏角为7°26′，10m时为22′34″。

图2‐15　辐辏与辐辏角

2.辐辏与调节的关系

辐辏具有由最大到最小的一个限度，这个限度与调节力的限度有着密切关系。但辐辏和调节力尚有不同之处，那就是最大辐辏不随年龄而变化。辐辏和调节之间存在着某种关系，这种关系在正常情况下无任何表现，当这种关系发生异常变化或被破坏时，则出现眩晕、头痛和眼肌疲劳等症状，有时形成共同内斜视或外斜视。

当正视眼双眼注视眼前200mm处的物体时，使用辐辏为1000/200＝5米角，显性调节力为1000/200＝5D。远视眼的辐辏力恒小于显性调节力，远视度数愈大，看近时显性调节力也愈大，其辐辏力与显性调节力相差也愈大，如2度远视眼的辐辏近点在眼前300mm，其辐辏为1000/300＝3.33米角。

远视眼由于使用高度的调节力同时促使用过度的辐辏，便产生共同性内斜视，常见于儿童。近视眼的辐辏力恒大于显性调节力，近视度数越大，使用的显性调节力越小，其辐辏与显性调节力相差越大，当近视度数大到一定限度，则显性调节力等于零，即不使用调节力，这样，近视眼由于不大需要调节或不使用调节，产生辐辏不足，久而久之便引起共同性外斜视。

3.辐辏的要素

辐辏的要素分为调节性辐辏、融像性辐辏、接近性辐辏和紧张性辐辏等。当眼睛进行调节时所伴随发生的辐辏，称调节性辐辏，调节与辐辏常同时发生。由融像所引起的辐辏，称融像性辐辏。调节性辐辏即在同一个人眼上也不稳定，有时不足，有时过度，融像性辐辏则可弥补其不足或过度。接近性辐辏是指将远处物体向近处移动时而引起的辐辏。紧张性辐辏由上述辐辏之外的其他尚残留辐辏的总和部分。

4.人眼的近响应

人眼在观察近处目标时，辐辏、调节和缩瞳三者同步联动的生理反射或效应，称为人眼的近响应。利用近响应效应，可以借助于散瞳或散开视轴的方法间接地使眼睛的调节放松，据此锻炼晶状体的调节能力，从而达到治疗假性近视，预防真性近视的目的。

2.5.5　调节中的几个特殊问题

人眼调节中的特殊问题包括夜近视、空视场近视和仪器近视等。

夜近视是指在夜间或暗光下，即使正常眼也变得相对近视。夜近视现象最早在1883年由Rayleigh发现，后来Otero和Wald等人对夜近视都作出了独立研究。一般认为夜近视地数值在－1.5～－2.0D之间，个别可达－3.0～－4.0D。

关于夜近视的生理机制的解释，主要有如下理论或假设。

1.球差——瞳孔效应。该假设认为，眼睛光学系统的晶状体相当于一个球差校正不足的单透镜，其边缘部分相对于中间部分是近视的。在白天光照较强时，瞳孔缩小，限制了边缘部分的光线进入眼球，而只有中央部分光线参与成像。此时球差影响并不突出，因此眼球处于正常的屈光状态。当处于微弱光照的环境中时，人眼瞳孔放大，通过晶状体边缘部分的光线参与成像并其主导作用，球差的影响成为主要趋势，由此产生夜近视。

2.色差——浦肯野效应。这一假设指出，正常眼的屈光正常仅是对黄光而言的，而当处于比黄光波长短的光照下时却是近视的。稍后我们会知道，人眼从明视觉到暗视觉过渡，其实质是视网膜感光细胞由视锥细胞过渡到视杆细胞，相应的感光光谱灵敏度向短波长方向移动，即浦肯野效应。此时眼睛对蓝绿光敏感，而它对蓝绿光却是近视的。这样在暗光环境下，由于色差和浦肯野效应的共同作用，使人眼产生了相对近视。

3.暗适应理论。该理论基于这样的事实:夜近视只出现于暗适应后二十分钟，而且无晶状体眼没有夜近视，因此认为，人眼晶状体的暗适应与夜近视有密切联系。

除此之外，对于夜近视的生理机制的解释，尚有微光下调节理论与晶状体微位移理论等。但所有这些假设，都不能完整地阐明夜近视地视觉生理机制。

空视场近视（或高空近视）是指在视野中没有刺激目标时，正常眼变得相对近视。而仪器近视是指在强光下观察光学仪器时，正常眼变得相对近视。

经过对夜近视、空视场近视和仪器近视的系统实验研究，我们发现这些特殊问题可以在暗焦（Dark focus）理论的基础上得到统一解释。暗焦理论认为，人眼在无视觉刺激而完全放松时，比如说睡着时，晶状体并不是调焦在无穷远处，而是调焦在眼前一定距离。在微光下、高空中和强光下，视野中几乎不存在视觉刺激目标，晶状体没有感兴趣的目标可供调焦观察，因此自然处于暗焦状态，此即调节中的特殊现象的起因。