眼睛如何看世界?||趣味科学
摘要：本文介绍了人眼的基本结构和功能，包括角膜、房水、虹膜和睦孔、晶状体、玻璃体、视网膜等，并在此基础上根据光学理论解释了人眼睛的成像、分拼率、视见函数、近视和远视等相关问题。
一、人眼的基本结构
人眼的主要结构是眼球，图1所示为人眼基本结构示意图。眼球的结构可以分成两类，即光学结构和非光学结构。其中光学结构包含了折光系统:角膜、房水、瞳孔和虹膜、晶状体、玻璃体，以及视网膜。非光学部分就是周围的神经和肌肉。人眼主要光学结构的特点如下:
1.角膜:位于眼球前中央，略向前凸出，为透明的横椭圆形组织。横径约11. 5 mm~12 mm，垂直径约10. 5 mm~11 mm。角膜的曲率半径，前表面约为7. 8 mm，后表面约为6. 8 mm。角膜的厚度，中央部约0. 5 mm~0. 55 mm，周边约1 mm。折射率(医学上称为屈光指数)为1. 3760
2.虹膜和瞳孔:虹膜内分布有色素细胞、血管和肌肉。虹膜肌有两种:一种叫瞳孔括约肌，围于瞳孔缘，其收缩可缩小瞳孔;另一种为放射状肌纤
维，称为瞳孔开肌，其收缩可开大瞳孔。它们均受副交感神经支配。瞳孔大小随年龄、人种、屈光状态、光线强弱、目标远近及情绪变化而有所不同。一般为2~8 mm，平均4 mm左右。20~50岁的成年人，在阳光下瞳孔约2~3 mm。
3.眼房和房水:位于角膜和晶状体之间的空间和填充物，房水折射率为1. 336。
4.晶状体:晶状体为一个双凸面透明组织，被悬韧带固定悬挂在虹膜之后玻璃体之前。晶体是眼球曲光系统的重要组成部分，也是唯一具有调节能
力的成像元件，其调节能力随着年龄的增长而逐渐降低，形成老视现象。晶状体前面的曲率半径为10 mm，后面约6 mm，晶状体前后径为4~5mm，直径为9 mm，折射率为1. 408 5 。
5.玻璃体:玻璃体为无色透明的胶冻状物质，充满于晶状体与视网膜之间，外包一层透明的玻璃体膜。玻璃体除有折光作用外，还有支持视网膜的
作用，折射率为1. 336。
视网膜:视网膜是眼球壁的最内层。有许多对光线敏感的细胞，能感受光的刺激。
二、人眼工作的过程
发光物体发出光线，到达眼睛的角膜前表面时发生第一次折射，然后在其后表面发生第二次折射。再经过房水和瞳孔，在晶状体的前表面发生第三次折射，再经过晶状体的后表面发生第四次折射，最后到达眼睛后方的视网膜成倒立缩小的实像。视网膜上的视觉神经细胞感受到光，将其转化为电信号传输到大脑。因为大脑神经中枢的处理，我们“看到”正立的物体，而不是倒立的物体。根据物体的大小、距离、光的强度等不同的因素，人眼的屈光系统可以调节成像，主要调节的部位是瞳孔和晶状体。但是由于成像的过程是经过整个系统的，所以，只要角膜、瞳孔、房水、晶状体、玻璃体其中任何部分出现病变，都将导致人眼不能正常成像。
三、人眼成像的光学分析
1屈光
人眼的主要成像系统可看成为一个光具组。如图2所示，光源在左边放置，表示在眼睛外面，角膜相当于是第一块透镜，折射率为1. 376。晶状体是第二个凸透镜，折射率为1. 408 5。最右边为光屏，相当于视网膜。整个成像系统置于房水和玻璃体之中，由于它们的折射率都是1. 336，所以可以看成是同一种透明介质。角膜两次折射光焦度为
更精确的计算可采用Gullstrand人眼模型。Gullstrand人眼模型虽然接近人眼，但数据复杂，计算不便，因此常常进一步简化为单球面折射系统，称为Gullstrand简化眼或简化眼。如图3所示，该模型中人眼只有一种介质，折射率为1. 33;只有一个折射球面，半径为5. 7 mm。可以计算出该系统的光焦度
2.感光
物体发出的光束经过人眼成像系统后到达光屏—视网膜，它相当于照相机里的感光器件。在视网膜上分布着极为丰富的感光细胞，分为视杆细胞(约1. 25亿)和视锥细胞(约600万)。视锥细胞用来辨别颜色，而视杆细胞主要用来感受光强，暗视觉下仅几个光子就可使人眼感觉到一个闪光。人和高等的灵长目动物有三种不同的视锥细胞，分别感知红绿蓝三种光，称作三个通道(RBG>。有的人缺乏红色、蓝色或绿色的视锥细胞，导致不同的色盲。研究表明，人眼的视觉神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的，国际照明委员会(CIE)根据大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“光视效率曲线”或“视见函数。
由人眼视见函数可以看出，明视觉下人眼对波长为555 nm的黄绿光的感受最为强烈，这也是交通标志多用黄绿色的缘故。根据视见函数还可以解释一个关于天空颜色的疑问。众所周知，晴朗的天空由于分子散射，人眼看上去天空呈现蓝色。因为分子散射属于瑞利散射范围，根据瑞利散射定律，散射光强和波长的四次方成反比，所以波长越短，散射光越强。可见光范围内紫光(390-435 nm)比蓝光(435-450 nm)波长短，为何我们看到的天空不是紫色呢?这是因为人眼的视见函数在紫光波段显著小于蓝光波段，也就是人眼对紫光的感光不敏感的缘故。
四、人眼的调节功能
当人眼观察物体时，必须在视网膜上形成一个清晰的像。当物体和眼的距离变化时，为了使距离不同的物体都能在视网膜上形成清晰的像，必须改变眼睛的焦距，这个过程就是人眼的调节。人眼的主要调节借助晶状体。看远处的物体时肌肉松弛，此时晶状体曲率半径最大。眼睛能够看清的最远点，称为远点。当眼睛注视近处的物体时，晶状体周围肌肉收缩，导致其曲率半径变小，焦距变短。这个过程称为自调节过程，自调节的能力有限，能看清的最近点称为近点。对于正常人来说，幼年时期，近点在7~8 cm处，远点在无限远;成人时期，近点在25 cm，远点无限远;老年
时期，近点移到1~ 2 m处，远点也变为几米的范围。正常眼睛在适当的光照下，观察眼前25 cm的物体不费力，而且能看清楚，因此这个距离称为明视距离。由于眼睛的病变，成年人如果眼睛的远点近移，不在无限远，称为近视，需要佩戴凹透镜矫正;如果近点远移，大于25 cm，则称为远视，需要佩戴凸透镜矫正。
人眼是一个高度精密的光学仪器，相当于一个全自动调节的照相机。有人这样形象地评论眼睛:“一个正常的眼睛，是肌肉马达驱动、对焦极其精准迅速、而且没有任何噪音的18 mm F/2. 2无价镜头。”人眼是看世界的宝贵礼物，我们都应该保护好我们的眼睛。
文章来源于《物理教学》2018年第5期