人眼成像的原理

人眼睛的构造

早在17世纪初就发现了人眼存在离焦和像散，并且采用球-柱面透镜实现了离焦和像散的矫正。到20世纪80 年代，激光角膜手术的兴起又提供了新的屈光矫正的临床手段。20世纪末期，随著可以应用于临床的各类眼波前像差仪的出现，人眼高级像差的测量及其在眼视光学临床上的应用取得了明显的进展。今天，人眼波前像差的测量和校正已经成为世界范围的研究趋势之一。

人类为了拓展视觉以看清微小和远处的物体，发明了显微镜和望远镜，至今已有500年的历史了。这一类的光学仪器称为目视光学仪器。人类为获得更丰富的视觉信息，发明了各种类型的光电图像仪器。另有一类与眼睛相关的仪器是人眼检测仪器，如人眼视网膜相机。上述两类仪器都是和人眼相配合使用，眼睛也参加了其中的成像，其性能依赖于仪器自身和人眼的特性。制定目视光学仪器性能指标，要充分考虑到眼睛的特点，另外在光学仪器设计中有时要引进人眼的构造。因此充分了解人眼的构造、成像特点、像差的表述、视觉缺陷和矫正、双目视觉等是十分重要的。度量眼睛光学系统会聚能力用折光度为单位，在视光领域对一个折光度称为100度。

眼睛构造和标准眼

（1）泪膜

泪膜是覆盖于眼睛前表面的一层液体，分为三层：表层的脂质层、中间的水液层和底部的蛋白质粘层。泪膜厚度约为7um,总量约为7.4ug.它的生理作用是润滑眼球表面，防止角膜干燥，保持角膜光学特性和保护眼球表面抵御异物和微生物。泪膜成分的改变、眼球表面的不规则以及眼球于眼睑之间的运动不协调，均可导致泪膜的异常，影响眼睛的成像性能。（2）角膜

眼球被一层坚韧的膜所包围，前面突出的透明部分称为角膜，其余部分称为巩膜。角膜是由角质构成的透明球面，中央部厚度为0.5~ 0.55mm，周边约为1mm,横径为11.5~12mm，垂直径为10.5~11mm，折射率约为1.377,前表面的曲率半径为7.8mm,后表面的曲率半径约为 6.5mm.它是眼睛主要的折光介质，承担眼睛三分之二以上的折光度，相当于43D的凸透镜。外界光线首先通过角膜进入眼内。角膜的组织结构规则有序，具有良好的自我保护和修复特性。角膜富含感觉神经，因此感觉十分敏锐。角膜无血管。

（3）前房

角膜后面到晶体状的空间称为前房，室中充满了折射率为1.3377的透明液体，称为房水。房水具有维持眼内组织代谢和调节眼压的作用。前房的深度约为3.05mm.

(4) 虹膜

虹膜位于晶状体的前面，中央是一个圆孔，能限制进入眼睛的光束孔径，称为瞳孔。虹膜的主要功能是根据外界光线的强弱，相应地使瞳孔缩小或扩大，以调节进入人眼内的光能量，以保证视网膜上的成像。瞳孔大小与年龄、屈光状态、精神状态等因素有关，直径一般为2.5~4mm

（5）睫状体

睫状体位于虹膜根部与脉络膜之间，为6~7mm宽的环状组织，由睫状肌和睫状上皮细胞组成，通过睫状肌的收缩对晶状体起调节作用。

（6）晶状体

晶状体是眼屈光介质的重要部分，是由多层薄膜构成的一个双凸透镜，直径约为9mm,中心厚度约为4mm,承担约19D的折光度。各层的折射率不同，内层约为1.41，最外层约为1.38.在自然状态下，其前表面的曲率半径约为10，1mm，后表面的曲率半径约为6.1mm.借助于睫状肌的收缩或放松的调节，可使晶状体前表面的曲率半径发生变化，从而改变眼睛的折光度，使不同距离的物体都能成像在视网膜上。晶状体可滤去部分紫外光线，对视网膜有保护作用。晶状体无血管。

（7）玻璃体

晶状体的后面直到视网膜的空间是玻璃体，它是眼屈光介质的组成部分，并对晶状体、视网膜等周围组织有支持、减震和代谢的作用。玻璃体主要成分是水和胶质，其折射率为1.336.正常状态下，玻璃体呈凝胶状态，具有塑形性、粘弹性和抗压缩性。

（8）视网膜

眼睛后方的内壁与玻璃体紧贴的部分是由视神经末梢组成的视网膜，它是眼睛光学系统成像的接收器。视网膜是一个凹球面，其曲率半径为12.5mm。视网膜有非常复杂的结构，共有10层。

视网膜上的两种感光细胞除了光谱响应特性和空间分布特性不同外，他们与视网膜其他神经元的联系方式也有所不同，由此决定了她们的感光灵敏度和空间解析度的差异。

（9）脉络膜

视网膜的外面包围著一层黑色膜，介于视网膜和虹膜之间，平均厚度为0.25mm,称为脉络膜，包含丰富的黑色素，起到吸收透过视网膜的光线，把后房变成一个暗室对的作用。脉络膜血管丰富。因此还有眼部温度调节作用。

（10）黄斑

黄斑是距离盲点中心15度30分、向太阳穴方向的一个椭圆区域，大小为1mm*0.8mm。黄斑的中心有一个0.3mm*0.2mm的凹部，称为中心凹。中心凹密集了大量的感光细胞，是视网膜上视觉最灵敏的区域。当眼睛观察外界物体时，会本能地转动眼球使像成在中心凹上，通过眼睛节点和中心凹的直线是眼睛的视轴。眼睛的视轴和光轴成约5度夹角。

（11）盲点

在视神经进入眼腔处附近的视网膜上，有一个椭圆形的区域，该区域内没有感光细胞，不产生视觉，称为盲点。通常人们感觉不到盲点的存在，这是因为眼球在眼窝内不时转动的原因。

（12）巩膜

巩膜是一层不透明的乳白色外皮，可将整个眼球包围起来。它由致密且相互交错的胶原纤维组成，前部和角膜相接，后部与视神经交接处分为内外两层。

眼睛作为一个光学系统，其各种参数可由专门的仪器测出。根据大量的测量结果，可以定出眼睛的各光学常数，包括角膜、房水、晶状体和玻璃体的折射率，个光学表面的曲率半径，各组件之间的间距。满足这些常数的眼模型称为标准眼。标准眼设计的目的是建立一个适用于眼球光学系统研究的模拟人眼光学结构。具有一定的普适性。在标准演的设计中会忽略很多非重点的复杂部分。由于所针对的研究领域上的差异，不同的标准眼所简略上的部分也就有所不同。

眼睛的调节

为使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰地像，随著物体距离的而改变，相应地改变眼睛中晶状体的折光度。这种过程称为眼睛的调节。当肌肉完全放松时，眼睛所能看清的最远点称为远点；当肌肉在最紧张时，眼睛所能看清的最近的点称为近点。必须指出，近点距离并不就是明视距离，后者是指正常的眼睛在正常照明下最方便和最习惯的工作距离，国际上规定为250mm.