眼的明视与光学调焦

1、眼的明视与光学调焦广西桂林地区教育学院李天镭人的眼睛是一个由不同介质组成的共轴光学系统，远物或近物发出的进入睛睛的那部分 光线，经过一系列的反射和折射，其反射光返回物空间，折射光都能在视网膜上聚焦成清晰像。然而，人眼对不同距离的物体成像中，并不像照相机镜头那样调焦，而是通过睫状肌压 缩睛珠（或水晶体）使其两面典率半径发生变化而得以实现。因而在观察无限远物和近物时，眼睛光学系统的光焦度、 两主点位置、两焦距长短等光学常数是不同的，说明眼睛是一完好而简捷的变焦距系统。迄今为止，完善人眼的视力与弥补先天或后天性视力的不足，其通常途径是借助于附加 光组。于是合成光组的变焦与眼睛变焦的特殊功能间的联系，

2、是影响视力的关键。 为简明方便，本文就眼的瞳孔至视网膜的距离，以尽可能接近实际的平均值2.07cm,代替各千差万别的具体眼，以老花眼为例，从光学变焦出发，对老花眼的配镜，挂戴松紧对视力有无影响 以及戴镜视远物等情况进行讨论，以求得人眼对所有光学仪器使用中为保持视力，提高工作效率所应考虑和遵循的原则；消除怕因调整视力会加速眼睛老花的心理状态，正确使用助视仪器。一、配镜外界物体（相当于发光体）发出光线，通过眼的角膜、瞳孔、睛珠和玻璃状液时，睫状 肌与瞳孔能对眼睛光学系统迅速而自动地调焦与对光，始终可成消晰像于视网膜上。光在视网膜上引起光化反应产生脉冲作用，经视神经纤维传到中枢神经，转达大脑而得到视

3、觉和记忆。正常人眼可看清的最远点称无限远，无限远处物点（点的集合为物体）发来一束近似的平行光，这时睫状肌放松，睛珠曲率半径最大（最扁平），焦距 f最长，平行光正好聚焦成像在视网膜上，久视不感疲劳。人眼也能看清近物，最近点的距离为10cm左右。近物发出发散的不平行光束，这时依靠睫状肌压缩睛珠，使睛珠曲率半径变到最小（最凸），焦距f'最短，使发散光束仍能聚焦成像于视网膜上，此情况久视眼发账。通常阅读书报时，距离为 25cm左右，这时久视眼不感疲劳，该距离称明视距离。人眼瞳到视网膜距离平均为 2.07cm,随着物距S的改变，睛珠第二焦距f'在睫状肌调节 下作相应变化。人眼为近似球形，

4、直径约 2.43cm,那么瞳孔到视网膜距离可看成近似不变 的像距S'。透镜的物像关系式 1/S'- 1/S=1/f比较接近实际地反应上述眼睛这一简捷变焦系 统的成像过程。成年人正常眼的睛珠，随着物距的改变，焦距f的变化情况为：（以睛珠中心为参考点，顺光为正，逆光为负；单位为 cm,以下均同）当物在无限远时S = -8, . =+207. f7 =+2,07当物在明视距时5 =-25, =+2 07,=+1,912、当物在最近点时s =-10, / = + 2.Q7, 1 =-kl.715可见眼睛变焦系统中，睛珠在睫状肌调节下，其焦距应可在1.7152.07cm范围连续变化。若f

5、大不到2.07cm,则看不清最远点，成为近视眼；若f小不到1.715cm,则看不清最近点，成为远视眼或老花眼。人到中年视力开始下降，观察远物或近物时发朦，发花。随着年龄增长及不同健康状况，人眼老花程度千差万别。一般来说，中年（4050岁）老花情况是，看近物时，睛珠弯曲度不够，焦距f过长，聚焦在视网膜后，即能看清白最近点距离已大于明视距25cm。而能看清的最远点虽比青年时大有缩短，但仍可认为在无限远处。睛珠焦距变化情况为时远物观察时：设物距5 = -5岫 像距5/=+2 03则焦距” =+2,061时近物观察时：设物距-100,像距/ =+2 07. 则焦距门=+2,028可自动调变焦距范围变小

6、，仅可由1. 9492. 07cm。老年老花眼的情况是， 能看清的近物点远移约 12m,而远物点不在无限远， 约36m, 焦距变化情况为对远物观察时；物距$ = -3,像距/ =+2刀7, 则焦距"= + 2,07对近物观察时；设物距3二-33,像距8, = +2.07, 则焦距V =+1.919可自动调变焦距范围就更小了。老花眼看近物（如看书）时，脖子往往要后移，物要远放，如果在眼外配一凸透镜，使 明视距（25cm）处的物点（或有限距离的远点）发来的发散光束在进入眼之前，将其发散程度减小，再经睛珠正好聚焦成像于视网膜上（见图 1）。不同老花程度所配凸透镜聚光本（不同，如果实物为小字

7、典的小体字，所配的一定焦度（诃二）之眼镜是较为适合的.这是因为“镇”t铺与“眼''咀成合成光组，其合成光焦度中（d为镜与眼距离），F 4受V情O的调制，1）,随着d与睛的确定（这时的f露为不戴眼镜时，物在老花眼近点明视距处睛珠应调焦距），f/满足了使合成焦距f4 （光组第二主点H'至第二焦点F'距离）产生的效果是合成光组第二焦平 面正好与视网膜重合而成像在视网膜上。2）,之后，因d与f籍的确定，物由25cm开始至某一近距离范围不断远移，f露跟随调变，当f露在自身可能范围变化时，总可使f在各次变化中满足合成光组第二焦平面与视网膜重合而成像在视网膜上。从而戴上眼镜后

8、弥补了眼睛不能调变焦距的一段物距范围（从25cm至老花眼近点明视距）。二、挂戴松紧与视力现在来讨论“镜”与“眼”的距离d的变化对视力的影响。描述透镜对光线拐折本领的物理量，一是焦距f （单位为mm, cm等），二是焦度当焦距f用m作单位时，焦度的单位是屈光度），三是眼镜“度”。三者的关系为焦度0 ；屈光度£ Im）1屈光度二1®度或、（帆）凸透镣的放大本领，由图2可得公式M =产门+令式中D为老花眼近点明视距，取正值； X为瞳孔中心O对眼镜第二焦点 F'的距离，O在 F左边时为负，反之为正； L为眼镜所成的像（虚像）至眼瞳之间的距离，以瞳孔中心O为原点，L在O左边为

9、负，反之为正。眼镜紧贴眼珠与悬挂鼻梁时，是否影响视力？此问题分三种情形从睛珠调变焦距以及放 大本领的变化来讨论。（一）当眼睛位置不变，仅将眼镜由紧到松悬挂:以配戴100度（或300度）的老花镜为例，眼镜成虚像（因像距为负），该虚像作为虚 物，供睛珠调焦后，再成像于视网膜上。其睛珠调变焦距之情况见下表眼上六L00 1 f '= 100像眼距d01.54镇的成 像物距s情-25-(25-1.5>23.5一色 5T）T1 f，s睡t+S3。72-25 58-100.30 (-1M明视距)晴 珠 的 成像枷题5国谏但眼距LC_3 二;二-30. T2+1 5)=-32.22一国生3a,

10、56像距暗+2.07塔。7+E.0TT喀珠应调焦距 “三+ L949+ . 945+1,939。至卜距牖-100-(100-1 5)=-90.5-C100-4=-6B放大本颜M (1 + L)3L1.3201.3391.367明视时 噬与 “眼恂 后平移 距离LP/懂二-D+d-33-31.5-KS«f-25-23一 涮一窗4811/ = |工辕卜1豆犍原）100.4S41.491眼300 " f v =33.3像眼距d01.5q镇 的 或物距-2523.5-g-4)=F像像距*董-100. 30-T9.65-55. 65睹物距5 +2.D7-T9. 85+15-56 65

11、+4)=-城像眼距L）81.为麻的或像像距+2, 028+2.07+,07暗珠应迎隹距0 - e-33.3+Z,019+2. 002-(33.3-1.5>-G3. 3-4=-他隔x3.99631.60羽3 口改大本领Mie-1004.1734 445f璘L明视时i 慑-D+1-25-S3. 5-96面”耳JC J，除f' - f'1 424-24.94S-24.724州艮响后平移 距离LL 一 |三幅卜|三幅原|1.辐43. T24由表可知：1）对于中年人，不戴眼镜时，睛珠焦距调变范围由1.9492.070cm,若戴上100度眼镜, 挂戴由紧到松时，睛珠焦距调变范围由1.

12、9491.939cm,可见除紧戴（镜眼距 d=0）外，松挂时均超出睛珠焦距的可能调变范围，亦即任何松挂情况，其睛珠所调焦距也只能在紧戴时的数值（1.949cm）上不改变，f盍为定值，于是fA与f鬣一样，停留在紧戴时的数值不变化。 由一所述可知，在f普调制下的 镜“与眼”合成光组的合成焦距 f卷，在松挂日随着d的改变, 合成光组主点位置已变化（或物距已变化）的情况下，不能满足使光组第二焦平面与视网膜 重合而在其稍后，因而成像稍朦胧，久视易疲劳。老年人戴300度眼镜情况类似。2）松挂比紧戴眼镜放大本领大些，但因成像朦胧失去意义。度数越大（焦距越短）的眼 镜，在相同挂戴情况下，放大本领较大，而成像发

13、朦严重些。（二）眼镜由紧到松挂戴（每次都固定镜”与 眼”相对位置），而 镜”与 眼”可同时向后平移时：在（一）中眼的位置固定的情况下，只有眼镜紧贴眼珠是合适的挂戴方式，但如果镜,与眼”可同时向后平移时，则不论从紧到松的任一种挂戴方式，都可在头部向后平移一段距离后，使眼睛成像清晰。因为在平移过程中，不断改变实物（原在距眼25cm处）至眼镜的距离（即改变物距 S镜），同时眼镜成像的像距 s麓也在相应变化。于是，不论哪种挂戴方式 总可出现那样的情况，使得像距s4t与镜眼距d之和正好等于老花眼近点明视距D,这样再经睛珠调变焦距，使镜”与眼”组成的合成光组的焦距f1满足到光组第二焦平面与视网膜重合而成像

14、于视网膜上。所以在这种情况下，由紧到松取任一种方式挂戴眼镜都不会影响视 力。各种挂戴情况下，镜”与 眼”同时向后平移的距离可以求得（见上表最下三栏）。例如松戴100度的眼镜者（f盍为100cm,当d为4cm,明视距为33cm时），由上表第四栏，眼 的成像物距S镜为s 镜=s + （-d） =-D ,sfc+ （-4） =-33,s=-29 （cm）1）对于中年人若不戴眼镜时，睛珠焦距变化范围由1.9492.070cm,若戴上100度眼镜后，挂戴由紧到松时，焦距变化范围由1.9491.961cm,可见睛珠的调变焦距在自则眼镜成像的物距应为_* F钱 _ （-29）（+100）镣臼镜Y-29）=&

15、quot;22.481（疝）“镜”与“眼”同时向后平移的距离为|S镜|-|S镜（原）|=22.481-21=1.481 （cm）（三）当眼镜位置固定（或眼镜至虚物体距离不变如戴着眼镜使用光学仪器），将眼镜 由紧到松挂戴时：配戴100度（或300度）眼镜者，观察位于正常眼明视距离25cm处之物体（或者将光学仪器调焦，使最后的虚像成于距眼镜25cm处），这时眼镜成一虚像（像距为负，该虚像像距即为戴眼镜者近点明视距离 一一见下表第三栏），该虚像作为虚物， 供睛珠调焦后再成 像于视网膜上。各种挂戴方式中，其睛珠调变焦距情况及眼镜的放大本领（不考虑仪器）见 下表由表可知:眼睛的成像眼镣的大本领窟）物距S

16、暗 或像眼距L）国精珠应调焦距产S； SDXwi=z口十不）1破L-33.33+2 OFF+1.9431.3Z0-C33-33M)=-34bfl31.9541.2&34-2 07+ 1.9GI1.17-100.304-2 07+2.0283 996-(100.3041.5)=101.30+2.07+2.0293.937-U00.3U+4)c=104.5+2,07+2.C603.G43眼稹的成像镒眼距 d画E 慵物距*馍像距5 1微1。口度£ '=+100-25-33 331-33 明视距)d=0x=-£ J 康=-1 口口d=1.53!=-(lOO-1.5)=-90.5(100-4)=-96300 度£'=+33 3-£5-10Q. 30TOO 明视 回d=Ojc=-f=-33.3d=l 5k=-G3.3-1 5)=-31.3卅 4k,(3-33身可能范围内，这时随着 f鬣的不断调变， 镜”与 眼”合成光组之焦距 f卷跟随改变，且 都能满足使第二焦平面与视网膜重合而成像于视网膜上。所以对视力并无影响，且松挂时睫状肌稍松弛，眼不易疲劳。老年人戴 300度眼镜