用于难折光的光学

用于难折光的光学

眼睛由眼睛壁和眼睛内容物组成。看起来像个球。它位于眼睛上。前面是眼防护，周围是脂肪丰富的地方，后面是眼睛。眼球的前后径平均为24mm,水平径平均为23.5mm,垂直平均为23mm。眼匀前视时,其最前端突出于外眶缘约12~14mm,眼球前部突出的透明部分前1/6为角膜,后5/6为巩膜。其曲率半径约为8mm,外来光线首先要通过角膜才能进入眼睛。巩膜内面为血管膜,富有色素和血管,具有遮光功能。位于角膜后,晶状体前,巩膜的中央或稍偏鼻侧有一圆空,即瞳孔,它具有调节进入眼内光通量多少的作用。虹膜后是水晶体,它由折射率约为1.42的胶状透明物质组成,成一双凸透镜,前后两边的曲率半径约为10m和6mm,其边缘接于睫状肌上,由睫状肌的松弛和紧缩,水晶体表面的曲率可以改变。晶状体后为玻璃体,它对周围组织有一定的支撑作用,其内部充填了一种含大量水分的胶状透明物质,折射率约为1.33,与水的折射率相同。其后为视网膜,由大量的视细胞组成,视盘之侧3~4mm处为黄斑区,其中央称为中心凹,是视锥细胞密集处,黄斑区中心凹的视力最为敏锐。当眼睛观察物体时眼球通常转道一适当位置,使所成的像恰好在黄斑区中心凹处,因而所成像的视觉最为清晰。外界光线进入眼内,要经过角膜,房水,晶状体和玻璃体四种不同折光指数的介质,经过四个曲率不同的折射面之后才能达到视网膜。其折射原理是非常复杂的,因此将这些复杂的折光系统简化为与眼的折光效果相同,更为简单的光学系统模型(称为简化眼),来代替人眼的光学系统。表1为简化眼结构的光学常数。网膜上像的长度不仅取决于物体的实际长度,而且还取决于物体和眼睛的距离。不难看出,这可以由物的长度在眼睛的节点所张的角,即视角来决定。如图1中PQ表示在明视距离的物,O为眼睛的节点,所以有从几何光学的观点看,只要消除了的各种相差,则每一物点和它的像点共轭,因而物面上无论怎样微小的细节都可在像上面详尽无遗的反映出来。实际上光束在成像时总会受到有限大小的有效光栅的限制,此时,光的衍射作用就不容忽视了,因此要详尽无遗的反映物面的细节是不可能的。衍射花样中央亮斑有一定大小,在最简单的夫琅和费圆孔的情况中,中央亮斑的范围由第一暗环半径衍射角θ1决定,θ1=0.610λ/R。两个光点在光屏上成“像”时,它们各自的衍射花样有一部分落在屏上同一区域。由于这两个点光源是不相干的,故光屏上的总照度是两组明暗条纹,按各原有强度分布的直接相加。如果两组花样中央亮斑的中心距离比较远,而中中央亮斑范围又比较小,那么“像”还是能分开成两个亮斑;如果中心很靠近,而每一亮斑的范围又比较大,那么原来两个发光点的“像”将有所重叠,而难以分开。为了区别两个像点能否分辨的程度,通常都用瑞利判据判断:总照度分布曲线中央有下凹部分,其强度不超过每一分布曲线最大值的74%,则正常眼睛还能够观察到凹部。就是说两个中央亮斑虽重叠在一起,但还可察觉在弥漫区域中有两个最大值,中间出现有较暗的间隔,这可作为能否分辨开的一个极限。对夫琅和费衍射斑来说,当一个中央亮斑的最大值位置恰和另一中央亮斑最大值位置相重合时,两个像点刚能分辨开。如图2,当视角U>θ1时,两点的像分辨的开;当U<θ1时,则分辩不开,当U=θ1时,恰好能分辨。U=θ1的这个极限角称为光具组的辨极限,即为人眼的最小分视辨角,它的倒数称为分辨率。人眼的分辨本领描述人眼刚能区分非常靠近的两个物点的能力的物理量。网膜上的像是处在玻璃状液体内的,其折射率约为1.337,所以真空中波长为λ的光进入折射率为n的介质后,其波长缩短至λ/n,则上式应改为θ′=0。610λ/(nR)。人眼睛瞳孔的半径约为1mm,波长为λ=5550Å的黄绿色光进入瞳孔时,瞳孔的最小分辨视角为视网膜是一层透明的神经组织膜,仅0.1~0.5mm厚,但结构非常复杂。组织学将其由外向内分为10层,但主要的细胞层次可简化为四层来描述(如图3)。视网膜的最外层是色素上皮层,这一层的来源不属于神经组织,血液的供应也来自脉络一侧,与视网膜其它层接受来自视网膜内表面的血供有所不同。临床上见到的视网膜脱离即发生在此层与其它层之间。色素上皮层具有多种复杂的生化功能及支持光感器活动的色素屏障作用。色素上皮细胞在强光照射视网膜时,可伸出伪足样突起,包被视杆细胞外段,使其相互隔离。只有在暗光条件下,视杆外段才被暴露。色素上皮层的内侧为感光细胞层,感光细胞分视杆和视维细胞两种,它们都含有特殊的视色素,是真正的光感器细胞。视杆细胞和视锥细胞在形态上都可分为四部分,其中外段是视色素集中的部分,在感光换能中起重要作用。两种细胞都通过终足与双极细胞层内的极细胞发生突触联系,双极细胞再与神经节细胞层中的节细胞联系。在感光细胞层和双极细胞层之间有水平细胞,在双极细胞层和神经节细胞层之间有无长突细胞。这些细胞的突起在两层细胞间横向延伸,在水平方向上传递信号;有些无长突细胞可直接向节细胞传递信号。视觉信息最初在感光细胞层换能变成电信号后,将首先在视网膜复杂的神经元回路中受到处理与加工。从对视网膜结构与功能的研究得知,在人的视网膜中存在着两种感光换能系统:一种是视杆系统,一种是视锥系统。人眼的视网膜中视杆和视锥细胞在空间上的分布极不均匀。愈近视网膜周边部,视杆细胞愈多而视锥细胞愈少;愈近视网膜中心部,视杆细胞愈少而视锥细胞愈多;在黄斑中心的中央凹处,仅有视锥细胞,而无视杆细致。两种感光细胞和双极细胞以及节细胞形成信息传递通路时,其联系方式有所不同:在视杆系统普遍存在汇聚现象,即多个视杆细胞与同一个双极细胞联系,在视网膜周边部可看到多达250个视杆细胞经少数几个双极细胞汇聚于一个神经节细胞。相比之下,视锥系统细胞间联系的汇聚却少得多。在中央凹处甚至可看到一个视锥细胞只同一个双极细胞联系,而该双极细胞也只同一个神经节细胞联系的情况。视杆细胞只含有一个视色素,即视紫红质,而视锥细胞却含三种吸收光普特性不同的视色素。由上可知,视杆系统对光的敏感度较高,能在昏暗的环境中感受弱光刺激而引起视觉,但视物无色觉而只能辨别明暗,而且该系统产生的视觉只有较粗略的轮廓,分辨率低。视锥系统对光的敏感性较差,只有在强光下才能被激活,但视物可以分辨颜色,且对物体的细节及轮廓都能看清,有高分辨能力。这也说明了在中央凹处视觉最敏锐。综上可知,视网膜的结构竟是这样精巧,网膜的结构刚刚适合人眼的分辨率。即使眼睛的分辨率再高,也要受到网膜结构分辨率的限制;即使网膜的结构再精细,其分辨率也要受到眼睛结构形成分辨率的限制。(人眼的极限分辨视角还受视观察物体的对比度和背景亮度的影响,随着背景亮度和对比度的下降,人眼的分辨视角明显增大,即分辨率明显降低。本文讨论最小分辨视角时,是在正常背景亮度和对比度的情况下。)某一物体的两点发出的两条光线射入眼睛时,通过眼睛各部分的调解,在眼的节点处交