第一節(jié)?屈光學(xué)常識(shí)

屈光學(xué)是什么呢?“屈”,就是彎曲、曲折;“光”,就是光線、光束。屈光學(xué),就是關(guān)于光線(光束)被彎曲、曲折的學(xué)問。也可以說,屈光學(xué)就是關(guān)于光線拐彎的學(xué)問。既然說到光線拐彎,就要從光是什么這一問題說起。

一、光與光的學(xué)說

(一)什么是光?

1.光的定義

光就是一種電磁波,也可以說光就是電磁波的一種,這就是光的定義。光是人眼最為敏感的刺激物,這是人們視覺系統(tǒng)能夠形成視覺的客觀基礎(chǔ)。沒有光,就不可能有眼的視覺。光又是一種不依人們意志而存在著的運(yùn)動(dòng)物質(zhì),經(jīng)過精密測(cè)量,現(xiàn)在已經(jīng)確定光在真空中的傳播速度為2.997458×108m/s,為了簡(jiǎn)潔方便,在進(jìn)行實(shí)際計(jì)算和口頭表述時(shí)大多采用300000km/s這一約數(shù)。

2.光的分類

光可以分為可見光和不可見光兩種。日常所看到的光就是可見光,其波長(zhǎng)范圍為380~760nm(有的學(xué)者說為400~780nm)。這一波長(zhǎng)范圍的長(zhǎng)波端為紅色光,短波端為紫色光,各種顏色的光,在可見光譜上是依紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫的順序進(jìn)行排列的,與這些顏色相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)如表1?1所示。

波長(zhǎng)大于760nm的光被稱為紅外光或紅外線;波長(zhǎng)小于380nm的光被稱為紫外光或紫外線。紅外光與紫外光共同構(gòu)成人們看不到的不可見光。日常所說的白光是一種混合光,是各種顏色的光按一定比例混合在一起的(圖1?1)。這就是說,白色是一種純潔的顏色,不過是人們心理效應(yīng)的誤解而已。

光學(xué)儀器在光學(xué)上的設(shè)定一般是以“中黃”為基準(zhǔn)的,從光學(xué)波長(zhǎng)來看,使用紅色與鈷藍(lán)色這兩種顏色更加符合光譜的排列要求。因此,顏少明、鄭竺英著《立體視覺檢查圖》,劉藹年、顏少明著《雙眼影像不等檢查圖》,及金貴昌、周桂榮、鄭竺英著《雙眼立體視覺檢查圖》中,使用的濾色鏡片的兩種顏色均為紅色與鈷藍(lán)色。

目前在驗(yàn)光檢測(cè)中之所以未使用鈷藍(lán)色視標(biāo),原因可能是:①鈷藍(lán)色相對(duì)比較容易褪色;②大家習(xí)慣了使用紅色與綠色鏡片來精確測(cè)定、修正球面屈光矯正鏡度。在光譜中,綠色光、紅色光也恰好位于“中黃”兩側(cè),當(dāng)被測(cè)眼對(duì)綠色背景視標(biāo)、紅色背景視標(biāo)可以獲得同樣分辨力時(shí),就說明驗(yàn)光中所給予的球面屈光矯正鏡度是準(zhǔn)確的。倘若被測(cè)眼對(duì)綠色背景視標(biāo)、紅色背景視標(biāo)不能獲得同樣分辨力,就說明給予的球面屈光矯正鏡度還存在偏差,就需要進(jìn)行相應(yīng)球面屈光矯正鏡度的調(diào)整。

(二)光學(xué)的兩種學(xué)說

在光學(xué)理論上,有兩種學(xué)說,一種是微粒學(xué)說,另一種是波動(dòng)學(xué)說。

1.微粒學(xué)說

光的微粒學(xué)說,又叫線性光學(xué)、幾何光學(xué)。應(yīng)當(dāng)說,幾何光學(xué)是一個(gè)很古老的稱謂,從這個(gè)名稱人們就可以在一定程度上了解這一學(xué)說的本質(zhì)特點(diǎn):使用數(shù)學(xué)幾何原理的方式來解釋光學(xué)現(xiàn)象。其理論的核心是:光是由微粒組成的粒子流,是按直線進(jìn)行傳播的,而光的反射同粒子與平面的完全彈性碰撞相似。

這種學(xué)說以光的直線傳播定律、反射定律、折射定律、獨(dú)立傳播定律和光路可逆原理為基礎(chǔ),應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)以下三個(gè)有關(guān)光的問題進(jìn)行研究。

① 光的傳播問題;

② 光學(xué)儀器的成像與消除像差的方法問題;

③ 特種光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)原理。

眼鏡光學(xué)、驗(yàn)光儀器以及光學(xué)鏡片所要研究的問題,恰好與幾何光學(xué)的三個(gè)研究方向相吻合。而眼鏡的學(xué)問,也正是將幾何光學(xué)的光學(xué)原理應(yīng)用到人視知覺生理上的一種學(xué)問,在一定意義上說,幾何光學(xué)原理就是眼鏡學(xué)的根,而眼的視知覺生理則是眼鏡學(xué)的魂。

2.波動(dòng)學(xué)說

光的波動(dòng)學(xué)說,又叫做波動(dòng)光學(xué)、物理光學(xué)。其是對(duì)光的本性以及光在介質(zhì)中傳播時(shí)的各種性質(zhì)進(jìn)行研究的一門學(xué)問。這種學(xué)說的理論核心就是:光是以光粒子的振動(dòng)為基礎(chǔ)的物理能量傳遞運(yùn)動(dòng)。其研究的三個(gè)主要問題如下。

(1)光干涉現(xiàn)象:當(dāng)兩個(gè)光波振動(dòng)的方向、頻率一致,位相差固定時(shí),光就會(huì)產(chǎn)生相互干涉現(xiàn)象,此時(shí)就會(huì)形成黑白相間的干涉性條紋圖像。眼鏡鏡片所使用的減反射膜技術(shù),就是利用1/4波長(zhǎng)作為膜層厚度,使反射光在薄膜后產(chǎn)生半個(gè)波長(zhǎng)位相差所產(chǎn)生的光干涉現(xiàn)象,使反射光產(chǎn)生減少至趨于0的效果,從而達(dá)到增透的目的。

(2)光的衍射現(xiàn)象:當(dāng)光通過一個(gè)足夠狹窄(或小)的縫隙(或孔洞)時(shí),會(huì)在屏幕上形成一個(gè)寬(或大)于縫隙(或孔洞)的光帶(或光斑),這就說明光在通過縫隙(或孔洞)時(shí),有一部分光離開了原來的方向。這個(gè)寬度(或直徑)增大的光帶(或光斑)就叫做衍射光斑,而光斑中心最亮的區(qū)域就叫做艾里盤(圖1?2)。光學(xué)儀器最小的分辨率會(huì)受到衍射現(xiàn)象的限制,其最小可分辨距離等于艾里盤的半徑(r),其表達(dá)式為:

r=1.22fλ/d

式中,r為艾里盤的半徑;f為光學(xué)儀器的焦距;λ為光的波長(zhǎng);d為光學(xué)儀器光瞳的直徑。

衍射現(xiàn)象對(duì)光學(xué)儀器分辨率的限制,就會(huì)導(dǎo)致光學(xué)部件完善程度方面的不足,超過其完善程度所能達(dá)到的程度時(shí),其像質(zhì)就會(huì)很難再有所提高。

光的衍射還可以對(duì)人眼分辨率的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與解釋,可以將上述公式轉(zhuǎn)化為:

(α)=

式中,f為眼的焦距;(α)為視覺分辨角;λ為光的波長(zhǎng);d為瞳孔的直徑。驗(yàn)光中光的波長(zhǎng)可以視為555nm,只要測(cè)量出被測(cè)者的瞳孔直徑,就可以計(jì)算出被測(cè)者理論上的視覺分辨角。但是,在屈光矯正中這一理論數(shù)值是極難獲得的。

(3)光的偏振現(xiàn)象:光波在運(yùn)動(dòng)中會(huì)表現(xiàn)出兩個(gè)矢量(圖1?3),一個(gè)矢量表現(xiàn)為光的傳播方向,另一個(gè)矢量表現(xiàn)為垂直于光軸的振動(dòng)方向。人們見到的非金屬物質(zhì)表面較強(qiáng)的反射光,都是偏振光現(xiàn)象。空氣的散射也是光起偏的因素之一。

眼?視光學(xué)中,利用偏振光的特性進(jìn)行雙眼視功能的檢測(cè),是一種在雙眼同視的條件下對(duì)雙眼視功能檢測(cè)的方法,因此也是最接近視覺生理?xiàng)l件下的檢測(cè)方法。偏振光太陽(yáng)鏡、偏振光司機(jī)眼鏡是兩種在眼鏡上最為常見的應(yīng)用,這兩種眼鏡都可以起到阻擋來自外界特定方向偏振光的作用,從而明顯降低自然光導(dǎo)致的眩目現(xiàn)象。

眼鏡行業(yè)中還會(huì)使用偏振鏡片進(jìn)行真假水晶鏡片的鑒別。圖1?4就是鑒別真假水晶鏡片的示意圖。

將一只水晶鏡片和一只玻璃鏡片作為待鑒定鏡片。鑒定方法是:將待鑒定鏡片放置在兩片偏振方向互相垂直的偏振鏡片之間,觀察疊合后鏡片組的光線透過情況,光線可以透過的鏡片組中的被鑒定鏡片就是水晶鏡片;透不過光線的鏡片組中的待鑒定鏡片就是玻璃鏡片。

從以上關(guān)于兩種光學(xué)學(xué)說的簡(jiǎn)要介紹可以了解,眼鏡光學(xué)理論的根是幾何光學(xué),眼鏡學(xué)的魂是眼的視知覺生理,物理光學(xué)則完善了眼鏡學(xué)的形與體。那么,眼鏡學(xué)的形體是什么呢?筆者認(rèn)為眼鏡學(xué)的形體有兩個(gè),一個(gè)是光,另一個(gè)是眼鏡。

(三)光束

1.光束概述

在光學(xué)領(lǐng)域,對(duì)光的運(yùn)動(dòng)、光程和定律的描述中,經(jīng)常會(huì)提到光線的概念。光線是一種客觀存在但又很難計(jì)量的物理現(xiàn)象,使用光線這一概念更多的是為了精確表述光的實(shí)質(zhì)以及定律、定理的概念。在實(shí)際生活中所說的光、光線實(shí)質(zhì)上都是光束。

2.光束的種類

根據(jù)光束的聚散狀況,可以將光束分為以下三種。

(1)發(fā)散光束:從發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的截面積逐漸增大的光束[圖1?5(A₁)]。

(2)集合光束:又叫匯聚光束,指向某一點(diǎn)匯聚的、截面積逐漸減小的光束[圖1?5(B₁)]。

(3)平行光束:一種截面積既不增大也不減小的光束[圖1?5(C₁)]。

自然界的天然光都是發(fā)散光束,沒有集合光束。集合光束是制造出來的一種人工光束。當(dāng)光源的距離明顯大于目標(biāo)物時(shí),就將天然的發(fā)散光束視同于平行光,例如,太陽(yáng)光是發(fā)散光束,就被視同于平行光束。在眼科與眼?視光學(xué)領(lǐng)域中,將≥5m距離的來光約定為:視同平行光。

二、透鏡

(一)球面透鏡

通常所說的球面透鏡,又叫等量透鏡、雙球面透鏡。這種透鏡以鏡片光學(xué)中心為基準(zhǔn)點(diǎn),各條子午線上屈光力均相等。

球面透鏡有兩種。中間厚四周薄的透鏡叫做凸透鏡[圖1?6(A)],這種透鏡具有會(huì)聚光線的作用[圖1?5(B₂)],因此又叫會(huì)聚透鏡。中間薄四周厚的透鏡叫凹透鏡[圖1?6(B)],這種透鏡具有發(fā)散光線的作用[圖1?5(A₂)],因此又叫發(fā)散透鏡。中心與周邊厚度一致的透鏡就叫平光鏡,光線垂直通過這種透鏡時(shí),光線將保持原來的方向不變[圖1?5(C₂)]。

球面透鏡的形式包括以下6種(圖1?7)。對(duì)透鏡的命名方法為:□■透鏡;□代表鏡片的形式,■則代表鏡片的性質(zhì)。凸透鏡包括3種基本形式:雙凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡。凹透鏡也包括3種基本形式:雙凹透鏡、平凹透鏡、凸凹透鏡。

這種透鏡在屈光學(xué)上的作用是矯正單純性屈光不正,即矯正單純性近視眼和單純性遠(yuǎn)視眼。矯正單純性近視眼時(shí)所使用的鏡片為凸凹透鏡,而矯正單純性遠(yuǎn)視眼時(shí)所使用的鏡片為凹凸透鏡。

(二)圓柱面透鏡

圓柱面透鏡,又稱為圓柱鏡,簡(jiǎn)稱柱鏡。這是一種有明顯方向性的鏡片。假如以鏡片幾何中心為基準(zhǔn)點(diǎn),屈光力最小的那條子午線的方向就是圓柱面透鏡軸所在的方向(圖1?8圓柱體中的垂線),而屈光力較大的那條子午線的方向就是圓柱面透鏡屈光度所在的方向,這兩條子午線方向的夾角為90°。這種夾角形式的圓柱面透鏡叫做正交圓柱面透鏡。屈光矯正中所使用的含有圓柱面透鏡的鏡片都是這種形式。

從圖1?8中可以發(fā)現(xiàn):①垂直方向上沒有屈光力,平行光線通過時(shí)方向不變,因此光線既不會(huì)匯聚,也不會(huì)發(fā)散;②水平方向上屈光力最大,平行光線通過后將發(fā)生會(huì)聚,但是因垂直方向上沒有屈光力,只能匯聚成一條線,這條線就叫做焦線。因此,圓柱面透鏡在成像上只有焦線,沒有焦點(diǎn)。

圓柱面透鏡也有兩種。類似于在圓柱外拓模形式的透鏡就是凹圓柱面透鏡[圖1?9(A)]。而類似于從圓柱上切下來的柱臺(tái)形式的透鏡就叫做凸圓柱面透鏡[圖1?9(B)]。圓柱面透鏡也有6種:雙凹圓柱面透鏡、平凹圓柱面透鏡、凸凹圓柱面透鏡;雙凸圓柱面透鏡、平凸圓柱面透鏡、凹凸圓柱面透鏡。

這種透鏡用于單純性近視散光與單純性遠(yuǎn)視散光的屈光矯正。矯正單純性近視散光實(shí)際使用的是凸凹圓柱面透鏡,而矯正單純性遠(yuǎn)視散光實(shí)際使用的也一定是凹凸圓柱面透鏡。

這里需要說明的是,在屈光不正者中,單純性散光眼是比較少的,大部分是復(fù)性屈光不正,即復(fù)性近視散光或復(fù)性遠(yuǎn)視散光。因此,在屈光矯正中使用更多的是球柱面聯(lián)合鏡片。

(三)三棱鏡

三棱鏡,通常也有人將其簡(jiǎn)稱為棱鏡。這種稱謂在眼鏡學(xué)中一般不會(huì)引起誤解,但這一稱謂是不太科學(xué)的。圖1?10所示的就是兩種特殊的棱鏡。顯然,這兩種棱鏡不是屈光矯正中所使用的棱鏡。眼鏡學(xué)中所說的棱鏡是三棱鏡(圖1?11)。圖1?11(B)的鏡片屬于正確裝配后在鏡框前后的比例狀況,圖1?11(A)屬于裝配不正確時(shí)的前后比例狀況。

三棱鏡是一種屈光矯正中經(jīng)常會(huì)使用的透鏡,這種透鏡本身沒有屈折力,對(duì)光線的作用是令其偏折。在屈光學(xué)著述中,一般是以圖1?12中的△ABC來講述三棱鏡的工作原理的:光從D發(fā)出經(jīng)三棱鏡的偏折將折向E,這就是說通過三棱鏡的光將向底的方向偏折。但是,人在D觀察時(shí),就會(huì)感覺到E偏移到了E',這說明人們通過三棱鏡進(jìn)行觀察時(shí),像偏移到了三棱鏡頂(A)的方向。三棱鏡在眼鏡上的應(yīng)用有以下兩種。

① 對(duì)有隱斜視的被測(cè)者,應(yīng)用適當(dāng)?shù)娜忡R進(jìn)行隱斜視的矯治。通過三棱鏡對(duì)光線的偏移作用,就可以使隱斜視的戴鏡者獲得更好的雙眼融合狀態(tài),從而避免視覺上的不舒適。

② 當(dāng)戴鏡者選用了較大規(guī)格的眼鏡架時(shí),就需要對(duì)鏡片光學(xué)中心進(jìn)行內(nèi)移處理。否則就會(huì)發(fā)生三棱鏡效應(yīng),戴用者就會(huì)產(chǎn)生類似隱斜視的情況。因此,光學(xué)中心內(nèi)移是一種在眼鏡加工裝配中避免三棱鏡效應(yīng)的加工處理方式。

但是,在實(shí)際屈光矯正中,誰也不會(huì)采用圖1?12中△ABC那樣的三棱鏡放置方式,而是一定要采用圖1?12中△A'B'C'的形式。這也就是說,在應(yīng)用三棱鏡時(shí),鏡片磨邊后裝配成的眼鏡形態(tài)一定不能如圖1?11(A)所示,而要如圖1?11(B)所示:把較厚的鏡片邊緣置于眼鏡框的后方。那么,通過三棱鏡獲得的視知覺像是什么樣的呢?圖1?13(A)是被觀察的原圖,圖1?13(B)則是觀測(cè)者通過使用極大的三棱鏡度鏡片所獲得的視知覺像。這里要說明的是:圖1?13(B)這樣大變形的視知覺像會(huì)存在極其嚴(yán)重的色散現(xiàn)象,難以在實(shí)際中應(yīng)用,但圖中對(duì)形態(tài)及線條的形態(tài)變化是非常客觀的。

在實(shí)際屈光矯正中,通常所使用的三棱鏡度一般都在15△以下。根據(jù)筆者所知,在屈光矯治中已經(jīng)使用過的最大三棱鏡度為24△。

三、光學(xué)的定律與定理

眼鏡行業(yè)中幾何光學(xué)定律包括以下三個(gè):光的直線傳播定律、光的反射定律、光的折射定律。而光的獨(dú)立傳播定律、光路可逆定理是近年來被引入眼?視光學(xué)之中的兩條光學(xué)定律(定理)。

(一)光的直線傳播定律

在不同的著作中,對(duì)這一定律的表述是不完全一樣的,但最簡(jiǎn)捷的表述形式應(yīng)是:光在均勻介質(zhì)中是一條直線。但是,光在傳播中也有例外:穿越與光波長(zhǎng)度一致的孔徑時(shí)光會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,這種現(xiàn)象屬于物理光學(xué)的范疇。

(二)光的反射定律

光的反射現(xiàn)象與光的折射現(xiàn)象都屬于光學(xué)中的界面光現(xiàn)象。什么叫界面呢?兩種不同折射率光學(xué)介質(zhì)的平滑分界面就是界面(圖1?14)。當(dāng)光線投射到界面時(shí),一部分光線返回原介質(zhì)中,這種現(xiàn)象就叫光的反射現(xiàn)象;另一部分通過界面而折向另一種介質(zhì)中,這種現(xiàn)象就叫折射現(xiàn)象。

光的反射定律是光投射到界面后,返回到原介質(zhì)中的反射光必然會(huì)遵循的規(guī)律。

① 入射線、法線與反射線處于同一平面中;

② 入射線與反射線分居于法線的兩側(cè);

③ 入射線與反射線居于同一種介質(zhì)中;

④ 入射角(入射線與法線的夾角)與反射角(反射線與法線的夾角)相等。

戴上不鍍膜的眼鏡后,從鏡片外側(cè)看到身后物品就是鏡片的反射現(xiàn)象,這種反射像在眼鏡行業(yè)通常叫做“鬼影”,這是一種眼鏡光學(xué)矯正中應(yīng)當(dāng)盡可能避免或減少發(fā)生的光學(xué)現(xiàn)象。鏡片上鍍減反射膜就是避免“鬼影”的措施。對(duì)于已經(jīng)裝配好的眼鏡,還可以通過調(diào)整眼鏡架改變鏡面角等的辦法來消除眼鏡戴用中的“鬼影”現(xiàn)象。

(三)光的折射定律

光的折射定律是光投射到界面后,折向另一種介質(zhì)中的折射光必然會(huì)遵循的規(guī)律。

① 入射線、法線與折射線處于同一平面中;

② 入射線與折射線分居于法線的兩側(cè);

③ 入射線與折射線分居于兩種介質(zhì)中;

④ 入射角(入射線與法線的夾角)的正弦與折射角(折射線與法線的夾角)正弦之比為常數(shù)。

=

光的折射定律是眼鏡屈光矯正中被利用最充分的原理。所有的屈光矯正眼鏡都離不開折射定律。當(dāng)屈光度≥±4.00D時(shí),為了提高眼鏡外形的美觀程度,使用高折射率鏡片以減薄鏡片的厚度同樣與折射定律有關(guān)。

(四)光路可逆定理

光路可逆定理是指:一條光線傳播光路上的一點(diǎn)所發(fā)出的光,可以按原路返回。光路可逆定理可以說是一種光的反射定律在特殊條件的表現(xiàn)形式。這個(gè)特殊條件就是保證入射光線垂直于非透過性界面,此時(shí)其反射光線傳播的路線必將從原路返回。

(五)光的獨(dú)立傳播定律

光的獨(dú)立傳播定律是指若由不同光源發(fā)出的兩束光在傳播中相交,其將各自沿自身的傳播路線傳播。這條定律是光的直線傳播定律在光疊加形式條件下的表達(dá)形式。

從以上敘述中不難發(fā)現(xiàn),眼鏡光學(xué)及其屈光矯正中,最具現(xiàn)實(shí)意義的光學(xué)原理還是傳統(tǒng)的光學(xué)三定律,即光的直線傳播定律、光的反射定律及光的折射定律。光的直線傳播定律與驗(yàn)光師同被測(cè)者間的交流、服務(wù)及檢測(cè)是密不可分的。光的反射定律,則是在屈光矯正中應(yīng)當(dāng)盡可能減少對(duì)眼鏡矯正產(chǎn)生影響的不可忽視的因素。而光的折射定律,在屈光矯正中發(fā)揮了最大的效應(yīng),是被測(cè)者屈光不正得到最佳效果的重要保證。