人眼——活的光學(xué)系統(tǒng)

了解人眼特性對于光學(xué)工程師非常重要，因此絕大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)都以這樣或那樣的方式將眼睛作為系統(tǒng)的最終元件。因此，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者了解眼睛的特性以及功能是至關(guān)重要的。

1. 眼睛的構(gòu)造

眼睛是人體最復(fù)雜的感覺器官之一，負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號，傳遞至大腦形成視覺。眼球由外到內(nèi)可分為外層，中層和內(nèi)層：

外層由角膜和鞏膜組成。角膜：透明、無血管的弧形結(jié)構(gòu)，覆蓋眼球前部，負(fù)責(zé)屈光（聚焦光線）。鞏膜：白色堅(jiān)韌的纖維膜，構(gòu)成眼球后部，維持眼球形狀并保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

中層由虹膜，睫狀體組成。虹膜：有色環(huán)形膜，中央的孔洞為瞳孔（Pupil），通過收縮或舒張控制進(jìn)入眼球的光量。其中睫狀體分為：睫狀肌：調(diào)節(jié)晶狀體形狀（改變焦距，實(shí)現(xiàn)“調(diào)節(jié)”功能）。產(chǎn)生房水：維持眼內(nèi)壓和營養(yǎng)角膜、晶狀體。脈絡(luò)膜：富含血管和色素，為視網(wǎng)膜提供養(yǎng)分并吸收多余光線。

內(nèi)層即視網(wǎng)膜，由各種感光細(xì)胞構(gòu)成，視桿細(xì)胞：對弱光敏感，負(fù)責(zé)暗視覺。視錐細(xì)胞：對強(qiáng)光和顏色敏感，集中在黃斑區(qū)，尤其是中央凹處。視神經(jīng)盤：視神經(jīng)穿出眼球的部位，無感光細(xì)胞，形成“生理盲點(diǎn)”。

      角膜承擔(dān)著眼睛絕大部分折射能力，虹膜使眼睛能感覺色彩，能夠張大和縮小以控制進(jìn)入眼睛的光通量。由虹膜形成的瞳孔直徑可以從弱光下的8mm變化到強(qiáng)光下的不足2mm。眼睛的透鏡是一個由其神經(jīng)末梢區(qū)域周圍大量纖維或韌帶懸吊者的柔軟囊體，通過改變其形狀使眼睛調(diào)焦。當(dāng)與懸吊韌帶相連的括約肌放松時，透鏡具有最平的形狀，正常眼就聚焦于無窮遠(yuǎn)；當(dāng)這些肌肉收縮時，透鏡凸起，其半徑更短，眼睛聚焦在附近物體上，這種過程稱為適應(yīng)。

      視覺形成的過程：

光線通過角膜和晶狀體折射聚焦。

成像于視網(wǎng)膜，感光細(xì)胞將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。

信號經(jīng)視神經(jīng)傳遞至大腦視覺皮層，形成視覺。

2.眼睛的特性

眼睛作為人體感官器官之一，擁有許多令人驚嘆的特性。這些特性使其能夠高效、準(zhǔn)確地捕捉外界光線并將其轉(zhuǎn)化為我們理解的視覺信息。

屈光與成像能力:

多重屈光系統(tǒng)： 眼睛擁有角膜、房水、晶狀體和玻璃體等多個透明的屈光介質(zhì)。它們協(xié)同工作，將光線精確地聚焦在視網(wǎng)膜上，就像一個天然的精密照相機(jī)鏡頭。

自動調(diào)焦： 晶狀體可以改變其曲度，從而改變焦距。這使得眼睛能夠自動對焦，無論看近處（如閱讀）還是遠(yuǎn)處（如遠(yuǎn)眺），都能保持清晰的圖像。這是其“變焦”能力。

動態(tài)的光線調(diào)節(jié)能力:

瞳孔變光： 虹膜可以像照相機(jī)的光圈一樣，根據(jù)外界光線的強(qiáng)弱自動調(diào)節(jié)瞳孔的大小。在強(qiáng)光下瞳孔縮小以減少進(jìn)光量，避免視網(wǎng)膜過度曝光；在弱光下瞳孔放大以增加進(jìn)光量，提高視覺敏感度。

寬廣的適應(yīng)范圍:

明適應(yīng)與暗適應(yīng)： 眼睛能夠在從極亮的日光（約10^8 勒克斯）到幾乎黑暗的環(huán)境（約10^-6 勒克斯）中進(jìn)行視覺感知，其適應(yīng)范圍高達(dá)10的14次方。這得益于視網(wǎng)膜上兩種不同的感光細(xì)胞（視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞）以及神經(jīng)回路的復(fù)雜調(diào)節(jié)。

精細(xì)的色彩感知能力:

三色視覺： 視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞有三種類型，分別對紅、綠、藍(lán)三種不同波長的光敏感。大腦通過整合這三類細(xì)胞的信息，能夠感知并區(qū)分?jǐn)?shù)百萬種不同的顏色，形成我們豐富多彩的視覺世界。

高分辨率與細(xì)節(jié)辨識能力:

黃斑中心凹： 視網(wǎng)膜的黃斑區(qū)，特別是中心凹，含有高密度的視錐細(xì)胞，是視力最敏銳的區(qū)域。它使得我們能夠識別精細(xì)的細(xì)節(jié)，如閱讀文字、辨認(rèn)人臉。

立體視覺與深度感知:

雙眼視差： 兩只眼睛從略微不同的角度看同一個物體，產(chǎn)生的圖像存在細(xì)微差異（視差）。大腦將這兩個圖像整合，形成對物體距離和空間深度的感知，即立體視覺。

眼睛不僅僅是感光器官，它產(chǎn)生的電信號通過視神經(jīng)傳導(dǎo)至大腦的視覺皮層，由大腦進(jìn)行復(fù)雜的處理、解讀和整合，最終形成我們所理解的視覺圖像和意義。這個過程包括模式識別、記憶關(guān)聯(lián)、情緒反應(yīng)等。通過眼睛這個活的光學(xué)系統(tǒng)使我們能夠高效、準(zhǔn)確地感知和理解周圍的視覺世界。