第一节 屈光学常识

屈光学是什么呢?“屈”,就是弯曲、曲折;“光”,就是光线、光束。屈光学,就是关于光线(光束)被弯曲、曲折的学问。也可以说,屈光学就是关于光线拐弯的学问。既然说到光线拐弯,就要从光是什么这一问题说起。

一、光与光的学说

(一)什么是光?

1.光的定义

光就是一种电磁波,也可以说光就是电磁波的一种,这就是光的定义。光是人眼最为敏感的刺激物,这是人们视觉系统能够形成视觉的客观基础。没有光,就不可能有眼的视觉。光又是一种不依人们意志而存在着的运动物质,经过精密测量,现在已经确定光在真空中的传播速度为2.997458×108m/s,为了简洁方便,在进行实际计算和口头表述时大多采用300000km/s这一约数。

2.光的分类

光可以分为可见光和不可见光两种。日常所看到的光就是可见光,其波长范围为380~760nm(有的学者说为400~780nm)。这一波长范围的长波端为红色光,短波端为紫色光,各种颜色的光,在可见光谱上是依红、橙、黄、绿、蓝、青、紫的顺序进行排列的,与这些颜色相对应的波长如表1⁃1所示。

波长大于760nm的光被称为红外光或红外线;波长小于380nm的光被称为紫外光或紫外线。红外光与紫外光共同构成人们看不到的不可见光。日常所说的白光是一种混合光,是各种颜色的光按一定比例混合在一起的(图1⁃1)。这就是说,白色是一种纯洁的颜色,不过是人们心理效应的误解而已。

光学仪器在光学上的设定一般是以“中黄”为基准的,从光学波长来看,使用红色与钴蓝色这两种颜色更加符合光谱的排列要求。因此,颜少明、郑竺英著《立体视觉检查图》,刘蔼年、颜少明著《双眼影像不等检查图》,及金贵昌、周桂荣、郑竺英著《双眼立体视觉检查图》中,使用的滤色镜片的两种颜色均为红色与钴蓝色。

目前在验光检测中之所以未使用钴蓝色视标,原因可能是:①钴蓝色相对比较容易褪色;②大家习惯了使用红色与绿色镜片来精确测定、修正球面屈光矫正镜度。在光谱中,绿色光、红色光也恰好位于“中黄”两侧,当被测眼对绿色背景视标、红色背景视标可以获得同样分辨力时,就说明验光中所给予的球面屈光矫正镜度是准确的。倘若被测眼对绿色背景视标、红色背景视标不能获得同样分辨力,就说明给予的球面屈光矫正镜度还存在偏差,就需要进行相应球面屈光矫正镜度的调整。

(二)光学的两种学说

在光学理论上,有两种学说,一种是微粒学说,另一种是波动学说。

1.微粒学说

光的微粒学说,又叫线性光学、几何光学。应当说,几何光学是一个很古老的称谓,从这个名称人们就可以在一定程度上了解这一学说的本质特点:使用数学几何原理的方式来解释光学现象。其理论的核心是:光是由微粒组成的粒子流,是按直线进行传播的,而光的反射同粒子与平面的完全弹性碰撞相似。

这种学说以光的直线传播定律、反射定律、折射定律、独立传播定律和光路可逆原理为基础,应用数学方法对以下三个有关光的问题进行研究。

① 光的传播问题;

② 光学仪器的成像与消除像差的方法问题;

③ 特种光学仪器的设计原理。

眼镜光学、验光仪器以及光学镜片所要研究的问题,恰好与几何光学的三个研究方向相吻合。而眼镜的学问,也正是将几何光学的光学原理应用到人视知觉生理上的一种学问,在一定意义上说,几何光学原理就是眼镜学的根,而眼的视知觉生理则是眼镜学的魂。

2.波动学说

光的波动学说,又叫做波动光学、物理光学。其是对光的本性以及光在介质中传播时的各种性质进行研究的一门学问。这种学说的理论核心就是:光是以光粒子的振动为基础的物理能量传递运动。其研究的三个主要问题如下。

(1)光干涉现象:当两个光波振动的方向、频率一致,位相差固定时,光就会产生相互干涉现象,此时就会形成黑白相间的干涉性条纹图像。眼镜镜片所使用的减反射膜技术,就是利用1/4波长作为膜层厚度,使反射光在薄膜后产生半个波长位相差所产生的光干涉现象,使反射光产生减少至趋于0的效果,从而达到增透的目的。

(2)光的衍射现象:当光通过一个足够狭窄(或小)的缝隙(或孔洞)时,会在屏幕上形成一个宽(或大)于缝隙(或孔洞)的光带(或光斑),这就说明光在通过缝隙(或孔洞)时,有一部分光离开了原来的方向。这个宽度(或直径)增大的光带(或光斑)就叫做衍射光斑,而光斑中心最亮的区域就叫做艾里盘(图1⁃2)。光学仪器最小的分辨率会受到衍射现象的限制,其最小可分辨距离等于艾里盘的半径(r),其表达式为:

r=1.22fλ/d

式中,r为艾里盘的半径;f为光学仪器的焦距;λ为光的波长;d为光学仪器光瞳的直径。

衍射现象对光学仪器分辨率的限制,就会导致光学部件完善程度方面的不足,超过其完善程度所能达到的程度时,其像质就会很难再有所提高。

光的衍射还可以对人眼分辨率的理论数据进行分析与解释,可以将上述公式转化为:

(α)=

式中,f为眼的焦距;(α)为视觉分辨角;λ为光的波长;d为瞳孔的直径。验光中光的波长可以视为555nm,只要测量出被测者的瞳孔直径,就可以计算出被测者理论上的视觉分辨角。但是,在屈光矫正中这一理论数值是极难获得的。

(3)光的偏振现象:光波在运动中会表现出两个矢量(图1⁃3),一个矢量表现为光的传播方向,另一个矢量表现为垂直于光轴的振动方向。人们见到的非金属物质表面较强的反射光,都是偏振光现象。空气的散射也是光起偏的因素之一。

眼⁃视光学中,利用偏振光的特性进行双眼视功能的检测,是一种在双眼同视的条件下对双眼视功能检测的方法,因此也是最接近视觉生理条件下的检测方法。偏振光太阳镜、偏振光司机眼镜是两种在眼镜上最为常见的应用,这两种眼镜都可以起到阻挡来自外界特定方向偏振光的作用,从而明显降低自然光导致的眩目现象。

眼镜行业中还会使用偏振镜片进行真假水晶镜片的鉴别。图1⁃4就是鉴别真假水晶镜片的示意图。

将一只水晶镜片和一只玻璃镜片作为待鉴定镜片。鉴定方法是:将待鉴定镜片放置在两片偏振方向互相垂直的偏振镜片之间,观察叠合后镜片组的光线透过情况,光线可以透过的镜片组中的被鉴定镜片就是水晶镜片;透不过光线的镜片组中的待鉴定镜片就是玻璃镜片。

从以上关于两种光学学说的简要介绍可以了解,眼镜光学理论的根是几何光学,眼镜学的魂是眼的视知觉生理,物理光学则完善了眼镜学的形与体。那么,眼镜学的形体是什么呢?笔者认为眼镜学的形体有两个,一个是光,另一个是眼镜。

(三)光束

1.光束概述

在光学领域,对光的运动、光程和定律的描述中,经常会提到光线的概念。光线是一种客观存在但又很难计量的物理现象,使用光线这一概念更多的是为了精确表述光的实质以及定律、定理的概念。在实际生活中所说的光、光线实质上都是光束。

2.光束的种类

根据光束的聚散状况,可以将光束分为以下三种。

(1)发散光束:从发光点发出的截面积逐渐增大的光束[图1⁃5(A₁)]。

(2)集合光束:又叫汇聚光束,指向某一点汇聚的、截面积逐渐减小的光束[图1⁃5(B₁)]。

(3)平行光束:一种截面积既不增大也不减小的光束[图1⁃5(C₁)]。

自然界的天然光都是发散光束,没有集合光束。集合光束是制造出来的一种人工光束。当光源的距离明显大于目标物时,就将天然的发散光束视同于平行光,例如,太阳光是发散光束,就被视同于平行光束。在眼科与眼⁃视光学领域中,将≥5m距离的来光约定为:视同平行光。

二、透镜

(一)球面透镜

通常所说的球面透镜,又叫等量透镜、双球面透镜。这种透镜以镜片光学中心为基准点,各条子午线上屈光力均相等。

球面透镜有两种。中间厚四周薄的透镜叫做凸透镜[图1⁃6(A)],这种透镜具有会聚光线的作用[图1⁃5(B₂)],因此又叫会聚透镜。中间薄四周厚的透镜叫凹透镜[图1⁃6(B)],这种透镜具有发散光线的作用[图1⁃5(A₂)],因此又叫发散透镜。中心与周边厚度一致的透镜就叫平光镜,光线垂直通过这种透镜时,光线将保持原来的方向不变[图1⁃5(C₂)]。

球面透镜的形式包括以下6种(图1⁃7)。对透镜的命名方法为:□■透镜;□代表镜片的形式,■则代表镜片的性质。凸透镜包括3种基本形式:双凸透镜、平凸透镜、凹凸透镜。凹透镜也包括3种基本形式:双凹透镜、平凹透镜、凸凹透镜。

这种透镜在屈光学上的作用是矫正单纯性屈光不正,即矫正单纯性近视眼和单纯性远视眼。矫正单纯性近视眼时所使用的镜片为凸凹透镜,而矫正单纯性远视眼时所使用的镜片为凹凸透镜。

(二)圆柱面透镜

圆柱面透镜,又称为圆柱镜,简称柱镜。这是一种有明显方向性的镜片。假如以镜片几何中心为基准点,屈光力最小的那条子午线的方向就是圆柱面透镜轴所在的方向(图1⁃8圆柱体中的垂线),而屈光力较大的那条子午线的方向就是圆柱面透镜屈光度所在的方向,这两条子午线方向的夹角为90°。这种夹角形式的圆柱面透镜叫做正交圆柱面透镜。屈光矫正中所使用的含有圆柱面透镜的镜片都是这种形式。

从图1⁃8中可以发现:①垂直方向上没有屈光力,平行光线通过时方向不变,因此光线既不会汇聚,也不会发散;②水平方向上屈光力最大,平行光线通过后将发生会聚,但是因垂直方向上没有屈光力,只能汇聚成一条线,这条线就叫做焦线。因此,圆柱面透镜在成像上只有焦线,没有焦点。

圆柱面透镜也有两种。类似于在圆柱外拓模形式的透镜就是凹圆柱面透镜[图1⁃9(A)]。而类似于从圆柱上切下来的柱台形式的透镜就叫做凸圆柱面透镜[图1⁃9(B)]。圆柱面透镜也有6种:双凹圆柱面透镜、平凹圆柱面透镜、凸凹圆柱面透镜;双凸圆柱面透镜、平凸圆柱面透镜、凹凸圆柱面透镜。

这种透镜用于单纯性近视散光与单纯性远视散光的屈光矫正。矫正单纯性近视散光实际使用的是凸凹圆柱面透镜,而矫正单纯性远视散光实际使用的也一定是凹凸圆柱面透镜。

这里需要说明的是,在屈光不正者中,单纯性散光眼是比较少的,大部分是复性屈光不正,即复性近视散光或复性远视散光。因此,在屈光矫正中使用更多的是球柱面联合镜片。

(三)三棱镜

三棱镜,通常也有人将其简称为棱镜。这种称谓在眼镜学中一般不会引起误解,但这一称谓是不太科学的。图1⁃10所示的就是两种特殊的棱镜。显然,这两种棱镜不是屈光矫正中所使用的棱镜。眼镜学中所说的棱镜是三棱镜(图1⁃11)。图1⁃11(B)的镜片属于正确装配后在镜框前后的比例状况,图1⁃11(A)属于装配不正确时的前后比例状况。

三棱镜是一种屈光矫正中经常会使用的透镜,这种透镜本身没有屈折力,对光线的作用是令其偏折。在屈光学著述中,一般是以图1⁃12中的△ABC来讲述三棱镜的工作原理的:光从D发出经三棱镜的偏折将折向E,这就是说通过三棱镜的光将向底的方向偏折。但是,人在D观察时,就会感觉到E偏移到了E',这说明人们通过三棱镜进行观察时,像偏移到了三棱镜顶(A)的方向。三棱镜在眼镜上的应用有以下两种。

① 对有隐斜视的被测者,应用适当的三棱镜进行隐斜视的矫治。通过三棱镜对光线的偏移作用,就可以使隐斜视的戴镜者获得更好的双眼融合状态,从而避免视觉上的不舒适。

② 当戴镜者选用了较大规格的眼镜架时,就需要对镜片光学中心进行内移处理。否则就会发生三棱镜效应,戴用者就会产生类似隐斜视的情况。因此,光学中心内移是一种在眼镜加工装配中避免三棱镜效应的加工处理方式。

但是,在实际屈光矫正中,谁也不会采用图1⁃12中△ABC那样的三棱镜放置方式,而是一定要采用图1⁃12中△A'B'C'的形式。这也就是说,在应用三棱镜时,镜片磨边后装配成的眼镜形态一定不能如图1⁃11(A)所示,而要如图1⁃11(B)所示:把较厚的镜片边缘置于眼镜框的后方。那么,通过三棱镜获得的视知觉像是什么样的呢?图1⁃13(A)是被观察的原图,图1⁃13(B)则是观测者通过使用极大的三棱镜度镜片所获得的视知觉像。这里要说明的是:图1⁃13(B)这样大变形的视知觉像会存在极其严重的色散现象,难以在实际中应用,但图中对形态及线条的形态变化是非常客观的。

在实际屈光矫正中,通常所使用的三棱镜度一般都在15△以下。根据笔者所知,在屈光矫治中已经使用过的最大三棱镜度为24△。

三、光学的定律与定理

眼镜行业中几何光学定律包括以下三个:光的直线传播定律、光的反射定律、光的折射定律。而光的独立传播定律、光路可逆定理是近年来被引入眼⁃视光学之中的两条光学定律(定理)。

(一)光的直线传播定律

在不同的著作中,对这一定律的表述是不完全一样的,但最简捷的表述形式应是:光在均匀介质中是一条直线。但是,光在传播中也有例外:穿越与光波长度一致的孔径时光会出现弯曲现象,这种现象属于物理光学的范畴。

(二)光的反射定律

光的反射现象与光的折射现象都属于光学中的界面光现象。什么叫界面呢?两种不同折射率光学介质的平滑分界面就是界面(图1⁃14)。当光线投射到界面时,一部分光线返回原介质中,这种现象就叫光的反射现象;另一部分通过界面而折向另一种介质中,这种现象就叫折射现象。

光的反射定律是光投射到界面后,返回到原介质中的反射光必然会遵循的规律。

① 入射线、法线与反射线处于同一平面中;

② 入射线与反射线分居于法线的两侧;

③ 入射线与反射线居于同一种介质中;

④ 入射角(入射线与法线的夹角)与反射角(反射线与法线的夹角)相等。

戴上不镀膜的眼镜后,从镜片外侧看到身后物品就是镜片的反射现象,这种反射像在眼镜行业通常叫做“鬼影”,这是一种眼镜光学矫正中应当尽可能避免或减少发生的光学现象。镜片上镀减反射膜就是避免“鬼影”的措施。对于已经装配好的眼镜,还可以通过调整眼镜架改变镜面角等的办法来消除眼镜戴用中的“鬼影”现象。

(三)光的折射定律

光的折射定律是光投射到界面后,折向另一种介质中的折射光必然会遵循的规律。

① 入射线、法线与折射线处于同一平面中;

② 入射线与折射线分居于法线的两侧;

③ 入射线与折射线分居于两种介质中;

④ 入射角(入射线与法线的夹角)的正弦与折射角(折射线与法线的夹角)正弦之比为常数。

=

光的折射定律是眼镜屈光矫正中被利用最充分的原理。所有的屈光矫正眼镜都离不开折射定律。当屈光度≥±4.00D时,为了提高眼镜外形的美观程度,使用高折射率镜片以减薄镜片的厚度同样与折射定律有关。

(四)光路可逆定理

光路可逆定理是指:一条光线传播光路上的一点所发出的光,可以按原路返回。光路可逆定理可以说是一种光的反射定律在特殊条件的表现形式。这个特殊条件就是保证入射光线垂直于非透过性界面,此时其反射光线传播的路线必将从原路返回。

(五)光的独立传播定律

光的独立传播定律是指若由不同光源发出的两束光在传播中相交,其将各自沿自身的传播路线传播。这条定律是光的直线传播定律在光叠加形式条件下的表达形式。

从以上叙述中不难发现,眼镜光学及其屈光矫正中,最具现实意义的光学原理还是传统的光学三定律,即光的直线传播定律、光的反射定律及光的折射定律。光的直线传播定律与验光师同被测者间的交流、服务及检测是密不可分的。光的反射定律,则是在屈光矫正中应当尽可能减少对眼镜矫正产生影响的不可忽视的因素。而光的折射定律,在屈光矫正中发挥了最大的效应,是被测者屈光不正得到最佳效果的重要保证。