第二节 视光学基础知识

视力与眼内屈光系统密切相关，当人眼屈光不正未矫正时，出现视物模糊，检查发现视力下降。屈光不正（近视、远视、散光）需要用透镜进行矫正，对于有些斜视患者，需要用棱镜进行矫正。因此，了解眼内光学系统、透镜适配及三棱镜在屈光不正的处理中有重要意义。

一、透镜

眼球光学系统中的角膜、房水、晶状体和玻璃体，就像一个个透镜，组合形成一组复合透镜。光学系统是按照一定的方式由一个或多个光学透镜组合形成的，大部分属于共轴球面系统。共轴球面系统的光轴由位于同一条直线上的各个光学透镜的球心连接而成。利用透镜成像规律设计出各种远近用光学助视器能有效提高视障人士的残余视力。

（一）基本成像概念

1．透镜 透镜是一种基本的光学元件，能改变光线的方向，即一束入射光线通过透镜，它出射光线的方向将被改变（经过光心的光线除外）。这里的透镜主要指球面透镜，按形状和作用可分为两大类：一类为凸透镜（又称正透镜），中间厚边缘薄，能会聚光线（图1-2-1）；另一类为凹透镜（又称负透镜），中间薄边缘厚，能发散光线（图1-2-2）。凸透镜会使所有通过的平行于主光轴的光线汇聚成一点，因此有一个实焦点。凹透镜能使所有通过的平行于主光轴的光线散射，不能形成一个实焦点，在散射光线的反方向延伸得到一点，这一点称为镜片的虚焦点。光在均匀介质中沿直线传播。

2．成像概念 由透镜组成的光学系统其基本作用是进行光束变换，它接收由物体表面各点发出的同心光束，经过系统的一系列折射和反射后，变换成一个新的同心光束，最终生成物像，被人眼或其他接收器接收。

实像由实际光线会聚而成，可以直接被屏幕、底片或光电器件接收或记录。虚像由实际光线的延长线相交形成，只能被眼睛观看，不能被屏幕或其他器件接收。

3．透镜常用光学名词

光学中心（O）：简称光心，通过该点的光线不发生屈折，按原方向传播。

焦点（F）：平行于主轴的光线经过透镜后会聚于主光轴上一点F，这一点是凸透镜的焦点。

焦距（f）：焦点F到透镜光心O的距离叫焦距，用f表示。

物距（u）：物体到透镜光心的距离称物距，用u表示。

像距（v）：物体经透镜所成的像到凸透镜光心的距离称像距，用v表示。

折射率（n）：某种介质的折射率n等于光在真空中的速度c跟光在介质中的速度v之比。空气的折射率为1。

屈光力（F）：单位为屈光度，符号为D，表示透镜对光线的曲折能力，透镜的面屈光力与透镜的焦距、半径、折射率以及光学介质的折射率相关，在视光学中用来表示眼镜片的度数。

在空气中，

（二）球面透镜的成像规律和屈光力

1．凸透镜成像规律 根据物体与焦点之间的相对位置不同，凸透镜成像情况也发生改变，如图1-2-3。

（1）物距大于2f成像规律（AB）：成倒立、缩小的实像（A’B’），像与物异侧，物距大于像距。其主要应用在：照像机、人的眼睛。

（2）物距小于2f、大于f的成像规律（CD）：成倒立、放大的实像（C’D’），像与物异侧，物距小于像距。其主要应用在：幻灯机、显微镜、电影放映机。

（3）物距小于f成像规律（EF）：成正立、放大的虚像（E’F’），像与物同侧，物距小于像距的绝对值。其主要应用在：放大镜、老花镜。

2．凹透镜成像规律 无论物体的位置在焦点以内还是焦点以外，它经凹透镜折射后所成的像，均为缩小、正立的虚像，像与物同侧。

3．球面透镜的成像规律 从表1-2-1中可以看出，根据物距的不同，成像情况也发生改变。

4．球面透镜屈光力

（1）屈光力的计算：球镜各方向上的曲率半径均相等，各子午线上的屈光力数值一致，故球镜在眼用镜片中也称为单光片，其屈光力（F）等于透镜焦距（f）的倒数。

例1：凸透镜的焦距为40cm，其屈光力为

（2）屈光力的表示方法：球镜的屈光力以缩写DS（diopter of spherical power）表示。屈光度表示方法通常以1/4DS为间距，如±0.25DS，±0.50DS，±0.75DS。若透镜的屈光力为0.00DS，称为平光透镜。在镜片箱或综合验光仪上，屈光力表示方法以1/8DS为间距，但表示为小数时，将第三位小数的“5”舍去，如±0.12DS，±0.37DS，±0.62DS，±0.87DS等。但两者相加时，仍然将舍去的“5”计算在内，如-0.12DS+（-0.12DS）=-0.25DS。

（3）透镜的放大率：

①线放大率：由透镜或球面反射镜成像时，像的高度与原物高度之比称为线放大率。适用于照相机、投影仪等光学仪器。

②角放大率：使用助视器观察物体时，像对眼的张角（即视角）与直接用眼观察物体时的视角之比称为角放大率。当目标离眼太远或目标无法向眼前移近时，都可以利用角性放大作用。

凸透镜对目标可以产生放大作用，放大程度取决于它的屈光度数。凸透镜用作放大镜时的角放大率M=25cm（明视距离）/透镜的焦距，或透镜的屈光度/4.00D（明视距离所需的调节力），即：

式中f为透镜的焦距，F为透镜的屈光度。

例如：

一个放大镜的焦距为10cm，其角放大率M=25/10=2.5倍，通常写作2.5x。

一个放大镜的屈光度为+12.00D，其角放大率M=+12.00/4.00=3倍，通常写作3x。

③透镜在光学助视器中的应用：助视器的放大作用是增大目标视角，即增大目标在视网膜上的成像，从而提高辨别能力。有四种方法可以增大目标视角，产生放大作用。

A.相对尺寸放大作用：是指目标的实际体积或面积增大了。当目标的实际体积或面积增大时，视网膜成像则随之增大，二者的关系是正比关系，即目标增大几倍，视网膜成像也增大几倍。如大字报、大字书等，或使用毡制粗笔尖代替一般圆珠笔写字，前者写出的字比后者粗大很多。但是将普通书本印成大字书等这类方法，会增加印刷品的重量和体积，价格也增加，因此不经济。但这类方法提供的放大作用对视障人士效果显著。视障人士在阅读大字书刊时，可不用光学助视器，而且阅读距离也比较接近正常。

B.相对距离放大作用：也叫移近放大作用，是把目标例如书本向眼前移近而产生放大作用。当目标向眼前移近时，视网膜成像则随之增大。如目标从原来位置向眼前移近1/2，则视网膜成像随之增大2倍。

这种放大作用并未使用任何光学设备或者助视器，属于经济实惠、有效的放大方法，而且对成像质量基本没有影响。

例如一般的眼镜助视器及其他类似的光学助视器，是由于相对距离放大作用或移近放大作用所致。因为镜片的焦点很近，需要把物体放在近处看清，也就是移近放大作用。

C.角放大作用：是指物体通过光学系统后在视网膜上的成像大小，和不通过光学系统视网膜上成像的大小之比。最常见的利用角放大作用的光学设备是望远镜。当远处的目标不能自行变大或者移近眼前时，就可利用望远镜的角放大作用。

D.投影放大作用：是将目标放大投影到屏幕上，例如电影、幻灯等，都可称为投影放大。实际上也是一种线性放大。投影放大作用=投影像大小/目标大小。

助视器可以利用上述4种放大作用中的一种或几种，例如将目标增大3倍（相对体积放大作用），然后目标从眼前25cm移近到12.5cm（相对距离放大作用），又放大2倍，总的放大作用为6倍。例如在25cm处看放大为4倍的闭路电视，如移近到12.5cm处时，则总的放大作用是8倍。

二、三棱镜

（一）三棱镜的结构

三棱镜是由三个互不平行的平滑表面围成的具有三个棱的均匀透明体，简称棱镜。眼用棱镜具有以下3个特点：第一，均为三棱镜；第二，在空气中使用，两侧折射率为1；第三，顶角较小，一般在15°以下，称为薄棱镜。眼科和视光学中棱镜的主要目的是使光线偏向，造成成像位置的改变，从而解决双眼视网膜像对应的问题。虽然棱镜不能完善成像，但由于棱镜很薄，且人眼瞳孔的限光作用，故不会造成视网膜像过大地弥散而引起视觉问题。透镜可以看作由不同大小棱镜按一定规则组合而成的（如图1-2-4），它也具有使光线偏向的棱镜效果，某些场合它可以替代棱镜。需要注意的是，若装配眼镜不当，或使用眼镜不当，也会造成双眼视觉问题。

1．眼用棱镜的专业术语 见图1-2-5。

屈光面：棱镜三个面均称为屈光面，屈光面可以是平面或曲面。

棱：两屈光面相交所形成的线。

顶：一般选两侧屈光面所形成的夹角最小的棱为顶。

顶角：也称为折射角，顶两面屈光面相交所形成的夹角。

底：正对顶的那个面成为底，用B表示。

底顶线：通过顶且垂直于底的直线称为底顶线。

主截面：垂直于三个棱的截面。

2．棱镜的光学特性

（1）当入射光线从棱镜的一个侧面射入，从另一个侧面射出，出射光线将向底面（第三个侧面）偏折（见图1-2-6），偏折角的大小与棱镜的折射率、顶角和入射角有关。

（2）棱镜所成的像是虚像，眼通过棱镜所看到的像比实际物体靠近棱镜顶部（见图1-2-7）。这是由于来自物体的光通过棱镜后向底部偏折，而人眼判断物体的位置是根据光的直线传播经验，所以看到的像位置在顶部一侧。

3．眼用棱镜的屈光力

眼用棱镜用屈光力定量棱镜的偏向作用。通过棱镜的光线所产生的偏向角称为棱镜的屈光力。此处偏向角取锐角，棱镜屈光力的单位有度（°）、弧度（rad）和棱镜度（△）。

棱镜度的定义：通过棱镜的折射作用，在距棱镜100个长度单位（如100cm）处，如果偏离入射光方向1个长度单位（1cm），则棱镜屈光力为1个棱镜度（1△）。

（二）眼用棱镜处方和应用

1．眼用棱镜的处方

（1）眼用棱镜处方的书写：书写顺序一般为眼别，棱镜屈光力数值、单位，底的表示符号（通常用B表示）和朝向。

例如：右眼5棱镜度底朝180°。

写作：右眼，5△B180。

（2）眼棱镜的底向标记法：对于双眼来说，鼻侧为内，颞侧为外。棱镜的四个主要底向有：底朝内（base in，BI）；底朝外（base out，BO）；底朝上（base up，BU）；底朝下（base down，BD）。与散光轴表示相似，即双眼都从左向右逆时针旋转360°表示底向。

例如：右眼，3△B0；左眼，4△B180。

需要注意的是右眼B0表示底朝内，左眼B180表示底朝内。

2．棱镜作用的实际应用 当一束平行于主光轴的光线通过棱镜时，光线会发生弯折，并偏向棱镜底，它弯折的大小由折射角和折射率共同决定。当光线通过镜片的非光学中心部分时也会发生偏折，这种现象被称为棱镜作用。

从物体发出的光线经镜片发生偏折之后到达人眼，从眼睛看来，似乎物体的位置并不在它原来的位置上，而是直接位于光线偏折的方向（图1-2-8）。

（1）棱镜镜片：棱镜可以与普通镜片合并作用，同时该镜片本身的屈光度也能产生棱镜作用。通常情况下，镜片的边缘呈现出底部厚，顶部薄。

棱镜与普通镜片的结合使用，可以满足同时有两种不同需求的患者。

（2）合成棱镜：合成棱镜拥有不同方向的底，它由两片棱镜组成，用向量图的方法可以得到合成的单一棱镜作用。同比例画出两个棱镜底顶方向的线条、并由此画出平行四边形，而其对角线的方向与长度则表示了总的棱镜作用的方向和大小（图1-2-9）。

（3）移心及棱镜作用：通过镜片的光线偏离光学中心，称为移心。移心量由光学中心至光线点的距离测出，单位是cm。通过该点的光线一定会产生棱镜作用。

棱镜作用的量为移心量与镜片屈光度的乘积，公式为：P=CF。其中P是移心棱镜度；C是移心量，单位是cm；F是镜片屈光度。假如为正值，则底与移心方向相同；假如为负值，则底与移心方向相反。对于球柱镜片的移心棱镜度的计算，则必须先分别算出两个主子午线的移心量和移心棱镜度，然后用矢量计算法求合成方向和大小。

三、眼的光学系统

（一）眼的光学系统

眼球呈椭圆形，眼球的前后径约24mm，水平径约23.5mm，垂直径约23mm。眼的屈光介质包括角膜、房水、晶状体和玻璃体。

（1）屈光系统：相当于一组复合透镜，外界光线经过屈光系统时将发生折射，在视网膜上形成倒立、缩小的实像，这种生理功能称为眼的屈光。眼的屈光状态与各屈光面（角膜、晶状体的前后面）的曲率半径、房水、晶状体和玻璃体的折射率，以及各屈光间质彼此间的距离有关。

（2）遮光系统：瞳孔、虹膜、睫状体、脉胳膜和巩膜。

（3）感光系统：视网膜和视神经。

三个系统在大脑中枢神经的指挥和相互密切配合下，完成整个眼球的视觉功能。

眼球的功能和照相机的功能几乎完全是相似，见图1-2-10：

眼睑→快门 脉络膜→暗箱

巩膜→相机壳 虹膜→光圈

角膜→物镜 视网膜→底片

晶状体→调焦镜组

（二）人眼的视觉过程

物体发出反射光线，经眼屈光系统在视网膜上形成清晰缩小的倒像，视网膜光刺激转变为电冲动，经视路神经的传导，到达大脑视觉中枢，经过生理性回转又成为正像，而形成视觉。

眼睛要能看清楚外界的物体必须具备下面三个基本条件：

（1）眼的屈光系统是完全透明的，光从外界进入眼内，从角膜到视网膜这个径路中没有任何障碍。

（2）外界物体所成的像恰好落在视网膜的黄斑中心凹，其成像应清晰且足够大。

（3）整个视路完整并具有正常功能。

（三）眼的调节与辐辏

为看清楚近距离目标，需增加晶状体的曲率，从而增强眼的屈光力，使近距离物体在视网膜上成像清晰，这种为看清近物而改变眼的屈光力的功能称为调节。调节主要通过睫状肌收缩，使睫状冠所形成的环缩小，晶状体悬韧带松弛，晶状体变凸，前面弯曲度增加，眼屈光力增强，看清近处目标。

当双眼注视一个由远移近的物体时，两眼视轴向鼻侧会聚的现象称为集合；当双眼注视的物体由近移远时，双眼视轴向颞侧发散的现象称为发散。两者统称为辐辏。

当两眼同时注视一个近处目标时，两眼同时产生瞳孔缩小，晶体变凸（调节）及两眼向内侧集合运动，这三种联合反射称为近反射。其目的是使外界物体成像清晰并投射在两眼的黄斑上。近反射的管辖为中枢性，主要由大脑皮质的协调作用来完成。婴儿无近反射现象。

（四）眼的屈光不正

1．正常屈光状态（正视）和调节 在调节松弛状态下，平行光线经眼的屈光系统屈折后形成的焦点在视网膜上称正视。目前认为-0.25 D～+0.50 D为人眼正视眼临床标准。

2．屈光不正的诊断及处理 在调节松弛状态下，平行光线经眼的屈光系统，不能成焦点于视网膜上，这就叫做非正视眼或屈光不正。正常情况下，婴幼儿出生不久大部分都处于远视状态，随着生长发育，逐渐趋于正视，至学龄前基本达到正视，该过程称为正视化。

（1）近视：在调节松弛状态下，平行光线经眼的屈光系统屈折后形成的焦点在视网膜之前。近视眼的眼轴过长或曲率过高。

①分度：

轻度近视：-3.00DS以内的近视。

中度近视：-3.00DS～-6.00DS之间的近视。

高度近视：-6.00DS以上的近视。

②症状与并发症：

主要症状：远视力减退，近视力清楚。近视度数较高者除远视力差外，常伴有夜间视力差、飞蚊症（眼前漂浮物感或闪光感）等，并可发生程度不同的眼底改变。

并发症：外隐斜、玻璃体液化、浑浊、黄斑部变性、视网膜脱离、后巩膜葡萄肿、眼底改变等。

③治疗：近视屈光矫正是应用合适的凹透镜使光线发散，使之进入眼屈光系统后聚集在视网膜上。

非手术治疗：框架眼镜、角膜接触镜、角膜塑形镜。

手术治疗：角膜屈光手术、眼内屈光手术。

（2）远视：在调节松弛状态下，平行光线经眼的屈光系统屈折后形成的焦点在视网膜之后。远视眼的眼轴较短或曲率过低。

①分度：

轻度远视：小于+3.00DS的远视。

中度远视：+3.00DS～+5.00DS的远视。

高度远视：大于+5.00DS的远视。

②远视眼的主要症状与年龄及阅读需求的关系密切。

小于6岁时，低、中度远视者可以无任何症状。这是因为幼儿的调节幅度很大，而且其近距阅读的需求也较少。高度远视者通常是在体检或伴有调节性内斜时被发现。远视的凸透镜矫正可以减少调节，从而减少调节性内斜视。

6～20岁时，近距阅读需求增大，特别在10岁左右时，阅读量增加，阅读字体变小，开始出现双眼视觉症状。

20～40岁时，近距阅读时出现眼酸、头痛等视疲劳症状，部分患者老视提前出现，这是因为随着年龄增长，调节幅度减少，隐性远视减少，显性远视增加。

40岁以上时，调节幅度进一步下降，隐性远视转为显性远视，这些人不仅需要近距阅读附加，而且还需要远距远视矫正。

远视的并发症：6岁前高度远视未适当矫正可能形成屈光性弱视，高度远视可伴有内斜、视疲劳。

③治疗：远视屈光矫正是应用合适的凸透镜使光线发散，使之进入眼屈光系统后聚集在视网膜上。

非手术治疗：框架眼镜、角膜接触镜。

手术治疗：角膜屈光手术、眼内屈光手术。

（3）散光：由于眼球屈光系统各径线的屈光率不同，平行光线进入眼内不能形成焦点的屈光状态称为散光。因角膜表面两个垂直轴向曲率的半径或屈光力不等而形成的散光，称为角膜散光；因晶体表面两个垂直轴向曲率的半径或屈光力不等而形成的，称为晶体散光。

①类型：

不规则散光：最大屈光力和最小屈光力主子午线不相互垂直，称为不规则散光。

规则散光：最大屈光力和最小屈光力主子午线相互垂直称为规则散光。又分为以下三种：

垂直方向（90°±30°）的屈光力较大的散光，称顺规散光。

水平方向（180°±30°）的屈光力较大的散光，称逆规散光。

斜向（30°～60°，120°～150°）的屈光力较大的散光，称斜轴散光。

②症状：主要症状视力下降，视疲劳，眯眼视物等。

③治疗：散光矫正的光学原理原则上与近视眼和远视眼相似，分别矫正两条主子午线的不同屈光度，可以使用柱镜或球柱镜来矫正。

非手术治疗：框架眼镜、角膜接触镜。

手术治疗：角膜屈光手术。

（4）屈光参差：两眼在一条或者两条主子午线上的屈光力存在差异，且差异≥1D时，称为屈光参差。当两眼屈光参差量超过2.5D时有可能因为融像困难出现症状。

①主要症状：双眼视觉不平衡、视疲劳、双眼单视困难、交替视力（一眼看远，一眼看近）、弱视、斜视等。

②治疗：

非手术治疗：框架眼镜、角膜接触镜。

手术治疗：角膜屈光手术。

其他：伴有斜弱视，应进行斜视治疗和弱视训练。

（五）老视

随着年龄增长，晶状体硬化，弹力下降，睫状肌收缩功能逐渐减退，视点后移，从而引起调节功能减弱称为老视。老视是正常的生理现象，不属于屈光不正，其发生和发展与年龄直接相关，大约在40～45岁开始。

1．症状

（1）视近物困难、不能持久：早期的表现常常是需要将阅读材料移远些；阅读小字时困难；如果是近视眼，需要摘下眼镜阅读。

（2）阅读需要更强的照明度：因为足够的光线既增加了书本与文字之间的对比度，又使患者瞳孔缩小，加大景深，提高视力。

（3）视物疲劳：由于为了看清近的目标需要增加调节，引起睫状肌过度收缩和相应的过度集合所致。

2．治疗 根据患者工作性质和习惯，选择合适的阅读距离进行老视验配，配戴双光眼镜或渐变多焦点镜片，可同时看近看远。