第一章 眼科相關基礎知識 / 第三節 眼屈光學基礎知識（陸文秀） 一、物理光學
第三節 眼屈光學基礎知識
眼睛是人體的視覺器官，通過眼睛可以看到五彩繽紛的世界。那麽，眼睛是怎樣工作的呢？簡要地說，人眼的視覺過程為：由物體發出或由物體反射出來的光線，經過眼的屈光系統產生折射作用，先在視網膜上形成清晰縮小的倒像，這一過程稱為眼的屈光作用，然後，視網膜上所形成像的光刺激隨即轉變為電沖動，經視路神經的傳導，最後到達大腦的視中樞，經過生理性回轉，使我們在主覺上又成為正像，而形成視覺。因此，可以看出，在整個視覺過程中，眼屈光是視覺的開始，是眼睛看清物體的第一個程序。
研究人眼的屈光作用、屈光缺陷及其矯正方法的學科稱之為眼屈光學。為了更好地研究眼屈光學，應先瞭解一下相關的基礎知識。
無論是學習眼屈光學、研究眼屈光理淪、還是屈光手術設計，均需瞭解有關物理光學、幾何光學及部分材料力學等方面的基本理論、思維方法、相關計算等基本知識與概念，以便能對所涉及的眼屈光臨床現象加以解釋、計算及說明。為較深入的瞭解眼屈光學建立一定的基礎。
一、 物理光學
(一) 光的本質
人們對光本質(nature of light)的認識經歷了漫長的歷史階段。早在十七、八世紀，曾有兩種主要看法：一種是英國人Isaac Newton所提出的微粒學說：認為光是由光源發射出極輕的物質微粒。這一學說能夠解釋光的直線傳播及光的反射等現象；另一種為荷蘭人Christian/Huygens所提出的波動學說：認為光的能量依波動的方式由光源向四周傳播。用這一理論可解釋光的反射、折射以及光的干涉、衍射等現象。到了19世紀，英國物理學家Maxwell提出了光的電磁波理論：認為光是一種波長很短的電磁波。20世紀初，Einstein又提出了光的量子學說：認為光不是波而是粒子流，井將這些微粒稱為光子或光量子(quantum of light)，是光的最小且不可分割的單位，每個光子具有一定的能量。光的量子說雖然可以解釋某些光的現象，但卻不能解釋光的干涉及衍射等現象。直至1924年，Broglie首先提出了光的波動與粒子的二象性，認為光同時具有波動與粒子的特性，即波動學說和量子學說均各反映了光現象的一面。因此，目前認為：光是一種具有電磁波本質的特殊物質，同時具有波、粒二象性。這一結論可以解釋眼科屈光原理及眼科領域內的一切屈光現象。
人眼所能看到的電磁輻射範圍僅是電磁波譜中的一小部分，其波長範圍在400∼770nm，稱之為可見光。波長為770∼1000nm的電磁波稱為紅外線光；在390nm以下至40nm的電磁波稱為紫外線光。目前用於行角膜屈光手術的雷射工作介質為氟化氬(ArF) 準分子雷射，其波長為193nm，屬遠紫外線光。
在可見光中，因波長不同，人們會感覺到不同顏色的光。如：波長在647∼723nm的為紅色光，492∼575nm的為綠色光，455∼492nm的光為藍色光。
(二) 光的傳播
1. 光源(1ight source) 在自然界中，有些物體能自行發光，而將這些物體稱之為光源(或發光體)。如：太陽、燭光等，也稱之為原光源。每個小的發光體又包括許多發射體，能同時獨立發光。還有一些物體其本身是不發光的，但能將原光源照射來的光向各方向反射出去而成為次光源，但這些物質的本質是不發光的，因而稱為不發光體或黑體。當光源之大小可以忽略其徑線時就可以認為是一個點光源。
2. 光的傳播(transmission of light) 由光源所發出的光是向各方向發射的，呈波浪式前進，所以稱之為光波(light wave)。將其中某一方向的部分光稱之為光束或光筆(1ight pencil)，而光束又是由無數的光線所組成的，光線是光能流動的方向，是假想的幾何線，其傳播方向在各向同性的媒質(均勻介質)中，與光波的波陣面或波前(wavefront)相垂直。即光線在均勻介質中是以直線傳播的。
光束(1ight beam)是由無數光線集合而成，分為以下三種：
(1) 平行光束(parallel light) 光束內的光線彼此相平行，它是由來自無限遠的光源所形成的。在眼科臨床上，將5m以外光源所發出的光線即稱為平行光。實際上，它是具有0.2D散開力量的散開光。所以，正視眼看5m處的遠視力表要用0.2D的調節。
(2) 發散光束(divergent light) 在光束傳播過程中，光線間彼此逐漸散開。嚴格地說，一切發光體發出的光均為發散光束。眼科學上，將5m以內的一點所發之光稱為散開光。
(3)集合光束(convergent light) 光束在傳播過程中，光線間彼此逐漸會聚，最後在某一點上彼此相交。此種光束多為人工造成的，如：光經過凹面鏡的反射或經凸透鏡的折射而聚光，均可產生集合光束。
3. 光速(velocity of light) 光在真空中的傳播速度是以每秒鐘3.0 x 1010cm的速度進行，通常以300,000km�s表示。光的波動性決定著光是按周期性波動的，它具有一定的波長(Wavelength)與一定的頻率(Frequency)，如用V表示光的傳播速度(Velocity)，λ代表波長，F代表頻率，這三者有以下關係：
V = F •λ
上式中速度V的單位元是以每秒所行進的釐米數表示的；頻率F的單位是以每秒鐘光波的振動次數；波長λ的單位是釐米(有時用更小的單位：毫微米或納米 nanometer，簡寫為nm)。1μm(微米)= 10-6m , 1nm= 10-9m
光在不同媒質中(光傳播時所處的介質)，因介質的材料性質不同，其光速是不同的。如在水中的光速為22.5萬km�s，在玻璃中約為20萬km�s。因此將在真空中運行的光速稱為“絕對光速”，而將在不同介質中運行的光速稱為“相對光速”。可以看出，在光密媒質中光的傳播速度慢，而在光疏媒質中光的傳播速度快，也就是說，光線穿過不同密度的媒質時，所受到的阻力是不同的。如空氣光學密度為1，水為1.33，玻璃為1.53。所以，光的傳播速度與其所在媒質的折射率(光密度)成反比。如光在兩種不同的均勻介質中傳播，則
Vl/V2=n2/n1，(其中，V為速度，n為折射率。)
(三) 光的度量單位
1. 光通量(luminous flux) 由光源發出的光能，不斷地向四周空間輻射出去，在單位時間內通過單位面積的光量稱為光通量。單位為流明(1umen, lm)。
2. 光源強度(luminous intensity) 為該光源在單位立體角中所發出的光流量。單位可用標準燭光表示。由鯨蠟所做的蠟燭，以每小時燃燒120格令(grain；l grain=0.0648g)鯨蠟的速度進行燃燒，此鯨燭稱為標準燭，其向水平方向發的光稱為一個標準燭光(international standard candle)。如光源為一個標準燭光，則每一單位立體角內所發出的光流量稱為l lm。即1lm等於在立體角角頂上的1個標準燭光的點光源在單位立體角內所發出的光通量。如以一個標準燭光的點光源為中心，作半徑為l m的一個圓球面時，則通過球面上每平方米面積的光通量則為l０lm。而一個燭光點光源共發出的光通量為：4πγ2=4 x 3.14 x 12=12.56(lm)。
3. 照度(intensity of illumination) 為物體表面被照明的程度。表示物體在單位元面積上所得到的光通量的流明值。單位為勒克斯(lux，lx)即lm�m2。與物體距光源的距離有關。1勒克斯表示1流明的光通量均勻分佈於l平方米面積上。
視力表的照度應在300∼500 1x。
在工作面上的照度情況，直接影響著用眼的疲勞程度，光過強或太弱都可使眼睛感到疲勞，同時其均勻性及平穩性也是影響眼疲勞的極其重要的因素。
4. 亮度(luminance) 眼睛之所以能看見物體，是由於它發出或反射出的光有足夠的亮度，亮度與照度及物體對光的反射率成正比。亮度實際上是指眼睛對物體表面反射光強弱的感覺，即單位面積上反射出來的光流量值。亮度的單位可為朗伯(lambert)，即1 lm�cm2，或每平方米燭光(cd�m2)。
適宜的閱讀亮度為10∼100mlm�cm2。
在視野中某一局部，不適當地出現過高的亮度或先、後出現變化過大的亮度，引起視覺不適或降低觀察物體的能力，此種照明狀態稱為眩光。
5. 物體亮度對比度 是物體能見度的另一必要條件，對比度是指物體亮度與其相鄰背景亮度的差異程度。差異越大，眼睛越易分辨。如視力表的設計。因此，在一定範圍內，提高被視物照度，有利於提高能見度；但照度過高，反而引起眩光。對比視敏度是評價眼分辨對比度的能力。