中学生物理小常识：眼睛的光学模型

人类的眼睛是一个相当复杂的天然光学仪器。我们之所以能看到五光十色瞬息万变的景象，是因为眼睛接收了物体反射或散射的光，据统计，人类感官收到的外部世界的总信息量百分之九十是通过眼睛得到的。所以眼睛对我们是非常重要的。

　　眼睛的构造和作用如图4-15所示。眼睛的最外层是一层白色坚韧的膜，叫巩膜，巩膜的正前方曲率较大的一部分叫角膜，巩膜和角膜围成球形穴，常称之为眼球。角膜是透明的，其折射率为1.367，它是光束进入眼睛的门户。角膜后面的空间称为前房，其中充满折射率与水相近的水状液。前房之后有一中心带圆孔的彩色膜，称为虹膜，眼睛的特征颜色(如蓝色、褐色等)是由虹膜显示出来的，虹膜的中心圆孔即为瞳孔。靠近虹膜的后面是晶状体，它的外形如双凸透镜，并附着在睫状肌上。睫状肌的伸缩能调节晶状体的曲率，以达到调节焦距的目的。晶状体后面的空间称为后房，充满一种胶性透明体，叫玻璃体，共折射率约为1.336，玻璃体的透明外膜与视网膜紧贴着，视网膜上分布着复杂的视神经。

　　从几何光学的角度来看，人眼是一个由多个界面组成的复杂的共轴光学系统，进入眼睛的光线要通过一系列的界面的折射和反射，最后成像于视网膜。

　　对眼睛的精确计算是困难的，因为眼睛是多个折射面的复杂光学系统，其间折射率又不相同。实际计算时常进行简化和近似处理，可得到几种眼睛的光学模型，其中有一种常用的眼睛光学模型为高尔斯特兰(A.Gullstrand)简化眼。简化眼把眼睛看成如图4-16所示的单球面折射系统，认为眼睛只由一种介质组成，其折射率为1.33，折射面的曲车半径r为5.7毫米，并可算出简化眼的前焦距f等于17.1毫米，后焦距f′等于22.8毫米，其光焦度φ为58.48屈光度。眼睛的前后焦距不等，是由于眼睛的物方、像方折射率不相等造成的。

　　眼睛是接收器，任何助视仪器(如显微镜、望远镜等)都要通过眼睛起作用。眼睛的光学模型在教学上，医学中及光学仪器设计中都有广泛的应用。