生理光學

生理光學（physiological optics）是生理學和光學之間的邊緣學科。研究眼睛的光學特性和視覺系統，涉及解剖學、生物化學、物理學和心理學。傳統的生理光學研究內容包括眼屈光系統的幾何光學、視覺系統的亮度感覺、空間和時間分辨特徵、色覺及立體視覺等方面。其研究成果廣泛用於醫學眼科臨床，光學工程技術等領域。

基本介紹

• 中文名：生理光學
• 外文名：physiological optics
• 學科性質：生理學和光學之間的邊緣學科
• 特徵：研究眼睛的光學特性和視覺系統

眼屈光系統

光線進入眼通過眼內媒質折射，在視網膜上成像，這個過程稱為眼屈光。對於眼屈光系統的幾何光學特性已經作了較充分的研究，相當精確地測定了角膜、房水、晶狀體、玻璃體等透明媒質的光學參量，基於這些參量設計出的各種模型眼或簡約眼，可以用來計算視網膜像的大小。眼睛的聚焦能力主要來自角膜，但為了對不同距離的物體聚焦，眼睛經常需要靠調節晶狀體的兩表面的曲率來改變屈光力。
眼的調節放鬆時，如果眼軸的長度和屈光系統的屈光力能使眼的後焦點落在視網膜上，此為正視眼。若以米作為焦距單位，焦距的倒數稱為屈光度，這是表示屈光力的單位。同樣眼調節放鬆時，如果屈光系統的後焦點落在視網膜之後的稱為遠視眼，落在視網膜之前的稱為近視眼。若包含視軸的各個切面的屈光狀態不同，則稱為散光。近視、遠視和散光統稱為屈光不正，一般可用配眼鏡的方法加以矯正。眼內的虹膜像照相機的光圈一樣，調節進入眼睛的光量。虹膜中央的小圓孔稱為瞳孔。除了光量引起瞳孔大小變化，眼的調焦過程也會影響瞳孔的大小，視距變近時瞳孔會稍微縮小。研究表明，對所見物的心理情緒反應，也能引起瞳孔的變化。由三組眼外肌支配的眼球運動，除了用以改變視線外，還對於正常的視知覺起著重要的作用。眼球運動可以分為三大類：①共軛運動，即雙眼同時以相同方式運動，其中又可分為掃視運動和平穩追隨運動，前者是從一個注視點移向另一個注視點時的雙眼共軛運動，後者則是當眼睛追蹤一個運動物體時所發生的運動；②分離運動，在交替注視較遠或較近的物體時，分離運動使得兩眼視軸的夾角發生相應的變化；③在穩態注視過程中的運動，包括震顫、微掃視及慢漂移。如果用某種特殊的光學系統使刺激像“穩定”在視網膜上完全不動時，則在幾秒鐘內刺激像的輪廓和顏色便會消褪，所以這些微小的眼運動對於視知覺是至關緊要的。

眼睛的聚焦能力主要來自角膜

亮度感覺

人眼的視網膜上有兩種光感受器：視桿細胞和視錐細胞。較暗環境亮度下主要是視桿細胞的活動，稱暗視覺；明亮環境中則主要是視錐細胞的活動，稱明視覺；中等亮度範圍兩種感光細胞均參與視覺，稱間視覺。這就是視覺的二元說。

視覺系統的亮度感覺

從亮處突然進入暗處時，視覺系統對光的敏感度是隨時間逐漸升高的，此過程稱為暗適應。與暗適應相反的過程稱為明適應。明適應的進程要快得多，通常在幾秒內敏感度就逐漸恆定。光感受器對光的敏感性還與光線的入射方向有關。正入射時敏感性最高，隨入射角增加迅速下降。這種方向敏感性叫斯泰耳斯－克勞福德效應。視覺細胞內部的折射率比其周圍稍高，因此它具有與光學纖維相似的光學性質，這種現象可用光波導理論加以解釋。

時—空分辨特性

視覺系統的空間分辨能力常用視敏度來表示，其定義為眼能夠分辨的最小細節所對應的視角（以分為單位）的倒數。正常人眼的視敏度約對應視角 1′—30″。從生理解剖角度，視敏度可以解釋為是由視錐細胞在視網膜上的鑲嵌排列的精細程度所決定；而從光學角度，則可以認為是受到眼光學系統的衍射極限的限制。研究結果表明兩者都與以上實際值相符。60年代以來，在空間分辨研究中套用了傅立葉光學的基本概念。視覺系統調製傳遞函式的測定是採用心理物理實驗方法確定光柵目標剛可辨認時的閾值對比度，以其倒數定義對比敏感度，它與空間頻率的函式關係，即作為視覺系統的調製傳遞函式。研究揭示，視覺系統中有若干空間頻率通道，即所謂的多通道模型，它們並行地向腦傳遞不同頻率區間的視覺信息，並對這些信息實行某種處理。人眼調製傳遞函式曲線只不過是這些通道的空間頻率特性的包絡線。對於人眼空間位相傳遞函式的研究，正方興未艾。這些研究大大加深了人們對於視覺系統信息處理過程的了解。視覺系統的時間分辨能力，常用臨界融合頻率來表示，即一個閃爍的光源當其閃爍頻率增至某一值時，會產生穩定的融合感覺，這一頻率值便為臨界融合頻率。如果相繼出現的光刺激交替地成像在視網膜的不同部位，而間隔的時間又是足夠地短暫（<120 ms），則觀察者所感知到的是刺雷射在這兩個不同部位之間的表觀運動，與對真實運動的感覺並無不同。這種表觀運動現象便是電影的基礎。臨界融合頻率也與作為光源目標的空間頻率有關，因此現在已將視覺系統的時間－空間特性作為統一問題加以研究。

色覺

物體的顏色取決於照明光的光譜組分和材料對光的反射、透射或吸收特性，但對於眼睛顏色則是一種感覺，即色覺。對於人眼主觀感覺到的顏色可用色調、飽和度和亮度三個基本屬性來描述。色調就是顏色的名稱，如紅、綠、藍、黃等。飽和度是指一種顏色的有色和無色組分的相對量，即通常所指的顏色的深淺。亮度是指顏色的無色組分在灰度等級（介於黑白之間）上的相對位置，用來表示顏色是明亮的還是陰暗的。色覺理論一直試圖闡明眼睛是怎樣利用光的能量來建立起一個彩色世界的。

楊-亥姆霍茲的三色理論

現代色覺理論主要有兩大類：一是T.楊和H.亥姆霍茲的三色學說；二是E.黑林的“對立”顏色學說。前者從顏色混合的物理規律出發，後者從視覺現象出發，兩者都能解釋大量現象，但各有欠缺。楊－亥姆霍茲的三色理論認為，視網膜中有三種光譜敏感峰分別在紅、綠、藍區域的感光細胞，這三種細胞發出信號經過神經系統的分析處理引起不同的顏色感覺。顏色的三變數性是這一理論的有力佐證，而對於脊椎動物（包括人）視網膜的單個視錐細胞的吸收特性的研究，表明在感受細胞中確實存在三種光敏色素，也為這個理論提供了一定的生理基礎。三色學說最大優越性是能充分說明各種顏色的混合現象，但最大困難是不能滿意地解釋色盲現象。黑林的拮抗色理論則認為顏色中有三對單一的感覺反應：紅－綠、黃－藍、黑－白，紅－綠或黃－藍對組合中，沒有一種顏色能與補色在同一感受器中同時活動，但是黑－白對能傳送組合信號，產生各種中間色調的灰色。這個理論與許多色覺經驗相符合，特別對於負後像的解釋簡單而令人信服。對立學說對於色盲現象能夠得到滿意的解釋，但最大困難是對三基色能產生所有顏色這一現象沒有充分的說明。以上兩種學說一直處於對立地位，現普遍認為，色覺過程至少是一個二級過程，在感受器的一級與楊－亥姆霍茲學說一致，而在視神經的一級又與黑林學說一致，從而使兩種學說統一了起來。在色覺的心理學方面，顏色恆常性是一個最值得注意的現象。顏色的恆常性是指不管照明光的光譜組分如何變化，人們通常能像在白光下一樣來分辨物體的顏色。對此目前還沒有完滿的解釋。

立體視覺

立體視覺就是視覺系統對三維空間的知覺，也就是辨別物體的距離、物體間的前後位置、方向等的能力。只有單眼信息的情況下，就視覺系統本身而言，造成立體視覺的線索主要是調節及單眼運動視差。調節是為了使觀視的物體在視網膜上清晰地成像，因此必然帶來關於物體距離的信息。單眼運動視差主要是觀察者移動身體以使空間物體的相對位置發生變化，從而產生對物體間前後位置的判斷。因為靠視網膜只能得到外部世界的二維圖像 ，雙眼視覺才是立體視覺的主要基礎。當用雙眼觀看物體時，有時並不感覺到雙像的存在，此時稱為單視或融合 。簡單的幾何作圖表明，通過雙眼的節點和注視點作圓，該圓上的任一點在兩眼視網膜上的像都落在對應點上，這個圓稱為單視圓或維特－繆勒圓。但進一步的解析幾何分析和實驗表明，雙眼融合而產生單視的區域是在單視圓前後的一定範圍之內，稱為帕努姆區。在單視情況下，靠雙眼視軸的輻輳提供物體視距的信息。帕努姆區外的物體在左右眼視網膜上所成的像略有差異，即視差。雙眼視差信息是深度知覺最重要的線索，在一定範圍內主觀的深度知覺隨視差量的增大而增強。由於幾何的原因，視差隨物體所處距離的增大而下降，對於遠距離物體不可能有精確的深度知覺。

雙眼視差信息是深度知覺最重要的線索

相關學科

幾何光學、光譜學、空間光學、生理學、解剖學、生物化學和心理學。