眼睛和视觉(卷名：物理学)
eye and vision
眼睛是一种特殊的感觉器官。来自外界物体的光线进入眼内，落在视网膜上，引起人对其形状、颜色、位置等的感觉叫做视觉。眼睛和照相机相似，由两大部分组成。一部分是光学成像系统，能保证在视网膜上形成外界物体清晰的像；另一部分是与照相底片相似的感光层，即视网膜上的感光细胞及其外段的光敏色素。不过，眼睛比照相机构要复杂得多，除了有一套自动调节控制机制外，还能把光携带的信息变成神经电信号，并经过初步加工处理，传到大脑。
屈光系统 眼睛的最前部是透明的角膜(图1)， 它像手表的表面玻璃一样嵌入白色的巩膜中。角膜在眼睛的屈光系统中屈光能力最大，把光折向中心。角膜后面的空间叫前房，内部充满透明的水状液。在正常情况下水状液的生成量和流出量相等，使眼内压保持25毫米汞柱。水状液含营养物质，与供给有关。晶状体由大约2200片透明纤维薄层构成，外包一层透明而有弹性的囊。折射率由边缘的1.386到中心的1.406逐渐变化。光线通过时发生一次次轻微的折射，但光线的弯曲仍是平滑的。晶状体具有能将不同远近的物体成像于视网膜上的调节能力。有一些细丝将它和由纵行平滑肌构成的环形睫状肌连接。当睫状肌收缩时，晶状体受到的拉力减小，并靠自身的弹力变得圆凸，增加了对光的折射，使眼睛能看清近物。（见彩图）。正常眼远看时，睫状肌放松，晶状体受到的拉力增加而变得扁平，屈光能力变小。晶状体不断生成新的纤维层，逐渐把老的挤向中心，结果使总体积增加（80岁时比20岁时大50％），弹性变小，调节能力减退。14岁少年的眼睛能达1000度的调节能力，到45岁时，仅有300度，而到55岁时，调节能力几乎为零。晶状体之后是玻璃体，它是透明的胶状物，占眼球容积的4/5。
在眼科学的实践中为了计算和测定屈光系统的成像过程，常采用简约眼，即在测量分析正常眼的基础上作出的简化的眼模式图。已提出了各种简约眼模型，其中最通用的是古尔斯特兰 (Gullstrand)简约眼（图2），它给出了主平面(p，p′)，节点(N，N′)，焦点(F，F′)位置等主要参量。
眼光学系统最常见的缺陷是散光、近视和远视。角膜的缺陷可能造成它在一个平面内（例如垂直平面）对光的折射比在另一个平面（例如水平平面）内大，导致眼睛所看到的物像失真，这叫散光（见彩图）。这种缺陷可用柱面透镜矫正。如果角膜－晶状体形成的远方物体的像落在视网膜的前方，只有近处物体的像才能落在视网膜上，此为近视，可用凹透镜矫正。反之，如果远物被角膜和晶状体所成的像位于视网膜之后，则为远视，需以凸透镜来矫正（见彩图）有些人的眼睛经过矫正之后，视力仍然很差，或一只眼的视力较另一只眼差。临床上将这种情况称为弱视。这类患者的眼底无病变，据信它是由神经中枢原因引起的。
眼睛和照相机一样，晶状体前面瞳孔及有关的神经回路是对入射光加以控制的机构。在明亮条件下，虹膜形成的瞳孔自行缩小，直径仅约2毫米；在微光下它自动开大，直径可达8毫米。瞳孔对进入眼内的光量可作102的调节。
视网膜 视网膜是眼睛的感光部分。感光物质位于感光细胞内。感光细胞有两种类型，分别叫做视杆细胞和视锥细胞。它们的外段含有大量光敏色素，叫视觉色素。以视杆为例，视觉色素（视紫红质）位于一系列膜盘之上。大量膜盘叠在一起构成感光细胞的外段(图3)。视紫红质系由视蛋白和称为视黄醛的生色团组成。视蛋白只是作为基质存在，视黄醛紧贴在它的上面。光落在视紫红质上时，被视黄醛吸收，使其原子基团发生重排，由11-顺-视黄醛变为全反视黄醛，原来卷曲形结构伸直（图4）。此后，物体的信息就不以光的形式存在了。视黄醛的空间异构化过程引起一系列化学反应，导致感光细胞膜电位变化，并将此电信号传到下一级神经细胞。
有三种色素分别存在于不同的视锥细胞中，它们分别吸收光谱的不同部分，这是色觉的基础。如果眼睛缺少某种色素或某种色素异常，就会造成各种色觉缺陷，统称色盲。
在眼球后极视轴（注视点与节点的连线）上的黄斑区，视锥细胞紧密排列。在中央凹的黄斑中心，只有视锥细胞。因视锥细胞的兴奋阈值较高，且每个视锥细胞与中间细胞通过中间细胞与神经节细胞形成一对一的联系，所以眼睛的这部分视网膜分辨率最高，适于白昼视觉。视网膜的其他部分既有视杆细胞也有视锥细胞，它们与中间细胞不是一对一地联系。在视网膜的边缘，绝大多数感光细胞是视杆细胞，很多视杆细胞会聚到一个中间细胞上。这个特点，加上有极其灵敏的视觉色素，使视杆细胞具有低亮度检测性能。
视网膜的感光细胞、中间细胞及神经节细胞共同构成一个极其复杂的神经网络──数据采集系统。其输出纤维就是神经节细胞的轴突，它们在一点集中起来，形成视神经，像电缆一样通到脑。视神经穿出眼球处的视网膜无感光细胞，为盲点。
适应 眼睛有根据环境照明变化而调节自己的敏感性的能力，称为适应。从亮处进入暗处，人眼需约45分钟才能达到最敏感状态，这个过程叫做暗适应，包括主要涉及明视机能与暗视机能的两个适应过程。由暗到亮的适应过程则非常迅速。视锥细胞与视杆细胞的共同作用可使眼睛适应于外界有1010的光强变化。
在明视时人眼对黄绿光最为敏感，对同样强度的蓝光与红光主观感觉亮度相同。但在低照明条件下，人眼对蓝光的感觉比同样强度的红光明亮。也就是说人眼由亮适应向暗适应过渡时，它的相对光谱灵敏度曲线向短波方向移动。这移动称为浦尔金耶(Purkinje)位移，是由于视杆细胞与视锥细胞的光谱敏感性不同所致。
视敏度 视觉器官辨别形象细节的能力称为视敏度。通常以最近可分辨的两点对节点的张角表示。视敏度不仅与眼睛屈光系统的分辨率及视网膜的结构有关，它也涉及到脑的高级功能。受刺激的视网膜区域大小、眼睛的适应状态、照明状况、像与背景的对比度、物体的颜色及视网膜像的特征等都对测量视敏度有影响。临床上把正常眼睛视敏度（称视力）定为一分。
双眼视觉 由于两眼在水平方向上是分开的，前方一个点光源在两个视网膜上所成的像在位置上有所不同，这就造成双眼视差。脑对双眼视差的综合就产生立体视觉。为了有双眼视觉，两眼必须交换部分信息，从两个眼睛出发的视神经经视过交叉后，各有约一半纤维交叉到对侧脑去。
交叉的与不交叉的视神经纤维一起到外侧膝状体神经核。视觉信号在此换神经元后被送到大脑皮层17区，经过分类与分析，继续被送到更高级的皮层区作进一步分析，最后综合成“神经像”。
眼的运动 眼的视觉功能与眼球的运动是分不开的。晶状体调节及眼注视运动目标时都伴随两眼的协调运动。即使注视静止目标，眼的非随意运动也是维持清晰的视觉所不可缺少的。
借助于现代生物医学技术，人们在视觉的神经机制方面已经积累了丰富的资料，但是距离了解视知觉的形成过程还有很长的路程（见生理光学）。
参考书目
H. Davson，ed.，The Eye，Vol.2B，2nd ed.， Academic Press，New York， London，1977.
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