人眼参数概述

1.   引言

人眼只包含少量的光学元件，如图1所示。然而，在良好的照明条件下，当瞳孔很小(2到3毫米)时，它可以在近轴的地方达到近衍射极限。

人的眼睛也有一个非常宽的视野(在固定的正面注视方向上，上、下、鼻和颞部半子午线分别约65°、75°、60°和95°，确切的值取决于个人的面部几何形状)。在双目视野，即两个单眼视野重叠的地方，其横向范围约为120°。

光学图像质量虽然在外围视野有所下降，但一般也足以满足它所服务的神经网络的需要。因为神经视网膜的空间分辨率随着远离视轴(视轴连接注视点、节点和中央凹)迅速下降。视轴（thevisual axis）的方向通常与光轴（the opticalaxis）的方向相差几度，因此神经分辨率最优的中央凹通常会轻微偏离光轴与视网膜的交叉点，如图1所示。

人眼像差的控制是借助于非球面光学表面和梯度折射率的透镜，即透镜的折射率从透镜中心向其外层逐渐减小。

因为眼睛近似于一个同心系统，离轴像差进一步减少；在这个系统中，光学表面和探测器表面是同心的，在孔径光阑处有一个共同的曲率中心。

尽管像差水平增加，光学成像质量下降，随着瞳孔在较低水平下的扩张(达到最大直径约8毫米，对应的数值孔径约为0.25毫米)，此时神经性能也下降，光学和神经性能保持相当好的匹配。

当眼睛处于基本的“放松”状态时，它处于对远处物体的聚焦状态。对于50岁以下的人来说，通过调节晶状体的屈光度，可以使近距离物体能够清晰地聚焦。

图1：人眼的水平剖面图

2.   人眼参数

在生命的最初几年里，人眼会大幅地整体生长，眼轴长度从出生时的17毫米增加到3岁时的23毫米。虽然在成年期晶状体的大部分尺寸几乎保持稳定，但晶状体的厚度和体积会继续增加，但直径不会增加。从出生到70岁，晶状体的厚度以约0.5的斜率线性增长，其指数分布也有相应的变化。

尽管角膜、玻璃体和房水的屈光指数基本上是恒定的，但在相同年龄的个体之间，表面曲率、轴长等都表现出相当大的差异(～10%)。

图2显示了成人人眼的几个典型参数值的分布情况：大多数分布近似正态分布 (虚线)，但需要注意，它们的轴向长度不是一样的。

图2：成人人眼的几个典型参数值的分布情况

如前所述，人眼的光学表面可能是非球面的。前角膜的形态尤其重要，由于其前表面的折射率变化很大，它贡献了眼睛总屈光度的四分之三。它的面形也与隐形眼镜的设计和眼睛的单色像差有明显相关。它通常用圆锥曲线的形式来描述：

上式中，对称轴在z方向，r是垂直于对称轴的距离，R₀是曲面极点处的曲率半径。

图3：角膜非球面度参数p分布的直方图

当p=1时，对应一个球面；0 ~ 1.0之间的p值表示长（轴）椭球面（Prolate Ellipse）；p >1.0为扁椭球面（Oblate Ellipse）。

（需要说明的是，P和K都可以是圆锥常数，P=1+K=-e²，不同的书、软件或论文等中可能用的不同，要注意区分，比如ZEMAX中用的K标记圆锥常数。）

图3为参数p分布的实验测量值。其分布较宽，在+0.8左右达到峰值，对应一个长（轴）椭球，其曲率半径在角膜中心最小，向角膜边缘增大；角膜顶点的曲率半径约为7.8±0.25毫米。

人眼最不为人所知的光学特征是晶状体内的折射率分布。晶状体在整个生命过程中随着表层(皮层)材料的添加而不断生长。晶状体最老的部分是它的中心区域(核)。虽然人们普遍认为，在透镜中心的折射率最高，然后向其外层下降，但事实证明，晶状体的折射率梯度的确切形式很难测量。当眼睛适应近距离观察物体时，以及随着年龄的增长，晶状体的形状及其梯度会发生变化，这使得描述变得复杂起来。

为了说明随年龄变化的总趋势，图4显示了使用磁共振成像获得的离体晶状体iso指数轮廓；在离体测量时，晶状体呈现出完全调节的形态。可以看出，随着年龄的增长，晶状体中心指数相对恒定的区域体积增大，梯度几乎完全限于晶状体的表面层。中心指数保持在1.420±0.075，表面指数保持在1.371±0.004。

图4：不同年龄(7至82岁)晶状体的折射率梯度

除了这些普遍的变化之外，每只眼睛都可能有自己独特的特征，比如表面的微小倾斜或侧向位移，轴的旋转不对称，或者瞳孔形状或中心的不规则。这些影响屈光不正和高阶像差。