眼睛是定焦头还是变焦头

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  某日,编辑部众人开完会后,路过重庆美女出没几率最高的地点——解放碑广场,开始了“打望”行动。遗憾的是,编辑部除了两个美编不用带眼镜外,其他人的视力可都不怎么样,大都需要眼镜来帮忙。不过,地主比较特别,尽管也是近视眼,但是从来不带眼镜,而喜欢用长焦镜头配上单反相机来“打望”,时常说自己的眼睛可以变焦。不过,编辑部里面立马有人提出了反对意意——人眼可是定焦的。于是,编辑部内部一场激烈的论战又开始了。
  
  什么是焦点、焦距以及变焦、定焦
  
  要搞清楚这个问题,我们首先要明白变焦和定焦的定义。现在我们开始复习。在中学的物理课上,大家应该学习过光学的基础知识。焦点,在物理学上指平行光线经凹面镜反射(或凸透镜折射)后,反射(或折射)光线的相交点叫焦点(F)。根据透镜种类、入射光方向和发散程度,焦点可分成实焦点、虚焦点、主焦点、副焦点等。
  所谓焦距(f),指从透镜中心(O)到光聚集之焦点的距离。对于相机来说,焦距就是从镜片中心到底片或CCD这样的成像平面的距离。
  对于单反相机的镜头来说,分为可以改变焦距的变焦镜头(可以将很远的物体拉近)和不能改变焦距的定焦镜头。当然,单反相机的镜头其实是由多个透镜组合而成的。在变焦镜头中,不同的镜头元件可以前后移动,通过改变特定透镜之间的距离,就能在较大的范围内调节整个镜头的放大率——焦距。而定焦镜头只有一个固定的焦距,因此它能采用更少的镜片组以及更简单的结构设计。
  弄明白了变焦和定焦的区别,现在新的问题来了:人的眼球到底类似上述哪一种结构呢?它能像单反上的变焦镜头一样调整自己的焦距吗?
  
  眼睛的结构
  
  要想解决问题,当然得从最基础的知识说起。首当其冲的,我们应先了解下自己眼球的结构。其实,我们的眼睛真的很像一部照相机,具备相机的很多特征,比如说:一个类似于相机的光圈的可调开孔,称为瞳孔;一套相当于相机镜头的晶状体系统,包括一层透明的覆盖物(即角膜)以及一个球形晶状体;一张可重复使用的“CCD”,即视网膜;跟相机的控制电机作用相同的肌肉组,用来控制控制开孔的大小、晶状体系统的形状和眼睛的转动。
  对于人眼来说,它的焦距就是角膜和晶状体中心到视网膜的成像距离。因此,人眼到底能不能变焦,就取决于角膜和晶状体的屈光能力(屈光能力的大小由屈光度衡量,屈光度与焦距成反比)能不能在一定幅度内进行变化。
  
  人是怎样看见东西的
  
  即使大家知道了眼球各个部位的名字,但对于眼球这种复杂的光电系统,大家知道人是怎么利用眼球看见东西的么?
  眼睛跟现在的数码相机一样,是一个复杂的光电系统,相机最重要的部件是CCD,而人眼最重要的部件则是视网膜。视网膜表面是弯曲的,有视杆感觉细胞和视锥感觉细胞,它们能将光子转换成电信号,然后传给大脑,并由大脑解读。
  因此,人的眼睛能看到东西,必须符合3个要求:图像必须缩小,才能恰好落在视网膜上;散射光必须汇聚,即对焦在视网膜表面;图像必须弯曲,以配合视网膜的曲面。
  而光线能否对焦在视网膜上取决于角膜和晶状体的形状。而角膜和晶状体的形状又受其固有形状、伸展性或弹性、眼球的形状和附着的肌肉控制。因此,人在看东西时,附着在晶状体上的肌肉(睫状肌,位于脉络膜的前部)必须拉紧或者放松来调节晶状体系统的形状,以使物体对焦在视网膜上,即使在眼睛转动之时也如此。这是一个复杂的肌肉运动过程,由神经系统自动控制。
  因此,人眼如果要变焦,只能依靠眼球中的角膜和晶状体发生形变。但人眼不能像镜头做得那么大,而且在正常情况下,睫状肌无法大幅度地改变晶状体系统的形状(眼球的前后径一般是固定的,即使焦距变了也未必能正常对焦)来实现大幅度变焦的功能。当然,凡事总有例外,当晶状体系统发生病变时,它的形状会发生较大的改变,屈光能力也会随之增强或减弱(焦距缩短或增加),这就相当于“变焦”了——对,这就是得了近视或远视的时候。不过,罗马不是一天建成的,近视也不是一天就能患上的,人眼在极短时间内无法像相机镜头一样自由伸缩变焦,得了近视或远视之后也没法简单地变回去,所以结论应该是这样:从你早上起来睁开眼睛到晚上回家,这段时间你的眼睛应该算是不具备放大功能的“定焦头”。可要是你大学四年老是在床上躺着看书把眼睛从200度看到了500度,那么恭喜你,你有了一对变焦镜头。
  
  人眼“变焦”之谜
  
  近视
  远处来的平行光线经过角膜及晶状体折射对焦于视网膜之前,造成看远处不清,看近物清楚,这种情况就被称为“近视”。近视了,就得戴眼镜,不要说你不知道近视眼镜是凹透镜吧?
  就成因而言,近视又可分成三种。第一种是假性近视,是长时间看近距离的物体(比如对着电脑显示器一连打了72小时的WOW),睫状肌过度收缩而引起晶状体变厚,屈光能力随之增强所造成的短暂性近视。如果你突然哪天发现自己“不能视物”了,恭喜你,说明你得了假性近视并且还有救,这种症状可用睫状肌松弛剂来治疗。第二种是屈折性近视,它的直接成因是角膜(如因角膜病变使角膜弧度变大)或晶状体(如有白内障)的屈光能力变大,使光线对焦点落于视网膜之前。屈折性近视属于真性近视,这种情况下要想恢复视力就得靠戴眼镜或动手术了。第三种是轴性近视,这就是一般常见的近视,同样是真性近视,直接的成因是眼球前后径变长,光线对焦干视网膜之前。轴性近视的产生与遗传及环境因素都有关,而长期的近距离工作(比如编辑)是最为重要的因素。
  
  远视
  至于“远视”的成因,简单来说就是由于眼球过短,或因眼角膜、晶状体的屈光能力较小,当远处来的平行光线经角膜及晶状体折射后,对焦在视网膜的后面造成看远处不清,看近物更不清,这种症状就叫做“远视”。“远视眼”戴的眼镜是凸透镜,这也是常识了。
  
  人眼是怎样对焦的?
  
  不管是晶状体系统病变还是眼轴长度变化,归根到底,“人眼昏花”的原因还是由光线无法在视网膜上正确对焦所致。所谓的对焦(focus),也就是使所有的光线都集中于一点,例如凸透镜能使平行光线对焦于透镜的焦点。对焦是成像的必要条件,对焦性能的好坏直接影响像的清晰度。就作用而言,变焦(zoom)是为了改变成像的视角,也就是拉近拉远,而对焦是为了使远近不同的物体都能清晰地成像。虽然《Geek》之前已经认定人眼是“定焦头”,那么人眼在日常生活中进行对焦时会不会改变焦距呢?首先我们来复习一下透镜成像公式:
  1/焦距=1/像距+1/物距
  在物距不同的情况下,有两种方法可以使该等式成立。一是改变像距,单反相机的定焦镜头和部分手动变焦镜头就是通过移动镜头来改变像距、实现对焦的。拍远处的物体就缩小像距,拍近处的物体就增大像距,这种情况下镜头的焦距完全不需要改变。第二种方法就是改变焦距,这是具备自动对焦功能的变焦镜头常常采用的方法(也就是所谓的内对焦镜头)。显而易见,人眼具备自动对焦功能,而且对焦速度比单反相机快得多。此外,前面也说过,光线能否对焦在视网膜上取决于角膜和晶状体的形状(曲率)。具体就是当睫状肌收缩时,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;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。那么,结论就是:人眼是通过改变焦距来实现对焦的!不过,人眼的焦距变化范围十分有限,正常人的像方焦距为23mm,正好可以将无穷远处的物体对焦:当对焦到250mm的明视距离时,像方焦距变为21mm。折算下来,相当于具有1 19倍的光学变焦。罢了罢了,还是把你这对“狗眼”当作定焦头用吧。
  
  Tips:如何检查视力?
  目前,医院普遍应用的远视力表为E形字符的国际标准视力表,也有采用对数视力表。视力表由荧光灯灯箱或充足的自然光照明,光照度需200~500勒(克斯)。病人到视力表的距离为5米,为节约场地和检查的方便,可在2.5米处置一平面反光镜反射视力表,这样,病人距平面镜仅2.5米,即可获得5米检查距离的效果。检查时,双眼须分别单独进行,先右后左是眼科检查的常规。检查右眼时,切实遮盖左眼,自最上面的第一个大视标开始,向下依次进行,如能够辨认出第一个大的字符的开口方向,为0.1,然后逐行向下辨认,若至第七行时不能辨出开口方向,则视力为0.6,若第七行只能辨认出其中的两个,记为0.7+2,正常视力为1.0或以上,这已为人所共知。此外,戴镜者除了上述的不戴镜时所查的裸眼视力外,还应戴上眼镜进行检查,此为戴镜眼力,亦称矫正视力。裸眼及戴镜视力要分别予以记录。
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