人眼与星空

夜空中最亮的星星，用肉眼看上去真的像一颗小小的光点吗？如果你回答“是”，那么恭喜你，你可能是眼睛光学结构接近完美的极少数人之一。但是，仔细看时，大多数人看到的应该是“毛茸茸”的星星。这并不奇怪，这正是人眼的像差的最显著的效应。

在光学仪器制造者看来，眼睛的光学结构实际上远非完美。著名的德国解剖学家、物理学家亥姆霍兹（1821年～1894年）曾这样写道：

要是一位眼镜商想卖给我一台具有所有这些缺陷的仪器，那么我认为完全有理由用最强烈的言辞责备他的粗心，并把仪器退还给他。这么说毫不过分。

在一只光学结构完美的眼睛里，来自一个远处点光源的所有光线应当会聚在视网膜的同一个点。但是，人类的眼睛具有高度复杂的生物结构，它由几个屈光面（折射面）和一个孔径光阑所构成，眼组织的稳定性、肌肉的拉力和眼内压将这些组织固定在合适的位置上。眼睛还受到各种生理过程的持续影响，其中包括瞳孔大小变化等短期过程，以及长期的生长过程，如眼睛晶体的大小、形状及内部结构的变化，这就使我们的视力随年龄的增长而变化。眼睛的各个组织或多或少都会有偏心现象和相互间的偏离，它们的表面形状也有各种变化。如果这样复杂的生物结构组合成了一个绝对稳定而完美的光学系统，反倒令人惊讶不已。

对于大多数健康的眼睛，从晶体背面出射的光都并不绝对符合理想的波阵面，理想波阵面应呈完美球面并聚焦在视网膜上。这种偏离被称为眼睛的波像差。近视、远视和散光就是最简单的眼睛像差。这些像差是理想波阵面的最平滑的变形，它们可以改变眼睛中光线聚焦的位置：焦点移到视网膜前面（近视）或后面（远视），或入射光向不同方向屈折，屈折的方向随光通过眼睛时的方向而改变（散光）。由于这些变形都可以用数学上的二次多项式描述，所以术语称为二阶像差。

正常的眼睛还表现出更复杂的波阵面畸变，统称为高阶像差。人们早就知道这种高阶的屈光缺陷，但直到最近才研制出测量它们的实用仪器，在某些情况下还可矫正这些屈光缺陷。它的发展历程还是个紧密关系到先进天文仪器研发的故事。眼睛像差现在可以在实验室里测量甚至补偿，所使用的波阵面传感器、可变形的反射镜和激光导星，与今天的高分辨自适应光学系统中所用的基本相同。

难道我们与自己眼睛缺陷的斗争就毫无胜算吗？完全不是。更深入地了解自己眼睛的优缺点，就能有效地改善你的观测。

利用瞳孔大小

每只眼睛都有独特的像差图样。这种图样在视网膜上产生独特的“星像”。在通常的夜间观测条件以及瞳孔完全张大的情况下，一个亮点源在视网膜上的像可能有几十角分，甚至比满月的角直径更大。这种不规则形状的光强度分布通常被称为眼睛的点扩散函数。一个人左右眼的像差可能相似，但人与人之间的像差图样则会有很大的不同。在某种意义上，像差就是眼睛的指纹。

像差的大小随瞳孔直径变大和年龄增长而增加。眼镜或其它器件可以矫正近视等典型的眼睛像差，但是对30多岁人的健康眼睛而言，典型的高阶像差也远比望远镜光学系统中的像差更严重。

当观测月球或行星状星云等扩展源时，眼睛的像差会使目标上的小尺度结构变模糊。模糊的程度在人与人之间变化很大，但平均约符合近视验光单的最小增量0.25屈光度所导致的模糊。这对日常生活影响不大，但是对每个认真的天文观测者都显得格外严重。

初看起来，可通过减小瞳孔直径来提高眼睛的分辨率，因为缩小瞳孔也就缩小了眼睛像差在点源周围产生的光晕。但是，对约1毫米以下的微小瞳孔直径，分辨率会受到衍射的限制。（例如，1毫米孔径的极限分辨率约为2角分）。因此，眼睛在瞳孔直径为2毫米～3毫米（这是瞳孔在白天的典型大小）的范围内功能最佳。

用望远镜进行目视观测时，有效的瞳孔直径取决于望远镜的“出射光瞳”和眼睛的“入射光瞳”中的较小者。用小出瞳目镜是降低有效瞳径并抵消眼睛像差影响的好办法。对于眼睛中度甚至高度散光而且观测时不喜欢戴眼镜的人，小出瞳也可能有所帮助，因为散光（或高阶像差）不同于近视和远视，不能简单地通过调整望远镜焦距就完全弥补。

望远镜的出射光瞳大小可用望远镜物镜的直径除以放大倍率得出。你可能会发现，对你的望远镜（和眼睛）而言，某种放大倍率能使你得到最清晰的图像。例如，你的最佳瞳孔直径约为2毫米，望远镜的口径为200毫米，那么接近100倍的放大倍数可能效果最好。用更低的放大倍率（也就是使用更大出瞳的目镜）进行观测时，你可能需要缩小出瞳——在备用目镜盖上开一个大小适当的孔，然后盖在目镜上。孔径光阑最好放在出瞳平面上，其精确位置取决于目镜与眼睛之间的间距。你也可以用孔罩缩小望远镜物镜本身的直径，这就需要制作一套与最常用的放大倍率相适应的不同直径的孔罩。

当然，视网膜的图像分辨率不是选择目镜时的唯一考虑要素。在观测一个暗弱扩展源的精细结构时，观测目标的平均亮度和大小也开始起作用。对于较大较亮的像，小反差结构也较容易发现，但明亮的像要求低放大倍率，而放大的像则要求高放大倍率。你若想在不使像差模糊恶化同时，能够持续获得足够的亮度和放大倍率，那就必须折衷考虑。对于这些情况，最佳瞳径大小与只考虑眼睛像差时的瞳径大小可能稍有不同。

眼睛像差的自我补偿

我们的视觉系统有自我补偿其局限性的方式。有一种现象被称为Stiles-Crawford效应，即相对于入射到瞳孔中心的光线而言，对于入射到瞳孔边缘的光线，眼睛感受到的亮度会降低。一般边缘光线受像差影响最大，但大多数感光细胞都对准瞳孔中心，从而降低了这种影响。此外，Pablo Artal（西班牙穆尔西亚大学）和David Williams（美国罗切斯特大学眼科中心）的研究团队最近进行了一项实验，结果发现还有另一种像差修正：当大脑简单地适应了特定的眼睛像差图样后，能部分消除像差引起的模糊。

光学上有几种技术可以补偿眼睛像差，不过大多还处于实验室研究水平。而且，研究人员正在研究正常的眼睛像差是否对视力其实有帮助，最近的研究表明，它们也许是眼睛防止色斑的一种防护机制。如果是这样的话，像差就不能说完全是一种缺陷了。

然而，除了糟糕的大气条件外，眼睛的像差是目视观测中分辨率降低的一个主要原因，特别是当你用口径相对较大的望远镜，在较低的放大倍率下进行观测的时候，这时产生的出瞳较大。难道我们得放弃自己的眼睛？大概不行。亥姆霍兹在批评人眼缺陷的同时，自己补充了一条明智（却很少被人引用）的修正：

当然，我不会这样对待我的眼睛，只要我能有眼睛，我就会非常高兴——哪怕有这些缺陷。

很显然，大多数人都会同意他的说法。

测测你的眼睛像差

要想知道自己眼睛的光强度分布失衡的严重程度，请戴上平时用的眼镜或隐形眼镜，观看黑色背景上的一个明亮的点状光源。一般说来，眼睛上的光分布（即点扩展函数）中心要比两侧亮得多，所以你需要黑暗的背景才能看到区域的细微结构。保持周围黑暗的环境，可以促使你的瞳孔扩大。瞳孔张大时眼睛像差的影响将变得更明显。

天狼星或木星等明亮天体、几百米外没有灯罩的街灯，甚至暗室另一边的小LED灯都可作为合适的点光源。

两个眼睛交替观看这个点光源，不用的那只眼睛用手或眼罩盖住（闭眼会影响测试结果），然后你的大脑会感觉到视网膜上的图像。你可能会发觉左眼和右眼的点扩展函数有点对称。然后用双眼观看，这时感觉到的图像可能是两个眼睛分别看到的结果的叠加。你还可以通过一块开有不同大小孔洞的卡片纸去看，这可以测量你视力最佳时的瞳径。还可以左右移动纸片上的小孔，找到图像最佳的一个位置：当眼睛被人造小孔遮挡时，它的光学品质与直接通过瞳孔是不同的，而且瞳孔表面的光学品质是不均匀的，某些区域的光学品质好于其它区域。

左栏：瞳孔直径不同时，同一只眼睛的光分布延展情况。自上而下，每幅图像的瞳孔直径依次相差1毫米，从6毫米降至1毫米。右栏：没有像差的理想眼睛的光分布，瞳孔直径与左栏依次对应

LASIK屈光手术有用吗？

LASIK屈光手术（激光原位角膜磨镶术）可以用激光去除角膜组织，它是改正一类典型像差——即近视、远视和散光等屈光异常的一种有效技术。先进的外科手术系统中有许多波阵面传感器，它们使外科医生不仅能纠正这些屈光异常，还能纠正某些高阶像差。然而，LASIK手术对高阶像差的疗效与人们的期望仍有一些距离。虽然屈光异常矫正技术非常成功，患者对其总体效果通常十分满意，但术后的高阶像差会增加大约一倍。随着时间的推移，外科系统和手术技术正变得越来越精确，可以预见，在不久的将来，这些问题会得到改善。另外，如果你打算接受屈光手术而又很关心眼睛像差问题，那么最好与外科医生坦率地谈谈，这样会做出更明智的决定。