人眼与星空

时间:2022-10-23 07:29:14

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。

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