一、光學與視覺的基本原理 Fundamental Principles of Optics in Vision
1️⃣ 光的折射（Refraction）
折射（Refraction）是指光線在兩種具有不同折射率（refractive index）的透明介質交界面通過時，其傳播方向發生改變的物理現象。
折射現象產生的原因：
- 光在不同介質中的傳播速度（velocity of light in a medium）不同。
- 當光線斜向進入另一介質時，波前不同部分的速度差異會造成波前旋轉，進而改變光線前進方向。
折射程度主要受到兩個因素影響：
- 兩介質折射率比值（ratio of refractive indices）
- 折射率差異越大，光線彎曲程度越大。
- 光線入射角（angle of incidence）
- 光線與界面形成角度越大，折射程度越明顯。
折射率（Refractive Index）
- 折射率（refractive index）定義：某介質中光速與真空中光速之比值。
- 公式概念：n = c / v
其中
- c：真空中的光速
- v：光在介質中的速度
典型折射率
- 空氣（air）≈ 1.00
- 玻璃（glass）≈ 1.50
折射率越高代表：
- 光速
- 折射能力越強
2️⃣ 透鏡（Lens）的光學作用
透鏡（lens）是一種透明光學裝置，能夠利用折射改變光線方向。
眼睛的主要透鏡系統由兩個部分構成：
- 角膜（cornea）
- 晶狀體（lens）
這兩者共同形成眼睛的屈光系統（refractive system of the eye）。
凸透鏡（Convex Lens）
凸透鏡（convex lens）是一種中央較厚、邊緣較薄的透鏡。
其主要光學作用為：
- 使平行光線向中央會聚（convergence）
- 將光線集中於一個焦點
當平行光線進入凸透鏡時會發生：
- 穿過透鏡中央的光線
- 因為入射角接近垂直
- 幾乎不發生折射
- 接近透鏡邊緣的光線
- 因入射角較大
- 折射程度增加
最終所有光線會聚於單一點，稱為焦點（focal point）。
焦距（Focal Length）
焦距（focal length）定義為：透鏡中心至焦點的距離。
焦距大小取決於
- 透鏡曲率（curvature）
- 折射率（refractive index）
焦距越短代表
- 透鏡屈光力越強
屈光力（Refractive Power）
- 屈光力（refractive power）定義為透鏡改變光線方向的能力。
- 通常以屈光度（diopter, D）表示
- 公式：D = 1 / 焦距（公尺）
- 例如：焦距0.5m，屈光力=2D
二、眼球的屈光系統Refractive System of the Eye
1️⃣ 眼球的主要屈光結構
光線進入眼睛後依序通過以下結構：
- 角膜（Cornea）
- 房水（Aqueous humor）
- 晶狀體（Lens）
- 玻璃體（Vitreous humor）
此路徑構成整個視覺光學系統。
2️⃣角膜（Cornea）
角膜（cornea）是眼睛最重要的屈光結構。
特性
- 完全透明
- 曲率固定
- 折射能力強
角膜提供眼睛大部分屈光力。
3️⃣房水（Aqueous Humor）
房水（aqueous humor）為透明液體
存在於
- 前房（anterior chamber）
- 後房（posterior chamber）
主要功能
- 維持眼內壓
- 提供角膜與晶狀體營養
- 參與光線傳導
4️⃣晶狀體（Lens）
晶狀體（lens）是一種透明雙凸透鏡
特性
- 高度彈性
- 可改變曲率
主要功能
- 精細調整焦距
5️⃣玻璃體（Vitreous Humor）
玻璃體（vitreous humor）為透明膠狀物
功能
- 維持眼球形狀
- 支撐視網膜
- 允許光線通過
三、調節作用 Accommodation of the Eye
1️⃣ 調節（Accommodation）定義
調節（accommodation）是指眼睛改變晶狀體曲率，以便使不同距離物體的影像準確聚焦於視網膜。
2️⃣ 睫狀肌（Ciliary Muscle）
睫狀肌（ciliary muscle）為環形平滑肌，其收縮與放鬆會改變晶狀體形狀。
睫狀肌收縮
發生結果
- 懸韌帶（suspensory ligaments）鬆弛
- 晶狀體彈性回彈
- 曲率增加
效果
- 屈光力增加
- 適合觀看近物
睫狀肌放鬆
發生結果
- 懸韌帶拉緊
- 晶狀體變扁
效果
- 屈光力降低
- 適合觀看遠物
四、視網膜影像形成Formation of the Retinal Image
1️⃣ 視網膜影像
當光線通過屈光系統後，會在視網膜形成影像。
該影像具有以下特性
- 倒立（inverted）
- 縮小（reduced size）
2️⃣ 中央凹（Fovea Centralis）
中央凹（fovea centralis）位於黃斑（macula lutea）中央。
特點
- 視覺最敏銳區域
- 含有大量錐細胞
五、視覺敏銳度Visual Acuity
1️⃣ 視覺敏銳度定義
視覺敏銳度（visual acuity）指眼睛辨別兩個接近物體的能力。
2️⃣ 視網膜光點大小
光點在視網膜上的平均直徑約11 微米。
3️⃣ 錐細胞直徑
中央凹錐細胞直徑約1.5微米。
4️⃣ 兩點辨識能力
當兩點距離約2微米時，人眼能夠區分，此能力為高解析度視覺。
六、瞳孔大小與景深Pupil Size and Depth of Focus
1️⃣ 景深（Depth of Focus）
景深（depth of focus）指影像保持清晰的距離範圍。
2️⃣ 瞳孔大小影響
瞳孔越小，景深越大。
原因
- 小孔徑只允許中央光線通過
- 中央光線折射誤差較小
因此影像更清晰。
七、屈光異常Errors of Refraction
1️⃣ 正視（Emmetropia）
定義：當睫狀肌完全放鬆時，遠處平行光線，可直接聚焦於視網膜。
2️⃣ 遠視（Hyperopia）
原因
- 眼球過短
- 屈光力不足
結果
- 光線聚焦於視網膜後方。
3️⃣ 近視（Myopia）
原因
- 眼球過長
- 屈光力過強
結果
- 光線在到達視網膜前就聚焦。
4️⃣ 屈光矯正
- 近視使用凹透鏡（concave lens）
- 遠視使用凸透鏡（convex lens）。
八、接觸式鏡片與人工晶體
1️⃣ 接觸式鏡片Contact Lens
- 接觸式鏡片的作用：改變角膜屈光表面
- 原因：淚液折射率與角膜接近，因此角膜屈光幾乎被中和。
2️⃣ 白內障Cataract
定義：晶狀體蛋白變性，導致透明度降低。
病理機制
- 晶狀體蛋白變性
- 蛋白凝集
- 形成不透明區域
治療
嚴重時需要：
- 手術移除晶狀體
- 植入人工晶體
