人眼生理基础

人眼的光学模型描述了将光线聚焦到视网膜上的基本组件及其功能。图 1 是人眼光学模型的简化说明：

图1：一般人类眼睛结构

• 角膜：角膜是眼睛透明的前表面。它充当固定的晶状体，主要负责弯曲（折射）入射光。
• 虹膜和瞳孔：虹膜是眼睛中围绕瞳孔的有色部分，瞳孔是虹膜中心可调节的开口。虹膜控制瞳孔的大小，调节进入眼睛的光量。
• 晶状体：位于瞳孔后面，灵活、透明。晶状体可以改变形状来调整聚焦能力，从而实现调节和聚焦不同距离物体的能力。
• 房水：角膜和晶状体之间的空间充满了一种透明的液体，称为房水。它有助于维持眼睛的形状，并为角膜和晶状体提供营养。
• 玻璃体：眼睛的主要腔室，位于晶状体后面，充满一种称为玻璃体的凝胶状物质。玻璃体有助于维持眼睛的形状并支撑视网膜。
• 视网膜：眼球后部的最内层。它包含称为感光细胞（视杆细胞和视锥细胞）的特殊细胞，这些细胞可检测光线并将其转换为电信号。然后，这些信号通过视神经发送到大脑进行进一步处理和解释。

Zemax OpticStudio 中人眼的光学模型：

Ansys Zemax OpticStudio 中的眼睛模型是人眼的计算表示，可以模拟光线通过眼睛的光学元件（例如角膜、晶状体、体液和视网膜）的传播。它提供了一种研究和分析视觉各个方面的方法，包括图像形成、像差和视觉性能。这里展示了 Zemax 顺序模式下的眼睛模型图，其中平行光束在多个场（0°、15°、30°）中作为入射角。在图像分析中，这些场的权重为 1、0.3、0.1。光谱覆盖 470-650 nm 的波长，分为 4 个步骤，中间步骤 555 nm 的最大权重为 1。

上图所示的眼睛组件在顺序模型的镜头数据编辑器中进行了编辑，以反映眼睛结构。关键组件在下面的图 2 中进行了标记。生物器官的光学特性由康拉迪公式描述，

可以在 Zemax 用户手册中找到。详细数字列于表 1 中。

图 2：Ansys Zemax 顺序模式下的人眼模型

表 1：眼部器官的折射率和色散系数

这里我们将一个多色场景（图 3 左）作为入射到眼球的光束。在作为探测器的视网膜中，88.7% 的光线被接收并形成下图 3 右的图像。点图如图 4 所示。高达 20 lp/mm 的几何调制传递函数 (MTF) 如图 5 所示。

图 3：左，原始场景作为远程物体；右，视网膜上的图像。

图4：标准点图

图 5：几何调制传递函数

使用 Zemax 眼模型，光学设计师可以评估视力矫正技术（如眼镜、人工晶状体或 AR/VR 产品）的性能。它可以模拟不同屈光不正的影响，例如近视、远视、散光和老花眼（与年龄有关的近视力下降）。通过操纵模型参数，研究人员可以研究这些情况对视力、图像质量和其他光学特性的影响。