配眼鏡的時候，為什麼醫生拿光照一照眼睛就能知道度數？

本文由公眾號 「把科學帶回家」 提供

作者 七君

現在近視的小朋友們很多，所以很多人都有配眼鏡的經驗。去配眼鏡的時候，驗光的醫生拿一束光照一下眼睛，再比較一下幾個鏡片，就可以得到近視或遠視的度數了。不管是不識字的小孩，還是年紀很大的老頭老太，甚至不會說話的動物，都是這麼驗光的。醫生們是怎麼做到的？

驗光的方法，叫做視網膜檢影（retinoscopy），要取得的數據，就是你眼球里晶狀體彎曲光線的程度——屈光度（屈光度等於焦距的倒數）。

用來做視網膜檢影的儀器本質上就是一個會發光的鏡子。

它的內部基本構造是這樣的——

驗光醫生可以通過視網膜檢影儀的小洞觀察小朋友的眼睛。

那麼，醫生看的是什麼呢？

實際上醫生看的是光照射到你的視網膜上後反射回來的紅色光斑，也就是視網膜紅反射（red-reflex）的形狀和移動規律。這個光斑是紅色的，因為你的視網膜上布滿了血管，它和照相機拍到的紅眼是相同的原理。

那麼，視網膜檢影的具體原理是什麼？

咱們知道，晶狀體就像一個凸透鏡，可以聚光。

那麼遠方來的一束平行光聚在哪裡呢？就是晶狀體的焦點的地方。

對於既不近視，也不遠視的人來說，這個焦點的位置，恰好就在視網膜上，視網膜上密布著接受光的細胞，所以視力正常的人看到的圖像非常清晰。

近視眼的人呢，焦點落在視網膜前面，遠視眼的焦點落在視網膜後面，所以這兩類人看東西都看不太清楚。

遠視眼的晶狀體焦點落在視網膜後面

如果在晶狀體前面加一個鏡片，就像給晶狀體加一個假肢一樣，這樣平行光就會聚到視網膜上，那麼你就能看得清遠處的東西了。不過要這麼干，就需要知道你的晶狀體的屈光度。

有些人可能會說，這誰都知道啊，中學老師都會教，也太簡單了吧。

是很簡單，可是問題在於，我怎麼在不切開眼睛的情況下知道晶狀體的屈光度是多少呢？

就拿視力正常，晶狀體焦點落在視網膜上的人來說吧，如果入射光是一束平行光，那麼它們都會匯聚到視網膜上焦點的位置；而這些光線在視網膜上反射後，從晶狀體中射出來的光線總是一束平行光——

同理，近視眼裡射出來的光是會聚的，就像這樣——

遠視眼裡射出來的光是發散的，就像這樣——

好了，那麼問題就來了，驗光醫生不是站在邊上看，他們是正對著你的眼睛看，所以他們怎麼知道射出來的是什麼樣的光，這束光會聚在哪裡呢？

這裡就要強勢插入傅科刀口檢驗法（foucault knife-edge test）了。

傅科刀口檢驗法是法國物理學家萊昂·傅科（Léon Foucault）在1858年發明的。它的原理是醬紫的。

如果你用一把刀，誇叉砍在光會聚之前，那麼隨著傅紅雪的刀，哦不傅科刀的移動，你看到的光斑應該是逆向躲開的對吧。

同理，如果傅科刀劈在光線越過了焦點之後，此時光線已經發散，那麼你看到的光斑應該是順著傅科刀一起走的。當然平行光也是。

如果傅科刀正好劈在焦點上，那麼你就會看到一片漆黑，這時候只要傅科刀稍微動一動，你就會看到畫面中 chua 突然出現了一個光斑。

Emmm，也就是說，我只要搞一把傅科刀來移動一下，不就可以判斷你的眼睛射出來的光究竟是平行的，發散的，會聚的，以及是不是會聚在焦點上了嗎？

換句話說，我不是可以判斷你是近視還是遠視了嗎？

那麼屈光度咋算呢？

這好辦，我再給你搞一塊鏡片，調整你的四眼整體屈光度，讓你的眼睛反射出來的光線正好會聚到傅科刀這裡，那麼我就可以得到下面這樣一個光路。

有了這個光路，那麼我不就可以根據最基本的光學成像原理算出你的晶狀體+鏡片的屈光度數了嗎？

加個正確屈光度的鏡片，就能得到像這樣子的光路，接著就可以用基本的光學成像原理（1/(f) = 1/(dO) + (1/dI)）計算晶狀體的屈光度了。f是焦距，dO是物體和鏡頭的距離，dI是像和鏡頭的距離。

再根據鏡片的屈光度，不就能算出你的晶狀體的度數了嗎？簡直天才。

那麼，要到哪裡去找這麼好用的傅科刀呢？

這不視網膜檢影儀本身就是嗎。視網膜檢影儀既可以觀察光線，上面的觀測孔也可以移來移去切割光線，變成傅科刀。

所以利用傅科刀口檢驗法，驗光醫生想要看到的完美結果是一個圓不溜丟的光斑，而且儀器一旦移動，這個光斑就會消失。效果差不多就是這樣的——

只要能看到這個光斑，就說明視網膜檢影儀正好位於你眼睛射出來的光會聚而成的焦點上。這樣就可以計算出你的眼睛屈光度了。

但是在這之前，驗光醫生要先判斷你到底是近視還是遠視。這很簡單。

比如你是遠視眼。

我們剛才說過，遠視眼的晶狀體焦點在視網膜後面，入射光無法匯聚在視網膜上，所以在被視網膜反射，再經過晶狀體折射以後，它們是發散的，會跟著視網膜檢影儀一起運動，也就是說跟著圖片里眼睛邊上的光條運動——

然後醫生給你加一塊鏡片，繼續觀察。如果加的度數對，那麼你眼睛裡的光斑就會越來越亮，因為接近焦點的光線更為集中。反之會越來越暗。

同理，對於近視眼來說，晶狀體焦點在視網膜前面，眼睛裡反射出來的光是會聚的，而且它的移動方向恰好和入射光相反（against movement）。所以憑這一點驗光醫生可以判斷這個人有近視眼。

近視眼的話，在晶狀體前面加一塊凹透鏡，就可以讓反射出來的光線會聚到視網膜檢影儀這裡，大功告成。

還有些小朋友是散光，散光其實是晶狀體橫軸和縱軸的焦距不一致造成的。驗光醫生比對2個方向的屈光度，也可以幫你製作特殊的鏡片。

散光的人，晶狀體（黑色）的橫軸（紅色）上的焦點，和縱軸（綠色）上的焦點不在一起。

最後，驗光醫生看一眼那個適用於你的晶狀體的玻璃片的度數後，還要再根據光學原理減去一個工作距離（working distance），就可以得到你的真實的屈光度了。

視網膜檢影技術是在1872年由一個叫 Ferdinand Cuignet 的法國軍醫發明的。這147年來，多少小朋友再也沒有借口因為看不清字而不用做作業了。

軍醫叔叔的發明簡直大（sang）快（xin）人（bing）心（kuang）啊！