以深入淺出的概念說明日常生活與科學應用中常見的光學現象，特色在於大量的範例以及實驗展示。
水晶體, 玻璃體
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Del curso dictado por National Taiwan University
基礎光學 I
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朱士維 Shi-Wei Chu教授 (Professor)
物理學系 (Physics)
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所以承續著剛剛的角膜跟瞳孔呢，我們接下來為 各位介紹水晶體跟水樣液在眼睛中扮演的角色
那在水晶體的部分呢，它是另外一個非常重要的屈光元件，所以我們要討論一下它的屈光力
而水晶體跟角膜最大的不一樣的地方呢在於水晶體 的屈光能力是可以變化的，這個稱之為調適作用
我們要在這一節中為各位介紹。那麼水樣液的部分呢 我們為各位簡單介紹它的組成跟結構還有它的作用
那水樣液呢我們還要額外介紹它的穿透光譜，就是什麼樣的光可以穿過你的眼睛到達你的視網- 膜，這個事情
對眼睛的安全是非常重要的。所以我們先來看看我們要談的第三個光學結構是所謂的水晶體
也就是在瞳孔後面呢有一個長得像透鏡的東西，大部分的人在一開始問
哪一個結構對於屈光能力影響最大的時候呢，都會選水晶體
因為呢水晶體看起來基本上就是一個透鏡，不過呢由於透鏡，這個
透鏡整個是泡在水樣液裏面，水樣液基本上就是跟水的折射率是一樣的
這個表面的折射呢會因為周圍是水的關係呢，造成它的屈光的效果呢變得小很多
那這件事情呢我們用一個簡單的示範實驗跟各位說明 所以我們現在要來為各位展示
透鏡的成像會如何受到周圍物質的折射率的影響 這個架構呢我們上次在講透鏡成像的時候曾經用過
在我的左手邊這邊有一個日光燈架，然後這邊有一個透鏡
我們現在把透鏡呢放在空無一物的水族箱中，所以這裡面現在還沒有裝水 那我們可以看到經過這個透鏡之後呢，左邊這個
日光燈架的影像呢目前成在屏幕上這邊有一個清楚的燈座的影像 所以我們在屏幕上面現在可以看到日光燈座成的影像
那目前呢這個透鏡是在空氣中，所以周圍的折射率是1，這裡面現在並沒有放水
那在折射率是1的情況之下呢，這個透鏡跟這個像中間的距離大概是20公分左右
好，所以接下來呢我們要把這個水族箱的中間灌滿水，讓透鏡的周圍
的折射率變成1.33 我們在下面已經準備好很多裝水的容器
把它倒進去這個水族箱中
所以我們現在呢把整個透鏡
用水充滿了這個水族箱之後呢，透鏡周圍的折射率變成1.33
這時候你可以看到本來剛剛會成像的地方呢，已經沒有清楚的影像了
那這時候影像會跑到哪裡去呢？根據我們所學的矩陣光學的概念呢，在這個時候
周圍的折射率變高的時候呢，透鏡的 聚焦能力就是所謂的屈光力會變低，所以我們可以預期這影像會跑到後邊去
那我們來移動一下屏幕，看看影像會怎麼出現 [聲音]
所以當這個透鏡浸在水裏面的時候呢
它仍然會成像，但這時候呢這個像 離開這個透鏡的距離呢就已經超過1公尺了
所以你可以很明顯的發現這個透鏡的屈光能力比起剛剛在空氣中的時候低了很多
這個現象跟我們人眼裏面的透鏡是一樣的
人的眼睛裏面的透鏡，因為浸泡在水樣液裏面 所以它能夠發揮的屈光力非常非常有限
那如果因為透鏡浸在水中而屈光力很弱的話，我們要怎麼樣增加它的屈光力呢？
所以在水晶體裏面有一個非常非常重要的設計叫做折射率漸層
也就是說呢整個水晶體裏面的折射率並不是均勻的 它的表面的折射率跟中間的折射率不一樣
詳細來說呢在表面的折射率大概是1.385 上下兩端的折射率大概是1.375
而在中心呢，我們這個地方畫的比較白的地方呢，它的折射率是比較高的，大概是1.41
還記得我們在第二講的時候有曾經提到過所謂的梯度透鏡 梯度透鏡呢它是靠折射率漸層來造成屈光效應
在水晶體這個地方也是一樣，它事實上主要是靠這個折射率漸層呢來造成屈光的效應
而不是主要靠外面的這個曲率的屈光 如果說是一個均勻透鏡的話呢，那麼它的材料
的折射率呢要比這個漸層裏面最大的折射率1.41還要大 才能得到跟水晶體一樣的屈光度，但是如果它有一個折射率漸層的話呢
就只需要中間1.41旁邊1.375這樣的一個折射率的改變呢
就可以得到很好的屈光度。那麼到底透鏡的屈光度有多少呢？
大致上在20到30D左右，也就是約莫是角膜的一半
所以不是說水晶體不會造成屈光，而是水晶體的屈光能力是沒有角膜那麼強的
這就是為什麼當我們在矯正近視或是遠視，做所謂的
手術的時候呢，我們在動的是所謂的角膜手術，是在改變角膜的形狀
因為改變角膜的形狀呢能夠最容易，而且最大幅度的
改變整個眼睛的屈光率，所以可以使得原本沒有聚焦在 視網膜上面的影像呢比較好的聚焦在視網膜上
那麼我們來問一下各位一個生活中的常識 當我們在看什麼地方的時候，眼睛會呈現所謂的放鬆狀態
就是譬如說，醫生會常常建議說大家一段時間後讓眼睛放鬆一下，放鬆的時候到底應該要看- 哪裡呢？
所以選項一是看近的東西，選項二是看遠的東西，選項三是看電腦螢幕，就是看現在這個演講
選項四是看你的夢中情人，眼睛就會呈現放鬆的狀態。那在
剛剛講到說人眼的光學結構裏面呢，水晶體
跟角膜都會有屈光的特性，但是水晶體跟角膜一個很大的不一樣的地方，是水晶體
會有一個調適作用，也就是說它的高矮胖瘦是可以改變的，因此可以改變屈光的特性
那跟水晶體搭配起來改變屈光特性的這個結構呢，稱之為所謂的睫狀體
所以我們在這邊用紅色地方標示，這個睫狀體就接在水晶體的兩邊 所以當這個睫狀體拉緊的時候呢，可以把水晶體拉抻
睫狀體放鬆的時候呢可以把水晶體變胖，這稱為所謂的調適作用 那這個睫狀體裏面呢事實上是由兩個部分所組成的
一個稱之為睫狀肌，一個稱之為懸纖維 那是這兩個東西的交互作用呢來調整水晶體的一個屈光度
所以我們先看看所謂的放鬆情況。那麼所謂的放鬆的眼睛的情況呢 指的是睫狀肌在放鬆
那睫狀肌放鬆的時候呢，懸纖維會相對的收緊 所以事實上呢這個時候呢水晶體會被拉得變得比較平，比較瘦
而屈光力是比較低的，大概20D左右 因為這個時候屈光力比較低，所以它適合看遠處的物體
就是幾乎是平行光入射眼睛的情況之下呢，可以讓遠處的物體聚焦在視網膜上面
而另一方面呢，所謂的調適，調適狀態下的眼睛呢指的是睫狀肌會收緊
而睫狀肌收緊的結果呢，會導致懸纖維被放鬆，這個時候呢水晶體的曲率呢反而會增加
那屈光度會變得比較高，大概32D左右
那因為這個水晶體屈度增加了呢，它比較適合用來看近的物體 可以讓比較近的東西呢也可以成像在視網膜上
所以水晶體的主要的功能，在光學上來說呢它就像是一個可以變焦的透鏡一樣
讓你看近看遠都可以用一隻眼睛搞定。那在這個部分呢，我們定義一個名詞是所謂的near point Near
point呢每個人都有，它的意思是什麼呢？它的意思是你能夠看清楚物體的最小距離 所以譬如說你可以在紙上寫一個字
然後呢把這個字往你的眼睛靠近，靠近到你能夠看清楚這個字的最小的距離
然後拿一把尺量一下，你的近點離眼睛的表面大概有多遠，這個稱之為近點
這個距離呢很不幸的通常會隨年齡而上升
所以呢在小朋友的時候通常可以到大概10公分以內
這個是個平均數字，不代表每個人都一定會這樣，大概在10公分以內呢都還可以看得清楚
物體，因為這個時候你的整個眼睛調整焦距的能力非常的好
那麼隨著年齡漸長呢，你能夠看清楚物體的最小距離會逐漸變遠 到了40歲左右呢，平均的距離會變成22公分
到了60歲左右呢，平均距離就是100公分，這就是為什麼很多長輩呢看報紙的時候要 這樣子看，因為他的近點離他太遠了
所以他要看得清楚東西的話，反要離他很遠 他才看得清楚，拿近了之後呢，反而沒有辦法聚焦，沒辦法看得清楚
在這個環節裏面呢，我也邀請各位猜猜看 會有這樣的老花的成因呢是眼睛的哪一個部分老化了呢？
然後第四個部分呢我們要談到所謂的水樣液，水樣液呢 就如它的名字所說的，99%是由水組成的
那剩下的1%呢是少量的蛋白質還有一部分游離的細胞在這個裏面
但水樣液最主要的功能呢並不是用來提供 營養，而是它用來提供一個眼壓的支撐
造成眼睛的結構可以穩定下來，有一個很有趣的地方是雖然它裏面只有1%
的結構不是水，但是就只要這樣1%少少的組成呢 就可以使得水樣液變成一個粘滯性呢比水足足大了三倍以上的
一樣的，這樣子的一個粘稠的液體 這樣的液體主要的功用呢就是在支撐眼睛的這個結構
那我們要稍微看一下所謂的水樣液的穿透光譜，所以 人眼可以看得到的可見光的範圍呢，在400到700這邊呢是
有相當好的穿透力的，但是另一方面呢在700到1200這個範圍呢
也有一段很好穿透力的範圍，而這個範圍呢是眼睛所看不到的不可見光
但是它對眼睛裏面穿透度很高，所以在醫學上面呢這個有 一個很方便的用途呢是可以用這些不可見光來觀察視網膜
因為這個時候呢，你把這些不可見光呢往視網膜打進去 被觀察者呢並不會感覺到有光打在他眼睛上，因為這些光是不可见的
可是呢我們用特殊的觀察儀器呢就可以觀察到這些 不可見光的反射的影像，因此可以用這些不可見光直接穿透整個眼睛
看到視網膜上面的成像，用來觀察視網膜非常方便 所以舉個例子，這個是一個所謂的光學同調斷層影像
所看到的視網膜上的結果，這個是 完全在活體中，在人眼中直接觀察的視網膜的影像
這事實上是一個非常非常重要的進展，因為在早期呢，我們要看到視網膜的影像呢
通常需要把視網膜取下來，切開才能看到像這樣的視網膜截面的影像
那目前的進展呢，我們可以用800奈米的鐳射光，就是剛剛提到的肉眼看不到的光，但是穿-
透力很高 這樣子的一個鐳射光呢在眼睛裏面進行非侵入式的觀察
可以把視網膜的結構分層，一層一層看得非常清楚，而且不用把眼睛打開
病患也不會感覺到有很強的光打在他的眼睛上面 那這個光學同調斷層影像的技術細節呢我們要在下一講
在討論各種光學器具的時候再來介紹。所以在最後呢我們有一個隨堂測驗
請問當你看遠方的時候呢，下面哪一個是正確的？ 1.
睫狀肌會放鬆，懸纖維會拉緊，水晶體會變胖 2.
睫狀肌是拉緊的，懸纖維是放鬆的，然後水晶體變胖 3.
睫狀肌放鬆，懸纖維拉緊，而水晶體變瘦 4.
睫狀肌會拉緊，懸纖維放鬆，然後水晶體變瘦
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