基于光路回歸方法研究潛水近視眼鏡度數

王鑫杰，楊 迪，趙志杰，孫麗媛，高得力

(沈陽航空航天大學 a.航空航天工程學部;b.理學院，遼寧 沈陽 110136)

伴隨著時代的進步，日趨頻繁的水底捕撈、水下救援、水下清污、水下切割及焊接等水下作業越來越依賴于水中成像的觀測質量. 因此，眼睛近視的工作人員應該在水下佩戴潛水近視眼鏡. 由于水的折射率(1.33)比空氣折射率(1.00)大，這使得日常近視鏡度數不再適用于潛水鏡，正確規定潛水鏡度數成為順利進行水下活動的關鍵. 近來，已有研究表明佩戴潛水鏡會改變光線的傳輸規律，造成水中物體成像畸變[1]，但關于如何確定潛水近視眼鏡度數的研究仍未見報道. 目前網絡中流傳著在水下應該佩戴近視度數減小約50度左右的眼鏡這一結論，而關于此結論尚無任何理論和實驗解釋. 本文將根據光路回歸方法，利用分光計裝置對此問題開展實驗研究.

1 光路回歸方法及裝置設計

近視眼是由于眼睛晶狀體聚焦過度而采用佩戴凹透鏡的方法來抵消光路的偏移. 但由于水與空氣的折射率不同，光線由水通過鏡片，再進入人眼的過程中入射角度發生改變，造成了焦距的變化，即人在水下所佩戴的近視鏡片的度數應該做相應的調整(光路圖見圖1)[2]. 通過改變凹透鏡的度數可以使入射光線偏移回正常的入射角度，重新呈現清晰影像，此方法即為光路回歸.

圖1 水下光路示意圖

人在水下佩戴潛水鏡作業時，目標光線依次經過水、鏡片、空氣3種介質射入人眼. 如圖2所示，利用JJY型1′分光計模擬這一過程. 準直管中的平行光代表普通入射光；載物臺上置有盛水的自制水箱以形成水下環境；光線匯入望遠鏡目鏡中，模擬人眼視網膜中的聚焦現象[3].

圖2 實驗裝置示意圖

當置鏡槽A和B均不放入鏡片時，代表人眼能夠正常成像，此時將分光計調整到理想狀態[4]，使目鏡中能夠清晰看到狹縫的像. 在望遠鏡中的置鏡槽B處放置一定度數的凸透鏡，模擬人眼的近視程度. 在置鏡槽A放入矯正所用的凹透鏡，調整A處鏡片的度數，直到目鏡中再次呈現出清晰的細條紋，此時A處放置的凹透鏡度數即為與B處近視度數對應的潛水鏡度數. 實驗中所用到的凹、凸透鏡均來源于醫學驗光使用的圓形玻璃鏡片.

2 實驗研究

2.1 不同近視程度在目鏡中的呈現

為了確定利用望遠鏡筒模擬人眼成像的可行性，需要觀察水下不同近視程度是否會對目鏡中呈現的圖像帶來影響. 當置鏡槽A均不添加透鏡，置鏡槽B中依次不加入凸透鏡及添加50度、100度凸透鏡時，目鏡中成像效果如圖3所示. 相應地，將以上3種情形的實驗結果列于表1中(矯正度數代表置鏡槽A中凹透鏡度數，近視度數代表置鏡槽B中凸透鏡度數，以下同).

(a)不添加 (b)50度凸透鏡

(c)100度凸透鏡圖3 目鏡中圖像隨近視程度的變化

矯正度數近視度數目鏡成像00清晰050比較模糊0100模糊

可見，當置鏡槽A和B均不放置任何度數的鏡片時，可以從目鏡處得到清晰的細條紋，在B處放入的凸透鏡度數增加時，條紋逐漸變寬變模糊.

2.2 旋進目鏡視度調節手輪的作用

由于實驗中使用的凹、凸透鏡最小分度值為25度，為了能夠測得較為準確的結果，利用目鏡視度調節手輪旋進一定的角度來代替在置鏡槽A中放置25度以下的凹透鏡[5]. 僅當置鏡槽B放置25度凸透鏡時，目鏡中出現模糊的像，見圖4(a). 以分光計調整到理想狀態時目鏡視度調節手輪的位置為零起始點，置鏡槽B放置25度凸透鏡，同時旋進目鏡視度調節手輪. 當模糊的像變清晰時[見圖4(b)]記錄下手輪共旋進了3圈又180°，即3×360°+180°=1 260°. 將2次實驗的結果列于表2中. 由此可知，將目鏡視度調節手輪旋進1 260°，則剛好與所加25度凸透鏡的近視效果抵消.

(a)鏡槽B放25度凸透鏡 (b)調節手輪得到清晰的像圖4 目鏡視度調節手輪對成像的影響

矯正度數近視度數手輪旋進度數目鏡成像0250°模糊0251 260°清晰

2.3 潛水鏡表面形狀對光路的影響

人在水下佩戴潛水鏡時，潛水鏡內部會保留一部分空氣，因此鏡片兩邊分別與水和空氣2種不同介質接觸. 市場上銷售的帶度數的潛水鏡通常將外表面設計成平面，朝向人眼的一面設計為凹面. 這樣制作工藝簡單利于加工，且整個鏡片呈拱形結構，可以承受一定的水壓. 而當潛水深度較深鏡片承受較大水壓力發生形變時，本來與水接觸的平面就變成了凹面.

為探究鏡片和介質的接觸面的彎曲程度會對近視度數造成的影響，設計了如下4組實驗：其中前2組實驗在空氣中測量以作為后2組的對照. 這4組實驗均為目鏡視度調節手輪在初始位置且置鏡槽A和B分別放置300度凹、凸透鏡的情況下進行. 前2組實驗水箱中均未盛水且鏡片外表面(遠離人眼的一面)依次選擇為平面和凹面，后2組實驗水箱中均盛水且鏡片外表面依次選擇為平面和凹面. 目鏡中觀察的圖像分別如圖5中所示，同時表3中列出了4組實驗的結果.

(a) (b)

(c) (d)圖5 介質與外表面形狀對潛水鏡成像的影響

矯正度數近視度數手輪旋進度數是否盛水鏡片表面形狀目鏡成像3003000否平面清晰3003000否凹面清晰3003000是平面清晰3003000是凹面模糊

由上述實驗可見：在空氣中，凹透鏡凹面或平面哪一面朝向光源沒有給光線傳播帶來影響[圖5(a)～5(b)]. 而在水下，這一因素將直接影響成像質量[圖5(c),5(d)]. 當凹透鏡的平面與水接觸時，凹透鏡在水下對光線的發散作用與空氣中一樣[圖5(a),5(c)]；而當凹面與水接觸時，光路則發生了明顯變化，此時已經無法在目鏡中成像[圖5(b),5(d)]，即300度的眼鏡已經無法矯正相同程度的近視了.

2.4 潛水鏡凹面與水接觸時的研究

為了探究當水壓力給鏡片外表面造成一定程度的彎曲時，鏡片在水下的等效度數是增大還是減小，設計了如下實驗:實驗過程中在置鏡槽A放置300度凹透鏡且外表面為凹面(以此模擬如果水壓力給鏡片外表面帶來與300度凹透鏡彎曲程度相同的變形)，并在置鏡槽B中放置300度凸透鏡. 在置鏡槽A(靠空氣一側)添加1塊新的凹透鏡，并從25度開始每次遞增25度逐一更換此透鏡，則置鏡槽A中實際的度數應該為300度與新添加的度數之和. 實驗發現隨著凹透鏡度數的增加，目鏡成像逐漸清晰. 加入175度和200度時成像較為清晰，而加入225度時成像變得模糊. 說明置鏡槽A的總度數應該在475度到500度之間. 則當置鏡槽A總度數為475度時，旋進目鏡視度調節手輪直到成像最清晰時記錄下旋進總角度為570°. 實驗中的部分觀察圖像如圖6所示，并在表4中對此進行說明.

(a) (b)

(c) (d)圖6 成像質量隨矯正度數變化

對應圖6的圖像矯正度數近視度數手輪旋進度數目鏡成像(a)5253000模糊(b)5003000比較清晰(c)4753000比較清晰(d)475300570最清晰

其中矯正度數為置鏡槽A的總度數，等于300度加新增的凹透鏡度數.

可見，當潛水鏡的外表面在水下呈凹面時，潛水員應選擇度數大于正常近視眼鏡的潛水鏡佩戴. 以本文研究為例，如果潛水人員在工作深度的水壓給鏡面造成與300度凹透鏡鏡面相同程度的彎曲，則在此工作深度下300度的近視需要佩戴大約486度的凹透鏡來進行矯正，且隨著深度的增加，鏡面彎曲越厲害，應該佩戴度數更大的鏡片；隨著深度的減小，所需佩戴的度數逐漸接近原本的近視度數. 可見網上流傳的在水下應該佩戴近視度數減小約50度左右的眼鏡這一結論并不準確.

3 結 論

利用光路回歸方法，借助分光計裝置對潛水近視鏡度數變化問題展開研究. 實驗中，光線經過介質的順序與實際一致，能夠真實模擬水下作業情況；利用目鏡呈現的圖像代替人眼觀測，可以明顯感知近視程度改變25度帶來的變化，較人眼有更好的靈敏度；通過旋進目鏡視度調節手輪代替增加25度以下凹透鏡的做法，進一步提高準確性；選擇鏡片與水的接觸面為凹面，仿效水下一定深度壓力對鏡片外表面形狀的影響. 研究表明：在潛水深度較淺、水壓力較小的情況下，潛水員可以佩戴與陸地近視鏡度數相同的潛水鏡. 而當潛水到一定深度，不可忽略的水壓力會使鏡面從平面變為凹面，此時潛水員應佩戴度數較平常稍高的鏡片，具體度數要根據水下工作深度做出調整，越深處應佩戴度數越高的潛水鏡.