檢影鏡教學實驗設計

陳佳男，肖豪迪，楊軼婷，沈葉露，徐 瑤，曹自立，林維豪

(溫州醫科大學 眼視光學院(生物醫學工程學院)，浙江 溫州 325035)

視力檢查是眼科臨床中的基礎檢查項目之一，視力的好壞間接反映了視網膜、視神經和黃斑的功能. 可靠的視力檢查對各種眼科疾病的正確診斷及預后評估有重要意義，尤其在兒童弱視篩選及青少年近視防治方面更有顯著應用價值[1].

《中國近視防治藍皮書》指出，目前中國的整體近視率已超過 50%，而在大中型城市，初中以上青少年近視比例已超過80%，6～15歲的平均近視率更是達到了46%，近視的低齡化現象日益嚴重[2-3]. 基于以上數據以及視力檢查的臨床價值，需加強我國的視力檢查力度及視力檢查儀器的研制. 目前，國內外檢測視力的儀器主要包括驗光儀、檢影鏡、眼屈光計、對數視力表箱等設備[4-7]. 然而，市面上尚未出現比較統一的、有助于學生們深刻地理解眼屈光不正成像原理及驗光方法的教學實驗儀器. 部分院校直接采用醫院的驗光儀設備進行教學實驗，該方式存在教學資源少、教學地點不在學校、設備操作復雜且實驗準備繁瑣等諸多問題，影響教學的效果與效率.

因此，設計可供學生開展該類實驗的簡單、易操作的檢影鏡教學裝置是十分必要. 尤其是對眼科學、生物醫學工程等相關專業的學生在今后的工作有重要作用[8-10].

1 實驗原理

圖1為檢影鏡教學實驗裝置原理示意圖. 光源發出的平行光經中空反射鏡M反射后，經透鏡L0(L0模擬人眼晶狀體)會聚后，照亮眼底視網膜中央區域. (注意，透鏡L1為矯正眼睛屈光不正的鏡片，實驗初期先不放入光路中.) 檢查人員通過中空反射鏡M的中央小孔，可以清晰觀察到眼底視網膜上中心亮斑A經過透鏡L0成像后的光斑A′. 上、下旋轉中空反射鏡M′，可移動視網膜上中心亮斑A的位置，并同步觀察經眼屈光系統后共軛像斑A′的移動方向.

人眼的屈光系統能將外界物體成像于視網膜上，其原理與凸透鏡成像相似. 通過改變晶狀體的形狀來改變眼的光焦度，從而使不同距離的物體成像于視網膜上，眼的這種功能稱為眼的調節. 當睫狀肌處于松弛、無張力狀態時，晶狀體表面的曲率最小，此時屈光狀態為無調節狀態. 眼在無調節狀態下，平行光經眼的屈光系統所會聚成的焦點與視網膜之間的距離定義了眼的基本屈光類型(正視眼、近視眼與遠視眼)[11-13].

正視眼指來自無窮遠(通常大于5 m)的平行光經眼的屈光系統后，焦點恰好落在視網膜上. 如圖2所示，由于光路可逆，處于視網膜處的物點此時將成像于無窮遠處，此時觀察者看到的是平行光束，即一片均勻亮視場，且隨著反射鏡M的上下移動，亮視場無明顯變化，這種現象稱為影不動.

圖2 正視眼檢查原理圖

近視眼指眼在無調節狀態時平行光經眼的屈光系統后，焦點落在視網膜前. 如圖3所示，根據幾何光學的凸透鏡成像原理，任意取視網膜上點A作為物點，因此時物距u大于焦距f，那么通過晶狀體的屈光系統則成倒立的實像A′，而且上下移動A點，檢查者將觀察到像點A′的移動方向正好與物點A的移動方向相反，即影逆動.

圖3 近視眼檢查原理圖

相反地，遠視眼指眼屈光系統的焦點位于視網膜后. 同理，如圖4所示，任取視網膜上的物點A，因此時物距u小于焦距f，通過晶狀體屈光系統后將成正向放大的虛像A′，且上下移動A點，觀察到A′點的移動方向與A點的移動方向相同，即影順動.

圖4 遠視眼檢查原理圖

通過旋轉反射鏡M觀察視網膜上亮斑所成像的移動方向(逆動、順動、不動)，可定性判斷出人眼屈光類型(近視眼、遠視眼、正視眼)，然后根據上述結果開展驗光實驗，即定量測出待測晶狀體L0屈光不正的度數，該過程需要選擇合適的透鏡來匹配矯正. 當判斷出是遠視眼，需要選擇不同焦距的凸透鏡放在L1位置(緊靠晶狀體透鏡L0)，調至與正視眼相同的效果(基本觀察不到像斑移動). 類似地，對于近視眼，則需要選擇不同焦距的凹透鏡放置于L1位置，同樣調至與正視眼相同的效果. 這部分的實驗內容與實際的臨床驗光方法一致.

另外，為了加深學生對組合透鏡成像原理的理解，本實驗增加1組測量內容來提高實驗的測量難度. 即若未能找到完全匹配的矯正透鏡，也可以選擇已知光焦度(標記為φ2)的透鏡放在L1位置，固定L0位置，改變L1與L0的間距，直到調至與正視眼相同的效果. 記錄下間距d，那么利用組合透鏡光焦度公式[14-16]，也可計算出待測晶狀體的光焦度：

φ1+φ2-dφ1φ2=φ，

(1)

式中：φ1為待測晶狀體光焦度，φ2為已知的矯正透鏡光焦度，φ為正視眼光焦度，d為晶狀體與矯正透鏡的間距.

需要特別說明的是，實際臨床驗光中，由于佩戴的矯正透鏡與待測晶狀體之間的距離d不可改變，且近似為0，則式(1)簡化為

φ1+φ2=φ.

(2)

因此驗光師只需通過不斷更換不同焦距的透鏡，直到患者的眼睛被矯正為正視眼，選擇最終的矯正透鏡光焦度φ2以及正視眼光焦度φ，再通過式(2)直接計算出待測晶狀體的焦距φ1.由于2種方法本質上都是以組合透鏡焦度公式作為理論依據，只是實際驗光是通過改變φ2求解φ1，而本實驗設計方法是將d作為改變量求解φ1，在物理上具有等效性.

2 實驗內容

2.1 實驗裝置

如圖5所示，本裝置主要以光學移動平臺為載體，依次在光路中放置平行光源S、中空反射鏡M、可調光闌、矯正鏡片L1與模型眼晶狀體L0. 光路中放置2個能自由移動的透鏡支架，方便調節透鏡. 實驗儀器包括：光源(白光LED)、光源準直透鏡(直徑25.4 mm，焦距30 mm)、帶刻度光學滑軌(長度100.0 cm)、中空反射鏡(外環直徑30 mm，內環直徑5 mm)、備用若干透鏡(直徑50.8mm，焦距分別為-150，100，150，300，600 mm)、人眼球模型(直徑150 mm)、旋轉鏡架等. 補充說明：按照眼科對正視眼的定義，正視眼的屈光系統能將平行光恰好聚焦在眼底視網膜處，表明正視眼的屈光系統焦距近似等于眼球直徑，如圖2所示. 由于本實驗選用較易加工的直徑為150 mm的人眼球模型，因此對應的正視眼焦距為已知常量，即150 mm. 另外，本實驗需在較暗環境下進行，有利于觀察到更為明顯的實驗現象.

圖5 實驗裝置圖

2.2 實驗步驟

1)搭建光路. 調整中空反射鏡角度，使平行光入射至模型眼的眼底位置.

2)選擇任意編號的鏡片L1，判斷眼屈光不正類型(近視眼、遠視眼或正視眼).

學生隨機抽取1個透鏡模擬晶狀體，放置于L0的位置，打開光源，從反射鏡M的中心小孔處觀察. 由反射鏡旋轉方向與小孔位置處觀察到的像斑移動方向之間的關系(逆動、順動、不動)，判斷出近視眼、遠視眼、正視眼類型，圖6展示了中空反射鏡向上旋轉時，拍攝到的模擬近視眼、遠視眼、正視眼的實驗現象.

(a)近視眼

3)選擇合適透鏡矯正近視或遠視.

根據步驟2)，取屈光不正透鏡模擬晶狀體放置于L0位置，從透鏡盒中選取透鏡放置于L1位置，模擬驗光視力矯正. 從反射鏡M的小孔中觀察現象，根據像斑移動方向與反射鏡M的旋轉方向是否相同，選擇合適透鏡，直到觀察到不隨反射鏡旋轉而移動的均勻亮視場，即為合適的矯正透鏡.

4)模擬待測晶狀體的光焦度測量.

隨機選取已知光焦度的矯正透鏡，改變該矯正透鏡與待測晶狀體的間距d，直到觀察到的亮斑不再移動，記錄下間距d. 重復實驗，再依據式(1)計算出待測晶狀體的光焦度. 還可選取2個已知焦距的矯正透鏡進行實驗，通過測得數據計算出待測晶狀體的焦距.

5)將透鏡放回透鏡盒，歸整好實驗儀器.

2.3 誤差分析

根據上述步驟進行實驗驗證. 分別選取焦距為100 mm的透鏡為模擬晶狀體，焦距f2為-150 mm的透鏡為矯正透鏡，以及焦距為200 mm的透鏡為模擬晶狀體，焦距為400 mm的透鏡為矯正透鏡進行2組實驗，每組重復測量,如表1所示. 由于模型眼的直徑為150 mm，因此本實驗中正視眼的焦距為150 mm. 那么焦距大于150 mm的模擬晶狀體透鏡等效于遠視眼，焦距小于150 mm的模擬晶狀體透鏡等效于近視眼. 將測量計算得出的模擬晶狀體透鏡的焦距f1與理論值f1′比較，計算出相對偏差.

表1 實驗結果記錄及分析

考慮到光源入射的光線并非完全平行光，且透鏡非理想薄透鏡導致主面與表面并不重合等因素，實驗中會存在微小誤差.

3 結束語

本教學實驗的模型原理清晰、裝置簡易、對象豐富、操作簡單，僅需中空反射鏡、透鏡等裝置就可完成，且讓學生直接觀察到近視眼、遠視眼、正視眼的實驗現象，幫助學生直觀地感受近視或者遠視在視網膜成像上的區別，更加深刻理解眼屈光不正檢查的原理. 通過更換不同焦距的凹、凸透鏡，理解人眼的調節，能夠定量描述鏡片的光焦度，并在此基礎上使學生掌握配鏡技術.