第二章 眼成像的光学原理
一、光的本质和颜色的成因
（一）光的本质
光是一种电磁波，波周而复始地围绕一个中心，一面前进一面均称地摆动（振动）。摆动的频率以每秒的次数计，简称频率。光速除以频率就是波长（波长＝光速/频率）。据测定光在真空中的传播速度（光速）为每秒30万千米。在空气中的传播速度与在真空中极其相近，但光线振动的频率千差万别。以日光为例，裸眼看去它是无色的，照到物体上却有千差万别的颜色，而本质就是日光中含着许多振动频率不同的电磁波。人眼能看到的叫可见光，而不引起人眼反应的叫非可见光。
（二）各种颜色的由来
日光投射到物体上，物体可全部把它们吸收，不反射出来；也可全部把它们反射出来而不吸收；还可以吸收一部分，反射一部分。全部被吸收而不反射的，该物体就呈现黑色；全部反射出来而不吸收的，该物体就呈现白色；部分吸收部分反射的就看反射的光线波长（也可说是频率）是哪种。可见光波长的范围是397～723纳米。反射出的光线波长为700纳米左右的是红色光；反射的光线波长为397～424纳米的是紫色光。在红光和紫光之间由于反射光波长的不同，就出现不同的颜色。
如果物体对波长不同的光线吸收没有选择，只是吸收量的不同可出现不同的灰色，吸收多反射少将出现深灰色，反射出的光线越多就越接近白色。人们通常说的光线是指可见光而言，光是电磁波但不能说电磁波都是光，光一般是指能引起眼的反应，并有明亮感觉的电磁波，这种只占全部电磁波极少部分的电磁波称可见光，又称光谱。
二、平行光、集合光和散开光
（一）平行光
在无限远的距离传播不相交也不散开的光线称平行光。探照灯发出的光是人工的平行光，手电筒也可将部分光调成近似平行光。由距离无限远的光源发出的光可视为平行光，实际上只有太阳光。从眼的屈光学意义上来说，将5米以外的光源发出的光看作平行光。它只是近似的平行光而不是绝对的平行光。其实，从5米远的点光源发出的光需要眼动用0.2屈光度（D）的调节才能聚焦在视网膜上，是稍有散开性质的光线，对眼来说它与平行光差异极小。矫正眼镜的级差为0.25D，因此0.2D的屈光度可以忽略不计，眼科也以5米测远视力。
（二）集合光
集合光又称会聚光线，它仅见于人工光线而不存在于自然界中。平行光通过凹面镜的反射（图8）或经过凸球镜片的曲折可呈现集合光。集合光线可到某一点相互交叉，一般只讲相交而不讲交叉，因交叉后就不是集合光而是散开光线了，故集合光线只是对传播中的光线的一段而言。
（三）散开光
散开（发散）光线成辐射状散开，由非无限远的光源发出的光线成散开状光线。从眼的屈光学角度讲，凡5米以内的点光源发出的光都是散开的光线，越靠近光源其散开度就越大。平行光线通过凹球镜片后其传播方向就由平行光线曲折成散开光线。凹球镜片的度数越大其散开程度越大。我们用的灯光，不论是蜡烛或是电灯泡都是散开光，所以它的照明度随着距离的增大而减弱。平行光线经过正常（正视）眼球的屈光系统（在睫状肌放松的情况下）恰好聚焦到视网膜上，而集合光线则聚焦到视网膜前，散开光线聚焦到视网膜后。
三、光与介质
（一）介质
光线能穿过空气、水、玻璃等物质，光所能穿过的物质称光的介质。这里说的介质对光的传播并不是必需的。它与声传播不同，在真空中声不能传播，而光传播更快。光线从一种介质射入另一种介质时在界面上发生传播方向改变的现象称折射，又称折光。光线为什么在两种介质的界面上会发生折射呢？一般认为是光线经过不同的介质时在界面上会改变光速的结果。光线在空气中传播速度为每秒30万公里（千米），在玻璃中的传播速度为每秒20万公里（千米）。光线由空气射入玻璃时如果是垂直地通过界面，那么通过界面的光线同时减速，故只有速度的改变没有方向的改变。如果以一定的角度通过，下侧先进入玻璃的光线先减速，上侧后射入玻璃的光线后减速，故通过界面后就有方向的改变。譬如一辆汽车由山坡上向下滑行，两侧的车轮受阻力相同时，运动的速度就相同，方向也不改变；如果其中一侧的车轮遇到沙子，阻力增大，速度减小，它的方向必然向受阻的一侧转。
格长度表示光速
光束通过三棱镜片时愈靠基底的光线愈先减速，愈靠近三棱镜尖的光线愈后减速。该光束离开三棱镜时的情况相反，愈靠近镜尖的光线愈先加速，愈靠近基底的光线愈后加速。所以通过三棱镜后光线就向基底偏转。通过三棱镜后的光线仍为平行光线。凸球镜片就像无数基底相对的三棱镜，所以光线向凸球镜的中心汇聚。光线通过凸球镜后改变方向的现象称凸球镜屈光。
但这种学说也受到置疑。理由是光线按现代的理解是光源发出的光量子波，与装在一个车轴上的两个车轮不同。上述车上的轮由于装在一个车轴上必须并排前进，轴改变成一端前一端后的话，轴的平行面就变了，这个面所对的运动方向就会变。如果各轮都是自由运动的，那么任何一个轮的加速或减速对运动的方向都不产生影响。就像在跑道上比赛的运动员一样，他们跑的方向是不因其中运动员的相对速度变化而变化的。
上述质疑初看似乎有道理，但提出这个问题是没有微观或宏观运动的知识的。以宏观而言，在宇宙中运动的量体，它们运动的力主要来自两个方面：一是宇宙大爆炸时给它的向一定方向运动的力；二是在运动当中受到别的量体的引力。既然把光线假定为光量子，那就是把它也看成物质了，物质之间都有引力。在目前，别说是光量子，就是水分子都很难拿出单个的来看一看、试一试它单个运动的特性。对它们特性的认识主要还是间接的实验，现在对我们的科技手段还不能具体观察的自然现象只能推理或假设。假设光量子是物质，那量子之间就应有引力。引力把它们之间相互联系起来形成一个整体。
（二）为什么人看不到自己的后脑勺，耳朵却能听到背后的声音
尽管最初将声波与光波混为一谈，但后来普遍认为声音的传播和光的传播机制不同。声音的传播需要有介质，一个物体如果在真空中振动就不会有声音，物体在空气中振动会造成空气的疏密波（声波）通过空气向周围传播，在一般情况下定向性不大。光线的传播就不同了，光线的传播是辐射方式，不需要介质，而且在真空中传播的速度是最快的，传播的方向是直线前进的，在一种介质中传播是不会拐弯的。人后脑勺反射出的光是向后去的，眼又只能接收眼前来的光，不论头怎样转，眼和后脑勺的相反位置都不能改变，因此人如果不通过镜子始终也看不到自己的后脑勺。
（三）光的反射与视觉
光线在两种介质的界面上可以投入第二种介质继续向前传播或被吸收，也可以返回到第一种介质，后一现象称光的反射。如果界面是绝对平滑的，光线可以按射入的方向以一定的角度反射回第一种介质，反射出的光线仍以射入光线的排列整齐地反射出来，故显现出原来的物像。通过照镜子可看到自己的相貌就是这个原理，如果物体表面都像镜子一样平滑，我们将什么也看不到，在四面墙都是镜子的房间一样，走到哪自己只能看到自己。
由于环境中的物体都不是绝对平滑的，它对射来的光线是以杂乱的方向反射的，这些乱反射的光线被我们的眼接收后，经过眼的屈光作用可以在眼底还原成原来的样子（称物像），只是方位颠倒了一下，即倒像，倒像是眼接收到的信息。在眼底变成神经冲动通过一定的路径传到大脑视中枢，我们就看见了，称视觉。如果没有光反射我们将什么也看不到。