基于光路回归方法研究潜水近视眼镜度数

王鑫杰，杨 迪，赵志杰，孙丽媛，高得力

(沈阳航空航天大学 a.航空航天工程学部;b.理学院，辽宁 沈阳 110136)

伴随着时代的进步，日趋频繁的水底捕捞、水下救援、水下清污、水下切割及焊接等水下作业越来越依赖于水中成像的观测质量. 因此，眼睛近视的工作人员应该在水下佩戴潜水近视眼镜. 由于水的折射率(1.33)比空气折射率(1.00)大，这使得日常近视镜度数不再适用于潜水镜，正确规定潜水镜度数成为顺利进行水下活动的关键. 近来，已有研究表明佩戴潜水镜会改变光线的传输规律，造成水中物体成像畸变[1]，但关于如何确定潜水近视眼镜度数的研究仍未见报道. 目前网络中流传着在水下应该佩戴近视度数减小约50度左右的眼镜这一结论，而关于此结论尚无任何理论和实验解释. 本文将根据光路回归方法，利用分光计装置对此问题开展实验研究.

1 光路回归方法及装置设计

近视眼是由于眼睛晶状体聚焦过度而采用佩戴凹透镜的方法来抵消光路的偏移. 但由于水与空气的折射率不同，光线由水通过镜片，再进入人眼的过程中入射角度发生改变，造成了焦距的变化，即人在水下所佩戴的近视镜片的度数应该做相应的调整(光路图见图1)[2]. 通过改变凹透镜的度数可以使入射光线偏移回正常的入射角度，重新呈现清晰影像，此方法即为光路回归.

图1 水下光路示意图

人在水下佩戴潜水镜作业时，目标光线依次经过水、镜片、空气3种介质射入人眼. 如图2所示，利用JJY型1′分光计模拟这一过程. 准直管中的平行光代表普通入射光；载物台上置有盛水的自制水箱以形成水下环境；光线汇入望远镜目镜中，模拟人眼视网膜中的聚焦现象[3].

图2 实验装置示意图

当置镜槽A和B均不放入镜片时，代表人眼能够正常成像，此时将分光计调整到理想状态[4]，使目镜中能够清晰看到狭缝的像. 在望远镜中的置镜槽B处放置一定度数的凸透镜，模拟人眼的近视程度. 在置镜槽A放入矫正所用的凹透镜，调整A处镜片的度数，直到目镜中再次呈现出清晰的细条纹，此时A处放置的凹透镜度数即为与B处近视度数对应的潜水镜度数. 实验中所用到的凹、凸透镜均来源于医学验光使用的圆形玻璃镜片.

2 实验研究

2.1 不同近视程度在目镜中的呈现

为了确定利用望远镜筒模拟人眼成像的可行性，需要观察水下不同近视程度是否会对目镜中呈现的图像带来影响. 当置镜槽A均不添加透镜，置镜槽B中依次不加入凸透镜及添加50度、100度凸透镜时，目镜中成像效果如图3所示. 相应地，将以上3种情形的实验结果列于表1中(矫正度数代表置镜槽A中凹透镜度数，近视度数代表置镜槽B中凸透镜度数，以下同).

(a)不添加 (b)50度凸透镜

(c)100度凸透镜图3 目镜中图像随近视程度的变化

矫正度数近视度数目镜成像00清晰050比较模糊0100模糊

可见，当置镜槽A和B均不放置任何度数的镜片时，可以从目镜处得到清晰的细条纹，在B处放入的凸透镜度数增加时，条纹逐渐变宽变模糊.

2.2 旋进目镜视度调节手轮的作用

由于实验中使用的凹、凸透镜最小分度值为25度，为了能够测得较为准确的结果，利用目镜视度调节手轮旋进一定的角度来代替在置镜槽A中放置25度以下的凹透镜[5]. 仅当置镜槽B放置25度凸透镜时，目镜中出现模糊的像，见图4(a). 以分光计调整到理想状态时目镜视度调节手轮的位置为零起始点，置镜槽B放置25度凸透镜，同时旋进目镜视度调节手轮. 当模糊的像变清晰时[见图4(b)]记录下手轮共旋进了3圈又180°，即3×360°+180°=1 260°. 将2次实验的结果列于表2中. 由此可知，将目镜视度调节手轮旋进1 260°，则刚好与所加25度凸透镜的近视效果抵消.

(a)镜槽B放25度凸透镜 (b)调节手轮得到清晰的像图4 目镜视度调节手轮对成像的影响

矫正度数近视度数手轮旋进度数目镜成像0250°模糊0251 260°清晰

2.3 潜水镜表面形状对光路的影响

人在水下佩戴潜水镜时，潜水镜内部会保留一部分空气，因此镜片两边分别与水和空气2种不同介质接触. 市场上销售的带度数的潜水镜通常将外表面设计成平面，朝向人眼的一面设计为凹面. 这样制作工艺简单利于加工，且整个镜片呈拱形结构，可以承受一定的水压. 而当潜水深度较深镜片承受较大水压力发生形变时，本来与水接触的平面就变成了凹面.

为探究镜片和介质的接触面的弯曲程度会对近视度数造成的影响，设计了如下4组实验：其中前2组实验在空气中测量以作为后2组的对照. 这4组实验均为目镜视度调节手轮在初始位置且置镜槽A和B分别放置300度凹、凸透镜的情况下进行. 前2组实验水箱中均未盛水且镜片外表面(远离人眼的一面)依次选择为平面和凹面，后2组实验水箱中均盛水且镜片外表面依次选择为平面和凹面. 目镜中观察的图像分别如图5中所示，同时表3中列出了4组实验的结果.

(a) (b)

(c) (d)图5 介质与外表面形状对潜水镜成像的影响

矫正度数近视度数手轮旋进度数是否盛水镜片表面形状目镜成像3003000否平面清晰3003000否凹面清晰3003000是平面清晰3003000是凹面模糊

由上述实验可见：在空气中，凹透镜凹面或平面哪一面朝向光源没有给光线传播带来影响[图5(a)～5(b)]. 而在水下，这一因素将直接影响成像质量[图5(c),5(d)]. 当凹透镜的平面与水接触时，凹透镜在水下对光线的发散作用与空气中一样[图5(a),5(c)]；而当凹面与水接触时，光路则发生了明显变化，此时已经无法在目镜中成像[图5(b),5(d)]，即300度的眼镜已经无法矫正相同程度的近视了.

2.4 潜水镜凹面与水接触时的研究

为了探究当水压力给镜片外表面造成一定程度的弯曲时，镜片在水下的等效度数是增大还是减小，设计了如下实验:实验过程中在置镜槽A放置300度凹透镜且外表面为凹面(以此模拟如果水压力给镜片外表面带来与300度凹透镜弯曲程度相同的变形)，并在置镜槽B中放置300度凸透镜. 在置镜槽A(靠空气一侧)添加1块新的凹透镜，并从25度开始每次递增25度逐一更换此透镜，则置镜槽A中实际的度数应该为300度与新添加的度数之和. 实验发现随着凹透镜度数的增加，目镜成像逐渐清晰. 加入175度和200度时成像较为清晰，而加入225度时成像变得模糊. 说明置镜槽A的总度数应该在475度到500度之间. 则当置镜槽A总度数为475度时，旋进目镜视度调节手轮直到成像最清晰时记录下旋进总角度为570°. 实验中的部分观察图像如图6所示，并在表4中对此进行说明.

(a) (b)

(c) (d)图6 成像质量随矫正度数变化

对应图6的图像矫正度数近视度数手轮旋进度数目镜成像(a)5253000模糊(b)5003000比较清晰(c)4753000比较清晰(d)475300570最清晰

其中矫正度数为置镜槽A的总度数，等于300度加新增的凹透镜度数.

可见，当潜水镜的外表面在水下呈凹面时，潜水员应选择度数大于正常近视眼镜的潜水镜佩戴. 以本文研究为例，如果潜水人员在工作深度的水压给镜面造成与300度凹透镜镜面相同程度的弯曲，则在此工作深度下300度的近视需要佩戴大约486度的凹透镜来进行矫正，且随着深度的增加，镜面弯曲越厉害，应该佩戴度数更大的镜片；随着深度的减小，所需佩戴的度数逐渐接近原本的近视度数. 可见网上流传的在水下应该佩戴近视度数减小约50度左右的眼镜这一结论并不准确.

3 结 论

利用光路回归方法，借助分光计装置对潜水近视镜度数变化问题展开研究. 实验中，光线经过介质的顺序与实际一致，能够真实模拟水下作业情况；利用目镜呈现的图像代替人眼观测，可以明显感知近视程度改变25度带来的变化，较人眼有更好的灵敏度；通过旋进目镜视度调节手轮代替增加25度以下凹透镜的做法，进一步提高准确性；选择镜片与水的接触面为凹面，仿效水下一定深度压力对镜片外表面形状的影响. 研究表明：在潜水深度较浅、水压力较小的情况下，潜水员可以佩戴与陆地近视镜度数相同的潜水镜. 而当潜水到一定深度，不可忽略的水压力会使镜面从平面变为凹面，此时潜水员应佩戴度数较平常稍高的镜片，具体度数要根据水下工作深度做出调整，越深处应佩戴度数越高的潜水镜.