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(21)鱼儿离开水能看得清吗?《颜色-不是你想象的那样》

 钟书神经 2017-06-29


颜色三要素:光源,物体,观察者。前两方面已经非常详细的介绍过,现在开始介绍观察者。观察者分为电脑和人眼,先从人眼开始。


先关注人眼结构。

人眼很复杂,这次主要看晶状体(lens)视网膜(retina)角膜(cornea)


眼睛能看到东西,需要让光线聚焦到视网膜中,其中,让起聚焦作用的结构主要有两个:晶状体和角膜。


  • 晶状体(lens ),相当于照相机的镜头(lens ),英文是一样的。晶状体的重要作用在于通过自身的变形来调节焦点。


  • 角膜(retina) 主要作用是对光线弯曲聚焦。角膜就是眼睛最外面的一层。让外面的光线通过角膜的折射进入到眼睛中。



为什么光线会在角膜上折射呢?


由于不同物质折射率的不同,当光线通过不同介质(物质)传播时,光线会在这两种物质的交界面处产生折射。这两种物质的折射率相差越大,折射更严重。

而角膜就是眼睛和空气的交界面。角膜的折射率是1.376,而空气是1.0003,折射率的差别导致折射。


注意,在晶状体和角膜之间是充满液体,这种液体叫做房水(aqueous humor),房水的折射率跟晶状体的折射率相近。所以光线通过角膜后折射程度比通过晶状体后的折射程度要高。

光线通过角膜 房水 晶状体的折射聚焦到视网膜上,通过视网膜上的神经传到大脑中解析光线形成画像,就是眼睛看到东西的原理。



人眼在水里能看得清吗?


因为人类生活在陆地上,水上面,晶状体基本成型,它通过变形调节焦点的能力有限,一旦眼睛外面的环境变成水,由于水的折射率约为1.31,比空气(1.0003)更接近角膜的折射率,所以水中的光线通过角膜后发生折射程度(几乎不折射)远远低于在空气中的折射程度,而晶状体的调节又有限,以至于不能正确的把光线聚焦到视网膜上,焦点却在眼睛后面。也就是所谓的远视(farsightedness ),俗称老花眼。


所以人眼在水底下看东西时,中远处非常清晰,但近处的东西却看不清。那么鱼呢?如果他们也想我们一样看不清近处的东西,岂不随时游近捕食者的嘴里?




鱼儿在水里和水上能看得清吗?


先看看鱼眼睛的结构。他们跟人类眼睛主要区别有两方面:


  1. 鱼眼睛的晶状体有更大的折射率——光线在鱼眼睛的房水-晶状体界面处折射更厉害。(而人类的房水-晶状体界面处几乎没有折射)这个可以弥补在水中光线在水-角膜中几乎不折射的情况。

  2. 鱼眼睛的晶状体的形状接近完美的球形。之前没有提到界面曲率。界面曲率越大,聚焦能力更强,球形的界面曲率高。


界面曲率越高(越圆),聚焦能力更强


这样高折射率的晶状体及其高界面曲率,给他更强大的聚焦能力,把光线聚焦到视网膜上,而不像水中的人类,光线到了眼睛后面才能聚焦成功,导致远视。


如果鱼儿离开水,原来的低折射的“水-角膜”界面被取代成高折射的“空气-角膜”界面。而鱼眼睛的变焦能力没有变,由于折射更厉害,导致进入鱼眼睛的光线在视网膜前就已经聚焦。也就成了近视眼了(nearsightedness)——中远处的东西看不清,反而看清近处的东西。





所以要想让离开水的鱼儿看得清,给它配一副近视眼镜,或者是充满水的护目镜吧。当然你也不必准备,因为鱼儿离不开水。。。

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