配眼镜的时候，为什么医生拿光照一照眼睛就能知道度数？
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给孩子最好的科学教育
作者 七君
现在近视的小朋友们很多，所以很多人都有配眼镜的经验。去配眼镜的时候，验光的医生拿一束光照一下眼睛，再比较一下几个镜片，就可以得到近视或远视的度数了。不管是不识字的小孩，还是年纪很大的老头老太，甚至不会说话的动物，都是这么验光的。医生们是怎么做到的？
验光的方法，叫做视网膜检影（retinoscopy），要取得的数据，就是你眼球里晶状体弯曲光线的程度——屈光度（屈光度等于焦距的倒数）。
用来做视网膜检影的仪器本质上就是一个会发光的镜子。
它的内部基本构造是这样的——
验光医生可以通过视网膜检影仪的小洞观察小朋友的眼睛。
那么，医生看的是什么呢？
实际上医生看的是光照射到你的视网膜上后反射回来的红色光斑，也就是视网膜红反射（red-reflex）的形状和移动规律。这个光斑是红色的，因为你的视网膜上布满了血管，它和照相机拍到的红眼是相同的原理。
那么，视网膜检影的具体原理是什么？
咱们知道，晶状体就像一个凸透镜，可以聚光。
那么远方来的一束平行光聚在哪里呢？就是晶状体的焦点的地方。
对于既不近视，也不远视的人来说，这个焦点的位置，恰好就在视网膜上，视网膜上密布着接受光的细胞，所以视力正常的人看到的图像非常清晰。
近视眼的人呢，焦点落在视网膜前面，远视眼的焦点落在视网膜后面，所以这两类人看东西都看不太清楚。
远视眼的晶状体焦点落在视网膜后面
如果在晶状体前面加一个镜片，就像给晶状体加一个假肢一样，这样平行光就会聚到视网膜上，那么你就能看得清远处的东西了。不过要这么干，就需要知道你的晶状体的屈光度。
有些人可能会说，这谁都知道啊，中学老师都会教，也太简单了吧。
是很简单，可是问题在于，我怎么在不切开眼睛的情况下知道晶状体的屈光度是多少呢？
就拿视力正常，晶状体焦点落在视网膜上的人来说吧，如果入射光是一束平行光，那么它们都会汇聚到视网膜上焦点的位置；而这些光线在视网膜上反射后，从晶状体中射出来的光线总是一束平行光——
同理，近视眼里射出来的光是会聚的，就像这样——
远视眼里射出来的光是发散的，就像这样——
好了，那么问题就来了，验光医生不是站在边上看，他们是正对着你的眼睛看，所以他们怎么知道射出来的是什么样的光，这束光会聚在哪里呢？
这里就要强势插入傅科刀口检验法（foucault knife-edge test）了。
傅科刀口检验法是法国物理学家莱昂·傅科（Léon Foucault）在1858年发明的。它的原理是酱紫的。
如果你用一把刀，夸叉砍在光会聚之前，那么随着傅红雪的刀，哦不傅科刀的移动，你看到的光斑应该是逆向躲开的对吧。
同理，如果傅科刀劈在光线越过了焦点之后，此时光线已经发散，那么你看到的光斑应该是顺着傅科刀一起走的。当然平行光也是。
如果傅科刀正好劈在焦点上，那么你就会看到一片漆黑，这时候只要傅科刀稍微动一动，你就会看到画面中 chua 突然出现了一个光斑。
Emmm，也就是说，我只要搞一把傅科刀来移动一下，不就可以判断你的眼睛射出来的光究竟是平行的，发散的，会聚的，以及是不是会聚在焦点上了吗？
换句话说，我不是可以判断你是近视还是远视了吗？
那么屈光度咋算呢？
这好办，我再给你搞一块镜片，调整你的四眼整体屈光度，让你的眼睛反射出来的光线正好会聚到傅科刀这里，那么我就可以得到下面这样一个光路。
有了这个光路，那么我不就可以根据最基本的光学成像原理算出你的晶状体+镜片的屈光度数了吗？
加个正确屈光度的镜片，就能得到像这样子的光路，接着就可以用基本的光学成像原理（1/(f) = 1/(dO) + (1/dI)）计算晶状体的屈光度了。f是焦距，dO是物体和镜头的距离，dI是像和镜头的距离。
再根据镜片的屈光度，不就能算出你的晶状体的度数了吗？简直天才。
那么，要到哪里去找这么好用的傅科刀呢？
这不视网膜检影仪本身就是吗。视网膜检影仪既可以观察光线，上面的观测孔也可以移来移去切割光线，变成傅科刀。
所以利用傅科刀口检验法，验光医生想要看到的完美结果是一个圆不溜丢的光斑，而且仪器一旦移动，这个光斑就会消失。效果差不多就是这样的——
只要能看到这个光斑，就说明视网膜检影仪正好位于你眼睛射出来的光会聚而成的焦点上。这样就可以计算出你的眼睛屈光度了。
但是在这之前，验光医生要先判断你到底是近视还是远视。这很简单。
比如你是远视眼。
我们刚才说过，远视眼的晶状体焦点在视网膜后面，入射光无法汇聚在视网膜上，所以在被视网膜反射，再经过晶状体折射以后，它们是发散的，会跟着视网膜检影仪一起运动，也就是说跟着图片里眼睛边上的光条运动——
然后医生给你加一块镜片，继续观察。如果加的度数对，那么你眼睛里的光斑就会越来越亮，因为接近焦点的光线更为集中。反之会越来越暗。
同理，对于近视眼来说，晶状体焦点在视网膜前面，眼睛里反射出来的光是会聚的，而且它的移动方向恰好和入射光相反（against movement）。所以凭这一点验光医生可以判断这个人有近视眼。
近视眼的话，在晶状体前面加一块凹透镜，就可以让反射出来的光线会聚到视网膜检影仪这里，大功告成。
还有些小朋友是散光，散光其实是晶状体横轴和纵轴的焦距不一致造成的。验光医生比对2个方向的屈光度，也可以帮你制作特殊的镜片。
散光的人，晶状体（黑色）的横轴（红色）上的焦点，和纵轴（绿色）上的焦点不在一起。
最后，验光医生看一眼那个适用于你的晶状体的玻璃片的度数后，还要再根据光学原理减去一个工作距离（working distance），就可以得到你的真实的屈光度了。
视网膜检影技术是在1872年由一个叫 Ferdinand Cuignet 的法国军医发明的。这147年来，多少小朋友再也没有借口因为看不清字而不用做作业了。
军医叔叔的发明简直大（sang）快（xin）人（bing）心（kuang）啊！
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