现代视觉有几大新发现？

——-现代视觉的新问题〔2〕

都世民

摘要：本文主要讨论现代视觉有几大重要新发现？麦克斯韦的鱼眼透镜；古尔斯特兰突出贡献；休伯尔和维泽尔发现了什么？微小光学新发现。最后做简单的讨论。

关键词：现代视觉，麦克斯韦，古尔斯特兰德，休伯尔，微小光学。

麦克斯韦的鱼眼透镜

·1854年，麦克斯韦还是年青时代，就开始研究人眼和动物眼睛，发表了“鱼眼透镜”论

文，提岀了球对称梯度折射率的概念。麦克斯韦还想弄清动物眼的色感之谜。

      科學家麥克斯韋 (1831年～1879年) 

1854年，麦克斯韦(J.C.Maxwell) 研究了非均匀介质的光学性能，从理论上论证了一种对某点呈球对称的折射率分布函数，并指出在这种介质空间区域中的每一点，都能无像差地锐成像在其共轭点，这就是著名的麦克斯韦“鱼眼透镜”。这种透镜虽然在理论上有十分重要的意义，但在工艺制作上几乎是无法实现的，因麦克斯韦最早提出对梯度折射率介质的理论模型。因此有人称作“绝对光学仪器”。其实这种说法不确切。

·Maxwell提出一类鱼眼透镜，证明所有的光线都会以圆的形式传播并回到出射点。这样的一类器件被称为绝对无像差器件，后来被广泛应用于保角变换光学的隐身设计。后来，人们还发现，如果引入适当的主动吸收，可构造完美成像。

以上两种说法有些不同。前者说法比较准确。

(Maxwell J C. Cambridge and Dublin Math. J. Lodon:Cambridge University. Press,1854。)

1854年，科學家麥克斯韋发表魚眼透鏡論文。1862年古尔斯特兰德在古爾斯特蘭出生前就

已經發表，為什麼诺贝尔奖得主古尔斯特兰德卻不知道呢？為什麼1911年诺贝尔奖得主是古尔斯特兰德？

古尔斯特兰德的突出贡献

1911年，Youknow.古尔斯特兰德對人眼睛研究作出突破性貢獻。可以歸納如下：

1)古尔斯特兰德，A. (Allvar Gullstrand）,是瑞典眼科医生，生理光学家。他对眼屈光学的研究做出了巨大贡献！眼屈光

学是基于几何光学，他提出有关人类眼睛模型眼的新概念。

古尔斯特兰德，A

右上图为正常眼聚焦，右下图为散光眼聚焦（图源于网络）

2)建立视觉成像理论，在视网膜上成像，阐明了近视调节的机理，归纳出光学成像的一般定理，并得到了各国学者的承认。

3)研究人眼的调节机制。通过对目镜结构的研究，得出自动调节，即眼睛自行调整以适应不同距离特有的视像的功能，是晶状体表面曲率的变化和眼内纤维重新调整的结果。

4)最早研究角膜的散光。散光是眼睛无法将平行的光线聚焦在视网膜的同一个焦点上。

5)发明狭缝灯（狭缝灯是一种带灯的显微镜，可以把眼的前部结构高倍放大，便于医生检查），直到今天，我们的眼科医师仍在使用；

6)发明了无反射检眼镜，使医生们检查眼病更加便利；他还发明了一种白内障手术。

7)他的有关几何光学和生理光学的观点,都记述在他重订的H.(L.F.)赫尔姆霍茨的《生理光学手册》一书的注释中。

8)他曾为因白内障而取出晶状体,为患者设计一种非球面透镜片眼镜。

休伯尔和维泽尔发现了什么？

·植入脑内微电极谁发明的？

植入脑内微电极只记录单个细胞的活动，又必须足够牢固到可以插入脑内，而且还要能可靠地逐渐向脑内推进，能够与细胞贴合，还能够降解。这一想法是谁发明？没有查到确切的根据。也就是说植入电极的方法不是休伯尔发明的。他做医生的时候，对视觉问题从未涉足。他受到美国神经科学家哈特兰和匈牙利裔美国神经科学家库夫勒有关视觉感受野的论文的影响产生了兴趣。

休伯尔发明钨丝电极，用来研究脑功能。他的研究团队通过比较猫在清醒和睡眠时视皮层的自发活动和对光刺激的反应。研究视皮层细胞对弥散光的反应，此工作两年前已经有人做过。

·发现初级视皮层细胞朝向有选择性

休伯尔和维泽尔把微电极植入初级视皮层的神经细胞里，光刺激投射到屏幕上，让猫看屏幕。光刺激器用一台眼底镜改装而成，可以将背景光和光点刺激投射到视网膜上。仪器上有一道狭缝用于插入金属薄片，薄片上开有大小不同的小孔以透光。实验中，猫脸朝上，实验者可以看到微电极插在视网膜的什么地方，也可以看到光点所落之处。他们发现玻璃片的边缘在视网膜上形成一条阴影，也就是说，这条暗直线刺激了细胞的感受野，这就是引起这个细胞发放所需要的刺激。要引起这个细胞反应，直线的朝向还只能落在15°左右范围里。朝向在15°范围之外，暗直线就不会引起该细胞反应。

·发现视觉功能柱图

休伯尔和维泽尔发现，初级视皮层有一块1mm见方的区域，其中所有神经细胞的感受野都集中在视觉空间的某个区域里，并且相邻细胞的最优朝向在 0°～180°的范围内，有规则地连续变化。在厚度为2mm的垂直范围内，每个细胞的最优朝向都是一样的，他们称之为“朝向功能柱”。

另外，初级视皮层里的细胞有的对来自左眼的刺激反应强，有的则对来自右眼的刺激反应强。它们各自靠近成群细胞，并且在厚度为 2mm的垂直范围内，每个细胞的主宰眼也完全一样。他们还发现，左眼主宰还是右眼主宰的细胞群，也是交替排列的，组成了他们所谓的“眼优势功能柱”（图2）。

到20世纪80年代初，休伯尔和利文斯顿 (Livingstone) 才发现初级视皮层的功能柱中还有些小的斑块，其细胞对朝向不敏感，但对一定波长的光敏感。休伯尔后来也都觉得奇怪，

图2. 初级视皮层中的功能柱结构

上图：当记录电极的位置沿着皮层表面的方向一点点逐渐移动时，所记录到的细胞的最优朝向也一点点地改变；

下图：朝向功能柱加上眼优势功能柱一起构成了皮层模块。图中白条的朝向表示相应细胞的最优朝向，蓝色圆斑中的细胞并没有朝向选择性，只在皮层的Ⅲ、Ⅳ两层中才有，后来才发现它们对刺激光的波长敏感。

·视皮层可塑性的发现

休伯尔和维泽尔最后采取了单眼睑缝合法。他们用的幼猴出生天数不同，眼睑缝合的时长也不同。最终发现，刚出生几周的幼猴，虽然初生具有正常的功能柱，但将其一只眼睑缝合若干天后，视皮层就发生了显着的变化：对缝合眼能产生反应的细胞大为减少，而非缝合眼则占据了缝合眼原来对应的皮层区域。并且缝合时动物的年龄越大，单眼视觉剥夺对皮层改变的影响越小。

微小光学新发现

〔1〕什么是微小光学？

·微小光学是从制作工艺和光学元件尺度来看光学的发展，光学可以分成宏观光学、微小光学和纳米光学三个发展阶段。

·微小光学是微米尺度范围内的光学。它研究的是微米尺度光学元件的光学微加工工艺及光信息在这类光学元件中传播、变换、成像的物理机理和应用的前沿学科。

·微小光学的产生是受科学技术信息化和智能化的推动，微小光学的发展反过来又大大促进科学技术信息化和智能化的发展。微小光学的产生将麦克斯韦电磁理论和“鱼眼透镜”模型拓展到微观层面。

〔2〕微小光学与眼的关联

·1974 年，我国龚袒同教授提出变折射率概念。变折射率介质的折射率不是常数，而是按一定规律变化的。因此，变折射率介质是一种非均匀介质，也有人称为祶度折射率介质（GRIN）或渐变折射率介质。

·变折射率介质常见有三类：第一类是轴向变折射率介质；第二类是径向变折射率介质；第三类是球向变折射率介质，其折射率分布是以某一定点为中心，沿径向连续变化，其等折射率面是以这一定点为中心的同心球面。

·微小光学专家利用麦克斯韦电磁理论和“鱼眼透镜”模型研究分析认为人眼是水晶体，是变折射率类型；

·微小光学专家认为人眼是成像装置。

·微小光学专家介入这项研究，由于跨学科，不了解视网膜结构，但视细胞尺寸是微米尺度，细胞间距是纳米尺度，工作波长也是纳米尺度，有待进一步研究。

以上几个重要发现,构建了现代视觉的研究基础，它们之间的关联将继续讨论。