눈의 광학 시스템

인간의 눈은 각막, 전방안방액, 수정체, 그리고 유리체로 구성된 복잡한 광학 시스템입니다. 눈의 굴절력은 각막 앞면의 곡률 반경, 수정체의 앞면과 뒷면, 그리고 두 면 사이의 거리, 그리고 각막, 수정체, 방수, 그리고 유리체의 굴절률에 따라 결정됩니다. 각막 뒤면의 굴절력은 각막 조직과 전방안방액의 굴절률이 동일하기 때문에 고려되지 않습니다(알다시피, 광선의 굴절은 굴절률이 서로 다른 매질의 경계에서만 가능합니다).

전통적으로 눈의 굴절면은 구면이고 광축이 일치하여 눈은 중심계라고 여겨졌습니다. 하지만 실제로 눈의 광학계는 많은 오차를 가지고 있습니다. 각막은 중심부에서만 구면이고, 수정체 외층의 굴절률은 내층의 굴절률보다 낮으며, 서로 수직인 두 평면에서 광선의 굴절도는 서로 다릅니다. 또한, 눈마다 광학적 특성이 크게 다르기 때문에 이를 정확하게 측정하기가 쉽지 않습니다. 이러한 모든 요인들이 눈의 광학 상수 계산을 복잡하게 만듭니다.

광학 시스템의 굴절력을 평가할 때는 일반적인 단위인 디옵터(약칭 dptr)를 사용합니다. 1 dptr은 주초점거리가 1m인 렌즈의 굴절력을 나타냅니다. 디옵터(D)는 초점거리(F)의 역수입니다.

D=1/F

따라서 초점거리가 0.5m인 렌즈는 굴절력이 2.0dptr, 초점거리가 2m인 렌즈는 0.5dptr입니다. 볼록(수렴) 렌즈의 굴절력은 플러스 부호로, 오목(발산) 렌즈의 굴절력은 마이너스 부호로 표시하며, 렌즈 자체를 각각 양수와 음수라고 합니다.

양의 렌즈와 음의 렌즈를 구분하는 간단한 방법이 있습니다. 이를 위해서는 렌즈를 눈에서 몇 센티미터 떨어진 곳에 두고, 예를 들어 수평 방향으로 움직여야 합니다. 양의 렌즈를 통해 물체를 볼 때, 상은 렌즈의 움직임과 반대 방향으로 움직이고, 음의 렌즈를 통해 볼 때는 반대로 같은 방향으로 움직입니다.

눈의 광학 시스템과 관련된 계산을 수행하기 위해, 많은 수의 눈을 측정하여 얻은 광학 상수의 평균값을 기반으로 이 시스템의 단순화된 구성표가 제안되었습니다.

가장 성공적인 것은 1928년 V.K. 베르비츠키가 제안한 도식적 축소 눈이다. 그 주요 특징은 다음과 같다. 주요 평면이 각막 정점에 닿는다. 각막 정점의 곡률 반경은 6.82mm이다. 전후 축의 길이는 23.4mm이다. 망막의 곡률 반경은 10.2mm이다. 안구 내 매질의 굴절률은 1.4이다. 전체 굴절력은 58.82 디옵터이다.

다른 광학 시스템과 마찬가지로 눈은 다양한 수차(라틴어 aberratio - 편차)에 노출됩니다. 이는 눈의 광학 시스템에 결함이 생겨 망막에 맺히는 물체의 상의 질이 저하되는 현상입니다. 구면 수차로 인해 점광원에서 나오는 광선이 한 점이 아닌 눈의 광축 상의 특정 영역에 모입니다. 결과적으로 망막에 빛의 산란이 원을 이루게 됩니다. "정상적인" 사람의 눈에서 이 영역의 깊이는 0.5~1.0 디옵터입니다.

색수차로 인해 스펙트럼의 단파장 영역(청록색)의 광선이 눈에서 각막으로부터 교차하는 거리가 스펙트럼의 장파장 영역(적색)의 광선보다 짧습니다. 눈에서 이 광선들의 초점 간격은 최대 1.0 Dptr에 달할 수 있습니다.

거의 모든 눈은 각막과 수정체의 굴절면이 이상적인 구면도를 이루지 못하여 발생하는 또 다른 수차를 가지고 있습니다. 예를 들어, 각막의 비구면도는 가상의 판을 사용하여 제거할 수 있습니다. 이 판을 각막에 부착하면 눈이 이상적인 구면 시스템으로 변합니다. 구면도의 부족은 망막에 빛이 고르지 않게 분포되는 결과를 초래합니다. 발광점이 망막에 복잡한 상을 형성하여 최대 조도 영역을 구분할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 이러한 수차가 최대 시력에 미치는 영향에 대한 연구가 "정상" 눈에서도 활발하게 진행되어, 시력 교정 및 소위 감독(예: 레이저)을 목표로 하고 있습니다.

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눈의 광학계의 형성

다양한 동물의 시각 기관을 생태학적 측면에서 살펴보면 굴절의 적응적 특성, 즉 동물 종에게 생활 활동 및 서식지의 특성에 따라 최적의 시각 방향을 제공하는 광학 시스템으로서의 눈의 형성을 확인할 수 있습니다. 인간이 주로 정시안에 가까운 굴절력을 가지고 있다는 것은 우연이 아니라 역사적, 생태학적 조건으로 인한 것으로 보이며, 이는 다양한 활동에 따라 먼 거리와 가까운 거리의 물체를 가장 선명하게 볼 수 있도록 해줍니다.

대부분의 성인에서 관찰되는 정시안으로의 규칙적인 굴절 변화는 눈의 해부학적 구성 요소와 광학적 구성 요소 사이의 높은 역상관 관계로 나타납니다. 즉, 눈의 성장 과정에서 광학 장치의 더 큰 굴절력과 더 짧은 전후축이 결합하는 경향, 또는 반대로 더 긴 축과 더 낮은 굴절력이 결합하는 경향이 나타납니다. 결과적으로, 눈의 성장은 조절되는 과정입니다. 눈의 성장은 단순한 크기의 증가가 아니라, 환경 조건과 종 및 개체의 특성을 지닌 유전적 요인의 영향을 받는 복잡한 광학 시스템으로서 안구의 방향성 있는 형성으로 이해되어야 합니다.

눈의 굴절을 결정하는 두 가지 요소, 즉 해부학적 요소와 광학적 요소 중 해부학적 요소가 훨씬 더 "움직이기" 쉽습니다(특히 전후축의 크기). 눈의 굴절 형성에 대한 신체의 조절 효과는 주로 해부학적 요소를 통해 실현됩니다.

신생아의 눈은 일반적으로 굴절력이 약한 것으로 알려져 있습니다. 아이들이 성장함에 따라 굴절력이 증가합니다. 원시의 정도는 감소하고, 약한 원시는 정시안으로, 심지어 근시로 변하며, 경우에 따라 정시안인 눈은 근시로 변합니다.

생후 3년 동안 눈은 급속도로 성장하고, 각막 굴절률과 전후축 길이가 증가합니다. 전후축 길이는 5~7세가 되면 22mm에 이르러 성인 눈 크기의 약 95%에 이릅니다. 안구 성장은 14~15세까지 지속됩니다. 이 시기에는 안구 축 길이가 23mm에 가까워지고, 각막 굴절력은 43.0 디옵터에 이릅니다.

눈이 성장함에 따라 임상 굴절의 변동성은 감소합니다. 굴절성은 천천히 증가하여 정시안 쪽으로 이동합니다.

생후 첫 몇 년 동안 굴절의 주된 유형은 원시입니다. 나이가 들면서 원시의 유병률은 감소하는 반면, 정시안 굴절과 근시는 증가합니다. 근시의 빈도는 특히 눈에 띄게 증가하는데, 11세에서 14세 사이에 시작하여 19세에서 25세 사이에 약 30%에 이릅니다. 이 시기에 원시와 정시안의 비율은 각각 약 30%와 40%입니다.

어린이의 눈 굴절 유형별 유병률에 대한 정량적 지표는 저자마다 크게 다르지만, 연령이 증가함에 따라 눈 굴절이 변화하는 위에서 언급한 일반적인 패턴은 그대로 유지됩니다.

현재 아동의 평균 연령별 굴절률 기준을 확립하고 이를 활용하여 실질적인 문제 해결에 활용하려는 시도가 진행 중입니다. 그러나 통계 자료 분석 결과에서 알 수 있듯이, 같은 연령대 아동의 굴절률 차이는 매우 크기 때문에 이러한 기준은 조건부로만 적용될 수 있습니다.

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