第二章 理論基礎

2.1     2.2    2.3     2.4    2.5

2.1 眼球結構及其運動機制

　　眼睛是人類獲得外界資訊的大門，對人們來說是一個非常重要的器官，因此安全是我們在設計一套眼控殘障輔具時的第一考量因素，吾人必須先了解眼球之基本結構、工作模式及其對刺激之物理與生理反應，以作為設計追瞳器的基礎和規範。

2.1.1 眼睛的構造

　　眼球的直徑約2.5公分，由外至內分別由鞏膜、脈絡膜及網膜所包住，如圖2.1所示[8]。脈絡膜的前端再變成三種結構：睫狀體、懸韌帶及虹彩。眼球的內部可分為前後兩腔。前腔又分為前後二房，內有房水。後腔內為玻璃體，可維持一定的眼壓，防止眼球崩陷。

圖2.1 眼球之構造

圖2.2 眼球之截面圖

　　圖2.2所示為眼球之截面圖[9]。其中鞏膜是高密度而強韌、無彈性的組織，可以維持眼球的形狀，鞏膜外表呈白色，內面呈棕色，有血管和神經嵌在其中。其前方除了角膜外，還被覆一層結膜。脈絡膜為一佈滿血管的柔軟膜層，並在眼球前端進入睫狀肌內。角膜下有一層彩色環即為虹彩，虹彩可使瞳孔擴大或縮小。輻狀肌肉在光線弱時會收縮，使瞳孔變大。在光線強時，輻狀肌肉鬆弛，環狀肌肉收縮而使瞳孔孔徑變小。圖2.3顯示不同照度下的瞳孔直徑變化[10]。另外，眼睛顏色也受虹彩前後之彩色細胞層的影響。

　　虹彩和瞳孔的後方有一個像放大鏡的圓盤稱為水晶體。光線進入眼睛時，由水晶體將之折射使其聚集在眼球後方的視網膜上。其邊緣的睫狀肌可使水晶體鬆弛變厚，可看見近距離的東西；或將之拉緊，使其焦距變長，可看見遠方之物。充滿在晶狀體和視網膜之間的玻璃體為透明無色膠狀物，占眼球內腔的五分之四，約4.6毫升，內含水份約99%，具有支撐眼球壁的作用。

圖2.3 不同照度下的瞳孔直徑

　　視網膜大部分由視神經構成，據估計，人類的網膜約包含了一億二千五百萬個桿狀細胞及七百萬個錐狀細胞。這兩種細胞是由其外型而得名，並在網膜中扮演不同的角色。桿狀細胞對弱光敏感，在微光或昏暗時發生作用，但卻無法分辨顏色，稱為夜晚視覺。而錐狀細胞只能在適當光線下作用，卻能明確分辨物體的輪廓及色彩，又叫白天視覺。

2.1.2 眼球運動機制

　　眼球有內在和外在兩組肌肉，內在的肌肉是虹彩和睫狀肌，可調節瞳孔的大小和水晶體的焦距。外在的肌肉有六條，如圖2.4所示[11]，可以控制眼球的轉動，每一條肌肉之功能[11]說明如下：

1. 上直肌(superior rectus)：使眼球上轉。
2. 下直肌(inferior rectus)：使眼球下轉。
3. 外直肌(lateral rectus)：使眼球外轉。
4. 內直肌(medial rectus)：使眼球內轉。
5. 上斜肌(superior oblique)：使眼球在它的軸上旋轉，角膜向下外側方做斜向運動。
6. 下斜肌(inferior oblique)：使眼球在它的軸上旋轉，角膜向上外側方做斜向運動。

圖2.4 控制眼球運動的六條眼肌

　　人類之所以需要眼球的運動，乃由於大部分視網膜的解像力（resolving power）很差。空間敏感度（spatial sensitivity）最高的部位集中在中央小窩（fovea）。所以為了能看清楚視標物，人類必須移動眼睛，以使視標物正好落在兩眼敏感的中央小窩上。

圖2.5 A純轉向，B純轉斜，C轉向、轉斜組合

　　眼球的運動包含轉向（version）或轉斜（vergence）兩種成分，如圖2.5所示[12]。轉向運動係由凝視移位兩等距視標所構成，是一種共軛式的運動。也就是說，兩眼一起移動凝視目標，其視角均相等。轉斜運動係由凝視遠近不同之二視標所構成，屬於一種非共軛式的運動。也就是說，當兩眼運動時，其視角有所改變，以使視網膜的影像落在兩眼的中央小窩上。

　　眼球的運動系統（motor system）是由前運動系統(premotor system)發佈訊號來控制。運動系統及前運動系統構成了終端共同路徑（final common pathway）。終端共同路徑接受四個控制系統所發佈的訊號：1.前庭（vestibular），2.視運動（optokinetic），3.追蹤（pursuit），4.跳視（saccade），如圖2.6所示[13]。每個控制系統之特定功能如下[13]：

1. 跳視運動（saccade movement）：只要有新的視標物出現在視野的周圍時，它就發射脈動產生器（pulse generator），產生一種快速的眼球運動，將此新的視標物置於中央小窩上。
2. 追蹤運動（pursuit movement）:負責監視著視標物的移動且產生追蹤式（tracking）的運動，使眼睛盯住視標物，保持視標物落在中央小窩上。
3. 前庭運動（vestibular movement）:接受半規管傳來的刺激之調整運動，其作用在使頭部移動時，保持視覺之平衡。
4. 視運動（optokinetic）:校正頭部平衡運動，負責保持視標物落在中央小窩上。它與前庭運動各自負責工作，而聯合起來時，產生一種代償性的眼球運動，以使眼睛能盯住目標。

圖2.6 眼球運動控制系統組合

2.1.3 光對眼睛的影響

　　若對眼球直接照射的曝光量大於一個臨界值，不論哪一個波段的光源，都將對眼球造成傷害。眼球中各組織對光源的吸收率都不相同，且同一組織對不同波段的光源其吸收率也不相同。圖2.7即為眼睛中各種組織在不同波長下的吸收特性[10]，因此不同波段的光源可能對眼睛所造成的傷害也就不同，如表2.1所示[14]。

表2.1 不同波段之光源可能對眼睛造成之傷害　

1:角膜 2:房水 3:水晶體 4:玻璃體

圖2.7 眼睛中各種組織在不同波長下的吸收特性

　　紅外線在生物學上常依其波長分為三帶：IR-A: 760nm~1400nm，IR-B: 1.4m~3m，IR-C: 3m~1mm 。在紅外線波段所引起的傷害主要是白內障，視網膜和角膜的灼傷，以及在低強度光源情況下熱輻射所產生的熱壓。

圖2.8[10]是視網膜在不同波長光源下的吸收率與傳導率。在波長0.4m到1.4m的區間內，視網膜都有一定的吸收率，如果曝光量過多的話，將會產生視網膜的灼傷，所以又稱為『視網膜傷害區』[10]。

圖2.8 視網膜在不同波長光源下的吸收率與傳導率