人眼是超宽带超级阵列天线

       The human eye is Super array of UWB antenna

                   都世民（Du Shimin）

人眼是人的感官，也是人脑信息的前端。人能对观察的事物成像、分辨、定位和识别都离不开眼睛这一视觉感官。对于盲人则是另一机制，可以用听觉、嗅觉来定位、识别。本文只涉及视觉感官。

                    1.人眼是照相机吗？

笔者上中学时，教科书上对眼睛的解读是基于光学原理，将其看成照相机。眼科专家庞继景在解读人眼工作原理时，叙述眼睛的结构如下：人的眼睛就像一架传统的照相机，镜头包括角膜，晶状体和玻璃体，光圈就是瞳孔(包括虹膜和睫状体)，底片就是眼后部的视网膜。和相机后部的底片一样，视网膜(有时也叫眼底)，也是物体成像的地方。人的视网膜成像的原理和相机相似。如果照相机的镜头浑浊了，光线就没法进入相机。人的角膜/晶状体/甚至玻璃体混浊都会影响视力。【1】

这种解读比早年中学教科书进了一步，原先只涉及凸透镜成像原理的介绍。这里将视网膜看成照相机成像底片，将人眼成像与照相机成像看成类似。笔者认为这种解读不确切。只是突出透镜成像这一部分。早先是利用感光胶卷成像，如今是利用数字技术成像。如果人眼只具有成像功能，就如同照相机。可是人不仅能观察事物，还能识别、定位和导航。所以将视觉感官看成照相机是不确切的。

             2. 黑视素的“光天线”说法靠谱吗？

2015年5月12日，由科技日报总编圈点的科技报道文章：“光基因学新工具有望治疗感光受体退化性眼病患者”。该文属生物探索类。报道的是瑞士和德国科学家研究团队对小鼠视觉进行的实验研究。文中提及黑视素“光天线”。在光天线上加引号，可以理解为是“强调”、突出这一关键词。另一种可能是比喻，是科普解读。到底是什么含义？无回复！

文【2】指出：研究人员制作出一种嵌合感光蛋白，称为“Opto-mGluR6”，由黑视素（视网膜感光色素）的感光区和ON-双极细胞代谢型谷氨酸受体（mGluR6）拼成。黑视素的“光天线”能抵抗褪色，无论光照射的频率多高，强度多大，嵌合蛋白的反应力度也不会减弱。而mGluR6是化学受体，将其变成光激活受体后，能保证高度的光敏性和快速的“正常”响应性。而且，由于Opto-mGluR6由两种自体视网膜蛋白组成，还可能被免疫系统“放行”。笔者对文【2】提出疑问，有关讨论的博客分别发在光明网和科学网上。【3】

文【2】的作者认为黑视素有“光天线”功能，该如何理解它是“光天线”？

                 3.人眼是超级阵列天线

早先，对视觉感官的内部结构只知其一，不知其二。为什么这样说呢？过去显微技术看不见纳米量级，随着显微技术的发展，近年来对视觉感官的内部结构，微纳层面浮出水面。《科学世界》刊文详述了这一结构及相关问题。【4】

笔者阅读后，思考多日，对其结构和相关问题提出下列看法：人眼是超级阵列天线！

天线型式：

1.视网膜是超级天线阵，其上有上亿个单元。

天线阵面向外有一凸透镜，它由晶状体、玻璃体、睫状体、角膜、瞳孔等组成。此透镜将接收的光波聚焦到阵面上。中心部分是视锥细胞组成，是工作在明亮区，这个区域的直径为2微米。在此区域外，是视杆细胞单元，工作在昏暗区。该天线阵两种工作状态转换时间以秒计。应当指出的是，此凸透镜的的焦距可自动调节，是由晶状体厚度自动改变而调焦。这种结构在现有雷达天线阵中尚未见过。

中国央视曾报道有几位男女，能千米分辨观察事物，超出常人。从天线角度解读应是天线阵增益高或者是天线主波束宽度比常人明显窄。这些看法需要验证。

生物学认为：角膜可以看成白眼球和黑眼球(即瞳孔和虹膜）。黑眼球比白眼球要深一层。晶状体有弹性，能自动改变厚度而调焦，随观察距离改变，瞳孔大小可能改变2到5mm。

晶状体厚度可以变厚或变薄，导致近视或远视，成像会偏离视网膜，应借助眼镜修正。

晶状体是由睫状体包围。并由睫状体伸出的细纤维状小带“悬吊”，睫状体上有环状肌肉组织。看近物时，肌肉收缩导致睫状体小带拉力减弱。晶状体自身固有弹性而变厚，折射率增大。整个晶状体向前移动。眼球的前后距离，即眼轴长度变化也引起近视或远视。眼轴长度变长时，聚焦成像会在视网膜前方，这就是轴性近视。反之就是轴性远视。【4】

2.天线单元有两种：视杆细胞和视锥细胞。

视杆细胞横向尺寸/视锥细胞横向尺寸=2/6(微米)

视杆细胞长度/视锥细胞长度=120/75(微米)

视锥细胞的外节呈粗短圆锥状。

视杆细胞的外节呈细长园柱状。

人眼视网膜内的视杆细胞和视锥细胞  图片来源：Steve Gschmeissner

3.天线工作波长：（λ）

电磁波谱的可见光区波长范围约在0.38～0.76微米之间，是传统航空摄影侦察和航空摄影测绘中最常用的工作波段。可见光辐射光谱中 0.38～0.76 微米波谱段的辐射，由紫、蓝、青、绿、黄、橙、红等七色光组成。人眼可见波长范围：312nm-1050nm。即0.312-1.05微米。正常视力的人眼对波长约为555nm的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。可见光遥感已把工作波段外延至近红外区（约0.9微米）。

如果不考虑人眼中的夜视功能，其工作频段为倍频，属于超宽带。若考虑夜视功能，其工作频段为1：3。

4.单元尺寸与波长的关系：

视杆细胞横向尺寸： 2(微米)/0.738(微米) ≈ 2.7λ

视锥细胞横向尺寸： 6(微米)/0.738(微米) ≈ 8.1λ

视杆细胞长度：     120(微米)/0.738(微米) ≈ 162λ

视锥细胞长度：     75(微米)/0.738(微米)  ≈ 101.3λ

生物学认为：视网膜上的视细胞分为视锥细胞和视杆细胞两种。视锥细胞负责观察明亮状态；视杆细胞负责昏暗的状态。视杆细胞工作在有大量吸光物质。这些物质吸光以后能长时间活着。即便是较弱的光也能感知。视杆细胞的外节呈细长园柱状，细胞整体粗约2微米，长约120微米。外节里挤满了视觉色素的园柱板状结构。视锥细胞呈圆锥状。粗而短，整体粗约6微米，长75微米。大量聚焦于中心窝上。其直经大约2微米，含有视觉色素的板状结构【4】。因视觉色素的园柱板状结构具有吸光性能，它会使阻抗特性的电阻分量增加，频带展宽。对此看法尚要验证。从单元尺寸与波长关系看，现有天线设计尚难理解，需要对视觉色素的化学成份及电性能进行深入研究方可定论。

5.天线扫描范围：

 水平面： ±  120度；  单天线水平面扫描范围 ： ±  145度。

 仰角     55度；

 俯角     75度。

生物学认为：人眼位于头部正面，朝前方。每只眼在水平方向上能看到145度的范围。双眼视野120度。有立体视觉。仰视有55度。俯视75度。

6.天线阵扫描机理

笔者认为相位扫描的可能性大。这移相器的工作原理及控制方法尚要进一步研究。从生物学角度是基因控制。笔者认为这基因的功能相当于雷达系统的集成模块功能。此看法尚要验证。

                        参考资料

【1】眼科专家庞继景: 基因治疗成难治眼底病的克星，来源：人民网， 作者：佚名 日期：2016-02-05 19:46:52 。

【2】光基因学新工具有望治疗感光受体退化性眼病患者，来源：科技日报，2015-05-12 10:00

【3】 黑视素的“光天线”说法靠谱吗？---请教科技日报总编

本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-891267.html  此文来自科学网都世民博客。 
【4】视觉：察觉形态与运动，科学世界，2016年第4期，译者：苏亚帷   。