在泳池裡睜開眼睛會模糊，魚為什麼卻看得清楚？
― 人的眼睛，要有空氣才能對得準焦
在水裡睜開眼睛，眼睛本身並沒有壞掉。失去的是眼睛最外層的「與空氣的交界面」。人眼大約有三分之二的對焦力量，是交給這個交界面負責的。魚的眼睛，從一開始就沒有指望它。
泳池底掉了一把鑰匙，你鼓起勇氣在水裡睜開眼睛想撿起來。眼睛明明是張開的，看到的卻只有模模糊糊的一團色彩。
可是一戴上蛙鏡，同樣的水中景象立刻變得清清楚楚。可見並不是水太混濁。
在同樣的水裡，魚卻能輕鬆找到小小的食物。魚的眼睛裡，到底有什麼祕密呢？
原因大致有兩個
把進入眼睛的光線折彎的，其實是靠外側的角膜，而不是深處的水晶體。不過角膜要能折彎光線，前提是它的外側是空氣。
角膜的成分幾乎都是水。外側也變成水之後，對光來說就像交界面不見了，光線會直接穿過去。
反過來說，如果要打造像魚那樣「一開始就活在水裡的眼睛」，就得用角膜以外的方法來折彎光線。我們依序來看。
光線是在哪裡被折彎的？
光只有在斜著穿過兩種性質不同的物質交界處時，才會改變前進的方向。表示這種彎折難易程度的數值叫做折射率，空氣約為 1.00，水約為 1.33。兩者的差越大，光就彎得越厲害。
人的角膜折射率據說約為 1.38。與空氣的 1.00 相差約 0.38，而且角膜是向前隆起的球面。所以從外面射來的光，在角膜表面就被大幅折向內側。光是這一個步驟，就負擔了眼睛所需對焦力量的大約三分之二。
剩下的三分之一，由深處的水晶體負責。它是看近物時會改變厚度的「微調角色」。也就是說，人眼的構造是分工的：一個負責大幅折彎，一個負責細部調整。
一入水，會發生什麼事？
角膜重量的近八成是水，所以折射率也接近水，只有 1.38 左右。與水的 1.33 相比，僅僅差了 0.05。
對光來說，這樣的差距幾乎等於「沒有交界面」。原本的球面派不上用場，光線幾乎是直直地進入眼睛。光靠剩下的水晶體力量不夠，光線不會聚在視網膜上，而是聚在遠遠的後方。圖 1 的右側就是這種狀態。
蛙鏡有用，並不是因為鏡片有度數。它只是在眼前重新做出一個空氣的小房間，讓角膜的外側再度變回空氣。把失去的交界面還給眼睛，眼睛什麼都不用改變，就能恢復平常的視覺。
魚是怎麼解決的？
魚的角膜外側也是水。所以對魚而言，用角膜折彎光線這招從一開始就用不了。於是魚把折彎光線的工作，整個交給了水晶體。
因此魚的水晶體不像人的那樣扁平，而是近乎完美的球體。它硬得可以用手指捏起來，從眼睛裡取出來看，就像一顆小玻璃珠。而且它的構造是越靠中心折射率越高，雖然只是一顆球，光線卻不會暈開，能聚成一點。
對焦的方式也不同。人是改變水晶體的厚度，魚的水晶體很硬、無法變形。牠改用小小的肌肉，把整顆水晶體往前後移動。做法就像把相機的鏡頭前後伸縮一樣。圖 2 的右側把這個差異並排畫了出來。
企鵝和鸕鶿在空氣中與水中都能發現獵物。這類鳥的角膜彎曲得比較平緩，水晶體的形狀又能大幅改變，所以據說能靠自己補足入水後不足的部分。海獅和海豹則用另一招：把角膜變得幾乎是平的，一開始就擁有適合水中的眼睛。代價是在陸地上，看東西會有點近視的感覺。
戴著隱形眼鏡入水，鏡片不只可能被水沖走，水中的微生物還可能停留在鏡片與眼睛之間。雖然少見，但據說可能引發難以治癒的角膜感染。日本的眼科學會和製造商也建議，游泳時要摘下鏡片，或改用有度數的蛙鏡。
總結
在水裡看起來模糊，並不是眼睛輸給了水，而是因為人的眼睛是以空氣這個「零件」為前提組裝起來的。魚不仰賴那個零件，選擇了另一種答案：球形的硬鏡片。同樣叫做「眼睛」，內部卻是依照不同的設計圖做成的。
人的眼睛，要和空氣搭配才完整。
魚的眼睛，從一開始就是和水搭配才完整。
光在交界面上彎折的現象，在放進水裡的吸管，為什麼看起來是折斷的？這篇裡，能以更貼近生活的形式看到。至於在暗處看不清楚，則是另一套機制，也請一併參考從明亮的地方走進暗室，為什麼一時什麼都看不見？
- 在臉盆裡裝水，把臉貼近水面，用裸眼看放在盆底、有花紋的毛巾。接著戴上蛙鏡再看同一個東西，水明明是一樣的，只有看起來的樣子改變了。
- 在空杯子的底部放一張小圖畫，從上方往裡看。然後靜靜地倒入水，會看到圖畫的位置微微浮了起來。這證明水與空氣的交界面會折彎光線。
- 買整條魚的時候，請看看牠的眼睛部分。在看起來黑黑的部分深處，有一顆又硬又透明的球。你會發現它的形狀和人眼的鏡片完全不同。
把臉浸入水中的實驗，請務必用淺臉盆，並在大人的看護下進行。如果眼睛感到疼痛，請立刻停止，並用自來水沖洗。
想知道更多的人 ― 術語、算式與課本的連結明確標示這是從國中理化到大學專業課程中的哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「基礎物理、物理（波與光）」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄裡的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（生理光學、比較眼科學）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教、目前研究者仍在探究的話題
國中術語：這個現象有名字
- 折射率：表示光在該物質中前進有多不容易的數值。以真空為 1，空氣約 1.00，水約 1.33，角膜約 1.38。
- 屈光力：表示鏡片或球面能把光折彎多少的量。單位是屈光度（diopter），是以公尺為單位量得的焦距的倒數。
- 調節：配合觀看的距離改變對焦的作用。人是改變水晶體的厚度，多數魚則是前後移動水晶體的位置。
國中高中用算式確認：入水後，眼睛會失去多少屈光度？
本文的主題是「角膜在水中會失去多少力量」。我們就用球面折射的公式，把這個量直接算出來。
| 用符號寫 | P ＝ ( N₂ － N₁ ) ÷ R |
| 用文字寫 | 屈光力 ＝ （後側的折射率 － 前側的折射率） ÷ 曲率半徑 |
| 這個公式從哪裡來 | 把光在交界面彎折的規則（折射定律），套用在光線通過眼睛軸線附近的情形，稱為球面折射公式。如果交界面前後的折射率相同，右邊的減法會變成零，折彎的力量也就消失了。 |
| 角膜的折射率 | 約 1.376 |
| 空氣的折射率／水的折射率 | 約 1.000 ／ 約 1.333 |
| 角膜表面的曲率半徑（符號為 R，單位為公尺） | 約 0.0078（7.8 毫米） |
| 整隻眼睛所需的屈光力 | 約 60 屈光度 |
| 與空氣的差距 | 1.376 － 1.000 ＝ 0.376 |
| 空氣中角膜的屈光力 | 0.376 ÷ 0.0078 ≒ 48 |
| 與水的差距 | 1.376 － 1.333 ＝ 0.043 |
| 水中角膜的屈光力 | 0.043 ÷ 0.0078 ≒ 5.5 |
| 入水後失去的部分 | 48 － 5.5 ＝ 42.5 |
| 相當於幾副老花眼鏡（2.5） | 42.5 ÷ 2.5 ＝ 17 |
在整隻眼睛所需的約 60 屈光度中，算起來有 42.5 消失了。老花眼鏡的度數約為 2.5 屈光度，等於一瞬間就少了 17 副老花眼鏡的力量。難怪會模糊。
高中高中＋魚的球形鏡片有多強？
高中魚的水晶體是球形，所以只要半徑確定，焦距也幾乎就確定了。很早以前就知道，焦距約為半徑的 2.55 倍，這個關係稱為馬蒂森比（Matthiessen ratio）。若水晶體半徑是 3 毫米，也就是 0.003 公尺，那麼 2.55 × 0.003 ＝ 0.00765 就是以公尺表示的焦距。水中的屈光力是 1.333 ÷ 0.00765 ≒ 174，大約是人整隻眼睛的 3 倍。連角膜的份也由這一顆球一起扛下來了。
高中＋如果用普通的玻璃球來做這件事，通過邊緣的光會比通過中心的光更早聚焦，影像就會暈開。這種現象稱為球面像差。魚的水晶體是越靠中心折射率越高的漸變折射率鏡片，幾乎能把這個像差抵銷掉。光在鏡片內走出平緩的曲線，這一點和均勻的玻璃球有決定性的不同。
大學模型眼，以及比較眼科學看水中視覺
在眼科學中，會使用把角膜和水晶體換成數個球面的古爾斯特蘭德（Gullstrand）模型眼，來整體處理眼睛的光學。在這個模型中，把外側介質從空氣換成水，就能原樣重現本文的計算，並顯示出約 40 屈光度以上的遠視狀態。漸變折射率鏡片的設計理論，以及水陸兩棲動物的調節機制，是比較眼科學的主要話題之一。
📖 公式的推導與更進階的內容：屈光力（維基百科日文版） ／ 水晶體（維基百科日文版）
研究還沒有完全弄清楚的事
- 漸變是怎麼形成的？ 魚的水晶體折射率的漸變，據說是由名為晶狀體蛋白（crystallin）的蛋白質濃度分布決定的，但身體成長時漸變的形狀如何維持，目前還沒有完整的解釋。
- 人經過訓練能看到多清楚？ 有報告指出，以海為生的人的孩子，在水中裸眼也顯示出很高的視力，一般認為縮小瞳孔是有效的原因。不過訓練能重現到什麼程度，仍在爭論中。
- 兩棲視覺的極限。 在空氣中和水中都能保持高視力的動物，究竟靠調節補足了多少不足，各物種的測量值差異很大，尚未得到統一的解釋。
也就是說，本文的內容同樣是「就目前所知範圍內的說明」。眼睛的光學雖然是歷史悠久的領域，但各種動物的細部構造，至今仍在研究之中。
與課本的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・光的前進／眼睛的構造 | 光在交界面彎折、水晶體與視網膜的作用 |
| 高中 | 基礎物理・物理（波與光、折射定律） | 球面折射公式與屈光力的計算 |
| 高中＋ | 物理進階（鏡片的像差） | 球面像差與漸變折射率鏡片 |
| 大學 | 生理光學・比較眼科學 | 古爾斯特蘭德模型眼、水中視覺的分析 |
| 研究 | 視覺生理學・發生生物學 | 折射率漸變如何形成並維持 |
| ― | 與生活的連結 | 蛙鏡有效的原因、水中要摘下隱形眼鏡的原因 |
- 屈折力 ― ウィキペディア日本語版（維基百科日文版）（屈光力與屈光度的定義）
- 水晶体 ― ウィキペディア日本語版（維基百科日文版）（水晶體的構造與調節）
- 依據古爾斯特蘭德模型眼所得的角膜與水晶體屈光力標準數值，廣泛收錄於眼科學及生理光學的教科書。
- 馬蒂森比（魚類球形水晶體的焦距約為半徑 2.5 倍的關係）。源自 19 世紀 L. Matthiessen 的報告，現在仍被比較眼科學的綜述文章引用。
- 關於戴著隱形眼鏡游泳的注意事項。依據日本眼科相關學會及製造商的一般民眾說明。
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。文中的數值是為了幫助理解機制的參考值或概算。關於眼睛不適或隱形眼鏡的使用，請遵從眼科醫師或製造商說明書的指示。