Упрощенная оптическая схема глаза




Восприятие света человеческим глазом

Человеческий глаз интересует нас с двух точек зрения:

- как оптическая система, созданная природой;

- как приемник изображения, с которым работают оптические приборы.

Строение глаза

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. (рис.: горизонтальный разрез правого глазного яблока). Нормальной считается длина глазного яблока 24 мм.

 

Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г. Тонкая сосудистая пластинка - радужная оболочка - является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочкезрачок - свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка изменяется непроизвольным мышечным усилием (1 ¸ 8 мм).

Замечание: Помимо сосудов радужная оболочка содержит большое количество пигментных клеток - в зависимости от их содержания и глубины залегания радужная оболочка имеет различный цвет. Когда в радужной оболочке нет никакого цветного вещества, то она кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света и иногда страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу. Она крепится на мышцах ресничного тела, которое обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом. Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга.

Замечание: Большинство чувствительных к свету клеток (рецепторов) сетчатки – палочки и колбочки – непосредственно не связаны с нервами, которые идут в головной мозг, а разделены на группы и связаны друг с другом. Это означает, что информация частично осмысливается в сетчатке путем анализа информации от разных рецепторов. Другими словами, современная анатомия рассматривает сетчатку глаза как часть мозга, т. к. глаз выполняет функции, свойственные мозгу.

Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз. Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятноучасток наиболее ясного (четкого) видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью, она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.

Упрощенная оптическая схема глаза

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза – сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическая система глаза чрезвычайно сложна, поэтому при расчетах хода лучей обычно пользуются упрощенными, эквивалентными истинному глазу "схематическими глазами" (рис.).

Оптическую систему глаза составляют: роговица, водянистая влага, хрусталик, стекловидное тело. Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:

,

где f'заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах.

Преломление света происходит в основном на поверхностях роговицы и хрусталика (табл. ниже).

 

Аккомодация

Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза. Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну.

В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения бесконечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близкие предметы. Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза (в состоянии покоя), называют дальней точкой глаза, а при наибольшем напряжении - ближней точкой глаза. Если глаз аккомодирован на бесконечность, то задний фокус совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около a = см (рис., табл).

 

В состоянии покоя В состоянии наибольшей аккомодации
пов-ти радиус кривизны осевое расстояние показатель преломления радиус кривизны осевое расстояние показатель преломления
  7,7 0,5 1,376 7,7 0,5 1,376
  6,8 3,1 1,336 6,8 2,7 1,336
  10,0 3,6 1,386 5,33 4,0 1,386
  -6,0   1,336 -5,33   1,336
  Оптическая сила D = 1/f' = 58 дптр Оптическая сила D =1/f' = 70 дптр

 

Разность обратных величин расстояний между ближней и дальней точкой называют диапазоном аккомодации глаза (измеряется в дптр).

Расстояние наилучшего зрения – это расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета. В среднем расстояние наилучшего зрения составляет около 25-30 см, хотя для каждого человека оно может быть индивидуальным.

Замечание: С возрастом способность глаза к аккомодации постепенно уменьшается. Это явление называется возрастной дальнозоркостью (или пресбиопией).

Примеры:

В 20 лет для среднего глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации 10 дптр), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2,5 дптр), а к 60 годам уходит на бесконечность, то есть аккомодация прекращается.

 

Поле зрения глаза

Общее поле зрения глаза огромно, по сравнению с каким-либо оптическим прибором: 125° по вертикали и 150° по горизонтали. Но в действительности для ясного различения используется лишь ничтожная часть этого поля:

- поле наиболее совершенного зрения, соответствующее центральной ямке, 1¸1,5 °;

- поле достаточно удовлетворительного зрения в области всего желтого пятна около 8° по горизонтали и 6° по вертикали;

- вся остальная часть поля зрения служит только для грубого ориентирования в пространстве.

Вследствие этой особенности светочувствительного аппарата глазу для обозрения окружающего пространства приходится совершать непрерывное вращательное движение в своей орбите. Глазное яблоко может вращаться в пределах 45 ¸50 °. Это вращение приводит изображения различных предметов на центральную ямку и дает возможность рассмотреть их детально. Движения глаза совершаются без участия сознания и, как правило, не замечаются человеком.

 

 

Сетчатая оболочка – это сложное переплетение нервных клеток, связывающих друг с другом рецепторы, и нервных волокон, соединяющих нервные клетки между собой и связывающих глаз с корой головного мозга. Основными светочувствительными элементами (рецепторами), которые преобразуют падающее световое излучение в электрические импульсы, являются два вида клеток:

1) в виде стебелька, называемые палочками (высота 30 мкм, толщина 2 мкм) - обладают большей чувствительностью (порог чувствительности 10-6 лк), но не различают цветов (строго говоря, чувствительны только к длинам волн от 400 до 650 нм с максимумом при 515 нм), т.е. являются аппаратом сумеречного зрения (зрения при слабом освещении); сумеречное зрение различает только ахроматические цвета – серые полутона; в палочках находится особый пигментродопсин, собирающийся в них в темноте и выцветающий на свету, восприятие света палочками обусловлено химическими реакциями под действием света на родопсин;

2) более короткие и более толстые, называемые колбочками (высота 10 мкм, толщина 6-7 мкм) - чувствительны к цветам, но зато ме­нее чувствительны к свету (порог чувствительности 10-2 лк) и поэтому являются аппаратом дневного зрения; колбочковый аппарат чувствителен к длинам вол от 400 до 700 нм с максимумом при 555 нм, а при высоких интенсивностях света – от 390 до 760 нм; колбочки реагируют на свет за счет реакции йодопсина.

Всего глаз имеет около 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек.

Замечание: Кроме родопсина и йодопсина дно глаза обладает еще одним пигментом черного цвета, роль которого состоит в предохранении светочувствительного аппарата от чересчур сильных световых раздражений. При отсутствии светового раздражения зёрна этого пигмента находятся на задней поверхности сетчатки. Но при воздействии света начинается перемещение зёрен навстречу падающему свету. Они проникают в слои сетчатки и, поглощая значительную часть световой энергии, заслоняют тем самым в сильной степени палочки и колбочки от светового раздражения.

Желтое пятно обеспечивает наибольшую разрешающую способность глаза.

Распределение рецепторов на сетчатке неравномерно: в области желтого пятна преобладают колбочки (около 50 000), а палочек очень мало; к периферии сетчатки, наоборот, число колбочек быстро уменьшается и остаются одни только палочки. Рецепторы связаны между собой промежуточными нервными клетками, объединяющими группы рецепторов в рецептивные поля. Эти поля представляют собой перестраивающиеся формации, которые увеличиваются при уменьшении освещенности, и наоборот. От каждого рецептивного поля информация передается в мозг по нервным волокнам в виде закодированных групп электрических импульсов.

Замечания:

1. Особенностью рецептивных полей сетчатки является то, что они реагируют не на величину потока излучения (Fe), а на изменение потока излучения (dF, DFe). Поэтому глаз совершает частые микродвижения – тремор, при этом изображение предмета смещается по сетчатке, меняется интенсивность освещения отдельных рецепторов тем больше, чем больше контраст соседних деталей изображения.

2. Отдельные рецептивные поля различаются по своим функциям: одни реагируют на увеличение освещенности, другие – на уменьшение, третьи – на увеличение и ослабление (в зрительной области коры головного мозга есть аналогично реагирующие нервные клетки). Кроме этого, различные специфические рецептивные поля различают прямолинейные контуры предметов под разными углами наклона, другие – криволинейные контуры, третьи – периодические структуры и т. д. Существуют также и рецептивные поля, по-разному реагирующие на спектральный состав возбуждающего их света.

По направлению к центральной ямке толщина сетчатки в желтом пятне уменьшается, исчезают почти все промежуточные ее слои и остаются практически только палочки и колбочки с их нервными окончаниями. В самой ямке отсутствуют палочки, так что в ней все дно выстлано только колбочками.

В желтом пятне к большинству колбочек подходят отдельные волокна зрительного нерва. По этой причине только в области ямки и желтого пятна глаз может различать тонкие детали.

Вне пределов желтого пятна одно волокно зрительного нерва всегда обслуживает целые группы колбочек или палочек. Поэтому целые группы элементов, занимающих сравнительно большую площадь сетчатки, одновременно передают свое раздражение одному нервному волокну, и воспринимаемая сознанием картина становится грубой, лишенной деталей. Всякое уклонение изображения в сторону от ямки влечет за собою уменьшение четкости изображения, а когда изображение сходит с желтого пятна, то различение мелких деталей предмета совершенно прекращается. Периферическая часть сетчатки служит в основном для ориентирования в пространстве.

На месте ствола зрительного нерва располагается слепое пятно. В области слепого пятна нет ни колбочек, ни палочек, и этот участок сетчатки не чувствителен к свету. Диаметр слепого пятна 1,88 мм, что соответствует полю зрения 6 °. Это значит, что человек с расстояния 1 м может не увидеть предмета диаметром 10 см, если его изображение проектируется на слепое пятно.

Пример: Убедиться, что в глазу существует слепое пятно, можно, проделав следующий опыт. Поднести рисунок к глазу на расстояние 10 см, закрыть левый глаз и смотреть на крестик правым глазом (рис.). Если перемещать рисунок, то в какой-то момент изображение другой фигуры будет не видно – оно попадет на слепое пятно.

Замечания:

1. Зрение человека фрагментарно, т.е. объекты в поле зрения фиксируются не все сразу, а последовательным переводом взора с одного на другой. Изображение представляется единым и неподвижным благодаря особому механизму восприятия: координация движений головы и глаз, в результате которой восстанавливается образ в мозгу.

2. Зрительная система способна игнорировать мешающую информацию, возникающую на сетчатке при скачкообразных движениях глаз.

3. Последний этап зрения – осмысливание видимой информации в мозгу и узнавание предметов, при этом возможно появление оптических иллюзий.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-05-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: