2.6 Глаз человека как оптическая система.

Строение глаза

Глаз человека – зрительный анализатор, 95% информации об окружающем нас мире мы получаем через глаза. Современному человеку приходится целый день работать с близкорасположенными объектами: смотреть на экран компьютера, читать и т. д. Наш глаз испытывает огромную нагрузку, в результате чего многие люди страдают глазными болезнями, дефектами зрения.

Г лаз является оптической системой, он имеет почти сферическую форму. Глаз представляет собой шарообразное тело диаметром около 25 мм и массой 8 г . Стенки глазного яблока образованы тремя оболочками. Наружная – белочная оболочка состоит из плотной непрозрачной соединительной ткани. Она позволяет глазу сохранять свою форму. Следующая оболочка глаза – сосудистая, в ней располагаются все кровеносные сосуды, питающие ткани глаза. Сосудистая оболочка черная, т. к. ее клетки содержат черный пигмент, который поглощает световые лучи, препятствуя их рассеиванию вокруг глаза. Сосудистая оболочка переходит в радужную , у разных людей она имеет различную окраску, которая определяет цвет глаз. Радужная оболочка – это кольцевая мышечная диафрагма с небольшим отверстием в центре – зрачком . Он черный потому, что то место, откуда не исходят световые лучи, воспринимается нами черным. Через зрачок световые лучи проникают внутрь глаза, но обратно не выходят, оказавшись как бы в ловушке. Зрачок регулирует поступление света в глаз, рефлекторно сужаясь или расширяясь, зрачок может иметь размер от 2 до 8 мм в зависимости от освещения.

Рисунок 39. Строение глаза

Между роговицей и радужной оболочкой находится водянистая жидкость, за которой - хрусталик. Хрусталик представляет собой двояковыпуклую линзу, он эластичен, и может менять свою кривизну с помощью ресничной мышцы поэтому обеспечивается точная фокусировка лучей света. Показатель преломления хрусталика составляет 1,45.

За хрусталиком находится стекловидное тело, которое заполняет основную часть глаза. Стекловидное тело и водянистая жидкость имеют показатель преломления почти такой же, как и у воды - 1,33.

З адняя стенка склеры покрыта очень тонкими волокнами, которые устилают дно глаза , и называются сетчаткой глаза. Световоспримчивыми элементами сетчатки являются фоторецепторы зрительного нерва (палочки 135 млн. и колбочки 7млн (цвет). Именно на сетчатке глаза возникает изображение. Место наилучшего изображения, которое расположено над выходом зрительного нерва, называется желтым пятном (угловой размер 6-7⁰). В центральном углублении жёлтого пятна. Участок сетчатки, где зрительный нерв выходит из глазу, которая не дает изображения, - называется слепым пятном.

Рисунок 39. Изображение в глазе

Теперь рассмотрим глаз, как оптическую систему. Она включает в себя роговицу, хрусталик, стекловидное тело. Главная роль в создании изображения принадлежит хрусталику. Он фокусирует лучи на сетчатке, благодаря чему возникает действительное уменьшенное перевернутое изображение предметов, которое мозг корректирует в прямое. Лучи фокусируются на сетчатке, на задней стенке глаза. Само глазное яблоко с помощью мышц закреплено внутри шарообразной черепной полости.

Угол обзора глаза по вертикали достигает 125⁰ и по горизонтали – 150⁰, но резкое изображение обеспечивается только областью желтого пятна в пределах 6⁰– 8⁰.Периферийные зоны поля зрения служат для ориентирования. Большая подвижность обеспечивает быстрый перевод изображения, рассматриваемого предмета, на область желтого пятна. Расстояние между центрами зрачков называется базой глаз или главным базисом. Его величина лежит в пределах от 56 – 74мм. Основными свойствами глаз являются: аккомодация, адаптация, световая контрастная и спектральная чувствительности, разрешающая способность или острота зрения, бинокулярное зрение и стереоскопическое восприятие.

Глаз человека реагирует на световые излучения в широком диапазоне

яркостей от 2⋅10^-6 - 2⋅10⁵кд/м²

Способность глаза приспосабливаться к различным яркостям называется адаптацией.

Различают темновую адаптацию при переходе из светлого помещения в темное и световую – при переходе наоборот. Процесс адаптации объясняется действием трех «механизмов»:

При малых яркостях наблюдаемых предметов световое раздражение действует только на палочки, колбочки при этом не работают. В этом случае говорят о ночном зрении. При повышении яркости (до 10кд/м2) вместе с палочками в работу включаются и колбочки, обладающие спектральной чувствительностью. Это сумеречное зрение. При дальнейшем увеличении яркости работают в основном только колбочки. Это дневное зрение.

Процесс адаптации сопровождается изменением диаметра зрачка от 1,5 до 8мм. Это происходит помимо воли человека, по вине волокон заложенных в радужной оболочке.

Яркостной диапазон глаза изменяется в зависимости от концентрации ъ светочувствительного вещества – родопсина или зрительного пурпура, содержащегося в палочках, и йодопсина – светочувствительного вещества в колбочках.

При повышении яркости уменьшается концентрация неразложившегося светочувствительного вещества, а поэтому снижается и светочувствительность сетчатки. Кроме того, при большой яркости зерна темного пигмента, расположенные в последнем десятом слое сетчатки, перемещаются к наружной её поверхности и поглощают излишний свет.

Аккомодация глаза - способность глаза видеть резко предметы, находящиеся на различном расстоянии от него .

Процесс аккомодации состоит в изменении оптической силы (рефракции) глаза. Это достигается изменением радиуса кривизны хрусталика в результате действия кольцеобразной мышцы. При расслабленной мышце связки натягивают мешочек хрусталика, и кривизна его поверхностей становится наименьшей. В этом случае на сетчатке получается резкое изображение удаленных предметов.

Фокусное расстояние глаза взрослого человека может, изменятся от 18,7мм до 20,7мм, что обеспечивает фокусировку, как на дальних, так и на ближних объектах. При максимальном сжатии мускульного кольца, глаз отчетливо видит наиболее близкие предметы.

Величину аккомодации можно выразить в диоптриях

Ак=1000/а,

(21)

где а – расстояние в мм от вершины роговицы до точки а рассматриваемого предмета.

Диоптрия это оптическая сила оптической системы, у которой заднее фокусное расстояние положительно и равно 1м в воздухе.

Формирование изображения в основном осуществляется роговицей вместе с хрусталиком, которые в комбинации имеют фокусное расстояние около 20мм. Наиболее удаленную точку, изображение которой получается на сетчатке без аккомодации, называют дальней точкой глаза и обозначают D. Точку, изображение которой получается на сетчатке при максимальной аккомодации, называют ближней точкой глаза и обозначают B . Расстояние наилучшего зрения, при котором глаз наименее утомляется – 250 мм при освещенности 50 лк.

Рисунок 39. Формирование изображения

Широтой или объемом аккомодации принято называть величину

(21)

где а_B—расстояние от вершины роговицы до ближней точки глаза В, а а_D—расстояние от вершины роговицы до дальней точки D.

Если расстояния а_В и а_D измерены в мм, то объем аккомодации Vа будет выражен в дптр. Для среднего глаза этот объем приблизительно 11 дптр. В течении жизни человека положение ближней точкой глаза В изменяется. Хрусталик с возрастом утрачивает свои упругие свойства и точка В удаляется от роговицы. Например в возрасте 50 лет Vа=2,5 дптр, так как ближняя точка находится на расстоянии 400мм. Это явление известно под названием возрастной дальнозоркости. С помощью положительных корригирующих линз этот недостаток устраняется.

А метропия глаза.

Нормальным или эмметропическим называется такой глаз, у которого изображение удаленного объекта получается на сетчатке резко без аккомодации. Дальняя точка эмметропического глаза находится в бесконечности, а задний фокус совпадает с сетчаткой. Такой глаз способен отчетливо видеть звезды без аккомодации. Если дальняя точка не лежит в бесконечности, говорят, что глаз обладает аметропией, такой глаз называется аметропическим.

В аметропическом глазе изображение удаленного предмета не совпадает с сетчаткой. Аметропию глаза выражают в дптр:

А=1000/аD

(22)

где где а_D – расстояние от вершины роговицы до дальней точки в мм.

Рисунок 40. Виды аметропии

Для эмметропического глаза это расстояние равно бесконечности и, следовательно, А=0.

Существуют два самых распространенных вида аметропии (рисунок 39):

1). Если дальняя точка D находится перед глазом, то такой глаз называется близоруким или миопическим. Близорукий глаз без аккомодации видит резко предметы расположенные перед ним на конечном расстоянии. Задний фокус F^! Миопического глаза лежит внутри глаза перед сетчаткой.

2). Если дальняя точка расположена позади глаза, то такой глаз называется дальнозорким или гиперметропическим. Дальнозоркий глаз может отчетливо видеть удаленный предмет, но для этого ему необходима некоторая аккомодация.

Существуют и другие недостатки зрения:

• астигматизма глаза причиной является не сферическая форма роговицы или хрусталика, а неправильное положение хрусталика относительно оптической оси.

• афакия – отсутствие хрусталика,

• дальтонизм – ошибка в определении цвета

• и т.д.

Причиной аметропии может быть неправильная форма роговицы или хрусталика, или ненормальная длина глазного яблока.

Разрешающая способность глаза.

Средняя величина предельного разрешения глаза с расстояния наилучшего зрения, т.е. 250мм, Ψ гл = 1'

Разрешающая способность объектива оптической системы высокого класса определяется по эмпирической формуле ,

Ψ=120' / D

(23)

где D – диаметр объектива.

По этой формуле при диаметре зрачка D=2мм ψ_гл.=1^!

С увеличением диаметра зрачка разрешающая способность глаза повышается до диметра 3 – 4мм. Дальнейшее повышение диметра зрачка не дает эффекта повышения разрешающей способности, так как она ограничена диаметром колбочек. Наибольшая разрешающая способность наблюдается при освещенности 50 лк и длине волны излучения λ=550нм.

Разрешающая способность системы совместно с г лазом

ψg=ψгл/γр= ψгл/Г

(24)

Где γ_р угловое увеличение в зрачках системы, Г –видимое увеличение системы

Видимое увеличение оптической системы

Способность оптической системы создавать на сетчатке глаза увеличенные или уменьшенные изображения предмета характеризуют видимым увеличением

(25)

где ω′ - угол видимости изображения, а ω - угол видимости предмета не вооруженным глазом.

Н а рисунке 41показан пример определения видимого увеличения лупы. Предмет у с расстояния 250мм глаз наблюдателя видит под углом ω т.е. tg ω= у/ 250 при

нахождении предмета в фокальной плоскости tg ω′= -y/ f= y/ f′

Рисунок 41. К определению видимого увеличения.

Следовательно:

видимое увеличение лупы Γ=250/f’ видимое увеличение микроскопа Γ=250n/f

(26)

( n-показатель среды в которой находится предмет)