2. Око людини як оптична система і приймач випромінювання а ) Будова ока та його характеристики як оптичної системи

З усіх органів чуттів найскладнішим органом є око – орган перетворення електромагнітних коливань у фізіологічний процес збудження, що сприймається зоровим аналізатором у вигляді образів навколишнього середовища.

На рис. 4 зображено переріз правого ока людини (вигляд зверху). Зовні око являє собою кулеподібне тіло – очне яблуко, що складається з капсули і ядра. Капсула має три оболонки: зовнішню – склеру з рогівкою 7, середню – судинну оболонку 8 і внутрішню – сітківку 9. Склера – це тверда непрозора оболонка, передня частина якої опукла й прозора – це рогівка 2. Товщина рогівки в центрі близько 0,6 мм, на периферії — до 1 мм, радіус кривини 7-8 мм.

Судинна оболонка містить не тільки судини (з чим пов'язана її назва), а й багато пігментних клітин, які запобігають розсіюванню світла всередині очного яблука. В судинній оболонці розрізняють три частини: передню — райдужну оболонку 4, середню, потовщену – війкове тіло та задню, найбільшу – власне судинну оболонку 8. Райдужну оболонку видно через рогівку – це забарвлений кружечок («колір очей»), колір якого залежить від кількості пігменту та ступеня просвічування судин, у центрі знаходиться круглий отвір – зіниця. Райдужна оболонка виконує роль апертурної діафрагми, яка рефлекторно регулює ширину пучка променів, що надходять до очного яблука, змінюючи діаметр зіниці від 1,5 до 8 мм.

Внутрішня оболонка ока — сітківка 9 найтонша та майже прозора, має дуже складну будову. Функція зору безпосередньо пов'язана із заднім відділом сітківки (зоровий відділ сітківки), де знаходиться багато спеціальних світлочутливих клітин, або фоторецепторів (паличок і колбочок). Вони розташовані поряд із судинною оболонкою; ближче до ядра очного яблука є кілька шарів нервових клітин, що контактують із фоторецепторами та між собою. Від нервових клітин “крайнього” шару відходять довгі відростки, які збираються в пучок волокон, започатковуючи зоровий нерв 10. У точці виходу зорового нерва сітківка не сприймає світлових подразнень — це так звана сліпа пляма 12. Поряд із нею знаходиться жовта пляма 11 овальної форми (1x0.8 мм). В центрі жовтої плями є центральна ямка (ділянка найбільш чіткого бачення).

Ядро очного яблука складається з прозорих середовищ: кришталика 16, напіврідкої драглистої речовини — скловидного тіла 17 та рідини, що має назву водянистої вологи.

Кришталик — двоопукла лінза, що заломлює світлові промені (світлові промені заломлює також рогівка та скловидне тіло). Кришталик прикріплений 15 до війкового м'яза 14, під впливом якого може змінюватися ступінь його опуклості. Передній простір поділяється райдужною оболонкою на дві частини – передню 3 та задню 5 камери ока.

Оптична система ока складається з рогівки, водянистої вологи, кришталика і скловидного тіла. Показник заломлення водянистої вологи і скловидного тіла мало відрізняється від показника заломлення води, рівного 1,33. Показник заломлення кришталика змінюється від 1,438 на його поверхні до 1,41 у середині. Загальна оптична сила ока становить 60-70 діоптрій; рогівки — 43, кришталика — 19-30 діоптрій.

Око можна розглядати як центровану оптичну систему поверхонь обертання з головною оптичною віссю 18, яка не проходить через центр жовтої плями (точка чіткого бачення). Через центр жовтої плями проходить так звана зорова вісь 13. Між головною та зоровою осями кут ~ 5^о .

Така оптична система будує дійсне, зменшене та обернене зображення об'єкта на сітківці, яке сприймається світлочутливими елементами. Система зв'язків між нервовими клітинами та набутий досвід дозволяє перетворити зображення в пряме.

Для розв’язання багатьох завдань оптична система ока моделюється так званим приведеним оком, побудованим з однорідної прозорої речовини, із наступними характеристиками:

Заломлююча сила в діоптріях	58,48
Довжина ока	22 мм
Радіус кривизни заломлюючої поверхні	5,7 мм
Показник заломлення середовища	1,33
Радіус кривизни сітківки	9,7 мм

Зображення око будує в середовищі, відмінному від повітря, тому передня й задня фокусні відстані нерівні між собою (17,055 мм та 22,8 мм).

Око, при спостереженні віддалених предметів, діє подібно до об'єктива телескопа. Вважаючи  = 4 мм, = 550 нм, розрахуємо роздільну здатність людського зору (гострота зору):

1" секунда дуги дорівнює 1/3600 частині кутового градуса; це наближено дорівнює куту, під яким видно монету діаметром 1 см з відстані 2 км.

Роздільну здатність ока можна також оцінити з фізіологічної точки зору. Для розділення двох самосвітних точок потрібно, щоб їх зображення потрапляли на різні колбочки.

Тобто:

де – середня відстань між центрами колбочок (0,0025нм), – передня фокусна відстань (17,055мм).

Підставивши числові значення отримаємо:

Зауважимо, що наведений розрахунок збігається з одержаним на основі дифракційних міркувань.

Оптична сила ока людини може змінюватися в межах 4 діоптрій, що дає змогу фокусувати на сітківку предмети, які знаходяться на різній відстані від ока. Така властивість ока називається акомодацією. Необхідною умовою акомодації є еластичність кришталика, який, змінюючи за допомогою війкового м'яза ступінь своєї опуклості, змінює тим самим заломлюючу силу всієї оптичної системи (у деяких риб акомодація проходить за рахунок переміщення кришталика в цілому вздовж оптичної осі). Око людини сприймає без напруження війкового м'яза далеко розташовані предмети. Кришталик при цьому акомодований на нескінченність і його оптична сила найменша. Скорочення війкового м'яза розпочинається з відстані 65 см до спостережуваного предмета, досягаючи максимуму за 7-14 см від ока. Межі, в яких можлива акомодація, називають далекою й ближньою точками чіткого бачення. Для світлоадаптованого ока далека точка чіткого бачення лежить на нескінченності, а ближня (що фіксується без особливого напруження війкових м'язів) — на відстані від 10 см до 22 см, що залежить від віку людини. При добрій освітленості (50 лк) для середньоадаптованого ока найбільш зручною відстанню для читання та маніпуляції з малими предметами є відстань найкращого зору (~ 250 мм).

Рухливість ока забезпечують шість м'язів 6 (рис. 4). Завдяки цим м'язам очі людини можуть повертатись так, що на предметі, який потрапив у поле зору, сходяться зорові осі обох очних яблук.