Б) Око як приймач випромінювання

Діапазон довжин хвиль випромінювання, що реєструється оком, складає  400 нм (від 400 нм до 760 нм). Діапазон освітленостей сітківки, в межах якого виникають зорові відчуття, перевищує 11 порядків (від 3 · 10^-17 лк до 10 ⁵ лк). Око сприймає не тільки геометричні характеристики предмета (форму, розміри, відносне розташування), а також колір та яскравість.

Перетворення енергії електромагнітних коливань у фізіологічний процес нервового збудження пов'язане з функцією фоторецепторів — паличок і колбочок. Під дією квантів світла зоровий пігмент (у колбочках — йодопсин, а в паличках — родопсин, або зоровий пурпур) із неактивної форми переходить в активну (молекули пігменту розкладаються внаслідок фотохімічної реакції). Наслідком реакції є збудження зорових рецепторів, яке надходить до мозку.

У сітківці людини налічується близько 130 млн. паличкоподібних та 7 млн. колбочкоподібних клітин. Довжина паличок 63-81 мкм, діаметр близько 1,8 мкм, для колбочок відповідно 35 та 5-6 мкм. Розміщення зорових рецепторів (паличок та колбочок) на сітківці нерівномірне. Периферія ока зайнята майже виключно паличками, кількість же колбочок на одиницю площі зростає в напрямі до жовтої плями (середина якої має заглиблення — центральну ямку), де сконцентровані виключно колбочки.

Досвід доводить, що ми чітко бачимо тільки предмет, зображення якого проектується на жовту пляму, особливо чітко розрізняючи деталі, які проектуються на центральну ямку. Але поле зору цих ділянок ока невелике. Так, на жовту пляму одночасно може проектуватися зображення по горизонталі  8⁰, а по вертикалі — близько 6⁰. Поле зору центральної ямки ще менше 1⁰ — 1⁰ ,5 (не більше трьох букв звичайного друкованого тексту). Таким чином, із усієї фігури людини, що стоїть на відстані 1 м, ми можемо фіксувати на жовту пляму лише обличчя, а на центральну ямку — поверхню, трохи більшу за око цієї людини. Усі інші деталі проектуються на периферійну частину ока і сприймаються не так чітко. Але око має властивість швидко повертатися, тому за дуже короткий час ми послідовно фіксуємо великі поверхні (витрачаючи 0,24 с для фіксування зору в одній точці предмета). Завдяки цій особливості поле зору ока по вертикалі та горизонталі оцінюється в межах 120 ⁰- 150⁰.

Світлочутливі елементи — палички та колбочки — відіграють різну роль у зорових відчуттях. Палички мають дуже високу світлочутливість, у ~ 1000 разів вищу, ніж колбочки. Колбочки, у свою чергу забезпечують сприйняття кольору. З усіх існуючих теорій кольорового зору загальновизнаною є трикольорова теорія Юнга-Гельмогольца. Експериментально доведено, що випромінювання будь-якого кольору можна отримати, змішуючи випромінювання червоного, зеленого та синьо-фіолетового кольорів. Згідно з цією теорією в органі зору має існувати три типи колбочок. У 1947 р. було експериментально доведено існування трьох типів колбочкоподібних клітин, чутливість яких максимальна для певних довжин хвиль: 430 нм —«сині», 535 нм —«зелені» і 575 нм —«червоні» колбочкоподібні клітини. Саме модальність трьох типів цих клітин зумовлює кольоровий зір. Залежно від спектрального складу падаючого випромінювання більше збуджуються ті колбочки, яким ближче відповідний спектр падаючого світла, тому людина сприймає той або інший колір. За допомогою колбочок реалізується денний зір. При зменшенні освітленості має місце присмерковий зір, який характеризується зниженням відчуття кольору, найменшою світлочутливістю та роздільною здатністю. В умовах присмеркового зору продовжують працювати колбочки і починають функціонувати палички. При малій освітленості (Е < 10 ^-2 лк) працюють виключно палички, забезпечуючи нічний зір, що характерний відсутністю кольорового сприйняття й дуже високою світлочутливістю.

Той факт, що в темряві працюють лише палички, а в жовтій плямі їх немає, підтверджується тим, що ми бачимо в темряві предмети, які розміщені прямо перед нами нечітко. Слабкі зорі та туманності швидше можна побачити, якщо дивитися на них трохи збоку. Цікаво також, що периферія сітківки більш чутлива до руху об'єктів у полі зору.

У багатьох випадках об'єкти, які сприймаються чорно-білими, при збільшенні інтенсивності світла набувають забарвлення. Наприклад, зображення будь-якої слабкої туманності в телескоп здається «чорно-білим», але астроному Міллеру з обсерваторії Маунт Вільсон і Паломар удалось отримати кольорові знімки кількох туманностей. Ніхто й ніколи не бачив забарвлення туманностей на власні очі, але це не означає, що кольори створені штучним шляхом, просто інтенсивності світла було замало, щоб колбочки ока змогли зафіксувати колір. Особливо красива на знімках Кільцеподібна та Крабовидна туманності. Центральна частина Кільцеподібної туманності має чудовий синій колір й оточена яскраво-червоним ореолом, а на знімках Крабовидної туманності на голубому фоні розміщені яскраві червоно-рожеві нитки.

Здатність ока пристосуватися до різної освітленості називають зоровою адаптацією (від лат. adaptatio — пристосування). При збільшенні яскравості відбувається світлова, а при зниженні – темнова адаптації. При переході від яскравості 1000 кд/м² до повної темряви, чутливість ока зростає протягом години приблизно у 10 мільйонів разів. Світлова адаптація відбувається значно швидше, при середній яскравості приблизно 1-3 хв.

Розглянемо основні аспекти механізму зорової адаптації. Адаптація ока людини протікає за трьома механізмами. Перший механізм діє за малої освітленості: зір реалізується лише за допомогою паличок, що мають невисоку роздільну здатність, не фіксують кольорів але мають дуже високу світлочутливість. Другий механізм полягає в зміні діаметра зіниці ока від мінімальної величини 1,5 мм до максимальної 8 мм. Такій зміні діаметра зіниці ока відповідає зміна світлового потоку і, відповідно, освітленість зображення на сітківці у Ф_макс/Ф_мін = d²_макс/d²_мін = 8²/1,5²~30 разів. Третій механізм функціонує в широкому діапазоні яскравосте і має подвійну природу:

• при зростанні освітленості зменшується концентрація світлочутливої речовини в рецепторах та відповідно знижується світлочутливість сітківки;

• темний пігмент, що знаходиться за паличками і колбочками, переміщується в напрямі скловидного тіла та екранує світлочутливі елементи.

Результати останніх досліджень дозволяють припустити, що в механізмі адаптації вирішальну роль відіграють зміни в коркових центрах головного мозку, які сприймають подразнення від зорового нерва.

Чутливість ока до випромінювання різних довжин хвиль характеризується кривою видності. На цій кривій по вісі абсцис відкладемо довжину хвилі , а по вісі ординат – коефіцієнт видності .

Крива видності середнього світлоадаптованого ока людини при денному освітленні, затверджена Міжнародною освітлювальною комісією (МОК), наведена на рис. 2. Крива має максимум у жовто-зеленій частині спектра (  = 555 нм), умовно приведений до одиниці. При нічному освітленні (працюють лише палички) крива видності, зберігаючи вигляд, зміщується в бік коротких хвиль із максимумом близько 510 нм. При цьому область максимальної чутливості сітківки зміщується на 10⁰ - 20⁰ у бік від центральної ямки.

У 1825 р. Пуркіньє (1787-1869) виявив, що випромінювання різних кольорів, які сприймаються оком як однаково яскраві, змінюють свою видиму яскравість неоднаково, якщо їх послаблювати в однакову кількість разів (рис. 5). Видима яскравість випромінювання з більшою довжиною хвилі зменшується швидше, ніж короткохвильова (ефект Пуркіньє). Якщо обмежити поле зору таким чином, щоб порівнюване випромінювання потрапляло лише на центральну ямку (де зосереджені виключно колбочки), явище Пуркіньє не спостерігається. Усе це добре узгоджується з подвійним механізмом сприйняття світла: за допомогою паличок і колбочок, які мають відповідно різні криві видності.

С пеціальні експерименти поставлені С.І.Вавиловим, дали змогу зробити висновок, що повністю адаптоване до темряви око, при діаметрі зіниці 8 мм, реєструє світловий потік Ф = 2 · 10^-14 лм (1,16 · 10^-17 Вт) монохроматичного випромінювання = 507 нм. Це відповідає поглинанню сітківкою 30 квантів світла протягом 1 сек. Оскільки відчуття світла виникало за час 0,2 – 0,3 сек., то мінімальна кількість квантів світла, які викликають відчуття, не більша 6 - 10 квантів. Наведене значення потоку випромінювання характеризує межу чутливості ока.

Оку властиві всі аберації звичайних оптичних систем, особливими є лише засоби їх усунення. Око використовує асферичні заломлюючі поверхні, а кришталик являє собою лінзу, показник заломлення якої безперервно зростає до центру. Це послаблює сферичну аберацію. Астигматизм і дисторсія несуттєві, бо око несвідомо фіксує зображення кожної точки на центральній ямці. Кривина поля компенсується сферичною формою сітківки. Хроматична аберація незначна, оскільки око чутливе порівняно до вузької ділянки спектра, а розміри зіниці невеликі.

При відсутності акомодації задній фокус ока збігається із сітківкою. Якщо ця умова не виконується, око називають аметропічним. Відомі два види аметропії: близорукість (міопія) та далекозорість (гіперметропія). Близорукість — недолік ока, коли задній фокус за умови відсутності акомодації лежить попереду сітківки; у випадку далекозорості задній фокус при відсутності акомодації знаходиться за сітківкою. Для корекції близорукості ока застосовують розсіювальну лінзу, далекозорості — збиральну.