Тема 11. Физика зрения. Микроскопия.

Вопрос 36. Оптическая система глаза. Аккомодация. Угол зрения. Разрешающая способность глаза.

Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в оптике особое место. Это объясняется, во-первых, тем, что многие оптические инструменты рассчитаны на зритель­ное восприятие, во-вторых, глаз человека (и животного) как усовершенствованная в процессе эволюции биологическая система приносит в рамках бионики некоторые идеи по конструированию и улучшению оптических систем.

Рассмотрим кратко строение глаза человека.

С обственно глазом (см. рис.) является глазное яблоко, имеющее не совсем правильную шаровидную форму: передне-задний размер у взрослого в среднем 24,3 мм, вертикальный — 23,4 мм и горизонтальный — 23,6 мм. Стенки глаза состоят из трех концентрически расположенных оболочек: на­ружной, средней и внутренней. Наруж­ная белковая оболочка — склера 1 — в передней части глаза превращается в прозрачную выпуклую роговую оболочку 2 — роговицу. Толщина роговицы в центре около 0,6 мм, на периферии — до 1 мм. По оптическим свойствам роговица — наиболее сильно преломляющая часть глаза. Она является как бы окном, через которое в глаз проходят лучи света. Радиус кривизны роговицы примерно 7—8 мм, показатель преломления ее вещества 1,38. На­ружный покров роговицы переходит в конъюнктиву 3, прикрепленную к векам.

К склере прилегает сосудистая оболочка 4, внутренняя поверхность которой выстлана слоем темных пигментных клеток, препятствующих внутреннему диффузному рассеянию света в глазу. В передней части глаза сосудистая оболочка переходит в радужную 5, в которой имеется круглое отверстие — зрачок 6. Непосредственно к зрачку с внутренней стороны глаза примыкает хрусталик 7 — проз­рачное и упругое тело, подобное двояковыпуклой линзе. Диаметр хрусталика 8—10 мм, радиус кривизны передней поверхности в среднем 10 мм, задней — 6 мм. Показатель преломления вещества хрусталика несколько превышает значение п = 1,4.

Между роговицей и хрусталиком расположена передняя каме­ра 8 глаза, она заполнена водянистой влагой — жидкостью, близкой по оптическим свойствам к воде. Вся внутренняя часть глаза от хрусталика до задней стенки занята прозрачной студенистой массой, называемой стекловидным телом 9. Показатель прелом­ления стекловидного тела такой же, как и у водянистой влаги.

Рассмотренные выше элементы глаза в основном относятся к его светопроводящему аппарату.

Зрительный нерв 10 входит в глазное яблоко через заднюю стенку; разветвляясь, он переходит в самый внутренний слой глаза — сетчатку, или ретину 11, являющуюся световоспринимающим (рецепторным) аппаратом глаза. Сетчатка состоит из нескольких слоев и неодинакова по своей толщине и чувствитель­ности к свету, в ней находятся светочувствительные зрительные клетки, периферические концы которых имеют различную фор­му. Продолговатые окончания называют палочками, конусообразные — колбочками. Длина палочек 63—81 мкм, диаметр око­ло 1,8 мкм, для колбочек, соответственно, 35 и 5—6 мкм. На сетчатке глаза человека расположено около 130 млн палочек и 7 млн колбочек.

В месте вхождения зрительного нерва находится не чувствительное к свету слепое пятно 12. В середине сетчатки, чуть ближе к височной области, лежит самое чувствительное к свету желтое пятно 13, центральная часть которого имеет диаметр около 0,4 мм.

Колбочки и палочки распределены по сетчатке неравномерно. Колбочки расположены главным образом в центральной части сетчатки, в желтом пятне, в центре желтого пятна находятся исключительно колбочки, на краях сетчатки — только палочки.

Г лаз может быть представлен как центрированная оптическая система, образованная роговицей, жидкостью передней камеры и хрусталиком (четыре преломляющие поверхности) и ограничен­ная спереди воздушной средой, сзади — стекловидным телом. Главная оптическая ось ОО (см. рис. 21.11) проходит через гео­метрические центры роговицы, зрачка и хрусталика. Кроме того, различают еще зрительную ось О'О' глаза, которая определяет на­правление наибольшей светочувствительности и проходит через центры хрусталика и желтого пятна. Угол между главной оптической и зрительной осями составляет около 5°.

На рис. показаны фокусы, главные точки и плоскости, а также узловые точки для некоторого усредненного нормального глаза (расстояния указаны в миллиметрах).

Основное преломление света происходит на внешней границе роговицы, оптическая сила всей роговицы равна приблизительно 40 дптр, хрусталика — около 20 дптр, а всего глаза — около 60 дптр.

Различно удаленные предметы должны давать на сетчатке оди­наково резкие изображения. Это можно осуществить либо изменяя расстояние между главной плоскостью и сетчаткой аналогично тому, как это делают в фотоаппаратах, либо изменяя кривизну хрусталика и, следовательно, фокусные расстояния f₁ и f₂. В глазу человека реализуется второй случай.

Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов — «наводку на резкость» — называют аккомодацией.

Когда предмет расположен в бесконечности, то его изображение в нормальном глазу находится на сетчатке. Хрусталик при этом аккомодирован на бесконечность и его оптическая сила наименьшая. Если предмет приближается к глазу, то у хрусталика увеличивается кривизна; чем ближе предмет, тем больше оптическая сила глаза, ее изменения происходят приблизительно в пределах 60—70 дптр.

У взрослого здорового человека при приближении предмета к глазу до расстояния 25 см аккомодация совершается без напряжения и благодаря привычке рассматривать предметы, находящиеся в руках, глаз чаще всего аккомодирован именно на это расстояние, называемое расстоянием наилучшего зрения.

Р азмер изображения на сетчатке зависит не только от размера предмета, но и от его удаления от глаза, т. е. от угла, под которым виден предмет. В связи с этим вводят понятие угла зрения. Это угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через совпадающие узловые точки (см. рис). Из рисунка видно, во-первых, что один и тот же угол зрения В может соответствовать разным предметам КМ и QP и, во-вторых, что угол зрения вполне определяет размер изображения на сетчатке:

где l — расстояние между единой узловой точкой N и сетчаткой (l ~ 17 мм). Формула записана в предположении, что угол зрения мал.

Из рис. легко установить связь между размером В предмета, расстоянием L его от глаза, точнее, от узловых точек, и углом зрения В:

отсюда имеем

Для характеристики разрешающей способности глаза используют наименьший угол зрения, при котором человеческий глаз еще различает две точки предмета. Этот угол приблизительно равен 1', что соответствует расстоянию между точками, равному 70 мкм, если они находятся на расстоянии наилучшего зрения.