2.2. Устройство глаза и его работа

Наши глаза дают нам возможность воспринимать размеры, фор­му, фактуру, блеск, прозрачность, мерцание и цвет объектов. Один из разработчиков фотоэлектрических колориметров однажды сказал, что человеческий глаз – слишком совершенная система, чтобы пытаться создать достаточно недорогой прибор, способный быть сравнимым с ним. Он оснащен термостатической системой регулирования, поддерживающей глаз при определенной темпе­ратуре, с точностью не меньшей 1°С. Он снабжен устройством (веками), которые очищают ро­­говую оболочку глаза несколько раз в минуту. Его фоторецепторы имеют надлежащую спектраль­ную чувствительность. И все это оборудование стандартно и доста­лось большинству из нас без всяких дополнительных расходов

Нормально функционирующий глаз выполняет удивительно разнообразную работу и прекрасно с ней справляется. Глаз отыскивает интересующие нас объекты, фокусирует изображение объекта на светочувствительном слое (сетчатке), защищает это изображение от рассеянного света, не несущего информации об объекте, преобразует сформированное таким образом оптическое изображение в совокупность нервных импуль­сов и передает закодированное в этих импульсах оптическое изо­бражение в мозг по специальному каналу связи (зрительному нерву).

На рис. 2.1 схематически показано устройство глаза.

Р ис.2.9. Схема строения глаза

1– склера; 2 – роговица; 3 – сосу­дистая оболочка; 4 – ресничное тело; 5 – радужная оболочка; 6 – хрусталик; 7 – передняя камера; 8 – стекловидное тело; 9 – цинновы связки; 10 – сетчатка; 11 – зри­тельный нерв; 12 – зрачок

Глаз пред­ставляет собой шарообразное тело, образованное нескольки­ми оболочками. Внешняя, называемая белковой оболочкой или склерой 1, состоит из сухожилий, непрозрачна и выполняет защитную роль. Спереди она переходит в прозрачную и более выпуклую оболочку 2 – роговую. Под склерой на­ходится сосудистая оболочка 3, в которой заключены кро­веносные сосуды, питающие глаз. К ней по внутренней сто­роне примыкает пигментный слой клеток, которые поглощают рассеянный свет. Пигментный слой предохраняет оптическое изображение, создаваемое глаз­ной линзой – хрусталиком 6, от чрезмерного искажения рассеянным светом. Сосудистая оболочка спереди, перехо­дит в ресничное тело 4, а затем – в радужную оболочку (радужку) 5, содержащую пигментные клетки. Пространство между хрусталиком и роговой оболочкой (передняя камера 7) заполнено так называемой водянистой влагой. Она преимущественно состоит из воды (99%), в ко­торой растворены соли и белки. За хрусталиком находится стекловидное тело 8, также состоящее главным образом из воды.

2.2.1. Фокусирующие элементы

В отличие от общепринятого представления, основная функция фокусирования света в виде изобра­жения на задней поверхности человеческого глаза выполняется не хрусталиком глаза, а роговицей – криволинейным передним слоем глаза. Хрусталик глаза вы­полняет лишь незначительное фокусирование, благодаря мускулам, которые удерживают его на месте и регулируют его форму.

Роговица. Роговица представляет собой легко проницаемое для световых лучей продолжение белой склеротической оболочки глаза (белка глаза). Передняя ее часть очень близка по форме к участку сферы, а ее внешняя поверхность поддерживается с точки зрения оптики в хорошем состоянии, постоянно промы­ваясь соленой водой, которая поступает через слезные протоки. Эта поверхность достаточно часто очищается при мигании век, которые уносят загрязненную пылью соленую воду, заменяя ее чистой. Если какой-либо посторонний предмет попадает на рого­вицу, его присутствие тотчас же обнаруживается нервными окон­чаниями в самой роговице и на внутренней поверхности век. Нервные окончания столь чувствительны, что обычно непроиз­вольно предпринимаются немедленные меры, удаляющие этот предмет и восстанавливающие таким образом нормальное оптиче­ское состояние поверхности роговицы.

Если между роговицей и хрусталиком скапливается чрезмерно большое количество так называемой камерной влаги, роговица становится сильно выпуклой, и ее кривизна становится больше. При этом изображения наблюдаемых предметов фоку­сируются не на сетчатке, а перед нею (близорукость). Если же камерная жидкость создает слишком малое давление, поверх­ность роговицы становится плоской, в результате чего изображе­ния фокусируются за сетчаткой (дальнозоркость) или не фоку­сируются вообще.

Зрачок и радужная оболочка. Зрачок представляет собой отверстие (ирисовую диа­фрагму) в радужной оболочке глаза, через которое проходит свет. Поскольку чрезвычайно малая доля света, попадающего в глаз, выходит из него, зрачок обычно выглядит черным. Радужная оболочка (радужка), окружающая зрачок, может быть черной, коричневой, зеленой или голубой в зависимости от содержания коричневого пигмента (мела­нина). Голубая окраска, соответствую­щая полному отсутствию меланина, обусловлена избирательным рассеянием света в тканях радужки. Механизм этого рассеяния аналогичен механизму, определяющему голубой цвет неба. Когда в радужке нет никакого цветного вещества (как, например, у белых кроликов), то она нам кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света, они страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.

Диаметр зрачка в зависимости от уровня освещения меняется в пределах от 2 до 8 мм, регулируя тем самым количество света, попадающее в глаз. Явление приспособления глаза к яркости поля зрения называется адаптацией. Однако, как будет показано далее, основную роль в процессе адаптации играет не зрачок, а сетчатка.

Если какой-нибудь из двух глаз подвергается внезапному резкому облучению более ярким светом, зрачки обоих глаз автоматически сужаются. Это обусловлено сокращением круговых мышц, расположенных по внутреннему краю отверстия в радужке. Вследствие этого при ярком освеще­нии используется лишь лучшая, центральная часть оптической системы глаза. В результате изображение на сетчатке становится более четким (сферическая аберрация резко уменьшается), а окра­шенные полоски между темными и светлыми участками изображе­ния (хроматическая аберрация) почти полностью исчезают. При полном солнечном освещении мы максимально используем оптиче­ские свойства наших глаз.

Хрусталик. Хрусталик удерживается на месте радиальными мышцами, стремящимися растянуть его, а также сфинктерной мышцей, расположенной вокруг основания радиальных мышц. Сфинктерная мышца снимает напряжение с хрусталика, представ­ляющего собой полутвердое упругое тело, и позволяет ему вновь вернуться в исходное выпуклое состояние. Для того чтобы видеть близлежащие объекты с достаточно высокой резкостью, сфинк­терная мышца должна сократиться, позволяя хрусталику принять естественную выпуклую форму. При рассматривании удаленных объектов сфинктерная мышца расслабляется и позволяет радиальным мышцам сделать поверхность хрусталика почти плоской. Этот процесс фокусировки оптической системы называется аккомодацией.

С воз­растом вещество хрусталика постепенно теряет свою упругость, так что растягивающие радиальные мышцы на него не действуют. Так приходит время, когда нам для работы необходимы очки. Кроме того, с возрастом хрусталик желтеет, а иногда и столь силь­но изменяется, что совершенно теряет свою прозрачность – наступает катаракта. Ее появление может быть вызвано и про­должительным облучением инфракрасными излучениями. По мере того как хру­сталик мутнеет, все предметы в поле зрения воспринимаются как сквозь туман, и так до тех пор, пока глаз не перестает раз­личать какие бы то ни было детали, а опознает предметы лишь по их цвету. В этом случае требуется замена хрусталика путем сложной хирургической операции.

Кроме фокусировки изображения хрусталик выполняет еще одну важную функцию – он дей­ствует подобно фильтру ультрафиолетового излучения, защищая сетчатку от по­вреждения высокоэнергетическим ультрафиолетовым излучением. Поэтому если сетчатка и способна воспринимать свет в фиолетовом диапазоне (а некоторые экс­перименты показывают, что она способна на это), то отчасти из-за хрусталика глаза мы не можем видеть в ультрафиолетовом диапазоне, в отличие от систем зрения других живых существ и устройств, в том числе пчел, птиц, сканеров и цифровых камер.

Стекловидное тело. Стекловидное тело представляет собой вязкую жидкость, заполняющую внутренний объем глаза. Оно поддерживает почти постоянным расстояние между хрусталиком и сетчаткой. Его оптические свойства далеки от совершенства: обычно в нем свободно плавают пеплообразные и нитеобразные частицы ткани, частично собирающиеся вблизи сетчатки. Эти частицы ухудшают качество изображения на сетчатке, особенно те из них, которые располагаются близ нее. Они отбрасывают тени, которые можно увидеть при рассматривании любой яркой и одно­родно окрашенной поверхности. Как правило, эти тени имеют вид медленно перемещающихся почти прозрачных полосок и буси­нок, переплетенных змеек и т. д. Вдобавок к этим довольно боль­шим кусочкам плавающей светорассеивающей ткани стекловидное тело содержит и мельчайшие рассеивающие свет частицы. Поэтому его оптические свойства напоминают свойства воздуха, в котором взвешены пылевые и образующие туман мелкие водяные частицы. Несмотря на все эти несовершенства, оптическая система глаза может формировать очень четкое изображение, определяе­мое свойствами светочувствительного слоя глаза, т.е. его сетчатки.