12

Явления интерференции, дифракции и поляризации света показывают, что распространение света представляет собой волновой процесс. Однако в очень многих областях, например, в светотехнике и оптотехнике, решение можно получить гораздо более простым путём с помощью представлений геометрической оптики.

Геометрическая оптика оперирует понятием световых лучей, подчиняющимся законам преломления, отражения, прямолинейного и независимого распространения света (принцип Ферма).

Понятие о световом луче можно получить из рассмотрения реального светового пучка в однородной оптической среде, из которого посредством одной или нескольких диафрагм с отверстиями выделяется узкий параллельный пучок. Чем меньше диаметр этих отверстий, тем уже выделяемый пучок, и в пределе, переходя к отверстиям сколь угодно малым, можно получить световой луч как прямую линию (с точки зрения математики луч – часть прямой, ограниченной с одного конца точкой).

На практике выделение такого луча невозможно вследствие дифракции. Неизбежное угловое расширение реального светового луча, пропущенного через диафрагму с диаметром d, определяется углом дифракции: φ ~ λ/d.

И только в предельном случае, когда λ → 0, подобное расширение не имело бы места, и можно было бы говорить о луче как о геометрической линии, направление которой определяет направление распространения световой энергии.

Таким образом, световой луч есть абстрактное математическое понятие, а не физический образ.

Геометрическая оптика – лишь предельный случай реальной волновой оптики, соответствующий исчезающее малой длине световой волны.

Соотношение φ ~ λ/d показывает, что угловое отклонение, нарушающее прямолинейность распространения света в однородной оптической среде, может быть весьма мало, если размеры отверстия или экрана велики по сравнению с длиной волны. Поэтому в реальной оптике, где длина волны – конечная величина, отступление от законов геометрической оптики должны быть тем меньше, чем больше размеры объектов.

При пользовании законами геометрической оптики нельзя забывать, что они лишь первое приближение к действительности и что без дифракционных явлений не обходится ни один случай распространения света. Даже в практической оптике (с которой вы имеете дело) наиболее тонкие вопросы, например, разрешающая способность оптических инструментов, решаются с использованием теории дифракции. Поэтому законы геометрической оптики имеют ограниченное применение.

Вспомним основной принцип геометрической оптики, сформулированный в 1660 г. Ферма:

Действительный путь распространения света (луч) есть путь, для прохождения которого свету требуется минимальное время по сравнению с любым другим мыслимым путём между теми же точками.

В геометрической оптике это аксиома, именуемая принципом кратчайшего оптического пути или минимального времени распространения.

Для того чтобы перейти к изучению построения изображения с помощью линз, а затем перейти и к объективам, надо понять, каким законам геометрической оптики подчиняются эти процессы. Это все те же четыре закона:

В оптически однородной среде лучи распространяются прямолинейно (1), независимо друг от друга (2), преломляются (3) и отражаются (4) на границах сред.

Закон преломления:

На границе двух сред преломлённый луч лежит в плоскости падения и образует с нормалью к границе раздела, восстановленной в точке падения, угол преломления (φ₂) такой, что

= N =const (для данных сред), где φ – угол падения, φ₂ – угол преломления, N – показатель преломления.

Рассмотрим некую сферическую поверхность, которая разделяет две оптические среды с показателями преломления n₁ и n₂. Центр сферической поверхности находится в точке О.

О т точечного источ-ника света L на сферическую поверх-ность раздела падает узкий гомоцентри-ческий (исходящий из одной точки) пучок света. Луч LA этого пучка падает под углом i (угол падения = i). Прямая, соединяющая источник L с центром сферической поверхности точкой О, пересекает сферическую поверхность в точке S. Причём угол ψ, образованный нашим лучом и прямой, проходящей через центр сферической поверхности, очень мал (такой пучок света с бесконечно малым углом называется параксиальным − приосевым). Луч LA при попадании в среду с показателем преломления n₂ преломляется и образует луч L’A, точка L’ которого лежит на линии, проходящей через центр нашей сферы. Угол преломления при этом равен r. АО = SO = R (радиус сферы).

Если пучок световых лучей, исходящий из точки L, в результате отражений или/и преломлений сходится в точке L', то говорят, что L' называется оптическим изображением.

Правило знаков

В дальнейшем и навсегда все отрезки вдоль оси будем отсчитывать от точки S, считая положительными отрезки, откладываемые от S вправо (в направлении распространения света), и отрицательными – отрезки, откладываемые влево.

Тогда LA ≈ LS = −а₁, L'A ≈ L'S = а_2.

Отсюда вытекает формула сферической поверхности. Её математический вывод опирается на законы тригонометрии и преломления света и называется нулевым инвариантом Аббе:

.

Этот закон справедлив, если не забывать о правиле знаков: в случае выпуклой поверхности (R > 0) или вогнутой (R < 0) поверхности.

В зависимости от того, будут ли а₁ и а₂ иметь разные знаки или одинаковые, изображение будет располагаться с противоположной от источника света стороны преломляющей поверхности или лежать по одну сторону с ним:

Если а₂ > 0, точка L', именуемая изображением, есть действительно точка пересечения преломлённых лучей, т.е. лучи после преломления направлены так, что пересекаются в одной точке. Такое изображение называется действительным.

Если а₂ < 0, преломлённые лучи, идущие во второй среде, остаются расходящимися и реально не пересекаются, тогда их представляют как пересекающиеся в одной точке. В этом случае название изображения относится к той воображаемой точке, которая представляет собой место пересечения предполагаемого продолжения преломленных лучей, такое изображение называется мнимым.

Эта формула показывает, что оптические свойства сферической поверхности зависят, прежде всего, от показателя преломления материала сферической поверхности и от радиуса её кривизны. То есть от оптических свойств материала и точности изготовления оптического элемента.

Для изготовления оптических элементов используется оптическое стекло различных марок и типов, а также полимерные материалы, обладающие оптическими свойствами, соответствующими по своим показателям оптическим стёклам.

Стёклами называются все аморфные тела, получаемые путём охлаждения расплава (независимо от их состава и температурной области затвердевания) и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твёрдых тел. Причём процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Начало стеклоделия относится к четвёртому тысячелетию до нашей эры. Вероятнее всего, оно возникло на базе гончарного ремесла, когда обожженные изделия из глины стали покрывать стекловидными плёнками из глазури. Достоверно установлено, что первые изделия из стекла были получены в Египте. Из него оно проникло в Рим (I в. до н.э.). Из древнего Рима стеклоделие распространилось в его провинции: Британия, Галлия и др., а также на северное побережье Чёрного моря и на Руси. Своего расцвета стеклоделие достигло в Венеции, сильнейшей морской державе Средиземного моря, в IX в. Попытки создания специального вида стекла для оптики велись с того времени, когда стали пользоваться оптическими приборами для изучения Вселенной и микромира. В конце XVIII в. такое стекло в Европе имелось.

Чем отличается оптическое стекло от обычного − строительного бытового или художественного? Основное качество оптического стекла − это его однородность. Поэтому в России вплоть до начала ХХ в. не удавалось его получить. Первые опыты по варке оптического стекла в нашей стране были предприняты ещё М.В. Ломоносовым. Но они не привели к желаемому результату. Успех ожидал Ломоносова в варке цветных стёкол и изготовлении тянутой мозаики, из которой он составлял свои знаменитые мозаичные картины. В 1754 г. он построил и запустил в эксплуатацию завод по производству «разноцветных стёкол и из них бисера и других галантерейных вещей» в 70 км от Санкт-Петербурга в деревне Усть-Рудица. Это по существу была опытная база, на которой Ломоносов реализовывал результаты своих исследований поведения стекольных красителей: солей различных металлов. Но после его смерти завод был заброшен. А оптическое стекло приобреталось в Европе, в основном, в Германии. Поэтому накануне I мировой войны правительство России озаботилось собственным производством оптического стекла в первую очередь для нужд вооружений. В Германию были отправлены учёные для изучения технологии его производства, а в 1915 г. приобретена лицензия на английский патент фирмы «Братья Ченс», поскольку Россия к тому времени уже вступила в войну с Германией. С сентября 1914 по сентябрь 1915 г. состоялись первые 12 плавок оптического стекла на Императорском фарфоровом заводе (ст. метро «Ломоносовская»). Это стекло было использовано в призмах для биноклей Главного артиллерийского управления России.

Академик Рождественский, основатель и первый директор Государственного оптического института, был одним из организаторов производства оптического стекла в нашей стране. Он говорил: «без оптического стекла нет ни познания природы, ни власти над ней». Оптическое стекло играет важную роль в изучении Вселенной, исследовании микромира, внутриядерных процессов, микро- и квантовой электронике и изучении космоса, управлении работами с расщепляющимися материалами, в прямом наблюдении за окружающей средой, в фотографии, кино и видеотехнике, телевидении.

В чём заключается однородность оптического стекла? Это, прежде всего – химическая однородность, достигаемая специальными приёмами перемешивания стекломассы при варке. При локальной химической неоднородности в стекле возникают так называемые свили и потоки свилей, они видны на глаз, при плавном изменении химического состава обнаруживается изменение показателя преломления в различных кусках стекла. Для оптики чувствительны изменения этого показателя в 10^-6, т.е. в шестом знаке посте запятой.

Отсюда вытекает требование однородности оптической. Она характеризуется разностью показателей преломления (для жёлтой линии натрия), не превышающей единиц шестого знака, и прозрачностью, которая характеризуется коэффициентом поглощения белого света на 1 см пути луча в стекле. Коэффициент поглощения света оптического стекла находится в пределах 0,002−0,02.

В оптическом стекле должны отсутствовать:

Физическая неоднородность стекла вызывается в стекле напряжениями, возникающими в процессе его охлаждения. Напряжения устраняют тонким отжигом – специально подобранными условиями тщательнейшего отжига (отжигают любое стекло, иначе оно бы рвалось после варки и охлаждения от внутренних напряжений). Кроме того, к физическим неоднородностям относятся включение пузырей и камней. Камень − это брак. А пузыри – неизбежный недостаток оптического стекла ввиду высокой вязкости стекломассы.

Термомеханическая неоднородность – двойное лучепреломление (анизотропия), стёкла должны быть изотропными.

Структурная неоднородность – из-за различного термического прошлого стекла.

Оптическое стекло должно быть химически устойчиво к действию влажной атмосферы и к действию слабых кислот (к так называемой «пятнаемости», т.е. не должно быть чувствительно к прикосновению человеческих рук).

Под маркой стекла подразумевается оптическое стекло определённого состава, характеризуемое показателем преломления, средней дисперсией (изменение преломляющей способности в зависимости от длины волны) и коэффициентом дисперсии. Оптические стёкла имеют две марки − кроны и флинты, а они в свою очередь бывают различных типов. Типом оптических стёкол называется группа стёкол с определённой областью ограничения соотношения «показатель преломления – коэффициент дисперсии».

Помимо оптических стёкол для изготовления оптических элементов используют и органические полимеры. В последние десятилетия интенсивно исследуются, например, жидкокристаллические плёнки, капсулированные в полимере. В таких плёнках капли жидкого кристалла диспергированы в связующей полимерной матрице. Жидкие кристаллы (ЖК) – это класс соединений, преимущественно органических, обладающих ориентационным порядком. Электрические, магнитные, тепловые и другие воздействия приводят к изменению их оптических свойств. Оптические эффекты в таких системах обусловлены изменением ориентации оптических осей (директоров) капель и конфигурации молекул ЖК в каплях под действием электрических и магнитных полей, температуры и проч. Эти плёнки обладают гибкостью, высокой механической прочностью и светостойкостью.

Области применения ЖК-элементов определяются возможностями плавного (или дискретного) изменения в широких пределах оптических свойств тонкого слоя материала при малых управляющих напряжениях электрического поля, основанные на контролируемой деформации слоя ЖК, осуществляемой либо локально, либо по всему полю зрения. Эти свойства привлекают внимание разработчиков линз с переменным фокусным расстоянием или адаптивных линз. Изменение фокусного расстояния в них осуществляется не за счет механического перемещения компонентов объектива, а в плоской ячейке без перемещающихся деталей за счёт переориентации молекул ЖК. Изменение фокусного расстояния может быть дискретным или плавным и осуществляется изменением амплитуды приложенного управляющего напряжения и его частоты. Использование адаптивных линз может дать ряд интересных применений в цифровых фотокамерах с переменным фокусным расстоянием, сканнерах объемных дисплеев, корректорах астигматизма полупроводниковых лазеров и специальных устройствах с автоматической фокусировкой.

На основе жидкокристаллических плёнок, капсулированных в полимере, можно создавать устройства с перестраиваемыми характеристиками: модуляторы интенсивности и фазы световой волны, поляризаторы и преобразователи поляризации света, линзы, фильтры, зеркала, гибкие дисплеи и др.

Формула линзы

Рассмотрим теперь случай хода лучей через две сферические поверхности, ограничивающие какой-либо прозрачный хорошо преломляющий материал от воздуха. То есть – обычную линзу.

К ак правило, оптические свойства линз изучают на примере так называемых тонких линз. Линзу называют тонкой, если её толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны её поверхностей.

Преломление от первой сферической поверхности без второй сферической поверхности создало бы в сплошном стекле с показателем преломления n изображение С на расстоянии SC = a от вершины, так что

,

где а₁ = SA₁, R₁ – радиус кривизны первой поверхности линзы.

Для второй поверхности С является как бы мнимым источником света. Построение изображения этого источника после преломления на второй поверхности линзы даст точку В на расстоянии а₂ = SB от линзы. Здесь опять применима формула , где а₂ = SВ, R₂ – радиус кривизны второй поверхности линзы.

Так как n₁ = n₂ (воздух с двух сторон линзы), то получаем − для первой поверхности и − для второй поверхности. Складывая оба уравнения, получим уравнение

.

Если ввести относительный показатель преломления N = n/n₁, то получим общую формулу линзы, которая годна для выпуклых и вогнутых линз при любом расположении источника

.

Нужно только принимать во внимание знаки а₁ и а₂ и R₁ и R₂ − соблюдать правило знаков. Если они отложены вправо от линзы, то они положительные, если влево от линзы – отрицательные.

Линзы

Теперь о линзах и их характеристиках на примере тонких линз, толщина которых пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны её поверхностей.

Линза имеет следующие характеристики.

Радиусы кривизны линзы – радиусы сферических поверхностей, ограничивающих линзу.

Главная оптическая ось – прямая С₁С₂, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Оси, проходящие через центр линзы под углом к главной оптической оси, называются побочными.

Вершины линзы – точки О₁ и О₂ – точки пересечения сферических поверхностей, образующих линзу, с главной оптической осью.

О севая толщина линзы – (расстояние О₁О₂) расстояние между вершинами линзы. В случае тонкой линзы, осевая толщина линзы не учитывается при расчётах и геометрическом построении изображения.

Оптический центр линзы – точка, лежащая на главной оптической оси в месте её пересечения с вершинами линзы, т.е. в случае тонкой линзы расстояние О₁О₂ рассматривается как одна точка. Лучи, проходящие через эту точку, не изменяют своего направления.

Г лавной фокальной плоскостью называется плоскость, перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через главный фокус.

Предметным пространством называется та часть линзы или объектива, где располагаются предметы. Пространством изображений – та часть, где образуется их изображение.

Линзы бывают собирающие и рассеивающие.

К собирающим (положительным) линзам относятся двояковыпуклые (а), плосковыпуклые (б), вогнуто-выпуклые (положительный мениск) (в). Они отличаются тем, что у них середина линзы всегда толще её краёв.

Главным свойством собирающих линз является их способность собирать падающие на их поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

Д ействительным главным фокусом собирающей линзы называется точка, в которой собирается падающий на линзу параллельный главной оптической оси пучок лучей.

Пучок, исходящий из фокуса, после прохождения через линзу становится параллельным.

Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра линзы, или, что то же самое, от поверхности линзы до её действительного главного фокуса. Фокусное расстояние определяется следующим образом:

,

где N – относительный показатель преломления вещества линзы, R₁ и R₂ – радиусы кривизны поверхностей линзы.

Поскольку у линзы две сферические поверхности, то её можно поворачивать к предмету то одной, то другой стороной. Таким образом, она имеет и два фокуса, и два фокусных расстояния, разные по знаку, потому что находятся по разные стороны от поверхностей линзы. У собирающей линзы фокус передней сферической поверхности называется задним фокусом, а задней сферической поверхности – передним.

Е сли на некотором расстоянии от собирающей линзы поместить светящуюся точку S, то луч, направленный по оси, пройдёт через линзу, не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в точке S', которая будет изображением светящейся точки. Эта точка носит название сопряжённого фокуса или просто фокуса.

Таким образом, фокусом, или сопряжённым фокусом, называется точка, в которой собирается падающий на линзу расходящийся пучок. Плоскость, перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через сопряжённый фокус, называется фокальной плоскостью.

К рассеивающим (отрицательным) линзам относятся двояковогнутые (а), плосковогнутые (б) и выпукло-вогнутые (в).

У рассеивающих линз края всегда толще её середины. При падении на рассеивающую линзу пучка лучей, параллельного главной оптической оси, при преломлении лучи будут отклоняться в сторону краёв линзы, т.е. рассеиваться.

Параллельный пучок лучей при падении на рассеивающую линзу расходится.

Всё сказанное выше верно только в случае, если материал тонкой линзы преломляет сильнее, чем воздух. В случае стеклянной линзы так и происходит. Если, например, мы рассматриваем воздушную полость в воде, то картина будет обратная.

О пределим положение главного фокуса у рассеивающей линзы.

При прохождении параллельного пучка через рассеивающую линзу лучи расходятся в разные стороны. Если эти лучи мысленно продолжить в обратном направлении до пересечения с главной оптической осью, то они сойдутся в точке F – главном мнимом фокусе линзы. Что такое мнимый фокус?

Фокус или любая точка изображения будут называться мнимыми, если в действительности лучи не проходят через эту точку, а в ней лишь пересекаются геометрические продолжения лучей.

Таким образом, у собирающей линзы f > 0, поэтому она называется положительной, а её главный фокус – действительным. У рассеивающей линзы - f < 0, она называется отрицательной, а её главный фокус – мнимым.

Оптическое изображение, которое получается при действительном пересечении лучей – действительное, если оптическое изображение получается при пересечении геометрических продолжений лучей – мнимое.

Рассмотрим теперь коротко эволюцию органа зрения – глаза.

Биологи считают, что эволюция глаза началась примерно 540 млн. лет назад, а за следующие 100 млн. лет возникли все известные типы глаз, в том числе и у современных организмов.

Ощущать свет умеют некоторые простейшие, например, одноклеточные водоросли. Они имеют красное светочувствительное пятно, а в нём есть вещество, которое при попадании на него света диссоциирует на ионы, а без света – восстанавливается до нейтральной молекулы. Точно такой же механизм, как известно, лежит в основе зрения человека. Это светочувствительное пятно у одноклеточных всего лишь даёт понять, светло кругом или темно.

Для водоросли этого мало: ей для фотосинтеза нужен свет, т.е. ей хотелось бы знать, в какую сторону надо двигаться поближе к свету. Для этого у некоторых водорослей светочувствительное пятно окружено с 3-х сторон экраном из чёрного пигмента, чтобы было понятно, с какой стороны падает свет. У других одноклеточных же водорослей над пятном образовалось что-то вроде собирающей линзы из протоплазмы, т.е. нечто похожее на глаз.

У дождевого червя, например, светочувствительные клетки есть на всей поверхности тела, чтобы вовремя закопаться в землю, если случаем вылез на её поверхность, где его поджидают сплошные неприятности. У некоторых червей светочувствительные клетки собраны группами, чтобы можно было оценить, какая часть тела высунулась на свет.

Ч тобы защитить нежные чувствительные клетки от повреждений, у некоторых червей и медуз эти клетки немного заглублены в поверхность тела. Эти зрительные ямки позволяют понимать, с какой стороны идёт свет, но изображение в ней получается совсем нерезким. Чтобы защитить ямку от попадания в неё чего попало, ямка почти замкнулась, образовав нечто вроде известной камеры-обскуры. Такие глаза имеют некоторые черви и моллюски. Недостатком этого типа глаз является малая светосила, достоинством – резкое изображение.

Следующий шаг эволюции – «изобретение» хрусталика, который делает изображение не только резким, но и ярким. По строению глаз животных биологи различают сначала образование над ямкой или отверстием прозрачной плёнки из видоизменённой кожи – роговица, потом центральная часть роговицы утолщилась и получилась линза. Позже она опустилась и погрузилась в полость глаза. Примерно также развивается хрусталик у эмбриона человека – из кожи.

Глаза с хрусталиком свойственны не только позвоночным, к которым относится человек, но и большинству головоногих моллюсков. Но наводку на резкость они осуществляют по-разному. Кальмары и осьминоги, например, действуют примерно так, как наводится на резкость объектив фотокамеры: он перемещается вдоль оптической оси, изменяя расстояние до оптического изображения. У головоногих для этого есть специальная мышца, которая двигает хрусталик. Глаз позвоночных имеет другие по назначению мышцы: они сжимают или расслабляют хрусталик, меняя тем самым радиус его кривизны, фокусируют изображение. То есть такой хрусталик может менять фокусное расстояние и является, таким образом, адаптивной линзой.

Человеческий глаз не самый совершенный в природе – острота зрения у орла в 2 раза выше. Но по сравнению со зрением осьминога, мы видим в 2 раза лучше него и в 7 раз лучше кошки. Но что до кошки, то чувствительность её зрительного аппарата выше, чем у человека. Глаза кошки, как известно, светятся в темноте. В её глазу под клетками ретины есть слой клеток с блестящими кристалликами внутри. Свет, попадая на сетчатку, отражается от этого зеркальца и проходит через светочувствительные клетки глаза вторично, что и способствует повышению чувствительности. А свечение глаз кошки в темноте обусловлено отражением света от этого зеркальца.

Другие животные пошли путём экстенсивного развития. Ракообразные и насекомые имеют множество довольно примитивных по строению глаз. Такой сложный, или фасеточный, глаз может содержать до 30 тыс. микроскопических фасеток – отдельных «глазков», информация от которых складывается в единую мозаичную картинку.

Орган зрения человека состоит из трёх отделов: периферического (собственно глаз), проводникового (зрительный нерв) и центрального (зрительная зона коры головного мозга в затылочной области). Главная линза – хрусталик, даёт оптическое изображение наблюдаемого предмета, которое системой нервных окончаний, находящихся в одной из оболочек глаза (ретине, или сетчатке), преобразуется в сигналы, которые по зрительному нерву передаются в затылочные доли головного мозга. В результате этого по неизвестным пока механизмам возникает зрительный образ предмета.

Г лаз – шарообразное тело, имеющее несколько оболочек. Внешняя – склера (белковая оболочка) состоит из сухожилий, непрозрачна и имеет защитную функцию. Спереди она переходит в прозрачную и более выпуклую оболочку – роговицу. Под склерой находится сосудистая оболочка (кровеносные сосуды, питающие глаз). По внутренней стороне к ней примыкает пигментный слой, который поглощает рассеянный свет, который может повлиять на качество получаемого линзой – хрусталиком оптического изображения в худшую сторону. Сосудистая оболочка спереди переходит в радужную оболочку, содержащую пигментные клетки. Пространство между хрусталиком и роговицей называется передней камерой, оно заполнено так называемой водянистой влагой, которая на 99% состоит из воды, а остальное – растворённые соли и белки. За хрусталиком находится стекловидное тело, состоящее тоже главным образом из воды. Отверстие в центре радужки – зрачок, играет роль диафрагмы. При изменении освещённости глаза площадь зрачка меняется, что предохраняет сетчатку от чрезмерного раздражения при повышенной освещённости. Сужение и расширение зрачка рефлекторны (зрачковый рефлекс).

Как уже отмечалось, наводка на резкость глазом осуществляется не изменением расстояния от линзы до оптического изображения (как в объективе, например), а изменением кривизны поверхности хрусталика. За изменение радиуса кривизны отвечают круговые и радиальные мышцы и цинновые связки, являющиеся частью ресничного тела. Изменение радиуса кривизны хрусталика с помощью мышц и связок ресничного тела называется аккомодацией.

В центре сетчатки расположено жёлтое пятно. Средняя его часть углублена, поэтому называется центральной ямкой. В её середине расположены только колбочки, а сама область имеет угловой размер около 2° (угловое поле), что соответствует площади менее 1 мм² (поле изображение). Здесь находится свыше 50 тыс. колбочек, очень близко расположенных друг к другу, что обеспечивает высокую разрешающую способность и цветовую чувствительность этого участка сетчатки. Прямая, соединяющая центр ямки с наблюдаемой точкой предмета (точкой фиксации взора), называется зрительной осью.

Что касается чувствительности человеческого глаза, то она определяется по пороговому значению, поэтому в процессе определения чувствительности участвуют только палочки. Пороговая чувствительность ретины − 6−8 фотонов, но некоторые исследователи считают, что этих фотонов должно быть в 4 раза больше. Такой разброс значений у разных исследователей вызван тем, что они при измерениях используют разные угловые поля – от 7 до 20°. Вообще в глазе теряется до 50% света. Максимальная квантовая эффективность ретины η = 0,7. Зрачок же реагирует (меняет радиус) на 100 фотонов.