Глаз - воспринимающий отдел зрительного анализатора, служащий для восприятия световых раздражений. Через глаза человек получает до 90 % информации об окружающем мире.
Строение глаза показано на рис. 24.1.
1. Склера - достаточно прочная внешняя белковая оболочка, защищающая глаз от повреждений и придающая ему постоянную форму.
2. Роговица - передняя часть склеры, более выпуклая и прозрачная; действующая как собирающая линза с оптической силой +(42-43) дптр. Склера обеспечивает до 75 % фокусирующей способности глаза. Ее толщина 0,6-1 мм, а показатель преломления n = 1,38.
3. Сосудистая оболочка - с внутренней стороны склера выстлана сосудистой оболочкой. Это очень тонкая перепонка, содержащая кровеносные сосуды. В передней части она утолщается и принимает форму кольца. Здесь-то и прикрепляется радужная оболочка и ресничная мышца.
4. Пигментная оболочка, содержащая темные пигментные клетки, препятствующие рассеиванию света в глазу.
5. Радужная оболочка - в передней части сосудистая оболочка переходит в окрашенную радужную оболочку, цвет которой определяет цвет глаз.
Рис. 24.1. Оптическая система глаза
6. Зрачок - круглое отверстие в радужной оболочке, пропускающее свет. Диаметр зрачка может изменяться от 2 до 8 мм. Радужная оболочка и зрачок играют роль диафрагмы, регулирующей поступление света внутрь глаза.
7. Хрусталик - природная эластичная двояковыпуклая линза диаметром 8-10 мм и оптической силой +(20-30) дптр. Хрусталик имеет слоистую структуру с наибольшим показателем преломления n = 1,41; находится за радужной оболочкой.
8. Кольцевая мышца - мышца, которая охватывает хрусталик и может изменять кривизну его поверхностей. При сжатии кольцевой мышцы оптическая сила хрусталика увеличивается.
9. Передняя камера - камера с водянистой массой (n = пводы), которая находится в передней части глаза между роговицей и хрусталиком, оптическая сила +(2-4) дптр.
10. Зрительный нерв, обеспечивающий передачу зрительной информации в мозг. Подходя к глазу, он разветвляется, образуя на задней стенке сосудистой оболочки светочувствительный слой - сетчатку.
11. Сетчатка - светочувствительный слой, воспринимающий свет и преобразующий его в нервные импульсы. Сетчатка представляет собой разветвление зрительного нерва с нервными окончаниями в виде палочек и колбочек.
Колбочки (их примерно 10 млн) служат для восприятия мелких деталей предмета и различения цветов; диаметр колбочки 7 мкм, а длина около 35 мкм.
Палочки (120 млн клеток) не воспринимают различия в цвете и мелкие детали, но они высокочувствительны к слабому свету. С помощью палочек человек различает предметы в сумерках и ночью. Диаметр палочки 2 мкм, а длина 6 мкм.
Палочки и колбочки распределены неравномерно: в средней части сетчатки преобладают колбочки, а по краям - палочки. Чувствительность сетчатки очень высока: свет обыкновенной свечи виден на расстоянии нескольких километров.
12. Стекловидное тело - студенистое вещество, заполняющее пространство между хрусталиком и сетчаткой (задняя глазная камера). Оптическая сила -(5-6) дптр.
13. Желтое пятно (макула) - самая чувствительная область сетчатки, площадью около 3 мм2. Человек видит ясно те предметы, изображение которых проецируется на желтое пятно.
14. Центральная ямка - наиболее чувствительная часть желтого пятна. Это область диаметром примерно полмиллиметра, в которой сетчатка углублена. Здесь палочки совсем отсутствуют, а концентрация колбочек максимальна.
15. Слепое пятно - расположено в том месте, где зрительный нерв входит в глаз. Здесь нет ни палочек, ни колбочек, и лучи, попадающие на эту область, не вызывают световых ощущений (отсюда и название «слепое пятно»).
16. Конъюнктива - наружная оболочка глаза, выполняет барьерную и защитную роль.
Свет, падающий на колбочки и палочки, вызывает в них химические превращения. Благодаря этому в нервном волокне, соединяющем светочувствительные клетки глаза с мозгом, возникают электрические импульсы.
Получение зрительной информации о рассматриваемом предмете - сложный психофизический процесс. Поле ясного зрения определяется размерами желтого пятна и составляет около 8° по горизон-
тали и 6° по вертикали. Все, что проецируется на периферическую часть сетчатки, воспринимается в виде смутных деталей. Однако глаз обладает способностью быстро перемещаться (поворачиваться) в своей орбите, сканируя рассматриваемый объект. Этот процесс протекает под управлением мозга. Поэтому глаз может задерживаться на тех деталях, которые представляют интерес, возвращаться к ним при необходимости. Благодаря этому человек, не поворачивая головы, может обозревать сектор 120-150° по вертикальному и горизонтальному направлениям. Это больше, чем у хороших оптических инструментов.
Светопроводящий аппарат глаза образован роговицей, жидкостью передней камеры, хрусталиком и стекловидным телом. Первые три элемента подобны собирающим линзам, а последний - рассеивающей. Глаз - центрированная оптическая система,главная оптическая ось (ОО) которой проходит через центры роговицы, зрачка, хрусталика. Оптическая сила глаза складывается из оптических сил всех перечисленных элементов. При полностью расслабленной кольцевой мышце оптическая сила глаза - около +60 дптр, при максимальном напряжении кольцевой мышцы (рассматривании близких предметов) D > +70 дптр.
Направление наибольшей чувствительности глаза определяет его зрительная ось(О'О'), которая проходит через центры роговицы и желтого пятна. В направлении этой оси глаз имеет наилучшую разрешающую способность. Угол между оптической и зрительной осью составляет 5°.
Световоспринимающим (рецепторным) аппаратом глаза является сетчатка, в которой находятся светочувствительные зрительные клетки. Сетчатка - это часть мозга, отделившаяся от него на ранних стадиях развития, но все еще связанная с ним посредством пучка волокон - зрительного нерва. Она имеет форму пластинки толщиной приблизительно в четверть миллиметра. Светочувствительные клетки (палочки и колбочки), являющиеся фоторецепторами, расположены на задней поверхности сетчатки (рис. 24.2).
Таким образом, фоторецепторы самого глубокого слоя сетчатки воспринимают свет и передают импульсы на ганглиозные клетки. Их аксоны проходят по поверхности сетчатки и собираются в пучок у слепого пятна, образуя волокна зрительного нерва. Позади рецепторов находится слой клеток, содержащих черный пигмент меланин,
Рис. 24.2. Изображение основных слоев сетчатки и направлений нервных импульсов (жирные стрелки)
который поглощает свет, прошедший через сетчатку, не давая ему отражаться назад и рассеиваться внутри глаза.
Аккомодация
К глазу (с некоторыми ограничениями) применима формула линзы: D = 1/а1 + 1/а2. Действительное изображение предмета, даваемое светопроводящим аппаратом глаза, проецируется на сетчатку, которая играет роль экрана. Расстояние от сетчатки до всех элементов светопроводящего аппарата практически постоянно (а2 = ccnst). В этом случае обеспечить резкость изображения различно удаленных предметов можно единственным способом: изменять оптическую силу глаза D при изменении расстояния а1. Эту задачу решает кольцевая мышца, которая при напряжении увеличивает кривизну хрусталика, увеличивая тем самым оптическую силу. Процесс «наводки на резкость» называется аккомодацией.
Аккомодация - приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов.
В норме глаз человека обеспечивает четкое видение предметов, удаленных от него на расстояния от 12 см до да. Ближний предел аккомодации (12 см) связан с максимальным напряжением кольцевой мышцы. Такое напряжение вызывает быстрое утомление. Принято считать, что у взрослого человека с нормальным зрением аккомодация осуществляется без существенного напряжения на расстояние до 25 см. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения (видения) - а0. Дальнему пределу аккомодации ад соответствует полное расслабление кольцевой мышцы и минимальная кривизна хрусталика. В норме ад = ∞.
Отметим, что у некоторых животных, например у рыб, шарообразный хрусталик не изменяет своей кривизны, а перемещается под действием мышц вперед или вглубь глазного яблока, подобно объективу фотоаппарата.
Близорукость и дальнозоркость
К самым распространенным дефектам зрения относятся близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия), связанные с излишней или недостаточной выпуклостью хрусталика.
Если хрусталик излишне выпукл, то оптическая сила глаза превышает норму. В этом случае положение заднего фокуса при ненапряженной кольцевой мышце оказывается перед сетчаткой (рис. 24.4, а).
Такой глаз не может четко видеть удаленные предметы. Даже при небольшой степени миопии дальний предел аккомодации уменьшается до нескольких десятков сантиметров (у нормального глаза он равен бесконечности). Ближний предел аккомодации при этом также уменьшается. Близорукий человек выполняет тонкую работу лучше, чем человек с нормальным зрением. Вот почему среди потомственных ювелиров близорукость обычное явление. Для компенсации близорукости используют очки с рассеивающими линзами.
Рис. 24.4. Компенсация близорукости (а) и дальнозоркости (б)
Если выпуклость хрусталика недостаточна, то оптическая сила глаза меньше нормы. В этом случае положение заднего фокуса при ненапряженной кольцевой мышце оказывается за сетчаткой (рис. 24.4, б). Дальнозоркий глаз может четко видеть удаленные предметы только при напряжении кольцевой мышцы (это быстро утомляет). Ближний предел аккомодации при гиперметропии существенно превышает 25 см. Соответственно возрастает линейный предел разрешения. Человек теряет возможность выполнять тонкую работу. Возникают проблемы и при чтении. Для компенсации дальнозоркости используют очки с собирающими линзами.
Отметим, что оптические силы компенсирующих очков и контактной линзы различны.Это связано с тем, что контактная линза располагается вплотную к глазу, а линза очков удалена от него на некоторое расстояние h ≈ 2 см. Покажем, как определить оптическую силу компенсирующей линзы для этих двух случаев. Пусть ближний предел аккомодации у дальнозоркого глаза равен 60 см (а = 60). При компенсации с помощью очков или контактной линзы глаз видит не сам предмет, а его мнимое изображение(рис. 24.5).
Рис. 24.5. Расчет оптической силы очков
Это изображение должно находиться на расстоянии а = 60 см от глаза, когда предмет расположен на расстоянии а0 = 25 см (расстояние наилучшего зрения в норме). Для линзы соответствующие расстояния равны: а2 = а - h = 58 см = 0,58 м и а1 = а0 - h = 23 см = 0,23 м. По формуле линзы найдем оптическую силу компенсирующих очков: D = 1/а1 - 1/а2 = 1/0,23 - 1/0,58 = +2,62 дптр. При использовании контактной линзы h = 0. В этом случае D = 1/0,25 - 1/0,60 = +2,33 дптр.
Очки или контактные линзы лишь компенсируют близорукость и дальнозоркость.Лечение этих недостатков зрения возможно только хирургическим путем. В настоящее время достаточно хорошо отработана методика лечения путем коррекции формы роговицы с помощью лазерного луча. При этом, например, избыточность оптической силы хрусталика (миопия) компенсируют путем уменьшения кривизны роговицы.
Пресбиопия
Другим распространенным недостатком зрения является пресбиопия - возрастное ослабление способности глаза к аккомодации (иногда ее неправильно называют старческой дальнозоркостью). Пресбиопия связана с возрастным уменьшением эластичности хрусталика и ослаблением кольцевой мышцы. При этом увеличиваетсяближний предел аккомодации. Дальний предел аккомодации остается неизменным.
При пресбиопии невозможно получение на сетчатке четкого изображения близко расположенных предметов. Обычно речь идет об объектах зрительной работы - текстах, экранах и т.п. Для компенсации пресбиопии используют «очки для чтения». У человека с нормальной формой глаза это очки с положительной оптической силой. У дальнозоркого человека это очки с большей оптической силой, чем для наблюдения удаленных предметов. У близорукого человека это очки с меньшей оптической силой, чем у очков, которыми он пользуется обычно.
Астигматизм
Аберрации, свойственные обычным линзам, у глаз почти не проявляются.Сферическая аберрация весьма незначительна, так как зрачок ограничивает приосевой пучок света. Сферическая аберрация в хрусталике не проявляется, так как его оптическая плотность в середине выше, чем на периферии. Хроматическая аберрация не проявляется по ряду причин, в том числе и из-за малости расстояния между узловой точкой и сетчаткой - по-разному преломленные лучи просто не успевают разойтись на значительное расстояние. Отсутствует и астигматизм косых лучей, так как оптическая ось глаза всегда устанавливается в направлении наблюдаемого объекта.
Единственный недостаток светопроводящего аппарата глаза, присущий обычным оптическим системам, это астигматизм, обусловленный
его асимметрией. В норме поверхность роговицы и поверхность хрусталика являются сегментами почти идеальных сфер. Однако у некоторых людей кривизна одной или обеих этих поверхностей в одной плоскости оказывается большей, чем в другой. В офтальмологии этот дефект и называют астигматизмом. При астигматизме глаз не способен видеть взаимно перпендикулярные линии одинаково резко.
Для компенсации астигматизма используют «цилиндрические» линзы, асимметрия которых противоположна асимметрии глаза.
24.3. Угол зрения. Разрешающая способность. Острота зрения
При построении изображения, даваемого глазом на сетчатке, используют узловую точку N, которая аналогична оптическому центру тонкой линзы (рис. 24.6).
Размер изображения зависит только от угла β, под которым виден предмет. Этот угол называют углом зрения:
Угол зрения - угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через узловую точку (оптический центр глаза).
Из рисунка 24.6 следует, что tgβ = B/L = b/l. Учитывая эти соотношения, можно записать следующую формулу для размера изображения:
Рис. 24.6. Изображение на сетчатке и угол зрения β
Разрешающая способность
Разрешающая способность глаза - это величина, характеризующая его способность давать раздельное изображение двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное (или угловое) расстояние между двумя точками, при котором их изображения воспринимаются раздельно, называется линейным (или угловым) пределом разрешения.
Угловой предел разрешения - наименьший угол зрения, при котором человеческий глаз еще различает две точки предмета раздельно.
Обратим внимание на то, что понятие углового предела разрешения заимствовано из оптики, где оно применяется к изображениям точек. Поэтому корректное применение этого понятия к глазу допустимо лишь тогда, когда точки находятся в пределах аккомодации глаза. В этом случае угловой предел разрешения глаза не зависит от таких дефектов, как близорукость или дальнозоркость, и определяется свойствами сетчатки и диаметром зрачка.
Принято считать, что для глаза, способного к аккомодации, угловой предел разрешения равен 1' (3х10-4 рад.). При этом исходят из следующих соображений. Две точки предмета будут различимы, если их изображения попадают в соседние колбочки сетчатки. Расстояние между соседними колбочками b = 5 мкм = 5х10-6 м. По формуле (24.1) найдем угловое расстояние между такими точками, учитывая его малость (tgβ ≈β):
β « b/l = 5х10-6/17х10-3 ≈ 3x10-4 рад ≈ 1 угловая минута.
В действительности эта оценка занижена. Раздражение двух соседних колбочек светом равной интенсивности не создаст двух разде-
Рис. 24.7. Реальный случай раздельного восприятия двух точек
льных образов. Для создания раздельных образов необходимо, чтобы между двумя освещенными колбочками находилась хотя бы одна колбочка, которая не испытывает светового раздражения. Этот случай изображен на рис. 24.7, где показаны три колбочки диаметром 7 мкм, расстояние между которыми равно 5 мкм. Изображение точки вследствие дифракции света на зрачке имеет вид заштрихованного кружка (дифракционное пятно). Центры дифракционных пятен расположены на краях колбочек.
Полученное выше значение (1 угловая минута) может быть реализовано в том случае, когда в соседние колбочки попадают изображения двух точек с различной яркостью.При этом возникают нервные импульсы различной величины. Однако этот случай относится скорее к способности глаза различать контрастные детали. На практике принято считать, что угловое разрешение глаза лежит в пределах 2-4 угловые минуты.
В качестве линейной характеристики разрешающей способности используют линейный предел разрешения.
