Оптическая система глаза

1. Оптическая система глаза

Глаз.

Часто в задачах говорится, что что-либо рассматривается глазом. При этом хрусталик глаза можно  считать тонкой линзой. Эта линза  дает изображение рассматриваемого предмета на задней стенке глазного яблока, где расположена сетчатка светочувствительных клеток. В задачах сетчатку глаза можно считать плоским экраном. Глаз видит изображение сфокусированным (резким), если изображение предмета в линзе хрусталика попадает в плоскость сетчатки.

Следовательно при решении задач можно считать, что глаз состоит из тонкой линзы и плоского экрана.

 

Глаз как оптическая система

Строение глаза

На рисунке 2.1. изображен разрез глазного яблокаи показаны основные детали глаза.

 
Рис. 2.1. Горизонтальный разрез правого глаза.

Глаз представляет собой  шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г.

Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка может изменяется от 1 до 8 мм.

Помимо сосудов радужная оболочка содержит большое количество пигментных клеток, в зависимости от их содержания и глубины залегания радужная оболочка имеет различный цвет. Когда  в радужной оболочке нет никакого цветного вещества, то она кажется  красной от крови, заключенной в  пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света и иногда страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят  по остроте зрения глаза с темной окраской.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность  задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

Место входа зрительного  нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.

Упрощенная оптическая схема глаза

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через  оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза  – сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик  и стекловидное тело (рис. 2.2). Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

  
Рис. 2.2. Оптическая система глаза.

Преломление света в глазе  происходит главным образом на его  внешней поверхности – роговой  оболочке, или роговице, а также  на поверхностях хрусталика. Радужная оболочка определяет диаметр зрачка, величина которого может изменяться непроизвольным мышечным усилием от 1 до 8 мм.

Оптическая система глаза  чрезвычайно сложна, поэтому при  расчетах хода лучей обычно пользуются упрощенными, эквивалентными истинному  глазу «схематическими глазами». В таблице 2.1 приведены данные для  аккомодированного и не аккомодированного  глаза.

№	В состоянии покоя			В состоянии наибольшей аккомодации
пов-ти	радиус   кривизны	осевое   расстояние	показатель   преломления	радиус   кривизны	осевое   расстояние	показатель   преломления
1	7,7	0,5	1,376	7,7	0,5	1,376
2	6,8	3,1	1,336	6,8	2,7	1,336
3	10,0	3,6	1,386	5,33	4,0	1,386
4	-6,0	15	1,336	-5,33	15	1,336
	Оптическая сила			Оптическая сила

Таблица 2.1. Данные «схематического  глаза».

Оптическая сила глаза  вычисляется как обратное фокусное расстояние:

,

(2.1)

где    – заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах.

 

 

Строение  и функции глаза

Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, хиазму, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного  мозга, где формируется та картина  внешнего мира, которую мы видим. Все  эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему.

Наличие двух глаз позволяет  сделать наше зрение стереоскопичным (то есть формировать трехмерное изображение). Правая сторона сетчатки каждого  глаза передает через зрительный нерв "правую часть" изображения  в правую сторону головного мозга, аналогично действует левая сторона  сетчатки. Затем две части изображения  — правую и левую — головной мозг соединяет воедино.

Так как каждый глаз воспринимает "свою" картинку, при нарушении  совместного движения правого и  левого глаза может быть расстроено бинокулярное зрение. Попросту говоря, у вас начнет двоиться в глазах или вы будете одновременно видеть две совсем разные картинки.

Основные функции глаза

• оптическая система, проецирующая изображение;
• система, воспринимающая и "кодирующая" полученную информацию для головного мозга;
• "обслуживающая" система жизнеобеспечения.

Строение глаза

Глаз можно назвать  сложным оптическим прибором. Его  основная задача — "передать" правильное изображение зрительному нерву.

Роговица — прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Входит в оптическую систему глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза — склерой.

Передняя камера глаза — это пространство между роговицей и радужкой. Она заполнена внутриглазной жидкостью.

Радужка — по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры зрачка меняются. Она входит в сосудистую оболочку глаза. Радужка отвечает за цвет глаз (если он голубой — значит, в ней мало пигментных клеток, если карий — много). Выполняет ту же функцию, что диафрагма в фотоаппарате, регулируя светопоток.

Зрачок — отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок.

Хрусталик — "естественная линза" глаза. Он прозрачен, эластичен — может менять свою форму, почти мгновенно "наводя фокус", за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза.

Стекловидное тело — гелеобразная прозрачная субстанция, расположенная в заднем отделе глаза. Стекловидное тело поддерживает форму глазного яблока, участвует во внутриглазном обмене веществ. Входит в оптическую систему глаза.

Сетчатка — состоит из фоторецепторов (они чувствительны к свету) и нервных клеток. Клетки-рецепторы, расположенные в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной ткани, т.е. фотохимическая реакция.

Палочки обладают высокой  светочувствительностью и позволяют  видеть при плохом освещении, также  они отвечают за периферическое зрение. Колбочки, наоборот, требуют для  своей работы большего количества света, но именно они позволяют разглядеть мелкие детали (отвечают за центральное  зрение), дают возможность различать  цвета. Наибольшее скопление колбочек находится в центральной ямке (макуле), отвечающей за самую высокую  остроту зрения. Сетчатка прилегает  к сосудистой оболочке, но на многих участках неплотно. Именно здесь она  и имеет тенденцию отслаиваться при различных заболеваниях сетчатки.

Склера — непрозрачная внешняя оболочка глазного яблока, переходящая в передней части глазного яблока в прозрачную роговицу. К склере крепятся 6 глазодвигательных мышц. В ней находится небольшое количество нервных окончаний и сосудов.

Сосудистая оболочка — выстилает задний отдел склеры, к ней прилегает сетчатка, с которой она тесно связана. Сосудистая оболочка ответственна за кровоснабжение внутриглазных структур. При заболеваниях сетчатки очень часто вовлекается в патологический процесс. В сосудистой оболочке нет нервных окончаний, поэтому при ее заболевании не возникают боли, обычно сигнализирующие о каких-либо неполадках.

Зрительный нерв — при помощи зрительного нерва сигналы от нервных окончаний передаются в головной мозг.

 

Аккомодация

Аккомодация - это способность  глаза приспосабливаться к четкому  различению предметов, расположенных  на разных расстояниях от глаза.

Механизм аккомодации

Происходит путем изменения  кривизны поверхностей хрусталика при  помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное  тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну. В свободном, не напряженном состояние нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения бесконечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близкие предметы.

Точки аккомодации

Дальняя точка глаза - положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для не напряженного глаза.

Ближняя точка глаза - положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наибольшем возможном напряжении глаза. При аккомодации глаза на бесконечность задний фокус совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около 9 см.

Диапазон аккомодации глаза - разность обратных величин расстояний между ближней и дальней точками, измеряется в диоптриях

Расстояние наилучшего зрения

Расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета. В среднем составляет около 25-30 см, но для каждого человека оно может  быть индивидуальным.

При аккомодации глаза  на бесконечность задний фокус совпадает  с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение  предмета, находящегося на расстоянии около 9 см (рис. 2.4).

а) дальняя точка	б) ближняя точка
Рис. 2.4. Изображение ближней и дальней точки.

С возрастом способность  глаза к аккомодации постепенно уменьшается. Скажем, в возрасте 20 лет  для среднего глаза ближняя точка  находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации 10 дптр), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2.5 дптр), а к 60 годам уходит на бесконечность, то есть аккомодация прекращается. Это явление называется возрастной дальнозоркостью или пресбиопией.

 

Реакции глаз

Для психофизиолога наибольший интерес представляют три категории глазных реакций: сужение и расширение зрачка, мигание и глазные движения. 
Пупилометрия – метод изучения зрачковых реакций, используется для изучения субъективного отношения людей к тем или иным внешним раздражителям. 
Диаметр зрачка человека может существенно меняться в пределах от 1,5 до 9 мм. Величина зрачка существенно колеблется в зависимости от количества света, падающего на глаз: на свету зрачок сужается, в темноте – расширяется. Наряду с этим размер зрачка существенно изменяется, если испытуемый реагирует на воздействие эмоционально. В связи с этим пупилометрия используется для изучения субъективного отношения людей к тем или иным внешним раздражителям. 
Диаметр зрачка можно измерять путем простого фотографирования глаза в ходе обследования или же с помощью специальных устройств, преобразующих величину зрачка в постоянно варьирующий уровень потенциала, регистрируемый на полиграфе. 
Мигание (моргание) – периодическое смыкание век. Длительность одного мигания приблизительно 0,35 с. Средняя частота мигания составляет 7,5 в минуту и может варьировать в пределах от 1 до 46 в минуту. Мигание выполняет разные функции в обеспечении жизнедеятельности глаз. Однако для психофизиолога существенно, что частота мигания изменяется в зависимости от психического состояния. 
Окулография – методы регистрации движений глаз. Движения глаз широко используются в психологии и психофизиологии. Это разнообразные по функции, механизму и биомеханике вращения глаз в орбитах. Существуют разные типы глазных движений, выполняющие различные функции. Наиболее важная функция движений глаз состоит в том, чтобы поддерживать интересующее человека изображение в центре сетчатки, где самая высокая острота зрения. Минимальная скорость прослеживающих движений около 5 угл. мин./с, максимальная достигает 40 град./с. 
Наиболее распространенным методом регистрации движений глаз является электроокулография. По сравнению с другими окулографическими методами, такими, как фотооптический, фотоэлектрический и электромагнитный, электроокулография исключает контакт с глазным яблоком, может проводиться при любом освещении и тем самым не нарушает естественных условий зрительной активности. Метод электроокулографии основан на графической регистрации изменения электрического потенциала сетчатки и глазных мышц. У человека передний полюс глаза электрически положителен, а задний отрицателен, поэтому существует разность потенциалов между дном глаза и роговицей, которую можно измерить. При повороте глаза положение полюсов меняется, возникающая при этом разность потенциалов характеризует направление, амплитуду и скорость движения глаза. Электроокулограмма – графически зарегистрированное изменение движений глаз. 
Движения глаз, особенно вертикальные, а также моргания вызывают выраженные артефакты в ЭЭГ .