Биофизика зрения

Биофизика зрения

   Структура человеческого  глаза. Светопреломляющая система  глаза. Органом зрения принято  называть глаз, но следует знать,  что в зрительный анализатор  вместе с палочками и колбочками, и рядом нейронов, находящихся  в сетчатой оболочке глаза,  входят определенные отделы центральной  нервной системы. Важнейшим вспомогательным  аппаратом  фоторецепции является  светопреломляющая система глаза.

   Глаз является системой линз, которая формирует перевернутое действительное изображение на светочувствительной поверхности. Глазное яблоко имеет приблизительно сферическую форму с диаметром около 2,3см. Внешняя его оболочка является почти волокнистым непрозрачным слоем, называемым склерой. Свет поступает в глаз через роговицу, представляющую собой прозрачную оболочку на внешней стороне поверхности глазного яблока. В центре роговицы расположено цветное кольцо – радужкой (радужная оболочка) со зрачком посредине. Они осуществляя регуляцию поступления света в глаз. 
    Хрусталик представляет собой линзу, состоящую из волокнистого прозрачного материала. Его форма и, следовательно, фокусное расстояние могут изменяться с помощью цилиарных мышц глазного яблока. Пространство между роговицей и линзой заполнено водянистой жидкостью и называется передней камерой. За линзой расположено прозрачное желеобразное вещество, называемое стекловидным телом. 
    Внутренняя поверхность глазного яблока покрыта сетчаткой, которая содержит многочисленные нервные клетки - зрительные рецепторы: палочки и колбочки, которые отвечают на зрительные раздражения, генерируя биопотенциалы. Наиболее чувствительной областью сетчатки является желтое пятно, где содержится наибольшее число зрительных рецепторов. Центральная часть сетчатки содержит только плотно упакованные колбочки. Глаз вращается, чтобы рассмотреть изучаемый объект.

   Центрированная диоптрическая  система при построении изображения   предметов рассматривается как  одно целое, и ход лучей в  ней определяется при помощи  кардинальных точек, лежащих на  главной оси (ОО’). К ним относятся:  два главных фокуса: F 1– передний и F2 – задний, две главные точки: Н1 и Н2 и две узловые точки N1 и N2.

   Главными фокусами  диоптрической системы называют  точки, в которых после преломления  собираются лучи, входящие в систему  параллельно главной оси. F1≠F2, так как коэффициенты преломляющих сред , находящихся перед глазом и внутри неодинаковы: η(воздуха)=1 и η(внутри)=1,336, а главные плоскости (h1 и h2) строятся перпендикулярно главной оси

   Тонкая и толстая  линзы. Если вся центрированная  светопреломляющая система находится  в однородной среде (η1=η2), то  N1 совпадает с H1 и N2 – с H2, то такой системой является тонкая линза, когда обе ее поверхности контактируют с воздухом. В такой линзе пренебрегают толщиной в отличии от расстояния главных фокусов от передней и задней поверхностей. N1, N2, H1, H2 сливаются в одну точку, которая называется оптическим центром линзы. Расстояния от оптического центра до предмета (а) и до изображения (b) связаны с фокусным расстоянием (f) простым соотношением : +=. Для толстой линзы формула связи гораздо сложнее, т.к. включены все кардинальные точки. Для упрощения расчетов  используют реальные диоптрические системы, стремясь обойтись минимальным количеством кардинальных точек.

   Понятие об остроте  зрения.  Мерой разрешающей способности  глаза служит зрительный угол. Разрешающая способность глаза  обратно пропорциональна минимальному  зрительному углу, под которым  крайние точки предмета не  сливаются в зрительном восприятии. Такой зрительный угол называется  угловым пределом разрешения (δ=αmin).

   Для ясного видения  объекта необходимо, чтобы после  преломления лучей, изображение  формировалось на сетчатке. Изменение  преломляющей силы глаза для  фокусировки близких и отдаленных  объектов называется аккомодацией. Наиболее отдаленная точка, на  которую может сфокусироваться  глаз, называется бесконечность.  Точка наилучшего видения находится  на расстоянии 25см.

  Острота зрения (visus – V) нормальна (V=1), если человек различает крайние точки предмета, находящиеся под углом в 1 минуту. Изображение на сетчатке  получается длиной около 5 мкм. Остроту зрения проверяют по специальным таблицам: Сивцева буквы и кольца с разрывами и кольца Ландольта, составляющие 3 строку снизу. Острота зрения человека, различающего  буквы и кольца этой строки, равна единице. Она принята за норму, такое явление называется эмметропией.

   Ошибки преломления.  Естественно, существуют отклонения  от нормы.. Это объясняется плотностью расположения колбочек: у дальнозорких людей, такое отклонение называется гиперопия. Для коррекции дальнозоркости необходимо увеличить преломляющую силу глаза – для этого используют выпуклые линзы, которые добавляют преломляющую силу к силе оптической системе глаза. И менее плотным -  у близоруких людей – миопия, так как преломляющая сила слишком велика, тона нейтрализуется вогнутой линзой. Так же возникает проблема из-за слишком большой кривизны роговицы в одной из своих плоскостей – преломляющая поверхность роговицы не сферическая, а эллипсоидная. Это можно скорректировать с помощью цилиндрической линзы.

      Рефракция  глаза. Одним из наиболее важных  параметров модели глаза является  его преломляющая сила – рефракция.  Она определяется как величина, обратно пропорциональная фокусному  расстоянию: D=, и измеряется в диоптриях (дптр): 1 дптр = 1 м^-1.

   Принято различать  физическую, физиологическую и клиническую  рефракции. Суммарная преломляющая  сила всего диоптрического аппарата  глаза называется физической  рефракцией. Это алгебраическая  сумма рефракций основных преломляющих  сред глазного яблока: роговицы (D≈42-43 дптр), хрусталика (D от 19,11 до 33,06 дптр), камерной влаги (D≈2-4 дптр), стекловидного тела (D≈5-6 дптр).

   Суммарная оптическая  сила глаза в условиях покоя  аккомодации (D хрусталика ≈19 дптр) называется физиологической рефракцией. В норме это около 59 дптр, при максимальной аккомодации у молодых людей оптическая сила глаза может превышать 70 дптр.

   Под клинической  рефракцией подразумевают степень  совпадения места построения  изображения в светопреломляющей  системе глаза с местоположением  сетчатки в условиях покоя  аккомодации. 

   Кодирование информации  в органе зрения заключается  в двух задачах: каким образом кодируются длина волны и интенсивность света, и какие принципы лежат в основе кодирования информации о размерах и форме предмета.

   Кодирование длины  волны света.  Способность глаза  воспринимать свет различной  длины волны называется цветовым  зрением. Установлено, что палочки  сетчатки – рецепторы монохроматического  зрения, а колбочки – полихроматического.

   Наибольшим признанием  пользуется трехкомпонентная теория  цветового зрения, предложенная  М. В. Ломоносовым.: колбочки делятся на три вида и содержать различные светочувствительные вещества.  Всякий цвет оказывает действие на все три вида рецепторов в различной степени. При изолированном возбуждении колбочек одного вида возникает ощущение  насыщенного красного, зеленого или синего. Если же возбуждаются одновременно рецепторы всех видов, то возникает ощущение белого или серого цвета.

   Кодирование информации  об интенсивности света. При  действии света в фоторецепторных  клетках возникают генераторные  потенциалы, величина которых пропорциональна  интенсивности действующего света.  Эти потенциалы вызывают возбуждение  биполярных клеток и волокон  зрительного нерва. Частота возбуждения  нервных клеток пропорциональна  величине генераторных потенциалов,  и следовательно, интенсивности света. Так же, между интенсивностью света и частотой нервных импульсов в волокнах зрительного нерва в определенных пределах возникает логарифмическая зависимость.

   Кодирование информации  о расстоянии до предметов  и о величине предметов. Оценка расстояния возможна как при монокулярном (осуществляется степенью напряжения ресничной мышцы, изменяющей кривизну хрусталика), так и при бинокулярном зрении (оценка расстояния зависти от диспарации – расхождения изображений на сетчатке глаз.  В зависимости от величины диспаратного расхождения изображений предметов на сетчатке возникают ощущения большей или меньшей удаленности предметов друг от друга, т.е. глубина рельефа кодируется величиной диспарации.).

    Информация о  величине предметов кодируется  количеством возбуждаемых рецепторов. В зависимости от величины  предметов на сетчатке будет  возникать изображение большей  или меньшей величины и станет  возбуждаться большее или меньшее  количество рецепторов.

   Вся зрительная  информация, получаемая мозгом, содержится  в распределении активности между  фоторецепторами сетчатки, исключение  – информация степени напряжения  мышц, участвующих в зрении.