Глаз человека как оптическая система

Рис. 19.5. Устройство глаза.

Большую часть информации (более 80%) человек получает глазами. Глаз можно рассматривать как оптический прибор, похожий на современную электронную фотокамеру.

Глаз человека имеет примерно шарообразную форму. Диаметр глаза около 25 мм. Снаружи глазное яблоко покрыто эластичной белковой оболочкой – склерой. Склера непрозрачна за исключением ее передней части, называемой роговицей. В передней части глаза сосудистая оболочка, называемая радужной оболочкой, имеет в середине отверстие – зрачок, играющий роль диафрагмы. За радужной оболочкой расположен хрусталик – прозрачное тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы. Хрусталик охвачен кольцеобразной мышцей, под действием которой может изменяться кривизна его поверхности. Область глаза между хрусталиком и сетчаткой заполнена прозрачным веществом, называемым стекловидным телом.

Сетчатка состоит из десяти слоев. По внешнему виду она напоминает пчелиные соты. Светопринимающими элементами сетчатки являются окончания нервных волокон – нейронов. При наблюдении в микроскоп они имеют вид палочек и колбочек. В глазу человека около 7 миллионов колбочек и около 130 миллионов палочек (это гораздо больше, чем в любом современном многоэлементном полупроводиковом кристалле электронной камеры, который обычно имеет не более 7 млн светоприемных элементов). Палочки обладают большей светочувствительностью но не реагируют на цвета. Колбочки обеспечивают цветовое восприятие.

Вблизи оптической оси глаза на сетчатке находится желтое пятно, в котором концентрация палочек наибольшая. Угол обзора глаза – 125° по вертикали и 150° по горизонтали, но резкое изображение обеспечивается только областью желтого пятна с углом обзора 6° … 8° .

Зрительные восприятия человека во-многом обусловлены мозговой деятельностью. Изображение предмета, например, лица человека или страница с печатным текстом сканируется желтым пятном за счет движения хрусталика и движением глаза в целом. Эта особенность глаз человека обуславливает способность человека воспринимать плоские и черно-белые изображения (картины, фотографии, изображения на экране), как объемные. Недостающие элементы картины дополняются воображением. Как известно животные не способны воспринимать плоские изображения. Особенности зрения человека приводят к многочисленным иллюзиям зрения.

Аккомодация глаза – способность глаза видеть резко предметы, находящиеся на разном расстоянии от него. Процесс аккомодации состоит в изменении радиуса кривизны хрусталика в результате напряжения глазной мышцы. Когда мышца расслаблена, нормальный глаз видит удаленные предметы. При максимальном сжатии мышца глаз отчетливо видит наиболее близкие предметы.

Наиболее удаленную точку, наблюдаемую без аккомодации, называют дальней точкой глаза и обозначают буквой D. Ближняя точка В наблюдается при максимальной аккомодации. Так как глаз быстро утомляется при аккомодации на ближнюю точку, то близкие предметы принято рассматривать на оптимальном расстоянии, которое называют расстоянием наилучшего зрения. Для нормального глаза оно равно 250 мм. При хорошей освещенности (более 50 лк) расстояние наилучшего зрения удобно для чтения и работы с мелкими деталями.

а б

Рис. 19.6. а) Положение дальней точки нормального глаза находится на бесконечности. б) Положение ближней точки для нормального глаза.

Величина V - широта или объем аккомодации.

V = 1000/a_B – 1000/a_D,

где а_В и а_D измеряются в миллиметрах. Тогда V будет выражен в диоптриях. Для среднего глаза широта аккомодации равна приблизительно 11 дптр. С возрастом человека хрусталик постепенно теряет упругость и точка В непрерывно удаляется от роговицы. Например, в возрасте 50 лет ближняя точка удаляется до 400 мм. Соответственно V = 2,5 дптр. Явление постепенной утраты аккомодации называют возрастной дальнозоркостью.

Оптические характеристики глаза у разных людей неодинаковы. В результате статистических исследований были получены данные, характеризующие "средний глаз».

Адаптация глаза – способность глаза приспосабливаться к различным яркостям окружающих предметов. Глаз человека реагирует на световые излучения в диапазоне яркостей от 10^-6 до 10⁵ кд/м².

Адаптация происходит не мгновенно. Поэтому при переходе из темного помещения на улицу вначале наступает чувство ослепления до тех пор пока не включится дневное зрение. При длительном, в течение 20… 30 минут нахождении в темноте чувствительность глаза возрастает – включается сумеречное зрение.

Яркостный диапазон глаза изменяется в зависимости от концентрации светочувствительного вещества – родопсина, содержащегося во внешних слоях сетчатки. При повышенной освещенности родопсин обратимым образом изменяет свою структуру, что приводит к поглощению света. Действие родопсина аналогично работе солнцезащитных очков с изменяющимся в зависимости от внешней освещенности затемнением стекол.

Процесс адаптации сопровождается изменением диаметра зрачка глаза в пределах от 1,5 до 8 мм.

Спектральная чувствительность глаза.

Рис. 19.7. Спектр чувствительности глаза - кривые относительной видности. 1 – дневное зрение, 2 – сумеречное зрение.

Для дневного зрения максимальная спектральная чувствительность глаза равна 555 нм, что соответствует максимуму в спектре излучения Солнца. Глаз меньше всего утомляется при желто-зеленом освещении, а больше всего при красном и фиолетовом.

Аметропия глаза – недостатки зрения, проявляющиеся как близорукость или дальнозоркость.

Рис. 19.8. а) Положение дальней точки а) близорукого глаза, б) – дальнозоркого глаза.

Если дальняя точки глаза не лежит в бесконечности, то глаз обладает аметропией. В аметропическом глазе изображение удаленных предметов не совпадает с сетчаткой. Аметропию глаза выражают в диоптриях.

Близорукий глаз без аккомодации резко видит предметы, расположенные перед ним на конечном расстоянии. Он не способен отчетливо видеть звезды. Задний фокус F`хрусталика близорукого глаза лежит перед сетчаткой.

Дальняя точка дальнозоркого глаза расположена позади глаза. Дальнозоркий глаз отчетливо видит удаленные предметы, но для этого ему нужна некоторая аккомодация. Без аккомодации он видел бы резко на сетчатке мнимые предметы, расположенные в точке D за глазом.

Астигматизм – недостаток зрения, при котором изображения взаимно перпендикулярных линий не имеют одинаковой резкости. Причина астигматизма - несферическая форма хрусталика или его неправильное положение относительно оптической оси глаза.

Рис. 19. 9. Испытательная таблица для проверки астигматизма. Астигматический глаз будет видеть линии в каком-либо кружке более резкими, чем в кружках с линиями другого направления при удалении таблицы от глаза на расстояние, при котором линии начинают сливаться.