Глаз, как оптический прибор

Зрение – один из важнейших каналов, по которому в сознание человека поступает информация об окружающем нас мире. С помощью глаза человек получает более 80% всей информации. Диапазон изменения яркостей, воспринимаемых глазом, составляет 10¹². Глаз различает до 25 тысяч оттенков в солнечном свете и может воспринять вспышку света длительностью менее миллисекунды.

Зрительные ощущения, возникающие в результате действия излучения на зрительный анализатор, позволяют судить о яркости и цветности излучения, о форме тел, излучающих или отражающих свет, об их взаимном расположении и движении. Многие оптические, и в частности, многие фотометрические приборы основаны, именно на способности глаза различать яркость и цветность. Существенную роль играет то обстоятельство, что глаз способен оценивать не абсолютные величины яркости, не абсолютные характеристики цветности, а лишь сравнивать яркости или цветности смежных участков зрения.

Глаз представляет собой шаровидное тело, покрытое непрозрачной оболочкой – склерой, переднюю прозрачную часть, которой называют роговицей. За роговицей находится хрусталик, разделяющий внутреннюю полость глаза на переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом (рис.1).

Хрусталик – это двояковыпуклая линза из хрящевидного вещества, кривизна поверхностей которой может меняться под действием окружающих ее мышц, что приводит к изменению оптической силы хрусталика. Хрусталик оказывает только корректирующее влияние на изображение, т.к. показатель преломления хрусталика мало отличается от показателей преломления окружающих его сред. Перед хрусталиком расположена диафрагма – радужная оболочка, через отверстие которой, называемое зрачком, свет поступает в глаз. Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, являющейся разветвлением зрительного нерва. Между сетчаткой и склерой расположена сосудистая оболочка. Сетчатка содержит светочувствительные элементы – палочки (»130 миллионов) диаметром около 2мкм и колбочки (»7 миллионов) диаметром около 4мкм (см. табл. 1). Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно, в котором светочувствительные элементы отсутствуют. Над слепым пятном, в месте пересечения с сетчаткой зрительной оси (зрительной линии), наклоненной к оптической оси, глаза на угол 5⁰, находится желтое пятно, овальной формы площадью около 1 мм² , которому соответствует поле зрения около 6⁰. Средняя часть желтого пятна – центральная ямка, содержащая только колбочки, является участком наиболее ясного видения (~ 2, 5⁰).

Таблица 1. Основные характеристики палочек и колбочек

Колбочки	Палочки
Расположены главным образом в центральной ямке сетчатки	С наибольшей плотностью рассоложены вне центральной ямки сетчатки
Малое поле зрения с большим разрешением	Большое поле зрения с малым разрешением
Действуют при дневном зрении	Действуют при ночном зрении
Возможно цветное зрение	Не различают цвета
Малая светочувствительность	Высокая светочувствительность
Относительная спектральная световая эффективность для дневного зрения соответствует	Относительная спектральная световая эффективность для ночного зрения соответствует

Оптическая система глаза (рис.2) образует на сетчатке действительное перевернутое изображение предмета. (Оптическая и физиологическая система глаза преобразует энергию оптического излучения в зрительные ощущения).

Основными характеристиками глаза являются:

1) Фокусное расстояние f ^¢ , определяющее масштаб изображения на сетчатке, для среднестатистического глаза в покое равно 22, 8мм (оптическая сила глаза составляет 58, 6 дптр). Так как система глаза действует в неоднородной среде: n = 1, n'=1, 33 (где n' – показатель преломления стекловидного тела), то переднее фокусное расстояние глаза f = -17, 1 мм (т.к. f'/f = -n'/n).

2) Диаметр зрачка глаза изменяется от 1, 5 до 8 мм в зависимости от условий освещенности. Таким образом, относительное отверстие глаза () может меняться в пределах от 1: 15 до 1: 2, 8. Освещенность сетчатки глаза при этом будет меняться примерно в 30 раз.

3) Угловое поле глаза в горизонтальной и вертикальной плоскости составляет 150 и 125⁰ соответственно, большая часть которого используется для ориентации.

4) Расстояние между центрами зрачков глаз (глазной базис), составляющее 56–72мм, в среднем принимается равным 65мм.

Аккомодацией – свойство глаза приводить изображения предметов, расположенных на различных расстояниях, на поверхность сетчатки называют.

Эта способность обеспечивается изменением оптической силы хрусталика под действием окружающих его мышц. Различают дальнюю и ближнюю точки ясного зрения. Первая определяется при отсутствии напряжения аккомодационных мышц, когда глаз ориентирован на бесконечность, а вторая – при наибольшем напряжении мышц, когда фокусное расстояние глаза уменьшается до 18, 9мм и глаз способен видеть точку, расположенную на расстоянии 92 мм от передней поверхности роговицы. Расстояние между ближней и дальней точками, выраженное в диоптриях, называют объемом аккомодации (около 11 дптр). Наиболее удобное расстояние для чтения, точной работы при освещенности не менее 50лк, составляющее 250–300мм для нормального глаза, называют расстоянием наилучшего зрения.

Способность глаза приспосабливаться к различной интенсивности светового воздействия называют адаптацией, При малых яркостях предметов (10^-7 – 1 кд/м² )световое раздражение воспринимается в основном палочками (темновая адаптация), а при яркостях 1–10⁵ кд/м² ) – только колбочками (световая адаптация). Адаптация обеспечивается также изменением диаметра зрачка, регулирующим световой поток, поступающий в глаз.

Свойство глаза видеть раздельно две близко расположенные точки предмета называются разрешающей способностью, которая характеризуется угловым пределом разрешения y _f равным в среднем одной угловой минуте. Это следует из дифракционной теории (y = 140''/D_r при зрачке диаметром около 2 мм), и согласуется с угловыми размерами колбочек диаметром 0, 005 мм при фокусном расстоянии глаза около 20мм. Значение разрешающей способности глаза зависит от условий наблюдения и составляет, например, 2–3' при наблюдении изображений на экране, 1' – при наблюдении в обычные оптические приборы, а для отдельных приборов и дальномеров разрешающая способность достигает 30 и 10''. Последнее объясняется большой чувствительностью глаза относительно поперечно смещения двух участков линии, что связано с мозаичным расположением колбочек.

Способность обоих глаз соединять два изображения одного предмета в единый зрительный образ называют бинокулярным зрением. Восприятие предмета при условии отсутствия двоения изображения обеспечивается за счет конвергенции – схождения зрительных осей глаз, вследствие чего изображения образуются на определенных участках сетчатки – соответственных точках. Наибольший угол конвергенции равен 32⁰ .

Способность трехмерного восприятия пространства при наблюдении двумя глазами называют стереоскопическим зрением. Минимальное расстояние R _min, за пределами которого глаз не различает разноудаленность наблюдаемых точек, называют радиусом стереоскопического зрения, R _min = b/De _min ≈ 1300 м (b = 65 мм, De _min = 10''= 0, 5х10^-4). Если нормальный глаз аккомодирован на бесконечность, то изображение фокусируется на сетчатке. Такой глаз называют эметропическим. Если изображение удаленного предмета не совпадает с сетчаткой, глаз является аметропическим. Различают два типа аметропии: близорукость (миопию) и дальнозоркость (гиперметропию). В первом случае задний фокус глаза расположен перед сетчаткой, во втором – за сетчаткой. Для коррекции близорукости применяют отрицательные линзы, а для исправления дальнозоркости – положительные.

Зрительный анализатор человека включает не только оптическую систему глаза, матричный фотоприемник (сетчатку), канал передачи информации (зрительный нерв), но мощную систему обработки зрительного возбуждения (мозг).

Основные требования, предъявляемые к визуальной оптической системе, т.е. к системе, действующей совместно с глазом.

1. Изображение, образованное оптической системой. Должно находиться в пределах объема аккомодации глаза. Для обеспечения наблюдения без напряжения, т.е. при условии аккомодации глаза на бесконечность, пучки лучей, выходящих из оптической системы, должны быть параллельными.

2. Положение и размер выходного зрачка оптической системы должны быть согласованы со зрачком глаза. Удаление выходного зрачка системы от заднего торца оправы должно быть не менее 10мм из условия совмещения выходного зрачка со зрачком глаза. Диаметр выходного зрачка системы выбирают в диапазоне 2–4мм для приборов, используемых днем, и 4–7мм для приборов, действующих в сумеречных условиях.

3. Так как визуальные оптические системы проектируются в расчете на нормальное зрение, то для удобства их использования наблюдателями с различным зрением окуляры этих систем должны перемещаться вдоль оси для изменения структуры выходящих из системы пучков лучей.

Рис. 1. Горизонтальный разрез правого глаза

Рис. 2. Оптическая система глаза