Построение изображения в глазу
Оптическую систему глаза образуют роговица, влага передней каме- ры глаза, хрусталик и стекловидное тело, т. е. соответствующие им четы- ре преломляющие поверхности. Основное преломление света происходит на внешней поверхности роговицы, на границе с воздухом. Оптические характеристики основных преломляющих глазных сред в покое аккомо- дации приведены в табл.
Оптические характеристики глазных сред
Таблица
| Структура глаза | Показатель преломления | Радиус кривизны передней поверхности, мм | Радиус кривизны задней поверхности, мм | Оптическая сила, дптр |
| Роговица | 1,376 | 7,7 | 6,8 | |
| Хрусталик | 1,386 |
Расчет по формуле (1.1) дает значения для преломляющей силы соответствующей структуры глаза (они приведены в последнем столбце табл.). Из таблицы видно, что основное преломление света происходит на роговице. Суммарная преломляющая сила оптического аппарата глаза в покое аккомодации составляет примерно 60 дптр. При максимальном напряжении аккомодации преломляющая сила глаза не превышает 70 дптр (хрусталика — 33 дптр).
Таким образом, глаз приближенно можно рассматривать как тонкую
линзу с переменной оптической силой в 60–70 дптр. Поскольку рассмат-
риваемый предмет располагается, как правило, за двойным фокусным расстоянием, на сетчатке глаза получается действительное, уменьшенное и перевернутое изображение предмета (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Схематическое изображение глаза, наблюдающего дерево: С — оптический центр хрусталика
АККОМОДАЦИЯ ГЛАЗА
Аккомодация — способность глаза четко видеть предметы, находя- щиеся от него на различных расстояниях. Для того чтобы изображение предмета было четким, должно выполняться условие (1.3), т. е. формула тонкой линзы:
1 +1
d f
= 1 .
F
Видно, что при изменении расстояния d до предмета соответственно изменяется либо расстояние до изображения f, либо фокусное расстояние линзы F. Первый случай реализуется в фотоаппаратах, где F объектива постоянно. В глазу расстояние f от центра хрусталика до сетчатки (т. е. до изображения) является неизменным и составляет 17 мм. Поэтому наводка глаза на резкость возможна только за счет изменения фокусного расстоя- ния глаза F.
Если рассматриваемый предмет находится на достаточно большом
расстоянии (d → ∞), то
1 ®0 и, как следует из формулы (1.2), F= f, т. е.
d
удаленные предметы проецируются непосредственно на сетчатку. При
рассмотрении более близких предметов
1 ¹0
d
плоскость их изображения
перемещается за сетчатку, и изображение на сетчатке теряет резкость. Удержание четкого изображения на сетчатке возможно только путем увеличения оптической силы глаза. Она осуществляется благодаря сокращению специальных цилиарных мышц — хрусталик увеличивает свою кривизну (в основном за счет передней поверхности), и его оптиче- ская сила может возрастать на 12–13 диоптрий. При расслаблении цили- арных мышц хрусталик наоборот принимает свою прежнюю более плоскую форму, и его оптическая сила уменьшается (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Изменение формы и положения хрусталика при аккомодации вблизи
(сплошная линия) и вдаль (пунктир)
Итак, аккомодация — это приспособление глаза для получения на сетчатке одинаково резкого изображения различно удаленных предметов, осуществляется вследствие изменения оптической силы глаза.
Так как изменение кривизны хрусталика может происходить только в определенных пределах, для всякого глаза существуют границы располо- жения предмета, в пределах которых глаз может его отчетливо видеть — дальняя и ближняя точки аккомодации (четкого видения). В ненапряжен-
ном состоянии нормальный глаз аккомодирован на рассмотрение беско- нечно удаленных предметов, т. е. дальняя точка ясного видения R для нормального глаза находится в бесконечности. При этом в глаз попадает параллельный пучок лучей, который после преломления фокусируется точно на его сетчатке. С приближением предмета к глазу увеличиваются размеры изображения предмета на сетчатке, что позволяет лучше видеть его мелкие детали. Однако при этом повышается напряжение мышцы, деформирующей хрусталик, и она быстрее утомляется. Расстояние, до которого приближение предмета к глазу совершается без значительного напряжения аккомодации, называется расстоянием наилучшего зрения d0 (для нормального глаза оно составляет около 25 см). У близорукого глаза расстояние наилучшего зрения меньше 25 см, а у дальнозоркого больше.
При наибольшем напряжении аккомодации глаз четко фокусирует
на сетчатке некоторую точку P, которая лежит от него на расстоянии примерно 7 см и называется ближней точкой аккомодации.
Разность минимального напряжения (при покое аккомодации) и мак- симального напряжения аккомодации называется диапазоном аккомодации:
|
|
|
P lR
, (2.1)
где APR— диапазон аккомодации, дптр; lP— расстояние до ближней точ- ки аккомодации; lR— расстояние до дальней точки аккомодации.
Самый широкий диапазон — в молодом возрасте (до 14 дптр), а с возрастом хрусталик постепенно теряет свою упругость, в результате снижается способность ясно видеть близко расположенные предметы — развивается старческое зрение (пресбиопия).
ОСТРОТА ЗРЕНИЯ
Разрешающая способность глаза, т. е. способность раздельно видеть две точки, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга, называ- ется остротой зрения и связана с раздельным или слитным восприятием светового изображения этих точек на сетчатой оболочке глаза. Если изо- бражение точек попадает на два не рядом расположенных светочувстви- тельных элемента: палочки или колбочки, — то они воспринимаются раздельно, т. е. разрешаются глазом. Если изображения попадают на два соседних элемента, то они воспринимаются слитно, т. е. глазом не разре- шаются.
Острота зрения характеризуется углом φ, под которым видны рас- сматриваемые точки А и В (рис. 2.5). Минимальный угол, необходимый
для раздельного видения этих точек,
jmin
составляет для среднего нор-
мального глаза 1'. Это соответствует расстоянию А'В' между изображе- ниями точек, равному примерно 5 мкм.
Рис. 2.5. Угол зрения, построение изображения в глазу
Действительно, в центральной ямке желтого пятна сетчатки, куда обычно фокусируется изображение хорошо освещенного предмета, на отрезке длиной 5 мкм сосредоточено в среднем 3 колбочки, т. е. выполня- ется условие разрешения, приведенное выше, т. к. между двумя засвечен- ными колбочками, на которых формируются изображения точек, остается одна незасвеченная.
В медицине острота зрения γколичественно оценивается отношени-
ем значения
jmin
=1' (что соответствует нормальному глазу) к
jmin
для
конкретного пациента, определяемому с помощью специальных таблиц:
g= 1¢
jmin
. (2.2)
Например, если
g=1 =0,5.
jmin= 2', то острота зрения для такого пациента
В таблицах для определения остроты зрения (таблицы Сивцова) бук- вы и кольца с разрывами (кольца Ландольта), составляющие третью стро- ку снизу, имеют разрывы, края которых образуют с оптическим центром глаза угол в 1', если таблица расположена на расстоянии 5 м от глаза. Следовательно, острота зрения человека, различающего буквы и кольца
этой строки, равна 1. Естественно встречаются люди, способные разли- чать более мелкие предметы, например, буквы и кольца второй и даже первой строки таблицы Сивцова. У столь зорких людей острота зрения выше среднестатистической нормы, но не потому что их глаз строит более крупное изображение на сетчатке. Просто в центральной ямке сетчатки такого человека колбочки расположены более плотно, чем у большинства людей, что и позволяет воспринимать изображение пред- метов, имеющих угловые размеры меньше 1'.
Наименьшее расстояние АВ между двумя точками предмета, види- мое невооруженным глазом на расстоянии наилучшего зрения d0, называ- ется пределом разрешения глаза. Для нормальной остроты зрения оно равно АВ = 1' × d0 = 2,9 × 10–4 рад × 250 мм = 73 мкм.
Острота зрения — величина безразмерная. Она зависит от многих
условий, прежде всего, от яркости фона. На остроту зрения также влияют диаметр зрачка, возраст человека, уровень цветового и яркостного кон- траста между рассматриваемым объектом и фоном.
При нормальном освещении острота зрения максимальна, когда изображение предмета попадает на центральную ямку сетчатки, где плот- ность колбочек наибольшая. В сумерках острота зрения максимальна при попадании света на тот участок сетчатки, где наибольшая плотность
палочек, т. е. под углом 20º от центральной ямки.