Глаз человека как оптическая система

Глаз человека имеет приблизительно шарообразную форму; диаметр его (в среднем) 2,5 см; глаз окружен снаружи тремя оболочками (рис.2.13).

Внешняя твердая и прочная оболочка, называемая склерой или белковой оболочкой, защищает внутренность глаза от механических повреждений. Склера: на передней части глаза прозрачна и называется роговой оболочкой или роговицей; на всей остальной части глаза она непрозрачна, имеет белый цвет и называется белком.

С внутренней стороны к склере прилегает сосудистая оболочка, состоящая из сложно- го сплетения кровеносных сосудов, питающих глаз. Эта вторая оболочка в передней части глаза переходит в радужную оболочку, окрашенную у разных людей в различный цвет. Радужная оболочка имеет в середине отверстие, называющееся зрачком. Радужная обо- лочка способна деформироваться и таким образом менять диаметр зрачка. Изменение это происходит рефлекторно (без участия сознания) в зависимости от количества света, попадающего в глаз; при ярком освещении диаметр зрачка равен 2 мм, при слабом осве- щении доходит до 8 мм.

Рис.2.23. Строение глаза человека

На внутренней поверхности сосудистой оболочки расположена сетчатая оболочка, или сетчатка. Она покрывает все дно глаза, кроме его передней части. Сзади через оболочку входит зрительный нерв, соединяющий глаз с мозгом. Сетчатка состоит в основном из разветвлений волокон зрительного нерва и их окончаний и образует светочувствительную поверхность глаза.

Промежуток между роговой и радужной оболочками называется передней камерой; он заполнен камерной влагой. Внутри глаза, непосредственно за зрачком, расположен хру- сталик, представляющий собой прозрачное упругое тело, имеющее форму двояковыпук- лой линзы. Кривизна поверхностей хрусталика может меняться в результате действия об- легающей его со всех сторон мышцы. Посредством изменения кривизны поверхностей хрусталика достигается приведение изображения предметов, лежащих на различных рас- стояниях, точно на поверхность чувствительного слоя сетчатки; этот процесс называется аккомодацией. Вся полость глаза за хрусталиком заполнена прозрачной студенистой жид- костью, образующей стекловидное тело.

По своему устройству глаз как оптическая система сходен с фотоаппаратом. Роль объ- ектива выполняет хрусталик совместно с преломляющей средой передней камеры и стек- ловидного тела. Изображение получается на светочувствительной поверхности сетчатки. Наводка на резкость изображения осуществляется путем аккомодации. Наконец, зрачок играет роль изменяющейся по диаметру диафрагмы. Способность глаза к аккомодации обеспечивает возможность получения на сетчатке резких изображений предметов, нахо- дящихся на различных расстояниях. Нормальный глаз в спокойном состоянии, т. е. без какого-либо усилия аккомодации, дает на сетчатке отчетливое изображение удаленных предметов (например, звезд). С помощью мышечного усилия, увеличивающего кривизну хрусталика и, следовательно, уменьшающего его фокусное расстояние, глаз осуществля- ет наводку на нужное расстояние. Наименьшее расстояние, на котором нормальный глаз может отчетливо видеть предметы, меняется в зависимости от возраста от 10 см (возраст до 20 лет) до 22 см (возраст около 40 лет). В более пожилом возрасте способность глаза к аккомодации еще уменьшается: наименьшее расстояние доходит до 30 см и более – по- является возрастная дальнозоркость.

Аккомодация- способность глаза приспосабливаться к четкому видению различно удаленных предметов при изменении преломляющей силы хрусталика за счет увеличе- ния или уменьшения радиусов кривизны его передней поверхности.

Далеко не у всех людей глаз является нормальным (см. рис. 2.24). Нередко задний фо- кус глаза в спокойном состоянии находится не на самой сетчатке (как у нормального гла- за), а с той или другой стороны от нее. Если фокус глаза в спокойном состоянии лежит внутри глаза перед сетчаткой, то глаз называется близоруким(рис. 2.25, а). Такой глаз не может отчетливо видеть отдаленные предметы, так как напряжение мышц при аккомода- ции еще сильнее отдаляет фокус от сетчатки. Для исправления близорукости глаза долж- ны быть снабжены очками с рассеивающими линзами (рис. 2.25,б):

Рис.2.24 Ход лучей в нормальном глазе

В дальнозорком глазе фокус при спокойном состоянии глаза находится за сетчаткой (рис.2.25, в). Дальнозоркий глаз преломляет слабее нормального. Для того чтобы видеть даже весьма удаленные предметы, дальнозоркий глаз должен делать усилие; для виде- ния близко лежащих предметов аккомодационная способность глаза уже недостаточна. Поэтому для исправления дальнозоркости употребляются очки с собирающими линзами, приводящие фокус глаза в спокойном состоянии на сетчатку (рис. 2.25, г).

2.4.2. Оптика глаза

Рис. 2.25. Близорукость и дальнозоркость глаза

Основные преломляющие элементы глаза - роговица и хрусталик. Оптическая (пре- ломляющая) сила роговицы почти постоянна и составляет примерно 43 диоптрии.

Хрусталик глаза представляет собой двояковыпуклую линзу, которая проецирует изо- бражение предмета на сетчатку глаза. Кривизна хрусталика может изменяться. Этим обеспечивается изменение оптической силы хрусталика от 19 до 33 диоптрии и достига- ется аккомодация глаза, т. е. наводка на резкость.

Между роговицей и хрусталиком находится радужная оболочка с отверстием перемен- ного диаметра - зрачком, который выполняет роль диафрагмы. При больших (дневных) освещенностях диаметр зрачка глаза равен 2-3 мм, а при низкой освещенности (менее 0,01 лк) увеличивается до 6-8 мм.

В сетчатке, на которую фокусируется изображение, расположены светочувстви- тельные клетки - палочки и колбочки.

Палочки, более светочувствительны, чем колбочки. При темновой адаптации они по- зволяют отличать белую поверхность от черной при освещенности 106 лк. Но палочки не различают цветов. Колбочки чувствительны к цветам, но менее чувствительны к осве- щенности. Они не работают при освещенности 102 лк. Поэтому при низкой освещенности люди цветнослепы. Практически цветное зрение начинается при освещенности около 1 лк. При освещенности выше 102 — 103 лк зрение является почти чисто колбочковым.

Палочки и колбочки распределены в сетчатке неравномерно. Вокруг центральной, ям- ки находится овальный участок с угловым размером примерно 6 - 7°, называемый жел- тым пятном. Здесь имеются не только колбочки, но и палочки, хотя в значительно меньшем количестве. По мере удаления от желтого пятна число палочек возрастает, а число колбочек относительно убывает. Вместе с этим по мере удаления от желтого пятна снижается разрешающая способность зрения.

В соответствии с распределением в сетчатке палочек и колбочек поле зрения одного глаза условно можно разделить на три зоны:

- зона наиболее четкого, видения центральная с полем зрения около 2°;

- зона ясного видения, в пределах которой (при неподвижном глазе) возможно, опозна- вание предметов без различения мелких деталей, с полем, зрения около 30° по гори- зонтали и около 22° по вертикали;

- зона периферического зрения, в пределах которой предметы не опознаются. Эта зона имеет важное значение для ориентации. Величина поля периферического зрения со- ставляет 150° по горизонтали и 125° по вертикали.

Бинокулярное зрение

Бинокулярное зрение - способность человека воспринимать рассматриваемый предмет одновременно обоими глазами. Обязательным условием бинокулярного зрения является перекрытие зрительного поля обоих глаз.

Каждый глаз воспринимает и передает в мозг обозреваемую картину независимо от другого, и в зрительном восприятии человека эти две картины накладываются друг на друга. Изображения на двух сетчатках немного отличаются друг от друга. Поэтому пред- мет виден в трех измерениях, объемно. Такое объемное восприятие рассматриваемых объектов называют стереоскопическим эффектом.

Бинокулярное зрение обеспечивает более точную оценку расстояний и взаимного расположения предметов, чем монокулярное (одним глазом). В оптимальных условиях точность бинокулярных оценок определяется минимально заметным различием парал- лаксов и составляет около 10". На расстоянии наилучшего зрения (250 мм) это соответ- ствует примерно 0,003 - 0,005%, а на расстоянии 100 м - 5 - 7% расстояния до предмета. Оценки на основе монокулярного зрения редко бывают точнее 10%.

При бинокулярном зрении у наблюдателя более правильное восприятие простран- ства, объема и формы объектов и более высокая чувствительность к различию яркостей объектов, чем при осмотре одним глазом. По этим причинам при контроле объектов спо- собом наблюдения (в том числе при магнитопорошковом, цветном и люминесцентном контроле) бинокулярное зрение является предпочтительным.

Зрительное восприятие внешнего пространства является сложным действием, в ко- тором существенным обстоятельством является то, что в нормальных условиях мы пользуемся двумя глазами. Один и тот же предмет дает изображения на сетчатых обо- лочках обоих глаз, причем оба изображения немного различаются между собой, так как предмет несколько различно расположен относительно обоих глаз: один глаз немного лучше видит правую сторону его, а другой - левую. Эти различия ничтожны, когда рас- сматривается плоский предмет (картина), и становятся вполне ощутимыми при наблю- дении объемных предметов. Световые раздражения, получаемые каждым глазом, со- единяются в нашем сознании в один зрительный образ, в котором отображаются осо- бенности, связанные с пространственным характером рассматриваемого предмета.

Желая рассмотреть какой-либо предмет, мы поворачиваем оба глаза так, что зри- тельные оси их пересекаются на этом предмете. Благодаря большой подвижности глаз мы быстро фиксируем одну точку предмета за другой; при этом мы можем оценивать расстояние до рассматриваемых предметов, а также сравнивать эти расстояния между собой. Такая оценка дает нам представление о глубине пространства (перспективе), об объемном распределении деталей рассматриваемого предмета, делает возможным, как говорят, стереоскопическое зрение.

При зрении одним глазом мы также производим оценку относительного расположе- ния предметов, используя для этого косвенные признаки: сравнение размеров объекта с размерами предметов, которые нам известны из опыта, изменения в цвете и расположе- нии света и теней, наложение контуров объектов друг на друга и т. п.

Существенную помощь оказывает наблюдение относительного смещения объектов при перемещении глаза наблюдателя. Наряду с этим для оценки расстояний мы исполь- зуем ощущение усилия мышц, необходимого для аккомодации глаза на данный предмет. При зрении двумя глазами к этому прибавляется еще ощущение мышечного усилия, не- обходимого для сведения зрительных осей глаз на фиксируемую точку. Последние оба процесса происходят одновременно и бессознательно и тесно связаны между собой.

Глубина пространства при зрении двумя глазами воспринимается несравненно луч- ше, чем при зрении одним глазом (рис. 2.26). Такое восприятие определяется глубиной резкости- расстоянием между ближней и дальней границами пространства, измерен- ным вдоль оптической оси, при нахождении в пределах которого объекты находятся в фокусе.

Чтобы убедиться в этом, достаточно, закрыв один глаз, попробовать продеть нитку в ушко иголки. Способность ощущать глубину пространства и оценивать смещение пред- метов друг относительно друга по глубине у разных людей неодинакова и зависит, в ча- стности, от тренировки. Уголa расхождения лучей, идущих от далекого предмета в оба

глаза, пропорционален расстоянию b между глазами (называемому базой) и обратно пропорционален расстоянию до предмета d.

Рассматривание предмета обеими глазами дает возможность оценить расстояние до предмета. Уголa на рисунке изображен значительно большим, чем это имеет место в действительности при рассматривании протяжных предметов.

При больших расстояниях до предмета уголa очень мал, и зрительные оси обеих глаз идут почти параллельно, вследствие чего ощущение глубины пространства теряет- ся. Этот угол может быть значительно увеличен с помощью оптических приборов за счет увеличения базы между объективами прибора. Благодаря этому эффекту ощущение глубины возрастает во много раз.

Рис. 2.26. Бинокулярное зрение и глубина резкости