Биофизика зрения

Светопреломляющая система глаза

Органом зрения принято называть глаз. Однако в зрительную сенсорную систему (зрительный анализатор) вместе с фоторецепторами (палочками и колбочками) и рядом нейронов, которые находятся в сетчатой оболочке глаза, входят определенные отделы ЦНС.

Восприятие света есть один из наиболее важных для жизни факторов, очень нужных для получения информации об окружающем мире как для защиты, так и для продолжения рода, питания и других процессов жизнедеятельности. Для анализа окружающего распределения светового поля почти для всех живых организмов в ходе эволюции был выработан весьма совершенный вид рецепции - фоторецепция. Свет является непревзойденным носителем информации, которая может быть заключена в интенсивности, частоте, поляризации, фазе, спектральном составе, во временной и пространственной структурах светового потока. Процесс зрительного восприятия состоит из 3 этапов:

  • - образование оптического изображения на сетчатке глаза;
  • - преобразование оптического изображения в нервные импульсы;
  • - передача и обработка сигналов зрительными нейронами центральной части зрительного анализатора.

Глаз включает не только фоторецепторы и нейроны, но также разнообразные вспомогательные элементы. Они сами не воспринима-

Схема горизонтального разреза глаза человека

Рис. 6.25. Схема горизонтального разреза глаза человека:

  • 1 - роговица; 2 - хрусталик; 3 - стекловидное тело, камерная влага;
  • 4 - сетчатка; 5 - центральная ямка желтого пятна; 6 - зрительный нерв; 7 - сосудистая оболочка; 8 - склера; 00'- главная оптическая ось; КК'- зрительная ось; у * 5° -угол между 00' и КК'

ют свет и не участвуют в переработке (передаче) сигналов от фоторецепторов, но способствуют восприятию света. Важнейшим вспомогательным аппаратом фоторецепции является светопреломляющая диоптрическая система глаза. Упрощенная схема глаза человека в разрезе показана на рис. 6.25:

Глазное яблоко представляет собой шарообразное тело диаметром около 24 мм с довольно прочной внешней оболочкой - склерой (см. рис. 6.25). Передняя часть склеры (роговица) прозрачна, ее радиус кривизны около 7,7 мм, показатель преломления света п = 1,376, под роговицей находится передняя камера, которая заполнена прозрачной жидкостью с п = 1,336. Радужная оболочка расположена перед хрусталиком и имеет диафрагму (зрачок), диаметр которой может меняться от 2 до 8 мм. Хрусталик с п = 1,386 представляет собой линзу, радиус кривизны которой может изменяться большим или меньшим напряжением цилиарной мышцы. Стекловидное тело или задняя камера имеет п = 1,336. Сопоставление показателей преломления элементов оптической системы глаза позволяет говорить о достаточно хорошем их согласовании.

Светопреломляющая система глаза фокусирует изображение окружающего мира на сетчатой оболочке (сетчатке), в которой расположены фоторецепторы. Диоптрический аппарат глаза подобен сильной собирающей линзе, и при рассмотрении далеких предметов сводит в точку на сетчатке входящие в глаз параллельные лучи, т.е. действует наподобие объектива зрительной трубы. Фокусированные изображения осуществляются за счет преломляющей системы глаза, к которой относятся: роговица, хрусталик, камерная влага, стекловидное тело. Преломляя световые лучи, они обеспечивают формирование на сетчатке действительного уменьшенного и обратного (перевернутого) изображения рассматриваемого предмета. Отрезок прямой, проходящий через геометрические центры роговицы и хрусталика, называют главной оптической осью глаза (ОО'). Она объединяет весь его диоптрический аппарат в центрированную светопреломляющую систему. Центрированной называют такую систему светопреломляющих поверхностей, геометрические центры которых лежат на одной прямой.

Г лаз представляет собой саморегулирующуюся систему, ее оптические недостатки в значительной мере компенсируются регуляторными механизмами, оптимизирующими работу глаза. Важнейшими механизмами регулирования являются система фокусировки изображения на сетчатке и механизм регуляции количества света, попадающего на сетчатку. Фокусировка осуществляется путем автоматического изменения радиуса кривизны хрусталика. Этот эффект называется аккомодацией. Система аккомодации представляет собой следящую систему, которая удерживает в фокусе изображение удаляющегося или приближающегося объекта. Управление осуществляется цилиарной мышцей. Количество света регулируется изменением размеров оптического отверстия - зрачка, причем освещенность сетчатки изменяется пропорционально квадрату диаметра зрачка. Диаметр зрачка регулируется двумя мышцами-антагонистами: кольцевая {сфинктер) сужает зрачок, а радиальная (дилататор) его расширяет. Системы работают по принципу получения сигнала ошибки между формируемым сигналом и некоторым эталонным (требуемым или оптимальным). Система регуляции состоит из регулятора и объекта управления и содержит контур отрицательной обратной связи.

Моделью светопреломляющего аппарата органа зрения служит так называемый приведенный редуцированный глаз. Редукция означает упрощение, т.е. сведение сложного к простому, более доступному для анализа. Физическим аналогом приведенного редуцированного глаза является стеклянная линза, которая одной поверхностью контактирует с воздухом, а другой - с жидкостью, обладающей п = 1,336. Первая поверхность линзы направлена в пространство предметов, а другая - к пространству изображений.

Диоптрический аппарат глаза не поддается точному математическому описанию. Это происходит из-за того, что глаза разных людей сильно различаются, а также из-за подвижности хрусталика и по ряду других причин. Так, например, главная оптическая ось глаза человека проводится довольно приблизительно. Она не совпадает со зрительной осью КК', которая проходит через геометрические центры роговицы и желтого пятна сетчатки. В направлении зрительной оси глаз имеет наилучшую разрешающую способность. Угол между главной оптической осью ОО' и зрительной осью КК', как правило, не превышает 5 градусов. Он обозначается у и обычно учитывается в офтальмологии при назначении очков.

Итак, человеческий глаз можно рассматривать в качестве центрированной преломляющей системы весьма условно. На рис. 6.26

Глаз как центрированная светопреломляющая система

Рис. 6.26. Глаз как центрированная светопреломляющая система.

F/ и F2- передний и задний фокусы соответственно, Hi и Ну - передняя и задняя главные точки, N/ и N2- передняя и задняя узловые точки, fi -расстояние от передней главной точки Hi до переднего фокуса F),

У2расстояние от задней главной точки Н2 до заднего фокуса F2

приведена количественная характеристика одной из наиболее адекватных физических моделей человеческого глаза.

Из рис. 6.26 видно, что расстояние между Н] и Н2 составляет примерно 0,25 мм. Столь близкое расстояние допускает замену двух главных плоскостей (//, и Н2) на одну главную плоскость. Точки Nx и N2 практически также совпадают в единую узловую точку глаза, ее называют оптическим центром глаза (между Nx и N2). В замене каждой из названных пар кардинальных точек на единые угловую и узловую точки и состоит смысл редукции центрированной диоптрической системы реального глаза. В схеме Гульстранда единая плоскость Н и единая узловая точка N находятся на расстоянии 1,6 мм и 7,5 мм соответственно от передней поверхности роговицы. Все расстояния, кроме фокусных (/j,^), отсчитываются от передней поверхности роговицы. По ходу лучей внутрь глаза эти расстояния имеют знак «+». В противоположном (наружном) направлении расстояния имеют знак «-». Числа, характеризующие расстояние единых главной и узловой точек глаза, необходимы для расчета диоптрического аппарата человеческого глаза. За эту работу Альвар Гульстранд был удостоен Нобелевской премии в 1911 г.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >