ГЛАЗ лекционная тетрадь студента

1

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГЛАЗА

План:

Введение Строение глаза

Оптическая система глаза, центрированная оптическая система, приведѐнный глаз.

Рефракция глаза. Острота зрения. Разрешающая способность глаза. Аккомодация.

Фоторецепторный слой глаза.

Аберрация. Поглощение и пропускание света.

Зрение дает нам наибольшую информацию об окружающем мире.

Интерес к проблеме зрения возрос в связи с развитием оптических приборов, медицинской оптики, светотехники, тепловидения, электронновычислительной техники.

Мысль о том, что формируемое на сетчатке глаза изображение является перевернутым, была впервые высказана И.Кеплером в начале XVII в. Кеплер понял также, что хрусталик необходим для аккомодации глаза. Лишь в начале XIX в. Т.Юнг доказал, что механизм аккомодации состоит в изменении кривизны поверхностей хрусталика, то есть его рефракции.

Существенный вклад в физиологическую оптику внес И.Ньютон (XVII в.), заложивший основу для современных работ по цветовому зрению. Широко известны труды Г.Гельмгольца (XIX в.) по физиологии зрения. В середине 19 века ему удалось с помощью специально изготовленного зеркала с отверстием увидеть через темный зрачок глазное дно. Это было гениальным открытием, изменившим коренным образом представление о теории зрения, позволившим заглянуть в новый мир и увидеть «часть мозга, выдвинутого на периферию».

Оптическая система глаза состоит из роговицы, хрусталика, радужной оболочки и стекловидного тела. Формирование изображения в основном осуществляется роговицей вместе с хрусталиком, которые в комбинации имеют фокусное расстояние около 20 мм. Фокусное расстояние глаза взрослого человека может изменяться приблизительно от 18,7 до 20,7 мм. Лучи света проникают через центральное отверстие радужной оболочки –

зрачок, регулирующий		количество поступающего в	глаз	света.
Человеческий глаз	не	является идеальной оптической системой.
Роговица, хрусталик	и	стекловидное тело являются	источниками

2

оптических аберраций. Глаз подвержен сферической аберрации, обладает

продольной хроматической аберрацией. В глазу сферическая аберрация частично компенсируется. Хроматические аберрации не оказывают существенного влияния на центральное зрение. В зрачке диаметром более 2 мм аберрации существенно снижают остроту зрения. Точное измерение аберраций глаза необходимо учитывать при эксимерной лазерной коррекции зрения и клинической диагностике сетчатки, от этого зависит увеличение вероятности успешных операций. Современные приборы для измерения аберраций человеческого глаза в реальном масштабе времени позволяют выполнить до 80 измерений в секунду и снабжены мощным программным обеспечением для анализа данных.

Свет попадает на сетчатку, проходя сквозь слой нейронов и активирует клетки фоторецепторного слоя (светочувствительный слой). Hекоторые фотоны, которые не поглотились фоторецепторным слоем, поглощаются эпителием, что уменьшает светорассеивание (противоореольный слой). У человека около 125 миллионов палочек (для ночного зрения) и около 7 миллионов колбочек (для дневного зрения). Палочки чувствительны к низким уровням освещѐнности, но не разрешают цвета и не способны разрешать малые объекты. Центральная часть ямки (2,5 мм в диаметре), которая представляет собой небольшое углубление в центре глазного дна, содержит около 34000 колбочек и не содержит палочек. Это место дневного зрения и наилучшего цветового восприятия. Ямка покрыта жѐлтым фильтром, который может поглощать часть синего света и уменьшать его рассеивание, что улучшает видение в синей части спектра. Периферия сетчатки состоит в основном из палочек, которые в миллион раз чувствительнее колбочек к слабому свету (днѐм палочки защищаются от сильного цвета при помощи закрытия зрачка - диафрагмирование). Пик чувствительности для колбочек находится при 550 нм (жѐлто-зелѐный) и для палочек - при 510 нм (сине-зелѐный). Так как палочки гораздо чувствительнее колбочек и относительно более чувствительны при коротких длинах волн, уменьшение общей освещѐнности создаѐт эффект, называемый явлением Пуркинье - зелѐное и синее кажется неестественно ярким по сравнению с красным при резком уменьшении освещѐнности. В темноте глаз может реагировать на минимальный световой поток порядка 10-16 Вт/см2, что эквивалентно приблизительно тысяче сине-зелѐных квантов, проходящих через см2 за 1 с. Если такое количество энергии будет поглощаться 1 г воды в течение 150 млн лет, то температура воды повысится на 1 градус Цельсия. Зрачок контролирует количество света, попадающего в глаз в диапазоне около 4 ступеней. Процесс темновой адаптации занимает несколько часов, но уже к концу первого часа чувствительность глаза увеличивается в 104 − 105 раз, так что зрительный анализатор оказывается способным различить изменения яркости очень

3

слабого источника света, вызванные статистическими флуктуациями количества излучаемых фотонов

Фактическая разрешающая способность глаза гораздо выше, чем разрешающая способность, предсказанная с учѐтом аберрационных ограничений. Острота зрения увеличивается благодаря постоянному сканированию объекта глазом и обработке этой информации мозгом - центральным процессором. Главный луч зрения всегда направлен по оси: центральная ямка – центр хрусталика – рассматриваемый предмет. Место наилучшего видения - центральная ямка.

На рисунке изображен разрез глазного яблока и показаны основные детали глаза.

Рис. Горизонтальный разрез правого глаза.

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г.

Радужная оболочка представляет собой тонкую сосудистую пластинку,

выполняющую роль диафрагмы, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через зрачок - отверстие в радужной оболочке, свет проникает в глаз. Радужная оболочка глаза является тонкой подвижной диафрагмой со зрачковым отверстием в центре. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка может изменяется от 2 до 8 мм. Радужная оболочка глаза (Iris) является уникальной для каждого человека биометрической характеристикой.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело

4

обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.

Упрощенная оптическая схема глаза

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза

– сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело. Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Центрированная оптическая система

Построение хода лучей проводится так, как будто между главными плоскостями системы находится тонкая линза, а пространство между главными плоскостями отсутствует. Пример построения приведен

на рисунке.			и	— главные
плоскости системы. Для построения
изображения		точечного источника
достаточно				рассмотреть
прохождение			через	оптическую
систему	двух	удобных		нам лучей
и найти точку их пересечения после линзы,	либо		точку	пересечения
продолжений лучей назад (для мнимого изображения).			N1, N2 –передняя и

5

задняя узловые точки. α – зрительный угол. Зрительный угол служит мерой разрешающей способности глаза (остроты зрения). F1, F2 – главные

передний и задний фокусы. Точки и , F1, F2, N1, N2 – кардинальные

точки.

Задача прохождения света через центрированную оптическую систему может быть решена не только геометрическим построением хода лучей, но и аналитически.

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГЛАЗА

Оптический аппарат глаза; состоит из 4 преломляющих сред: роговицы,

камерной влаги, хрусталика и стекловидного тела.

6

Оптическая система глаза.

Оптическая система глаза – система иммерсионная: свет, пройдя через роговицу и хрусталик, строит изображение в среде с показателем преломления n', отличающимся от единицы. Поэтому для глаза переднее фокусное расстояние f отличается от заднего f ' не только по знаку, но и по абсолютному значению, вследствие формулы

,

где n = 1, n' = 1,336.

В глазу есть несколько преломляющих поверхностей, форма каждой из них отличается от сферической, а центры их не лежат на одной прямой (система нецентрирована). Все это чрезвычайно затрудняет изучение и описание глаза. Однако для практических расчетов вполне пригодно приближенное описание, в котором поверхности приняты за сферические, а некоторая линия выбрана так, что центры всех сфер лежат на ней, и эту линию принимаем за оптическую ось.

Преломление света в глазе происходит главным образом на его внешней поверхности – роговой оболочке, или роговице, а также на поверхностях хрусталика.

Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:

,

где – заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах.

7

Построение изображения в схематическом глазу

Построение изображения предмета на сетчатке глаза производится по правилам геометрической оптики: луч света от точки В, направленный через переднюю узловую точку глаза N, пройдет через заднюю узловую точку N' параллельно первоначальному направлению. Точка же предмета А изобразится на сетчатке в точке А'.

Размер изображения у' = -αl', а отрезок l' находится как разность между длиной глаза и расстоянием от вершины роговицы до задней узловой точки (соответственно равными, 24 мм и 7,332 мм):

Линейное	.
увеличение β,
равное
отношению у' к	.
у, принимает
вид:

Линейное увеличение отрицательно, т.е. на сетчатке глаза получается обратное

уменьшенное изображение предметов.

Понятие об остроте зрения

Зрительный угол служит мерой разрешающей способности глаза Разрешающая способность глаза (острота зрения) обратно пропорциональна минимальному зрительному углу, под которым крайние точки предмета не сливаются - человек видит их раздельно. Такой зрительный угол называется угловым пределом разрешения (δ = αмин).

Острота зрения (Visus — V) считается нормальной (V=l,0), если человек различает крайние точки предмета, находящиеся под углом α = 1 минуте.

При этом на сетчатке получается изображение длиной около 5 мкм. В центральной ямке желтого пятна сетчатки, на отрезке длиной 5 мкм сосредоточено в среднем 3 колбочки. Для различения двух точек предмета

8

необходимо сфокусировать их изображения не просто на разные колбочки, а так, чтобы между двумя засвеченными осталась одна незасвеченная фоторецепторная клетка. В центральной ямке сетчатки это условие выполняется на участке длиной 5 мкм.

Более мелкое, чем 5 мкм, изображение предмета на сетчатке не создает у большинства людей раздельного восприятия его крайних точек даже при фокусировании на центральную ямку. Если у человека δ>1', то его V<l,0. Например, при δ=4' острота зрения ниже нормы в 4 раза (V=l : 4=0,25). Понижение остроты зрения может быть связано как с более редким размещением рецепторов в сетчатке (например, вследствие их гибели— дегенерации), так и с нарушением функциональных свойств светопреломляющего аппарата глаза, из-за чего изображение точек предмета на сетчатке становится размытым и приобретает характер световых пятен. Это бывает, если изображение фокусируется не точно на сетчатку, а на плоскости перед нею или позади неѐ.

В целях дальнейшего упрощения расчетов была предложена еще более простая модель глаза, так называемый приведенный, редуцированный глаз. Существует несколько схем редуцированного глаза. В таблице приведены данные редуцированного глаза по Вербицкому, так как они ближе всего подходят к данным схематического глаза по Гульстранду.

Таблица – Данные редуцированного глаза

	Параметры глаза	Значение при покое
		аккомодации
	Оптическая сила, дптр	58,82
	Длина глаза, мм	23,40
	Радиус кривизны роговицы,	6,80
	мм
	Показатель преломления	1,40
	стекловидного тела
	Радиус кривизны поверхности	10,20
	сетчатки, мм
	Местоположение* главных	0,00
	точек, мм
	Местоположение* узловых	6,80
	точек, мм
	Переднее фокусное	-17,00
	расстояние, мм
	Заднее фокусное расстояние,	23,80
	мм

9

* Относительно вершины роговицы

В редуцированном глазу только одна преломляющая поверхность – роговица. Весь глаз наполнен однородной средой с одним показателем преломления, и поэтому обе узловые точки заменены одной точкой, совпадающей с центром кривизны роговицы.

Главные плоскости тоже заменены одной, и главные точки совпадают с вершиной роговицы.

В случае аккомодации параметры редуцированного глаза по Вербицкому должны изменяться. На каждую диоптрию аккомодации показатель преломления следует увеличивать на 0,004, а радиус кривизны уменьшать на 0,04 мм по сравнению с табличными значениями, справедливыми для покоя аккомодации.

При расчетах нужно вносить поправки на изменения аккомодации, поскольку преломление хрусталика в процессе аккомодации значительно изменяется (динамическая рефракция). При нормальной оптической системе глаза (эмметропии) изображение далеких предметов, испускающих практически параллельные лучи, должно фокусироваться на сетчатке. Но нередко встречаются аномалии оптической системы глаза: близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия), когда главный глазной фокус не совпадает с сетчаткой. Такие глаза называются аметропическими. При миопии главный фокус находится перед сетчаткой, а при гиперметропии — за ней.

Реже встречаются грубые отклонения от осевой симметрии роговицы

или хрусталика, приводящие к астигматизму, при котором фокусирование параллельно падающих на глаз лучей в одной точке невозможно из-за различной преломляемости в разных меридианах глаза. К оптическим несовершенствам глаза относится анизэйкония, при которой размер изображения предмета на сетчатке одного глаза больше, чем на сетчатке другого.

		близорукость
дальнозоркость				астигматизм

.

Коррекция дефектов рефракции осуществляется с помощью линз.

10

Рефракция глаза

Рефракция – преломление света

Физическая рефракция

Физиологическая рефракция Клиническая рефракция

Физическая рефракция

Суммарная преломляющая сила всего диоптрического аппарата глаза называется физической рефракцией:

Dглаза = Dроговицы + Dхрусталика +Dк.влаги + Dст.тела

Dроговицы = 42 дптр

Dхрусталика= от 19,11 до 33,06 дптр

Dкамерной влаги = от 2 до 4 дптр

Dстекловидного тела = от -5 до -6 дптр (рассеивающая линза)

Физиологическая рефракция

Суммарная оптическая сила глаза в условиях покоя аккомодация (при D хрусталика 19 дптр) называется физиологической рефракцией.

Клиническая рефракция

Степень совпадения места построения изображения в светопреломляющей системе глаза с местоположением сетчатки в условиях покоя аккомодации.

Аметропия –

преломленные глазом лучи фокусируются перед сетчаткой –

миопия

преломленные глазом лучи фокусируются за сетчаткой –

гиперметропия

Эмметропия – глаз в меру

Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза.

Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну.