Строение и оптические элементы глаза
Глаз человека представляет собой сложную естественную оптическую систему, приспособленную к восприятию электромагнитного излучения в видимом диапазоне (примерно 400–760 нм). Основные элементы этой системы выполняют функции линз, диафрагм и экранов.
К главным оптическим средам глаза относятся:
Оптическая ось глаза проходит через центр роговицы, зрачок, центр хрусталика и фокусируется на сетчатке.
Роговица играет первостепенную роль в преломлении света. Ее показатель преломления составляет приблизительно 1,376. Поскольку переход света из воздуха (n ≈ 1) в роговицу сопровождается резким изменением показателя преломления, именно роговица вносит наибольший вклад в преломляющую силу глаза (около 40 диоптрий из общих 60).
Хрусталик выполняет функцию тонкой, но гибкой линзы, изменяющей свою форму под действием цилиарных (ресничных) мышц. В расслабленном состоянии хрусталик более плоский, что соответствует фокусировке на удалённые объекты. При сокращении мышц хрусталик становится более выпуклым, позволяя видеть близкие предметы.
Зрачок регулирует количество света, попадающего внутрь глаза, аналогично диафрагме в фотоаппарате. Его диаметр может изменяться от 2 до 8 мм в зависимости от яркости окружающего освещения.
Сетчатка (retina) — светочувствительный экран, на котором формируется изображение. Она содержит фоторецепторы: палочки (воспринимают слабый свет, обеспечивают чёрно-белое зрение) и колбочки (обеспечивают цветное зрение при дневном освещении).
Преломляющая сила глаза и аккомодация
Суммарная преломляющая сила оптической системы глаза в состоянии покоя составляет около 60 диоптрий (D), где 1 D = 1 м⁻¹. Из них примерно:
Аккомодация — это процесс изменения преломляющей силы хрусталика с целью фокусировки изображения на сетчатке при изменении расстояния до предмета. Максимальная аккомодация наблюдается в молодом возрасте (до 14 диоптрий у детей). С возрастом эластичность хрусталика уменьшается, что приводит к пресбиопии — возрастной дальнозоркости.
Оптические дефекты глаза
Глаз, как и любая оптическая система, подвержен различным аберрациям и дефектам. Основные из них:
Минимально различимое угловое расстояние
Способность глаза различать две близкие точки определяется угловым разрешением. Минимальный различимый угол зрения у здорового глаза составляет около 1 угловой минуты (1/60 градуса). Это соответствует разрешающей способности около 0,1 мм на расстоянии 25 см.
Ближняя и дальняя точки зрения
Формирование изображения
Изображение на сетчатке обратное, уменьшенное и действительное. Однако мозг автоматически инвертирует его, обеспечивая прямое восприятие. Для точной фокусировки и передачи информации о цвете, яркости и контрасте задействуются сложные нейрофизиологические процессы.
Физика сумеречного и цветового зрения
Сумеречное зрение обусловлено преимущественным возбуждением палочек, обладающих высокой чувствительностью к свету, но не различающих цвета. В условиях яркого освещения активны колбочки, позволяющие различать цвета благодаря их селективной чувствительности к различным длинам волн.
Существует три типа колбочек:
Их совместная работа обеспечивает трихроматическое зрение, лежащее в основе восприятия всех оттенков.
Роль оптических аберраций и дифракции
Реальный глаз не является идеальной системой. Помимо сферической и хроматической аберрации, влияет дифракция на краях зрачка, особенно при сильном его сужении. Компромисс между дифракцией и аберрациями определяет оптимальный диаметр зрачка для наилучшего качества изображения (обычно около 3–4 мм).
Фоторецепторы и квантовая эффективность
Квантовая эффективность фоторецепторов (особенно палочек) в тёмных условиях близка к 0,3–0,5, то есть каждый второй или третий фотон вызывает фотохимическую реакцию. Пороговое значение светового потока, воспринимаемого глазом в абсолютной темноте, составляет всего несколько фотонов на сетчатку.
Зрение в динамике
Глаз способен различать объекты, движущиеся со скоростью до 30–40 мрад/с (примерно 2–3°/с), что важно для слежения за движущимися объектами. Также он обладает инерционностью восприятия (интервал слияния — около 1/25 с), что объясняет эффект плавности изображения в кино и видео.
Моделирование глаза как оптической системы
Для расчётов глаз нередко моделируют как однолинзовую систему с эффективной фокусной длиной около 17 мм (в покое). В этой модели учитываются параметры:
Такая модель позволяет анализировать проецирование изображений, оценивать влияние линз, проводить коррекцию зрения и разрабатывать оптические приборы, взаимодействующие с глазом (например, очки, контактные линзы, интраокулярные импланты).