Глаз как оптическая система недостатки зрения

Глаз состоит из глазного яблока диаметром 22–24 мм, покрытого непрозрачной оболочкой, склерой, а спереди — прозрачной роговицей (или роговой оболочкой). Склера и роговица защищают глаз и служат для крепления глазо-двигательных мышц.

Радужная оболочка — тонкая сосудистая пластинка, ограничивающая проходящий пучок лучей. Свет проникает в глаз через зрачок. В зависимости от освещения диаметр зрачка может изменяться от 1 до 8 мм.

Хрусталик представляет собой эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта светочувствительным слоем — сетчаткой. От сетчатки световой сигнал передается в мозг по зрительному нерву. Между сетчаткой и склерой находится сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

На сетчатке имеется желтое пятно — участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза вверх на угол около 5 градусов. Диаметр желтого пятна — около 1 мм, а соответствующее ему поле зрения глаза — 6–8 градусов.

Сетчатка покрыта светочувствительными элементами: палочками и колбочками. Палочки более чувствительны к свету, но не различают цветов и служат для сумеречного зрения. Колбочки чувствительны к цветам, но менее чувствительны к свету и поэтому служат для дневного зрения. В области желтого пятна преобладают колбочки, а палочек мало; к периферии сетчатки, наоборот, число колбочек быстро уменьшается, и остаются только палочки.

В середине желтого пятна находится центральная ямка. Дно ямки выстлано только колбочками. Диаметр центральной ямки — 0,4 мм, поле зрения — 1 градус.

В желтом пятне к большинству колбочек подходят отдельные волокна зрительного нерва. Вне желтого пятна одно волокно зрительного нерва обслуживает группу колбочек или палочек. Поэтому в области ямки и желтого пятна глаз может различать тонкие детали, а изображение, попадающее на остальные места сетчатки, становится менее четким. Периферическая часть сетчатки служит в основном для ориентирования в пространстве.

В палочках находится пигмент родопсин, собирающийся в них в темноте и выцветающий на свету. Восприятие света палочками обусловлено химическими реакциями под действием света на родопсин. Колбочки реагируют на свет за счет реакции йодопсина.

Кроме родопсина и йодопсина на задней поверхности сетчатки имеется пигмент черного цвета. При свете этот пигмент проникает в слои сетчатки и, поглощая значительную часть световой энергии, защищает палочки и колбочки от сильного светового воздействия.

На месте ствола зрительного нерва располагается слепое пятно. Этот участок сетчатки не чувствителен к свету. Диаметр слепого пятна — 1,88 мм, что соответствует полю зрения 6 градусов. Это значит, что человек с расстояния 1 м может не увидеть предмета диаметром 10 см, если его изображение проектируется на слепое пятно.

Оптическая система глаза

Оптическая система глаза состоит из роговицы, водянистой влаги, хрусталика и стекловидного тела. Преломление света в глазе происходит, главным образом, на роговице и поверхностях хрусталика.

Свет от наблюдаемого предмета проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на сетчатке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое).

Показатель преломления стекловидного тела больше единицы, поэтому фокусные расстояния глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Оптическая сила глаза (в диоптриях) вычисляется как обратное заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах. Оптическая сила глаза зависит от того, находится ли он в состоянии покоя (58 диоптрий для нормального глаза) или в состоянии наибольшей аккомодации (70 диоптрий).

Аккомодация — это способность глаза четко различать предметы, находящиеся на разных расстояниях. Аккомодация происходит за счет изменения кривизны хрусталика при натяжении или расслаблении мышц ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается, и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы кривизна хрусталика увеличивается под действием упругих сил.

В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения бесконечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близкие предметы.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой глаза.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наибольшем возможном напряжении глаза, называют ближней точкой глаза.

При аккомодации глаза на бесконечность задний фокус совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около 9 см.

Разность обратных величин расстояний между ближней и дальней точкой называют диапазоном аккомодации глаза (измеряется в диоптриях).

С возрастом способность глаза к аккомодации уменьшается. В возрасте 20 лет для среднего глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации 10 диоптрий), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2,5 диоптрии), а к 60 годам уходит на бесконечность, то есть аккомодация прекращается. Это явление называется возрастной дальнозоркостью или пресбиопией.

Расстояние наилучшего зрения — это расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета. При нормальном зрении оно составляет в среднем 25–30 см.

Приспособление глаза к изменившимся условиям освещенности называется адаптацией. Адаптация происходит за счет изменения диаметра отверстия зрачка, перемещения черного пигмента в слоях сетчатки и различной реакцией на свет палочек и колбочек. Сокращение зрачка происходит за 5 секунд, а его полное расширение — за 5 минут.

Темновая адаптация происходит при переходе от больших яркостей к малым. При ярком свете работают колбочки, палочки же «ослеплены», родопсин выцвел, черный пигмент проник в сетчатку, заслоняя колбочки от света. При резком снижении яркости отверстие зрачка раскрывается, пропуская больший световой поток. Затем из сетчатки уходит черный пигмент, родопсин восстанавливается, и когда его становится достаточно, начинают функционировать палочки. Так как колбочки не чувствительны к слабым яркостям, то сначала глаз ничего не различает. Чувствительность глаза достигает максимального значения через 50–60 минут пребывания в темноте.

Световая адаптация — это процесс приспособления глаза при переходе от малых яркостей к большим. Сначала палочки сильно раздражены, «ослеплены» из-за быстрого разложения родопсина. Колбочки, не защищенные еще зернами черного пигмента, также раздражены слишком сильно. Через 8–10 минут чувство ослепления прекращается, и глаз снова видит.

Поле зрения глаза достаточно широкое (125 градусов по вертикали и 150 градусов по горизонтали), но для ясного различения используется только его малая часть. Поле наиболее совершенного зрения (соответствующее центральной ямке) — около 1–1,5°, удовлетворительного (в области всего желтого пятна) — около 8° по горизонтали и 6° по вертикали. Вся остальная часть поля зрения служит для грубого ориентирования в пространстве. Для обозрения окружающего пространства глазу приходится совершать непрерывное вращательное движение в своей орбите в пределах 45–50°. Это вращение приводит изображения различных предметов на центральную ямку и дает возможность рассмотреть их детально. Движения глаза совершаются без участия сознания и, как правило, не замечаются человеком.

Угловой предел разрешения глаза — это минимальный угол, при котором глаз наблюдает раздельно две светящиеся точки. Угловой предел разрешения глаза составляет около 1 минуты и зависит от контраста предметов, освещенности, диаметра зрачка и длины волны света. Кроме того, предел разрешения увеличивается при удалении изображения от центральной ямки и при наличии дефектов зрения.

Дефекты зрения и их коррекция

При нормальном зрении дальняя точка глаза бесконечно удалена. Это означает, что фокусное расстояние расслабленного глаза равно длине оси глаза, и изображение попадает точно на сетчатку в области центральной ямки.

Такой глаз хорошо различает предметы вдали, а при достаточной аккомодации — и вблизи.

Близорукость

При близорукости лучи от бесконечно удаленного предмета фокусируются перед сетчаткой, поэтому на сетчатке формируется размытое изображение.

Чаще всего это происходит из-за удлинения (деформации) глазного яблока. Реже близорукость возникает при нормальной длине глаза (около 24 мм) из-за слишком большой оптической силы оптической системы глаза (более 60 диоптрий).

В обоих случаях изображение от удаленных предметов находится внутри глаза, а не на сетчатке. На сетчатку попадает только фокус от близко расположенных к глазу предметов, то есть дальняя точка глаза находится на конечном расстоянии перед ним.

Дальняя точка глаза

Близорукость корректируется при помощи отрицательных линз, которые строят изображение бесконечно удаленной точки в дальней точке глаза.

Дальняя точка глаза

Близорукость чаще всего появляется в детском и подростковом возрасте, причем по мере роста глазного яблока в длину близорукость увеличивается. Истинной близорукости, как правило, предшествует так называемая ложная близорукость — следствие спазма аккомодации. В этом случае можно восстановить нормальное зрение при помощи средств, расширяющих зрачок и снимающих напряжение ресничной мышцы.

Дальнозоркость

При дальнозоркости лучи от бесконечно удаленного предмета фокусируются за сетчаткой.

Дальнозоркость вызывается слабой оптической силой глаза для данной длины глазного яблока: либо короткий глаз при нормальной оптической силе, либо малая оптическая сила глаза при нормальной длине.

Чтобы сфокусировать изображение на сетчатке, приходится все время напрягать мышцы ресничного тела. Чем ближе предметы к глазу, тем все дальше за сетчатку уходит их изображение и тем больше требуется усилий мышц глаза.

Дальняя точка дальнозоркого глаза находится за сетчаткой, т. е. в расслабленном состоянии он может четко увидеть лишь предмет, который находится позади него.

Дальняя точка глаза

Конечно, поместить предмет за глаз нельзя, но можно спроецировать туда его изображение при помощи положительных линз.

Дальняя точка глаза

При небольшой дальнозоркости зрение вдаль и вблизи хорошее, но могут быть жалобы на быструю утомляемость и головную боль при работе. При средней степени дальнозоркости зрение вдаль остается хорошим, а вблизи затруднено. При высокой дальнозоркости плохим становится зрение и вдаль, и вблизи, так как исчерпаны все возможности глаза фокусировать на сетчатке изображение даже далеко расположенных предметов.

У новорожденного глаз немного сдавлен в горизонтальном направлении, поэтому у глаза есть небольшая дальнозоркость, которая проходит по мере роста глазного яблока.

Аметропия (близорукость или дальнозоркость) глаза выражается в диоптриях как величина, обратная расстоянию от поверхности глаза до дальней точки, выраженной в метрах.

Оптическая сила линзы, необходимая для коррекции близорукости или дальнозоркости, зависит от расстояния от очков до глаза. Контактные линзы располагаются вплотную к глазу, поэтому их оптическая сила равна аметропии.

Например, если при близорукости дальняя точка находится перед глазом на расстоянии 50 см, то для ее исправления нужны контактные линзы с оптической силой в −2 диоптрии.

Слабая степень аметропии считается до 3 диоптрий, средняя — от 3 до 6 диоптрий и высокая степень — выше 6 диоптрий.

Астигматизм

При астигматизме фокусные расстояния глаза различны в разных сечениях, проходящих через его оптическую ось. При астигматизме в одном глазу сочетаются эффекты близорукости, дальнозоркости и нормального зрения. Например, глаз может быть близоруким в горизонтальном сечении и дальнозорким в вертикальном сечении. Тогда на бесконечности он не сможет видеть ясно горизонтальных линий, а вертикальные будет четко различать. На близком расстоянии, наоборот, такой глаз хорошо видит вертикальные линии, а горизонтальные будут расплывчатыми.

Причина астигматизма либо в неправильной форме роговицы, либо в отклонении хрусталика от оптической оси глаза. Астигматизм чаще всего является врожденным, но может стать следствием операции или глазной травмы. Кроме дефектов зрительного восприятия, астигматизм обычно сопровождается быстрой утомляемостью глаз и головными болями. Астигматизм корректируется при помощи цилиндрических (собирательных или рассеивающих) линз в сочетании со сферическими линзами.

• Вы уже знаете, что большую часть информации об окружающем мире мы получаем благодаря зрению. Органом зрения человека являет­ся глаз — один из самых совершенных и вместе с тем простых опти­ческих приборов. Как же устроен глаз? Почему некоторые люди плохо видят и как скорректировать их зрение? Как с особенностями чело­веческого глаза связано производство мультипликационных фильмов?

1. Знакомимся со строением глаза

Глаз человека имеет шарообразную форму (рис. 3.66). Диаметр глаз­ного яблока около 2,5 см. Снаружи глаз покрыт плотной непрозрачной обо­лочкой — склерой. Передняя часть склеры переходит в прозрачную роговую оболочку — роговицу, которая действует как собирающая линза и обеспе­чивает 75 % способности глаза преломлять свет.

Рис. 3.66. Строение глаза

С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. В передней части глаза сосудистая обо­лочка переходит в радужную оболочку, которая неодинаково окрашена у разных людей. В радужной оболочке есть круглое отверстие — зрачок. Зрачок сужается в случае усиления интенсивности света и расширяется в случае ослабления.

Способность глаза приспосабливаться к различной яркости наблюдае­мых предметов называют адаптацией.

За зрачком расположен хрусталик, который представляет собой двояко­выпуклую линзу. Хрусталик благодаря скрепленным с ним мышцам может изменять свою кривизну, а следовательно, и оптическую силу.

Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта сетчаткой — разветвлениями светочувствительного нерва. Самая чувствительная часть сетчатки расположена прямо напротив зрачка и называется желтым пятном. Место, где зрительный нерв входит в глаз, невосприимчиво к свету, поэтому получило название слепого пятна. В получении изображения так­же принимает участие стекловидное тело — прозрачная студенистая мас­са, которая заполняет пространство между хрусталиком и сетчаткой. Свет, попадающий на поверхность глаза, преломляется в роговице, хрусталике и стекловидном теле. В результате на сетчатке получается действитель­ное, перевернутое, уменьшенное изображение предмета (рис. 3.67).

Рис. 3.67. Изображение, которое получается на сетчатке глаза, — действительное, перевернутое, уменьшенное

Рис. 3.68. В спокойном состоя­нии фокус оптической системы здорового глаза расположен на сетчатке. В этом случае на сетчат­ке образуется четкое изображе­ние удаленных предметов

2. Узнаем, почему человек видит как удаленные предметы, так и расположенные рядом

Если человек имеет хорошее зрение, он видит четкими как далеко, так и близко рас­положенные предметы. Это происходит потому, что в случае изменения расстояния до предме­та хрусталик глаза изменяет свою кривизну.

• Способность хрусталика изменять свою кривиз­ну в случае изменения расстояния до рассмат­риваемого предмета, называют аккомодацией.

Если человек смотрит на довольно удален­ные предметы, в глаз попадают параллельные лучи — в этом случае глаз наиболее расслаблен. (Заметьте, что, задумавшись, человек смотрит как будто вдаль!) Чем ближе расположен пред­мет, тем сильнее напрягается глаз. Наименьшее расстояние, на котором глаз видит предмет, практически не напрягаясь, называют рассто­янием наилучшего зрения. Для людей с нор­мальным зрением это расстояние равно прибли­зительно 25 см. Именно на таком расстоянии человек с хорошим зрением читает книгу.

3. Выясняем, что такое близорукость и дальнозоркость и какие есть способы их коррекции

Чтобы лучше разобраться, что происхо­дит в оптической системе глаза в случае близо­рукости и дальнозоркости и как корректиру­ются эти недостатки зрения, представим такую ситуацию. Три человека, один из которых имеет нормальное зрение, у второго — близорукость, а у третьего — дальнозоркость, смотрят на одни и те же предметы, расположенные довольно да­леко,— например, на звезды. (В этом случае мы можем не принимать во внимание аккомода­цию, ведь глаза у всех троих расслаблены.)

У человека с нормальным зрением фокус оптической системы глаза в спокойном (нена­пряженном) состоянии расположен на сетчат­ке, т.е. параллельные лучи, попадающие в глаз, после преломления в оптической системе глаза собираются на сетчатке (рис. 3.68), и изобра­жение предметов на ней будет четким.

Иная ситуация у людей, имеющих близорукость или дальнозоркость. Близорукость — это недостаток зрения, в случае которого фокус оптической системы глаза в спокойном (нена­пряженном) состоянии расположен перед сет­чаткой (рис. 3.69, а). Это происходит потому, что в случае близорукости угол преломления светового пучка в оптической системе глаза оказывается большим, чем у человека с нор­мальным зрением. Поэтому изображение пред­метов на сетчатке будет нечетким, размытым.

Рис. 3.69 В случае близорукости в спокойном состоянии глаза фокус F оптической системы глаза расположен перед сетчат­кой (о). Изображение удаленных предметов на сетчатке получа­ется нечетким. Для коррекции близорукости используют очки с рассеивающими линзами (б)

Расстояние наилучшего зрения в случае близорукости меньше 25 см. Именно поэтому близорукий человек, чтобы рассмотреть пред­мет в руках, подносит его близко к глазам. Близорукость корректируется ношением очков с рассеивающими линзами (рис. 3.69, б).

Дальнозоркость — это недостаток зрения, в случае которого фокус оптической системы глаза в спокойном (ненапряженном) состоянии расположен за сетчаткой (рис. 3.70, а). Это про­исходит потому, что в случае дальнозоркости угол преломления светового пучка в оптической сис­теме глаза оказывается меньшим, чем у человека с нормальным зрением. Изображение предметов на сетчатке также будет нечетким, размытым.

Расстояние наилучшего зрения в случае даль­нозоркости больше, чем 25 см, поэтому, рассматривая предмет в руках, человек отодвигает его от глаз. Дальнозоркость корректируется ношением очков с собирающими линзами (рис. 3.70, б).

Рис. 3.70. В случае дальнозоркос­ти в спокойном состоянии глаза фокус F оптической системы глаза расположен за сетчаткой (о). Изоб­ражение удаленных предметов на сетчатке получается нечетким. Для коррекции дальнозоркости используют собирающие линзы (б)

4. Знакомимся с инерцией зрения

Если быстро перемещать в темноте «бенгальский огонь», то наблюда­тель увидит светящиеся фигуры, образованные «огневым контуром». Раз­ноцветные лампочки карусели во время быстрого вращения, сливаясь, об­разуют кольца. Наши глаза все время мигают, а поскольку эти движения довольно быстрые, мы не замечаем, что на определенный промежуток вре­мени предмет, на который мы смотрим, становится невидимым.

Все эти явления можно объяснить так называемой инерцией зрения. Суть в том, что после того как изображение предмета исчезает с сетчатки глаза (предмет убирают, перестают его освещать, заслоняют непрозрачным экраном и т. п.), зрительный образ, вызванный этим предметом, сохраняет­ся на протяжении 0,1 с.

Зрительную инерцию широко используют в анимационном кино. Кар­тинки на экране очень быстро (24 раза в секунду) сменяют друг друга, во время их смены экран не освещается, но зри­тель этого не замечает — он просто видит ряд чередующихся картинок. Таким образом на эк­ране создается иллюзия движения. (А теперь представьте, сколько картинок нужно нарисо­вать художникам, чтобы получить полнометражный мультипликационный фильм!)

На инерции зрения также базируется при­менение стробоскопа. (Стробоскоп представля­ет собой источник света, излучающий световые вспышки через определенные, очень малые промежутки времени.) Во время фотографиро­вания объектов, освещеннных стробоскопом, мы получаем стробоскопические фотографии (рис. 3.71).

Рис. 3.71 Стробоскопическая фотография гимнаста, выполняю­щего упражнения на перекладине

С точки зрения физики, глаз представляет собой оптическую систе­му, основными элементами которой являются роговица, хрусталик и стек­ловидное тело.

В результате преломления света в этой оптической системе на светочувст­вительной поверхности глазного дна — сетчатке — образуется уменьшен­ное, действительное, перевернутое изображение предмета.

Если оптическая система глаза собирает лучи перед сетчаткой, то изоб­ражение предмета на сетчатке будет размытым — такой дефект зрения называется близорукостью. Близорукость корректируют ношением очков с рассеивающими линзами.

Если оптическая система глаза слабо преломляет лучи, то продолжения лучей пересекаются за сетчаткой — такой дефект зрения называется даль­нозоркостью. Дальнозоркость корректируют ношением очков с собирающи­ми линзами.

После того как изображение предмета исчезает с сетчатки глаза, зри­тельный образ, вызванный этим предметом, сохраняется в сознании челове­ка на протяжении 0,1 с. Это свойство называют инерцией зрения.

1. Опишите строение человеческого глаза и назначение отдельных его элементов.

2. Какие характеристики имеет изображение, возникаю­щее на сетчатке глаза?

3. Как изменяется диаметр зрачка в случае уменьшения освещенности?

4. Почему человек с нормальным зрением может одинаково четко видеть как далеко, так и близко расположенные предметы?

5. Чему равно расстояние наилучшего зрения для челове­ка с нормальным зрением?

6. Какой дефект зрения называется близо­рукостью? Как его можно скорректировать?

7. Какой дефект зрения называется дальнозоркостью? Как его можно скорректировать?

8. Ка­кое свойство зрения называют инерцией зрения?

1. Почему кривизна хрусталика глаза рыбы большая, чем у человека?
2. Оптическая сила нормального глаза изменяется от 58,6 до 70,6 дптр. Определите, во сколько раз изменяется при этом фокусное расстоя­ние глаза.
3. На каком минимальном расстоянии от глаза следует расположить зеркальце, чтобы увидеть четкое изображение глаза?
4. Оптическая сила линз бабушкиных очков -2,5 дптр. Каково фокус­ное расстояние этих линз? Какой дефект зрения имеет бабушка?
5. Почему, чтобы лучше видеть, близорукий человек щурит глаза?
6. Почему даже в чистой воде человек без маски плохо видит?
7. Мальчик читает книгу, держа ее на расстоянии 20 см от глаз. Опре­делите оптическую силу линз, которые необходимы мальчику для чтения на расстоянии наилучшего зрения (при условии нормально­го зрения).

1. Предложите способ, с помощью которого можно определить, какой дефект зрения (близорукость или дальнозоркость) корректируют те или иные очки. Постарайтесь найти несколько разных очков (по­просите у домашних, соседей и т. д.) и убедитесь в правильности своего способа.

2. Проверьте на опыте свойство глаза изменять диаметр зрачка в за­висимости от освещенности рассматриваемого объекта. Для наблю­дения изменений диаметра зрачка воспользуйтесь зеркалом.

В конце прошлого века ученым удалось установить, что преломление светового луча, попадающего в глаз, различно в разных точках глаза из-за того, что поверх­ность роговицы не является идеально гладкой, а хрус­талик не является однородным (см. рисунок).

Для исправления зрения была предложена методика сглаживания поверхности роговицы с помощью лазерного излучения. Однако чтобы эта технология действитель­но заработала, надо было знать, какое именно количество вещества хрусталика следует удалить в конкретном месте, т. е. было необходимо измерить реальный профиль хрусталика. Тем не менее глаз не стоит спо­койно, а следовательно, надо было сделать это измерение очень быстро (за доли секунды).

В Германии, Японии, Испании и США началось неистовое соревнование ученых и инже­неров за создание такого измерительного прибора. Однако первый в мире рейтрейсинговый аберрометр был создан коллективом украинских ученых под руководством профессо­ра Василия Молебного.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. — X.: Издательство «Ранок», 2007. — 192 с.: ил.

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.

Оптическая система глаза

Что такое аккомодация, угол зрения, разрешающая способность. Недостатки оптической системы глаза: близорукость, дальнозоркость, астигматизм и их исправление при помощи линз. Чувствительность глаза к свету и цвету. Биофизические основы зрительной рецепции.

Размещено на http://www.stud.wiki

Размещено на http://www.stud.wiki

Оптическая система глаза

• 1. Оптическая система глаза
• 1. 1 Аккомодация. Угол зрения. Разрешающая способность
• 1. 2 Недостатки оптическ ой системы глаза: б лизорукость, дальнозоркость, асти г матизм и их исправление при помощи линз
• 1. 3 Чувствительность глаза к свету и цвету. Адаптация
• 1.4 Биофизические основы зрительной рецепции 9
• Список использованных источников
• оптический глаз зрение рецепция
• 1. Оптическая система глаза
• Глаз человека является оптическим прибором. Для медиков глаз не только орган, способный к функциональным нарушениям и заболеваниям, но и источник информации о некоторых неглазных заболеваниях.
• Глазное яблоко имеет приблизительно шаровидную форму с длиной в осевом направлении в среднем 24-25 мм и содержит светопреломляющий и световоспринимающий аппарат глаза.
• Глазное яблоко покрыто снаружи плотной белочной оболочкой, или склерой. В передней части склера переходит в твердую прозрачную, несколько более выпуклую роговую оболочку, или роговицу.
• Передняя часть склеры (исключая роговицу) покрыта слизистой оболочкой — конъюнктивой, которая переходит на внутреннюю поверхность век.
• Отдельная от склеры роговица имеет форму сферической чашечки диаметром около 12 мм и толщиной 1 мм. Радиус кривизны ее в среднем 7-8 мм. Показатель преломления вещества роговицы 1,38.
• Под склерой расположена сосудистая оболочка, в передней части глазного яблока она отделяется от склеры, пигментирована и образует радужную оболочку (у различных людей разной окраски). В центре радужной оболочки имеется отверстие — зрачок. Радужная оболочка — это апертурная диафрагма глаза, в ней имеются мышечные волокна, управляемые центральной нервной системой, которые, сокращаясь, изменяют просвет зрачка (от 2 — 3 мм при ярком до 6 — 8 мм при слабом освещении). Таким образом, регулируется количество света, переходящего внутрь глаза.
• Пространство между радужной и роговой оболочками называется передней камерой глаза и заполнено прозрачной жидкостью.
• Непосредственно позади зрачка к склере на круговой связке подвешен хрусталик — прозрачное эластичное тело, по форме близкое к двояковыпуклой линзе. Диаметр хрусталика порядка 8-10 мм. Радиус кривизны передней поверхности (в среднем) 10 мм, задней — 6 мм. Показатель преломления около 1,44.
• Позади хрусталика полость глазного яблока заполнена прозрачной студенистой массой, которая называется стекловидным телом.
• К сосудистой оболочке в задней части, называемой дном глаза, прилегает сетчатая оболочка, или ретина, содержащая световоспринимающий аппарат глаза.
• Вся полость глазного яблока между указанными образованиями заполнена прозрачной жидкостью под избыточным над атмосферным давлением порядка 18-26 мм рт.ст. Это давление называется внутриглазным давлением и способствует сохранению глазом шаровидной формы.
• Преломляющие среды глаза: роговица, влага передней камеры, хрусталик и стекловидное тело — представляют Ц.О.С., для которой может быть указано шесть кардинальных точек. Главная ось системы ОО проходит через геометрические центры роговицы зрачка и хрусталика. В глазу различается еще зрительная ось О’О’, проходящая через центры хрусталика и жесткого пятна и определяющая направление, по которому глаз имеет наивысшую чувствительность.
• Преломляющие среды глаза спереди, со стороны роговицы, граничат с воздухом, с противоположной стороны они соприкасаются непосредственно с сетчатой оболочкой, которая служит световоспринимающим экраном.
• Основное преломление света происходит на внешней поверхности роговицы на границе с воздухом.
• Соответственно роговица имеет наибольшую из всех преломляющих сред глаза оптическую силу порядка 43 дитр. Оптическая сила хрусталика 18-20 дитр, влаги передней камеры и стекловидного тела (вместе) — 3-5 дитр. Общая оптическая сила глазного яблока (в покое аккомодации) — 63-65 дитр.
• Для построения изображения предметов на сетчатой оболочке глаза и анализа, связанных с этим явлений пользуются редуцированным, или приведенным, глазом, который рассматривается как однородная сферическая линза. Она окружена воздухом со стороны пространства предметов и жидкостью с n=1,336 со стороны пространства изображений.
• Различно удаленные предметы должны давать на сетчатке одинаково резкие изображения. Из формулы
• следует, что это можно осуществить, либо изменяя расстояние а2 между главной плоскостью и сетчаткой аналогично тому, как это делают в фотоаппаратах, либо изменяя кривизну хрусталика и, следовательно, фокусные расстояния f1 и f2. В глазу человека регулируется второй случай под действием особой (ресничной) мышцы.
• 1.1 Аккомодация. Угол зрения. Разрешающая способность
• Способность глаза приспосабливать фокусное расстояние хрусталика к расстоянию до наблюдаемого предмета называется аккомодацией.
• Когда предмет расположен в бесконечности, то его изображение в нормальном глазу находится на сетчатке. Хрусталик при этом аккомодирован на бесконечность и его оптическая сила наименьшая. Если предмет приближается к глазу, то у хрусталика увеличивается кривизна; чем ближе предмет, тем больше оптическая сила глаза, ее изменения происходят приблизительно в пределах 6070 дитр.
• У взрослого здорового человека при приближении предмета к глазу до расстояния 25 см аккомодация совершается без напряжения и благодаря привычке рассматривать предметы, находящиеся в руках, глаз чаще всего аккомодирует именно на это расстояние, называемое расстоянием наилучшего зрения.
• Для рассматривания еще более близких предметов приходится уже напрягать аккомодационный аппарат. Наиболее близкое расположение предмета от глаза, при котором еще возможно четкое изображение на сетчатке называют ближней точкой глаза (ближняя точка ясного видения). Расстояние до ближней точки глаза с возрастом увеличивается, следовательно, аккомодация — уменьшается.
• Размер изображения на сетчатке зависит не только от размера предмета, но и от его удаления от глаза, то есть от угла, под которым виден предмет. Это угол зрения, он образован лучами, идущими в глаз от крайних точек предмета.

Размещено на http://www.stud.wiki

Размещено на http://www.stud.wiki

• Для характеристики разрешающей способности глаза используют наименьший угол зрения, при котором человеческий глаз еще различает две точки предмета. Этот угол 1 что соответствует расстоянию между точками в 70 мкм, если они находятся на расстоянии наилучшего зрения. Размер изображения на сетчатке в этом случае равен 5 мкм, что равно среднему расстоянию между двумя колбочками на сетчатке. Поэтому, если изображение двух точек на сетчатке займет линию короче 5 мкм, то эти точки не разрешатся, то есть глаз их не различает.
• В медицине разрешающую способность глаза оценивают остротой зрения. За норму остроты зрения принимается единица, в этом случае наименьший угол зрения равен одной минуте. При отклонениях острота зрения во столько раз меньше нормы, во сколько раз наименьший угол зрения больше минуты. Если для больного наименьший угол зрения равен 4, то острота зрения равна 1:4 = 0,25.
• 1.2 Недостатки оптической системы глаза: близорукость, дальнозоркость, астигматизм и их исправление при помощи линз
• Аберрации, свойственные линзам, у глаза почти не ощущаются. Сферическая аберрация устраняется тем, что зрачок пропускает в глаз только сравнительно узкий центральный пучок лучей. Хроматическая аберрация не ощущается вследствие того, что глаз наиболее чувствителен к относительно узкой желто-зеленой части спектра.
• Астигматизм наклонных пучков не имеет места из-за того, что глаз автоматически устанавливается в направлении наблюдаемого предмета, и входящие в него лучи являются центральными.
• Однако оптической системе глаза свойственны некоторые специфические недостатки.
• В нормальном глазу при отсутствии аккомодации задний фокус совпадает с сетчаткой, такой глаз называют эмметропическим и аметропическим, если это условие не выполняется.
• Наиболее распространенными видами аметропии являются близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия). Близорукость — недостаток глаза, состоящий в том, что задний фокус при отсутствии аккомодации лежит впереди сетчатки; в случае дальнозоркости задний фокус при отсутствии аккомодации лежит позади сетчатки. Для коррекции близорукого глаза применяют рассеивающую линзу, дальнозоркого — собирательную.
• Астигматизм исправляют специальными цилиндрическими линзами.
• 1.3 Чувствительность глаза к свету и цвету. Адаптация
• Ощущение света возникает при действии на светочувствительные элементы сетчатой оболочки глаза электромагнитные излучения от 760 до 380 нм. Сетчатая оболочка имеет толщину 0,5 мм и состоит из нескольких слоев, содержащих волокна зрительного нерва, опорные образования и в глубине — светочувствительные клетки (фоторецепторы). Рецепторы светочувствительных клеток обращены в глубь сетчатки и граничат со слоем светопоглощающих эпителиальных клеток, содержащих черный пигмент и образующих наружную оболочку сетчатки.
• Свет, действуя на рецепторные клетки, вызывает в них фотохимические реакции, в результате которых в клетках возникают импульсы возбуждения, передающиеся по нервным путям в головной мозг, где и формируется зрительное ощущение (ощущение света). Ощущение, вызываемое действием света на сетчатую оболочку глаза, имеет две основные оцениваемые субъективно характеристики: качественную — цвет и количественную — яркость. Ощущение цвета в основном обусловлено для монохроматического света длиной волны, а для сложного — спектральным составом.
• Ощущение яркости светового изображения на сетчатке обусловлено мощностью излучения.
• Фоторецепторы сетчатки в соответствии с их формой разделяются на колбочки и палочки. Общее число колбочек порядка (6 7) 106, палочек (110 130) 106.
• Палочки более светочувствительны, но не различают цвета. Колбочки различают цвета, кроме этого, при достаточной яркости предмета они чувствительны к восприятию деталей изображения, поэтому разрешающая способность глаза обусловлена размещением колбочек на сетчатке.
• Палочки относят к аппарату сумеречного и ахроматического зрения, а колбочки — дневного и цветового.
• Первичным актом светового возбуждения являются фотохимические процессы, которые вызывает свет в светочувствительных веществах, содержащихся в колбочках и палочках.
• Светочувствительностью глаза называют величину, обратную пороговой яркости, то есть минимальной яркости, вызывающей зрительное ощущение в данных условиях наблюдения.
• Светочувствительность глаза изменяется в широких пределах благодаря зрительной адаптации — способности глаза приспосабливаться к различным яркостям. Адаптация осуществляется следующими способами:
• 1) изменением диаметра зрачка в пределах от 2 до 8 мм, что изменяет световой поток в 16 раз;
• 2) уменьшением концентрации неразложившегося светочувствительного пигмента;
• 3) экранированием колбочек и палочек темным пигментом, помещаемым в сосудистой оболочке и способным в процессе адаптации перемещаться в направлении стекловидного тела;
• 4) изменением в зависимости от яркости предмета степени участия палочек и колбочек в возбуждении светового ощущения.
• Нижний предел, или абсолютный порог, светочувствительности глаза при полной темновой адаптации соответствует потоку энергии излучения, падающему на площадь зрачка

2 10-10 эрг/сек, что составляет всего несколько десятков фотонов в 1 сек. Верхний безболезненно воспринимаемый предел при максимальной световой адаптации имеет порядок 1 эрг/сек, то есть в 1012 раз выше.

Спектральная чувствительность глаза характеризуется видностью излучения, которая определяется выражением:

,

где dф — световой поток, dф_э— мощность излучения, обусловливающего этот световой поток.

Относительнойвидностью называют отношение

,

где под S понимают максимальнуювидность излучения данного спектра.

На рисунке показана кривая видности дневного зрения (1) и сумеречного (2). Для дневного зрения соответствует = 555 нм, а для сумеречного = 510 нм.

При сумеречном зрении глаз плохо различает цвета, и излучение разных длин волн воспринимается как голубовато-серое.

Максимум кривой видности дневного зрения соответствует максимуму солнечного излучения, прошедшего атмосферу и попавшего на поверхность Земли, в этом проявляется целесообразность организации глаза человека.

Глаз — далеко не совершенный спектральный анализатор: свет различного спектрального состава может оказывать одинаковые цветовые ощущения. Так, например, ощущение белого цвета можно вызвать смешением только двух цветов, каждый из которых является дополнительным по отношению к другому: красный и голубой, желтый и синий, зелено-желтый и фиолетовый и другие.

Все цвета, ощущаемые нашими глазами, можно получить, смешивая три цвета: красный, зеленый и синий. На этом основана трехкомпонентная теория цветового зрения, согласно которой имеется три вида колбочек, содержащие различные светочувствительные вещества.

На рисунке изображена зависимость показателя поглощения D светочувствительных веществ трех различных видов колбочек от , представляющая собой спектр поглощения. Цветовое ощущение зависит от силы возбуждения колбочек, чувствительных к различным интервалам длин волн.

1.4 Биофизические основы зрительной рецепции

Зрение включает поглощение энергии излучения и превращения ее в нервный импульс.

Основа механизма зрения стала хорошо известна в результате работ Уоада и других (Wald G, 1968 год). Как и в фотосинтезе, первичной стадией является поглощение энергии света подходящим хромофором. Хромофором, определяющим поглощение видимого света, служит альдегидироизводное витамина А или ретиналь. В сетчатке глаза находится около 100 млн специализированных клеток, так называемых палочек, и 5 млн колбочек. Между этими клетками и нервными волокнами, соединяющими их с мозгом, находятся синапсы, или соединительные участки (рисунок).

Ретиналь связан с белком, называемым опсином. Существуют четыре вида опсина: один из них находится в палочках, а три других — в колбочках. Комплексы хромофора с опсином в этих различных клетках называются соответственно родопсином и йодопсином. Изменения, происходящие после возбуждения светом, в основе своей одинаковы в родопсине и йодопсине и сводятся к цис-транс-изомеризации хромофорной группы.

На рисунке показана структура 11-цис-ретиналя и изомерного ему полностью транс ретиналя. В действительности возможны шесть геометрических изомеров, однако в процессе зрения существенны лишь эти два. Роль света сводится лишь к изомеризации 11-цис-ретиналя в полностью транс-ретиналь. В этом заключается основное различие между действием света в зрительном процессе и в фотосинтезе.

В фотосинтезе световая энергия используется для подброса электрона против градиента электрохимического потенциала и для синтеза молекул АТФ. В зрительном процессе, по-видимому, поглощение энергии света не приводит ни к каким химическим реакциям. Способность нервных волокон раздражаться при действии света обусловлена тем, что они уже были заранее заряжены за счет химических реакций, которые не имеют никакого отношения к световому возбуждению хромофора. Свет нужен лишь для запуска этого процесса разряда.

Опсин представляет собой белок с молекулярным весом около 30 000 дальтонов. Его структура не определена методом рентгеноструктурного анализа, однако известно, что в родопсине альдегидная группа 11-цис-ретиналя образует шиффово основание с аминогруппой лизинового остатка опсина:

Имеются также данные, свидетельствующие о наличии дополнительных центров связывания, вероятно, с помощью сульфгидрильных групп. Важный момент состоит в том, что соответствие между 11-цис-ретиналем и опсином имеет стереоспецифичный характер, так что после изомеризации прямолинейная молекула полностью транс-ретиналя уже не может связываться с опсином и происходит диссоциация комплекса. Одна или несколько стадий, включающих конформационные переходы, непосредственно следующие за диссоциацией родопсина, каким-то образом индуцируют сигнал, поступающий от клеток сетчатки в нервное волокно.

Термин «конформация» обозначает любое из бесконечного множества расположений атомов в трехметровом пространстве.

По спектрам поглощения удалось обнаружить ряд промежуточных стадий зрительного процесса. Весь зрительный цикл изображен на рисунке. Прелюмиродопсин и люмиродопсин представляют собой конъюгаты полностью транс-ретиналя, однако времена их жизни слишком коротки, чтобы их образование удалось наблюдать в растворе при комнатной температуре. В то же время метародопсин I и метародопсин II достаточно устойчивы, чтобы их можно было обнаружить вблизи комнатной температуры. Максимум поглощения метародопсина I находится при 478 нм, очень близко от максимума поглощения самого родопсина. Это означает, что в прин-ципе поглощение второго фотона той же энергии метародопсином I может привести к обратной изомеризации полностью транс-конформации в 11-цис-ретиналь и, таким образом, — к регенерации родопсина. Если принять, что квантовый выход прямой и обратной реакций одинаков равен единице, то к восприятию света должно было бы приводить только поглощение нечетного числа фотонов молекулой родопсина. Поглощение четного числа фотонов не должно приводить к зрительному процессу. Суммарный процесс иногда называют выцветанием, поскольку исходный материал, родопсин, окрашен в пурпурно-красный цвет, а конечный продукт, полностью транс-ретиналь, поглощает при 387 нм и окрашен в светло-желтый цвет. Наконец полностью транс-ретиналь восстанавливается в спирт, а затем снова окисляется с образованием 11-цис-ретиналя и реконструкцией родопсина.

Примечательна высокая чувствительность сетчатки глаза: для возбуждения палочки достаточно попадания одного кванта света. Однако, чтобы обеспечить зрительное восприятие, требуется все же несколько квантов, возможно, пять. Отсюда следует, что квантовая эффективность начального процесса фотоизомеризации должна быть близка к единице.

Родопсин действует тогда, когда зрительный процесс осуществляется в условиях низкой интенсивности света, например в ночное время. Он не различает цвета, поскольку содержит только один пигмент. Цветное зрение обусловлено йодопсином, который содержит пигменты с максимумами поглощения при 450 нм (синий цвет), 525 нм (зеленый цвет) и 555 нм (желтый цвет). Чувствительность пигмента с максимумом поглощения при 555 нм простирается далеко в красную сторону спектра, что и обеспечивает восприятие также красных тонов. Колбочки гораздо менее чувствительны, чем палочки, так что при слабом освещении все объекты кажутся окрашенными в серые тона.

Помимо людей колбочки содержатся в сетчатке приматов, некоторых видов рыб и птиц, которые способны воспринимать, по крайней мере, некоторые цвета. В сетчатке кошек и коров содержатся преимущественно палочки. Поэтому эти животные не имеют цветного зрения. Отсюда приходится заключить, что матадору вовсе незачем во время корриды пользоваться именно красным плащом.

Существует еще одна интересная гипотеза цветного зрения, предложенная в 1961 году В.П. Козловым. От колбочки через нервное волокно в мозг передаются импульсы, частота которых «V» зависит от общего состояния адаптации и от освещенности «E» на данной колбочке. Зависимость от освещенности прямая, то есть чем больше «E», тем больше «».

В мозгу по получаемым от всех колбочек сигналам воссоздается распределение освещенности на сетчатке и, следовательно, в той картине, на которую обращен глаз.

Однако более поздние исследования показали, что волокна, непрерывно передающие импульсы под действием постоянной освещенности, хотя и существуют, но их очень мало. Сами по себе они не могут обусловить процесс зрения. Преобладают волокна, реагирующие на изменение освещенности. Каждое из этих волокон реагирует группой импульсов: он-волокно-на увеличение овещенности, оff-волокно-на уменьшение, оn-оff-волокно на увеличение и на уменьшение освещенности. Величина изменения освещенности кодируется частотой возникающих импульсов и их общим числом в группе.

Можно предположить, что числом импульсов кодируется яркость (точнее, изменение яркости), а их распределением во времени — цвет.

Гипотеза Козлова позволяет отказаться не только от предположения, что существует три рода колбочек, но и от необходимости допускать существование трех светочувствительных веществ в колбочках. Достаточно допустить наличие одного вещества с определенной спектральной чувствительностью и достаточно выраженной зависимостью инерционных свойств от длины волны.

При измерении спектров поглощения отдельных колбочек оказалось, что каждая колбочка содержит только один вид йодопсина, а типов колбочек всего три. Йодопсины человека имеют максимумы поглощения при 445, 535 и 570 нм. Поглощение света йодопсинами приводит к появлению раннего рецепторного потенциала (РРП). Для измерения спектров действия РРП в колбочки сетчатки вводят микроэлектроды и регистрируют РРП, вызываемые короткими яркими вспышками монохроматического света. В сетчатке карпа таким способом обнаружено три типа колбочек с максимумом спектров действия (а, следовательно, и спектров поглощения пигментов) при 462, 529 и 611 нм (рисунок).

При некоторых генетических заболеваниях нарушается синтез белков-йодопсинов, в результате чего не образуется тот или иной пигмент цветного зрения. Человек утрачивает способность различать цвета. Эта болезнь называется дальтонизмом.

Список использованных источников

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. Вузов. — М.: Высшая школа, 1999. — 616 с.

2. Ливенцев Н.М. Курс физики: Учеб. для вузов. В 2-х т. — М.: Высшая школа, 1978. — т. 1. — 336 с., т. 2. — 333 с.

3. Волькенштейн М.В. Общая биофизика: Монография — М.: Наука, 1978. — 599 с.

4. Биофизика: Учебник / Тарусов Б.Н., Антонов В.Ф., Бурлакова Е В. и др. — М.: Высшая школа, 1968. — 464 с.

5. Аккерман Ю. Биофизика: Учебник. — М.: Мир, 1964. — 684 с.

6. Лекционные демонстрации по физике./ Грабовский М.А., Молодзеевский А.Б., Телеснин Р.В. и др. — М.: Наука, 1972. — 639 с.

Размещено на http://www.stud.wiki

Подобные документы

Оптическая система и виды рефракции глаза. Сущность эмметропии. Виды гиперметропии. Понятие миопии, астигматизма, причины анизометропии. Механизм аккомодации. Скиаскопия и методика миопии. Способы коррекции патологии зрения. Операционная коррекция.

презентация [8,0 M], добавлен 09.05.2016

Изучение строения и свойств глаза человека, основных особенностей роговицы, хрусталика и сетчатки. Характеристика дефектов зрения: близорукости, дальнозоркости, куриной слепоты, дальтонизма. Исследование природы зрительных иллюзий и аккомодаций глаза.

научная работа [5,6 M], добавлен 12.05.2011

Схема горизонтального сечения правого глаза человека. Оптические недостатки глаза и аномалии рефракции. Сосудистая оболочка глазного яблока. Вспомогательные органы глаза. Гиперметропия и ее коррекция с помощью выпуклой линзы. Определение угла зрения.

реферат [88,5 K], добавлен 22.04.2014

Глаза насекомых и других членистоногих – сложные органы. Особенности зрения животных, ночных и хищных птиц. Понятие «куриная слепота». Специфика строения глаза человека. Сетчатка как важнейший элемент человеческого глаза. Понятие «слепое пятно».

презентация [1,2 M], добавлен 08.11.2011

Изучение оптической системы глаза. Рассмотрение структуры сетчатки и чувствительности ее рецепторов. Характеристика аккомодации (способность ясно видеть удаленные предметы), восприятия цветов и пространства. Определение роли движения глаз для зрения.

реферат [28,7 K], добавлен 15.03.2010

Значение зрения для человека. Внешнее строение зрительного анализатора. Радужная оболочка глаза, слезный аппарат, расположение и строение глазного яблока. Строение сетчатки, оптическая система глаза. Бинокулярное зрение, схема движения взгляда.

презентация [804,4 K], добавлен 21.11.2013

Понятие об анализаторе. Строение глаза, его развитие после рождения. Острота зрения, близорукость и дальнозоркость, профилактика этих заболеваний. Бинокулярное зрение, развитие пространственного зрения у детей. Гигиеническое требование к освещению.

контрольная работа [317,7 K], добавлен 20.10.2009

Основные задачи офтальмологии. Хрусталик и стекловидное тело. Проведение и фокусирование световых лучей на сетчатку. Схема строения глазного яблока. Вспомогательный аппарат глаза. Мышцы, приводящие в движение глазное яблоко. Сосудистая оболочка глаза.

презентация [1,2 M], добавлен 04.12.2016

Внешнее и внутреннее строение глаза, рассмотрение функций слезных желез. Сравнение органов зрения у человека и животных. Визуальная зона коры больших полушарий и понятие аккомодации и светочувствительности. Зависимость цветового зрения от сетчатки.

презентация [1,2 M], добавлен 14.01.2011

Структура анализаторной системы. Этапы деятельности анализатора. Строение глаза, его мышцы и зрительные пути. Механизм аккомодации глаза. Схема строения сетчатки. Распределение палочек, колбочек в сетчатке. Виды фоторецепторов, потенциалы клеток сетчатки.

презентация [14,3 M], добавлен 13.12.2013