Глаз как оптическая система.

Глаз как оптическая система: от света к восприятию

Что такое глаз?

Глаз  (лат.  oculus ) — сенсорный  орган  (орган зрительной системы) животных, обладающий способностью воспринимать электромагнитное излучение в видимом диапазоне длине волн и обеспечивающий функцию зрения. У человека через глаз поступает около 90 % информации из окружающего мира .

Анатомия

Роговица (Cornea): Прозрачная внешняя оболочка, защищающая глаз и выполняющая основную функцию преломления света. Её форма почти идеальной сферы обеспечивает значительное преломление.

Зрачок (Pupil): Отверстие в радужной оболочке, регулирующее количество света, попадающего в глаз. Его диаметр меняется в зависимости от освещенности.

Анатомия

Радужная оболочка (Iris): Окружает зрачок и содержит пигмент, определяющий цвет глаз. Мышцы радужки регулируют размер зрачка.

Хрусталик (Lens): Прозрачная эластичная линза, меняющая свою кривизну для фокусировки на объектах на разных расстояниях (аккомодация).

Стекловидное тело (Vitreous humor): Гелеобразная масса, заполняющая внутреннюю полость глаза, поддерживающая его форму и обеспечивающая прозрачность.

Анатомия

Сетчатка (Retina): Внутренняя оболочка глаза, содержащая фоторецепторы (палочки и колбочки), преобразующие свет в нервные импульсы.

Зрительный нерв (Optic nerve): Передает нервные импульсы от сетчатки в мозг.

Роговица и зрачок

Роговица: Её показатель преломления (примерно 1.376) значительно выше, чем у воздуха (1.000). За счет этой разницы происходит первое существенное преломление света. Формула преломления света: n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂.

n₁ — показатель преломления воздуха, n₂ — показатель преломления роговицы, θ₁ — угол падения, θ₂ — угол преломления.

Зрачок часто сравнивают с диафрагмой фотоаппарата: она таким же образом изменяется в диаметре в зависимости от освещения, и ее работа определяет четкость получаемого изображения. И зрачок, и диафрагма уменьшаются при ярком свете и расширяются при плохой освещенности

Хрусталик – аккомодация

Изменение кривизны хрусталика: Цилиарная мышца, окружающая хрусталик, изменяет его форму. При рассматривании близких предметов мышца сокращается, хрусталик становится более выпуклым, увеличивая его преломляющую силу. При рассматривании дальних предметов мышца расслабляется, хрусталик становится более плоским.

Формула тонкой линзы

Расчет фокусного расстояния глаза

Предположим, что человек смотрит на объект, находящийся на расстоянии do = 1 метр (100 см) от его глаза.

Расстояние от хрусталика до сетчатки (di) приблизительно равно 1.7 см (0.017 м).

Подставляем значения в формулу:

1/f = 1/1 + 1/0.017

1/f ≈ 1 + 58.82

1/f = 59.82

f= 1/59.82 м с f=0.0167 м или 1.67 см

Искусственный хрусталик

Оптическая сила глаза (диоптрии)

Оптическая сила линзы (включая хрусталик глаза) — это величина, обратная её фокусному расстоянию. Единица измерения — диоптрия (дптр), равная 1/метру. Оптическая сила глаза (D) рассчитывается как

D = 1/f ,

где f — фокусное расстояние хрусталика в метрах.

Физическая рефракция глаза человека, по данным разных исследователей, варьирует от 51,8 до 71,3 дптр.

Стекловидное тело

Поддержание формы глаза и постоянного давления; проведение световых лучей к сетчатке; участие во внутриглазном обмене веществ.

Показатель преломления стекловидного тела близок к показателю преломления воды, поэтому вклад в преломление минимальный.

Палочки: Чувствительны к низким уровням освещенности, обеспечивают сумеречное зрение, не воспринимают цвет.Колбочки: Чувствительны к яркому свету, обеспечивают цветовое зрение и высокую остроту зрения. Существует три типа колбочек, чувствительных к красному, зеленому и синему свету.

Образование изображения на сетчатке

Изображение на сетчатке действительное, обратное и уменьшенное. Перевернутость обусловлена преломлением света в оптической системе глаза. Мозг обрабатывает сигналы от сетчатки, формируя правильное восприятие, не "разворачивая" изображение, а обучаясь ассоциировать нервные импульсы с пространственным расположением объектов.

Миопия (близорукость)

Гиперметропия

(дальнозоркость)

Астигматизм

Хрусталик слишком сильно преломляет свет, или глазное яблоко слишком длинное. Изображение фокусируется перед сетчаткой. Исправляется вогнутыми (рассеивающими) линзами.

Хрусталик слишком

Неправильная форма роговицы или хрусталика, приводящая к неравномерному преломлению света в разных плоскостях. Исправляется цилиндрическими линзами.

слабо преломляет свет,

или глазное яблоко слишком

короткое. Изображение

фокусируется за сетчаткой.

Исправляется выпуклыми

(собирающими) линзами.

Берегите своё зрение!