Оптика глаза. Редуцированный глаз
Обновлено: 04.05.2024
Орган зрения, в функциональном отношении, подразделяется на светопроводящий и световоспринимающий отделы. Светопроводящий отдел включает прозрачные среды органа зрения - хрусталик, роговицу, влагу передней камеры, а также стекловидного тела. Сетчатка глаза является световоспринимающим отделом. Изображение любого из окружающих нас предметов оказываются на сетчатке пройдя оптическую систему глаза.
Луч света, отраженный от рассматриваемого предмета, проходит 4 преломляющие поверхности. Это поверхности роговицы (задняя и передняя), а также поверхности хрусталика (задняя и передняя). Каждая такая поверхность несколько отклоняет луч от его начального направления, собственно поэтому на конечном этапе зрительного пути - в фокусе появляется перевернутое, но реальное изображение наблюдаемого предмета.
Путь световых лучей и величины
Преломление света в средах глазной оптической системы носит название процесса рефракции. Учение о рефракции основано на законах оптики, дающих характеристики распространению световых лучей в различных средах.
Оптической осью глаза принято называть прямую линию, проходящую через центральные точки всех преломляющих поверхностей. Световые лучи, которые падают параллельно данной оси, преломляются и сходятся в основном фокусе зрительной системы. Лучи эти отражены от бесконечно удаленных объектов, поэтому, главным фокусом оптической системы, принято называть точку оптической оси, где возникают изображения бесконечно удаленных объектов.
Световые лучи, отраженные от предметов, находящихся на конечных расстояниях, сходятся в дополнительных фокусах. Дополнительные фокусы локализуются дальше основного, ведь фокусировка расходящихся лучей происходит с применением дополнительной преломляющей силы. При этом, чем сильнее расходятся лучи (чем ближе линза к источнику данных лучей), тем большая сила преломления необходима.
Основными характеристиками оптической системы глаза, принято считать: радиус кривизны поверхностей хрусталика и поверхностейроговицы, длину оси глаза, глубину передней камеры, показатели толщины хрусталика и роговицы, а также индекс преломления прозрачных сред.
Измерение данных величин (кроме данных преломления) выполняются с помощью методов офтальмологического обследования: ультразвуковых, оптических и рентгенологических. Ультразвуковые и рентгенологические исследования позволяют выявить длину оси глаза. Посредством оптических методов проводят измерение составляющих преломляющего аппарата, длина оси определяется путем вычислений.
В связи с широким распространением оптико-реконструктивной микрохирургии: лазерной коррекции зрения ( Lasik либо кератомилез, оптической кератотомии, имплантаций искусственного хрусталика, кератопротезирования), расчеты элементов оптической системы глаза необходимы в работе офтальмохирургов.
Видео об оптической системе глаза
Формирование оптической системы
Давно доказано, что глаза новорожденных детей, обычно, имеют слабую рефракцию. Усиление ее происходить только в процессе развития. Таким образом степень дальнозоркости уменьшается, затем слабая гиперметропия постепенно становится нормальным зрением, а иногда переходит в миопию.
В течение первых трех лет жизни орган зрения ребенка интенсивно растет, увеличивается рефракция роговицы, вследствие удлинения переднее-задней глазной оси. К семи годам глазная ось достигает 22 мм, что составляет уже 95% размера глаз взрослого человека. При этом, глазное яблоко продолжает расти до 15 лет.
Оптика глаза. Редуцированный глаз
Нормальное зрение - эмметропия. Дальнозоркость и близорукость
а) Нарушения преломления (рефракции). Эмметропия (нормальное зрение). Как показано на рисунке ниже, глаз считают нормальным, или эмметропическим, если при полном расслаблении ресничной мышцы параллельные световые лучи от дальних объектов фокусируются точно на сетчатке.
Фокусирование параллельных лучей света на сетчатке при эм-метропии, позади сетчатки при гиперопии и впереди сетчатки при миопии
Это означает, что эмметропический глаз может ясно видеть все отдаленные объекты без сокращения его ресничной мышцы. Однако для фокусирования близко расположенных объектов необходимо сокращение ресничной мышцы глаза, что обеспечивает соответствующие степени аккомодации.
б) Гиперопия (дальнозоркость). Гиперопия, или дальнозоркость, обычно бывает, если глазное яблоко слишком короткое или оптическая система глаза слишком слабая. В этом случае, как показано в средней части рисунка выше, параллельные световые лучи не достаточно преломляются ослабленной оптической системой, чтобы сфокусироваться на сетчатке к моменту, когда они ее достигают. Для преодоления этой аномалии должна сокращаться ресничная мышца, чтобы увеличить преломляющую силу хрусталика. Дальнозоркий человек способен фокусировать отдаленные объекты на сетчатке с помощью механизма аккомодации.
Если для этого достаточно лишь небольшого сокращения ресничной мышцы, у человека остается еще значительный запас аккомодации, и в этом случае сохраняется возможность четко фокусировать на сетчатке объекты все более близкие до тех пор, пока ресничная мышца не сократится до своего предела. В старости, когда хрусталик становится пресбиопическим, дальнозоркому человеку недостаточно аккомодации для четкого фокусирования на сетчатке даже отдаленных объектов, не говоря уже о близких.
в) Миопия (близорукость). При миопии, или близорукости, в условиях полного расслабления ресничной мышцы световые лучи от отдаленных объектов фокусируются перед сетчаткой, как показано в нижней части рисунке выше. Это обычно бывает при слишком большой длине глазного яблока, но может также быть следствием слишком большой преломляющей силы оптической системы глаза. Не существует механизма для уменьшения преломляющей силы хрусталика ниже уровня, который он имеет при полностью расслабленной ресничной мышце.
Следовательно, близорукий человек не имеет возможности четко фокусировать на сетчатке отдаленные объекты. Однако по мере приближения объекта к глазу он, наконец, оказывается достаточно близко, чтобы его изображение сфокусировалось на сетчатке. Затем, если расстояние от объекта до глаза становится еще меньше, для четкого фокусирования изображения глаз «использует» механизм аккомодации. Таким образом, близорукий человек имеет определенную ограниченную «дальнюю точку» ясного видения.
г) Коррекция миопии и гиперопии с помощью линз. Вспомните, что световые лучи, проходящие через вогнутую линзу, расходятся. Если преломляющие поверхности глаза имеют слишком большую силу, как при миопии, чрезмерное преломление можно нейтрализовать, поместив перед глазом вогнутую сферическую линзу, разводящую лучи. Такая коррекция демонстрируется в верхней части рисунка ниже.
Коррекция миопии вогнутой линзой и коррекция гиперопии выпуклой линзой
Наоборот, у человека с гиперопией, т.е. со слишком слабой оптической системой глаза, нарушение зрения можно корректировать путем увеличения преломляющей силы с помощью помещенной перед глазом выпуклой сферической линзы.
Силу вогнутой или выпуклой линзы, необходимой для ясного видения, обычно определяют методом проб и ошибок, т.е., пробуя сначала сильную линзу, затем более сильную или более слабую, до тех пор пока не будет найдена линза, дающая наилучшую остроту зрения.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
а) Оптика глаза. Глаз как фотокамера. Глаз по строению оптически эквивалентен обычной фотокамере (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже). Он имеет систему линз, систему меняющейся апертуры (зрачок) и сетчатку, соответствующую фотопленке.
Глаз как фотокамера. Числа соответствуют индексам преломления
Система линз глаза составлена из четырех преломляющих границ раздела:
(1) между воздухом и передней поверхностью роговицы;
(2) между задней поверхностью роговицы и водянистой влагой;
(3) между водянистой влагой и передней поверхностью хрусталика глаза;
(4) между задней поверхностью хрусталика и стекловидным телом.
Собственный индекс преломления воздуха равен 1, роговицы — 1,38, водянистой влаги — 1,33, хрусталика (в среднем) — 1,4 и стекловидного тела — 1,34.
б) Редуцированный глаз. Если алгебраически сложить все преломляющие поверхности глаза и рассматривать их как одну линзу, оптику глаза можно упростить и схематически представить как редуцированный глаз (это полезно для упрощения расчетов). Считают, что в редуцированном глазу существует одна преломляющая поверхность, ее центральная точка расположена на расстоянии 17 мм впереди сетчатки, а общая преломляющая сила составляет 59 дптр при условии аккомодации хрусталика к фиксации взора на дальнем расстоянии.
Примерно 2/3 из 59 дптр общей преломляющей силы глаза приходится на долю передней поверхности роговицы (не хрусталика глаза). Это связано с тем, что показатель преломления роговицы значительно отличается от этого показателя для воздуха, тогда как индекс преломления хрусталика не очень отличается от индексов для водянистой влаги и стекловидного тела.
Общая преломляющая сила хрусталика глаза, когда он нормально расположен в глазу и окружен со всех сторон жидкостью, составляет только 20 дптр, т.е. на его долю приходится примерно 1/3 от общей преломляющей силы глаза. Но значение хрусталика в том, что под влиянием нервной регуляции его кривизна может значительно увеличиваться, обеспечивая аккомодацию, что обсуждается далее в этой главе.
в) Формирование изображения на сетчатке. Точно так же, как стеклянная линза фокусирует изображение на листе бумаги, оптическая система глаза фокусирует изображение на сетчатке. Хотя изображение объекта на сетчатке перевернуто, наш разум правильно воспринимает объект, потому что мозг «обучен» рассматривать перевернутое изображение как нормальное.
г) Механизм аккомодации. У детей преломляющая сила хрусталика глаза может увеличиваться от 20 дптр до 34 дптр, т.е. аккомодация составляет примерно 14 дптр. Это происходит в результате изменения формы хрусталика от умеренно выпуклой линзы до очень выпуклой. Механизм аккомодации следующий.
У молодого человека хрусталик состоит из прочной эластичной капсулы, заполненной вязкой белковой, но прозрачной жидкостью. Если капсула не натянута, хрусталик имеет почти сферическую форму. Однако, как видно на рисунке ниже, вокруг хрусталика радиально расположены около 70 подвешивающих связок, которые тянут края хрусталика к внешней орбите глазного яблока.
Механизм аккомодации (фокусирования)
Эти связки прикреплены к передней границе сосудистой оболочки и сетчатки глаза и постоянно натянуты. Натяжение связок ведет к тому, что при нормальных условиях хрусталик остается относительно плоским.
Однако в месте прикрепления связок к глазному яблоку находится ресничная мышца, содержащая два отдельных набора гладкомышечных волокон — меридиональные и циркулярные. Меридиональные волокна идут от периферических концов поддерживающих связок к месту соединения роговицы со склерой. При сокращении этих мышечных волокон периферические участки связок хрусталика в месте их прикрепления смещаются в медиальном направлении, к краям роговицы, при этом снижается степень их натяжения и хрусталик освобождается от их тяги.
Циркулярные волокна располагаются вокруг места прикрепления связок, и при их сокращении осуществляется сфинктерподобное действие, уменьшающее диаметр круга, по периметру которого прикреплены связки; это также ведет к ослаблению натяжения связок и освобождению капсулы хрусталика.
Таким образом, сокращение любого набора гладкомышечных волокон ресничной мышцы снижает натяжение связок и, следовательно, капсулы хрусталика, форма которого благодаря его естественной эластичности приближается к сферической.
д) Аккомодация регулируется парасимпатическими нервами. Как объясняется в отдельной статье на сайте (просим вас пользоваться формой поиска выше), ресничная мышца почти полностью регулируется сигналами парасимпатических нервов, передаваемых к глазу по III паре черепного нерва от его ядра в стволе мозга. Возбуждение этих нервов ведет к сокращению обоих наборов волокон ресничной мышцы, что ослабляет натяжение связок, в результате хрусталик становится толще, и его преломляющая сила увеличивается. Это позволяет глазу фокусировать более близкие объекты, чем при меньшей преломляющей силе. Следовательно, для постоянного четкого фокусирования объекта по мере его приближения к глазу количество парасимпатических импульсов, прибывающих к ресничной мышце, должно постепенно возрастать.
Фокус линзы. Преломляющая сила - диоптрия
а) Фокусная длина линзы. Расстояние от выпуклой линзы до точки, в которой фокусируются проходящие через нее параллельные лучи, называют фокусной длиной линзы. В верхней части рисунка ниже показано такое фокусирование.
Две верхние линзы на этом рисунке имеют одинаковую фокусную длину, но в верхнюю линзу входят параллельные лучи, а в среднюю - расходящиеся; показано влияние параллельных лучей в сравнении с расходящимися лучами на фокусное расстояние. Преломляющая сила нижней линзы гораздо больше, чем двух других линз (т.е. фокусная длина нижней линзы гораздо короче); видно, что, чем сильнее линза, тем ближе к ней точка фокуса
В средней части рисунка входящие в выпуклую линзу световые лучи не параллельные, а расходящиеся, т.к. точечный источник света расположен недалеко от линзы. Как видно на рисунке, эти лучи направлены наружу от их источника и фокусируются на ином расстоянии от линзы, чем в случае параллельных лучей. Другими словами, когда лучи света входят в выпуклую линзу уже расходящимися, расстояние до точки фокуса с другой стороны линзы больше ее фокусной длины для параллельных лучей.
В нижней части рисунка выше показаны расходящиеся световые лучи, проходящие через выпуклую линзу, кривизна которой гораздо больше кривизны двух предыдущих линз. В этом случае расстояние от линзы до точки, где световые лучи сходятся в фокусе, равно фокусной длине в верхней части рисунка, где линза менее выпуклая, но лучи, входящие в нее, параллельны. Это показывает, что и параллельные, и расходящиеся лучи могут фокусироваться на одном и том же расстоянии от линзы при условии, что изменяется ее кривизна.
Отношение между фокусной длиной линзы, расстоянием до точечного источника света и расстоянием до точки фокуса выражают следующей формулой:
где f — фокусная длина линзы для параллельных лучей, а — расстояние от линзы до точечного источника света, b — расстояние до точки фокуса с другой стороны линзы.
б) Формирование изображения выпуклой линзой. На рисунке А ниже показана выпуклая линза с двумя точечными источниками света слева.
А. Два точечных источника света, сфокусированные в двух отдельных точках с противоположной стороны линзы.
Б. Формирование изображения выпуклой сферической линзой
Поскольку через центр выпуклой линзы световые лучи проходят без преломления, то лучи каждого точечного источника света на противоположной стороне линзы попадают в точку фокуса, которая расположена непосредственно на линии, проходящей от источника света через центр линзы.
Фактически любой объект, помещенный перед линзой, представляет собой мозаику точечных источников света. Некоторые из этих светящихся точек очень яркие, другие очень слабые, кроме того, они разные по цвету. Лучи от каждого точечного источника света попадают на противоположной стороне линзы в отдельный точечный фокус по линии, проходящей от источника через центр линзы. Если лист бумаги поместить за линзой на уровне ее фокусного расстояния, можно увидеть перевернутое изображение объекта (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок Б выше). Именно таким образом линза фотокамеры фокусирует изображение на пленке.
в) Измерение преломляющей силы линзы. Диоптрия. Чем сильнее отклоняются проходящие через линзу световые лучи, тем больше преломляющая сила линзы. Эта сила измеряется в особых единицах, называемых диоптриями. Преломляющая сила выпуклой линзы в диоптриях равна частному от деления 1 м на фокусное расстояние линзы. Следовательно, как показано на рисунке ниже, выпуклая сферическая линза с фокусным расстоянием 1 м имеет преломляющую силу, равную +1 дптр.
Влияние силы линзы на фокусное расстояние
Линза, способная преломлять параллельные световые лучи вдвое сильнее, имеет силу +2 дптр, а ее фокусное расстояние составляет 0,5 м. Линза, собирающая параллельные световые лучи в фокусе на расстоянии 10 см (0,1 м) от линзы, имеет преломляющую силу +10 дптр.
Преломляющую силу вогнутых линз нельзя выразить в единицах фокусной длины, поскольку лучи света расходятся, а не фокусируются в одной точке. Однако если вогнутая линза разводит световые лучи в той же степени, как выпуклая линза силой в +1 дптр сводит их, говорят, что такая вогнутая линза имеет диоптрическую силу -1. Аналогично, если вогнутая линза разводит световые лучи настолько, насколько линза +10 дптр сводит их, говорят, что эта линза имеет силу, равную -10 дптр.
Вогнутые линзы нейтрализуют преломляющую силу выпуклых линз. Так, размещение вогнутой линзы силой -1 дптр непосредственно перед выпуклой линзой силой +1 дптр приводит к системе линз с нулевой преломляющей силой.
Силы цилиндрических линз вычисляются так же, как силы сферических линз, но необходимо также указать положение оси цилиндрической линзы. Если линия фокуса цилиндрической линзы для параллельных лучей света расположена на расстоянии 1 м от линзы, ее преломляющая сила равна +1 дптр. Наоборот, вогнутая цилиндрическая линза, разводящая световые лучи столь же эффективно, как выпуклая линза силой +1 дптр фокусирует их, имеет преломляющую силу -1 дптр. Если фокусная линия горизонтальна, говорят, что положение оси линзы 0°. Если фокусная линия вертикальна, положение оси линзы 90°.
Строение и функции глаз человека
Человеческий глаз является сложным парным органом, который дает возможность получать большую часть информации об окружающем мире. Глаз каждого человека обладает уникальными характеристиками, но имеет особенности строения. Знание строения глаза позволяет понять, как работает зрительный анализатор.
Зрительный анализатор имеет очень сложное строение, характеризующееся сочетанием различных тканевых структур, обеспечивающих его основную функцию – зрение.
Человеческий глаз имеет шарообразную или сферическую форму, поэтому его и назвали «глазным яблоком». Глазное яблоко располагается в глазнице – костной структуре черепа, благодаря чему защищено от повреждений. Переднюю его поверхность защищают веки.
Движения глазного яблока обеспечиваются шестью наружными мышцами. Их слаженная работа обеспечивает возможность бинокулярного зрения - зрения двумя глазами. Это позволяет получать трехмерное изображение (стереокопическое зрение).
Поверхность глазного яблока постоянно увлажняется слезой, продуцируемой слезными железами. Отток слезной жидкости осуществляется через слезоотводящие пути. Слеза образует защитную пленку на поверхности глаза.
Оболочки глаза
Конъюнктива. Наружная прозрачная оболочка, выстилающая поверхность глаза и внутреннюю поверхность век. При движении глазных яблок она обеспечивает достаточное скольжение.
Фиброзная оболочка глаза. Ее большую часть составляет склера – белая оболочка, являющаяся наиболее плотной, роль которой заключается в обеспечении опорной функции, защиты. Фиброзная оболочка в передней части прозрачная, имеет вид часового стекла. Данная ее часть называется роговицей. Она обильно иннервирована, поэтому обладает высокой чувствительностью. Благодаря сферической форме роговица является оптической преломляющей средой. Ее прозрачность позволяет световым лучам проникать внутрь глаза. На границе склеры с роговицей находится переходная зона – лимб. Здесь располагаются стволовые клетки, обеспечивающие регенерацию наружных слоев роговицы.
Сосудистая оболочка. Обеспечивает кровоснабжение, трофику внутриглазных структур. Состоит из следующих структур:
- собственно хориоидеа – тесно контактирует с сетчаткой, склерой, выполняет трофическую и амортизационную функции;
- цилиарное тело – нейро-эндокринно-мышечный орган, участвует в аккомодации, продуцирует водянистую влагу;
- радужка – данная часть сосудистой оболочки определяет цвет глаз, в зависимости от содержания пигмента ее цвет может варьировать от бледно-голубого, зеленоватого до темно-коричневого. В самом центре радужки имеется зрачок – отверстие, ограничивающее проникновение световых лучей.
Несмотря на то, что радужка, цилиарное тело и хориоидеа относятся к единой структуре, они имеют различную иннервацию и кровоснабжение, что определяет характер многих заболеваний.
Сетчатка. Это самая внутренняя оболочка, являющаяся высокодифференцированной многослойной нервной тканью. Выстилает 2/3 задней части сосудистой оболочки. Здесь начинаются волокна зрительного нерва, по которым импульсы через сложный зрительный тракт попадают в головной мозг. Импульсы преобразуются, анализируются, воспринимаются как объективная реальность. Наиболее чувствительная тонкая часть сетчатки – макула – обеспечивает центральное зрение.
Камеры глаза
Между роговицей и радужкой находится пространство – передняя камера глаза. Между периферической частью роговицы и радужки расположен угол передней камеры. Здесь находится сложная дренажная система, обеспечивающая отток внутриглазной жидкости. За радужкой расположен хрусталик, имеющий форму двояковыпуклой линзы. Хрусталик фиксирован к цилиарному телу при помощи множества тонких связок. Между задней поверхностью цилиарного тела и радужки, а также передней поверхностью хрусталика расположена задняя камера глаза. Позади хрусталика находится стекловидное тело, заполняющее полость глазного яблока, поддерживающее его тургор.
Камеры глаза заполнены внутри водянистой влагой – внутриглазной бесцветной жидкостью, омывающей внутренние глазные структуры, питающей роговицу, хрусталик, которые не имеют собственного кровоснабжения.
Оптическая система глаза
Человеческий глаз является сложной оптической системой, обеспечивающей возможность зрения. Данная система имеет важные оптические структуры. Восприятие объектов внешнего мира обеспечивается функционированием светопроводящих и воспринимающих структур. Именно от состояния пропускающих, преломляющих, воспринимающих структур зависит четкость зрения.
- Роговица. Имея форму выпуклого часового стекла, роговица больше всего влияет на преломление световых лучей. Преломленные лучи далее проходят через зрачок, являющийся своеобразной диафрагмой. Зрачок регулирует количество попадающих в глаз лучей. Преломляющими средами являются передняя и задняя поверхность роговицы.
- Хрусталик. Поверхности хрусталика преломляют лучи света, которые далее попадают на световоспринимающий отдел – сетчатку.
- Преломляющими свойствами также обладают водянистая влага, стекловидное тело. Их прозрачность, отсутствие крови, помутнений определяет качество зрения.
Прошедшие через светопреломляющие среды световые лучи попадают на воспринимающий отдел – сетчатку. Здесь формируется реальное уменьшенное перевернутое изображение.
Далее по волокнам зрительного нерва импульсы попадают в головной мозг - затылочные доли. Здесь происходит окончательный анализ информации, и человек видит реальное изображение.Такая сложная структура органа зрения обеспечивает возможность четкого восприятия информации об окружающем мире.
Читайте также: