Глаз как оптический прибор

Рассмотрим подробнее физику человеческого глаза. На рис. 68 изображен схематический разрез глаза. Его устройство рассматривается в школьных учебниках.

С оптической точки зрения глаз представляет собой темную камеру приблизительно сферической формы диаметром порядка 2,5 см, в которой преломляющими средами являются роговая оболочка (показатель преломления n = 1,38), хрусталик (n = 1,44) и жидкости передней камеры и стекловидного тела (n =1,33). Радужная оболочка играет роль апертурной диафрагмы. Суммарный оптический эффект преломляющих сред глаза соответствует центрированной системе линз, главная оптическая ось которой проходит через центры роговицы, зрачка и хрусталика (см. рис. 68).

Рис. 68. Разрез глаза

Прямая, соединяющая центр хрусталика с центром сетчатки (желтое пятно), называется зрительной осью глаза (O'O'); она определяет направление, по которому глаз обладает наибольшей чувствительностью при дневном зрении. Передний фокус глаза находится на расстоянии 13,3 мм от вершины роговицы, задний — на расстоянии 22,6 мм.

В дальнейшем для простоты центрированная оптическая система глаза рассматривается как эквивалентная одной линзе. Такая рабочая модель глаза называется редуцированным глазом. Оптический центр редуцированного глаза (по Вербицкому) находится на расстоянии 6,8 мм от вершины роговицы, заднее фокусное расстояние 16 мм. Это соответствует оптической силе редуцированного глаза около 63 диоптрий.

Оптическая система глаза создает на сетчатке действительное, обратное и уменьшенное изображение. Проектирование изображения на область желтого пятна сетчатой оболочки глаза является основным условием отчетливого видения. Для выполнения этого условия при рассмотрении предметов, находящихся на различных расстояниях, глаз должен изменять фокусное расстояние хрусталика, что достигается изменением кривизны его поверхностей под действием так называемой ресничной мышцы.

Такой процесс называется аккомодацией глаза. При отсутствии мышечного усилия глаз аккомодирован на бесконечность (практически свыше 8—10 м). Предел напряжения аккомодации ограничивает то наименьшее расстояние предмета от глаза, при котором на сетчатке еще получается резкое изображение. Оно у разных людей весьма различно и увеличивается с возрастом, вследствие постепенной потери хрусталиком эластичности. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения; в среднем оно принимается равным 25 см.

Вторым условием отчетливого видения является достаточная освещенность предмета. Поскольку в основе физиологического восприятия света лежат фотохимические реакции, протекающие в окончаниях светочувствительных клеток сетчатки (палочки и колбочки), необходимо, чтобы энергия светового потока превосходила некоторое пороговое значение. Поскольку практически человек всегда имеет дело с самыми различными освещенностями, в процессе эволюции выработалась и соответствующая регулирующая функция глаза — адаптация, которая осуществляется прежде всего изменением диаметра зрачка в пределах от 2 до 8 мм.

Кроме того, светочувствительность глаза регулируется перемещением пигмента в клетках ретины, экранирующих светочувствительные элементы зрительного нерва, а также химическим путем. Совокупность перечисленных факторов изменяет светочувствительность глаза до 200 000 раз. На рис. 70 показано изменение светочувствительности глаза в зависимости от времени при переходе от высоких освещенностей к низким; из рисунка видно, что процессы адаптации существенно зависят от времени (почти полная адаптация наступает в пределах 1 часа).

Как и в обычных оптических системах, размер изображения на сетчатке глаза пропорционален углу зрения. Если две точки предмета рассматриваются глазом под углом зрения, меньшим 50", то на сетчатке расстояние между изображениями этих точек будет соизмеримо с размером светочувствительной клетки (2,5—3 мкм): изображения точек предмета не могут быть восприняты раздельно и сольются в одну точку, контуры предмета будут нечеткими. Наименьшее расстояние между двумя точками, воспринимаемыми глазом раздельно, составляет приблизительно 0,25 мм на расстоянии наилучшего зрения и называется разрешающим расстоянием глаза, а соответствующий ему угол зрения 50" — предельным углом зрения.

Третье условие отчетливого видения: угол зрения должен быть больше предельного угла зрения. В увеличении угла зрения и заключается назначение оптических приборов.

Важной особенностью зрительного анализатора является способность воспринимать рассматриваемый предмет двумя глазами — бинокулярное зрение, которое обеспечивает стереоскопичность видения и дает возможность определить (оценить) расстояние до рассматриваемого предмета. На рис. 71 подана схема, поясняющая бинокулярное зрение.

Рис. 71. К объяснению бинокулярного зрения

Пусть рассматриваются точки предмета, лежащие в одной плоскости MN. Изображения точек А, В, ..., на сетчатке — а₁, b₁, ..., (правый глаз) и а, b, ..., (левый глаз) соединим с точками А и В предмета прямыми линиями. Полученные углы — бинокулярный параллакс — будут одинаковы для всех точек предмета, находящихся на определенном расстоянии от глаз, бинокулярный параллакс уменьшается при удалении предмета С и возрастает при приближении; именно так и возникает информация о «глубине» и расстоянии до рассматриваемого предмета.

Минимальная разница расстояний, обнаруживаемая за счет бинокулярного зрения, соответствует бинокулярному параллаксу порядка 10". Поэтому бинокулярное зрение имеет значение при оценке расстояний, не превышающих 1 км; при больших расстояниях бинокулярный параллакс столь мал, что физиологически не воспринимается глазом как источник информации. Дефекты зрения, присущие глазу, также легко интерпретируются методами геометрической оптики.

Изображение может не попадать на сетчатку как вследствие деформации глазного яблока, так и из-за сокращения пределов аккомодации, которые легко устраняются применением очков. Возможны и другие дефекты зрения, обусловленные общеизвестными недостатками линз, однако все они не сказываются существенно на зрении. В самом деле, поскольку зрачок пропускает в глаз узкий центральный пучок лучей, то практически исключается сферическая аберрация. Несущественна и хроматическая аберрация, ибо глаз обладает избирательной спектральной чувствительностью.