Физическая оптика глаза

Основным вопросом физической оптики глаза является оценка глазом энергии и спектрального состава света. Эта оценка производится прежде всего сетчатой оболочкой глаза, в которой расположены основные элементы зрительного восприятия — палочки и колбочки — в количестве соответственно около 100 и 7 миллионов. При помощи колбочек осуществляется так называемое дневное зрение — при больших освещениях.

При дневном зрении мы различаем цвета, хотя максимальная чувствительность колбочек относится к определенному цвету желто-зеленому с длиной волны 550 нм. Палочки максимально чувствительны к зеленым лучам (λ = 510 нм) и ответственны за так называемое сумеречное зрение — при малых освещенностях. Цвета при этом не различаются (ночью все кошки серые).

Палочки и колбочки содержат светочувствительные пигменты, соответственно именуемые родопсином (зрительный пурпур) и иодопсином. При поглощении кванта света в пигментах возникают и развиваются фотохимические реакции, которые и обуславливают дальнейшую передачу зрительной информации в мозг.

Палочки и колбочки на сетчатке распределяются неравномерно: в центре сетчатки преобладают колбочки (максимум соответствует желтому пятну — месту наиболее отчетливого видения), а на периферии преобладают палочки. Место сетчатки, в котором отсутствуют палочки и колбочки, соответствует слепому пятну (в этом месте находится диск зрительного нерва).

Способность глаза к восприятию света называется светочувствительностью (белый свет) и спектральной чувствительностью, если речь идет о восприятии цветов или о лучах различной длины волны. Нижний предел светочувствительности глаза при сумеречном зрении соответствует приблизительно 10^-13 дж/м²сек , что свидетельствует о необыкновенно высокой чувствительности глаза.

Глаз практически не способен оценивать абсолютное значение энергии света, но весьма чувствителен к различию интенсивностей, называемому световым контрастом.

Высокую чувствительность человеческого глаза проверил на очень интересном опыте известный советский физик С. И. Вавилов. Глаз, полностью адаптированный на темноту (для этого нужно побыть в темноте около 60 мин), максимально светочувствителен. Порог зрительного ощущения в этом случае очень мал — ему соответствует мощность около 4 х 10^-17 вт, что составляет примерно 100 фотонов в секунду. Однако в глаз попадает то несколько больше среднего значения (например, 105), то несколько меньше (например, 95). Такие отклонения от среднего значения называются флуктуациями.

С. И. Вавилов располагал источник света, дающий свет на пороге видимости, диск, имеющий отверстие и вращающийся со скоростью 1 об/сек, и глаз так, как изображено на рис. 72. В течение 0,1 сек свет проходил через отверстие диска и попадал в глаз, а затем 0,9 сек свет не попадал в глаз, так как задерживался диском; зрительное впечатление, полученное в течение 0,1 сек, за 0,9 сек полностью исчезало.

Рис. 72. Схема опыта Вавилова

Наблюдатель нажимал кнопку всякий раз, когда видел вспышку света, при этом на движущейся ленте наносилась отметка. На этой же ленте отмечался каждый поворот диска. Оказалось, что наблюдатель отмечает не все вспышки, что объясняется флуктуациями. Отмеченные им вспышки соответствовали отклонениям от среднего в сторону увеличения числа фотонов. Те же вспышки, в которых число фотонов оказывалось меньше среднего, глаз не наблюдал.

Этот опыт, проделанный над многими людьми, показал, что человеческий глаз обладает очень высокой светочувствительностью и способен различать (при максимальной чувствительности) два световых потока, отличающихся друг от друга десятком фотонов.

Относительная спектральная чувствительность глаза (рис. 73) имеет четкий максимум при 550 нм (колбочки — дневное зрение при высоких интенсивностях света), который при малых интенсивностях (пунктирная линия) лежит в области 510 нм (палочки — сумеречное зрение) и убывает к нулю при приближении к ультрафиолетовой и инфракрасной частям спектра.

При очень больших яркостях светочувствительность снижается, появляется слепимость (ослепление). Способность ярких тел вызывать слепимость называется блескостью. Наименьшая яркость, различимая глазом, составляет 10 нит, а наибольшая, при которой возникают болевые ощущения,— 7000 нит. Таким образом, глаз может приспосабливаться к очень широкому диапазону яркостей, отличающихся примерно в 10³ раз. Для этого существует несколько способов реакции глаза на изменение яркости: изменение диаметра зрачка и чувствительности сетчатки, использование защитого черного пигмента, ослабляющего свет, падающий на колбочки и палочки.

Известно, что глаз «видит» узкий участок спектра электромагнитных волн, лежащий между инфракрасным и ультрафиолетовым излучениями. Чем и как обусловлен этот выбор? Ультрафиолетовое излучение интенсивно поглощается озоном атмосферы. Хотя сетчатка глаза и чувствительна к ультрафиолетовой радиации, это излучение в глаз не попадает, целиком поглощаясь хрусталиком, играющим роль фильтра.

Если бы глаз мог воспринимать инфракрасное тепловое излучение, то мы были бы слепыми! Действительно, внутреннее тепловое излучение глаза соответствовало бы мощному источнику света, глаз перестал бы быть «темным ящиком» и «видел бы» только самого себя. Как избавляется глаз от этой мрачной перспективы ослепления в инфракрасных лучах?

Для того чтобы началась фотохимическая реакция в пигментах светочувствительных клеток сетчатки, необходимо некоторое пороговое значение энергии поглощенного светового кванта. Энергия кванта, как известно, обратно пропорциональна длине волны света , поэтому энергия квантов длинноволнового инфракрасного излучения, попросту говоря, недостаточна для возбуждения фотохимических реакций в зрительном нерве.