Тема: Движение света в глазе. Оптическая система человеческого глаза Проходит свет в глаз

В повседневной жизни мы с вами часто используем устройство, которое по своему строению очень похоже на глаз и работает по такому же принципу. Это фотоаппарат. Как и во многом другом, изобретя фотографию, человек просто сымитировал то, что уже существует в природе! Сейчас вы убедитесь в этом.

Глаз человека по форме - неправильный шар диаметром примерно 2,5 см. Этот шар называют глазным яблоком. В глаз поступает свет, который отражается от окружающих нас предметов. Аппарат, который воспринимает этот свет, находится на задней стенке глазного яблока (изнутри) и называется СЕТЧАТКОЙ . Он состоит из нескольких слоев светочувствительных клеток, которые обрабатывают поступающую к ним информацию и отправляют ее в мозг по зрительному нерву.

Но для того, чтобы лучи света, поступающие в глаз со всех сторон, сфокусировались на такой небольшой площади, которую занимает сетчатка, они должны претерпеть преломление и сфокусироваться именно на сетчатке. Для этого в глазном яблоке есть естественная двояковыпуклая линза - ХРУСТАЛИК . Он находится в передней части глазного яблока.

Хрусталик способен менять свою кривизну. Разумеется, он делает это не сам, а с помощью специальной цилиарной мышцы. Чтобы настроиться на видение близко расположенных объектов, хрусталик увеличивает кривизну, становится более выпуклым и сильнее преломляет свет. Для видения удалённых предметов хрусталик становится более плоским.

Свойство хрусталика менять свою преломляющую силу, а вместе с этим и фокусную точку всего глаза, называется АККОМОДАЦИЕЙ .

В преломлении света участвует также вещество, которым заполнена большая часть (2/3 объема) глазного яблока - стекловидное тело. Оно состоит из прозрачного желеобразного вещества, которое не только участвует в преломлении света, но также обеспечивает форму глаза и его несжимаемость.

Свет поступает на хрусталик не по всей передней поверхности глаза, а через маленькое отверстие - зрачок (мы видим его как черный кружок в центре глаза). Размер зрачка, а значит, количество поступающего света, регулируется специальными мышцами. Эти мышцы находятся в радужной оболочке, окружающей зрачок (РАДУЖКЕ ). Радужка, помимо мышц, содержит пигментные клетки, которые определяют цвет наших глаз.

Понаблюдайте за своими глазами в зеркало, и вы увидите, что если на глаз направить яркий свет, то зрачок сужается, а в темноте он, наоборот, становится большим - расширяется. Так глазной аппарат защищает сетчатку от губительного действия яркого света.

Снаружи глазное яблоко покрыто прочной белковой оболочкой толщиной 0,3-1 мм - СКЛЕРОЙ . Она состоит из волокон, образованных белком коллагеном, и выполняет защитную и опорную функцию. Склера имеет белый цвет с молочным отливом, за исключением передней стенки, которая прозрачна. Ее называют РОГОВИЦЕЙ . В роговице происходит первичное преломление лучей света

Под белковой оболочкой находится СОСУДИСТАЯ ОБОЛОЧКА , которая богата кровеносными капиллярами и обеспечивает клетки глаза питанием. Именно в ней находится радужка со зрачком. По периферии радужка переходит в ЦИЛИАРНОЕ , или РЕСНИЧНОЕ, ТЕЛО . В его толще расположена цилиарная мышца, которая, как вы помните, изменяет кривизну хрусталика и служит для аккомодации.

Между роговицей и радужкой, а также между радужкой и хрусталиком находятся пространства – камеры глаза, заполненные прозрачной, светопреломляющей жидкостью, которая питает роговицу и хрусталик.

Защиту глаза обеспечивают также веки - верхнее и нижнее - и ресницы. В толще век находятся слезные железы. Жидкость, которую они выделяют, постоянно увлажняет слизистую оболочку глаза.

Под веками находится 3 пары мышц, которые обеспечивают подвижность глазного яблока. Одна пара поворачивает глаз влево и вправо, другая - вверх и вниз, а третья вращает его относительно оптической оси.

Мышцы обеспечивают не только повороты глазного яблока, но и изменение его формы. Дело в том, что глаз в целом тоже принимает участие в фокусировке изображения. Если фокус находится за пределами сетчатки, глаз немного вытягивается, чтобы видеть вблизи. И наоборот, округляется, когда человек рассматривает далёкие предметы.

Если в оптической системе есть изменения, то в таких глазах появляются близорукость или дальнозоркость. У людей, страдающих этими заболеваниями, фокус попадает не на сетчатку, а перед ней или за ней, и поэтому они видят все предметы размытыми.

При близорукости в глазу происходит растяжение плотной оболочки глазного яблока (склеры) в передне-заднем направлении. Глаз вместо шаровидной приобретает форму эллипсоида. Из-за такого удлинения продольной оси глаза изображения предметов фокусируются не на самой сетчатке, а перед ней, и человек стремится все приблизить к глазам или пользуется очками с рассеивающими ("минусовыми") линзами для уменьшения преломляющей силы хрусталика.

Дальнозоркость развивается, если глазное яблоко укорочено в продольном направлении. Световые лучи при этом состоянии собираются за сетчаткой. Для того чтобы такой глаз хорошо видел, перед ним нужно поместить собирающие - "плюсовые" очки.

Суммируем всё, что было сказано выше. Свет входит в глаз через роговицу, проходит последовательно сквозь жидкость передней камеры, хрусталик и стекловидное тело, и в конечном итоге попадает на сетчатку, состоящую из светочувствительных клеток

А теперь вернемся к устройству фотоаппарата. Роль светопреломляющей системы (хрусталика) в фотоаппарате играет система линз. Диафрагма, регулирующая размер светового пучка, который поступает в объектив, играет роль зрачка. А "сетчатка" фотоаппарата - это фотопленка (в аналоговых фотоаппаратах) или светочувствительная матрица (в цифровых фотоаппаратах). Однако важное отличие сетчатки от светочувствительной матрицы фотоаппарата состоит в том, что в ее клетках происходит не только восприятие света, но и начальный анализ зрительной информации и выделение наиболее важных элементов зрительных образов, например направления и скорости движения объекта, его размеров.

Кстати...

На сетчатке глаза и светочувствительной матрице фотоаппарата формируется уменьшенное перевернутое изображение внешнего мира - результат действия законов оптики. Но вы видим мир не перевернутым, потому что в зрительном центре мозга происходит анализ полученной информации с учетом этой "поправки".

А вот новорожденные видят мир перевёрнутым примерно до трех недель. К трём неделям мозг обучается переворачивать увиденное.

Известен такой интересный эксперимент, автор которого - Джордж М. Стрэттон из Калифорийского университета. Если человеку надеть очки, которые переворачивают зрительный мир вверх ногами, то в первые дни у него происходит совершенная дезориентация в пространстве. Но уже через неделю человек привыкает к "перевернутому" миру вокруг него, и даже все меньше осознает, что окружающий мир перевернут; у него формируются новые зрительно-двигательные координации. Если после этого снять очки-перевертыши, то у человека снова происходит нарушение ориентации в пространстве, которое вскоре проходит. Этот эксперимент демонстрирует гибкость работы зрительного аппарата и мозга в целом.

Обучающий видеофильм:
Как мы видим

Хрусталик и стекловидное тело. Их совокупность называется диоптрическим аппаратом. В нормальных условиях происходит рефракция (преломление) лучей света от зрительной мишени роговицей и хрусталиком, гак что лучи фокусируются на сетчатке. Преломляющая сила роговицы (основного рефракционного элемента глаза) равна 43 диоптриям. Выпуклость хрусталика может изменяться, и его преломляющая сила варьируется между 13 и 26 диоптриями. Благодаря этому хрусталик обеспечивает аккомодацию глазного яблока к объектам, находящимся на близком или далеком расстоянии. Когда, например, лучи света от удаленного объекта входят в нормальный глаз (с расслабленной цилиарной мышцей), мишень оказывается на сетчатке в фокусе. Если же глаз направлен па ближний объект, они фокусируются позади сетчатки (т.е. изображение на ней расплывается), пока не произойдет аккомодация. Цилиарная мышца сокращается, ослабляя натяжение волокон пояска; кривизна хрусталика увеличивается, и в результате изображение фокусируется па сетчатке.

Роговица и хрусталик вместе составляют выпуклую линзу . Лучи света от объекта проходят через узловую точку линзы и образуют па сетчатке перевернутое изображение, как в фотоаппарате. Сетчатку можно сравнить с фотопленкой, поскольку обе они фиксируют зрительные изображения. Однако сетчатка устроена гораздо сложнее. Она обрабатывает непрерывную последовательность изображений, а также посылает в мозг сообщения о перемещениях зрительных объектов, угрожающих признаках , периодической смене света и темноты и другие зрительные данные о внешней среде.

Фокусирование изображения нарушается, если размер зрачка не соответствует преломляющей силе диоптрического аппарата. При миопии (близорукости) изображения удаленных объектов фокусируются перед сетчаткой, не доходя до нее (рис. 35.6). Дефект корректируется с помощью вогнутых линз . И наоборот, при гиперметропии (дальнозоркости) изображения далеких предметов фокусируются позади сетчатки. Чтобы устранить проблему, нужны выпуклые линзы (рис. 35.6). Правда, изображение можно временно сфокусировать за счет аккомодации, но при этом утомляются цилиарные мышцы и глаза устают. При астигматизме возникает асимметрия между радиусами кривизны поверхностей роговицы или хрусталика (а иногда сетчатки) в разных плоскостях. Для коррекции используются линзы со специально подобранными радиусами кривизны.

Упругость хрусталика с возрастом постепенно снижается. Падает эффективность его аккомодации при рассматривании близких предметов (пресбиопия). В молодом возрасте преломляющая сила хрусталика может меняться в широком диапазоне, вплоть до 14 диоптрий. К 40 годам этот диапазон уменьшается вдвое, а после 50 лет - до 2 диоптрий и ниже. Пресбиопия корректируется выпуклыми линзами.

, хрусталик и стекловидное тело . Их совокупность называется диоптрическим аппаратом . В нормальных условиях происходит рефракция (преломление) лучей света от зрительной мишени роговицей и хрусталиком, гак что лучи фокусируются на сетчатке . Преломляющая сила роговицы (основного рефракционного элемента глаза) равна 43 диоптриям . Выпуклость хрусталика может изменяться, и его преломляющая сила варьируется между 13 и 26 диоптриями. Благодаря этому хрусталик обеспечивает аккомодацию глазного яблока к объектам, находящимся на близком или далеком расстоянии. Когда, например, лучи света от удаленного объекта входят в нормальный глаз (с расслабленной цилиарной мышцей), мишень оказывается на сетчатке в фокусе. Если же глаз направлен па ближний объект, они фокусируются позади сетчатки (т.е. изображение на ней расплывается), пока не произойдет аккомодация. Цилиарная мышца сокращается, ослабляя натяжение волокон пояска; кривизна хрусталика увеличивается, и в результате изображение фокусируется па сетчатке.

Роговица и хрусталик вместе составляют выпуклую линзу. Лучи света от объекта проходят через узловую точку линзы и образуют па сетчатке перевернутое изображение, как в фотоаппарате. Сетчатку можно сравнить с фотопленкой, поскольку обе они фиксируют зрительные изображения. Однако сетчатка устроена гораздо сложнее. Она обрабатывает непрерывную последовательность изображений, а также посылает в мозг сообщения о перемещениях зрительных объектов, угрожающих признаках, периодической смене света и темноты и другие зрительные данные о внешней среде.

Хотя оптическая ось человеческого глаза проходит через узловую точку хрусталика и точку сетчатки между центральной ямкой и диском зрительного нерва ( рис. 35.2), глазодвигательная система ориентирует глазное яблоко на участок объекта, называемый точкой фиксации. От этой точки луч света идет через узловую точку и фокусируется в центральной ямке; таким образом, он проходит вдоль зрительной оси. Лучи от остальных участков объекта фокусируются в области сетчатки вокруг центральной ямки ( рис. 35.5).

Фокусирование лучей на сетчатке зависит не только от хрусталика, но и от радужки . Радужка выполняет роль диафрагмы фотоаппарата и регулирует не только количество света, поступающего в глаз, но, что еще важнее, глубину зрительного поля и сферическую аберрацию хрусталика. При уменьшении диаметра зрачка глубина зрительного поля возрастает и лучи света направляются через центральную часть зрачка, где сферическая аберрация минимальна. Изменения диаметра зрачка происходят автоматически (т.е. рефлекторно) при настройке (аккомодации) глаза на рассматривание близких предметов. Следовательно, во время чтения или другой деятельности глаз, связанной с различением мелких объектов, качество изображения улучшается с помощью оптической системы глаза.

На качество изображения влияет еще один фактор - рассеивание света. Оно минимизируется путем ограничения пучка света, а также его поглощения пигментом сосудистой оболочки и пигментным слоем сетчатки. В этом отношении глаз снова напоминает фотоаппарат. Там рассеивание света тоже предотвращается посредством ограничения пучка лучей и его поглощения черной краской, покрывающей внутреннюю поверхность камеры.

Фокусирование изображения нарушается, если размер зрачка не соответствует преломляющей силе диоптрического аппарата. При миопии (близорукости) изображения удаленных объектов фокусируются перед сетчаткой, не доходя до нее ( рис. 35.6). Дефект корректируется с помощью вогнутых линз. И наоборот, при гиперметропии (дальнозоркости) изображения далеких предметов фокусируются позади сетчатки. Чтобы устранить проблему, нужны выпуклые линзы ( рис. 35.6). Правда, изображение можно временно сфокусировать за счет аккомодации, но при этом утомляются цилиарные мышцы и глаза устают. При астигматизме возникает асимметрия между радиусами кривизны поверхностей роговицы или хрусталика (а иногда сетчатки) в разных плоскостях. Для коррекции используются линзы со специально подобранными радиусами кривизны.

Упругость хрусталика с возрастом постепенно снижается. Падает эффективность его аккомодации при рассматривании близких предметов ( пресбиопия). В молодом возрасте преломляющая сила хрусталика может меняться в широком диапазоне, вплоть до 14 диоптрий. К 40 годам этот диапазон уменьшается вдвое, а после 50 лет - до 2 диоптрий и ниже. Пресбиопия корректируется выпуклыми линзами.

Отдельные части глаза (роговица, хрусталик, стекловидное тело) обладают способностью преломлять проходящие через них лучи. С точки зрения физики глаз представляет собой оптическую систему, способную собирать и преломлять лучи.

Преломляющую силу отдельных частей (линз в прибо ре) и всей оптической системы глаза измеряют в диоптриях.

Под одной диоптрией понимают преломляющую силу линзы, фокусное расстояние которой составляет 1 м. Если преломляющая сила увеличивается, фокусное расстояние уко рачивается. Отсюда следует, что линза, у которой фокусное расстояние равно 50 см, будет обладать преломляющей силой, равной 2 диоптриям (2 D).

Оптическая система глаза является весьма сложной. Достаточно указать, что только преломляющих сред имеется несколько, причем каждая среда имеет свою преломляющую силу и особенности строения. Все это крайне усложняет изучение оптической системы глаза.

Рис. Построение изображения в глазу (объяснение в тексте)

Глаз часто сравнивают с фотоаппаратом. Роль камеры играет полость глаза, затемненная сосудистой оболочкой; светочувствительным элементом является сетчатка. В камере имеется отверстие, в которое вставлена линза. Лучи света, попадая в отверстие, проходят через линзу, преломляются и падают на противоположную стенку.

Оптическая система глаза представляет собой преломляющую собирательную систему. Она преломляет проходящие через нее лучи и опять собирает их в одну точку. Таким образом возникает действительное изображение реального предмета. Однако изображение предмета на сетчатке получается обратное и уменьшенное.

Чтобы понять это явление, обратимся к схематическому глазу. Рис. дает представление о ходе лучей в глазу и получении обратного изображения предмета на сетчатке. Луч, отходящий от верхней точки предмета, обозначенной буквой а, проходя через линзу, преломляется, меняет направление и занимает на сетчатке положение нижней точки, обозначенной на рисунке а 1 Луч от нижней точки предмета в, преломляясь, падает на сетчатку как верхняя точка в 1 . Соответствующим же образом падают лучи от всех точек. Следовательно, на сетчатке получается действительное изображение предмета, но оно обратное и уменьшенное.

Так, расчеты показывают, что размер букв данной книги, если при чтении она находится на расстоянии 20 см от глаза, на сетчатке будет равен 0,2 мм. обстоятельство, что мы видим предметы не в их перевернутом изображении (вверх ногами), а в их естественном виде, вероятно, объясняется накопленным жизненным опытом.

Ребенок в первые месяцы после рождения путает верхнюю и нижнюю сторону предмета. Если такому ребенку показать горящую свечку, ребенок, стараясь схватить пламя, протянет руку не к верхнему, а к нижнему концу свечи. Контролируя в течение дальнейшей жизни показания глаза руками и другими органами чувств, человек начинает видеть предметы так, как они есть, несмотря на их обратное изображение на сетчатке.

Аккомодация глаза. Человек не может одновременно одинаково четко видеть предметы, находящиеся на разных расстояниях от глаза.

Для того чтобы хорошо видеть предмет, надо, чтобы лучи, отходящие от этого предмета, собирались на сетчатке. Только в том случае, когда лучи падают на сетчатку, мы видим ясное изображение предмета.

Приспособление глаза к получению отчетливых изображений предметов, находящихся на разных расстояниях, называется аккомодацией.

Для того чтобы в каждом случае получить четкое изобра жение, необходимо изменять расстояние между светопреломляющей линзой и задней стенкой камеры. Так устроен фотоаппарат. Чтобы получить четкое изображение на задней стенке камеры, отодвигают или приближают объектив. По такому принципу происходит аккомодация у рыб. У них хрусталик при помощи специального приспособления отодвигается или приближается к задней стенке глаза.

Рис. 2 ИЗМЕНЕНИЕ КРИВИЗНЫ ХРУСТАЛИКА ПРИ АККОМОДАЦИИ 1 - хрусталик; 2 - сумка хрусталика; 3 - ресничные отростки. Верхний рисунок - увеличение кривизны хрусталика. Ресничная связка расслаблена. Нижний рисунок - кривизна хрусталика уменьшена, ресничные связки натянуты.

Однако четкое изображение можно получить и в том случае, если изменяется преломляющая сила линзы, а это возможно при изменении ее кривизны.

По этому принципу происходит аккомодация у человека. При видении предметов, находящихся на разных расстояниях, кривизна хрусталика изменяется и благодаря этому точка, где сходятся лучи, приближается или удаляется, попадая каждый раз на сетчатку. Когда человек рассматривает близкие предметы, хрусталик делается более выпуклым, а при рассмотрении дальних предметов - более плоским.

Как же происходит изменение кривизны хрусталика? Хрусталик находится в специальной прозрачной сумке. От степени натяжения сумки зависит кривизна хрусталика. Хрусталик обладает эластичностью, поэтому, когда сумка натягивается, он становится плоским. При расслаблении же сумки хрусталик в силу своей -эластичности приобретает более выпуклую форму (рис.2). Изменение натяжения сумки происходит при помощи специальной круговой аккомодационной мышцы, к которой прикреплены связки капсулы.

При сокращении аккомодационных мышц связки сумки хрусталика ослабевают и хрусталик приобретает более выпуклую форму.

От степени сокращения этой мышцы зависит и степень изменения кривизны хрусталика.

Если находящийся на далеком расстоянии предмет постепенно приближать к глазу, то на расстоянии 65 м начинается аккомодация. По мере дальнейшего приближения предмета к глазу аккомодационные усилия возрастают и на расстоянии 10 см оказываются исчерпанными. Таким образом, точка ближнего видения будет находиться на расстоянии 10 см. С возрастом эластичность хрусталика постепенно уменьшается, а следовательно, меняется и способность к аккомодации. Ближайшая точка ясного видения у 10-летнего находится на расстоянии 7 см, у 20-летнего - на расстоянии 10 см, у 25-летнего - 12,5 см, у 35-летнего - 17 см, у 45-летнего - 33 см, у 60-летнего - 1 м, у 70-летнего - 5 м, у 75-летнего способность к аккомодации почти теряется и ближайшая точка ясного видения отодвигается в бесконечность.

Эмметропия – это термин, описывающий состояние зрения, при котором параллельные лучи, идущие от отдаленного объекта, фокусируются с помощью рефракции точно на сетчатке в условиях расслабленности глаза. Другими словами – это нормальное состояние рефракции, при котором человек четко видит удаленные предметы.

Эмметропия достигается, когда рефракционная сила роговицы и осевая длина глазного яблока сбалансированы, что позволяет световым лучам фокусироваться точно на сетчатке.

Что такое рефракция?

Рефракцией называют изменение направления светового луча, возникающее на границе двух сред. Именно благодаря этому физическому явлению человек имеет четкое зрение, поскольку оно приводит к фокусировке лучей света на сетчатке.

Как свет проходит через глаз?

Когда свет проходит через воду или линзу, он меняет свое направление. Некоторые структуры глаза имеют рефракционные способности, подобные воде и линзам, благодаря чему преломляют световые лучи так, что они сходятся в определенной точке, называемой фокусом. Это обеспечивает четкость зрения.

Большая часть рефракции глазного яблока возникает при прохождении светом через изогнутую, прозрачную роговицу. Важную роль в фокусировке света на сетчатке также играет естественная линза глаза – хрусталик. Рефракционные способности также имеют водянистая влага и стекловидное тело.

Природа наделила человеческий глаз способностью фокусировать изображение предметов, находящихся на различных расстояниях. Эта способность называется и осуществляется с помощью изменения кривизны хрусталика. В эмметропическом глазу аккомодация нужна только при рассматривании приближенного предмета.

Как видит человеческий глаз?

Световые лучи, отраженные от предметов, проходят через оптическую систему глаза и преломляются, сходясь в фокусной точке. Для хорошего зрения эта фокусная точка должна находиться на сетчатке, которая состоит из светочувствительных клеток (фоторецепторов), которые улавливают свет и передают импульсы по зрительному нерву в головной мозг.

Эмметропизация

Эмметропизация – это развитие в глазном яблоке состояния эмметропии. Этот процесс управляется с помощью поступающих визуальных сигналов. Механизмы, координирующие эмметропизацию, до конца неизвестны. Человеческий глаз генетически запрограммирован достигать эмметропической рефракции в юности и поддерживать ее по мере старения организма. Предполагается, что отсутствие фокуса лучей на сетчатке приводит к росту глазного яблока, на которое также влияют генетические факторы и эмметропизация.

Эмметропизация является результатом пассивных и активных процессов. Пассивные процессы состоят в пропорциональном увеличении размеров глаз во время роста ребенка. Активный процесс включает механизм обратной связи, когда сетчатка дает сигнал об отсутствии правильной фокусировки света, что приводит к регулировке длины оси глазного яблока.

Изучение этих процессов может помочь в разработке новых способов коррекции нарушений рефракции и быть полезным для профилактики их развития.

Нарушение эмметропии

Когда отсутствует эмметропия в глазном яблоке, это называют аметропией. В этом состоянии фокус световых лучей при расслаблении аккомодации не находится на сетчатке. Аметропию также называют нарушениями рефракции, к которым принадлежат близорукость, дальнозоркость и астигматизм.

Способность глаза фокусировать свет точно на сетчатке, в основном, основана на трех анатомических особенностях, которые могут стать источником нарушений рефракции.

• Длина глазного яблока. Если глаз имеет слишком длинную ось, свет фокусируется перед сетчаткой, что вызывает близорукость. Если ось глаза слишком короткая, световые лучи достигают сетчатки до того, как сфокусируются, что становится причиной дальнозоркости.
• Изгиб роговицы. Если роговица не имеет идеально сферической поверхности, свет преломляется неправильно и фокусируется неравномерно, что вызывает астигматизм.
• Изгиб хрусталика. Если хрусталик имеет слишком изогнутую форму, это становиться причиной близорукости. Если хрусталик слишком плоский, это может вызвать дальнозоркость.

Корригировать аметропическое зрение можно с помощью операций, направленных на коррекцию кривизны роговицы.

Если вы видите удаленные объекты не так хорошо, то рекомендуем почитать о , какие механизмы нарушаются при выявлении такой патологии.

Для более полного ознакомления с болезнями глаз и их лечением – воспользуйтесь удобным поиском по сайту или задайте вопрос специалисту.