Глаз как оптическая система. Разрешение, аккомодация, конвергенция, стереоэффект.

Содержание:

1. Строение глаза. …………………………………………………3
2. Оптическая схема глаза…………………………...……………4
3. Разрешение глаза………………………………………………..5
4. Аккомодация…………………………………………………….6
5. Конвергенция……………………………………………………8
6. Стереоэффект……………………………………………………9
7. Список литературы……………………………………………..10

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Строение  глаза.

 
 

      Рис.1 Горизонтальный разрез правого глаза.

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г.

Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка может изменяется от 1 до 8 мм.

Помимо сосудов  радужная оболочка содержит большое  количество пигментных клеток, в зависимости  от их содержания и глубины залегания радужная оболочка имеет различный цвет. Когда в радужной оболочке нет никакого цветного вещества, то она кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света и иногда страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.  

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность  задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

Место входа  зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°. 
 

2. Оптическая схема глаза

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему  глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза – сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик  и стекловидное тело (рис. 2). Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

 
Рис. 2. Оптическая система глаза.

Преломление света  в глазе происходит главным образом  на его внешней поверхности –  роговой оболочке, или роговице, а также на поверхностях хрусталика. Радужная оболочка определяет диаметр  зрачка, величина которого может изменяться непроизвольным мышечным усилием от 1 до 8 мм.

Оптическая система  глаза чрезвычайно сложна, поэтому  при расчетах хода лучей обычно пользуются упрощенными, эквивалентными истинному  глазу «схематическими глазами». В таблице 1 приведены данные для аккомодированного и не аккомодированного глаза.

№ В состоянии  покоя В состоянии  наибольшей аккомодации пов-ти радиус   кривизны осевое   расстояние показатель   преломления радиус   кривизны осевое   расстояние показатель   преломления 1 7,7 0,5 1,376 7,7 0,5 1,376 2 6,8 3,1 1,336 6,8 2,7 1,336 3 10,0 3,6 1,386 5,33 4,0 1,386 4 -6,0 15 1,336 -5,33 15 1,336     Оптическая  сила Оптическая  сила

Таблица 1. Данные «схематического глаза». 
 

Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:

,

(2.1)

где  – заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах. 

3. Оптическое  разрешение человеческого  глаза.

 При остроте зрения в 1 единицу - 1 угловая минута. В некоторых случаях глаз человека имеет остроту зрения 1,5 единицы, в таком случае оптическое разрешение его глаза составляет 40 угловых секунд. Острота зрения в 1 единицу соответствует 100 мегапикселям на один глаз, если сравнивать в цифровой фотокамерой, соответственно нормальное разрешение зрения человека около 200 мегапикселей. 
Разрешение взято по количеству светочуствительных клеток - палочек, которые не различают цветов. За цветоопределение отвечают колбочки, которых в несколько раз меньше, поэтому по цвету у человека разрешение тоже меньше, и цвет очень удаленного или мелкого предмета, скорее всего, будет не различим. Но на остроту зрения это не влияет. 
Следует заметить, что разрешение глаза человека несмотря на значительное по сравнению с большинством животных количество "пикселей" невелико. В отличие, например, от глаза орла, человеческий глаз не имеет зума, и на расстоянии километра может не заметить диск диаметром 25 см.

Глаз должен обеспечить мозгу быстрое общее  впечатление от видимой сцены  и качественное изображение в  небольшой области в центре поля зрения. В случае, если необходима более подробная информация об объекте, глаза, подобно узкому лучу прожектора, сканирует объект, замечая и распознавая более мелкие детали. 
 
За пределами области наибольшей чёткости разрешающая способность глаза уменьшается, и на периферии зрительного поля (боковое зрение) глаз воспринимает только движущиеся/статичные цветные пятна неопределённой формы, которые могут быть распознаны только как типовые объекты заложенной в память «библиотеки» наиболее часто встречающихся изображений. 
 
С вышесказанным входит в кажущееся противоречие тот факт, что количество зрительных клеток в сетчатке составляет около 150 млн. Однако противоречия никакого нет. Минимальной воспринимающей ячейкой глаза является не отдельная светочувствительная клетка, а группа (поле) рядом стоящих клеток. Эта группа, благодаря многослойной системе нейронов, располагающейся в нижних слоях сетчатки, может независимо от сознания осуществлять довольно сложную автоматическую обработку изображения: фиксировать однородность поля по освещённости, обнаруживать границу тёмного и светлого фрагмента, определять наличие движения изображения и с точностью до 30º его направление и т.д. 
 
Таким образом, количество «пикселей» в глазу примерно на два порядка меньше, чем количество светочувствительных клеток. 

4. Аккомодация

Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза.

Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения  или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик  растягивается и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну.

В свободном, ненапряженном  состоянии нормального глаза  на сетчатке получаются ясные изображения  бесконечно удаленных предметов, а  при наибольшей аккомодации видны  самые близкие предметы.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой глаза.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наибольшем возможном напряжении глаза, называют ближней точкой глаза.

При аккомодации  глаза на бесконечность задний фокус  совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около 9 см (рис. 3).

а) дальняя точка	б) ближняя точка
Рис. 3. Изображение ближней и дальней точки.

Разность обратных величин расстояний между ближней  и дальней точкой называют диапазоном аккомодации глаза (измеряется в дптр).

С возрастом  способность глаза к аккомодации  постепенно уменьшается. Скажем, в возрасте 20 лет для среднего глаза ближняя  точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации 10 дптр), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2.5 дптр), а к 60 годам уходит на бесконечность, то есть аккомодация прекращается. Это явление называется возрастной дальнозоркостью или пресбиопией.

Расстояние наилучшего зрения – это расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета.

В среднем расстояние наилучшего зрения составляет около 25-30 см, хотя для каждого человека оно может быть индивидуальным.

5. Конвергенция.

Конвергенция (от лат. convergere — приближаться, сходиться) — тип вергентных движений, для которого характерно сведение зрительных осей обоих глаз на более близкие объекты. Конвергенция необходима для того, чтобы изображение рассматриваемого объекта проецировалось на соответствующие (корреспондирующие) места сетчаток в обоих глазах и видимый предмет не двоился. Конвергенция служит также в качестве источника информации о расстоянии до объекта.  
Угол конвергенции непосредственно используется в глубинном зрении в качестве признака удаленности. Это «дальномерное устройство» действует на расстояниях до 450 м. Полимодальная комбинация раздражителей — величины изображения предмета на сетчатке и напряжения глазных мышц в результате аккомодации глаз, а также конвергенция является условно-рефлекторным сигналом размера воспринимаемого предмета. Обратим внимание на тесную связь аккомодации и конвергенции: определенное состояние 1-й вызывает определенную степень сведения зрительных осей, и наоборот.

6. Стереоэффект.

Ощущение протяжённости пространства и рельефности, возникающие при наблюдении реальных объектов, рассматривании стереопар, стереофотографий, стереоизображений. 

7. Список литературы.

Родионов С.А. Основы оптики. Конспект лекций.– СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2000. - 167 с.

Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. - М.: Наука, 1973. – 720 с.

Ландсберг, Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. - изд. шестое, стереотипное. - М.: Наука, 2003. – 848 с.

http://aco.ifmo.ru/