Зрение – одно из самых ценных чувств человека. И хотя визуальная система относительно сложная часть мозга, процесс происходит благодаря скромному оптическому элементу: глазу. Он формирует образы на сетчатке, где свет поглощается фоторецепторами. С их помощью в зрительную кору передаются электрические сигналы для дальнейшей обработки.
Основные элементы оптической системы глаза: роговица и хрусталик. Они воспринимают свет и проецируют его на сетчатку. Стоит отметить, что устройство глаза намного проще, чем у созданных по его подобию камер со множественными линзами. Несмотря на то что в глазу роли линз выполняют только два элемента, это не ухудшает восприятие информации.
Свет
Природа присущая свету тоже влияет на некоторые характеристики оптической системы глаза. Например, сетчатка наиболее чувствительна в центральной части для восприятия видимого спектра, соответствующего спектру излучения Солнца. Свет можно рассматривать как поперечную электромагнитную волну. Длина видимых волн от приблизительно синего (400 нм) до красного (700 нм) составляет лишь небольшую долю электромагнитного спектра.
Интересно отметить, что характер частицы света (фотона) тоже может влиять на зрение при определенных условиях. Поглощение фотонов происходит в фоторецепторах по правилам случайного процесса. В частности, интенсивность света, достигающая каждого фоторецептора, определяет только вероятность поглощения фотона. Это ограничивает возможности зрения при низкой яркости и адаптации глаза к тьме.
Прозрачность
В искусственных оптических системах используются прозрачные материалы: стекло или пластмассы с преломляющим фиксатором. Аналогично глаз человека должен формировать масштабные изображения с высоким разрешением с использованием живых тканей. Если картинка проецируется на сетчатку слишком размытой, нечеткой, визуальная система не будет работать должным образом. Причиной тому могут стать глазные и нейронные заболевания.
Анатомия глаза
Человеческий глаз можно описать как заполненную жидкостью квазисферическую структуру. Оптическая система глаза состоит из трех слоев тканей:
- наружной (склера, роговица);
- внутренней (сетчатка, цилиарное тело, радужка);
- промежуточной (сосудистая оболочка).
У взрослых людей глаз представлен приблизительной сферой диаметром в 24 мм и состоит из множества сотовых и неклеточных компонентов, полученных из эктодермальных и мезодермальных зародышевых источников.
Внешне глаз покрыт устойчивой и гибкой тканью, называемой склерой, за исключением передней части, где прозрачная роговица позволяет свету проникать в зрачок. Два других слоя под склерой: сосудистая оболочка для обеспечения питательных веществ и сетчатка, где свет поглощается фоторецепторами после формирования изображения.
Глаз динамичен из-за действия шести внешних мышц, позволяющих фиксировать и сканировать визуальную среду. Свет, попадающий в глаз, преломляется роговицей: тонким прозрачным слоем, свободным от кровеносных сосудов диаметром около 12 мм и толщиной около 0,55 мм в центральной части. Водная разрывная пленка на роговице гарантирует наилучшее качество изображения.
Передняя камера глаза заполнена жидкой субстанцией. Радужка, два комплекта мышц с центральным отверстием, размер которого зависит от сжатия, действует как диафрагма с характерным цветом в зависимости от количества и распределения пигментов.
Зрачок – отверстие в центре радужки, регулирующее количество света, проходящего в глаз. Его размер колеблется от менее 2 мм при ярком свете до более 8 мм в темноте. После восприятия света зрачком кристаллическая линза в сочетании с роговицей образуют изображения на сетчатке. Кристаллическая линза может менять свою форму. Она окружена эластичной капсулой и прикреплена зонулами к цилиарному телу. Действие мышц в цилиарном теле позволяет линзе увеличивать или уменьшать свою мощность.
Сетчатка и роговица
В сетчатке есть центральное углубление, где находится наибольшее количество рецепторов. Ее периферические части дают меньшее разрешение, но специализируются на движении глаз и обнаружении объектов. Естественное поле зрения довольно велико по сравнению с искусственным и составляет 160×130°. Желтое пятно располагается рядом и функционирует как фильтр света, предположительно защищая сетчатку от дегенеративных заболеваний путем отсеивания синих лучей.
Роговица – сферическое сечение с радиусом передней кривизны 7,8 мм, задней – 6,5 мм и неоднородным показателем преломления 1,37 из-за слоистой структуры.
Размер глаза и фокус
Среднестатический глаз имеет общую осевую длину 24,2 мм, и дальние объекты фокусируются точно в центре сетчатки. Но ситуацию могут изменить отклонения в размерах глаза:
- близорукость, когда изображения фокусируются перед сетчаткой,
- дальнозоркость, когда это происходит за ней.
Функции оптической системы глаза нарушаются также при астигматизме – неправильном искривлении хрусталика.
Качество изображения на сетчатке
Даже когда оптическая система глаза идеально сфокусирована, она не воспроизводит идеальное изображение. На это влияет несколько факторов:
- дифракция света в зрачке (размытие);
- оптические аберрации (чем крупнее зрачок, тем хуже видимость);
- рассеивание внутри глаза.
Конкретные формы хрусталиков глаза, вариации показателя преломления и особенности геометрии являются недостатками оптической системы глаза по сравнению с искусственными аналогами. Нормальный глаз имеет по меньшей мере в шесть раз более низкое качество, и каждый создает оригинальное точечное изображение в зависимости от присутствующих аберраций. Так что, например, воспринимаемая форма звезд будет у каждого индивидуальной.
Периферийное зрение
Центральное поле сетчатки дает наибольшее пространственное разрешение, однако менее зоркая периферийная часть тоже важна. Благодаря боковому зрению человек может ориентироваться в темноте, различать фактор движения, а не сам движущийся объект и его форму, ориентироваться в пространстве. Периферическое зрение преобладает у животных и птиц. Причем у некоторых из них угол обзора составляет все 360° для более высоких шансов на выживание. Зрительные иллюзии рассчитываются на особенности периферического зрения.
Итог
Оптическая система глаза человека устроена просто и надежно и отлично приспособлена для восприятия окружающего мира. Хотя качество видимого ниже, чем в усовершенствованных технических системах, но оно соответствует требованиям организма. В глазах имеется ряд компенсационных механизмов, которые оставляют некоторые из потенциальных оптических ограничений незначительными. Например, крупный негативный эффект хроматической дефокусировки устраняется соответствующими цветными фильтрами и полосовой спектральной чувствительностью.
В последнее десятилетие активно обсуждалась возможность исправить аберрации глаза с помощью адаптивной оптики. В настоящее время это технически возможно в лаборатории с помощью корректирующих устройств, например, внутриглазных линз. Коррекция может восстановить способность к зрению, но существует нюанс – выборочность фоторецепторов. Даже если резкие изображения проецируются на сетчатку, наименьшая буква, которую нужно воспринять, потребует нескольких фоторецепторов для правильной интерпретации. Изображения букв, меньшие, чем соответствующая острота зрения, не будут различаться.
Однако основными расстройствами зрения являются слабые аберрации: дефокусировка и астигматизм. Эти случаи легко поддаются исправлению различными технологическими разработками еще с тринадцатого века, когда были изобретены цилиндрические линзы. Современные методы предполагают использование контактных и внутриглазных линз или процедуры лазерной рефракционной хирургии для редактирования строения оптической системы больного.
Будущее офтальмологии кажется перспективным. Фотоника и световая техника будут играть в ней ключевую роль. Использование передовой оптоэлектроники позволило бы новым протезам восстанавливать дальнозоркие глаза без удаления живых тканей, как это происходит сейчас. Новая оптическая когерентная томография могла бы обеспечивать полномасштабную трехмерную визуализацию глаза в реальном времени. Наука не стоит на месте, чтобы оптическая система глаз позволяла каждому из нас видеть мир во всей красе.
