Глаз человека как оптическая система

Противопоказания

К медицинским противопоказаниям коррекции недостатков оптической системы относят:

воспалительные заболевания,
дакриоцистит,
осторожно применять при сухости,
заболевания психики. Хирургическая коррекция недостаточности оптической системы глаза, а именно рефракции – рефракционная хирургия

По локализации хирургические вмешательства подразделяют на корнеальные, хрусталиковые и роговичные. Для лечения самого распространенного недостатка оптической системы (миопии) проводят радиальную переднюю кератотомию, кератомилез, ношение внутрироговичных колец или линз

Хирургическая коррекция недостаточности оптической системы глаза, а именно рефракции – рефракционная хирургия. По локализации хирургические вмешательства подразделяют на корнеальные, хрусталиковые и роговичные. Для лечения самого распространенного недостатка оптической системы (миопии) проводят радиальную переднюю кератотомию, кератомилез, ношение внутрироговичных колец или линз.

Рефракционная хирургия лазером – одно из быстроразвивающихся, высокоэффективных направлений в офтальмологии

строение глаза

     Глазное яблоко расположено в костном углублении передней части черепа, называемом  орбита или глазница. Там же находятся глазодвигательные нервы и  мышцы, зрительный нерв, слёзная железа, сосуды и  жировая клетчатка, служащая глазу своего рода амортизатором.     Спереди глазное яблоко защищено веками и покрыто слизистой оболочкой (конъюнктивой).     Наружная оболочка  (фиброзная капсула) глаза представлены склерой и роговицей.  Склера – это плотная ткань белого цвета толщиной 0,5 –0,8 мм. Она поддерживает постоянную форму глаза и защищает его от вредных воздействий. В передней части склера переходит в прозрачную роговицу. Этот участок фиброзной капсулы называется лимбом. За роговицей  находится передняя камера, представляющая собой пространство, заполненное прозрачной внутриглазной жидкостью.                                                                                                                 Под фиброзной капсулой расположена              сосудистая оболочка глаза. Передняя  её часть видна сквозь роговицу – это радужка. По окраске радужной оболочки судят о цвете глаз.     В центре её имеется круглое отверстие, называемое зрачком. На свету зрачок суживается, в темноте – расширяется. Так регулируется количество поступающего в глаз света. Цилиарное тело –вторая часть сосудистой оболочки. Оно играет важную роль в образовании внутриглазной жидкости и регулирует изменение кривизны поверхностей хрусталика, благодаря чему оказывается возможным приспособление глаза к зрению на разных расстояниях. Ещё одна часть сосудистой оболочки – хориоидея.  Она состоит из сети кровеносных сосудов, по которым непрерывно поступают питательные вещества и кислород, обеспечивающие энергией зрительный акт.     Внутреннюю поверхность глаза выстилает сетчатая оболочка (сетчатка),  воспринимающая изображение предметов. Информация о них передаётся через зрительный нерв в головной мозг, в котором происходит окончательное преобразование зрительного раздражения в зрительное ощущение.     К содержимому глазного яблока относят  хрусталик и стекловидное тело. Хрусталик взрослого человека представляет собой заключённое в капсулу плотно-эластичное, прозрачное тело желтоватой окраски, которое по форме напоминает двояковыпуклую линзу. Толщина этой живой линзы примерно 3,5 мм, а диаметр – 10 мм. Хрусталик является частью оптической системы глаза. Из общей преломляющей силы оптического аппарата органа зрения (60 диоптрий) на него приходится примерно 18. Из этого понятно, что одна из функций хрусталика – это преломление и проведение лучей света. Хрусталик находится за радужкой и удерживается на месте с помощью цинновых связок. Волокна этих связок начинаются от цилиарного тела и прикрепляются к хрусталику, вплетаясь в переднюю и заднюю его капсулу (так условно делят единую капсулу). Хрусталик, как ноготь или волос, растёт в течение всей жизни. Уплотнение центральной части линзы (так называемого ядра) предотвращает чрезмерное увеличение хрусталика в объёме. Питание и обмен осуществляются путём диффузии из внутриглазной жидкости, которая омывает хрусталик со всех сторон.    Полость глазного яблока, расположенная захрусталиком, заполнена прозрачным студенистым стекловидным телом.     Для нормальной  работы зрительного анализатора необходимо, чтобы все его части – глазное яблоко, проводящие пути  и высшие зрительные центры, расположенные в коре головного мозга, – не имели никаких болезненных изменений. Преломляющие среды  (роговица, водянистая влага, хрусталик, стекловидное тело) должны быть прозрачны.          Составил доцент Г.Н.Логинов

Чудеса зрения в природе

Уникальными глазами обладают змеи, способные воспринимать инфракрасное излучение. Благодаря этой способности они с успехом охотятся на теплокровных животных даже в условиях нулевой освещенности.

У бабочек имеется иная особенность, чудесные создания воспринимают часть ультрафиолетового сектора, поэтому им не составляет труда обнаружить пыльцу в цветках.

Великолепным ночным зрением славятся гекконы. Причем они видят в том же спектральном диапазоне, что и люди. Просто их сетчатая оболочка в триста пятьдесят раз чувствительней к световым лучам. Настоящий прибор ночного видения!

Отдельного внимания заслуживает хамелеон. Ему не нужно поворачивать голову, что обозреть все триста шестьдесят градусов окружающей среды. Измерить дистанцию до объекта он способен одним глазом.

Самыми большими глазами на всей планете может похвастаться гигантский кальмар. Он обитает в пучине океана, на самом его дне. Здесь практически никогда не бывает солнечного света, но при этом моллюск способен рассмотреть своего врага на расстоянии тысяча метров.

Физиологическая роль оптической системы глаза

Основные функции, которые обеспечивает оптическая система глаза, представлены ниже:

• Необходимая степень преломления лучей;
• Фокусировка изображения и предметов строго в плоскости сетчатки;
• Создание необходимой длины оси зрения.

В результате человек может воспринимать предметы в объеме, четко и в цвете, то есть к мозговым структурам поступают сигналы о реалистичном изображении. При этом глаз способен воспринимать темное и светлое, а также цветовые показатели, то есть обладает функцией светоощущения и цветоощущения, соответственно.

Для оптической системы глаза человека присущи следующие характеристики:

1. Бинокулярность – способность воспринимать объемное изображение обоими глазами, при этом предметы не раздваиваются. Это происходит на рефлекторном уровне, один глаз выступает в качестве ведущего, второй – ведомого.2. Стереоскопичность позволяет человеку определить приблизительное расстояние до предмета и оценить рельеф и очертания.3. Острота зрения определяется способностью различить две точки, которые находятся друг от друга на определенном расстоянии.

Теория модулей

Второй стартовой точкой в исследованиях Марра (после работы знакомства с работами Уоррингтон)
является предположение, что наша зрительная система имеет модульную структуру. Выражаясь
компьютерным языком, наша главная программа “Зрение” охватывает широкий круг подпрограмм,
каждая из которых полностью независима от других, и может работать независимо от других
подпрограмм. Ярким примером такой подпрограммы (или модуля) является стереоскопическое
зрение, при помощи которого глубина воспринимается как результат обработки изображений,
поступающих с обоих глаз, которые представляют собой немного отличающиеся друг от друга
изображения. Прежде считалось, что чтобы видеть в трех измерениях, мы сначала распознаем
изображения целиком, а потом решаем какие объекты находятся ближе, а какие дальше. В 1960
году Бела Жулес (Bela Julesz), который был удостоен премией Heineken в 1985 году, смог
продемонстрировать, что пространственное восприятие двумя глазами происходит исключительно
сравнением небольших различий между двумя изображениями, полученными с сетчаток обоих глаз.
Таким образом, можно почувствовать глубину даже там, где нет и не предполагается никаких
объектов. Для своих экспериментов Жулес придумал стереограммы, состоящие из случайно
расположенных точек (см. рис. 11). Изображение, видимое правым глазом, идентично изображению
видимому левым глазом во всем, кроме квадратной центральной области, которая обрезана и
немного смещена к одному краю и снова совмещена с задним планом. Оставшийся белый промежуток
затем был заполнен случайными точками. Если на два изображения (на которых не распознается
никакого объекта) посмотреть сквозь стереоскоп, квадрат, который ранее был вырезан, будет
выглядеть парящим над задним планом. Такие стереограммы содержат пространственные данные,
которые автоматически обрабатываются нашей зрительной системой. Таким образом, стереоскопия
является автономным модулем зрительной системы. Теория модулей показала себя достаточно эффективной.

Методы диагностики при поражении оптической системы глаза

При оценке работы оптической системы в целом необходимо четко определить, какой из глаз является ведущим, а какой – ведомым.

Это легко определить путем простого теста. При этом необходимо смотреть сквозь отверстие в темном экране попеременно правым и левым глазом. В том случае, если глаз ведущий, то картина не перемещается. Если же глаз ведомый, то происходит смещение картинки.

Для диагностики заболеваний необходимо выполнить ряд методик:

• Визометрия необходима для определения остроты зрения. Ее можно проводить и на фоне очковой коррекции, чтобы подобрать линзы.
• Скиаскопия помогает получить объективные данные о величине рефракции.
• Автоматическая рефрактометрия.
• Офтальмометрия позволяет определить преломляющую силу роговицы.
• Пахиметрия измеряет толщину роговицы на разных участках.
• При кератоскопии врач рассматривает роговицу сквозь линзу.
• УЗИ глазного яблока.
• Фотокератотопография.
• Офтальмоскопия изучает глазное дно и сетчатую оболочку.
• Биомикроскопическое исследование.

Следует еще раз напомнить, что оптическая система глаза является важнейшей в структуре этого органа. Она позволяет получить качественное изображение на сетчатой оболочке. Это возможно за счет реализации нескольких механизмов, к которым относят бинокулярность, рефракцию, стереоскопичность и некоторые другие. При поражении хотя бы одной структуры этой сложной системы, работа ее нарушается. Поэтому так важна ранняя диагностика. Только при таком условии можно сохранить насыщенное и четкое зрение.

Круговая мышца глаза и ее функции

Круговая мышца глаза относится к мимическим мышцам лица. Эта мышца в паре с поднимателем век, отвечает за движение век. Главным образом она участвует в опускании век и закрытии глазной щели.

Круговая мышца глаз состоит из трех частей:

• Глазничной
• Вековой
• Слезной

Глазничная часть мышцы начинается от лобного отростка верхней челюсти. Далее она простилается вдоль верхнего и нижнего края глазницы. В результате слияния образуется кольцо.

Вековая часть мышцы продолжает круговую мышцу и находится она под кожей век, соответственно. Мышца имеет две части – верхнюю и нижнюю. Начинаются эти мышцы у медиальной связки век верхнего и нижнего края век и направляются к углам глаз. В этих местах они крепятся к боковой связке век.

Слезная часть, также именуемая мышцей Горнера, представляет собой глубокую сеть мышечных частей. Начинается от заднего гребня слезной косточки, где делится она на две части.

Каждая из частей охватывает слезный мешочек с передней и задней стороны. Далее они «теряются» среди мышечных пучков периферии. Именно периферическая часть одной из частей разделенной мышцы осуществляет суживание глазной щели и разглаживает поперечные складки кожи на лбу.

Внутренняя же часть этой мышцы закрывает глазную щель. Кроме этого, слезная мышца расширяет слезный мешочек.

Таким образом, следует заключить, что оптическая система глаза, его мышечный аппарат и прочие анатомические особенности – это очень сложная и специфическая система, которая за секунду времени способна осуществить множество разнообразных движений, которые обеспечивают нам качественное зрение и восприятие окружающего мира.

Построение изображений в линзах

Для построения изображения в линзах следует помнить:

1. луч, идущий вдоль главной оптической оси линзы, не преломляется;
2. луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется;
3. луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления пройдет через фокус линзы;
4. луч, падающий на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через фокус линзы, а сам луч – противоположно мнимому продолжению;
5. луч, падающий на собирающую линзу через фокус, после преломления пройдет параллельно главной оптической оси линзы;
6. произвольный луч после преломления в собирающей линзе пойдет через побочный фокус (точку фокальной плоскости, в которой ее пересечет параллельная произвольному лучу побочная оптическая ось);
7. произвольный луч, падающий на рассеивающую линзу, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через точку, в которой пересечет фокальную плоскость линзы побочная оптическая ось, параллельная произвольному лучу.

Изображение, даваемое тонкой линзой, может быть действительным или мнимым.

Действительное изображение получается в результате пересечения преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Мнимое изображение получается в результате пересечения продолжений преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Построение изображений точки, даваемых собирающей линзой

Если точка находится за двойным фокусом линзы, то ее действительное изображение получается между фокусом и двойным фокусом по другую сторону от линзы.

Если точка находится в двойном фокусе линзы, то его действительное изображение получается в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

Если точка находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его действительное изображение получается за двойным фокусом по другую сторону от линзы.

Если точка находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

Если точка находится между линзой и фокусом, то его мнимое изображение получается по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых собирающей линзой

Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, уменьшенным, по другую сторону от линзы.

Если предмет находится в двойном фокусе линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, равным по размерам предмету, в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, увеличенным, по другую сторону от линзы.

Если предмет находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

Если предмет находится между линзой и фокусом, то его изображение получается мнимым, прямым, увеличенным, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений точки, даваемых рассеивающей линзой

В рассеивающей линзе изображение точки всегда получается мнимым, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых рассеивающей линзой

Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда получается мнимым, прямым, уменьшенным, по ту же сторону от линзы.

Важно!
При решении задач на прохождение световых лучей сквозь линзы и получение изображений в них прежде всего выясните, о какой линзе идет речь: собирающей или рассеивающей. Обязательно сделайте чертеж, на котором соответствующими буквами укажите все основные расстояния: расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения, фокусное расстояние

Также обязательно укажите оптический центр линзы и оба фокуса по разные стороны от линзы.

При построении изображения следует заранее выучить, каким оно должно быть при соответствующем расположении предмета относительно линзы и где находиться (действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным, прямым или обратным). В противном случае при неверном построении, когда вы чуть-чуть искривите луч или он пойдет неточно через фокус или центр, изображение может оказаться не там, где надо, или вместо увеличенного уменьшенным, и тогда в решении появится ошибка.

Основы оптики

Вспомним школьную программу по физике. Многие преподаватели демонстрировали ученикам занимательный фокус: два помещения со слабым уровнем освещенности, но одно из них имеет небольшие отверстия в стенах. За ними размещен сильный источник света, например, солнышко. В некоторых случаях вместо точечных отверстий, использующихся для освещения комнаты, применяли небольшой фонарик.

Если между точечным источником света и вторым отверстием в стене поместить предмет из непрозрачного материала, то на перегородке, расположенной за вторым отверстием появится его изображение, перевернутое на сто восемьдесят градусов.

Подобный фокус со световыми лучами проделывает собирательная линза. Причина кроется в том, что каждая микроскопическая точка любого объекта при освещении, сама становится источником света, отражая во все стороны, попавшие на неё частицы.

От изображения к обработке данных

Девид Марр (David Marr) из Лаборатории искусственного интеллекта при
Массачусетском Технологическом Институте первым попытался приблизиться к
предмету с совершенно другой стороны в своей книге “Зрение” (Vision),
изданной уже после его смерти. В ней он стремился рассмотреть основную
проблему и предложить возможные пути ее решения. Результаты Марра конечно
не окончательны и по сей день открыты для исследований с разных направлений,
но тем не менее основным достоинством его книги является ее логичность и
последовательность выводов. Во всяком случае, подход Марра дает очень
полезную основу, на котором можно строить исследования невозможных объектов
и двойственных фигур. На следующих страницах мы попытаемся проследить ход
мыслей Марра.

Марр описал недостатки традиционной теории зрительного восприятия так:

“Попытки понять зрительное восприятие, изучая лишь нейроны, подобно попытке
понять полет птицы, изучая лишь ее перья. Это просто невозможно. Чтобы понять
полет птицы нам необходимо понять аэродинамику, и только потом структура
перьев и различные формы птичьих крыльев будут иметь для нас какое-то значение&quot.
В данном контексте Марр называет Дж. Дж. Гибсона (J. J. Gobson) первым, кто
коснулся важных вопросов в данной области изучения зрения

По мнению Марра,
самый важный вклад Гибсона состоял в том, что “самое важное в органах чувств
то, что они являются информационными каналами из внешнего мира к нашему восприятию
(…) Он поставил критически важный вопрос – Как каждый из нас получает одинаковые
результаты при восприятии в повседневной жизни в постоянно изменяющихся условиях?
Это очень важный вопрос, показывающий, что Гибсон правильно рассматривал проблему
зрительного восприятия как восстановление из информации, полученной от сенсоров,
“правильных” свойств объектов внешнего мира”. И таким образом мы
достигли области обработки информации.

Не должно возникать вопросов о том, что Марр хотел игнорировать другие объяснения
феномена зрения. Напротив, он специально подчеркивает, что зрение не может быть
удовлетворительно разъяснено только с одной точки зрения. Объяснения должны быть
найдены для повседневных событий, согласующиеся с результатами экспериментальной
психологии и всеми открытиями в данной области, сделанными психологами и
неврологами в области анатомии нервной системы. Что касается обработки информации,
то ученым компьютерных наук хотелось бы знать, как зрительная система может быть
запрограммирована, какие алгоритмы наилучшим образом подходят для данной задачи.
Короче, как зрение можно запрограммировать. Только всесторонняя теория может быть
принята как удовлетворительное объяснение процесса видения.

Марр работал над данной проблемой с 1973 года по 1980 год. К сожалению, он не
смог закончить свою работу, но он смог заложить прочный фундамент для дальнейших
исследований.

Общие сведения[]

В процессе зрительного восприятия можно выделить следующие этапы:

• проецирование оптического изображения на сетчатку (фокальная поверхность глаза),
• обработка и передача информации нейронными сетями и в мозгу, с обратной связью,
• создание (субъективного) образа в мозгу, его запоминание и последующие интерпретации.

Каждый этап зрительного восприятия, различные стороны зрительного процесса у человека детально исследуют с точки зрения офтальмологии, физики, оптики, биохимии, физиологии, психологии; для обсуждения и детализации каждой модели широко используется математическое моделирование.

Прямолинейное распространение света

Закон распространения света:
свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно.

Экспериментальным доказательством прямолинейности распространения света является образование тени.

Тень – это область пространства, куда не попадает свет от источника.

Полутень – это область пространства, куда частично попадает свет от источника.

Если источник света точечный, то на экране образуется четкая тень предмета.

Если источник неточечный, то на экране образуется размытая тень (области тени и полутени).

Образованием тени при падении света на непрозрачный предмет объясняются такие явления, как солнечное и лунное затмения.

Строение основных структур глаза

Глаз имеет форму сферы или шара, поэтому к нему стала применяться аллегория яблока. Глазное яблоко — очень нежная структура, поэтому располагается в костном углублении черепа — глазнице, где частично оно укрыто от возможного повреждения. Спереди глазное яблоко защищают верхнее и нижнее веки. Свободные движения глазного яблока обеспечиваются глазодвигательными наружными мышцами, точная и слаженная работа которых позволяет нам видеть окружающий мир двумя глазами, т.е. бинокулярно.

Постоянное увлажнение всей поверхности глазного яблока обеспечивается слезными железами, которые обеспечивают адекватную продукцию слезы, образующей тонкую защитную слёзную плёнку, а отток слезы происходит через специальные слезоотводящие пути.

Самая наружная оболочка глаза — конъюнктива. Она тонкая и прозрачная и выстилает также и внутреннюю поверхность век, обеспечивая легкое скольжение при движении глазного яблока и моргании век.

Наружная «белая» оболочка глаза — склера, является самой толстой из трёх глазных оболочек, защищает внутренние структуры и поддерживает тонус глазного яблока.

Склеральная оболочка в центре передней поверхности глазного яблока приобретает прозрачность и имеет вид выпуклого часового стекла. Эта прозрачная часть склеры называется роговицей, которая очень чувствительная благодаря наличию в ней множества нервных окончаний. Прозрачность роговицы позволяет свету проникать внутрь глаза, а её сферичность обеспечивает преломление световых лучей. Переходная зона между склерой и роговицей называется лимбом. В этой зоне находятся стволовые клетки, обеспечивающие постоянную регенерацию клеток наружных слоев роговицы.

Следующая оболочка — сосудистая. Она выстилает склеру изнутри. По её названию понятно, что она обеспечивает кровоснабжение и питание внутриглазных структур, а также поддерживает тонус глазного яблока. Сосудистая оболочка состоит из собственно хориоидеи, находящейся в тесном контакте со склерой и сетчаткой, и таких структур как цилиарное тело и радужка, которые располагаются в переднем отделе глазного яблока. Они содержат в себе много кровеносных сосудов и нервов.

Цилиарное тело — это часть сосудистой оболочки и сложный нервно-эндокринно-мышечный орган, играющий важную роль в продукции внутриглазной жидкости и в процессе аккомодации.

Цвет радужки определяет цвет глаза человека. В зависимости от количества пигмента в её наружном слое она имеет цвет от бледно-голубого или зелёноватого до тёмно-коричневого. В центре радужки находится отверстие — зрачок, через который свет попадает внутрь глаза

Важно отметить, что кровоснабжение и иннервация хориоидеи и радужки с цилиарным телом раличные, что отражается на клинике заболеваний такой в общем-то единой структуры, как сосудистая оболочка глаза

Пространство между роговицей и радужкой является передней камерой глаза, а угол, образованный периферией роговицы и радужки, называется углом передней камеры. Через этот угол происходит отток внутриглазной жидкости сквозь специальную сложную дренажную систему в глазные вены. За радужкой находится хрусталик, который располагается перед стекловидным телом. Он имеет форму двояковыпуклой линзы и хорошо фиксирован множеством тонких связок к отросткам цилиарного тела.

Пространство между задней поверхностью радужки, цилиарным телом и передней поверхностью хрусталика и стекловидного тела называется задней камерой глаза. Передняя и задняя камеры заполнены бесцветной внутриглазной жидкостью или водянистой влагой, которая постоянно циркулирует в глазу и омывает роговицу, хрусталик, при этом питая их, так как собственных сосудов у этих структур глаза нет.

Самой внутренней, самой тонкой и самой важной для акта зрения оболочкой является сетчатка. Она представляет собой высокодифференцированную многослойную нервную ткань, которая выстилает сосудистую оболочку в её заднем отделе

От сетчатки берут начало волокна зрительного нерва. Он несёт всю полученную глазом информацию в виде нервных импульсов через сложный зрительный путь в наш мозг, где она преобразуется, анализируется и воспринимается уже как объективная реальность. Именно на сетчатку в конечном счёте попадает или не попадает изображение и в зависимости от этого, мы видим предметы чётко или не очень. Самой чувствительной и тонкой частью сетчатки является центральная область — макула. Именно макула обеспечивает наше центральное зрение.

Полость глазного яблока заполняет прозрачное, несколько желеобразное вещество — стекловидное тело. Оно поддерживает плотность глазного яблока и прилегает в внутренней оболочке — сетчатке, фиксируя её.

3/3