Персональный сайт - 1.3. Аметропия глаза. Коррекция недостатков зрения

Глава 1. Глаз человека как оптическая система и приемник световой
энергии.
1.1 . Устройство глаза. Его характеристики. Аккомодация
Глаз представляет собой удивительный оптический прибор созданный
природой, свойства которого на столько уникальны, что искусственно повторен
он будет не скоро. Большая часть оптических приборов работает совместно с
глазом. При этом образуется сложная оптическая система. Глаз преобразует
энергию оптического излучения, поступающую из оптического прибора в
зрительное восприятие, представляет собой сложный физиологически активный, в
котором действуют определенные элементы нервной системы и мозга.

Глаз человека (см. рис.1.1) имеет приблизительно шарообразную форму диаметром
d≈25мм. Снаружи глазное яблоко окружено
эластичной белковой оболочкой-склерой (6). Склера
не прозрачна за исключением ее передней части.
Эта передняя часть называется роговицей (1). Лучи
света проникают через роговицу в переднюю
камеру (3) глаза, заполненную камерной влагой.
Под камерой расположена сосудистая оболочка (8),
снабжающая глаз кровью. В передней части глаза
сосудистая оболочка переходит в огромную радужную оболочку (4). В середине
радужной оболочки имеется отверстие- зрачок, играющий роль действующей
диафрагмы. Диаметр радужной оболочки (зрачок) может изменяться
приблизительно от 2 до 8 мм. Тонкое изменение апертуры проходит обычно само
производно, приводя к пропорциональной обратной зависимости диафрагмы
зрачка от яркого окружающего света. Таким образом, относительное отверстие
глаза может принимать значение приблизительно от 1:10,4 до 1:2,3. Мельчайшее
значение апертуры соответствует большей глубине резкости, давая возможность
фокусировать глаз на близлежащие предметы при ярком свете. За радужной
оболочкой находиться задняя камера глаза, в передней части которой, расположен хрусталик (2). Хрусталик прозрачен, имеет форму двояковыпуклой линзы, сложную структуру и обладает эластичностью хряща. Хрусталик заключен втонкую прозрачную оболочку, которая охвачена кольцевой мышцей, под действие которой появляется кривизна в его поверхностей. Полость глаза между
хрусталиком и задней стенкой заполнена студенистым, прозрачным веществом,
называемым стекловидным телом (7), с показателем преломления n=1,336.
Третьей оболочкой выстилающей все дно глаза за исключением его
передней части является сетчатка (9). Сетчатка глаза изогнута и граничит со
стекловидным телом. В результате получается линза, которая может значительно
изгибаться и при этом значительно функционировать. Сетчатка играет роль
фотодетектирующей поверхности, на которой строятся изображения предметов.
Сетчатка состоит из десяти слоев.
Первый слой образован волокнами зрительного нерва соприкасающегося со
стекловидным телом. Последующий слой состоит из окончаний нервных клеток –
нейронов. Световосприимчивыми элементами сетчатки являются фоторецепторы
зрительного нерва. Они расположены в девятом слое сетчатки и имеют вид
палочек или колбочек. В глазу человека около 7000000 колбочек и 135000000
палочек. Они распространены по сетчатке не равномерно. Палочки обладают
большой светочувствительностью, но не реагируют на цвета. Цветовое
восприятие обеспечивают колбочки. То место сетчатки, где зрительный нерв (12)
входит в глаз не содержит светопринимающих элементов и называется слепым
пятном (11). Несколько выше слепого пятна расположено желтое пятно(10)
мнимо проходящее через центр хрусталика и середину центрального углубления в
желтом пятне называют зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза
на угол 5°. Угловой размер желтого пятна 6°-7°.
В центральном углублении желтого пятна площадью около 0.5мм2
расположены только колбочки. Это участок наиболее четкого видения. По мере
удаления к периферийным зонам преобладают палочки. На самых краях сетчатки
находятся только палочки.
Все нервные волокна идущие от палочек и колбочек собираются на слепом
пятне и сплетаются в зрительный нерв (12),который связан с мозгом, где
происходит расшифровка зрительных впечатлений.
Глазное яблоко с помощью мышц закреплено внутри шарообразной
черепной полости. Действием этих мышц обеспечивается подвижность глаза.
Центр вращения глаза, точка Z на рис.1.1 находится внутри глаза на расстоянии
14,4мм от передней поверхности роговицы.

Аккомодация глаза

1.3. Аметропия глаза. Коррекция недостатков зрения

Нормальным или эмметропическим называется такой глаз, у которого
изображение удаленного объекта получается на сетчатке резко без аккомодации.
Дальняя точка эмметропического глаза находится в бесконечности, а задний
фокус совпадает с сетчаткой. Такой глаз способен отчетливо видеть звезды без
аккомодации. Если дальняя точка не лежит в бесконечности, говорят, что глаз
обладает аметропией, такой глаз называется аметропическим. В аметропическом
глазе изображение удаленного предмета не совпадает с сетчаткой. Аметропию
глаза выражают в дптр:

где аD – расстояние от вершины роговицы до дальней точки в мм. Для
эмметропического глаза это расстояние равно бесконечности и, следовательно,
А=0. Различают аметропию двух видов:
1). Если дальняя точка D находится перед глазом, то такой глаз называется
близоруким или миопическим (рис.1.5,а).
Близорукий глаз без аккомодации видит резко предметы расположенные
перед ним на конечном расстоянии. Задний фокус F! Миопического глаза
лежит внутри глаза перед сетчаткой.

Рис. 1.5. Положение дальней точки D глаза:

а — близорукого; б — дальнозоркого

2). Если дальняя точка расположена позади глаза, то такой глаз называется
дальнозорким или гиперметропическим. Дальнозоркий глаз может
отчетливо видеть удаленный предмет, но для этого ему необходима
некоторая аккомодация (рис.1.5,б). Без аккомодации он видел бы резко на сетчатке мнимый предмет, расположенный в точке D, образованной
входящими в глаз конвергирующими (сходящимися) пучками лучей.
Область аккомодации дальнозоркого глаза простирается от точки В влево
до бесконечности и справа от бесконечности до точки D. Задний фокус F!,
расположен позади сетчатки.

Рис. 1.6. Астигматизм глаза

Значение аметропии в одном главном сечении минимальное, а в другом
максимальное. Астигматический глаз, так же как и астигматическая линза
трансформирует падающие на него пучки лучей в астигматические. В фокусах
такого пучка вместо точек получаются линии (горизонтальные или
вертикальные). Рис.1.6 иллюстрирует простой миопический астигматизм. Фокус
FM
! горизонтального пучка лучей лежит на сетчатке, аметропия глаза в этом
сечении равна нулю. Для вертикального пучка фокус FS
! не расположен на
сетчатке. В этом случае глаз миопичен.
Причиной астигматизма глаза
является не сферическая форма роговицы
или хрусталика, а неправильное
положение хрусталика относительно
оптической оси.
Существуют и другие недостатки
зрения. Например, афакия – отсутствие
хрусталика, дальтонизм – ошибка в
определении цвета и т.д.

Коррекция недостатков зрения

Глаз обладает ценными качествами: высокой разрешающей способностью, большим полем зрения и высокой световой, контрастной и спектральной чувствительностью. Большая подвижность глаза позволяет рассматривать предметы, по частям фиксируя интересующие детали на желтом пятне. Поэтомудаже существенные недостатки глаза не оказывают влияние на качество зрения.

Глаз обладает значительной продольной хроматической аберрацией.Многие люди не в состоянии сфокусировать глаз на синий объект, если он расположен вблизи глаза. Однако практически хроматизм не ощущается. Это объясняется высокой избирательной чувствительностью глаза и малыми размерами зрачка . Аберрация Кома оптической системы глаза и децентрировка ее отдельных компонентов незначительны и поэтому не портят изображение. Глаз подвержен сферической аберрации, но она сказывается только в сумерках, когда диаметр зрачка увеличен. В этом случае изображения предметов нерезкие и малоконтрастные. Поскольку изображение строится оптической системой на сферической поверхности сетчатки влияние кривизны поверхности и дисторсии также мало.

Напомним

, что аберрациями называются погрешности изображения в реальной

оптической системе, вызванные отклонением хода лучей по сравнению с идеальной системой. Идеальной оптической системой считается такая в которой: 1) каждой точке предмета соответствует только одна точка изображения, т.е. широкие пучки лучей вышедших из одной точки предмета после преломления и отражения, сходятся также в одной точке изображения;

2) каждой прямой линии пространства предметов соответствует только одна сопряженная с ней линия в пространстве изображений; 3) если какая-либо точка в пространстве предметов лежит на прямой, то сопряженная с ней точка в пространстве изображений лежит на прямой, сопряженной с первой; 4) всякой плоскости пространства предметов соответствует только одна сопряженная плоскость в пространстве изображений. Теория идеальной оптической системы рассматривается применительно к центрированным системам, обладающим следующими свойствами:

1) если луч в пространстве предметов лежит в меридиональной плоскости, то он остается в этой плоскости и после похождения через оптическую систему. Отсюда следует, что всякая меридиональная плоскость сопряжена сама с собой;

2) если меридиональная плоскость в пространстве предметов будет повернута на некий угол вокруг оптической оси, то и в пространстве изображений меридиональная плоскость повернется на тот же угол и в ту же сторону;

3) плоскости перпендикулярной к оптической оси в пространстве предметов соответствует плоскость также перпендикулярная к оптической оси в пространстве изображений. Эти положения справедливы для параксиальной области. Параксиальные или приосевые лучи идут под малыми углами к оптической оси и образуют на всех преломляющих и отражающих поверхностях весьма малые углы падения, преломления, отражения. В этом случае синусы и тангенсы углов, а также значения углов в радиальной мере практически совпадают.

Рис.1,п. Сферическая аберрация

Погрешности изображения в реальной оптической системе, вызванные отклонением хода луча по сравнению с идеальной системой называются аберрациями. Аберрации оптической системы разделяют на монохроматические и хроматические. К монохроматическим аберрациям, обнаруживающимся при прохождении луча одной длины волны, относятся: сферическая, кома, астигматизм, кривизна поверхности изображения и дисторсия. Хроматическая аберрация проявляется в разложении естественного луча за счет дисперсии света в оптической системе и появления суммы монохроматических изображений несовпадающих по положению и величине. В результате изображение становится окрашенным. Это явление носит название хроматизма и обнаруживается даже в параксиальной области.

Под сферической аберрацией понимают аберрацию широкого пучка лучей

(рис.1,п) исходящего из точки предмета расположенной на оптической оси системы. При этом точки изображения для лучей исходящих из точки предмета под различными углами не совпадают в пространстве изображений.

Комой называется не симметрия широкого наклонного пучка лучей вышедших из точки предмета вне оси по отношению к главному лучу пучка (рис.2,п).

Явление астигматизма (рис.3,п) заключается в том, что лучи одного и того же пучка идущие в меридиональном и сагиттальном (т.е. перпендикулярное меридиональному) сечениях не собираются в одной точке, а имеют различные точки сходимости.

Кривизна изображения характеризует степень отклонения поверхности изображения от плоскости. Астигматизм и кривизна изображения имеют общую физическую основу, но независимы друг от друга. В результате аберрационного расчета можно устранить астигматизм, но при этом резкое изображение плоскости может лежать на сильно искривленной поверхности. Именно такой подарок глазу преподнесла природа, расположив фотодетектирующий слой сетчатки на сферической поверхности склеры.

Дисторсия (рис.4,п) это аберрация, вызванная непостоянством линейного увеличения оптической системы по всему полю в сопряженных плоскостях. В результате получаются бочкообразные или подушкообразные изображения. Подобные искажения можно наблюдать при рассмотрении с помощью простой лупы клечатой бумаги.

Рис

.2,п. Меридиональная кома

Неисправленные аметропия и астигматизм значительно ухудшают изображение

. Коррекция аметропии глаза осуществляется очковыми линзами. Корригирующая очковая линза должна обеспечить на сетчатке аметропического глаза резкое изображение удаленных предметов без аккомодации. Достигается это помещением перед глазом корригирующей линзы таким образом, чтобы ее задний фокус совпадал с дальней точкой глаза. Тогда глаз будет отчетливо видеть бесконечно далекую точку без аккомодации и следовательно вся система глаза вместе с очковой линзой будет действовать как нормальный глаз. Для коррекции близорукого глаза применяются отрицательные линзы

(рис.1.7,а), а для коррекции дальнозоркого глаза – положительные (рис.1.7,б).

Совпадение заднего фокуса

FЛ ! корригирующей линзы L с дальней точкой глаза D является обязательным условием правильной коррекции аметропии. Астигматизм целесообразно исправлять в том случае если величина аметропии для двух главных сечений глаза различима более чем на 0,25дптр. Для проверки глаза на астигматизм применяют специальные таблицы (рис.1.8). Для неастигматического глаза все кружки, состоящие из линий различного направления, кажутся одинаково резкими. Астигматический глаз будет различать линии в каком либо кружке более резкими, чем в кружках с линиями другого направления. Астигматический глаз имеет не одну, а две дальние точки, соответствующие двум различным значениям аметропии. Для исправления аметропии астигматического глаза очковая линза в двух главных меридиональных сечениях должна иметь различную силу (рефракцию), необходимую для исправления аметропии в этих сечениях. Для коррекции близорукого и дальнозоркого глаза применяются линзы со сферическими поверхностями. Для коррекции астигматизма применяются цилиндрические, сфероцилиндрические и торические линзы.