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 Способность глаза видеть резко предметы, находящиеся на различном расстоянии от него называется аккомодацией. Процесс аккомодации состоит в изменении оптической силы (рефракции) глаза. Это достигается изменением радиуса кривизны хрусталика в результате действия кольцеобразной мышцы. При расслабленной мышце связки натягивают мешочек хрусталика, и кривизна его поверхностей становится наименьшей. В этом случае на сетчатке получается резкое изображение удаленных предметов. Фокусное расстояние глаза взрослого человека может, изменятся от 18,7мм до 20,7мм, что обеспечивает фокусировку, как на дальних, так и на ближних объектах. При максимальном сжатии мускульного кольца, глаз отчетливо видит наиболее близкие предметы. Величину аккомодации можно выразить в диоптриях  где а – расстояние в мм от вершины роговицы до точки а рассматриваемого предмета. Диоптрия это оптическая сила оптической системы, у которой заднее фокусное расстояние положительно и равно 1м в воздухе. Формирование изображения в основном осуществляется роговицей вместе с хрусталиком, которые в комбинации имеют фокусное расстояние около 20мм. Наиболее удаленную точку, изображение которой получается на сетчатке без аккомодации, называют дальней точкой глаза и обозначают D (рис.1.2).
Точку, изображение которой получается на сетчатке при максимальной
аккомодации, называют ближней точкой глаза и обозначают B (рис.1.3).
Расстояние наилучшего зрения, при котором глаз наименее утомляется – 250 мм
при освещенности 50 лк.
Освещенность или плотность освещения поверхности представляет собой световой
поток, приходящийся на единицу поверхности, где
 F—световой поток, S—площадь освещенности. Фотометрическая величина освещенности лк и энергетическая величина освещенности вт/м2. Фотометрическую систему единиц используют для измерений в видимой области спектра, а энергетическую систему используют для невидимой области спектра. Широтой или объемом аккомодации принято называть величину  где аB—расстояние от вершины роговицы до ближней точки глаза В, а аD— расстояние от вершины роговицы до дальней точки D. На рисунке 1.2, 1.3 и далее расстояния с индексами aB и аD условно показаны от совмещения глав-ных плоскостей глаза Н и Н′. Главными плоскостями оптической системы называются сопряженные плоскости перпендикулярные оптической оси линейное увеличение в которых равно +1, то есть βН=1. Точки пересечения главных плоскостей с оптической осью называют главными точками системы. Если расстояния аВ и аD измерены в мм, то объем аккомодации Vа будет выражен в дптр. Для среднего глаза этот объем приблизительно 11 дптр. В течении жизни человека положение ближней точкой глаза В изменяется. Хрусталик с возрастом утрачивает свои упругие свойства и точка В удаляется от роговицы. Например в возрасте 50 лет Vа=2,5 дптр, так как ближняя точка находится на расстоянии 400мм. Это явление известно под названием возрастной дальнозоркости. С помощью положительных корригирующих линз этот недостаток устраняется. Основные характеристики глаза Угол обзора глаза по вертикали достигает 125º и по горизонтали – 150º, но резкое изображение обеспечивается только областью желтого пятна в пределах 6º – 8º. Периферийные зоны поля зрения служат для ориентирования. Большая Расстояние между центрами зрачков называется базой глаз или главным базисом. Его величина лежит в пределах от 56 – 74мм. Основными свойствами глаз являются: аккомодация, адаптация, световая контрастная и спектральная чувствительности, разрешающая способность или острота зрения, бинокулярное зрение и стереоскопическое восприятие. 1.2. Адаптация глаза, его чувствительность Глаз человека реагирует на световые излучения в широком диапазоне яркостей от 
Яркость характеризуется световым потоком, излучаемым с 1 поверхности в заданном
направлении, и представляет собой отношение силы света I к проекции S′ излучающей
площадки S на плоскость перпендикулярную направлению излучения:
 где α - угол наклона. Т.е. яркость равна силе света отнесенной к единичной видимой поверхности источника излучения. Фотометрическая величина яркости выражается в кд/м2, а энергетическая величина яркости в Вт/Срм². Стеродиан (Ср) – это телесный угол при котором площадь вырезаемая им на сфере равна квадрату радиуса: S=r². Кандел (кд) – сила света при световом потоке в 1лм излучаемом внутри телесного угла в 1Ср: I=F/ω. Способность глаза приспосабливаться к различным яркостям называется адаптацией. Различают темновую адаптацию при переходе из светлого помещения в темное и световую – при переходе наоборот. Процесс адаптации объясняется действием трех «механизмов»: 1). При малых яркостях наблюдаемых предметов световое раздражение действует только на палочки, колбочки при этом не работают. В этом случае говорят о ночном зрении. При повышении яркости (до 10кд/м²) вместе с палочками в работу включаются и колбочки, обладающие спектральной чувствительностью. Это сумеречное зрение. При дальнейшем увеличении яркости работают в основном только колбочки. Это дневное зрение. 2). Процесс адаптации сопровождается изменением диаметра зрачка от 1,5 до 8мм. Это происходит помимо воли человека, по вине волокон заложенных в радужной оболочке. 3). Яркостной диапазон глаза изменяется в зависимости от концентрации светочувствительного вещества – родопсина или зрительного пурпура, содержащегося в палочках, и йодопсина – светочувствительного вещества в колбочках. При повышении яркости уменьшается концентрация неразложившегося светочувствительного вещества, а поэтому снижается и светочувствительность сетчатки. Кроме того, при большой яркости зерна темного пигмента, расположенные в последнем десятом слое сетчатки, перемещаются к наружной её поверхности и поглощают излишний свет. При переходе от больших яркостей к малым происходит обратный процесс: перемещение зерен темного пигмента из наружного первого слоя сетчатки в последний десятый слой. При такой переадаптации глаза зрительный пурпур в палочках восстанавливается, они включаются в работу, зрачок глаза расширяется. Световую чувствительность глаза характеризуют световым порогом, т.е. тем наименьшим количеством световой энергии, которая вызывает в глазу ощущение света. Световые пороги выражают в [эрг/с] или освещенностью на зрачке – лк. Предельная световая чувствительность глаза очень мала и колеблется в пределах от  до  , что соответствует освещенности на зрачке  . Контрастная чувствительность глаза Видимость предмета зависит от контрастов яркостного и цветового. Яркостной контраст К при котором глаз может обнаружить на некотором поле определяется из выражения  где В – яркость предмета; Вf – яркость фона. Наименьший контраст воспринимаемый глазом называют пороговым. Контрастная чувствительность Вf/В величина обратная к пороговому контрасту. При увеличении яркости фона контрастная чувствительность возрастает и достигает максимума при Вf=(130 - 640)кд/м2.
Спектральная чувствительность глаза
Цветным восприятием обладают колбочки, поэтому при сумеречном освещении, когда в основном функционируют палочки, все кажется бесцветным. Для дневного света максимальная чувствительность глаза проявляется к желто- зеленому цвету с λ=555нм, а при сумеречном λ=510нм. Спектральную чувствительность глаза принято характеризовать кривой относительной видности. Коэффициентом относительной видности называют отношение коэффициента видности νλ для длины волны λ к максимальному значению этого коэффициента νмакс:  На рис.1.4 представлена кривая относительной видности при дневном и сумеречном освещении Глаза меньше всего утомляются при желто- зеленом, белом и зеленом
Рис. 1.4. Кривая чувствительности глаза: освещении, а больше всего при красном и фиолетовом.
1-для дневного зрения; 2-для сумеречного зрения
| 
