Глаз как оптический прибор. Угол зрения

Глаз человека – сложная и совершенная оптическая система (рис. 7.1). В некоторых отношениях глаз и фотоаппарат очень схожи. У них есть линза впереди и светочувствительный материал в области ее фокуса. Однако в случае глаза как линза, так и детектор устроены очень изощренно. У фотоаппарата наводка на резкость достигается перемещением объектива вперед или назад по отношению к пленке. У глаза хрусталик находится в фиксированном положении, но его оптическая сила может изменяться за счет изменения его кривизны. Удерживающие хрусталик мышцы могут его растягивать, отчего он становится тоньше, или сжимать, увеличивая его выпуклость.

Анатомически глазное яблоко человека представляет собой почти правильную сферу диаметром около 25 мм. Оно состоит из трех оболочек — наружной фиброзной, средней сосудистой и внутренней (сетчатки), которые окружают ядро глаза. Оно включает водянистую влагу, хрусталик и стекловидное тело.

Действительности хрусталик обеспечивает лишь малую часть схождения лучей в оптической системе глаза. Внешний прозрачный слой, называемый роговой оболочкой, также искривлен и содержит за собой жидкость — водянистую влагу. Эта жидкость, а также жидкость, находящаяся за хрусталиком (стекловидное тело), имеют показатель преломления почти такой же, как у воды: 1, 34. Поэтому значительная часть полного преломления происходит на внешней поверхности, где лучи входят из воздуха в роговую оболочку. Сам хрусталик имеет показатель преломления около 1, 44. Изменения его кривизны слегка подгоняют общее схождение лучей в системе.
Как и объектив фотоаппарата, хрусталик глаза может диафрагмироваться.

У глаза такая диафрагма называется радужной оболочкой. Это карее, синее, серое или зеленое кольцо глаза. Радужная оболочка может увеличивать или уменьшать находящееся в ее середине круглое отверстие, называемое зрачком. При ярком свете зрачок имеет диаметр чуть меньше 2 мм, в то время как при слабом освещении диаметр зрачка может увеличиться чуть больше, чем до 8 мм. Следящая система обратной связи, которая осуществляет эти изменения, срабатывает лишь за несколько секунд, а у пожилых людей время реакции может быть и еще больше. Переменный размер зрачка может компенсировать примерно лишь 20-кратные изменения интенсивности света. Однако глаз в целом до некоторой степени сохраняет работоспособность при интенсивностях света, изменяющихся в миллион раз. Большая часть такого приспособления происходит в «фотопленке», т. е. в нервных клетках сетчатой оболочки (сетчатки).

В сетчатке есть два главных типа чувствительных клеток. Из-за своей внешней формы они называются палочками и колбочками. В сетчатке они распределены неравномерно. По краям поля зрения преобладают палочки, в то время как колбочки сосредоточены ближе к середине. В одной небольшой области диаметром менее 1 мм, называемой желтым пятном, находятся только колбочки, тесно примыкающие друг к другу. Когда мы вглядываемся в какой-либо предмет, чтобы детально рассмотреть его, то фокусируем его изображение на желтое пятно.
Палочки и колбочки реагируют на свет разных длин волн. Колбочки чувствительны к красному свету, а палочки — нет. Для колбочек требуется свет от средней до высокой интенсивности, в то время как палочки сохраняют чувствительность вплоть до очень низкого уровня интенсивности. При слабом освещении мы в значительной степени утрачиваем способность различать цвета. Поскольку в тусклом свете палочки более эффективны, нежели колбочки, иногда в темноте мы лучше видим объекты боковым зрением, когда они попадают ближе к краям поля зрения. Хотя периферическое зрение не может дать очень детального или богатого красками образа, оно поразительно чувствительно к движению объектов. Если шелохнется листок или шевельнется маленький зверек, мы способны скорее заметить это на краях поля зрения, нежели прямо перед глазами.

Глаз человека вместе с анализирующей системой головного мозга являет собой изумительный оптический прибор, аберрации которого в определенных условиях исправлены полностью. Однако глаз может быть подвержен разного рода заболеваниям и несовершенствам. Наиболее распространенный дефект глаза – близорукость. Хрусталик слишком силен для данного размера глазного яблока, в результате чего изображение формируется перед сетчаткой. Из такой ситуации можно выйти, помещая перед глазами рассеивающие линзы. Их действие схематически показано на рисунке. Другой распространенный дефект глаза — дальнозоркостъ. В этом случае изображение формируется позади сетчатки. Для исправления этого дефекта линзы очков должны быть слабыми собирательными, как показано в нижней части рисунка. Часто линзам очков требуется придавать также слегка цилиндрическую форму, наложенную на их сферические поверхности. Такая форма компенсирует астигматизм глаза, который обычно вызывается несферичностью роговой оболочки, отчего круги выглядят как овалы.

Иногда в очках бывает также необходима небольшая призматическая коррекция, чтобы облегчить зрачку глаза наведение изображения на желтое пятно. Фокусное расстояние внутри глаза равно примерно 1, 8 см. По принятой для фотообъективов терминологии, его относительное отверстие Р при широко раскрытом зрачке равно