Зрение человека

Справедливо утверждение, что нормально функционирующий глаз выполняет удивительно разнообразную работу и справляется с ней прекрасно. Глаз отыскивает интересующие нас объекты, фокусирует изображение объекта на светочувствительном слое (сетчатке), защищает это изображение от рассеянного, не несущего информации об объекте света, преобразует сформированное таким образом оптическое изображение в совокупность нервных импульсов и передает закодированное в этих импульсах оптическое изображение в мозг по специальному каналу(арительному нерву)
 
 

ФОКУСИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Лучи от объекта попадают на роговую оболочку (роговицу) и при этом почти полностью фокусируются на сетчатке. Фокусировка окончательно завершается естественной линзой, называемой хрусталиком. Если свет слишком ярок, диафрагма в радужной оболочке глаза (ирисовая диафрагма) сужается так, что ее отверстие — зрачок — становится мал и используется только центральный участок хрусталика. Преимущественное использование именно этого участка хрусталика обеспечивает получение наиболее резкого изображения на сетчатке.
 

Роговица.

Роговица представляет собой легко проницаемое для световых лучей продолжение белой склеротической оболочки
глаза (белка глаза). Передняя ее часть очень близка по форме к участку сферы, а ее внешняя поверхность поддерживается с точки зрения оптики в хорошем состоянии, постоянно промываясь соленой водой, которая поступает через слезные протоки. Эта поверхность достаточно часто очищается при мигании век, которые уносят загрязненную пылью соленую воду, заменяя ее чистой. Если какой-либо посторонний предмет попадает на рого¬вицу» его присутствие тотчас же обнаруживается нервными окон¬чаниями в самой роговице и на внутренней поверхности век. Нервные окончания столь чувствительны, что обычно непроиз¬вольно предпринимаются немедленные .меры, удаляющие этот предмет и восстанавливающие таким образом нормальное оптиче¬ское состояние поверхности роговицы.
Если между роговицей и хрусталиком скапливается чрезмерно большое количество так называемой камерной влаги, роговица становится сильно выпуклой, так что ее кривизна становится больше, при этом изображения наблюдаемых предметов фокусируются не на сетчатке, а перед нею (близорукость). Если же камерная жидкость создает слишком малое давление, поверх¬ность роговицы становится плоской, в результате чего изображе¬ния фокусируются за сетчаткой (дальнозоркость) или не фокусируются вообще. Но у большинства людей кривизна роговицы нормальпая, так что хрусталик обеспечивает получение сфоку¬сированного изображения.!

Зрачок. 

Зрачок представляет собой отверстие (ирисовую диафрагму) в радужной оболочке глаза, через которое проходит свет. Поскольку чрезвычайно малая доля света, попадающего в глаз, выходит из него, зрачок обычно выглядит черным. Радужная оболочка (радужка), окружающая зрачок, может быть черной, коричневой, зеленой или голубой в зависимости от того, содержит ли опа много, не очень много, мало коричневого пигмента (мела¬нина) или совсем не содержит его. Голубая окраска, соответствую¬щая полному отсутствию меланина, обусловлена избирательным рассеяпнем света в тканях радужки. Механизм этого рассеяния аналогичен механизму, определяющему голубой цвет неба.
При темновой адаптации глаза радиальные по отношению к цен¬тру зрачка мышцы растягивают радужку, тем самым увеличивая площадь зрачка. Зрачок глаза, адаптированного к темноте, может достигать в диаметре 8 мм. Если же какой-нибудь из двух глаз подвергается внезапному резкому облучению более ярким светом, зрачки обоих глаз автоматически сужаются. Это обусловлено сокращением круговых мышц, расположенных по внутреннему краю отверстия в радужке. Вследствие этого при ярком освеще¬нии используется лишь лучшая, центральная часть оптической
стемы глаза. В результате изображение на сетчатке становится более четким (сферическая аберрация резко уменьшается), а окра¬шенные полоски между темными и светлыми участками изображе¬ния (хроматическая аберрация) почти полностью исчезают. При полном солнечном освещении мы максимально используем оптиче¬ские свойства наших глаз. По не без последствий. Мышцы, управ¬ляющие веками, автоматически сокращаются при избытке света. Мы всегда находимся между максимально острым зрением, сопро¬вождающимся головной болью, и несколько худшим зрением, не сопровождающимся болезненными последствиями.

Хрусталик. 

Хрусталик удерживается на месте радиальными мышцами, стремящимися растянуть его, а также сфинктерной мышцей, расположенной вокруг основания радиальных мышц. Сфинктерная мышца снимает напряжение с хрусталика, представ¬ляющего собой полутвердое упругое тело, и позволяет ему вновь вернуться в исходное выпуклое состояние. Для того чтобы видеть близлежащие объекты с достаточно высокой резкостью, сфинк¬терная мышца при аккомодации глаза должна сократиться, позволяя хрусталику принять естественную выпуклую форму. При рассматривании удаленных объектов сфинктерная мышца при аккомодации глаза расслабляется и позволяет радиальным мышцам сделать поверхность хрусталика почти плоской. С воз¬растом вещество хрусталика постепенно теряет свою упругость, так что растягивающие радиальные мышцы на него не действуют. Так наступает время, когда нам для работы необходимы очки. Кроме того, с возрастом хрусталик желтеет, а иногда и столь силь¬но изменяется, что совершенно теряет свою прозрачность — наступает катаракта. Ее появление может быть вызвано и про¬должительным облучением инфракрасными излучениями при работе у нагревательных или иных печей. По мере того как хру¬сталик мутнеет, все предметы в поле зрения воспринимаются как сквозь туман, и так до тех пор, пока глаз не перестает раз¬личать какие бы то ни было детали, а опознает предметы лишь по их цвету. Хирургическое удаление хрусталика возвращает возможность различения деталей, но для фокусировки изображе- пия на сетчатке в этом случае требуются очень сильные очки или контактные линзы. При этом, конечно, теряется аккомодация зрения. Как уже упоминалось, для оптической системы хруста¬лика глаза характерны два дефекта, известные под названием сфе¬рической и хроматической аберраций. Вследствие хроматической аберрации синие и фиолетовые лучи фокусируются в точке, рас¬положенной ближе к хрусталику, чем точки, где собираются в фокус зеленые, желтые и красные лучи.

Стекловидное тело. 

Стекловидное тело представляет собой вязкую жидкость, заполняющую внутренний объем глаза. Оно поддерживает почти постоянным расстояние между хрусталиком и сетчаткой. Его оптические свойства далеки от совершенства: обычно в нем свободно плавают пеплообразные и нитеобразные частицы ткани, частично собирающиеся вблизи сетчатки. Эти частицы ухудшают качество изображения на сетчатке, особенно те из них, которые располагаются близ нее. Они отбрасывают тени, которые можпо увидеть при рассматривании любой яркой и одно¬родно окрашенной поверхности. Как правило, эти тени имеют вид медленно перемещающихся почти прозрачных полосок и буси¬нок, переплетенных змеек и т. д. Вдобавок к этим довольно боль¬шим кусочкам плавающей светорассеивающей ткани стекловидное тело содержит и мельчайшие рассеивающие свет частицы. Его оптические свойства поэтому напоминают свойства воздуха, в котором взвешены пылевые и образующие туман мелкие водяные частицы. Несмотря на все эти несовершенства, оптическая система глаза может формировать очень четкое изображение, определяе¬мое свойствами светочувствительного слоя глаза, т. е. его сетчатки.
 

СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Светочувствительная часть глаза представляет собой мозаику реагирующих на свет клеток (фоторецепторов)— палочек и колбо¬чек сетчатки. Палочки и колбочки находятся в непосредственном контакте с сосудистой оболочкой глаза, находящейся за глазным яблоком, а их окончания направлены в сторону, противоположную падающему свету. С помощью палочек и колбочек изменения в оптическом изображении на сетчатке преобразуются в совокуп¬ности нервных импульсов, распространяющихся от рецепторных клеток в мозг. Колбочки расположены в центральной части сет¬чатки и каждая их группа непосредственно связана с мозгом через внутреннюю поверхность сетчатки и зрительный нерв. Вдобавок к этим прямым соединениям в сетчатке имеется неисчис¬лимое количество локальных проводящих нервных путей. Свет, пересекая стекловидное тело, сначала проходит через слой нерв¬ной ткани сетчатки и кровеносные сосуды и лишь затем попадает иа слой палочек и колбочек. Разработчик телевизионной камеры, основываясь на подобном принципе мозаики светочувствительных элементов, вероятно, позаботился бы о монтаже соединительных проводов так, чтобы не мешать свету, падающему на фотоэлемен¬ты. Сетчатка построена по другому принципу. Нервная ткань располагается между падающим светом и слоем палочек и колбо¬чек. Это означает, что она должна быть почти прозрачной (что 11 есть на самом деле), а кровеносные сосуды, которые непрозрач¬ны, должны быть невидимыми. 

Палочки — ночное зрение. 

Палочки могут реагировать на крайне малые количества лучистой энергии. Они ответственны за нашу способность видеть при лунном свете, свете звездного неба и даже в тех случаях, когда это звездное небо скрыто обла¬ками. Чувствительность палочек максимальна при длине волны падающего света 510 нм (зеленый участок видимого спектра). Однако в нормальном глазу палочки не создают ощущения красного, желтого, зеленого или синего цветов самих по себе. Они обеспечивают только ахрома¬тическое, или нейтральное в цветовом отношении восприятие в виде белого, серого и черного. Более того, каждая палочка не имеет непосредственной связи с мозгом. Они объединяются в груп¬пы. Подобное устройство объясняет высокую чувствительность палочкового зрения, но препятствует различению с его помощью мельчайших деталей. Эти факты поясняют общую бесцветность и нечеткость сумеречного зрения и справедливость пословицы: «Ночью все кошки серы».
В центральной ямке желтого пятна (диаметром ~1°) нет ни одной палочки. Их нет и в более обширной центральной области желтого пятна диаметром ~2°. Но, начиная с границы этой обла¬сти, число палочек на единицу площади сетчатки возрастает по отношению к такому же числу колбочек до тех пор, пока на крайней периферии отображающего участка сетчатки едва ли можно найти хоть одну колбочку. Плотность палочек максималь¬на на угловом удалении примерно в 20° от центра желтого пятна. 
 
Отсутствие палочек в самом центре сетчатки, обеспечивающее наибольшую остроту дневного зрения, породило поговорку: «Чтобы видеть очень слабый свет, нужно вообще не смотреть».

Колбочки — дневное зрение.

 
Реакция колбочек более сложна, чем у палочек. Вместо простого различения света и темноты, а также восприятия ряда различных серых цветов, колбочки обеспечивают восприятие хроматических цветов. Другими сло¬вами, с помощью колбочкового зрения мы можем видеть желтые и синие, красные и зеленые цвета. Спектральное распределение чувствительности колбочкового зрения по длинам волн показано на рис. 1.2 сплошной линией. Эту кривую принято называть кривой видности, а также кривой спектральной чувствительности глаза. Палочковое зрение по сравнению с колбочковым гораздо более чувствительно к излучениям коротковолнового (синего) участ¬ка видимого спектра, а чувствительность к излучениям длинно¬волнового (красного) участка спектра примерно такая же, как у колбочек. Однако колбочки продолжают реагировать на малые увеличения интенсивности падающего света (формирующего изоб¬ражение на сетчатке) даже тогда, когда плотность его потока на какое-то время становится столь велика, что палочки уже не реагируют на них — они насыщены. Иначе говоря, все палочки в таком случае дают максимально возможное количество нервных сигналов. Таким образом, наше дневное зрение обеспечивается почти полностью колбочками. Сдвиг чувствительности к воздей¬ствию света по оси длин волн от колбочкового (дневного) зрения к палочковому (или ночному) зрению посит традиционное наиме¬нование эффекта Пуркинье (правильнее Пуркине). Этот «сдвиг Пуркинье», названный так в честь впервые открывшего его в 1823 г. чешского ученого Пуркине, обусловливает тот факт, что объект, красный при дневном свете, воспринимается нами как черный при ночном или сумеречном освещении, в то время как объект, воспринимаемый днем как голубой, ночью кажется свет¬ло-серым.
Чувствительность палочек вызвана поглощением энергии излу¬чения содержащимся в них светочувствительным пигментом — родопсином. Их нечувствительность в дневное время объясняется тем, что при адаптации глаза к дневному зрению почти весь родоп¬син успевает прореагировать под действием света (отбеливается). Это отбеливание происходит так быстро, что адаптация глаза к дневному освещению завершается в течение пескольких минут. Единственный способ, которым может быть восстановлена чувствительность палочек, состоит в том, чтобы выждать, пока вну¬тренние процессы обмена в глазу не восстановят опять нормаль¬ную концентрацию родопсина в палочках. Эти процессы длятся около получаса. Если матрос должен в ночное время заступить па вахту, он должен примерно за полчаса до этого смотреть на темные предметы, чтобы восстановить палочковое зрение. Он может сделать это, закрыв глаза или посидев в темпом помещенш или же надев темно-красные защитные очки, которые пропускаю только излучение длинноволнового конца видимого спектра, например излучение с длиной волны, большей чем 600 нм. В таком пропускаемом к глазу красном свете он может читать свои инструк¬ции или играть в карты, но поскольку все, на что он смотрит, является более или менее темным, то накопление родопсина в палочках происходит почти столь же быстро, как и при пребыва¬нии в темном помещении. Он может при этом и смотреть обоими глазами, и дать им в то же время отдохнуть. Наличие двух типов светочувствительных приемников (палочек и колбочек) в одном и том же глазу представляет собой большое преимущество. Не всем животным так повезло. Куры, например, имеют только колбочки и поэтому должны ложиться спать с заходом солнца. У сов же есть только палочки; они вынуждены весь день щурить глаза.
Колбочки общим числом ~7 млн. распределены по всей сет¬чатке, за исключением так называемого слепого пятна — места, где нервные волокна объединяются и выходят из глаза, образуя зрительный нерв (рис. 1.1). Наиболее плотно они расположены в центральной ямке желтого пятна, где нет палочек. Их довольно много в области, окружающей центральную ямку, с угловым диа¬метром до 5° (парафовеальная область), где палочек еще очень немного. Небольшое количество колбочек имеется среди преобла¬дающих там] палочек и на крайних участках периферии сетчат¬ки, используемых только для взгляда искоса. Рис. 1.3 [5331 пред¬ставляет собой поперечное сечение сетчатки в области, где отно¬шение числа палочек к числу колбочек равно примерно 4:1. На левой половине рис. 1.3 показано поперечное сечение сетчатки, каким оно выглядит под микроскопом, правая половина — это схематическое изображение, в котором выделены существенные черты реальной картины, помещенной слева. На концах колбочек находятся щетки нервных окончапий, дающие много возможно¬стей для боковых соединений. Такое строение соответствует их сложным функциям. Б центре сетчатки колбочки расположены очень близко одна к другой, что позволяет различать при восприя¬тии очень мелкие детали объекта. Фактически оптическая система глаза такова, что еще более плотпая упаковка колбочек вряд ли улучшит наши зрительные возможности. Не содержащая пало¬чек область (угловым размером в 2°) имеет площадь ~1 мм2 и содер¬жит ^50 000 колбочек. На рис. 1.4 показано, что эти колбочки потеряли характерную для них форму, будучи сжатыми не менее чем до половины диаметра более удаленных к периферии колбочек. Но некоторые колбочки имеют щетки нервпых окончаний, а многие — собственные пути, ведущие в мозг. Таким образом, они приспособлены, чтобы обеспечить нам острое черно-белое зрение п в то же время несколько менее острое цветовое зрение. Умень¬шение остроты цветового зрения обычно истолковывают в сле¬дующем смысле: для адекватной реакции на цвет необходимо использовать две или более колбочек.

Палочки и колбочки — сумеречное зрение.

 
В сумеречном зрении участвуют и палочки, и колбочки. Сумерки — это диапазон освещения, который простирается от освещения, создаваемого излучением от неба при солнце, опустившемся больше, чем на несколько градусов за горизонт, до освещения, которое дает поднявшаяся высоко в ясное пебо луна в половинной фазе. К суме¬речному зрению относится и видение в слабо освещенпом (напри¬мер, свечами) помещении. Поскольку в таких условиях относи¬тельное участие палочкового и колбочкового зрений в общем зри¬тельном восприятии непрерывно изменяется, суждения о цвете отличаются крайней ненадежностью, но иногда люди, ответствен¬ные за выпуск продукции, разрешают производить оценку по цвету при тусклом освещении. Тем не менее имеется ряд продук¬тов, цветовую оценку которых необходимо производить именно с помощью подобного смешанного зрения, так как они и предна¬значены для потребления нами именно при тусклом свете. Приме¬ром может служить фосфоресцирующая краска для условий затем¬нения. Материалы, люминесцентное изучение которых имеет разные цвета, могут быть очепь полезны людям, обязанным работать при тусклом свете в военное время или в фотографической темной комнате. Однако измерение таких цветов требует решения ряда специальных технических проблем.