Физика /
Глаз как оптическая система.
Глаз человека имеет приблизительно шарообразную форму; диаметр его (в среднем) 2,5 см (рис. 1); глаз ок¬ружен снаружи тремя оболоч¬ками.
Внешняя твердая и прочная оболочка /, называемая скле¬рой или белко-вой оболочкой, за¬щищает внутренность глаза от механических повреждений. Склера на передней части гла¬за прозрачна и называется рого¬вой оболочкой или роговицей 2; на всей остальной части глаза она непрозрачна, имеет белый цвет и называется белком.
С внутренней стороны к скле¬ре прилегает сосудистая оболочка 3, со-стоящая из сложного сплете¬ния кровеносных сосудов, пита¬ющих глаз. Эта вторая оболочка в передней части глаза переходит в радужную оболочку, ок-рашен¬ную у разных людей в различный цвет. Радужная оболоч¬ка имеет в се-редине отверстие, называющееся зрачком 4. Радужная оболочка способна деформироваться и таким образом менять диаметр зрачка. Изменение это происходит рефлекторно (без участия сознания) в зависимости от ко¬личества света, попадающего в глаз; при ярком освещении диаметр зрачка равен 2 мм, при слабом освещении доходит до 8 мм.
На внутренней поверхности сосудистой оболочки распо¬ложена сетча-тая оболочка, или сетчатка 6. Она покрывает все дно глаза, кроме его пе-редней части. Сзади через обо¬лочку входит зрительный нерв 7, соединяющий глаз с мозгом. Сетчатка состоит в основном из разветвлений воло¬кон зри-тельного нерва и их окончаний и образует свето¬чувствительную поверх-ность глаза.
Рисунок 1. Схематический раз¬рез глаза человека. 1 — бел¬ковая обо-лочка, 2 —роговая оболочка, 3 — сосудистая обо¬лочка, 4 — зрачок, 5 — хру¬сталик, 6 — сетчатая оболоч¬ка, 7 — нерв, 8 — стекловид¬ное тело, 9 — передняя ка¬мера
Промежуток между роговой и радужной оболочками на¬зывается пе-редней камерой 9; он заполнен камерной влагой. Внутри глаза, непосредст-венно за зрачком, рас¬положен хрусталик 5, представляющий собой прозрач-ное упругое тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы. Кри¬визна поверх-ностей хрусталика может меняться в резуль¬тате действия облегающей его со всех сторон мышцы. По¬средством изменения кривизны поверхностей хру-сталика достигается приведение изображения предметов, лежащих на раз-личных расстояниях, точно на поверхность чувстви¬тельного слоя сетчатки; этот процесс называется аккомода¬цией. Вся полость глаза за хрусталиком за-полнена прозрач¬ной студенистой жидкостью, образующей стекловидное те-ло 8.
По своему устройству глаз как оптическая система схо¬ден с фотоаппа-ратом. Роль объектива выполняет хрусталик совместно с преломляющей сре-дой передней камеры и сте¬кловидного тела. Изображение получается на све-точувст¬вительной поверхности сетчатки. Наводка на резкость изобра-жения осуществляется путем аккомодации. Наконец, зрачок играет роль из-меняющейся по диаметру диафрагмы. Способность глаза к аккомодации обеспечивает возмож¬ность получения на сетчатке резких изображений пред-ме¬тов, находящихся на различных расстояниях. Нормальный глаз в спокой-ном состоянии, т. е. без какого-либо усилия аккомодации, дает на сетчатке отчетливое изображение уда¬ленных предметов (например, звезд). С помо-щью мышечного усилия, увеличивающего кривизну хрусталика и, следова¬тельно, уменьшающего его фокусное расстояние, глаз осу¬ществляет наводку на нужное расстояние. Наимень¬шее расстояние, на котором нормальный глаз мо¬жет отчетливо видеть предметы, меняется в зависимости от возраста от 10 см (возраст до 20 лет) до 22 см (возраст около 40 лет). В более пожилом возрасте способность глаза к аккомодации еще уменьшается: наименьшее расстояние доходит до 30 см и более — возрастная дальнозоркость.
Далеко не у всех людей глаз является нормальным. Нередко задний фокус глаза в спокойном состоянии находит¬ся не на самой сетчатке (как у нормального глаза), а с той или другой стороны от нее. Если фокус глаза в спокойном состоянии лежит внутри глаза перед сетчаткой (рис. 2, а), то глаз называется близоруким. Такой глаз не может отчетливо видеть отдален-ные предметы, так как на¬пряжение мышц при аккомодации еще сильнее от-даляет фокус от сетчатки. Для исправления близорукости глаза должны быть снабжены очками с рассеивающими линзами (рис. 2, б).
Рис. 2. Близорукость глаза (а) исправляется с помощью рассеиваю¬щей линзы (б); дальнозоркость (в) — с помощью собирающей лин¬зы (г)
В дальнозорком глазе фокус при спокойном состоянии глаза находится за сетчаткой (рис. 2, в). Дально¬зоркий глаз преломляет слабее нормального. Для того что¬бы видеть даже весьма удаленные предметы, дальнозоркий глаз должен делать усилие; для видения близко лежащих предметов аккомодаци-онная способность глаза уже недо¬статочна. Поэтому для исправления даль-нозоркости упо¬требляются очки с собирающими линзами (рис. 2, г), приво-дящие фокус глаза в спокойном состоянии на сетчатку.
Оптические приборы, вооружающие глаз.
Хотя глаз и не представляет собой тонкую линзу, в нем можно все же найти точку, через которую лучи проходят практически без преломления, т. е. точку, играющую роль оптиче¬ского центра. Оптический центр глаза на-ходится внутри хрусталика вблизи задней поверх¬ности его. Расстояние h от оптического центра до сетчатой оболочки, называемое глубиной глаза, со-ставляет для нор¬мального глаза 15 мм.
Зная положение оптического центра, можно легко пост¬роить изобра-жение какого-либо предмета на сетчатой обо¬лочке глаза. Изображение всегда действительное, уменьшенное и обратное (рис. 3, а). Угол φ, под которым виден предмет S1S2 из оптического центра глаза О, называется углом зрения.
Сетчатая оболочка имеет сложное строение и состоит из отдельных светочувствительных элементов. Поэтому две точки объекта, расположенные настолько близко друг к другу, что их изображения на сетчатке попадают на один и тот же элемент, воспринимаются глазом как одна точка. Минималь-ный угол зрения, под которым две светящиеся точки или две черные точки на белом фоне воспринимаются глазом еще раздельно, составляет приблизи-тельно одну ми¬нуту.
Рис. 3. а) Угол зрения (φ=S'1S'2/h=S1S2,/D; б) при увеличении угла зрения увеличивается изображение рассматриваемого предмета на сет¬чатке; N=b'/b=φ'/φ
Глаз плохо распознает детали предмета, которые он видит под углом менее 1'. Это — угол, под которым виден отрезок, длина которого 1 см на расстоянии 34 м от глаза. При плохом освещении (в сумерках) минимальный угол раз¬решения повышается и может дойти до 1°.
Приближая предмет к глазу, мы увеличиваем угол зре¬ния и, следова-тельно, получаем возможность лучше разли¬чать мелкие детали. Однако очень близко к глазу прибли¬зить предмет мы не можем, так как способность глаза к ак¬комодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благопри-ятным для рассматривания предмета оказывается расстояние около 25 см, при котором глаз достаточно хорошо различает детали без чрезмерного утомления. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения. Для близору¬кого глаза это расстояние несколько меньше. Поэтому близо¬рукие люди, помещая рассматриваемый предмет ближе к глазу, чем люди с нор-мальным зрением или дальнозоркие, видят его под большим углом зрения и могут лучше раз¬личать мелкие детали.
Значительное увеличение угла зрения до¬стигается с помощью оптиче-ских приборов. По своему наз¬начению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующие две большие группы.
1. Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа, микроскоп). Эти при¬боры как бы «увеличивают» рассматриваемые предметы.
2. Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объек-тов (зрительная труба, би¬нокль, телескоп и т. п.). Эти приборы как бы «при-ближают» рассматриваемые предметы.
Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптического прибора размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравне-нию с изображением в не¬вооруженном глазе и, следовательно, возрастает способ¬ность распознавания деталей. Отношение длины изображе¬ния на сет-чатке в случае вооруженного глаза b' к длине изображения для невооружен-ного глаза b (рис. 3, б) называется увеличением оптического прибора.