Зрението е едно от най-ценните човешки сетива. Докато зрителната система е сравнително сложна част от мозъка, процесът се задвижва от скромен оптичен елемент: окото. Той образува изображения върху ретината, където светлината се абсорбира от фоторецепторите. С тяхна помощ електрическите сигнали се предават към зрителната кора за по-нататъшна обработка.
Основните елементи на оптичната система на окото: роговицата и лещата. Те възприемат светлината и я проектират върху ретината. Струва си да се отбележи, че устройството на окото е много по-просто от това на фотоапаратите с множество лещи, създадени по негово подобие. Въпреки факта, че само два елемента играят ролята на лещи в окото, това не пречи на възприемането на информацията.
Светлина
Присъщата природа на светлината също влияе на някои характеристики на оптичната система на окото. Например, ретината е най-чувствителна в централната част за възприемане на видимия спектър, съответстващ на радиационния спектър на Слънцето. Светлината може да се разглежда като напречнаелектромагнитна вълна. Видимите дължини на вълните от приблизително синьо (400 nm) до червено (700 nm) съставляват само малка част от електромагнитния спектър.
Интересно е да се отбележи, че природата на частицата светлина (фотон) също може да повлияе на зрението при определени условия. Поглъщането на фотони става във фоторецепторите по правилата на произволен процес. По-специално, интензитетът на светлината, достигащ до всеки фоторецептор, определя само вероятността за поглъщане на фотон. Това ограничава способността за виждане при ниска яркост и адаптиране на окото към тъмнината.
Прозрачност
В изкуствените оптични системи се използват прозрачни материали: стъкло или пластмаса с пречупващ фиксатор. По подобен начин човешкото око трябва да формира мащабни изображения с висока разделителна способност, използвайки жива тъкан. Ако изображението, проектирано върху ретината, е твърде замъглено, размито, зрителната система няма да работи правилно. Причината за това може да са очни и невронни заболявания.
Анатомия на окото
Човешкото око може да бъде описано като пълна с течност квазисферична структура. Оптичната система на окото се състои от три слоя тъкани:
- външно (склера, роговица);
- вътрешна (ретина, цилиарно тяло, ирис);
- средно ниво (хориоидея).
При възрастни хора окото е приблизителна сфера с диаметър 24 mm и се състои от много клетъчни и неклетъчни компоненти, получени от ектодермална и мезодермална зародишна линияизточници.
Външната част на окото е покрита от устойчива и гъвкава тъкан, наречена склера, с изключение на предната част, където прозрачната роговица позволява на светлината да навлезе в зеницата. Два други слоя под склерата: хороидея за осигуряване на хранителни вещества и ретината, където светлината се абсорбира от фоторецепторите след образуване на изображение.
Окото е динамично поради действието на шест външни мускула за улавяне и сканиране на визуалната среда. Светлината, влизаща в окото, се пречупва от роговицата: тънък прозрачен слой без кръвоносни съдове, с диаметър около 12 mm и дебелина около 0,55 mm в централната част. Водният сълзотворен филм върху роговицата гарантира най-добро качество на изображението.
Предната камера на окото е пълна с течно вещество. Ирисът, две групи мускули с централен отвор, чийто размер зависи от свиването, действа като диафрагма с характерен цвят в зависимост от количеството и разпределението на пигментите.
Зеницата е дупката в центъра на ириса, която регулира количеството светлина, влизащо в окото. Размерът му варира от по-малко от 2 мм при ярка светлина до повече от 8 мм на тъмно. След като зеницата възприема светлина, кристалната леща се комбинира с роговицата, за да образува изображения върху ретината. Кристалната леща може да промени формата си. Той е заобиколен от еластична капсула и прикрепен към цилиарното тяло чрез зонули. Действието на мускулите в цилиарното тяло позволява на лещата да увеличи или намали силата си.
Ретина и роговица
Има централна депресия в ретината, къдетосъдържа най-голям брой рецептори. Периферните му части дават по-малка разделителна способност, но са специализирани в движението на очите и откриването на обекти. Естественото зрително поле е доста голямо в сравнение с изкуственото и е 160×130°. Макулата се намира наблизо и функционира като светлинен филтър, като се предполага, че защитава ретината от дегенеративни заболявания чрез скрининг на сините лъчи.
Роговица е сферичен участък с преден радиус на кривина от 7,8 mm, заден радиус на кривина от 6,5 mm и нехомогенен индекс на пречупване от 1,37 поради слоевата структура.
Размер на очите и фокус
Средното статично око има обща аксиална дължина от 24,2 мм и отдалечените обекти са фокусирани точно в центъра на ретината. Но отклоненията в размера на окото могат да променят ситуацията:
- късогледство, когато изображенията са фокусирани пред ретината,
- далекогледство, когато се случи зад нея.
Функциите на оптичната система на окото също се нарушават при астигматизъм - неправилна кривина на лещата.
Качество на изображението на ретината
Дори когато оптичната система на окото е перфектно фокусирана, тя не произвежда перфектно изображение. Няколко фактора влияят върху това:
- дифракция на светлината в зеницата (замъгляване);
- оптични аберации (колкото по-голяма е зеницата, толкова по-лоша е видимостта);
- разпръскване в окото.
Специфичните форми на очни лещи, вариациите на индекса на пречупване и геометричните характеристики са недостатъци на оптичната система на окотов сравнение с изкуствените аналози. Нормалното око е поне шест пъти по-ниско качество и всяко създава оригинално растерно изображение в зависимост от наличните аберации. Така, например, възприеманата форма на звездите ще варира от човек на човек.
Периферно зрение
Централното поле на ретината дава най-голяма пространствена разделителна способност, но по-малко бдителната периферна част също е важна. Благодарение на периферното зрение човек може да се ориентира в тъмното, да различава фактора на движение, а не самия движещ се обект и неговата форма и да се ориентира в пространството. Периферното зрение е преобладаващо при животните и птиците. Освен това някои от тях имат ъгъл на видимост от всичките 360° за по-голям шанс за оцеляване. Визуалните илюзии се изчисляват въз основа на характеристиките на периферното зрение.
Резултат
Оптичната система на човешкото око е проста и надеждна и перфектно адаптирана към възприемането на околния свят. Въпреки че качеството на видимото е по-ниско, отколкото при модерните технически системи, то отговаря на изискванията на организма. Очите имат редица компенсаторни механизми, които оставят някои от потенциалните оптични ограничения незначителни. Например, големият отрицателен ефект от хроматичното разфокусиране се елиминира чрез подходящи цветни филтри и лентова спектрална чувствителност.
През последното десетилетие възможността за коригиране на аберациите на очите с помощта на адаптивниоптика. В момента това е технически възможно в лабораторията с коригиращи устройства като вътреочни лещи. Корекцията може да възстанови способността да се вижда, но има един нюанс - селективността на фоторецепторите. Дори ако остри изображения се проектират върху ретината, най-малката буква, която трябва да бъде възприета, ще изисква множество фоторецептори, за да се интерпретира правилно. Изображения на букви, по-малки от съответната зрителна острота, няма да бъдат разграничени.
Основните зрителни нарушения обаче са слабите аберации: разфокусиране и астигматизъм. Тези случаи са лесно коригирани от различни технологични разработки от тринадесети век, когато са изобретени цилиндричните лещи. Съвременните методи включват използването на контактни и вътреочни лещи или процедури с лазерна рефрактивна хирургия за редактиране на структурата на оптичната система на пациента.
Бъдещето на офталмологията изглежда обещаващо. Фотониката и осветителните технологии ще играят ключова роля в него. Използването на усъвършенствана оптоелектроника би позволило на нови протези да възстановят далновидни очи, без да премахват жива тъкан, както е в момента. Новата оптична кохерентна томография може да осигури пълномащабна 3D визуализация на окото в реално време. Науката не стои на едно място, така че оптичната система на окото позволява на всеки от нас да види света в целия му блясък.
