Лекція №11. Біофізика зору

Людське око - чудове досягнення еволюції та відмінний оптичний інструмент. Поріг чутливості ока близький до теоретичної межі, зумовленої квантовими властивостями світла, зокрема дифракцією світла. Діапазон інтенсивностей, які сприймає око, становить , фокус може швидко переміщатися від дуже короткої відстані до нескінченності.
 
Око є системою лінз, яка формує перевернуте дійсне зображення на світлочутливій поверхні. Очне яблуко має приблизно сферичну форму з діаметром близько 2,3см. Його зовнішня оболонка є майже волокнистим непрозорим шаром, який називають склерою. Світло потрапляє в око через рогівку, що є прозорою оболонкою на зовнішньому боці поверхні очного яблука. У центрі рогівки розташоване кольорове кільце – райдужка (райдужна оболонка) зі зіницею посередині. Вони діють подібно до діафрагми, регулюючи надходження світла в око.
 
Кришталик є лінзою, що складається з волокнистого прозорого матеріалу. Його форма і, отже, фокусна відстань можуть змінюватися за допомогою війкових м'язів очного яблука. Простір між рогівкою і лінзою заповнений водянистою рідиною і називається передньою камерою. За лінзою розташована прозора драглиста речовина, яку називають скловидним тілом.
 
Внутрішня поверхня очного яблука вкрита сітківкою, яка містить численні нервові клітини - зорові рецептори: палички і колбочки, які відповідають на зорові подразнення, генеруючи біопотенціали. Найчутливішою ділянкою сітківки є жовта пляма, де міститься найбільша кількість зорових рецепторів. Центральна частина сітківки містить лише щільно упаковані колбочки. Око обертається, щоб роздивитися об'єкт, який вивчають.

Рис. 1. Око людини

Око є оптичним еквівалентом звичайної фотографічної камери. У ньому є система лінз, апертурна система (зіниця) і сітківка, на якій фіксується зображення.
 
Система лінз ока сформована з чотирьох заломлювальних середовищ: рогівки, водяної камери, кришталика, скловидного тіла. Показники їхнього заломлення не мають значних відмінностей. Вони становлять 1,38 для рогівки, 1,33 для водяної камери, 1,40 для кришталика і 1,34 для скловидного тіла (рис. 2).
Рис. 2. Око як система заломлювальних середовищ (числа є показниками заломлення)
На цих чотирьох заломлювальних поверхнях відбувається заломлення світла: 1) між повітрям і передньою поверхнею рогівки; 2) між задньою поверхнею рогівки і водяною камерою; 3) між водяною камерою і передньою поверхнею кришталика; 4) між задньою поверхнею кришталика і скловидним тілом.
 
Найсильніше заломлення відбувається на передній поверхні рогівки. Рогівка має невеликий радіус кривизни, і показник заломлення рогівки найбільшою мірою відрізняється від показника заломлення повітря.
 
Заломлювальна здатність кришталика менша, ніж у рогівки. Вона становить близько однієї третини загальної заломлювальної потужності систем лінз ока. Причина цієї відмінності в тому, що рідини, які оточують кришталик, мають показники заломлення, що істотно не відрізняються від показника заломлення кришталика. Якщо кришталик вилучити з ока, то, оточений повітрям, він має показник заломлення майже в шість разів більший, ніж в оці.
 
Кришталик виконує дуже важливу функцію. Його кривизна може змінюватися, що забезпечує тонке фокусування на об'єкти, розташовані на різних відстанях від ока.

Редуковане око є спрощеною моделлю реального ока. Воно схематично представляє оптичну систему нормального ока людини. Редуковане око представлене єдиною лінзою (одним заломлювальним середовищем). У редукованому оці всі заломлювальні поверхні реального ока підсумовуються алгебраїчно, утворюючи єдину заломлювальну поверхню.
 
Редуковане око дає змогу провести прості обчислення. Загальна заломлювальна здатність середовищ становить майже 59 діоптрій, коли лінза акомодована на зір віддалених об'єктів. Центральна точка редукованого ока лежить попереду сітківки на 17 міліметрів. Промінь з будь-якої точки об'єкта потрапляє в редуковане око і проходить через центральну точку без заломлення. Так само, як скляна лінза формує зображення на аркуші паперу, система лінз ока утворює зображення на сітківці. Це зменшене, дійсне, перевернуте зображення об'єкта. Головний мозок формує сприйняття об'єкта в прямому положенні та в реальному розмірі.

Для ясного бачення об'єкта необхідно, щоб після заломлення променів зображення формувалося на сітківці. Зміна заломлювальної сили ока для фокусування близьких і віддалених об'єктів називається акомодацією.
 
Найвіддаленіша точка, на яку фокусується око, називається дальньою точкою бачення - нескінченність. У цьому разі паралельні промені, що входять в око, фокусуються на сітківку.
 
Об'єкт видно в деталях, коли його встановлено якомога ближче до ока. Мінімальна відстань чіткого бачення – близько 7 см при нормальному зорі. У цьому разі апарат акомодації перебуває в максимально напруженому стані.
 
Точка, розташована на відстані 25см, називається точкою найкращого бачення, оскільки в цьому разі розрізнювані всі деталі об'єкта, який розглядають, без максимального напруження апарата акомодації, внаслідок чого око може тривалий час не втомлюватися.
 
Якщо око сфокусоване на об'єкт у ближній точці, воно має відрегулювати свою фокусну відстань і збільшити заломлювальну силу. Цей процес відбувається шляхом зміни форми кришталика. Коли об'єкт підносять ближче до ока, форма кришталика змінюється від форми помірно опуклої лінзи на форму опуклої лінзи.
 
Кришталик утворений волокнистою драглистою речовиною. Він оточений міцною гнучкою капсулою і має спеціальні зв'язки, що йдуть від краю лінзи до зовнішньої поверхні очного яблука. Ці зв'язки постійно напружені. Форму кришталика змінює війковий м'яз. Скорочення цього м'яза зменшує натяг капсули кришталика, він стає опуклішим і через природну пружність капсули набуває сферичної форми. І навпаки, коли війковий м'яз повністю розслаблений, заломлювальна сила лінзи найслабша. З іншого боку, коли війковий м'яз перебуває в максимально скороченому стані, заломлювальна сила лінзи стає найбільшою. Цей процес керується центральною нервовою системою.

Рис. 3. Акомодація в нормальному оці

Заломлювальна сила кришталика може збільшуватися від 20 діоптрій до 34 діоптрій у дітей. Середня акомодація становить 14 діоптрій. У результаті загальна заломлювальна сила ока становить майже 59 діоптрій, коли око акомодоване для далекого зору, і 73 діоптрії - при максимальній акомодації.
 
Зі старінням людини кришталик стає товщим і менш пружним. Отже, здатність лінзи змінювати свою форму з віком зменшується. Сила акомодації зменшується від 14 діоптрій у дитини до менш ніж 2 діоптрій у віці від 45 до 50 років і стає рівною 0 у віці 70 років. Тому лінза майже не акомодується. Це порушення акомодації називається старечою далекозорістю. Очі при цьому сфокусовані завжди на сталій відстані. Вони не можуть акомодуватися ні для ближнього, ні для далекого бачення. Отже, щоб бачити ясно на різних відстанях, літня людина має носити біфокальні окуляри з верхнім сегментом, сфокусованим для далекого бачення, і нижнім сегментом, сфокусованим для ближнього бачення.

Емметропія. Вважається, що око буде нормальним (емметропічним), якщо паралельні світлові промені з віддалених об'єктів фокусуються на сітківку при повному розслабленні війкового м'яза. Таке око бачить ясно віддалені об'єкти, коли війковий м'яз розслаблений, тобто без акомодації. При фокусуванні об'єктів ближнього діапазону відстаней в оці скорочується війковий м'яз, забезпечуючи належний ступінь акомодації.
Рис. 4. Заломлення паралельних світлових променів в оці людини.
Гіперметропія (гіперопія). Гіперметропія також відома як далекозорість. Вона зумовлена або малим розміром очного яблука, або слабкою заломлювальною силою системи лінз ока. За таких умов паралельні світлові промені не заломлюються системою лінз ока достатньо для того, щоб фокус (відповідно зображення) містився на сітківці. Для подолання цієї аномалії війковий м'яз має скоротитися, збільшивши оптичну силу ока. Отже, далекозора людина здатна фокусувати віддалені об'єкти на сітківці, використовуючи механізм акомодації. Для бачення ближчих об'єктів потужності акомодації не вистачає.
 
При невеликому запасі акомодації далекозора людина часто не здатна акомодувати око достатньо для фокусування не лише близьких, а навіть віддалених об'єктів.
 
Для корекції далекозорості необхідно збільшити заломлювальну силу ока. Для цього використовують опуклі лінзи, які додають заломлювальну силу до сили оптичної системи ока.
 
Міопія. При міопії (або короткозорості) паралельні світлові промені з віддалених об'єктів фокусуються перед сітківкою, незважаючи на те, що війковий м'яз повністю розслаблений. Це буває через занадто довге очне яблуко, а також унаслідок занадто високої заломлювальної сили оптичної системи ока.
 
Немає механізму, за допомогою якого око могло б зменшити заломлювальну силу свого кришталика менше, ніж це можливо при повному розслабленні війкового м'яза. Процес акомодації призводить до погіршення бачення. Отже, людина з міопією не може фокусувати віддалені об'єкти на сітківку. Зображення може сфокусуватися тільки якщо об'єкт перебуває достатньо близько від ока. Отже, у людини з міопією обмежена дальня точка ясного бачення.
 
Відомо, що промені, які проходять через угнуту лінзу, заломлюються. Якщо заломлювальна сила ока занадто велика, як при міопії, іноді її можна нейтралізувати угнутою лінзою. Використовуючи лазерну техніку, можна також відкоригувати занадто велику опуклість рогівки.
 
Астигматизм. В астигматичному оці заломлювальна поверхня рогівки є не сферичною, а еліпсоїдальною. Це відбувається через занадто велику кривизну рогівки в одній з її площин. У результаті світлові промені, що проходять через рогівку в одній площині, заломлюються не так сильно, як промені, що проходять через неї в іншій площині. Вони не збираються в спільному фокусі. Астигматизм не може компенсуватися оком за допомогою акомодації, але коригувати його можна за допомогою циліндричної лінзи, яка виправить помилку в одній з площин.

Нещодавно для корекції різних аномалій зору стали використовувати пластикові контактні лінзи. Вони встановлюються проти передньої поверхні рогівки і фіксуються тонким шаром сліз, який заповнює простір між контактною лінзою і рогівкою. Жорсткі контактні лінзи роблять із жорсткої пластмаси. Їхні розміри становлять 1мм завтовшки і 1см у діаметрі. Також існують м'які контактні лінзи.
 
Контактні лінзи замінюють рогівку як зовнішній бік ока і майже повністю анулюють частку заломлювальної здатності ока, яка в нормі припадає на передню поверхню рогівки. При використанні контактних лінз передня поверхня рогівки не відіграє значної ролі в заломленні ока. Основну роль починає виконувати передня поверхня контактної лінзи. Особливо важливо це в осіб з ненормально сформованою рогівкою.
 
Іншою особливістю контактних лінз є те, що, повертаючись разом з оком, вони дають ширшу ділянку ясного бачення, ніж це роблять звичайні окуляри. Вони також зручніші у використанні для художників, спортсменів тощо.

Здатність людського ока ясно бачити дрібні деталі обмежена. Нормальне око може розрізняти різні точкові джерела світла, розташовані на відстані 25 секунд дуги. Тобто, коли світлові промені з двох окремих точок потрапляють в око під кутом понад 25 секунд між ними, вони видні як дві точки. Промені з меншим кутовим розділенням не можуть бути розрізнені. Це означає, що людина з нормальною гостротою зору може розрізнити дві точки світла на відстані 10 метрів, якщо вони одна від одної перебувають на відстані 2 міліметри.
Рис. 7. Максимальна гострота зору для двох точкових джерел світла.
Наявність цієї межі передбачена структурою сітківки. Середній діаметр рецепторів у сітківці становить майже 1,5 мікрометра. Людина може нормально розрізнити дві окремі точки, якщо в сітківці відстань між ними становить 2 мікрометри. Таким чином, щоб розрізняти два невеликі об'єкти, вони мають збудити дві різні колбочки. Принаймні між ними один буде перебувати 1 незбуджена колбочка.