Глаз как оптический прибор. Характеристики глаза

1. Лекция 3 (4 сем) для ПиМ. Глаз как оптический прибор. Характеристики глаза.

Курс «Оптика и лазеры» для студентов БГТУ
2 курса ПиМ гр. 1 и 3
Кафедра физики БГТУ
доцент Крылов Андрей Борисович
Часть V.
Оптика
Лекция 3 (4 сем) для ПиМ.
Глаз как оптический прибор. Характеристики глаза.
1. Морфологические структуры глаза. Оболочки глаза. Палочки
и колбочки.
2. Светопреломляющие среды глаза. Аккомодация.
3. Угол зрения и поле зрения. Минимальный угол зрения.
Острота зрения.
4. Основные недостатки оптической системы глаза и их
устранение.
5. Биофизические основы зрительной рецепции. Цветное
зрение. Кривая видности V=f(λ). Сравнение глаза человека и
глаза рака-богомола.
6. Цветовосприятие различных наций. Недостатки
цветовосприятия: разные виды дальтонизма.
7. Адаптация глаза. Закон Вебера- Фехнера для зрения.
2026
1
+8

2. 1. Морфологические структуры глаза

1. Морфологические
Роговица
структуры глаза
Радужка
Размеры глаза:
Зрачок
передне-задний - 24,3 мм
пертикальный – 23,4 мм
горизонтальный – 23,6 мм
Хрусталик - двуяковыпуклая
линза:
диаметр – 8-10 мм
радиус кривизны передней
поверхности – 10 мм
радиус кривизны задней
поверхности – 6 мм
Хрусталик изменяет свою
кривизну благодаря цилиальной
мышце - изменяет свое фокусное
расстояние линзы, а значит и
оптическую силу.
2
+4

3. Оболочки глаза. Палочки и колбочки

Оболочки глаза:
Строение
оболочек глаза
1
2
1.
Склера – наружная непрозрачная
2.
Сосудистая оболочка – питает
3.
Сетчатка (ретина) – состоит из
Светочувствительные клетки:
белковая оболочка – спереди глаза
переходит в роговицу
внутренние структуры глаза – спереди
глаза переходит в радужку с круглым
отверстием – зрачком - диаметром 2÷8
мм
светочувствительных и нервных клеток.
1.
2.
Строение сетчатки
Палочки (отвечают за чёрно-белое
зрение) – 130 млн.
Колбочки (отвечают за цветовое
зрение) – 7 млн.
3
+4

4. 2. Светопреломляющие среды глаза

n - показатель преломления среды
2
3
4
1.
Роговица n=1,38
2.
Влага передней и задней камеры глаза
(разъединены радужкой с отверстием –
зрачком) n=1,33 (как у воды)
3.
Хрусталик n=1,41
4.
Стекловидное тело n=1,34
1
Оптическая ось глаза и зрительная ось глаза
Зрительная ось глаза
Проходит через желтое пятно
Уменьшенное действительное
перевёрнутое
Оптическая ось глаза
Проходит через слепое пятно
Через центр хрусталика
как линзы
Угол - 5 градусов
4
+5

5. Глаз как оптическая система светопреломляющих поверхностей

Оптическая сила – величина, обратная фокусному
расстоянию:
D
1
(дптр)
F
Хрусталик, изменяя свою кривизну благодаря цилиальной мышце, изменяет свое фокусное
расстояние F, а значит и оптическую силу D.
F
Приведённый глаз –
тонкая собирающая
линза, имеющая такие же
оптические
характеристики как глаз
5
+2

6. Аккомодация глаза

Аккомодация – способность глаза видеть резко (чётко) предметы,
расположенные на разных расстояниях от глаза.
Хрусталик изменяет свою кривизну благодаря цилиальной мышце. При натяжении мышцы
фокусное расстояние F хрусталика уменьшается, а оптическая сила D - увеличивается.
Если мышца
расслаблена,Aто
хрусталик самый
Если мышца напряжена, то хрусталик
Диапазон
аккомодации
PR – интервал изменения преломляющей силы глаза (в диоптриях) при
тонкий (радиус кривизны
на ближлежащие
предметы – но
изменениимаксимален)–
его аккомодации от фокусируется
дальней до ближней
точки:
видим, не напрягаясь, удаленные предметы
за счёт утомления мышцы
(от d0 до бесконечности)
- ближняя точка аккомодации P
- дальняя точка аккомодации R
Ближняя точка глаза - минимальное
Расстояние наилучшего зрения - минимальное
расстояние чёткого виденья предметов при
расстояние чёткого виденья предметов без
максимальном напряжения цилиальной мышцы
напряжения цилиальной мышцы (d0=25 см).
(dмин=10-15 см).
6
+3

7. 3. Угол зрения и поле зрения

Угол зрения – это угол, под которым мы
видим предмет
Поле зрения глаза – это максимальная область, видимая одним неподвижным глазом
Поле зрения одного
глаза (левого)
φмах=1400
Монокулярные поля
зрения для двух глаз
Монокулярные поля и
бинокулярное поле зрения для
двух глаз
Бинокулярное зрение - одновременное видение предмета двумя глазами - имеет
преимущества перед монокулярным зрением – даёт ощущение объёма предмета.
7
+2

8. Пример угла зрения на предмет

Угловой размер солнца и Луны
при полном солнечном затмении –
30 угловых минут (0,5 градуса)
8
+1

9. Минимальный угол зрения

Минимальный угол зрения γmin – это минимальный угол, под которым мы видим предмет,
находящийся на расстоянии наилучшего зрения d0=25 см.
H – размер объекта,
h – размер изображения,
d0 – расстояние от объекта до хрусталикарасстояние наилучшего зрения d0 =25
см
f = 17 мм – расстояние от хрусталика до
сетчатки
min– минимальный угол зрения
Две точки воспринимаются раздельно, если их
изображения на сетчатке попадают на разные
колбочки (диаметр колбочки h = 5 мкм):
Тогда минимальный размер предмета,
видимого глазом:
9
+2

10. Определение остроты зрения

Острота зрения – это отношение минимального угла зрения здорового человека (1
угловая минута) к минимальному углу зрения данного пациента:
Размер букв в проверочной таблице выбран так,
что пациент видит их под углом γmin.
Сбоку от таблицы указывается уже не этот
угол, а ОЗ (в англоязычном: v).
Нормальная ОЗ – 1 (чётко видны 10 строчек таблицы)
Если ОЗ менее 0,3-0,4 (чётко видны 3-4 строчки
таблицы), пора одевать очки или линзы
10
+2

11. Пример определения остроты зрения

Вижу не всё. Какова же острота зрения?
Полная острота зрения – вижу правильно все буквы строки. На примере 0,58
Неполная острота зрения – вижу правильно почти все буквы строки. На примере 0,73
Моя острота зрения – среднее арифметическое полной и неполной остроты зрения:
На примере: (0,58+0,73)/2 = 0,655 ≈ 0,7
11
+1

12. 4. Основные недостатки оптической системы глаза и их устранение

1. Операция по уменьшению
толщины роговицы
При этом оптическая сила
глаза D уменьшится и зрение
станет нормой
Норма
2. Очки
3. Контактные линзы
Рассеивающая линза с D<0
«минус»
диоптрии
Очки
Собирающая линза с D>0
Нечёткость изображения на
сетчатке
Форма объекта
не искажается
+ диоптрии
12
+6

13. Недостаток оптической системы глаза – астигматизм - и его устранение

Астигматúзм - искажение изображения оптической системой глаза, в результате чего форма
предмета в изображении изменяется, а линии нечёткие.
Причина – световые лучи в перпендикулярных плоскостях имеют разные фокусные
расстояния.
Изображение предметов при астигматизме
Нечёткость изображения устраняет
цилиндрическая линза
13
+3

14.

5. Биофизические основы зрительной
рецепции
Мембрана диска
Сетчатка (ретина)
В мембранах дисков
находится белок
родопсин или йодопсин
14
+4

15. Цис-транс изомеризация ретиналя

Белки родопсин и йодопсин - сложные белки, основу которых составляет бесцветный
белок опсин разных видов, с которым химически связана хромофорная
(светочувствительная) группа – ретиналь (альдегид витамина А).
Под
действием
света
Обратимый распад зрительного пигмента
Назад на
Световую
адаптацию
Квант света hv поглощается 11-цис-ретиналем –> цис-транс-трансформация ретиналя –>
разрыв родопсина/йодопсина на опсин и ретиналь (обратимый распад зрительного
пигмента)–> ряд фотохимических реакций –> нервный импульс
15
+2

16. Цветное зрение

Сложение трёх цветов
даёт полный спектр
видимого света
Различают колбочки трёх видов:
Максимумы
Если бы
количество
колбочек
разных цветов
было
одинаково
1. йодопсин - синий пигмент (S)
2. йодопсин - зелёный пигмент (M)
3. йодопсин - красный пигмент (L)
Поэтому кроме спектра поглощения
колбочек в целом – кривой видности
с максимумом около 550 нм - можно
наблюдать спектры поглощения
колбочек отдельных цветов:
(максимумы около 440, 540 и 570 нм)
Количество
колбочек разных
цветов разное,
поэтому площади
под кривыми
различаются
При хорошем освещении человек видит
диапазон длин волн
400-760 нм
16
+4

17. Кривые видности

Максимумы в спектрах
поглощения
V
Кривые видности
Палочки более чувствительны к свету и отвечают за
сумеречное зрение
Абсолютный порог чувствительности глаза – 60150 квантов сине-зеленого света
При плохом освещении лучше всего видны предметы
голубовато-зеленого цвета (490-510 нм) и совсем не
видны – красного цвета (более 600 нм)
При повышении освещённости вклад
палочек уменьшается
Кривые видности
палочек и колбочек
Колбочки менее чувствительны к свету, но
различают цвета и отвечают за цветное зрение
При хорошем освещении лучше всего видны предметы
жёлтого цвета (550-560 нм)
Чувствительность среднего нормального человеческого глаза к
световой энергии разной длины волны характеризуют кривой
видности (более точное название — кривая относительной
спектральной чувствительности).
Для максимума
λmax=550 нм принято V =I/Imax= 1 (доли).
V — относительная спектральная чувствительность глаза.
Кривая видности для
дневного света (для колбочек)
с максимумом 555 нм).
При одинаковом потоке энергии света Ф=ФЭ оцениваемая
зрительно интенсивность света I других длин волн ,будет
меньше Imax. Вне интервала видимых длин волн V = 0.
17
+7

18. Пример: сравнение глаза человека и рака-богомола

Пример: сравнение глаза человека и ракабогомола
Радужка глаза человека, роговица и
зрачок на микрофотографии
Человек – 3 вида колбочек
Рак-богомол – 12 видов колбочек
18
+8

19. Вспомним, что человек видит в диапазоне 400÷760 нм

А вот так выглядел бы летний пейзаж, если слегка расширить
диапазон воспринимаемого человеком света:
с 400÷760 нм до 300÷800 нм (как рак—богомол).
19
+3

20. 6. Цветовосприятие различных наций

Язык накладывает отпечаток
на цветовосприятие:
Англичане
Русские
Orange оранжевый
Оранжевый
по-русски
Ruby –
рубиновый
Рубиновый
по-русски
Blue – синий
Синий
по-русски
20
+7

21. Недостатки цветовосприятия – разные виды дальтонизма

Дальтонизм – невозможность различить некоторые цвета
Причина – отсутствие в сетчатке пациента колбочек определённого цвета.
1.
нормальное зрение
2.
не различается красный цвет –
3.
протанопия (часто!)
не различается зелёный цвет –
дейтеранопия (часто!)
4.
не различается фиолетовый цвет
– тританопия
5.
не различает цветов – чёрнобелое зрение - монохроматик
на картинке надо
увидеть исключительно
83 37 44 56
21
+2

22. Адаптация глаза

Адаптация глаза к различной освещённости - способность глаза
приспосабливаться к различной освещённости падающего на глаз света.
Основные физиологические механизмы:
1. Изменение диаметра зрачка в пределах 2-8 мм изменяет световой поток Ф, падающий
на сетчатку в 16 раз (Ф=I*S, где S=πr2);
2. Изменение в зависимости от освещенности степени участия палочек и колбочек в
возбуждении светового ощущения.
Световая адаптация
• при повышении освещенности объекта
• длительность ~ 1 мин
• обусловлена распадом зрительных
пигментов
Распад зрительного
пигмента
Темновая адаптация
• при понижении освещенности предмета
• длительность ~ десятки мин
• обусловлена восстановлением зрительных
пигментов
22
+4

23. Закон Вебера-Фехнера для зрения

Зрительное ощущение Е прямо пропорционально логарифму интенсивности
I падающего в глаз света:
k - коэффициент пропорциональности, С – константа, зависит от адаптации глаза
Продифференцируем это
выражение:
dI 1
dE
I
k
1
dI I dE
k
Дифференциальный порог
Разностный порог
относительная минимальная разность
интенсивности светового пятна и фона
минимальная разность интенсивности
светового пятна и фона
• не зависит от интенсивности фона I
• зависит (прямо пропорционально) только от
чувствительности глаза dЕ
• пропорционален интенсивности фона I
• пропорционален чувствительностью глаза dЕ
23
+3

24. Спасибо за внимание!

Курс «Оптика и лазеры» для студентов БГТУ
2 курса ПиМ гр. 1 и 3
Кафедра физики БГТУ
доцент Крылов Андрей Борисович
Спасибо за внимание!
24
+2