Роговица как оптическая система
- 31 Октября, 2018
- Офтальмология
- Савельева Виктория
В статье рассмотрим оптический прибор — глаз как оптическую систему.
Человеческий орган зрения — это особый мир, в котором есть все: солнце, цвет, люди, животные. Само анатомическое строение глаза настолько удивительно и сложно, что до сих пор науке неизвестны все нюансы функционирования зрения. Весьма интересен вопрос о том, что включает в себя эта оптическая система и как она устроена. Для того чтобы световой луч мог достичь своей цели, ему необходимо пройти четыре среды, в которых он преломляется, а информация в ходе этого процесса передается в мозг.
Оптическая система глаз включает роговицу, хрусталик, камерную влагу и стекловидное тело. Все эти структуры являются линзами, которые также имеют свое строение и особые свойства. Но поскольку характеристики сред различны у каждой из них, то и показатель светового преломления различен. В норме эта особенность природных линз способна обеспечить человеку идеальные зрительные функции. Однако любые физиологические или патологические изменения в организме могут существенно воздействовать на эту способность. Глаз человека имеет форму почти правильной сферы. Различные патологии видоизменяют его форму в вертикальный или горизонтальный эллипс, что значительно влияет на фокусировку и остроту зрения.
Рассмотрим подробнее глаз как оптическую систему и оптический прибор.
Роговица
Рефракция глаза и оптическая система начинаются с роговицы, которая является преломляющей линзой, выполняющей, помимо основных функций, защитные. Строение органа можно сравнивать с фотоаппаратом. В данном случае роговица – это его объектив. Световые пучки на ее передней поверхности преломляются. Роговицу, при подробном рассмотрении, составляет пять слоев, что способствует поддержанию уровня ее прозрачности. Здоровая линза — круглая, блестящая, видимых кровеносных сосудов на ней не должно наблюдаться.
Камерная влага
Оптическая система глаз включает в себя важную биологическую среду — влагу. Это вязкая бесцветная жидкость, заполняющая заднюю и переднюю глазные камеры. Каждый день вырабатывается новая порция такой жидкости, а отработанный объем через шлеммов канал поступает в кровоток, после чего выводится из организма. Камерная влага, кроме преломляющей функции, имеет еще и питательную, способствующую насыщению всех элементов глаза аминокислотами. Затрудненный выход ее из камеры влечет возникновение глаукомы.
Хрусталик глаза
Оптическая система глаз снабжена преломляющим элементом, выполняющим функцию рефракции, – это хрусталик. Его часто рассматривают как самостоятельный орган, довольно сложный по строению и очень важный по функциям. Хрусталик глаза является полутвердой субстанцией без сосудов. Он располагается сразу за радужной оболочкой и передает четкое отображение увиденной картинки в рамки желтого пятна на сетчатку. Содержит несколько слоев и капсульную сумку, которая может утолщаться и провоцировать помутнение.
Стекловидное тело
В оптическую систему глаза входит стекловидное тело, которое ее фактически замыкает. Оно обладает множеством важных функций. Его наличие позволяет лучу проходить путь от хрусталика, который локализуется в вязкой жидкости тела, к сетчатке. Не все воспринимают глаз как оптическую систему.
Оптические приборы, вооружающие глаз
Человеческий глаз, несмотря на природное совершенство, по своим свойствам далек от идеальных универсальных оптических приборов. Поэтому необходимо использовать оптику, вооружающую человеческий глаз новыми способностями. При рассмотрении различных приборов следует помнить, что в каждом случае они и орган зрения образуют единую оптическую систему, важнейшим элементом которой считается хрусталик.
Если говорить о глазе как об оптическом приборе в физике, он в целом помогает получить изображение того или иного предмета на сетчатке, и кажущаяся его величина оценивается человеком по величине этого изображения.
Особенностью оптической системы, которая включает в свой состав глаза, является то, что параметры такой системы могут изменяться благодаря изменению фокусного расстояния хрусталика при аккомодации. Подобные соображения позволяют с легкостью изучить действие увеличительной лупы, которая представляет собой обычную выпуклую линзу.
Такими же, только более сложными по строению и функционированию приборами являются микроскоп, телескоп и т. д.
Что не входит в состав оптической системы глаза?
В ее структуру не входят:
- Склера. Роговица прозрачная, пропускает свет. Невидимая часть внешней оболочки глаза белая, которую можно сравнить с яичным белком. Она выполняет ограничительную и защитную функции.
- Радужка. Эта часть глаза является участком сосудистой оболочки, причем радужка полностью лишена сосудов. Это единственная структура человеческого организма, питание которого осуществляется без вмешательства кровеносной системы. В центре радужной цветной оболочки локализуется зрачок, который под воздействием света может расширяться и сужаться. Эта особенность нужна для нормального зрения, поскольку обеспечивает прохождение световых лучей идеального диаметра.
- Цилиарное тело, которое представляет собой соединительное звено между хориоидеей и задней поверхностью радужного покрова. Цилиарное тело содержит отростки, которые осуществляют весьма важные функции. Во-первых, они имеют способность поддерживать хрусталик в подвешенном состоянии, во-вторых, вырабатывают внутриглазную жидкость.
- Сетчатка — самый сложный, элемент органа зрения, имеющий много слоев. Она является природным сенсором, который является периферийным участком анализатора. Именно в этой структуре происходит восприятие света и цвета. Сетчатка очень чувствительная и тонкая, держится благодаря эпителиальным связкам, дополнительно прижимаясь стекловидным телом. Глаз применяет ее для фиксации картинки и передачи ее по зрительным нервам в мозг. В строении сетчатки различают палочковые и колбочковые клетки. Колбочковые различают цветное изображение, а палочковые отвечают за зрение в темноте, но они существенно чувствительней. При тончайшем рассмотрении сетчатка состоит из десяти слоев, различных по своему строению, причем 9 из таковых абсолютно прозрачны.
Преломление света
Главными преломляющими средами человеческого глаза являются роговица, которая обладает наивысшей преломляющей силой, и хрусталик, представляющий двояковыпуклую линзу. Преломление света в глазу проходит по основным законам, которые изучает физика. Лучи, проходящие через центр хрусталика и роговицы (т. е. через главную глазную оптическую ось) перпендикулярно к их поверхности, преломления не испытывают. Остальные преломляются и внутри камеры глаза сходятся в единой точке – фокусе. Такой ход световых лучей обеспечивает на сетчатке четкое изображение, причем оно получается обратным и уменьшенным.
Показатель преломления света в стекловидном теле больше единицы, поэтому фокусные расстояния во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри (заднее) не могут быть одинаковы. Оптическая сила рассчитывается в виде обратного заднего фокусного расстояния глаза, выраженного в метрах. Она зависит от того, в состоянии покоя находится орган зрения или в состоянии аккомодации. Аккомодация — это способность четко различать предметы, которые находятся на разных расстояниях.
Заключение
Основные свойства глаза были представлены выше.
Оптическая система его является природный проектором, преломляя световые лучи и фокусируя их особым образом, сквозь хрусталик на сетчатку. Очень интересно, что картинка отпечатывается на ней в перевернутой форме. Все окружающее, что видит человеческий глаз, анализирует область мозга, отвечающая за зрительное восприятие. Именно там изображение переворачивается в привычное для человека.
Мы рассмотрели глаз как оптическую систему и оптический прибор.
Источник
2.1.1. Строение глаза
На рисунке 2.1. изображен разрез глазного яблокаи показаны основные детали глаза.
Рис. 2.1. Горизонтальный разрез правого глаза.
Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит
в выпуклую и прозрачную роговицу. Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около
22-24 мм, масса 7-8 г.
Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) свет проникает
в глаз. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка может изменяется от 1 до 8 мм.
Помимо сосудов радужная оболочка содержит большое количество пигментных клеток, в зависимости от их содержания и глубины залегания радужная оболочка имеет различный цвет. Когда
в радужной оболочке нет никакого цветного вещества, то она кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света и иногда страдают
светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.
Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик
разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.
Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается
волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих
глаз.
Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр
желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.
2.1.2. Упрощенная оптическая схема
глаза
Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза – сетчатой оболочке, образуя на ней
обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное
тело (рис. 2.2). Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления,
отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.
Рис. 2.2. Оптическая система глаза.
Преломление света в глазе происходит главным образом на его внешней поверхности – роговой оболочке, или роговице, а также на поверхностях хрусталика. Радужная оболочка определяет
диаметр зрачка, величина которого может изменяться непроизвольным мышечным усилием от 1 до 8 мм.
Оптическая система глаза чрезвычайно сложна, поэтому при расчетах хода лучей обычно пользуются упрощенными, эквивалентными истинному глазу «схематическими глазами». В таблице 2.1
приведены данные для аккомодированного и не аккомодированного глаза.
| № | В состоянии покоя | В состоянии наибольшей аккомодации | ||||
| пов-ти | радиус кривизны | осевое расстояние | показатель преломления | радиус кривизны | осевое расстояние | показатель преломления |
| 1 | 7,7 | 0,5 | 1,376 | 7,7 | 0,5 | 1,376 |
| 2 | 6,8 | 3,1 | 1,336 | 6,8 | 2,7 | 1,336 |
| 3 | 10,0 | 3,6 | 1,386 | 5,33 | 4,0 | 1,386 |
| 4 | -6,0 | 15 | 1,336 | -5,33 | 15 | 1,336 |
| Оптическая сила | Оптическая сила | |||||
Таблица 2.1. Данные «схематического глаза».
Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:
где – заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах.
2.1.3. Аккомодация
Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза.
Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается
и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну.
В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения бесконечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близкие
предметы.
Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой глаза.
Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наибольшем возможном напряжении глаза, называют ближней точкой глаза.
При аккомодации глаза на бесконечность задний фокус совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около
9 см (рис. 2.4).
Разность обратных величин расстояний между ближней и дальней точкой называют диапазоном аккомодации глаза (измеряется в дптр).
С возрастом способность глаза к аккомодации постепенно уменьшается. Скажем, в возрасте 20 лет для среднего глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации
10 дптр), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2.5 дптр), а к 60 годам уходит на бесконечность, то есть аккомодация прекращается. Это явление
называется возрастной дальнозоркостью или пресбиопией.
Расстояние наилучшего зрения – это расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании
деталей предмета.
В среднем расстояние наилучшего зрения составляет около
25-30 см, хотя для каждого человека оно может быть индивидуальным.
Источник
Оптическая система глаза представляет собой структуру со сложным устройством, состоящую из множества важных элементов. В её состав включают:
- роговицу;
- хрусталик;
- стекловидное тело;
- камеры глаза;
- сетчатку.
Роговица – полностью прозрачная часть глазного яблока, имеющая выпуклую форму. Роговая оболочка занимает передний отдел глаза и играет роль главной преломляющей среды. Она достигает 11,5 мм по вертикали и 12 мм по горизонтали, её толщина неоднородна. Роговица образована 5 слоями – эпителием, стромой, десцеметовой оболочкой и другими.
Хрусталиком называют прозрачное тело внутри глаза, находящееся напротив зрачка. Этот элемент имеет небольшие размеры (толщина – до 5 мм, высота – 7-9 мм). По форме хрусталик напоминает двояковыпуклую линзу с несколько уплощённой передней стороной. Его преломляющая сила может достигать 20-23 диоптрии. Прозрачность хрусталика обеспечивается особыми белковыми энзимами.
Стекловидное тело – это гелеподобное прозрачное вещество, присутствующее в пространстве между хрусталиком и ретиной, занимающее до 2/3 объёма глазного яблока. Состав данного элемента на 99 % представлен водой. Также в стекловидном теле присутствует немалое количество гиалуроновой кислоты. Внутри него имеются многочисленные каналы, кровеносные сосуды, артерия, питающая хрусталик.
Камеры глаза являют собой замкнутые пространства с внутриглазной жидкостью. В норме они сообщаются через отверстие в радужке (зрачок). Глазное яблоко обладает передней и задней камерами. Первая располагается позади роговицы. Вторая находится за радужкой и длится вплоть до стекловидного тела. Присутствующая в глазных камерах водянистая влага имеет состав, схожий с плазмой крови.
Сетчатка (ретина, сетчатая оболочка) – внутренняя оболочка глаза, образованная высокодифференцированной нервной тканью. В её центральном отделе расположено жёлтое пятно (макула), являющееся местом наибольшей остроты зрения. Сетчатка состоит из многих слоёв, содержащих кровеносные сосуды и нейроны. В ретине содержатся особые светочувствительные рецепторы, именуемые палочками и колбочками.
Отделы зрительного органа, представленные роговицей, хрусталиком, стекловидным телом, глазными камерами, являются природными линзами, имеющими различный показатель светового преломления. Остальные элементы глаза, такие как радужка, зрачок, склера, цилиарное тело не входят в оптическую систему.
Оптический аппарат имеет надёжное устройство, отлично приспособленное для визуального восприятия. Несмотря на то, что качество видимого ниже, чем в усовершенствованных технических системах, его более чем достаточно для потребностей человеческого организма.
Функции оптической системы
Основным назначением оптической системы глаза является обеспечение человека информацией об окружающем мире. Её элементы отвечают за важные особенности видения:
- Бинокулярность – визуальное восприятие обоими глазами. Подобное свойство поддерживается естественным рефлексом, благодаря которому изображения, получаемые каждым органом зрения, соединяются в единые картинки.
- Стереоскопичность, позволяющую оценивать расстояния, на которых находятся предметы, а также воспринимать их рельефно. В полной мере такая функция присутствует, если объекты рассматриваются одновременно обоими глазами.
На качество изображения влияет острота зрения, зависящая от величины колбочек в зоне макулы. Также она обусловлена:
- типом рефракции;
- прозрачностью роговой оболочки;
- степенью эластичности хрусталика;
- размерами зрачков.
Благодаря природным адаптационным способностям глаза оптическая система приспосабливается к различной степени освещённости. Чувствительность зрительного аппарата определяется многими факторами, среди которых преобладают интенсивность светового источника, длина волн, длительность воздействия светового раздражителя.
По мере старения человеческого организма происходит постепенное ухудшение оптических характеристик органов зрения и чувствительность глазного яблока постепенно снижается. Избежать преждевременного развития зрительных дефектов удаётся благодаря качественной профилактике и постоянной заботе о здоровье глаз.
Заболевания оптической системы и их симптомы
К распространённым болезням оптического аппарата относят:
- Миопию (близорукость), приводящую к неполноценному восприятию дальних объектов.
- Гиперметропию (дальнозоркость), вызывающую невозможность нормальной визуализации предметов, находящихся вблизи.
- Астигматизм, провоцирующий плохое видение на различных расстояниях.
- Кератит, характеризующийся наличием «роговичного синдрома».
- Катаракту, поражающую хрусталик, приводящую к его помутнению и уплотнению.
- Глаукому, вызывающую подъём внутриглазного давления, постепенное ухудшение периферического зрения, болезненные приступы.
- Бельмо, для которого характерна утрата роговицей нормальной прозрачности.
Реже встречаются другие патологии, способные непосредственно затрагивать оптические структуры. В списке таких заболеваний значатся кератоконус, кератоглобус, амблиопия, дальтонизм.
Каждое из офтальмологических нарушений имеет собственные характерные признаки. К общим симптомам болезней оптических структур принадлежат диплопия (двоение картинки), снижение остроты зрения, уменьшение полей обзора, повышенная утомляемость глаз, ненормированное слезоотделение, светобоязнь. При наличии проблем с бинокулярным видением нередко развиваются мигрени. Если имела место травма органа зрения, возникают болевой синдром, ощущение присутствия в глазном яблоке инородного тела. Инфекционные заболевания провоцируют покраснение глаз, появление гнойных выделений, расплывчатость изображения.
Методы диагностики и лечения
Чтобы выявить имеющиеся заболевания оптического аппарата, пациентам назначают детальную офтальмологическую диагностику. Обследование состоит из нескольких информативных процедур:
- визометрии, уточняющей уровень остроты зрения;
- офтальмометрии, необходимой для определения преломляющих способностей роговицы;
- офтальмоскопии, исследующей состояние сетчатки и глазного дна;
- кератоскопии, изучающей роговую оболочку глаза;
- тонометрии, помогающей определить показатели внутриглазного давления;
- пахиметрии, состоящей в измерении толщины глазной роговицы;
- скиаскопии, помогающей получить информацию относительно рефракции.
- биомикроскопии, детально изучающей поверхностные и глубокие структуры глазного яблока.
В случае необходимости стандартное исследование зрительного аппарата дополняется такими современными методами, как УЗИ, КТ, МРТ.
Подход к терапии офтальмологических заболеваний определяется разновидностью имеющегося у пациента диагноза. В процессе лечения миопии, гиперметропии, астигматизма преимущественно применяются методы очковой или линзовой коррекции. При инфекционном поражении глазных яблок назначаются противовоспалительные капли, противовирусные или антибактериальные мази. Усилить эффективность основного лечебного курса помогают аппаратные процедуры. В случае развития серьёзных патологий специалисты принимают решение о необходимости в хирургическом вмешательстве.
Оптическая система глаза – важнейший отдел человеческого организма, позволяющий ежедневно познавать окружающий мир и наслаждаться его красотами. Необходимо помнить, что органы зрения характеризуются высокой чувствительностью и нуждаются в постоянном бережном отношении. Даже незначительные нарушения в функционировании оптической системы не должны оставаться без внимания и требуют своевременного обращения за медицинской помощью.
Источник
