Физиологическая оптика

Описание

К истории вопроса.
Во времена Галена органом, обусловливающим зрение, считался хрусталик. Только в 1600 году Scheinery удалось доказать, что световые впечатления воспринимаются сетчаткой. Kepler же в 1604 г. доказал, что хрусталик служит только для преломления световых лучей.

Направление лучей.
Различают лучи расходящиеся, параллельные и сходящиеся.

Из светящейся точки могут исходить только расходящиеся лучи. Если светящаяся точка удаляется на бесконечно далекое расстояние, то угол, образуемый двумя смежными лучами, также уменьшается и в пределе стремится к нулю. Эти два смежных луча и принимаются за параллельные. Наконец, сходящимися могут быть лучи воображаемые, исходящие из мнимой точки, находящейся „по ту сторону бесконечности".

Простейшая оптическая система.
В двояковыпуклом стекле мы различаем оптическую ось АВ, оптический центр М и главные фокусы—передний Fj и задний F2 и фокусные расстояния—переднее и заднее (рис. 1).

Оптической осью называется прямая, соединяющая центры двух шаровых поверхностей, ограничивающих линзу.

Оптическим центром называется точка, лежащая на оптической оси в средине линзы. Через оптический центр лучи идут, не меняя своего направления. Главными фокусами линзы называются точки, в которых соединяются параллельные оптической оси лучи после прохождения их через сферическое стекло. Расстояние от линзы до ее фокуса называется фокусным расстоянием линзы.
Изображение светящегося объекта после прохождения лучей через двояковыпуклое стекло может быть действительным (+) и мнимым (—) (рис. 2 и 3).

Если представить себе на оптической оси вне фокусного расстояния светящуюся линию АВ (рис. 2), то, как видно из чертежа, она даст по другую сторону сферического стекла обратное и увеличенное изображение. Изображение это будет действительным, так как в нем пересекаются сами преломленные лучи.

Если же эту линию АВ поместить внутри, фокусного расстояния, т. е. между точками F1 и М (рис. 3), то, как видно из чертежа, изображение линии будет находиться на той же стороне, что и сама светящаяся линия, и будет увеличенным и прямым. В этом изображении пересекаются лишь воображаемые продолжения лучей, а не сами лучи, поэтому оно будет мнимым.

Далее, если на оптической оси двояковыпуклого стекла представим себе светящуюся точку L вне фокусного расстояния (рис. 4), то она даст действительное изображение в точке В, и, наоборот, светящаяся точка В даст действительное изображение в точке L. Точки L и В, обладающие тем свойством, что светящаяся точка, помещенная в одном из них, дает изображение в другой, называются сопряженными.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]
Упомянутые термины (оптический центр, фокусные расстояния и др.), поясненные на примере двояковыпуклых стекол, применимы и к двояковогнутым стеклам. Мы не приводим параллельных чертежей лишь в целях упрощения.

Кардинальные точки глаза.
В сложной оптической системе глаза в целом существует три пары кардинальных точек: две главных точки (в передней камере), две узловых точки (в хрусталике) и два главных фокуса, передний (первый) и задний (второй) (рис. 5).

Плоскости, проведенные через обе главные точки перпендикулярно к оптической оси, называются главными плоскостями. Главные плоскости характеризуются- тем, что изображения в них имеют одинаковую величину и одинаковое направление.

Узловые точки обладают тем свойством, что луч, направляющийся к первой узловой точке, выходит после преломления через вторую узловую точку в направлении, параллельном первоначальному.

Главные фокусы—точки, в которых соединяются параллельные оптической оси лучи по преломлении; параллельные лучи, идущие в глаз, соединяются в заднем фокусе, а идущие из глаза — в переднем фокусе.

Прямая линия АА3, проходящая через обе главные, узловые и фокусные точки, есть оптическая ось глаза, а ломаная линия Gk1k2G1 (практически рассматриваемая как прямая линия GG1), соединяющая объект зрения с желтым пятном, есть зрительная линия.
Оптическая ось АА1 и зрительная линия образуют при пересечении угол у (а).

Схематический глаз. Взаимное положение кардинальных точек в каждом глазу подвержено индивидуальным колебаниям, поэтому для упрощения вычислений предложено было пользоваться средними цифрами от измерений нескольких глаз. Такой глаз называется схематическим. Редуцированный глаз. Цифры в схематическом глазу оказались, однако, громоздкими. Поэтому возникла мысль — в целях упрощения вычислений считать обе главные точки за одну и обе узловых точки за одну. В упрощенной конструкции, предложенной Listing’oM, передний и задний главный фокусы имеют такое же положение, как в схематическом глазу, но преломление лучей условно происходит только в одной кривой поверхности, которую называют „приведенной" роговой оболочкой (рис. 6).

С введением редуцированного глаза вычисление взаимного положения основных точек в глазу сильно упростилось. Очень удобный для вычисления глаз предложен Donders’oM.

В его редуцированном глазу положение кардинальных точек таково: главная точка совпадает с центром передней поверхности „приведенной" роговицы; узловая точка совпадает с центром кривизны .приведенной" роговицы и находится в 5/мм позади от вершины роговицы; передний главный фокус лежит в 15 мм впереди от вершины роговицы, а задний главный фокус—в 15 мм позади от узловой ючки (рис. 7).

Глаз как камер-обскура. .Изображения предметов на сетчатке получаются, как в камер-обскуре — действительные и обратные. Почему же мы видим предметы в прямом виде, а не в обратном? Оказывается, первые зрительные впечатления ребенка и бывают обратными, но вскоре устанавливаются тесные взаимоотношения между его зрительными впечатлениями и ощущениями от других органов чувств, особенно осязания. Ребенок начинает коррегировать свои зрительные впечатления ощупыванием предметов и научается таким путем истолковывать (интерпретировать) изображения!, получаемые на сетчатке. Таким образом, мы видим предметы в прямом виде потому, что научились проецировать в пространство изображения предметов на сетчатке по ходу лучей.

Три типа рефракции. Если задний фокус лежит на сетчатке, то такой глаз называется эмметропическим (Е). При миопии (близорукости) задний фокус не доходит до сетчатки, а при гиперметропий (дальнозоркости) он оказывается позади сетчатки (рис. 8).

• а) Гиперметроп (Н) без коррекции может ясно видеть только в том случае, если в его глаз попадут лучи сходящиеся. Но таких лучей в природе нет. Источником их мы можем лишь представить себе мнимую точку, находящуюся в месте продолжения этих расходящихся лучей. Поэтому и говорят, что у гиперметропа дальнейшая точка ясного зрения находится „по ту сторожу бесконечности". Параллельные же лучи, идущие от далекого предмету в глаз гиперметропа, не могут соединиться на его сетчатке, так как задний главный фокус гиперметропа находится позади его сетчатки. Чтобы последний очутился на сетчатке, нужно превратить параллельные лучи в сходящиеся. Этого можно достигнуть, поставив перед глазом двояковыпуклую чечевицу.
  
• б) Миоп (М) может ясно видеть, если в его глаз попадут лучи расходящиеся, параллельные же лучи соединятся впереди сетчатки, поэтому миоп не может различать далеких предметов. Чтобы задний главный фокус очутился на сетчатке, нужно превратить идущие в глаз параллельные лучи в расходящиеся. Этого можно достигнуть, поставив перед глазом миопа двояковогнутое стекло соответствующей силы.
  

Понятие о кругах светорассеяния. Итак, как при гиперметропий, так и при миопии параллельные лучи, идущие в глаз из бесконечно далекой точки, не дают на сетчатке изображения точки. Эти лучи, преломившись в хрусталике, имеют далее направление конуса, вершина которого и представляет собой задний главный Фокус.

При гиперметропии этот фокус, как мы видели, находится позади сетчатки, а в месте пересечения этого конуса с сетчаткой получается на сетчатке круг. Если светящихся вне глаза точек много, то от каждой получается на сетчатке круг. Это и есть круги светорассеяния. Чем сильнее гиперметропия, тем больше и круги светорассеяния.

При миопии такие же круги светорассеяния получаются на сетчатке от пересечения с сетчаткой лучей, составляющих продолжение лучей, собирающихся в заднем главном фокусе. Чем сильнее миопия, тем больше и круги светорассеяния.

На круги светорассеяния оказывает также влияние ширина зрачка. Так как периферические части хрусталика преломляют сильнее, чем центральные, то при широком зрачке создаются условия для возникновения сферической аберрации, которая также вызывает круги светорассеяния. Вот почему миоп старается преградить доступ в глаз лучам, проходящим через периферические» части зрачка, и щурит для этого глаза.

Понятие о диоптрии. Как гиперметропия, так и миопия могут быть различных степеней и могут быть выражены в определенных величинах. Для этого пользуются диоптрийным исчислением. Оптическая сила стекла измеряется, по предложению Монуайе, величиной, обратной фокусному расстоянию. Эта величина названа им диоптрией. В качестве единицы измерения берется стекло» с фокусным расстоянием в 1 метр, преломляющая сила которого-=1/f=1, т. е. одной диоптрии ((1,0 D). Если взять, например, стекло с фокусным расстоянием в 4,0 метра, то его преломляющая сила — 1/4= 0,25D. Что касается гиперметропической и миопичесской рефракции глаза, то она определяется оптической силой того стекла, которое коррегирует его до эмметропии. Например, Н в 5,0 D означает, что со стеклом convex 5,0D такой глаз становится эмметропическим. М в 6,0D означает, что для коррегирования до» эмметропии к глазу надо приставить стекло concave — 6,0 D.

Ход лучей из глаза. Понятие о дальнейшей точке ясного зрения. При различных рефракциях различен также и ход лучей, идущих из глаза наружу. Примем сетчатку за источник света. Очевидно, что если сетчатка принадлежит эмметропическому глазу, то лучи выходят из глаза параллельными и обратно: лучи, исходящие от бесконечно далекого предмета и принимаемые за параллельные, преломятся в оптической системе глаза и пересекутся на сетчатке. Мы говорим поэтому, что дальнейшая точка ясного зрения у эмметропа находится в бесконечности. В гиперметропической глазу лучи, исходящие из сетчатки, берут начало из точки, лежащей внутри фокусного расстояния (так как задний главный фокус в таком глазу находится позади сетчатки), поэтому они будут выходить из глаза расходящимися.
Чтобы сделать расходящиеся лучи, идущие из сетчатки гиперметропического глаза, параллельными, нужно собрать их, т. е. поставить перед глазом двояковыпуклую чечевицу (рис. 9).

Если придать расходящимся лучам, идущим из сетчатки, обратное направление, т. е., по направлению в глаз, они станут тогда сходящимися, пересекутся на сетчатке и вызовут возбуждение ее светочувствительных элементов. Но сходящихся лучей в природе нет, они исходят только из мнимой точки, находящейся по ту сторону бесконечности. Следовательно, дальнейшая точка ясного зрения гиперметропа находится по ту сторону бесконечности.

В миопическом же глазу лучи, исходящие из сетчатки, берут начало из точки, лежащей вне фокусного расстояния (задний фокус при миопии не доходит до сетчатки), поэтому они будут выходить из глаза сходящимися. Если перенести в то место, где эти; лучи сходятся, светящуюся точку, то по закону сопряженных точек изображение ее очутится как раз на сетчатке. Мы говорим поэтому, что дальнейшая точка ясного зрения при миопии находится на конечном расстоянии от глаза. Чтобы сделать лучи, идущие из миопического глаза, параллельными, нужно рассеять их, т. е. поставить перед глазом двояковогнутое стекло (рис. 10).

Офтальмоскопирование в обратном виде. Если осветить участок сетчатки офтальмоскопом, то из освещенного глаза будут выходить лучи, направление которых будет зависеть от рефракции пациента.

При эмметропии, как мы видели, из глаза. будут выходить параллельные лучи, при гиперметропии расходящиеся, а при миопии сходящиеся. Поставив перед глазом пациента сильное двояковыпуклое стекло, мы соберем лучи, идущие из глаза пациента, и получим действительное, увеличенное и обратное изображение освещенной части сетчатки, которое и воспринимается врачом через отверстие офтальмоскопа. Практически поступают так: врач усаживается перед пациентом на расстоянии примерно 40 см, а источник света устанавливается позади левого уха пациента.

Осветив офтальмоскопом исследуемый глаз, врач ставит перед ним на расстоянии от него 7-8 см двояковыпуклое стекло в 13,0 D и затем аккомодирует к воздушному изображению, которое находится впереди лупы на 7 (приблизительно) см. Так как изображение находится от врача на расстоянии (40—7— 7) = 26 см, то последний, если он пресбиоп, должен коррегировать свою пресбиопию. Если перед глазом пациента вместо лупы в 13,0 D поставить лупу большей силы, например 20,0 D, то будет виден больший участок глазного дна, но детали будут менее увеличены. Наоборот, с лупой меньшей силы можно охватить меньший участок глазного дна, но зато детали будут лучше различимы.