Тонкая и толстая линзы. Оптика глаза

В. Шимкевич.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. - С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон . 1890-1907 .

Смотреть что такое "Редуцированные глаза" в других словарях:

ОРГАН - (от греч. organon орудие), определенная совокупность нескольких тканей, обладающая особой функцией. Клетки животного организма, группируясь, образуют анат. единицы более высокого порядка ткани. Последние, соединяясь, в свою очередь дают анат.… …

Иглокожие представляют собой самостоятельный и весьма своеобразный тип животного мира. По плану своего строения они совершенно не сравнимы ни с какими иными животными и благодаря особенностям своей внешней организации и оригинальной… … Биологическая энциклопедия

- (Serpentes), подотряд пресмыкающихся отряда чешуйчатых (Squamata). Безногие животные с тонким, сильно удлиненным телом, лишенные подвижных век. Змеи произошли от ящериц, поэтому у них много общих с ними черт, но два очевидных признака позволяют… … Энциклопедия Кольера

Термин, применяемый по отношению к организму, его органам или частям, обозначающий уменьшение их в размерах или упрощение в строении, связанное с утратой функций, напр., редуцированные тычинки у некоторых растений,… … Геологическая энциклопедия

Liophloeus tessulatus … Википедия

Acropyga acutiventris Рабочий муравей Acropyga acutiventris Научная классификация Царство: Животные … Википедия

- (Dibamus) единственный род одноименного семейства (Dibamidae) чешуйчатых пресмыкающихся подотряда ящериц (см. ЯЩЕРИЦЫ). Род включает шесть видов, распространенных в Индокитае, на индо австралийских и Филиппинских островах, на Новой Гвинее. У… … Энциклопедический словарь

ИНВОЛЮЦИЯ - (от лат. involutio свертывание), биологическ. ипатологическ. термин, служащий для обозначения явлений обратного развития клеточных элементов, тканей, органов или их частей, а также целых организмов, т. е. для обозначения регрессивных изменений во … Большая медицинская энциклопедия

- (от Фото... и...метрия (См. …метрия) раздел физической оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики оптического излучения (См. Оптическое излучение), испускаемого источниками, распространяющегося в различных средах и… …

Орган восприятия светового раздражения у некоторых беспозвоночных животных (в частности, у головоногих моллюсков), всех позвоночных и у человека. У большинства беспозвоночных функцию Г. несут менее сложные органы зрения, например… … Большая советская энциклопедия

на тему:

«Редуцированный глаз. Преломляющая и оптическая сила. Определение фокусного расстояния»

Выполнил: Кильмямятов Денис

Саранск 2013

Редуцированный глаз

Существует несколько схем редуцированного глаза.

мы приводим данные редуцированного глаза по Вербицкому, наиболее близкие к данным глаза по Гульстранду. В редуцированном глазе только одна преломляющая поверхность-роговица, и весь глаз наполнен однородной средой с одним показателем преломления nr. Именно поэтому обе узловые точки слипаются в одну, совпадающую с центром кривизны роговицы. Главные плоскости тоже сливаются в одну, и одна главная точка совпадает с вершиной роговицы.

Построение изображения для редуцированного глаза

Построение изображения в редуцированном глазе

упрощается тем, что точку В" мы получаем простым проведением прямой через точки В и N. Для y" и мы получаем формулы, аналогичные формулам (10) и (11); но отрезку l" можно теперь придать определенный смысл. Из табл. 2 видно, что вычисленное выше значение l" = 16,6 мм близко в редуцированном глазе к переднему фокусному расстоянию f, взятому с обратным знаком. Есть некоторая разница (0,4 мм), но она, как мы сейчас увидим, неслучайна. По законам геометрической оптики параксиальное изображение точки А должно образоваться на оси системы в точке, лежащей на расстоянии f" от второй главной точки. В редуцированном глазе вторая главная точка совпадает с первой и лежит в вершине роговицы. От нее и нужно отсчитывать расстояниеf". Но f" = 23,8 мм, а вся длина глаза 23,4. Значит, параксиальное изображение точки А оказывается за сетчаткой, как раз на 0,4 мм дальше сетчатки. Можно подумать, что в построении редуцированного глаза допущена какая-то ошибка. Дело, однако, в том, что в своих рассуждениях мы дважды подчеркнули, что рассматриваются параксиальные лучи, т. е. лучи, проходящие близко к оси системы. Только они, проходя параллельно оси системы, сходятся в главном фокусе. Лучи, прошедшие дальше от оси, сходятся ближе фокуса вследствие сферической аберрации. Поэтому наиболее четкое изображение получается не в фокальной плоскости, а несколько ближе - в плоскости наилучшей фокусировки, вблизи которой и располагается лежащая на сетчатке точка А".

Таким образом, разность l и |f| лежит в пределах той погрешности, которую мы допускаем, заменяя оптику широких пучков параксиальным приближением. Поэтому формулы (10) и (11) можно заменить формулами

y" = αf (12)

βy = -f/l (13)

При приближении предмета к глазу, т. е. при значительном уменьшении абсолютного значения l, формулы (12) и (13) уже не могут применяться. Удержание изображения на сетчатке оказывается возможным только путем увеличения оптической силы, или, как ее еще называют, рефракции глаза F. В реальном глазе это осуществляется увеличением кривизны поверхностей хрусталика. Обозначим аккомодационную добавку к рефракции глаза

▲F = l/|l| (14)

Формально ▲F = 0 только при |l| = ∞. Фактически аккомодацией можно пренебречь уже при |l| ≥ 5 м, т. е. пренебречь вменением рефракции глаза на 0,2 дптр. В редуцированном глазе аккомодация учитывается формальным приемом: по Вербицкому на каждую диоптрию добавочной рефракции нужно увеличивать показатель преломления глазной среды на 0,004, а радиус Кривизны роговицы, уменьшать на 0,04 мм. Пусть, например, l = - 25 см., т. е. |l| = 0,25 м, а ▲F = 4 дптр. При этом

n"r = 1,40 + 4 0,004 = 1,416;

r" = 6,8 - 4 0,04 = 6,64 мм.

Поскольку в редуцированном глазе только одна преломляющая поверхность, мы можем воспользоваться выведенной для этого случая формулой

где расстояния от вершины роговицы до предмета и до eго изображения обозначены соответственно l и l"r. Поскольку

Подставив в формулы (16) и (18) значения величии для F = 4 дптр, получим f"= 22,60 мм и l"r = 24,1 мм. Введем величину ▲l, изменение которой характеризует смещение изображения при аккомодации: ▲l = l"r - lr, где lr - длина глаза по Вербицкому. При ▲F = 4 дптр ▲l = 0,7 мм, что заметно больше, чем при покое аккомодации, когда ▲l = 0,4 мм, т. е. изображение смещается на 0,3 мм. Таким образом, предложенный Вербицким способ учета аккомодации при значительной сложности дает малую точность расчета. Для учета аккомодации можно предположить более простой способ, который обеспечивает, кроме того, значительно меньшее изменение ▲l: при увеличении аккомодации на одну диоптрию уменьшать радиус роговицы на 0,1 мм, а показатель преломления сохранять постоянным и равным 1,40, т. е. в формулах (15) - (18) считать n"r = nr = 1,40. Результат такого расчета разности ▲l с помощью формул (16) и (18) приведен в табл. 3.

Аккомодация редуцированного глаза

Видно, что ▲l изменяется только в пределах 0,1 мм, а не 0,3 мм, как дают расчеты по Вербицкому.

Аберрации глаза

Как и всякой оптической системе, глазу присущи аберрации. Об одной из них - сферической аберрации мы уже упоминали. Сейчас следует сказать об аберрациях глаза несколько подробнее.

Аберрациями любой системы , дающей изображение, называются искажения, приводящие к тому, что изображение оказывается не вполне подобным геометрической проекции предмета на плоскость (или поверхность иной формы) и что каждая точка предмета изображается не точкой, а пятном с довольно сложным распределением яркости в нем.

На оси системы наблюдаются сферическая и хроматическая аберрации . Схема сферической аберрации изображена на рис.:

Схема сферической аберрации

чем дальше от оси проходит параллельный ей луч, тем ближе к линзе пересекает он ось. Наиболее удаленные от оси лучи пройдут от нее па расстоянии h = D/2, где D - диаметр входящего в линзу пучка, и собeрутся в точке Аh, лежащей на расстоянии ▲f" от точки А - фокуса параксиальных лучей. Отрезок ▲f" называется продольной сферической аберрацией, выраженной в единицах длины.

Однако обычно продольную сферическую аберрацию выражают г. диоптриях и вычисляют по формуле

Здесь длину отрезков нужно брать в метрах. Если ▲f" ≪ f", формулу можно упростить:

Показатель преломления nr зависит от длины волны света. Поэтому, если на линзу падает белый свет, лучи разных цветов соберутся в разных местах: фиолетовые соберутся ближе всего к линзе. В любом месте вместо белой точки будет получаться пятно, и притом не белое, а окрашенное. Снова можно провести расчет, аналогичный расчету по формуле (19), и получить значение хроматической аберрации Axp.

Для любой точки, лежащей не на оси системы, приходится учитывать и другие аберрации. Лучи, лежащие в меридиональной плоскости, собираются в отрезок прямой на одном расстоянии от линзы, а лучи, лежащие в саггитальной плоскости (а плоскости, проходящей через ось пучка и перпендикулярной меридиональной плоскости), - в отрезок на другом расстоянии от линзы, перпендикулярный первому отрезку. В любом месте изображение точки получается в виде размытого несимметричного пятна. Эта аберрация называется астигматизмом косых пучков .

На какой-то поверхности эти размытия наименьшие, и именно здесь следует помещать экран, чтобы получить наиболее четкое изображение. Как правило, такая поверхность - не плоская, что очень неудобно во многих случаях, например для фотографирования, где поверхность кадра должна быть плоской. Отклонение поверхности наилучшей фокусировки от плоскости называется кривизной поля.

Существуют еще аберрации, искажающие форму всего изображения. Важнейшая из них - дисторсия - изменение увеличения при удалении от оптической оси системы.

Каковы же аберрации глаза ? По данным Иванова при зрачке 4 мм сферическая аберрация глаза Асф = 1 дптр. То же значение имеет и хроматическая аберрация. Много это или мало? Поскольку рефракция глаза около 60 дптр, относительная погрешность рефракции глаза составляет менее двух процентов.

Точнее аберрации оцениваются степенью их влияния на разрешающую силу глаза или, как ее обычно называют, на остроту зрения. Острота зрения V обратно пропорциональна угловому пределу разрешения:

V= l/δ; (21)

δ, как правило, выражается в минутах. V - величина безразмерная.

Врачи обычно считают нормой V = 1. В действительности V зависит от многих условий, прежде всего от яркости фона l.

Диаметр зрачка тоже зависит от разных факторов, даже от эмоций человека. Но все же в основном диаметр зрачка dr зависит от яркости. В среднем эта зависимость выражается формулой

где th - тангенс гиперболический; dr - получается в миллиметрах.

Подробно об остроте зрения мы будем говорить дальше. Сейчас скажем только, что при яркости L = 20 кд/м2 dr = 3,7 мм и δ = 0,64". Если мы обратимся к дифракционной формуле (3) и посчитаем δ при d = 0,37 см, то, переводя радианы в минуты (l" = 2,91 10-4), получим практически ту же величину δ = 0,63. Таким образом, фактически острота зрения ограничивается не аберрациями, а дифракцией. Именно такое требование и ставится к современным, хорошо исправленным объективам: их разрешающая сила, во всяком случае в центре поля зрения, должна быть дифракционной. Дальше исправление аберраций уже не помогает увеличить разрешающую силу.

Хроматическая аберрация , примерно равная сферической, как будто более опасна: она дает не просто пятно рассеяния, а окрашенное пятно. Однако в повседневной жизни мы никогда не замечаем цветных каемок вокруг видимых предметов. Их можно обнаружить только в специально поставленных опытах. Хроматическую аберрацию легко исправить поставленной перед глазом линзой с хроматической аберрацией обратного знака. Неоднократно проводились эксперименты с линзами такого рода. Однако применение их практически не изменяло ни остроты зрения глаза, ни вида находящихся в поле зрения предметов. Делались попытки исправить линзами также сферическую аберрацию глаза. И в этом случае улучшения остроты зрения не наблюдалось.

Следует заметить, что если просчитать ход лучей в схематическом глазе по Гульстранду, мы получим сферическую аберрацию, превышающую ту, которая наблюдается в реальном глазе. Объясняется это тем, что Гульстранд считал радиус кривизны роговицы постоянным, а в действительности в периферической зоне роговицы радиус кривизны больше, чем в центральной. Увеличение радиуса приводит к уменьшению преломляющей силы , т. е. к увеличению фокусного расстояния [см. формулу (16)] и, следовательно, к приближению фокуса крайних лучей к фокусу лучей параксиальных. В недавнее время и в технике стали применять линзы с асферическими поверхностями, хотя точное изготовление их сопряжено с большими трудностями.

Таким образом, оптическая система глаза исправлена достаточно хорошо, чтобы полностью использовать все возможности, предоставляемые волновой природой света.

16565 1

Глаз можно сравнить с техническим устройством, предназначенным для передачи изображений — фото- или кинокамерой, передающим устройством телевизионной системы.

Анатомически глазное яблоко человека представляет собой почти правильную сферу диаметром около 25 мм. Оно состоит из трех оболочек — наружной фиброзной, средней сосудистой и внутренней (сетчатки), которые окружают ядро глаза. Оно включает водянистую влагу, хрусталик и стекловидное тело.

В свою очереди, фиброзная оболочка состоит из непрозрачной части — склеры, охватывающей большую часть глазного яблока, и передней прозрачной части — роговицы. Роговица слегка возвышается над уровнем сферы глазного яблока, так как радиус ее кривизны меньше (около 8 мм), чем радиус склеры (около 12 мм).

В сосудистой оболочке выделяют три части: наибольшая по площади, собственно сосудистая, выстилает изнутри примерно 2/3 склеры. Спереди она переходит в более толстое ресничное (цилиарное) тело, а еще дальше кпереди, на уровне перехода склеры в роговицу, в радужку. Она представляет собой лежащую во внутриглазной жидкости круглую мембрану с отверстием в центре — зрачком. Радужка имеет две мышцы, одна из которых расширяет, а другая — сужает зрачок. Внутренняя оболочка глазного яблока— сетчатка — выстилает в виде тонкой пленки всю сосудистую оболочку от заднего полюса глаза до ресничного тела. Она является той оболочкой, на которой изображение формируется и преобразуется в нервный сигнал.

Клетки, в которых свет преобразуется в нервный импульс, называются фоторецепторами. Они бывают двух видов: палочки, которые чувствительны к слабому свету и возбуждаются при низкой освещенности; колбочки, которые чувствительны к перепадам освещенности при высоких ее значениях, обладают высокой разрешающей способностью и способностью воспринимать цвет.

Палочки рассредоточены по всей периферии сетчатки. В центральной ее части, занимающей задний полюс глазного яблока, расположены колбочки. Они заполняют особую зону сетчатки — овал размером примерно 3x2 мм. Эта зона называется желтым пятном. В центре его находится особо чувствительный к перепадам освещенности участок диаметром 0,3 мм — центральная ямка.

Центральная ямка обеспечивает способность к различению мелких деталей видимых предметов, т. е. остроту зрения. Острота зрения измеряется в десятичных дробях 0,1; 0,2...1,0; 1,1; 1,2 и т. д. За норму, соответствующую остроте зрения 1,0, принимается такая различительная способность глаза, при которой две точки видны как раздельные, если угол между лучами, идущими от них в глаз, равен 1".

Если угол между минимально различимыми точками равен 2", то острота зрения равна 0,5, если 10", то 0,1, и т. д. Иначе говоря, острота зрения равна обратной величине предельного угла различения, выраженного в минутах. Острота зрения — основная функция глаза, на которую ориентируются при подборе очков.

Внутренняя часть глазного яблока заполнена прозрачными внутриглазными средами: сегмент между роговицей и радужкой (передняя камера) заполнен водянистой влагой. Непосредственно за радужкой находится эластичное. плотное чечевицеобразное образование — хрусталик. Он подвешен к ресничному телу при помощи густой сети фиброзных тяжей, называемых ресничной (цинновой) связкой. Большая часть глазного яблока, находящаяся за хрусталиком, заполнена студнеобразной массой — стекловидным телом.

Роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело являются преломляющими свет средами. Вместе они образуют оптическую систему глаза.

Наиболее удачное описание оптической системы среднего нормального человеческого глаза принадлежит шведскому оптику Гулльстранду.

F1 — передний главный фокус; F2 — задний главный фокус; f1 — переднее фокусное расстояние; f2 — заднее фокусное расстояние; Н1 и Н2— передняя и задняя главные плоскости; fвп — переднее вершинное (т. е. отсчитанное от вершины роговицы) фокусное расстояние; fвз — заднее вершинное фокусное расстояние

Как уже говорилось, глаз может быть сравним с прибором для передачи изображений, например с телевизионной передающей камерой — видиконом.

Глазодвигательный аппарат включает наружные мышцы глаза — по 6 мышц в каждом глазу: внутреннюю, наружную, верхнюю и нижнюю прямые, верхнюю и нижнюю косые. Благодаря их согласованной работе глаз постоянно совершает поисковые движения и при появлении в поле зрения какого-либо нового объекта, привлекающего внимание, совершает поворот (скачок) таким образом, чтобы изображение этого объекта попало на центральную ямку.

Преломление в глазе

Глаз является оптическим эквивалентом обычной фотографической камеры. В нем есть система линз, апертурная система (зрачок) и сетчатка, на которой фиксируется изображение.

Система линз глаза сформирована из четырех преломляющих сред: роговицы, водяной камеры, хрусталика, стеклянного тела. Показатели их преломления не имеют значительных отличий. Οʜᴎ составляют 1,38 для роговицы, 1,33 для водяной камеры, 1,40 для хрусталика и 1,34 для стекловидного тела (рис. 2).

Рис. 2. Глаз как система преломляющих сред (числа являются показателями преломления)

В этих четырех преломляющих поверхностях происходит преломление света: 1) между воздухом и передней поверхностью роговицы; 2) между задней поверхностью роговицы и водяной камерой; 3) между водяным камерой и передней поверхностью хрусталика; 4) между задней поверхностью хрусталика и стекловидным телом.

Наиболее сильное преломление происходит на передней поверхности роговицы. Роговица имеет небольшой радиус кривизны, и показатель преломления роговицы в наибольшей степени отличается от показателя преломления воздуха.

Преломляющая способность хрусталика меньше, чем у роговицы. Она составляет около одной трети общей преломляющей мощности систем линз глаза. Причина этого различия в том, что жидкости, окружающие хрусталик, имеют показатели преломления, которые существенно не отличаются от показателя преломления хрусталика. В случае если хрусталик удалить из глаза, окруженный воздухом он имеет показатель преломления почти в шесть раз больший, чем в глазе.

Хрусталик выполняет очень важную функцию. Его кривизна может изменяться, что обеспечивает тонкое фокусирование на объекты, расположенные на различных расстояниях от глаза.

Редуцированный глаз является упрощенной моделью реального глаза. Он схематически представляет оптическую систему нормального глаза человека. Редуцированный глаз представлен единственной линзой (одной преломляющей средой). В редуцированном глазе всœе преломляющие поверхности реального глаза суммируются алгебраически, формируя единственную преломляющую поверхность.

Редуцированный глаз позволяет провести простые вычисления. Общая преломляющая способность сред составляет почти 59 диоптрий, когда линза аккомодирована на зрение отдаленных объектов. Центральная точка редуцированного глаза лежит впереди сетчатки на 17 миллиметров. Луч из любой точки объекта приходит в редуцированный глаз и проходит через центральную точку без преломления. Так же, как стеклянная линза формирует изображение на листе бумаги, система линз глаза образует изображение на сетчатке. Это уменьшенное, действительное, перевернутое изображение объекта. Головной мозг формирует восприятие объекта в прямом положении и в реальном размере.

Глаз по строению оптически эквивалентен обычной фотокамере . Он имеет систему линз, систему меняющейся апертуры (зрачок) и сетчатку, соответствующую фотопленке.

Собственный индекс преломления воздуха равен 1, роговицы - 1,38, водянистой влаги - 1,33, хрусталика (в среднем) - 1,4 и стекловидного тела - 1,34.
Редуцированный глаз . Если алгебраически сложить все преломляющие поверхности глаза и рассматривать их как одну линзу, оптику глаза можно упростить и схематически представить как редуцированный глаз (это полезно для упрощения расчетов). Считают, что в редуцированном глазу существует одна преломляющая поверхность, ее центральная точка расположена на расстоянии 17 мм впереди сетчатки, а общая преломляющая сила составляет 59 дптр при условии аккомодации хрусталика к фиксации взора на дальнем расстоянии.

Примерно 2/3 из 59 дптр общей преломляющей силы глаза приходится на долю передней поверхности роговицы (не хрусталика глаза). Это связано с тем, что показатель преломления роговицы значительно отличается от этого показателя для воздуха, тогда как индекс преломления хрусталика не очень отличается от индексов для водянистой влаги и стекловидного тела.

Общая преломляющая сила хрусталика глаза , когда он нормально расположен в глазу и окружен со всех сторон жидкостью, составляет только 20 дптр, т.е. на его долю приходится примерно 1/3 от общей преломляющей силы глаза. Но значение хрусталика в том, что под влиянием нервной регуляции его кривизна может значительно увеличиваться, обеспечивая аккомодацию, что обсуждается далее в этой главе.

Формирование изображения на сетчатке . Точно так же, как стеклянная линза фокусирует изображение на листе бумаги, оптическая система глаза фокусирует изображение на сетчатке. Хотя изображение объекта на сетчатке перевернуто, наш разум правильно воспринимает объект, потому что мозг «обучен» рассматривать перевернутое изображение как нормальное.

У детей преломляющая сила хрусталика глаза может увеличиваться от 20 дптр до 34 дптр, т.е. аккомодация составляет примерно 14 дптр. Это происходит в результате изменения формы хрусталика от умеренно выпуклой линзы до очень выпуклой. Механизм аккомодации следующий.

У молодого человека хрусталик состоит из прочной эластичной капсулы, заполненной вязкой белковой, но прозрачной жидкостью. Если капсула не натянута, хрусталик имеет почти сферическую форму. Однако, вокруг хрусталика радиально расположены около 70 подвешивающих связок, которые тянут края хрусталика к внешней орбите глазного яблока. Эти связки прикреплены к передней границе сосудистой оболочки и сетчатки глаза и постоянно натянуты. Натяжение связок ведет к тому, что при нормальных условиях хрусталик остается относительно плоским.

Однако в месте прикрепления связок к глазному яблоку находится ресничная мышца, содержащая два отдельных набора гладкомышечных волокон - меридиональные и циркулярные. Меридиональные волокна идут от периферических концов поддерживающих связок к месту соединения роговицы со склерой. При сокращении этих мышечных волокон периферические участки связок хрусталика в месте их прикрепления смещаются в медиальном направлении, к краям роговицы, при этом снижается степень их натяжения и хрусталик освобождается от их тяги.

Циркулярные волокна располагаются вокруг места прикрепления связок, и при их сокращении осуществляется сфинктерподобное действие, уменьшающее диаметр круга, по периметру которого прикреплены связки; это также ведет к ослаблению натяжения связок и освобождению капсулы хрусталика.

Таким образом, сокращение любого набора гладкомышечных волокон ресничной мышцы снижает натяжение связок и, следовательно, капсулы хрусталика, форма которого благодаря его естественной эластичности приближается к сферической.

Аккомодация регулируется парасимпатическими нервами. Ресничная мышца почти полностью регулируется сигналами парасимпатических нервов, передаваемых к глазу по III паре черепного нерва от его ядра в стволе мозга. Возбуждение этих нервов ведет к сокращению обоих наборов волокон ресничной мышцы, что ослабляет натяжение связок, в результате хрусталик становится толще, и его преломляющая сила увеличивается. Это позволяет глазу фокусировать более близкие объекты, чем при меньшей преломляющей силе. Следовательно, для постоянного четкого фокусирования объекта по мере его приближения к глазу количество парасимпатических импульсов, прибывающих к ресничной мышце, должно постепенно возрастать.