3. Глаз

Структура глаза

Глаз состоит из защитной роговицы, радужной оболочки, определяющей границы зрачка, через которую проходит свет, хрусталика и сетчатки, которая служит экраном (➙ рис. 21.6). Коэффициент преломления у хрусталика не такой, как у воздуха, и он имеет выпуклую форму, то есть является выпуклой линзой, хотя он состоит и не из стекла.

Предположим, что человек смотрит на луну, бесконечно удаленную с точки зрения оптики. Лучи, исходящие от центра луны, идут параллельно друг другу и параллельно оптической оси (➙ рис. 21.6.а). Поскольку человек видит четкое изображение луны, это значит, что все лучи сходятся в единой точке, расположенной на сетчатке, которая, как мы видели, соответствует переднему фокусу.

Рис. 21.6 – Изображение в глазу бесконечно удаленного объекта

В части (b) мы схематично изобразили рецепторы света на сетчатке. На рисунке видно, что в частях (a) и (b) лучи падают в разные точки, то есть можно различить центр и край луны. Иначе говоря, мы видим луну не в виде точки, а как диск.

Что же касается лучей, идущих от края луны, они также параллельны друг другу, но не параллельны лучам, исходящим из центра луны (в противном случае мы не смогли бы различить центр и край), – мы изобразили это на рис. 21.6.b. Они также сходятся в единой точке на сетчатке.

В итоге на сетчатке формируется четкое изображение диска. Если бы все световые лучи луны достигали одного и того же рецептора, планета была бы видна в виде точки, а не диска.

Также если глаз смотрит на две близких звезды, он сможет различить их, только если каждая звезда изобразится на отдельном рецепторе сетчатки, потому что в этом случае мозг может воспринять две информации по отдельности. Таким образом, размер рецепторов сетчатки управляет разрешением глаза, то есть нашей способностью видеть детали.

Феномен аккомодации

Из предыдущего примера мы видим, что хрусталик имеет продуманно выпуклую форму, что позволяет четко видеть бесконечно удаленный объект (его «сходимость пучка» адаптирована к такому типу объектов). Но объекты, расположенные на расстоянии всего 30 см, также четко видны, хотя не являются бесконечно удаленными.

Рис. 21.7 показывает, что в данном случае не так: лучи, идущие от некоторой точки объекта, не параллельны между собой, они расходятся в разные стороны. Чтобы собрать их на оптической оси в единую точку на сетчатке, нужно рассеять их гораздо сильнее. Иными словами, нам необходим гораздо более выпуклый хрусталик (более сильная сходимость пучка).

Рис. 21.7 – Изображение в глазу близкого объекта

Для того чтобы одна точка объекта давала одну точку на сетчатке (четкое изображение), необходимо рассеять лучи еще сильнее, чем в случае с бесконечно удаленным объектом (ср. рис. 21.6). Для этого хрусталик должен быть более выпуклым, что происходит при посредстве сжимающих его мышц. Это феномен аккомодации.

Для этого существуют мышцы, сжимающие хрусталик и заставляющие его становиться более выпуклым в зависимости от удаленности объекта. Такая способность делать хрусталик более выпуклым путем нажатия на него называется аккомодацией. Благодаря этому точка объекта, расположенного в 30 см от глаза, дает единую точку на сетчатке: изображение четкое.

Мозг может автоматически управлять мышцами хрусталика так, чтобы он постоянно адаптировался к расстоянию до наблюдаемого объекта, а мы этого даже не замечали: глаз является чрезвычайно эффективным инструментом.

Отметим, наконец, что радужная оболочка может открываться и закрываться, чтобы пропускать меньше или больше света (говорят, что радужная оболочка служит диафрагмой): здесь мозг также автоматически управляет закрытием и открытием в зависимости от яркости дневного света, для того чтобы свет не слепил нас, без угрозы для клеток сетчатки. Не будем забывать, что, когда свет поглощается клеткой, он передает ей свою энергию, которая в основном передается в тепловой форме (из-за вибрации атомов): при определенной яркости света рецептор сетчатки может получить необратимый ожог…

КОГДА ГЛАЗ НЕ РАБОТАЕТ КАК НАДО…

Мы описали функционирование «нормального» глаза. Рассмотрим некоторые проблемы зрения.

• Миопия, или близорукость, вырабатывается, когда хрусталик имеет слишком сильную выпуклость: глаз становится таким, как на рис. 21.7, даже без аккомодации. Иначе говоря, чтобы глаз видел четко, объект должен быть расположен близко. Когда хрусталик становится более выпуклым (аккомодация), это позволяет ему видеть еще более близкие объекты: близорукий человек способен видеть ближе, чем не близорукий. Но его хрусталик ни в коем случае не сможет стать менее выпуклым: иначе говоря, он не может видеть бесконечно удаленные объекты. Поскольку большинство объектов вокруг нас являются бесконечно удаленными или находятся от нас на большом расстоянии с точки зрения оптики, близорукий человек видит окружающее очень расплывчато.

И наоборот, при дальнозоркости хрусталик недостаточно выпуклый. Таким образом, чтобы соответствовать рис. 21.6, дальнозоркий глаз должен при аккомодации сузить свой хрусталик. То есть он может четко видеть бесконечно удаленные объекты, но при постоянном напряжении мускулов это приводит к утомлению глаза. Более того, дальнозоркий человек, в отличие от человека с нормальным зрением, не может сделать хрусталик более выпуклым: близкие предметы он видит расплывчато.

• Астигматизм – это дефект сферичности глаза: как указывает его название, у глаза отсутствует стигматизм, и он плохо видит на любом расстоянии.

• Наконец, пресбиопия (старческая дальнозоркость) представляет собой большие трудности с аккомодацией: такое наступает с возрастом, когда мышцы глаза начинают слабеть. Глаз видит хорошо, пока не требуется аккомодация: нормальный глаз будет продолжать хорошо видеть бесконечно удаленные объекты, но будет плохо видеть близко расположенные.

Мы видим, что в основном глаз, который был изначально нормальным, с пресбиопией хорошо видит вдаль и плохо вблизи, как дальнозоркий. Но физические причины здесь совершенно разные: человек с пресбиопией может быть одновременно близоруким, тогда как дальнозоркий человек не может одновременно страдать миопией.

Чтобы исправить эти дефекты, достаточно поместить перед глазом линзу (очки служат опорой для линз). Для дальнозорких людей нужны выпуклые линзы, поскольку их хрусталик недостаточно выпуклый. Близоруким нужны линзы вогнутые.

Следствие: использование лупы

Сферическая собирающая линза, используемая отдельно, называется лупой. Зная, как работает глаз, мы теперь можем точно описать метод работы этого оптического инструмента.

Посмотрим невооруженным глазом на пылинку, расположенную в 25 см от нас: у нее определенный видимый диаметр (➙ рис. 21.8.а). Поскольку объект расположен очень близко, глаз должен использовать сильную аккомодацию, чтобы четко видеть, что может его утомить (мышцы должны сильно сжимать хрусталик).

Теперь воспользуемся лупой: лучше расположить ее так, чтобы лучи, исходящие от объекта на выходе из лупы, были параллельны. В этом случае глаз будет видеть бесконечно удаленный объект, и ему не нужна будет аккомодация. На рис. 21.8.b мы ясно видим, что лучи, исходящие от края объекта, выходят с сильным отклонением относительно оптической оси. Иначе говоря, видимый диаметр объекта, который видно через линзу, кажется больше, чем при взгляде невооруженным глазом: объект кажется больше. В этом и заключается главная польза лупы – в увеличении объектов. Но мы между делом замечаем и еще одну пользу: изображая объект бесконечно удаленным, лупа не дает глазам напрягаться.

Рис. 21.8 – Наблюдение с лупой

Лупа играет двоякую роль: с одной стороны, видимый диаметр пылинки больше (угол, под которым видна пылинка, больше). С другой стороны, объект кажется бесконечно удаленным, что позволяет глазу не использовать аккомодацию.

Мы только что видели, как лупа позволяет увеличивать объекты, то есть видеть микроскопические вещи. На практике в микроскопе используются такие маленькие сферические выпуклые линзы; но чтобы добиться большего увеличения, в микроскопе используются две линзы, размещенные одна позади другой. Первая называется объективом микроскопа, вторая окуляром. Мы не будем вдаваться в подробности работы микроскопа, потому что в итоге получим те же выводы, что и при описании лупы.