Реферат: Оптика глаза

План.

1. Проблемы хорошегозрения.

2. Глаз как живаякамера Обскура.

3. Фокусация глаза.

4. Дальняя и ближняяточки.

5. Прессбиоприя.

6. Близорукость.

7. Испытание наблизорукость.

8. Геперопия, илидальнозоркость.

9. Астигматизм.

10. Характеристикабинокулярного зрения.

11. Трёхмерное кино ибинокулярное зрение.

12. Способностьоценивать расстояние и видеть вбок.

13. Различные способыоценки расстояния.

14. Несогласованноенапряжение мускулов.

15. Используемаялитература.

1. Проблемы хорошего зрения.

Представьте себе, что вы стоите на углу оживлённой улице какого-нибудьамериканского города и что вдруг все недостатки зрения превращаются внедостатки ног; тогда более 50% пешеходов начнут хромать или будут, неспособны,ходить без костылей или вынуждены будут прибегнуть к коляскам. Если вместоулицы взять стадион колледжа, то число пострадавших будет составлять около 40%,а на перчаточной фабрике пострадавшими окажутся 8 человек из 10. Современнаяцивилизация облегчала значительную часть нашего каждодневного труда иосвободила нас от многих жизненных забот, но во много раз увеличила нагрузку наглаза. Исследование показывает, что более 95% младенцев рождается с нормальным зрениеми без дефектов глаз. Но, как видно из таблицы 1, очень малый процент ихдостигает пожилого возраста со зрением, которое можно было бы в какой-нибудьмере считать нормальным. На зрение людей возлагается тяжёлая нагрузка. Врезультате этого Америка быстро превращается в страну «очкастых».Несоответствие человеческого зрения в целом – один из самых серьёзных дефектовсовременной цивилизации. Частьперегрузки глаз объясняется тем, что человек пользуется глазами при условияхсовершенно иных, чем те, при которых глаз первоначально развивался и длякоторых он приспосабливался. Первобытный человек пользовался своими глазамипочти для того, чтобы смотреть вдаль при ярком солнечном свете – для охоты,рыбной ловли и для сражений. Когда солнце заходило, обязанности глазакончались. Конечно, первобытный человек не работал целый день с предметами,расположенными вблизи глаз и не ходил потом в панорамное кино, не смотрелтелевизионные передачи в течение нескольких часов и не читал книгу далеко заполночь.

Поскольку многиенедостатки глаза, по-видимому, создаются нагрузкой на них и условиями, прикоторых глаза выполняют работу, положение может быть значительно улучшено.Однако это требует научного подхода со стороны различных групп людей и каждогочеловека в отдельности. Мы, со своей стороны, должны узнать, как устроен глаз,каковы его функции, какие бывают дефекты и какие рабочие условия вызываютперегрузку. Прежде всего, начнём с изучения глаза.

Таблица 1 Приближённый процент нормального зрениясреди лиц разного возраста.Возрастная группа. Процент лиц с недостатками зрения. Новорождённые 0,5 Учащиеся средней школы 20 Учащиеся колледжа 40 40 лет 60 95 лет 95

Данные взяты из книги М. Лекиша (М.Luckiesh, Light, Vision and Seeing, N. Y., 1944)

2. Глаз как живая камера Обскура.

Часто глаз называют живой камерой Обскурой, но какбольшинство аналогий и эта аналогия верна лишь частично. Глаз представляетсобой бесконечно более тонкий и сложный прибор, чем самый лучший фотоаппарат,хотя в принципе они одинаковы. В фотоаппарате, как показано на рис.1, имеетсяпростая собирательная линза или система линз, действующая подобнособирательному хрусталику глаза. Чувствительная плёнка в фотоаппаратесоответствует чувствительности к свету сетчатой оболочке на задней сторонеглаза; ту и другую получают перевёрнутые, действительные, уменьшенныеизображения. Диафрагма регулирует количество света, допускаемого в фотоаппарат;радужная оболочка регулирует количество света, входящего в глаз. В темнотезрачок или отверстие радужной оболочки может иметь диаметр почти 1см, а наярком свете он имеет размер булавочной головки.

3. Фокусация глаз.

В одно мгновениенормальный глаз способен сфокусировать чётко на сетчатой оболочке такой большойудалённый предмет как гора, а в следующую долю секунды он может дать одинаковочёткое изображение отпечатанного текста или спидометра автомашины, находящийсявсего на расстоянии какого-нибудь десятка сантиметров от глаз. Если бы мы необладали такой способностью, нам было бы трудно управлять быстроходнымиавтомобиля и самолётами, не увеличивая количества несчастных случаев, которых ибез того много. Теоретически имеется несколько возможных способов. Рыбафокусирует глаз, изменяя расстояние между линзой и сетчатой оболочкой точно также, как фокусируется фотоаппарат с растяжением. Но, как вы знаете, человеческийглаз фокусируется не таким способом. Хрусталик глаза просто изменяет своюформу. С увеличением расстояния предмета, приводящим к уменьшению расстоянияизображения, мускулы, соединённые с внешними краями глазного хрусталика,заставляют хрусталик сплющиваться и

становитьсятоньше. Таким образом, его фокусное расстояние увеличивается в достаточнойстепени, и изображение резко фокусируется на сетчатой оболочке (рис 2.а). Вслучае, если предмет приближается к глазу, заставляя увеличиваться расстояниедо изображения, хрусталик становится более выпуклым и толстым. Его фокусноерасстояние при этом уменьшается так, что расстояние изображения остаётся полными изображение не сходит с сетчатой оболочки (рис 2, в). Этот процесс, дающий теже самые результаты, что и фокусировка фотоаппарата, называется аккомодацией. Внутренность фотоаппарата зачернена, таккак его стенки поглощают любой попавший луч света. Внутренность глаза точно также окружена тёмной оболочкой, поглощающей свет. Поверх тёмной оболочки глазаимеется твёрдая белая оболочка, сохраняющая форму глазного яблока и защищающаяглаз от повреждений. Во многих отношениях глаз совершеннее, чемфотоаппарат, но не во всех. Фотоаппарат даёт постоянное изображение предметовсо всеми его деталями, между тем как изображение в глазу существует только втечение 1/16 сек до появления следующего чёткого изображения. На сетчатойоболочке часто отсутствуют детали, и одно изображение может перекрываться изаслонять следующее изображение. Именно поэтому два честных наблюдателя могутспорить относительно победителя в гонках. Фотоснимки не обладают такиминедостатками и по этому при таких обстоятельствах имеют преимущество переднепосредственным наблюдателем. Остаточное изображение в глазу приводит кдругим интересным явлениям. Оно вызывает размытие картины спиц вращающегосяколеса и создаёт видимость святящегося следа за быстродвижущимся в темнотеисточником света. В действительности мы видим в кино от 16 до 24 неподвижныхкартин, появляющихся на экране каждую секунду. После каждой такой картины иперед следующей экран затемняется обтюратором кинопроекционного аппарата, ноглаз сохраняет впечатление от одной картины до другой и превращает отдельныеизображения в иллюзию непрерывного движения.

4. Дальняя и ближняя точки.Когдаглазные мускулы совершенно не напряжены, как это бывает в случае, если смотретьна удалённый предмет, хрусталик имеет максимальное фокусное расстояние, и тогдаговорят, что он адаптирован на дальнюю точку. Когда предмет находиться такблизко к глазу, что хрусталик имеет наименьшее возможное фокусное расстояние,то говорят, что предмет расположен в ближней точке. Вы можете определить вашуближнюю точку, медленно приближается шрифт (рис 3) к глазу. Испытаниепроводиться для каждого глаза отдельно. Кратчайшее расстояние, при котором ещёне заметно смазывание глаз, и есть ваша ближняя точка. Измерьте это расстояниедля каждого глаза и сравните с тем, что должно быть согласно таблице 2./>Таблица 2 Приближённое расстояние ближней точки длясреднего глаза в различном возрасте. Возраст

Бл. Тч. См

Возраст

Бл. Тч. См

Возраст

Бл. Тч. см

Возраст

Бл. Тч. см

10 лет

6,7

25 лет

12,5

40 лет

22,5

55 лет

15 >>

7,5

30 >>

45 >>

60 >>

100

20 >>

10 35 >>

17,5

50>>

65 >>

200

Вы можете определить вашу ближнюю точку, медленно приближая мелкий шрифт рис.3 к глазу. Испытания проводятся для каждого глаза отдельно. Кратчайшее расстояние, при котором ещё не заметно смазывание букв, и есть ваша ближняя точка. Измерьте это расстояние для каждого глаза и сравните с тем, что должно быть согласно таблице 2.

Рис. 3.Испытание для определения ближней точки при чтении.

5. Прессбиоприя.

С возрастом способность аккомодациипостепенно уменьшается. Это объясняется уменьшением упругости хрусталика испособности глазных мускулов увеличивать кривизну хрусталика. Этот недостатокназывается прессбиопией. Когда такой недостаток имеет место,ближняя точка удаляется от глаза и аккомодационная способность уменьшается. Изтаблицы 2 видно, что для лиц 65-летнего возраста ближняя точка находиться нарасстоянии 200 см. Каково будет приблизительно ближайшее расстояние, на которомчеловек 65 лет может прочесть эту страницу без помощи очков? При такомрасстоянии (200 см) сомнительно, что можно было разобрать слова вследствиеслишком малой величены изображения на сетчатой оболочке. Идеального расстояниядля чтения или другой работы на близком расстоянии не существует, но еслиучесть все факторы, то можно считать, что наилучшим расстоянием является 32 –37 см. Но если это расстояние меньше, чем примерно полуторное расстояниеближней точки, то напряжение, которое требуется мускулам для того, чтобысфокусировать свет и получить резкое изображение на сетчатой оболочке,настолько велико, что, вероятно, наступит усталость глаза.

В возрасте до 35 летлегко соблюдать это правило. После 40 лет (табл. 2) обычно это трудно сделать.В возрасте 45 лет минимальное расстояние равно 1,5*30=45 см, а это дальше, чемнеобходимо для предмета, чтобы изображение имело соответствующую величину ибыло легко видимо.

После 40 лет среднийхрусталик глаза нуждается в вспомогательном приспособлении для собирания светапри рассмотрении близких предметов. С этой целью перед глазом помещаетсясобирательная линза соответствующей оптической силы. Но с такой линзойневозможно видеть удалённые предметы. Для того чтобы, исправить этотнедостаток, нужно или снять очки, или применить бифокальные линзы. У таких линзнижняя часть применяется для ближнего зрения, а верхняя – для рассматриванияудалённых предметов. Хотя прессбиопия является, по-видимому, естественным инеустранимым недостатком, оказывается, что более сильное освещение ближнихпредметов в значительной степени заменяет очки для чтения. Более сильноеосвещение заставляет сильнее сужаться зрачки. Это создаёт более резкое и чёткоеизображение на сетчатой оболочке так же, как и в фотоаппарате, — чем меньшеотверстие диафрагмы, тем резче изображение.

6. Близорукость.

В том случае, если расстояниемежду сетчатой оболочкой и хрусталиком ненормально велико или хрусталикнастолько закруглён и толст, что его фокусное расстояние ненормально мало,изображение удалённого предмета попадает перед сетчатой оболочкой (рис. 4).Этот дефект глаза очень распространён и называется близорукостью илимиопией. Близорукость – это такой дефект глаза, которыйчрезвычайно распространён среди школьников и студентов. Согласно даннымспециалистов каждые 3 новорождённых из 100 обладают этим дефектом; в начальнойшколе число близоруких составляет примерно 10 из 100; в средней школе числоблизоруких достигает 24%, а в колледже – 31%. Среди диких племён, живущих иработающих большей частью на открытом воздухе, близорукость почти неизвестна.Точно также среди фермеров и лиц, работающих на открытом воздухе, очень малоеколичество страдает от близорукости, если только они не приобрели её в школеили при работе с близкими объектами.

Причиной близорукости в большинстве случаев является,по-видимому, то, что в детстве глаз легко деформируется. При работе с близкимипредметами глазное яблоко «привыкает» удлиняться на столько, что хрусталик ужетеряет способность сплющиваться для фокусирования изображения удалённогопредмета на сетчатой оболочке без избыточного напряжения. Сравните длинублизорукого глаза на рис. 4 с длиной дальнозоркого на рис. 5.

7. Испытание на близорукость.

Один из видов проверки намиопию делается при помощи таблицы Снеллена. Таблица Снеллена в уменьшенном видеизображена на рис. 5. При нормальном зрении можно читать седьмую строчку хорошоосвещённой таблицы стандартных размеров каждым глазом в отдельности срасстоянием в 50 см. Неспособность сделать это не обязательно свидетельствует облизорукости, так как эта непосредственность может быть вызвана другойпричиной. Но если отрицательная (рассеивающая) сферическая линза улучшаетвидимость (при этом нужно начать с линзы малой оптической силы и постепенноувеличивать силу линзы), то можно предположить наличие близорукости.

Близорукость можно исправить, но не вылечить, при помощиочков. В этом случае применяются рассеивающие сферические линзы (рис. 4.с). Эталинза рассеивает параллельные световые волновые лучи, исходящие от удалённыхпредметов в достаточной степени для того, чтобы изображение попало на сетчатуюоболочку дальше того места, где оно находилось бы без применения очков.

8. Гиперопия, или дальнозоркость.

Если расстояние между сетчатой оболочкой и хрусталикомненормально мало или если хрусталик ненормально тонок и сплющен, так чтофокусное расстояние его ненормально велико, то изображение близких предметовоказывается за сетчатой оболочкой (рис.6). Следовательно, близкие предметы немогут быть видимы без напряжения глаза.

Если вы только дальнозорки и не имеете никаких другихнедостатков зрения, то вы легко прочтёте 9-ю строчку таблицы Снеллена, но вашаближняя точка может оказаться дальше своего нормального положения.

Для исправления гиперопии следует уменьшать расстояниеизображения для близких предметов. Это требует применения собирательной(положительной) линзы соответствующей оптической силы (рис. 6.с).

9. Астигматизм.

Обычно поверхность роговой оболочки – нескольковыступающей передней части глазного яблока – и поверхность хрусталика являютсячастями почти идеальной сфер. Однако нередко кривизна одной или обоих этихповерхностей оказывается большей в одной плоскости, чем в какой – либо другой.Этот дефект, в результате которого получается нечёткое зрение, называется астигматизмом.

Астигматизм можнообнаружить при помощи рис.7. Нормальный глаз видит группы линий, изображенныхна рисунке с одинаковой чёткостью на всех расстояниях от глаза. В случае, еслиглаз имеет астигматизм (каждый глаз проверяется отдельно), вертикальные илигоризонтальные линии или некоторые линии между ними кажутся чёткими и чёрными,а линии, расположенные под прямым углом к ним, кажутся менее тёмными.

Астигматизм может причинить головные боли и создаватьрасплывчатость, в особенности, если читать длительное время подряд. Астигматизмисправляется цилиндрической линзой вместо сферической, как показано на рис. 8.Отметьте, в частности, что направление кривизны линзы очков должно совпадать ссоответствующей кривизной глазного хрусталика. Следовательно, еслиастигматическая линза меняет своё положение относительно глаза, необходимопринять меры, чтобы вернуть её на место, так как совершенно необходимо, чтобысоответствующие кривизны совпадали.

10. Характеристика бинокулярного зрения.

Если мы смотрим на удалённый предмет, то нормально наодинаковых частях сетчатых оболочек глаза будут получаться одинаковыеизображения; два изображения сливаются в одно благодаря вмешательству мозга.Это называется бинокулярным зрением.

Если изображения фокусируются на несоответствующих другдругу частях сетчатых оболочек глаза, то мозг неспособен слить эти изображенияи в результате может получиться двойное изображение. Изображения не могутслиться также и в том случае, если они заметно асимметричны или одно большедругого. Сначала будет преобладать одно, а затем другое; они будутконкурировать. Если изображения не размыты, то вскоре изображение в одном глазубудет не размыто, то вскоре изображение в одном глазу будет подавлено, так чтотолько одно изображение будет восприниматься мозгом. Фактически один глазперестаёт функционировать. Если закрыть глаз с преобладающим изображением илиесли этот глаз перестанет функционировать, то во многих случаях его роль приметвторой глаз. В результате оказывается, что такой человек нормально видит толькоодним глазом, но не отдаёт себе отчёт в этом. Косоглазые люди, если неисправить их недостатка, видят только одним глазом.

Бинокулярное зрение можно иллюстрировать, расположивнебольшой кусок картона перпендикулярно к рис. 9 вдоль его средней линии иприложив нос к верхнему ребру картона, так что каждый глаз будет видеть толькополовину всего рисунка. В результате этого вы увидите одно трёхмерноеизображение, имеющее не только длину и ширину, но и глубину. Другой хорошейиллюстрацией бинокулярного зрения являются старинный стереоскоп. Дваизображения одного и того же предмета снимаются одновременно двумяфотоаппаратами, расположенными на расстоянии нескольких сантиметров друг отдруга, и готовые фотографии наклеиваются рядом на куске картона. Этот картонвставляется в стереоскоп так, что каждая из фотографий оказывается передпризмой и положительной линзой и каждый глаз видит только одну из фотографий.Положительные линзы несколько увеличивают фотографии, а призмы позволяют слитьдва изображения. Поэтому обе фотографии представляются в виде одноготрёхмерного изображения, обладающего глубиной и всеми свойствами натуры.Видимость глубины объясняется тем, что левое изображение изображает несколькобольшую часть левой стороны трёхмерного тела, а правое изображение – несколькобольшую часть правой стороны. Возможно также, что на той или иной фотографииполучается несколько большая часть верхней или нижней стороны предмета. Прислиянии этих двух слегка различающихся изображений получается эффект глубины.

11. Трёхмерное кино и бинокулярное зрение.

Трёхмерное кино является развитием принципов бинокулярногозрения и методов стереоскопической фотографии. Вместо одного изображения каждойсцены, как это имеет место в обычной кинематографии, двумя различными камерами,расположенными на расстояние нескольких сантиметров друг от друга, снимаютсядве фотографии.

Обе фотографии проецируются одновременно на экран двумяразличными проекторами. Оба проектора поляризуют свет так, что плоскостьполяризации одного проектора перпендикулярна к плоскости поляризации другого.

Поэтому если смотреть на экран через поляроидные очки,как показано на рис. 11, то один глаз видит одно изображение на экране, адругой – другое. В результате оба изображения сливаются в мозгу в одно, имеющеене только ширину и высоту, но и глубину.

12. Способность оцениватьрасстояние и видеть вбок.

Для того, чтобы иметьуспех во многих видах спорта и в других видах деятельности, где требуетсябольшая острота зрения, необходимо уметь оценивать расстояние и глубину и в тоже самое время видеть обоими глазами по сторонам.

/>/>

Так, например, в баскетболеи футболе способность игрока оценивать расстояние подвергается серьёзномуиспытанию, когда он передаёт мяч спешащему ему на помощь игроку, находящемусядалеко на другой стороне площадки или поля. В то же время пасующий игрок долженясно и чётко видеть под прямым углом в обе стороны для того, чтобыпредостеречься от игрока противной команды, подбегающего со стороны для того,чтобы отбить мяч.

Хороший водитель автомашины тоже должен обладать такойспособностью. На перекрёстках оживлённых улиц хороший водитель будет смотретьпрямо перед собой, не глазея в право или в лево. Но при таком положении егоголовы и глаз он может обнаружить движущийся предмет, находящийся справа илислева от него и в то же время легко избежать столкновения с машиной,находящийся перед ним. При управлении машиной водитель должен обладать угломзрения 180 или 90 в каждую сторону.

Спортсмены, лишённые способности оценивать расстояние, немогут хорошо согласовать свои действия с другими игроками, не могут хорошо«попадать» в бейсболе, а также неудачно «попадают» мячом в корзину, играя вбаскетбол. Точно так же водитель автомашины, который не может хорошо оцениватьрасстояние и видеть в стороны чаще попадать в неприятные истории, чем это былов противном случае.

13. Различные способы оценки расстояния.

Расстояние оцениваютразличными способами. Если вы посмотрите на рис. 13, то увидите длинный рядтелеграфных столбов, уходящий вдаль; на самом же деле все столбы на рисункенаходятся на одном и том же расстоянии от вашего глаза.

Секрет этой оптической иллюзии заключается в том, что помере увеличется расстояния предмета от глаза размер его изображенияуменьшается. На рис. 13 столб, который представляет наиболее удаленным, самыймаленький на рисунке, и он

изображается таким же на сетчатой оболочке. Поскольку высотастолбов на рисунке приведена в соответствующей пропорции и столбы правильнорасположены друг относительно друга, то на сетчатой оболочке они дают такоеизображение, которое вызывает иллюзию удаления, хотя все эти предметы инаходятся на одном и том же расстоянии от глаза. Таким образом, вы видите, чтоесли мы наблюдаем несколько предметов, имеющих одинаковые размеры, то мы судимоб их относительных расстояниях по относительным размерам их изображений внашем глазу. Опыт научил нас оценивать расстояние уединённого предметапо размеру его изображения. На рис. 14 изображён очень простой прибор, которымможно пользоваться для оценки расстояний.

Одной из причин, почему вы можете лучше оцениватьрасстояние обоими глазами, чем одним, является то, что при смотрении обоимиглазами в одну и ту же точку D, как показано на рис.14, необходимо некоторое мускульное усилие для того, чтобы свести оба глазавнутрь. Глаза расположены на некотором расстоянии друг от друга, и мы на опытенаучаемся оценивать расстояние до точки D помускульному усилию, необходимому для сведения (конвергенции) глаз. Для тогочтобы увидеть ещё более близкую точку B, приходитсяупотребить ещё большее мускульное усилие для сосредоточения обоих глаз в точкеВ. Употребляемые в военном деле дальномеры действуют в значительной степени темже способом. Две зрительные трубы находятся на постоянном расстоянии друг отдруга, называемой базой дальномера; каждая из труб фокусируется на некоторыйудалённый предмет. Чем меньше угол, образуемый осями обоих труб, тем большерасстояние до этого предмета.

14. Несогласованиенапряжёния мускулов.

Как мы уже говорили, существует такой недостаток зрения,при котором оба изображения фокусируются не на соответствующих частях обеихсетчатых оболочек. Если этот дефект зрения сильно развит, то возникает двойноеизображение. В более лёгких случаях результатом будут только неправильности вбинокулярном зрении. Этот недостаток объясняется тем, что мускулы обоих глазработают не согласованно, не так, как они должны были бы работать. Говорят, чтомускулы не уравновешенны.

Грубое испытание уравновешенности глазных мускулов можнопровести при помощи старинного стереоскопа. На рис. 9 изображена простая карта,которую можно вставить в стереоскоп для проведения испытания. Для нормальныхглаз шар должен находиться приблизительно в средине начерченной прямой,где-нибудь между отметками 4 и 6 эта линия должна проходить через центр кружка.

15. Список литературы:

Артамонов И. Д., Иллюзиизрения, Физматгиз, 1961.

Вавилов С. И., Глаз и Солнце, Изд-во АН СССР, 1956.

Вавилов С. И., О «тёплом» и «холодном» свете, «Знание»,1956.

Валюс Н. А., Как видит глаз, Гостехиздат, 1948.

Клементьев С. Д., Электронный микроскоп, Гостехиздат, 1956.

Кушнир Ю. М., Окно в невидимое, Гостехиздат, 1945.

Левшин В. П., Люминесценция и её технические применения,Изд-во АН СССР, 1956.

Миннарт М., Свет и цвет в природе, Физматгиз, 1959.

Орестов И. Л., Холодный свет, Гостехиздат, 1955.

Слюсарев Г. Г., О возможном и невозможном в оптике,Физматгиз, 1960.

Суворов С. Г., О чём рассказывает свет, Воениздат, 1963.