Оптические приборы. Глаз и очки

Практически вся информация обо внешнем мире приходит к живым существам благодаря зрению. Мы уже знаем, что гипотеза об «ощупывающих», истекающих из глаз лучах была несостоятельной. Нам также известно, что видим мы лишь те объекты, от которых непосредственно исходит свет либо отражается от них. Однако возникает ряд вопросов: каким образом работает наш глаз при попадании света внутрь? Почему наши глаза не способны различать слишком мелкие или удалённые предметы? Наконец, как устроено человеческое зрение и сам орган зрения – глаз?

Изображение строения человеческого глаза (глазного яблока). Внешний покров органа зрения называется склерой, состоящей из прочных волокнистых тканей, выполняющих защитную роль и обеспечивающих форму глаза. Передняя часть склеры «превращается» в прозрачную роговицу, позволяющую световым волнам проникнуть внутрь глаза. Далее расположена радужная оболочка, окрашенная пигментом, определяющим цвет глаз.

В середине радужки размещён зрачок, способный менять диаметр, регулируя интенсивность поступающего света: при хорошем освещении зрачок сужается, а при плохом – расширяется, обеспечивая возможность восприятия слабого освещения. Позади радужки располагается прозрачное эластичное тело – хрусталик, имеющий структуру двояковыпуклой линзы. Под воздействием особых мышечных усилий хрусталик способен изменять свою выпуклость, помогая фокусироваться на объектах. Пространство перед хрусталиком наполнено жидкой средой – водянистой влагой. А позади него пространство занято стекловидным телом, представляющим собой желеобразную массу. Эти структуры совместно образуют оптическую систему глаза. Внутри глазного яблока расположена сетчатка, включающая клетки, чувствительные к свету, и слои нервов, обрабатывающие визуальную информацию.

Зрительные рецепторы делятся на два типа: одни напоминают формой палочки, другие – колбочки.

Колбочки отвечают за восприятие цветов и мелких деталей объектов. Однако они эффективно функционируют только лишь при очень хорошем освещении. Палочки же отличаются повышенной чувствительностью к свету, позволяя нам видеть даже в условиях низкой освещённости. Хотя они неспособны распознавать оттенки. Таким образом, способность видеть очертания предметов в полутьме обусловлена работой палочек. Тогда как определение цветовой гаммы доступно лишь при дневном свете и обеспечивается колбочками. Кроме того, в сетчатке осуществляется процесс преобразования световых сигналов, полученных глазами, в электрические импульсы нервной системы. Затем эта информация передаётся в головной мозг, где создаётся полноценное изображение объекта. Благодаря работе мозга человек воспринимает внешний мир таким, каким он есть на самом деле.

Большинство из нас обладают удивительной способностью одинаково ясно воспринимать как близко находящиеся, так и отдалённые объекты. Например, водитель легко читает показания приборов своей машины и одновременно уверенно замечает знаки дорожного движения вдали. Для чёткого видения любого предмета свет, идущий от него, обязательно должен концентрироваться в одной точке, расположенной прямо на поверхности сетчатки.

Это достигается за счёт изменения формы хрусталика глаза, которое называют процессом аккомодации. Когда объект приближается, хрусталик приобретает большую выпуклость, уменьшая своё фокусное расстояние, чтобы изображение правильно отображалось на сетчатке. Если предмет отдаляется, хрусталик вытягивается, увеличивая фокусное расстояние до уровня, при котором вновь появляется чёткое изображение на сетчатке. Следовательно, механизм аккомодации позволяет человеку комфортно наблюдать предметы на различных дистанциях.

Тем не менее, изменение кривизны хрусталика ограничено определёнными пределами. Взрослый здоровый глаз способен долгое время спокойно смотреть на объекты, расположенные примерно на расстоянии 25 сантиметров. Такое расстояние считается оптимальным для нормального зрения. Именно поэтому его ещё называют расстоянием наилучшего зрения. Объекты, расположенные ближе, вызывают напряжение и усталость глаз.

Невозможно обойти стороной тот факт, что многие пожилые люди вынуждены носить очки, что свидетельствует о нарушении нормальной работы их зрительного аппарата. Более того, проблемы со зрением становятся всё более распространённым явлением среди молодого поколения.

Что представляют собой нарушения зрения и как их исправляют?

Ранее было сказано, что у здорового глаза изображение должно идеально проектироваться на поверхность сетчатки. Тем не менее, иногда картинка от далеко расположенных объектов формируется не на самой сетчатке, а впереди неё. Этот недостаток зрения известен как близорукость, или миопия.

Существует две основные причины возникновения близорукости: врождённая предрасположенность и приобретённая форма. Последняя возникает вследствие длительного чтения книг на слишком близком расстоянии от глаз, частого нахождения перед монитором компьютера или постоянного использования смартфона.

Для коррекции близорукости применяют специальные очки, оснащённые рассеивающими линзами.

Их действие заключается в превращении сходящихся световых потоков в расходящиеся. Это помогает лучам, проходящим сквозь глаз, точно достигать сетчатки, формируя правильное изображение.

Другое нарушение зрения носит название дальнозоркости (гиперметропии), при которой изображение близких предметов фокусируется не на сетчатке, а за её пределами.

Основной причиной развития дальнозоркости является снижение способности хрусталика к изменению своей формы ввиду потери эластичности. В результате даже значительное усилие мышц не способно обеспечить достаточную степень искривления хрусталика. Подобный дефект встречается преимущественно у лиц старшего возраста и устраняется использованием очков с положительными собирающими линзами.

Итак, одним из способов улучшения качества зрения являются обычные очки. Альтернативой традиционным очкам выступают контактные линзы, выполненные из современных полимерных материалов. Такие изделия надеваются непосредственно на поверхность глазного яблока. Недостатком такого метода коррекции является возможное раздражение слизистой оболочки глаза при продолжительном ношении линз.

Также в современной офтальмологии активно применяется метод лазерной коррекции зрения, направленный на восстановление правильной фокусировки изображения на сетчатке путём воздействия лазером на ткани глаза.

Наши глаза располагаются достаточно близко друг к другу, что создаёт небольшие различия в восприятии мира каждым глазом отдельно. Такая особенность способствует восприятию объёмности окружающих предметов и определению дистанции до них. Большинство хищников имеют глаза, направленные вперёд. Это повышает точность оценки расстояния до жертвы, но существенно ограничивает угол обзора. Напротив, некоторые животные располагают глаза по сторонам головы, что увеличивает поле зрения, улучшая обнаружение добычи, но усложняет оценку расстояния. Самой высокой остротой зрения среди позвоночных обладают хищные птицы семейства Соколиных, такие как орлы, соколы и ястребы. Так, например, орёл способен замечать добычу с высоты около трёх километров.

Для детального изучения небольших элементов объекта необходимо увеличить угол зрения, под которым этот объект рассматривается. Однако возможности естественной аккомодации глаза ограничены. Чтобы преодолеть данное ограничение, используются вспомогательные инструменты, такие как микроскопы.

Микроскоп – это специальный оптический инструмент, предназначенный для наблюдения мельчайших объектов, включая те, которые невозможно разглядеть невооружённым взглядом.

Устройство типичного микроскопа включает две короткофокусные собирающие линзы: объектив и окуляр, между которыми предусмотрена возможность регулировки расстояния. Объектив формирует действительное, перевёрнутое и увеличенное промежуточное изображение исследуемого объекта. Затем с помощью специального механизма (микрометрического винта) окуляр устанавливается так, чтобы промежуточное изображение расположилось между передним фокусом и оптическим центром окуляра.

В таком положении окуляр функционирует подобно лупе, создавая увеличенное, прямое и мнимое изображение объекта. Применение микроскопа резко увеличивает угол зрения, под которым глаз рассматривает образец, предоставляя доступ к деталям, скрытым от обычного взгляда. Современные высококачественные модели микроскопов позволяют достичь увеличения в сотни раз.

Для изучения далёких объектов, например, звёзд в небе, используются различные телескопы.

Они служат для сбора максимального количества света, испускаемого астрономическими объектами, и помогают рассмотреть мелкие детали, недоступные обычному взгляду. Каждый оптический телескоп состоит из объектива и окуляра. Телескоп, использующий в качестве объектива линзу, называется рефрактором («преломляющий»). А телескоп с зеркальным объективом именуется рефлектором («отражающий»).

Простейшие телескопы часто оснащены двояковыпуклыми линзами, выступающими в роли объектива. Согласно законам оптики, если объект расположен за двойным фокусом линзы, она создаёт уменьшенное, действительное и перевёрнутое изображение.

Поскольку расстояния до небесных тел очень велики, то лучи света, идущие от них, можно считать параллельными. Следовательно, изображение небесного тела окажется в фокальной плоскости объектива.

Похожий принцип работы, то есть получения уменьшенного изображения предмета почти в фокальной плоскости линзы, находит своё практическое применение в фотоаппарате.

Перед вами представлен один из видов фотоаппаратов.

Его конструкция представляет собой непрозрачную камеру, внутри которой установлена система линз, известная как объектив. Задача объектива – формировать перевёрнутое действительное изображение снимаемого объекта рядом с задней стенкой устройства. Место формирования изображения соответствует позиции размещения фотоматериала – пластинки или плёнки. Они покрыты специальным веществом, чувствительным к воздействию света, называемым фотоэмульсией. Поскольку расстояние до фотографируемых объектов может варьироваться, соответственно нужно изменять и оптимальное положение объектива относительно плёнки. Эту регулировку выполняют путём перемещения объектива вдоль корпуса камеры посредством специальной винтовой резьбы. Количество света, воздействующего на светочувствительную поверхность, регулируется фотографическим затвором, открывающим доступ световому потоку строго на заданный промежуток времени, называемый временем выдержки. Интенсивность попадания света на плёнку можно дополнительно регулировать изменением диаметра входного отверстия объектива с помощью специальной конструкции – диафрагмы.

Сегодня плёночные фотоаппараты встречаются гораздо реже, поскольку их постепенно вытеснили современные цифровые аналоги. Вместо традиционного слоя фотоэмульсии в цифровых камерах применяются специализированные сенсорные панели – матрицы.

Они состоят из множества отдельных элементов, называемых пикселями. Свет, попадая на пиксели, вызывает электрический сигнал, который затем подвергается цифровой обработке и сохраняется во внутренней памяти устройства в виде цифрового файла.

Фотография современного формата характеризуется небольшими размерами кадра, мгновенностью фиксации изображений, применением ярких красок и возможностью создавать объёмные эффекты. Она получила повсеместное распространение и широко используется в повседневной жизни, науке и искусстве. Фотографирование играет важную роль в изучении природных явлений, позволяя фиксировать разнообразные объекты – от микроскопических частиц до космических тел, а также записывать невидимое глазу электромагнитное излучение.