Das Sehen ist einer der wertvollsten menschlichen Sinne. Während das visuelle System ein relativ komplexer Teil des Gehirns ist, wird der Prozess von einem bescheidenen optischen Element angetrieben: dem Auge. Es erzeugt Bilder auf der Netzhaut, wo Licht von Fotorezeptoren absorbiert wird. Mit ihrer Hilfe werden elektrische Signale zur weiteren Verarbeitung an den visuellen Kortex weitergeleitet.
Die Hauptelemente des optischen Systems des Auges: die Hornhaut und die Linse. Sie nehmen Licht wahr und projizieren es auf die Netzhaut. Es ist erwähnenswert, dass das Gerät des Auges viel einfacher ist als das von Kameras mit mehreren Linsen, die nach seinem Vorbild geschaffen wurden. Obwohl im Auge nur zwei Elemente die Rolle von Linsen spielen, beeinträchtigt dies die Wahrnehmung von Informationen nicht.
Licht
Die dem Licht innewohnende Natur beeinflusst auch einige Eigenschaften des optischen Systems des Auges. Beispielsweise ist die Netzhaut im zentralen Teil am empfindlichsten für die Wahrnehmung des sichtbaren Spektrums, das dem Strahlungsspektrum der Sonne entspricht. Licht kann als transversal gesehen werdenElektromagnetische Welle. Sichtbare Wellenlängen von ungefähr blau (400 nm) bis rot (700 nm) machen nur einen kleinen Bruchteil des elektromagnetischen Spektrums aus.
Es ist interessant festzustellen, dass die Natur des Lichtteilchens (Photon) unter bestimmten Bedingungen auch das Sehvermögen beeinflussen kann. Die Absorption von Photonen erfolgt in Photorezeptoren nach den Regeln eines Zufallsprozesses. Insbesondere bestimmt die Lichtintensität, die jeden Photorezeptor erreicht, nur die Wahrscheinlichkeit, ein Photon zu absorbieren. Dies schränkt die Fähigkeit ein, bei geringer Helligkeit zu sehen und das Auge an die Dunkelheit anzupassen.
Transparenz
In künstlichen optischen Systemen werden transparente Materialien verwendet: Glas oder Kunststoffe mit einem Brechungsfixierer. In ähnlicher Weise muss das menschliche Auge unter Verwendung von lebendem Gewebe großformatige Bilder mit hoher Auflösung erzeugen. Wenn das auf die Netzhaut projizierte Bild zu verschwommen oder verschwommen ist, funktioniert das visuelle System nicht richtig. Ursache dafür können Augen- und Nervenerkrankungen sein.
Anatomie des Auges
Das menschliche Auge kann als eine flüssigkeitsgefüllte, quasi-kugelförmige Struktur beschrieben werden. Das optische System des Auges besteht aus drei Gewebeschichten:
- extern (Sklera, Hornhaut);
- intern (Retina, Ziliarkörper, Iris);
- intermediär (Aderhaut).
Bei erwachsenen Menschen ist das Auge eine ungefähre Kugel mit einem Durchmesser von 24 mm und besteht aus vielen zellulären und nicht-zellulären Komponenten, die aus der ektodermalen und mesodermalen Keimbahn stammenQuellen.
Die Außenseite des Auges ist von einem widerstandsfähigen und flexiblen Gewebe namens Sklera bedeckt, mit Ausnahme der Vorderseite, wo die transparente Hornhaut Licht in die Pupille eindringen lässt. Zwei weitere Schichten unter der Sklera: Aderhaut zur Bereitstellung von Nährstoffen und Netzhaut, wo Licht nach der Bilderzeugung von Fotorezeptoren absorbiert wird.
Das Auge ist dynamisch, da sechs äußere Muskeln die visuelle Umgebung erfassen und scannen. In das Auge einfallendes Licht wird von der Hornhaut gebrochen: eine dünne transparente Schicht ohne Blutgefäße mit einem Durchmesser von etwa 12 mm und einer Dicke von etwa 0,55 mm im mittleren Teil. Wassertränenfilm auf der Hornhaut garantiert beste Bildqualität.
Die vordere Augenkammer ist mit einer flüssigen Substanz gefüllt. Die Iris, zwei Muskelgruppen mit einem zentralen Loch, dessen Größe von der Kontraktion abhängt, wirkt wie ein Diaphragma mit einer charakteristischen Farbe, die von der Menge und Verteilung der Pigmente abhängt.
Die Pupille ist das Loch in der Mitte der Iris, das den Lichteinfall ins Auge reguliert. Seine Größe reicht von weniger als 2 mm bei hellem Licht bis zu mehr als 8 mm im Dunkeln. Nachdem die Pupille Licht wahrgenommen hat, verbindet sich die Augenlinse mit der Hornhaut, um Bilder auf der Netzhaut zu erzeugen. Eine Augenlinse kann ihre Form verändern. Es ist von einer elastischen Kapsel umgeben und durch Zonulae mit dem Ziliarkörper verbunden. Die Wirkung der Muskeln im Ziliarkörper ermöglicht es der Linse, ihre Stärke zu erhöhen oder zu verringern.
Netzhaut und Hornhaut
Es gibt eine zentrale Vertiefung in der Netzhaut, woenthält die größte Anzahl von Rezeptoren. Seine peripheren Teile geben eine geringere Auflösung, sind aber auf Augenbewegungen und Objekterkennung spezialisiert. Das natürliche Sichtfeld ist im Vergleich zum künstlichen recht groß und beträgt 160×130°. Die Makula befindet sich in der Nähe und fungiert als Lichtfilter, der angeblich die Netzhaut vor degenerativen Erkrankungen schützt, indem er blaue Strahlen ausfiltert.
Die Hornhaut ist ein Kugelschnitt mit einem vorderen Krümmungsradius von 7,8 mm, einem hinteren Krümmungsradius von 6,5 mm und einem inhomogenen Brechungsindex von 1,37 aufgrund des Schichtaufbaus.
Augengröße und Fokus
Das durchschnittliche statische Auge hat eine axiale Gesamtlänge von 24,2 mm und entfernte Objekte werden genau in der Mitte der Netzhaut fokussiert. Aber Abweichungen in der Größe des Auges können die Situation ändern:
- Kurzsichtigkeit, wenn Bilder vor der Netzhaut fokussiert werden,
- Weitsichtigkeit, wenn sie hinter ihr passiert.
Die Funktionen des optischen Systems des Auges werden auch bei Astigmatismus - einer falschen Krümmung der Linse - verletzt.
Bildqualität auf der Netzhaut
Selbst wenn das optische System des Auges perfekt fokussiert ist, erzeugt es kein perfektes Bild. Mehrere Faktoren beeinflussen dies:
- Lichtbeugung in der Pupille (Unschärfe);
- optische Aberrationen (je größer die Pupille, desto schlechter die Sicht);
- Streuung im Auge.
Spezifische Augenlinsenformen, Brechungsindexvariationen und Geometriemerkmale sind Mängel des optischen Systems des Augesim Vergleich zu künstlichen Pendants. Das normale Auge hat eine mindestens sechsmal geringere Qualität und jedes erstellt eine Original-Bitmap in Abhängigkeit von den vorhandenen Aberrationen. So variiert beispielsweise die wahrgenommene Form von Sternen von Person zu Person.
Peripheres Sehen
Das zentrale Feld der Netzhaut bietet die größte räumliche Auflösung, aber auch der weniger wachsame periphere Teil ist wichtig. Dank des peripheren Sehens kann eine Person im Dunkeln navigieren, zwischen dem Bewegungsfaktor und nicht dem sich bewegenden Objekt selbst und seiner Form unterscheiden und im Raum navigieren. Bei Tieren und Vögeln überwiegt das periphere Sehen. Darüber hinaus haben einige von ihnen einen Betrachtungswinkel von allen 360 ° für eine höhere Überlebenschance. Visuelle Täuschungen werden anhand der Merkmale des peripheren Sehens berechnet.
Ergebnis
Das optische System des menschlichen Auges ist einfach und zuverlässig und perfekt an die Wahrnehmung der Umwelt angepasst. Die Qualität des Sichtbaren ist zwar geringer als bei fortgeschrittenen technischen Systemen, entspricht aber den Anforderungen des Organismus. Die Augen verfügen über eine Reihe von Kompensationsmechanismen, die einige der möglichen optischen Einschränkungen vernachlässigbar machen. Beispielsweise wird der große negative Effekt der chromatischen Defokussierung durch geeignete Farbfilter und spektrale Bandpassempfindlichkeit eliminiert.
In den letzten zehn Jahren gab es die Möglichkeit, Augenfehler mithilfe von Adaptive zu korrigierenOptik. Im Labor ist dies derzeit technisch mit Korrekturmitteln wie Intraokularlinsen möglich. Die Korrektur kann die Sehfähigkeit wiederherstellen, aber es gibt eine Nuance - die Selektivität der Fotorezeptoren. Selbst wenn scharfe Bilder auf die Netzhaut projiziert werden, erfordert der kleinste wahrnehmbare Buchstabe mehrere Fotorezeptoren, um richtig interpretiert zu werden. Bilder von Buchstaben, die kleiner als die entsprechende Sehschärfe sind, werden nicht unterschieden.
Die wichtigsten Sehstörungen sind jedoch schwache Aberrationen: Defokussierung und Astigmatismus. Diese Fälle wurden durch verschiedene technologische Entwicklungen seit dem 13. Jahrhundert, als Zylinderlinsen erfunden wurden, leicht korrigiert. Moderne Methoden umfassen die Verwendung von Kontakt- und Intraokularlinsen oder Verfahren der refraktiven Laserchirurgie, um die Struktur des optischen Systems des Patienten zu bearbeiten.
Die Zukunft der Augenheilkunde sieht vielversprechend aus. Photonik und Lichttechnik werden dabei eine Schlüsselrolle spielen. Der Einsatz fortschrittlicher Optoelektronik würde es neuen Prothesen ermöglichen, weitsichtige Augen wiederherzustellen, ohne lebendes Gewebe zu entfernen, wie es derzeit der Fall ist. Die neue optische Kohärenztomographie könnte eine 3D-Visualisierung des Auges in Echtzeit in vollem Umfang ermöglichen. Die Wissenschaft steht nicht still, damit das optische System des Auges es jedem von uns ermöglicht, die Welt in ihrer ganzen Pracht zu sehen.
