Человеческое зрение и его особенности

Загрузка...
Введение
Глава 1 Механизм зрения
1.1 Принцип работы глаза
1.2. Сетчатка и ее слои
Глава 2: Человеческий глаз, с точки зрения оптики
2.1 Глаз, как оптический инструмент
2.2 Глаз, как оптическая система
2.3 Оптические преборы, вооружающие глаз
 

Человек - это очень сложный организм, суть существования которого до сих пор не вполне понятна. Однако, в силу данных нам природой возможностей и умений, люди издавна пытаются понять свою природу происхождения, смысла жизни и прочего, безусловного, нужных явлений.

Интереснейшим и наиболее информационно полезным органом восприятия человека, бесспорно, является зрение. В данном реферате, который я написал собственноручно, приведу несколько интереснейших примеров, как мы пользуемся этим поистине великолепным инструментом изучения окружающего мира и для чего же зрение действительно необходимо.

С детства во всех умных книгах, которые мы читали, говорится, что с помощью зрения мы получаем около 90% всей информации, что воспринимаем мы органами чувств, но какие цифры мы знаем помимо этих несчастных 90%? В своем реферате я постарался собрать действительно интересные факты. Вы можете узнать это все практически в любой энциклопедии, но, все же, я должен сделать что-то полезное в своей жизни. Потом смогу с гордостью говорить потомкам: Однажды я почувствовал себя настоящим писателем учебников для школьников, собирая всем известную информацию в мою книгу, чтобы потом ее одобрило МинОбр и напечатало ее. Конечно, ни до какого министерства я не доберусь, однако работа эта очень важна для меня.

Вернемся к введению. Пожалуй, на этом я его закончу, и начну все раскладывать по полочкам: зачем нам глаза, что такое миопия, почему я ношу очки и прочее.

Глава 1 Механизм зрения

1.1 Принцип работы глаза

Каким образом вообще мы воспринимаем действительность, то бишь, наше многомерное пространство, в котором, по иронии судьбы, нас угораздило существовать? Все так сложно, все так просто одновременно. Зрение-чувство, реагирующее на свет и цвет в виде изображения или картины. Ни для кого не секрет, что у людей, животных и говорящих грибов за это чувство отвечают глаза. Однако чтобы осознать, что ты видишь именно то, что ты видишь, необходимо несколько этапов.

Тут берется за свою работу сложный инструмент, именуемый глазом. Он преобразует свет с помощью оптических структур в картинку, которую проецирует на сетчатку. Сетчатка же не остается в долгу, и преобразует картинку в электрические сигналы.

Для того чтобы электрические сигналы обрели смысл своего существования, они поступают в нужные им отделы мозга, используя для этого нервную систему человека. Вы можете провести себе аналогию: допустим, все студенты некого университета - электрические сигналы, а сигналы, подаваемые сетчаткой, - студенты группы 1310 факультета ОИСТ. Так вот, эти самые студенты спешат в нужную им аудиторию, так как у них начались занятия. В дальнейшем я вернусь к этой аналогии, когда буду разбирать забавное явление дежа вю.

В нужных нам участках головного, а не какого-либо еще, мозга анализируются поступившие в него сигналы, формируются, запоминаются и интерпретируются зрительные образы. Каждый из этих этапов исследуются с точки зрения разных областей науки - офтальмологии, физиологии, физики, биохимии и, конечно же, оптики.Таким образом, становится понятно, что воснове физиологии зрения лежит способность преобразовывать видимый свет в электрические сигналы.

Глаз управляется мышцами, которые направляют его на объекты, и зачастую имеет шарообразное строение. Перед тем, как попасть на сетчатку, свет проходит через роговицу, хрусталик и стекловидное тело. Из-за различной кривизны этих поверхностей световые лучи по-разному преломляются внутри глаза. Это необходимо для того, чтобы изображение на сетчатке получилось действительным, обратным и уменьшенным. Иными словами, перевернутым сверху вниз и развернутым слева направо.

1.2. Сетчатка и ее слои

Внутренняя оболочка глаза, про которую уже упоминалось ранее не раз, называется сетчаткой. Сечатка вытелает полоть глазного яблока изнутри и выполняет функции восприятия цвето- и ветосигналов, а также их первичной обработки и транформации в нервное возбуждение. Сетчатка разделена на две функционально значимые облати, а именно на зрительную (которую также называют оптической) и ресничную (слепую). Зрительная часть сетчатки - это это большая часть сетчатой оболочки глаза, которая свободно прилегает к сосудистой оболочке и прикрепляется к сосудистой стенке только в области диска зрительного нерва и у зубчатой линии. Остальная свободная часть сетчатки, которая соприкаается непосредтвенно с сосудистой оболочкой глаза, удерживается за счет давления стекловидного тела, а также тонкими связями пигментного эпителия. Ресничная же часть сетчатки покрывает заднюю часть ресничного тела и радужки, доходя при этом до зрачкового края.

Строение сетчатки очень сложное, но я постараюсь в крации его изложить. Во-первых, сетчатая оболочка глаза состоит из десяти слоев.

Самый первый, внешний слой, который примыкает к внутренней поверхности сосудистой оболочки, называется пигментным. Как понятно из названия, клетки этого слоя имеют ообое строение, а именно пигментные включения, которые под действием света перемещаются из тел клеток к их отросткам. Это предотвращает расеивание света между соседними фоторецепторными клетками - колбочками и палочками, о которых речь пойдет дальше. Эти фоторецепторы формируют второй слой сетчатки и отвечают за восприятие цветовых и световых сигналов. Надо отметить, что колбочки и палочки - это специализированные высокодифференцированные нервные клетки, которые имеют цилиндрическую форму. Колбочки и палочки различаются по своему строению. Так, наружный сегмент палочек представлен в виде тонкого палочкоподобного цилиндра, содержащего зрительный пигмент родопсин, в то время как наружный сегмент колбочек конически расширен, он короче и толще, чем у палочек, и содержит зрительный пигмент иодопсин. Еще колбочки и палочки обладают различным функциональным значением: колбочки отвечают за цветоощущение и центральное зрение, обеспечивают периферическое зрение в условиях высокой освещенности, а палочки обеспечивают зрение в условиях низкой освещенности (сумеречное зрение). Но в темноте периферическое зрение обеспечивается совместными усилиями колбочек и палочек. Следующий слой сетчатки - наружняя пограничная мембрана (или платинка), которая является полосой межклеточного сцепления. Сквозь эту мембрану в пространство между слоем колбочек и палочек и пигментным эпителием сетчатки проходят наружние сигменты фоторецепторов.

Четвертый слой сетчатки называется наружным ядерным слоем, потому что он образован ядрами колбочек и палочек.

Пятый слой - сетчатый (или наружний плексиформный) слой, который отделяет наружный ядерный слой от внутреннего. Следовательно, за ним ледует шестой слой - внутренний ядерный слой, который образуют ядра нейронов второго порядка (биполярные нейроны), а также ядра амакриновых, горизонтальных и мюллеровских клеток.

Седьмой слой это внутренний сетчатый, который отделяет внутренний ядерный слой от слоя ганглиозных клеток (это такие клетки, которые спообны генерировать нервные импульсы в отличие от биполярных, горизонтальных и амокриновых нейронов) и состоит из клубка сложно разветвляющихся и переплетающихся отростков нейронов. Он отграничивает сосудистую внутреннюю часть сетчатки от бессосудистой наружной, которая полностью зависит от поступающих из ближайшей сосудитой оболочки кислорода и питательных вещетв.

Восьмой слой сетчатки образован нейронами второго порядка (ганглиозными клетками), который по направлению от центральной ямки к периферии заметно утончается: непосредственно в области вокруг ямки данный слой представлен как минимум пятью рядами ганглиозных клеток, а к периферии число рядов нейронов постепенно уменьшается.

Девятый слой - это аксоны нейронов второго порядка, которые переплетаясь образуют зрительный нерв.

Деятый, и последний слой сетчатки - это внутренняя пограничная мембрана, которая выстелает поверхность сетчатой оболочки изнутри. Данная мембрана является основной в сетчатке и образованна она основаниями нервных отростков клеток Мюллера (нейроглиальных клеток). Эти клетки представляют собой гигантские высокоспециализированные нейроны, которые проходят чрез все слои сетчатой оболочки, выполняя изолирующую и опорную функции.

Глава 2: Человеческий глаз, с точки зрения оптики

2.1 Глаз, как оптический инструмент

Если вы на минуту закроете свои глаза и пройдетесь по незнакомой комнате, то как в будете ебя чувтвовать? Согласитесь, что назвать это просто чувством дискомфорта - это ничего не сказать. Возникает ощущение безконечности пространства, а иногда и путоты под ногами. Почему же это проиходит? Ответ довольно прост. Лишаясь зрения мы теряем свой главный инструмент для оценки окружающего пространсва, а именно размеров, формы и расположения обьектов вокруг нас. В предыдущей главе я уже раматривал механизм работы глаза, но давайте остановимся на этом по-подробнее.

Итак, глаз - это сложный оптический интрумент, основным элементом которой является двояковыпуклая линза, или хрусталик. Кривизна поверхности хрусталика может меняться, поэтому всегда имеется возможность привести изображение предмета на поверхность сетчатки. Этот процесс называется аккомодацией глаза.Для адекватного восприятия изображения необходимо, чтобы лучи света от всех его точек были сфокусированы. Именно по этой причине мы видим предметы вдалеке очень хорошо. Одновременно с этим предметы, находящиеся поблизости от глаза, видны расплывчато, ввиду того что лучи от этих самых предметов фокусируются в точках, находящихся за сетчаткой. Для того чтобы переводить взгляд с близко расположенных предметов на дальние и наоборот мы используем аккомодацию.

Хрусталик изменяет свою кривизну с помощью специальных мышц, называемых цилиарными. Если мы хотим рассмотреть что-то вблизи они напрягаются, и хрусталик, подчиняясь, выгибается, становясь выпуклым. При этом уменьшается его радиус кривизны.

На схеме приведено оптическое строение глаза

На схеме приведено оптическое строение глаза

 

Согласно законам физики, собирающая линза переворачивает изображение предмета. Когда свет, отражающийся от поверхности предмета попадает на переднюю поверхность глаза, то в первую очередь он проходит через роговицу - прозрачную оболочку, покрывающую глаз спереди, которая сама по себе является собирательной линзой. Роговица фокуирует потупающие в глаз лучи, а затем они, минуя радужную оболочку через темное отверстие в ее центре - зрачок, попадают на хрусталик, который, как уже оговаривалось выше, также является собирающей линзой. Это обьясняет тот факт, что на роговицу глаза изображение попадает уменьшенным и перевернутым (см рисунок). После контакта с фотонами света нервные клетки сетчатки посылают импульсы в головной мозг по зрительному нерву. Зрительный нерв (или как мы разобрали выше - сплетение аксонов нейронов второго порядка) это своеобразный запасной выход глаза. Поступившие импульсы интерпретируются головным мозгом, и из двух изображений формируется одна картина наблюдаемого предмета.Именно из-за этого человческое зрение называют бинокулярным. Оно состоит из двух совмещенных изображений правого и левого глаза. Технология съемки 3Dфильмов построена как раз на этой особенности человеческого зрения. Совмещая изображения, снятие отдельно для правогои левого глаза мы получаем реалистичную трехмерную картинку.

2.2 Глаз, как оптическая система

Для начала, давайте вспомним какую-либо оптическую систему и попробуем сопоставить ее с глазом. Я подумал, что фотоаппарат отлично подойдет.

Глаз, как оптическая система

На схеме изображено сопоставление глаза и фотоаппарата. Как ясно из центральной картинки, восприятие пространства и у глаза, и у фотоаппарата совпадают. Другими словами, можно сказать, что в глазе человека приломление света происходит на границе воздух-роговица. Хрусталик же выступает в роли дополнительной линзы для фокусировки (он меняет свою кривизну и толщену), роговица - автофокус, так как она меняет фокусное расстояние, а сетчатка - матрица, которая проэцирует свет в электрический сигнал. На сетчатке проэцируется перевернутое изображение, которое затем переворачивает мозг и формирует итоговую картинку.

2.3 Оптические преборы, вооружающие глаз

Любая линза имеет точку, через которую лучи проходят практически без приломления - оптический центр. И хоть глаз и не является тонкой линзой, но такую точку в нем все же можно найти. Оптический центр глаза находится внутри хрусталика, вблизи его задней поверхности. Расстояние h от оптического центра до сетчатой оболочки, называемое глубиной глаза, составляет для нормального глаза 15 мм. Таким образом, зная положение оптического центра глаза, мы можем построить на сетчатке любое изображение.

Давайте разбиемся, зачем человеку нужны приборы для изменения зрительной способности глаз? В первом случае мы сталкиваемся с тем, что приближая предмет к глазу, мы увеличиваем угол зрения и, следовательно, получаем возможность лучше различать мелкие детали. Однако очень близко к глазу приблизить предмет мы не можем, так как способность глаза к аккомодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благоприятным для рассматривания предмета является расстояние около 25 см, при котором глаз достаточно хорошо различает детали, но при этом не испытывает чрезмерного утомления. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения.Но тогда изучение микроскопических частиц или клеточного строения организмов оказалось бы не возможным. Поэтому для решения этой проблемы человечество изобрело специальные увеличельные приборы. По своему предназначению такие оптические приборы можно разделить на две большие группы:

1) Приборы, служащие для рассмотрения мелких предметов или частиц (лупы, микроскопы), которые как бы приблежают (увеличивают) рассматриваемые предметы

2) Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных обектов (подзорная труба, бинокль, телескоп), которые приблежают удаленные предметы

Рассмотрим некоторые приборы более подробно.

Лупа. Лупой называется оптический прибор, позволяющий простейшим образом увеличить угол зрения. Лупа представляет собой короткофокусную линзу, которую помещают для рассмотрения предмета А высотой Н так, чтобы предмет был ближе главного фокуса F линзы.

Невооруженный нормальный глаз видит предмет А под углом зрения (тут надо написать фи ноль) таким, что tg(фи ноль) = h/D (D - расстояние наилучшего зрения). Глаз, вооруженный лупой, видит предмет под углом фи, тангенс которого равен tg фи = h/f, где f - фокусное расстояние линзы. Изображение а предмета на сетчатке оказывается таким, как если бы рассматривался предмет A1 , являющийся мнимым изображением в лупе предмета А. (сюда бы хорошо картиночку)

Микроскопом называют прибор, позволяющий получать значительные угловые увеличения близко расположенных мелких предметов. Он представляет собой комбинацию двух короткофокусных линз - объектива и окуляра.

 

Человеческое зрение и его особенности

Ход лучей в микроскопе приведен на рис. Предмет располагается так, что он находится за фокусом объектива. В итоге получается действительное, перевернутое, увеличенное изображение которое появляется за объективом, перед фокусом окуляра.

Зрительные трубы, илитрубы Кеплера, предназначены для наблюдения удаленных предметов. Они состоят из двух линз - собирающей линзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокусным расстоянием (окуляр). В качестве окуляра могут применяться как собирающие, так и рассеивающие линзы.

В трубе Кеплера рассматриваемое изображение перевернуто, и если для астрономических наблюдений это не так существенно, то для бытового использования такая оптическая система не пригодна. Поэтому, если труба Кеплера используется для наземны наблюдений, то ее оснащают оборачивающей системой, которая чаще всего состоит из дополнительной линзы или системы призм. Благодаря этому изображение становится прямым.

В начале прошлого века начали практиковать наземные наблюдения в бинокли, состоящие из двух совмещенных труб Кеплера. В качестве оборачивающей системы в каждой трубе находилолись по две прямогольные поворотные стеклянные призмы, установленные между обективом и окуляром и раположенные одна против другой с некоторым сдвигом.

Как видно на рисунке, прежде чем достигнуть окуляла, свет, проходящий через объектив проходит через ое призмы, причем испытывает в каждой призме два раза внутреннее отражение. После выхода из окуляра, образуется прямое, увеличенное избражение наблюдаемого предмета. Более того, вместо одной длинной зрительной трубы, в бинокле используется две короткие - по одной на каждый глаз. Из-за сдвига призм объективы бинокля разбвинуты на растояние большее, чем между глазами наблюдателя, поэтому изображения, например, пейзажа, вопринемается более рельефно, чем при просмотре его же в зрительную трубу.

Труба Галелея.

Изготовленная Галилеем в 1609 году зрительная труба является телескопом-рефрактором с малым полем зрения и с небольшим увеличением примерно от 2 до 30 раз.Однако Галилей, первый применивший телескоп к астрономическим наблюдениям, при помощи своей трубы достиг многого в течение одного года: увидел горы и кратеры на Луне, обнаружил четыре спутника Юпитера, заметил пятна на Солнце и спроецировал их на экран, наблюдал Венеру в виде серпа и ее фазы.

Объектив оптической системы трубы Галилея представляет собой двояковыпуклую (собирающую) линзу с фокусным расстоянием примерно 20-24 см.Окуляром является рассеивающая линза с отрицательным фокусным расстоянием, примерно -2, -3 см.Рассматриваемый в эту трубу предмет всегда расположен перед объективом на расстоянии значительно большем 2F. Как известно, в этом случае изображение будет действительным, уменьшенным и перевернуым между фокусом объектива и двойным фокусом, вблизи фокуса объектива. Но если поставить на пути пучка сходящихся лучей рассеивающую линзу, то такое изображение не полчится. Ведь содящийся пучок становится расходящимся и именно он входит в глаз. Наблюдателю будет казаться, что лучи исходят из точек удаленного предмета. Ему представится предмет в увеличенном и прямом виде.

Длина трубы Галилея равна L= Fоб+(-Fоr). В нашем примере L=22 см. Так как труба Галелея дает прямое изображения, то она полезна при наблюдениях на земле при не обчень больших растояниях.

Телескоп. Огромное количество сведений о космосе получают при помощи приборов, предназначенных для рассматривания глазом весьма удаленных предметов, а именно астрономических зрительных труб-телескопов. Главные и основные части телескопа - это объектив и окуляр. Объектив обращен к наблюдаемому объекту (планете, звезде, туманности), а окуляр - к глазу наблюдателя или к специальному устройству, чтобы запечатлеть объект, например на фотопластинке.

Существует два основны подтипа телескопов: рефракторы и рефлекторы. Современные рефракторы строят по системе Кеплера: объектив - это длиннофокусная собирающая линза, а окуляр - коротко-фокусная линза, играющая роль лупы.В трубе Кеплера фокус объектива (Fоб) совпадает с фокусом окуляра (Fок), следовательно, длина l трубы Кеплера равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра: l = Fоб + Fок. Во время наблюдения в телескоп удаленных светящихся тел глаз и телескоп становятся единой оптической системой.

Длиннофокусный и большого диаметра объектив телескопа собирает много света от наблюдамого объекта и формирует почти в фокусе действительное, уменьшенное и отчетливое световое изображение. Эту световую картину объектив направляет узким пучком сквозь окуляр в глаз на сетчатку, и мы отчетливо видим без напряжения глаза яркое, перевернутое изображение небесного светила. В зависимости от размеров наблюдаемого объекта, требуется правильно подобрать окуляр к объективу.

Первый телескоп-рефлектор, или зеркальный телескоп, был изобретен и собственноручно изготовлен Ньютоном в 1668 году. По своим размерам это был не большой прибор с диаметром вогнутого металлического зеркала всего 2,5 см, фокусным расстоянием 15 см и увеличением в 38 раз.

Как видно из рисунка, в открытое отверстие трубы телескопа входит свет от объекта в виде пучка параллельных лучей. При этом световой пучок отражается от вогнутого зеркала-объектива и образует сходящийся пучок. Если бы на пути отраженного пучка не было плоского зеркальца, то лучи сходящегося пучка образовали бы вблизи фокуса вогнутого зеркала действительное, уменьшенное, перевернутое изображение далекого объекта. Но этого не происходит, потому что наклонное плоское зеркало отражает сходящийся световой пучок в сторону окуляра, который действует подобно окуляру рефрактора. Поэтому изображение объекта получается увеличенным вблизи фокуса окуляра.

 

За последние сто лет тенологии,придуманные и разработанные еще в 17 веке, достигли невероятных высот. Сегодня ученые создают огромные абсерватории, в которых располагаются телескопы невероятных размеров, благодаря которым мы можем изучать далекие планеты и галактики.

Итак, мы рассмотрели как и для чего человек может использовать оптические приборы для того, чтобы улучшить свои стандартные показатели зрения. Но, как мы все знаем, не всех природа наградила идеальным зрением. Существуют люди, которые лучше различают обекты в далеке, или наоборот - вблизи. Эти две паталогии получили название близорукость и дальнозоркость.

Близорукость (или миопия), как таковая, свойственна многим. Так называют состояние зрательного аппарата, при котором глаза в расслабленном состоянии формироуют изображение не на сетчатке глаза, а перед ней. В результате чего, изображение предмета в буквальном смысле расплывется. Такие люди не могут четко видеть предметы на большом растоянии, но при этом хорошо различают объекты вбизи. Это наблюдается, если велика ширина глаза, или хрусталик слишком выпуклый (имеет большую кривезну).

Близоруким людям необходимы очки с рассеивающими линзами, потому что проходя через такую линзу, лучи света фокусируются хрусталиком точно на сетчатку глаза. Поэтому близорукий человек в очках может видеть не хуже, чем человек со здоровым зрением.

В противопоставление близоруким людям есть также и те, кто отлично видет предметы в далеке, но при этом на более близком расстоянии они просто расплываются. Этот феномен получил название дальнозоркость и характерезуется он тем, что изображение формиркется не на сетчатке, а за ней. Это возможно, если ширина глаза недостаточно большая или хрусталик плоский.

Особой формой дальнозоркости является старческая дальнозоркость или пресбиопия.Она развивается, так как с возрастом хрусталик теряет способность легко изметь свою форму и его эластичность снижается. Дальнозорким людям могут помочь очки с собирающимилинзами.

Очки являются простым оптическим прибором, но благодаря ним жизнь близоруких идальнозорких людей становится намного проще.

 

Вывод

Какой же вывод можно сделать исходя из данного реферата? Очень простой. Хоть я в нем и рассмотрел глаз и зрение человека с ракурсов физики и биологии, но абсолютно все свойства и особенности такого сложного инструмента современная наука пока не изучила. Поэтому я отправляюсь изучать фундаментальные предметы - математику, физику, в частности, раздел оптики, чтобы соответствовать гордому званию студент факультета оптико-электронных систем и технологий

 

Список литературы:

Эволюция человека. В 2 книгах. Книга 1

Марков, Александр Владимирович

Феномены мозга. Бехтерев, Владимир Михайлович

Теоретический минимум. Все, что нужно знать о современной физике. Сасскинд Л.

Физика: учебно - практический справочник. Столяревская Н.В.

 

Загрузка...
Комментарии
Отправить