3.2. Типові оптичні системи. Обмеження пучків променів
3.2.1. Око як оптична система та приймач випромінювання
Зір — здатність ока бачити — дає людині можливість пізнавати навколишній світ і реалізується за допомогою складної оптичної та фізіологічної системи — ока. Ця система перетворює енергію оптичного випромінювання в зорові відчуття.
Око людини — своєрідний оптичний прилад, що представляє собою кулясте тіло, покрите непрозорою оболонкою — склерою 10, передню прозору частину якої називають рогівкою 3. За рогівкою знаходиться кришталик 4, що поділяє внутрішню порожнину ока на передню камеру 5, і задню камеру 1, заповнену склоподібним тілом. Кришталик - двояко опукла лінза з хрящеподібної речовини, кривизна поверхонь
якої може змінюватися під дією м'язів, що оточують її 6 , що призводить до зміни оптичної сили кришталика (ак
Перед кришталиком розташована діафрагма — райдужна оболонка 2, через отвір якої, зване зіницею, світло надходить у око. Райдужна оболонка переходить у більш тонку судинну оболонку 8, що покриває внутрішню поверхню склери і складається з мережі кровоносних судин. Внутрішня поверхня задньої камери покрита сітчастою оболонкою (ретиною) 11. Сітчаста оболонка (сітківка) є приймачем світлової енергії, що надходить в око, і має дуже складну будову. Вона складається із десяти шарів. Перший шар утворюється з окремих волокон зорового нерва, безпосередньо з торкаються зі склоподібним тілом. Наступні сім шарів складаються із закінчень нервових волокон - нейронів. Світлосприймаючими елементами сітчастої оболонки є закінчення волокон зорового нерва, які утворюють дев'ятий шар. Їх поділяють на два види: колбочки тапалички. Палички (близько 130 мільйонів) мають довжину 63. 81 мкм і діаметр близько 1,8 мкм, а колбочки (близько семи мільйонів) — довжину рядка 35 мкм і товщину 5. 7 мкм. Колбочки та палички складаються з речовин, що сильно поглинають світло. Поглинання світла супроводжується хімічною реакцією розкладання речовини (зорового пурпуру), що становить основу зорового подразнення, яке передається в мозок по нервових волокнах. Колбочки та палички розподілені по сітчастій оболонці нерівномірно. Колбочки знаходяться головним чином у центральній частині
сітчастої оболонки, де є жовта пляма 12. У центральній ямці жовтої плями площею близько 0,5 мм2 є винятково колбочки. Це місце сітчастої оболонки є місцем найбільшої роздільної здатності ока. Лінія 9, що проходить через центр жовтої плями і задню вузлову точку ока, називається зорової віссю. Вона відхилена від оптичної осі 14 очей на кут 5°. У міру віддалення від жовтої плями починають переважати палички, а на краях сітчастої оболонки знаходяться тільки палички. Зоровий нерв входить в око в сторо не від жовтої плями. Місце входу зорового нерва представляє сліпу пляму 13, в якій відсутні світлочутливі елементи.
Очний базис – відстань між центрами зіниць ока – у дорослої людини становить 56. 74 мм. Середнє значення очей-
Мал. 3.8. Спрощене зображення оптичної системи ока: а - око як оптична система; фокусна відстань ока при спостереженні:
б -віддаленої точки; в - близької точки.
ного базису дорівнює 65 мм. Очне яблуко за допомогою м'язів може обертатися в межах 45 °. 50 °. При спостереженні близько розташованих предметів ока повертаються так, що їх зорові осі становлять деякий кут- Кут конвергенції, що має найбільше значення, що дорівнює 32 °. Око — прилад дуже чутливий. Він реагує на дуже великий перепад яскравостей: від 10 -7 до 10 5 кд/м2. Така здатність органу зору пристосовуватися до різної інтенсивності світлового впливу, яка виражається у зміні світлової чутливості, називається зорової адаптацією. Око розрізняє до 25 тисяч відтінків у сонячному світлі і може сприймати спалах світла, який триває менше мілісекунди.
При спостереженні двома очима два зображення одного і того ж об'єкта з'єднуються в єдиний зоровий образ, завдяки чому утворюється уявлення про глибину простору, тобто стає можливим тривимірне сприйняття простору, що називається стереоскопічним зором.
Око людини часто діє з оптичними інструментами: зоровими трубами, біноклями, телескопами, лупами, мікроскопами тощо, тому при розгляді роботи оптичного приладу необхідно враховувати оптичні та фізіологічні властивості ока.
Якщо око розглядати як оптичну систему, то її можна схематично подати як комбінацію двох лінз (рис.3.8, а): рогівки 1 і кришталика 3. За рогівкою 1 розташована передня камера ока, заповнена водянистою вологою з п2 = 1,336.
Задню стінку камери утворює райдужна оболонка з отвором 2 посередині зіницею. Діаметр зіниці змінюється від 2 до 8 мм залежно від світлового потоку, що надходить у око.
Світлова адаптація здійснюється за рахунок зміни діаметра зіниці ока. У сутінках він досягає 6. 8 мм, а при яскравому освітленні — 1,5. 2мм.
Внутрішня площина ока за кришталиком заповнена студеністою прозорою речовиною, яка називається склоподібним тілом з «4 = 1,336. Якщо окорозглядати як оптичну систему, то різке зображення предметів, що спостерігаються оком, будується на сітківці 4 (рис. 3.8, а).
Оптичні постійні очі для різних осіб коливаються в широких межах, тому встановлено середні значення для всіх постійних ока. Округлені значення деяких параметрів ока наведено на рис. 3.8, б, ст. Око із зазначеними параметрами називається схематичним.
Здатність ока змінювати оптичну силу кришталика за допомогою кільцевого м'яза називається акомодацією.
Завдяки акомодації очей може різко бачити далеко видалені об'єкти. Зображення завжди будується на сітківці.
Найбільш віддалену точку очей бачить без акомодації. Вона називається точкою далекого візування. Предмет (т. а) лежить нескінченно далеко (рис.3.8, б). Фокусна відстань ока /д =
При максимальної акомодації очей бачить точку ближнього візування (т.е.б). Вона лежить перед оком з відривом і 92 мм. Фокусна відстань ока в цьому випадку Б' = 18,9 мм (рис.3.8, в). Найбільш зручна для спостереження оком точка лежить на відстані » 250 мм перед оком, ця відстань
При спостереженні двома очима поле ока по горизонту становить 184. 200°, а вертикалі — 130°. Видимість предметів у різних ділянках поля різна: зона чіткого бачення – 2°; зона ясного бачення - 30 ° по горизонталі і 22 ° по вертикалі; зона периферичного зору, в межах якої неможливе впізнання предметів. Вона має велике значення для орієнтування в навколишньому просторі
Граничний кут, під яким око ще бачить роздільно дві близькі точки, називається кутовим межею дозволу. При хорошій освітленості зображення близько 50 лк середня роздільна здатністьочі становить одну кутову хвилину (\j/= 1'). У сутінках (при діаметрі зіниці 6. 8 мм) у падає до двох хвилин (// 2 ').
Використовуючи штрихові світи (спеціальні випробувальні таб