Аберація оптичної системиочі

Аберація оптичної системи ока- абераційні явища, характерні для ока ссавців, і цікаві насамперед з точки зору оцінки можливостей людського зору.

Зміст

Аберації в оптичній системі ока призводять до погіршення якості зображення. Кожна предметна точка після відображення її на сітківці виглядає у вигляді плями з дуже складним розподілом освітленості. Ці дефекти через неідеальну оптичну систему частково компенсуються за допомогою складної обробки оптичної інформації нейронними мережами (див. статті зір, а також Лабораторія Р.Е.Марка, що досліджує коннектом сітківки).

Основні види аберацій в оці [ред.]

Хроматична аберація
Сферична аберація
Дифракційна аберація
Фізіологічний астигматизм ока

Хроматична аберація [ред.]

Хроматична аберація в оптичній системі ока має подібний характер аберацій систем лінз - фокусування різних довжин хвиль на різній відстані вздовж головної осі лінз, що на фокальній поверхні (сітківки) утворює гуртки нерізкості (див. рис.1 (1)) (розсіювання променів), обумовлене неоднаковою збіжністю фокусуючих на фокальної поверхні променів різної довжини хвилі , у результаті одержуємо на зрізі трьох конусів оптичне зображення точок, розмитих з забарвленими краями, у результаті зображення одержуємо з забарвленими краями. (Зазвичай червона кромка помітніша, оскільки червоні промені при фокусуванні дистанціюються з більшою віддаленістю від синіх і зелених)

Хроматична аберація завжди призводить до того, що паралельний пучок широкосмугового світла («біле» світло), що падає на лінзу, фокусується в лінію, при цьому: короткохвильові (сині) променісфокусуються ближче до лінзи, далі йдуть зелені промені і потім червоні. (У порядку зростання довжини хвилі) (див. рис.1 (1)). Що призводить до того, що оптичне зображення білої точки у будь-якій площині виходить у вигляді пофарбованої плями (кухоль). У разі, якщо фокус синіх променів ляже на сітківку, то зображення точки буде оточене червоно-зеленим ореолом.

Хроматична аберація залежить від діаметра зіниці ока (діафрагми) та збільшується разом з ним. У середньому величина хроматичної аберації для крайніх довжин хвиль видимого спектру становить приблизно 1,2-1,3 D (діоптрії) (значення було прийнято Т. Юнг) [1] .

Як правило в умовах нормального освітлення білим, світлом людина не розрізняє кольорових облямівок навколо предметів, що спостерігаються. Це може бути пояснено рядом факторів:

Специфічною будовою "приймача кольору" при якому він розташований уздовж лінії, на якій фокусуються різні довжини хвиль, перпендикулярно до рецетивної поверхні сітківки. При цьому "приймач" своєю довжиною повністю перекриває весь діапазон довжин хвиль, що сприймаються.
Наявністю малих кутових схожінь променів при фокусуваннях і відповідно накладенням кольорових ореолів один на інший, і малими кутовими розмірами кольорових облямівок (більш компактне сходження центрів фокусувань див.). Але це малоймовірно, тому що ми чітко розділяємо межі кольорів і не бачимо ореолів за різних яскравостей освітлення.
Сприйняття кольору і світла за допомогою трьохкомпонентної системи колб, що рефлекторно сприймають окремо області «синіх», «зелених», «червоних» спектральних променів. Але це не підтверджено гістологічно, тому що в цьому випадку, кожен тип колб перебував би на своєму рівні (фокусування сприймається довжини хвилі).
Здібністю оптичноїсистеми рефлекторно змінювати кривизну рогівки та кришталика, а також зі змінною твердістю біологічних лінз (рогівка+кришталик, у яких зі зменшенням твердості до периферії змінюється показник заломлення, при якому, центри заломлення між сетками розкладаються на центрами фокусипровок — з меншими кружками нерізкості (див. рис.1 (2)), проте при цьому неможливо пояснити той факт, що ми бачимо різко одночасно всю навколишню "картинку", а не тільки її малу точкову частину.

З усього описаного найреальнішим є лише перше припущення.

При визначенні гостроти зору монохроматичному світлі, а також при застосуванні спеціальних засобів для виправлення хроматичної аберації не призводять до істотного підвищення гостроти зору. Таким чином, хроматичні аберації не мають визначального впливу на центральний зір [2] .

Сферична аберація = [ред.]

Сферична аберація ока відбувається, якщо промені світла, проходячи через периферичні зони зіниці, переломлюються сильніше за промені, які проходять через центральну зону зіниці (різні показники заломлення).

Сферична аберація при малих розмірах діафрагми зіниці (2 – 4 мм) на характеристики оптичного зображення незначно впливають. Зі збільшенням розмірів зіниці вплив сферичної аберації зростає (що позначається на оптичне зображення).

У зв'язку з великим розкидом параметрів ока у людей, має місце зміни вектора аберацій. Зазвичай мінімальні аберації стають при акомодації ока під час розгляду предметів з відривами 1 – 2 м. У більшості очей є негативна аберація. В даному випадку промені оптичного пучказіпсованого сферичної аберації утворюють каустику — поверхню з «нескінченною» (геометричне наближення) щільністю світлової енергії. Каустика може розташовуватися до фокальної поверхні оптичного зображення при негативній величині аберації. Каустика підкреслює яскравість краю розфокусованої плями у зображенні та служить надійним індикатором залишкової сферичної аберації при тестуванні оптики, наприклад, зірок. Якщо за досить великому збільшенні пляма розфокусування умовно точкового тест-предмета в «предфокале» має яскравий різко окреслений край, а «зафокалі» маємо зовнішній край тьмяніший і розмитий, маємо негативну сферичну аберацію (недокомпенсовану) і навпаки.

Для ока такі аберації характерні тоді, коли рефракція рогівки висока, кришталика — низька. У випадку, коли аберація рогівки нижча за звичайну, а кришталика вища, то частіше має місце позитивна аберація.

Особливість ока, порівняно із звичайною оптичною системою, пов'язана з оптикомоторною реакцією рогівки та кришталика та у меншій мірі з ретиномоторною реакцією колб та паличок ока. В оці тому сферична аберація частково компенсується.

По-перше, завдяки тому, що периферичні зони оптичної системи ока мають слабшу рефракцію (меншу оптичну силу) у зв'язку з меншим показником заломлення периферичних зон кришталика порівняно з його ядром.
По-друге, завдяки деякому збільшенню радіусів кривизни периферичної частини рогівки. Сферична аберація залежить від акомодації, вона, як правило, збільшується зі зростанням акомодаційної напруги.

Дифракційна аберація [ред.]

Дифракційна аберація ока як і оптичної системи- це дифракція, коли світлові промені оптичного зображення проходять через зменшену (задіафрагмовану) зіницю. З його зменшенням - зменшенням діаметра зіниці діаметр дифракційного кружка світлорозсіювання збільшується. З іншого боку, сферична аберація зменшується. У зв'язку з такою зворотною залежністю найкращі умови найчіткішого візуального спостереження об'єктів відбуваються при діаметрі зіниці 2 – 4 мм. Додатково, для точок, що не лежать на осі оптичної системи ока, спостерігаються й інші аберації, як, наприклад, астигматизм не перпендикулярних пучків променів світла, що називається комою, і ще поява аберацій, що викликають спотворення форми зображення, які називаються дисторсією, тобто. збільшення оптичного зображення при видаленні об'єкта від осі оптичної системи (нормально оптичної осі).

Фізіологічний астигматизм ока [ ред .

Додатково поряд із сферичною та хроматичною абераціями в оці спостерігається аберація – фізіологічний астигматизм. Фізіологічний астигматизм — такий астигматизм ока, коли за візуального зору зберігається його нормальна гострота.

Фізіологічний астигматизмна відміну від астигматизму, наприклад, від анастигматів (об'єктивів) має місце у кожного ока і обумовлений рядом головних факторів:

асферичністю заломлюючих поверхонь,
астигматизмом променів, косо падаючих,
децентруванням заломлюючих поверхонь та нерівномірністю оптичної щільності заломлюючих середовищ.

Фізіологічний астигматизм прямого типу (заломлення рогівки по вертикалі більше, ніж по горизонталі) є нормою ока людини, його величина – в діапазоні від –0,5 Дптр до –0,75 Дптр. Він не потребує виправлення.