Аберрация оптической системы глаза (версия Миг)
Аберрация оптической системы глаза — аберрационные явления, характерные для глаза млекопитающих, и интересные прежде всего с точки зрения оценки возможностей человеческого зрения.
Аберрации в оптической системе глаза приводят к ухудшению качества изображения. Каждая предметная точка, после отображения её на сетчатке, выглядит в виде пятна с весьма сложным распределением освещенности. Эти дефекты из-за неидеальной оптической системы частично компенсируются при помощи сложной обработки оптической информации нейронными сетями (см. статьи зрение (версия Миг), а также Лаборатория Р.Е.Марка (версия Миг), исследующей Human Connectome Project (версия Миг) сетчатки).
Основные виды аберраций в глазу[править | править код]
Хроматическая аберрация[править | править код]
Хроматическая аберрация в оптической системе глаза имеет сходный характер аберраций систем линз — фокусировка различных длин волн на разном расстоянии вдоль главной оси линз, что на фокальной поверхности (сетчатки) образует кружки нерезкости (см. рис.1 (1)) (рассеяние лучей), обусловленное неодинаковой сходимостью фокусирующихся на фокальной поверхности лучей различной длины волны, в результате чего получаем на срезе трёх конусов оптическое изображение точек, размытых с окрашенными краями, в итоге изображение получаем с окрашенными краями. (Обычно красная кромка более заметна, так как красные лучи при фокусировке дистанцируются с большей удалённостью от синих и зелёных)
Хроматическая аберрация всегда приводит к тому, что падающий на линзу параллельный пучок широкополосного света («белый» свет) фокусируется в линию, при этом: коротковолновые (синие) лучи сфокусируются ближе к линзе, далее идут зелёные лучи и затем — красные. (в порядке возрастания длины волны) (см. рис.1 (1)). Что приводит к тому, что оптическое изображение белой точки в любой плоскости получается в виде окрашенного пятна (кружка). В данном случае, если фокус синих лучей ляжет на сетчатку, то изображение точки будет окружено красно-зелёным ореолом.
Хроматическая аберрация зависит от диаметра зрачка глаза (диафрагмы) и увеличивается вместе с ним. В среднем величина хроматической аберрации для крайних длин волн видимого спектра составляет примерно 1,2‒1,3 D (диоптрии) (значение было принято Т.Юнгом).[1]
Как правило в условиях нормального освещения белым, светом человек не различает цветных каемок вокруг наблюдаемых предметов. Это может быть объяснено рядом факторов:
- Специфическим строением «приёмника цвета» при котором он расположен вдоль линии на которой фокусируются различные длины волн, перпендикулярно рецетивной поверхности сетчатки. При этом «приёмник» своей длиной полностью перекрывает весь диапазон воспринимаемых длин волн.
- Наличием малых угловых схождений лучей при фокусировках и соответственно наложением цветных ореолов один на другой, и малыми угловыми размерами цветных каёмок (более компактное схождение центров фокусировок см.). Но это маловероятно, так как мы чётко разделяем границы цветов и не видим ореолов при различных яркостях освещения.
- Восприятие цвета и света при помощи трёхкомпонентной системы колбочек, рефлекторно воспринимающих раздельно области «синих», «зелёных», «красных» спектральных лучей. Но это не подтверждено гистологически, так как в этом случае, каждый тип колбочек находился бы на своём уровне (фокусировке воспринимаемой длины волны).
- Способностью оптической сиситемы рефлекторно менять кривизну роговицы и хрусталика, а также с переменной твёрдостьи биологических линз (роговица+хрусталик, у которых с уменьшением твёрдости к периферии измененяется показатель преломления, при котором, центры преломления (например, различных длин волн ложаться на сетчатку с наименьшим разбросом расстояний между центрами фокусипровок — с меньшими кружками нерезкости (см.рис.1 (2)). Однако при этом невозможно объяснить тот факт, что мы видим резко одновременно всю окружающую нас «картинку», а не только её малую точечную часть.
Из всего описанного наиболее реальным является только первое предположение.
При определении остроты зрения в монохроматическом свете, а также при применении специальных средств для исправления хроматической аберрации не приводят к существенному повышению остроты зрения. Таким образом, хроматические аберрации не оказывают определяющего влияния на центральное зрение.[2]
Сферическая аберрация[править | править код]
Сферическая аберрация глаза происходит, если лучи света, проходя через периферические зоны зрачка, преломляются сильнее лучей, которые проходят через центральную зону зрачка (разные показатели преломления).
Сферическая аберрация при малых размерах диафрагмы зрачка (2 — 4 мм) на характеристики оптического изображения влияют не значительно. С увеличением размеров зрачка влияние сферической аберрации возрастает (что соответсвенно сказывается на оптическое изображение).
H, H' — положения главных плоскостей;
F' — задняя фокальная плоскость;
f' — заднее фокусное расстояние (фокальная поверхность сетчатки глаза);
-δs' — продольная сферическая аберрация;
δg' — поперечная сферическая аберрация.
В связи c большим разбросом параметров глаза у людей, то имеет место изменения вектора аберраций. Обычно минимальные аберрации становятся при аккомодации глаза при рассмотрении предметов на расстояниях 1 — 2 м. В большинстве глаз имеется отрицательная аберрация. В данном случае лучи оптического пучка испорченного сферической аберраций образуют каустику — поверхность с «бесконечной» (геометрическое приближение) плотностью световой энергии. Каустика может располагаться до фокальной поверхности оптического изображения — при отрицательной величине аберрации. Каустика подчеркивает яркость края расфокусированного пятна в изображении и служит надежным индикатором остаточной сферической аберрации при тестировании оптики, например, по звездам. Если при достаточно большом увеличении пятно расфокусировки условно точечного тест-предмета в «предфокале» имеет яркий резко очерченный край, а в «зафокале» имеем внешний край более тусклый и размытый, то имеем отрицательную сферическую аберрацию (недокомпенсированную) и, наоборот.
Для глаза такие аберрации характерны тогда, когда рефракция роговицы высокая, а хрусталика — низкая. В случае, когда аберрация роговицы ниже обычной, а хрусталика выше, то чаще имеет место положительной аберрации.
Особенность глаза, по сравнению с обычной оптической системой, связана с оптикомоторной реакцией роговицы и хрусалика и в меньшей мере с ретиномоторной реакцией колбочек и палочек глаза. В глазу поэтому сферическая аберрация частично компенсируется.
- Во-первых, благодаря тому, что периферические зоны оптической системы глаза имеют более слабую рефракцию (меньшую оптическую силу) в связи с меньшим показателем преломления периферических зон хрусталика по сравнению с его ядром.
- Во-вторых, благодаря некоторому увеличению радиусов кривизны периферической части роговицы. Сферическая аберрация зависит от аккомодации, она, как правило, увеличивается с ростом аккомодационного напряжения.[3]
Дифракционная аберрация[править | править код]
Дифракционная аберрация глаза как и оптической системы — это дифракция, когда световые лучи оптического изображения проходят через уменьшенный (задиафрагмированный) зрачок. С его уменьшением — уменьшением диаметра зрачка диаметр дифракционного кружка светорассеяния увеличивается. С другой стороны сферическая аберрация уменьшается. В связи с такой обратной зависимостью наилучшие условия наиболее четкого визуального наблюдения объектов происходят при диаметре зрачка 2 — 4 мм. Дополнительно, для точек, не лежащих на оси оптической системы глаза, наблюдаются и другие аберрации, как например, астигматизм (аберрация) не перпендикулярных пучков лучей света, который называется комой, и ещё появление аберраций, вызывающие искажение формы изображения, которые называются дисторсией, то есть увеличение оптического изображения при удалении объекта от оси оптической системы (нормально к оптической оси).
Физиологический астигматизм глаза[править | править код]
Дополнительно наряду со сферической и хроматической аберрациями в глазе наблюдается аберрация — физиологический астигматизм. Физиологический астигматизм — такой астигматизм глаза, когда при визуалном зрении сохраняется его нормальная острота.
Физиологический астигматизм в отличие от астигматизма, например, от анастигматов (объективов) имеет место у каждого глаза и обусловлен рядом главных факторов:
- асферичностью преломляющих поверхностей,
- астигматизмом лучей, косо падающих,
- децентрированием преломляющих поверхностей и неравномерностью оптической плотности преломляющих сред.
Хаотичность и разброс структуры физиологического астигматизма не даёт возможность коррекции физиологического астигматизма обычными или контактными линзами. В настоящее время методом корректировок кривизны роговицы исправляется роговичный астигматизм, однако хрусталиковый компонент физиологического астигматизма неисправим. Откуда, чем меньше физиологический астигматизм, естественно выше острота зрения. Это справедливо для остроты зрения в диапазоне 1,0 — 2,0 диоптрия — для подавляющего большинства людей с нормальным зрением.