Słowem wstępu

Trzeba przyznać, że natura miała niezłą fantazję, wyposażając człowieka w zmysł wzroku. Oczy są jednym z najbardziej skomplikowanych narządów, jakimi dysponujemy, od których sprawności i zdrowia zależy nasze funkcjonowanie w świecie zewnętrznym.

Układ wzrokowy to doskonały, precyzyjny, a jednocześnie tak czuły i delikatny mechanizm. Warto się z nim bliżej zapoznać.

Proces widzenia

Widzenie to bardzo skomplikowany proces fizyczno-psychiczny, który składa się z trzech kolejnych etapów:

• Przyjęcia bodźca

• Przewodzenia go

• Zebranie i poznanie tego bodźca

Takie warunki może spełnić tylko prawidłowo zbudowany i funkcjonujący układ wzrokowy.

Układ ten składa się z gałki ocznej, która jest umiejscowiona w oczodole i odpowiedzialna za odbiór wrażeń wzrokowych, następnie z drogi wzrokowej, która prowadzi do korowych ośrodków wzrokowych mózgu. Tam impulsy są odbierane i przetwarzane tak, aby organizm zareagował w odpowiedni sposób na bodziec który do niego dotarł.

Patrząc na aparat fotograficzny spróbujmy zrozumieć, jak pracuje nasze oko. Przednia część oka działa jak soczewka, podobnie do soczewek w aparacie fotograficznym. Soczewka jest zakrzywionym, przezroczystym, małym dyskiem, który załamuje przechodzące przez niego promienie świetlne. Źrenica- okrągły otwór pośrodku tęczówki- umożliwia przenikanie światła. Tęczówka, podobnie jak przesłona w aparacie fotograficznym, rozkurcza się i kurczy, regulując ilość światła wchodzącego do oka. Wewnętrzna warstwa oka- to błona filmowa, na której rejestrowane są wrażenia wzrokowe.

Mimo wszystko oko ma o wiele bardziej złożoną budowę, niż aparat fotograficzny. Aparat umożliwia proste zarejestrowanie obrazu na kliszy, natomiast ludzie i zwierzęta potrafią nie tylko odbierać obrazy uzyskiwane na siatkówce, ale także odpowiednio je interpretować. Dzieje się tak dlatego, że oko jest połączone z mózgiem przez nerw wzrokowy-który błyskawicznie przenosi informacje z siatkówki. Informacje te przybierają postać impulsów, które mózg następnie przetwarza (dekoduje).

OPTYKA GEOMETRYCZNA

Pojęty szeroko układ optyczny to każdy przezroczysty obszar z przestrzennym rozkładem współczynnika załamania n=f(x,y,z). Wyjątkową soczewką, której współczynnik załamania jest różny w poszczególnych warstwach, jest soczewka oczna. Układ optyczny obejmuje sobą soczewkę, układ soczewek a także układ układów optycznych. Elementarnym układem optycznym jest powierzchnia załamująca.

Ognisko soczewki/układu soczewek , dla układów skupiających (+), to pkt. w którym skupi się wiązka promieni równoległych do osi po przejściu przez układ , a dla ukł. rozpraszających (-) to pkt. w którym przecinają się przedłużenia promieni wychodzących.

Ogniskowa-odległość od środka soczewki do ogniska
- dla oka nie można tej def. zastosować, gdyż jest to gruba soczewka, musimy wyznaczyć tzw. Płaszczyzny główne (M-przedmiotowa i M’-obrazowa)- to tu przecinają się teraz przedłużenia promieni i od nich wyznacza się ogniskową.

H i H’- to pkt-y główne układu optycznego- pkt-y przecięcia płaszczyzny obrazowej i przedmiotowej z osią optyczną układu.

W układach optycznych wyróżnia się 6 tzw. punktów kardynalnych. Ich położenie jednoznacznie ustala bieg promieni przez układ. Stanowią te punkty: dwa ogniska, dwa punkty główne i dwa punkty węzłowe.

Punkty węzłowe spełniają następujący warunek: jeśli kierunek promienia padającego pod pewnym kątem do osi optycznej przechodzi przez punkt węzłowy przedmiotowy, to kierunek promienia załamanego przechodzi przez punkt węzłowy obrazowy i jest nachylony pod tym samym kątem do osi.

ABERRACJE- wady soczewek

Omawiając układ optyczny, wychodziliśmy z założenia, że obrazem punktu jest punkt. Tak byłoby gdyby układ był układem doskonałym, a takim nie jest ludzkie oko. Obrazem punktu jest pewien niewielki obszar trójwymiarowy, w którym strumień światła jest niejednorodny i w dodatku obszar ten jest barwny! Skutkiem tego stanu są właśnie aberracje układu optycznego.

Jedyną aberracją wymagającą korekcji wzroku jest astygmatyzm  i to ten spowodowany niesferycznością powierzchni załamujących oka – szczególnie rogówki.

• Jest wadą polegającą na zniekształceniu widzenia w skutek  niesymetryczności rogówki oka. 

• Jeżeli promień krzywizny rogówki oka w płaszczyźnie pionowej jest inny niż w płaszczyźnie poziomej, to promienie świetlne padające na różne części rogówki załamywane są w różnym stopniu. 

• Powoduje to, że obraz  jest nieostry.

Optyczne znaczenie źrenicy

Szukając przyczyn plamkowego obrazu należy zwrócić uwagę na coś jeszcze poza aberracjami. Mianowicie chodzi mi o zjawisko dyfrakcji. Wiemy bowiem że na każdej krawędzi światło ulega ugięciu(dyfrakcji). A gdzie ugina się światło wpadające do oka? Otóż miejsce ugięcia, a także kształt wiązek świetlnych wyznaczają źrenice- mające taki sam przekrój dla wszystkich wiązek światła. Każdy układ ma taką najmniejszą przesłonę, która decyduje o średnicy wiązki światła przechodzącego przez układ- nazywamy ją przesłoną aperturową. Wg. Abbe’go należy odróżnić źrenicę wejściową, znajdującą się od strony przedmiotu, od źrenicy wyjściowej leżącej po stronie obrazu. Promień wychodzący z osiowego punktu przedmiotu i wchodzący jeszcze do układu jest promieniem aperturowym- na podstawie jego biegu można wprowadzić bardzo ważne w mikroskopii pojęcie apertury numerycznej.

Przesłona aperturowa wybiera promienie tworzące obraz i wpływa na ich bieg. Ugięta część światła przechodzi przez układ innymi drogami niż to wynika z prawa załamania. Obrazem punktu będzie plamka dyfrakcyjna. Na skutek interferencji światła ugiętego i nieugiętego obraz punktu jest zbiorem koncentrycznych pierścieni o zmiennym natężeniu światła.

Zdolność rozdzielcza - przyrządu optycznego do obserwacji obiektów o określonej odległości kątowej. Im większa jest zdolność rozdzielcza, tym bliższe sobie punkty są obserwowane jako odrębne, a nie jako pojedyncza plama. Jednym z kryteriów określania zdolności rozdzielczej jest kryterium Rayleigha (dwa punkty są przez układ optyczny rozdzielane, gdy maksimum główne jednego z punktów pokrywa się z pierwszym minimum drugiego).

Zdolność rozdzielcza oka zależy od zdolności rozdzielczej jego układu optycznego, czułości elementów fotoczułych i ich wymiarów. Zdolność rozdzielcza i ziarnistość powierzchni światłoczułej warunkuje tzw. głębię ostrości, dzięki której obrazy przedmiotów w pewnym zakresie odległości od układu są widziane jednakowo dobrze.

Widzenie przestrzenne

Odczuwanie trójwymiarowości przestrzeni możliwe jest dzięki parze oczu obserwujących ten sam obszar. (Choć obserwacja jednooczna nie do końca wyklucza odróżniania przedmiotów dalekich i bliskich.) Para oczu umożliwia DOKŁADNĄ orientację w przestrzeni, ponieważ zbieżność osi oczu dla obiektów bliższych jest większa niż dla dalszych. Obraz widziany przez każde oko jest inny.

ENERGETYKA PROCESU WIDZENIA

• Wiązka światła jest traktowana jako zbiór fotonów, obdarzonych energią E=hf

(h-stała Plancka, f-częstotliwość światła)

• W celu wywołania wrażenia wzrokowego do oka musi dotrzeć określona porcja energii świetlnej, nie mniejsza od bezwzględnego progu czułości!

• Bezwzględny próg czułości siatkówki ma wartość małą, równą energii 1-8 kwantów.

• Jeden kwant powoduje pobudzenie jednego pręcika.

Szczegóły procesu widzenia

Światło wpadające do oka biegnie przez rogówkę, komorę przednią oka, soczewkę i ciało szkliste i pada na siatkówkę wywołując wrażenie wzrokowe przekazywane do mózgu za pośrednictwem połączeń nerwowych. Rogówka, wraz z cieczą wodnistą, soczewką i ciałem szklistym, stanowią układ skupiający promienie świetlne tak, by na siatkówce pojawiał się ostry obraz obserwowanego przedmiotu.
Środki krzywizn rogówki i soczewki leżą na prostej zwanej osią optyczną oka. Występuje jednak rozbieżność osi optycznej i osi widzenia, która jest wynikiem przesunięcia dołka środkowego poza oś optyczną oka. W efekcie występuje obrót osi widzenia względem osi optycznej średnio o około 5 stopni.

Soczewka ma możliwość zmiany swojego kształtu, a co za tym idzie mocy optycznej. Pozwala to na ogniskowanie na siatkówce przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach (akomodacja).

Akomodacja – zdolność dostosowania się oka do odległości oglądanych przedmiotów przez zmianę promienia soczewki za pomocą mięśni.

• Promień zmienia się od 5,7 do 10,7 mm.

• Punkt najdalszy oglądany bez akomodacji – punkt daleki. Dla oka normalnego w nieskończoności. Przedmioty bliższe lekka akomodacja.

• 25 cm średnie dobre widzenie.

• 15 cm wymaga napięcia mięśni.

Ostre widzenie uzyskiwane jest wtedy, gdy ognisko obrazowe pokrywa się z siatkówką. Moc optyczna oka nieakomodującego wynosi około +60 dioptrii, przy czym około 2/3 tej mocy przypada na rogówkę.

Do soczewki ocznej przylega tęczówka spełniająca rolę przysłony kurczącej się pod wpływem bodźców świetlnych co powoduje zmianę średnicy źrenicy wejściowej oka. Tęczówka ma zdolność do zmiany średnicy wejściowej oka w zakresie od 8 mm w ciemności do 2 mm przy intensywnym oświetleniu. Reaguje one jednak nie tylko na różnice jasności, ale także przy obiektywnej jasności zamyka się na światła czerwone i żółte, a na niebieskie i zielona otwiera się.

Siatkówka jako odbiornik promieniowania elektromagnetycznego zbudowane jest z dwóch rodzajów komórek światłoczułych: czopków i pręcików połączonych za pomocą nerwów z mózgiem. Czopki o względnie niskiej czułości przeznaczone są do obserwacji przy świetle dziennym. Ich maksymalne zagęszczenie występuje w dołku środkowym. Jeśli zatem obraz obserwowanego przedmiotu znajdzie się dokładnie w tym obszarze uzyskujemy wtedy najlepsza zdolność rozdzielczą. Wraz ze spadkiem natężenia światła wpadającego do oka rośnie średnica źrenicy. W momencie, gdy czułość czopków jest niewystarczająca do prowadzenia obserwacji, mimo dużych wymiarów źrenicy, funkcję receptorów przejmują pręciki. Pręciki znajdują się poza dołkiem środkowym, a największe ich zagęszczenie znajduje się w odległości kątowej 15 stopni od jego środka (dlatego widzenie nocne nazywamy widzeniem peryferyjnym). Ogółem na siatkówce znajduje się około 130 milionów pręcików i 7 milionów czopków.

Bezpośrednim skutkiem absorpcji światła w widzeniu ekotopowym jest rozkład rodopsyny- fotopigmentu zawartego w pręcikach. Rozkład zachodzi znacznie szybciej niż synteza i dzięki temu mamy sprzężenie zwrotne, które reguluje ilość rodopsyny w zależności od natężenia oświetlenia. Wzrost natężenia światła powoduje zmniejszenie ilości rodopsyny, a tym samym zmniejszenie czułości pręcików.

Ważną rolę w odbiorze wrażeń ma tzw. kontrast fizjologiczny- wrażenie wzrokowe odniesione przez obserwatora jest nie tylko funkcją bodźca, ale i uprzedniego stanu receptorów.

Powstający obraz przedmiotu na siatkówce to obraz pozorny i odwrócony. Mózg człowieka prawidłowo interpretuje obraz, ale musi się tego nauczyć - niemowlę w pierwszych dniach życia widzi świat "do góry nogami".
W miejscu gdzie połączenia nerwowe elementów światłoczułych z mózgiem tworzą wspólny nerw wzrokowy powstaje plamka ślepa pozbawiona zupełnie czopków i pręcików. Jeśli zatrzymamy wzrok na jakimś znaku znajdującym się przed nami, to inny znak, odległy od niego o 15°, stanie się niewidoczny (dla oka prawego znak ów leży na prawo, dla lewego na lewo od znaku pierwszego). Obraz przedmiotu obserwowanego znajduje się właśnie na ślepej plamce.

Kolory

Oko odbiera tylko część promieniowania nań padającego. Związane jest to z własnościami fizyko-chemicznymi rogówki, czopków i pręcików. Odbieramy światło, które mieści się w zakresie tzw. okna optycznego czyli od ok. 400nm do ok. 700nm.
Promieniowanie o długości fali spoza okna optycznego nie jest przepuszczane przez rogówkę oka. Promieniowanie, które wniknie do oka w różnym stopniu wywołuje reakcje elektrochemiczne w czopkach i pręcikach stając się źródłem bodźców. Ze względu na różną budowę czopków i pręcików występują różne właściwości widzenia ciemnego (przy małym oświetleniu, np. w nocy) i jasnego (przy dużym oświetleniu, np. w dzień) . Przyjmuje się maksimum czułości czopków na 550 nm, a pręcików na 510 nm.

Rysunek przedstawia wykres krzywej czułości widmowej oka ludzkiego dla widzenia jasnego i ciemnego. Łatwo zauważyć najwyższą czułość oka w punktach 550nm i 510nm, malejącą wraz z oddalaniem się od tych maksimów, aż do osiągnięcia wartości zero na krańcach okna optycznego - jest to jednoznaczne ze ślepotą oka na światło o danej długości fali.

Mechanizm widzenia barw jest do dziś nie do końca poznany. Uważa się że wszelkie wrażenia barwne można wywołać za pomocą odpowiednio dobranych trzech długości fal. Istnieją więc trzy rodzaje czopków z których każdy ma maksima czułości przy różnych długościach fal. Barw nie widzi oko zaadoptowane do ciemności.

Na koniec…

Patrząc na oko bez wątpienia można stwierdzić, że jest to naprawdę cudowny układ optyczny działający w wspaniały sposób. Do tej pory, w dobie ogromnego postępu technicznego człowiekowi nadal nie udało się stworzyć układu optycznego, który dorównałby ludzkiemu oku po względem elastyczności, funkcjonalności i sprawności.

-Katarzyna Anna Golicka

BIBLIOGRAFIA

• „Biofizyka. Podręcznik dla studentów” pod redakcją prof. dr
  hab. Feliksa Jaroszyka

• „Biofizyka” Walter Beier

• „Biologia” E. Solomon, L. Berg, D. Martin

• „Świat Wiedzy”

• „Świtało i barwa w przyrodzie” Mark Minnaert

• „Osobliwości promieni i fal świetlnych” Samuel Tolansky