http://tpc.matness.net/fizyka/oko/

Budowa biologiczna oka

Oko ma w przybliżeniu kształt kuli o średnicy 24 mm, wypełnionej w większości bezpostaciową substancją (ciałkiem szklistym), znajdującej się pod ciśnieniem pozwalającym na utrzymanie jego kształtu.

Twardówka jest najbardziej zewnętrzną częścią oka. Zbudowana jest z nieprzeźroczystej błony włóknistej łącznotkankowej. W przedniej części oka przechodzi w rogówkę. Rogówka kształtem przypomina wypukłe szkiełko od zegarka. Zbudowana jest z przeźroczystej błony włóknistej. Między twardówką i siatkówką leży naczyniówka, która wraz z tęczówką i ciałem rzęskowym tworzy błonę naczyniową, w której znajdują się naczynia krwionośne. Ciało rzęskowe utrzymuje soczewkę w odpowiednim położeniu.
Siatkówka jest receptorową częścią oka. Składa się z trzech warstw, przy czym najbliższa środka oka warstwa składa się z czopków i pręcików - komórek światłoczułych, a dwie pozostałe z neuronów przewodzących bodźce wzrokowe. Na siatkówce znajduje się plamka żółta, będąca miejscem o największym skupieniu czopków i z tego powodu cechuje się największą wrażliwością na barwy i światło. Nieco niżej znajduje się plamka ślepa - miejsce pozbawione komórek światłoczułych i dlatego niewrażliwe na światło. Jest miejscem zbiegu nerwów łączących komórki światłoczułe z nerwem wzrokowym. Soczewka jest zawieszona między tęczówką a ciałem szklistym na obwódce rzęskowej. Tęczówka jest umięśnioną częścią błony naczyniowej otaczającej otwór nazywany źrenicą. Dzięki zawartemu w niej pigmentowi jest kolorowa. Mięśnie tęczówki pozwalają na zwiększanie lub zmniejszanie dopływu światła przez regulację wielkości źrenicy.

Sposób 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). 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.
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.
Warto jeszcze dodać że przyroda dała nam zwierzątko głowonoga zwanego "Nautilus", którego oko stanowi coś na wzór "camery obscura" - ciemnia fotograficzna. To urządzenie wynalazł na przełomie XVI i XVII wieku Giambattista della Porta. Jest to skrzynka z malutkim otworkiem. Promienie świetlne przechodzą przez otworek jak
na rysunku. Otrzymujemy obraz odwrócony i rzeczywisty. Co ciekawe obraz pozbawiony jest jakichkolwiek wad, które posiadają soczewki. Jedynym efektem ubocznym jest dyfrakcja fal świetlnych na otworku co przejawia się tym, że bardziej odległe szczegóły obrazu są zamazane. Opisana metoda stosowana jest w dokumentacjach architektonicznych zabytków - oddaje wiernie wszelkie szczegóły geometryczne. Ze względu na mały otworek, naświetlanie musi trwać 2-3 minuty.

Wady wzroku

Nadwzroczność

Jest wynikiem zbyt małych rozmiarów przednio - tylnych oka lub niewystarczającą siłą łamiącą układu optycznego
oka. Nadwzroczność wzrasta z wiekiem wskutek postępującego osłabienia aparatu nastawczego oka, w wyniku zmniejszenia sprawności mięśnia rzęskowego i elastyczności soczewki.
Promienie równoległe, które w nieakomodującym oku zdrowym ogniskowane są na siatkówce, w nieakomodującym oku nadwzrocznym ogniskowane są za siatkówką. Wskutek tego wrażenie wzrokowe dalekowidza jest nieostre. Żeby dobrze
zobaczyć przedmiot dalekowidz odsuwa przedmiot od oczu.
W celu poprawy ostrości widzenia dalekowidza stosuje się okulary lub soczewki kontaktowe. Są to soczewki skupiające. Ich moc optyczną podaje się w dioptriach dodając znak plus (np. plus 3 dioptrie).

Krótkowzroczność

Jest jedną z najczęściej spotykanych wad refrakcyjnych oka ludzkiego. Jest wynikiem zbyt dużych rozmiarów przednio - tylnych oka lub zbyt dużą siłą
łamiącą układu optycznego oka. Poniższe rysunki przedstawiają bieg promieni świetlnych w oku zdrowym i krótkowzrocznym.
Jak widać promienie równoległe, które w nieakomodującym oku zdrowym ogniskowane są na siatkówce, w nieakomodującym oku krótkowzrocznym ogniskowane są przed siatkówką. Wskutek tego wrażenie wzrokowe krótkowidza jest nieostre.
Żeby dobrze zobaczyć przedmiot krótkowidz przysuwa przedmiot bliżej oczu.
W okularach stosuje się soczewki rozpraszające. Ich moc optyczną podaje się w dioptriach dodając znak minus (np. minus 3 dioptrie). Poniższy rysunek przedstawia bieg promieni świetlnych w oku krótkowzrocznym skorygowanym soczewką rozpraszającą.

Astygmatyzm

Jest wadą polegającą na zniekształceniu widzenia wskutek
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 widziany przez pacjenta jest nieostry. Często zdarza się, że gdy pokazuje się pacjentowi znak krzyżyka, on widzi ostro tylko jedno jego ramię - pionowe lub poziome.
Aby skorygować taką wadę stosuje się okulary z soczewkami cylindrycznymi.

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.

Efekt Purkinjego

Polega na rożnym widzeniu barw w zależności od natężenia. Przy normalnym oświetleniu oczy nasze widzą za pomocą czopków, a przy słabym za pomocą pręcików. Jak widzimy z wykresu czopki są bardziej czułe na światło żółte, a pręciki na niebiesko-zielone. Pręciki dają nam wrażenie światłą, lecz nie barwy.
Np. Jeśli w nocy spojrzymy na czerwoną kartkę, będziemy widzieć ją jako czarną, a niebieską i błękitną - jako szarobiałą.

Powidoki - Kontrast następczy

Możemy obserwować w następujący sposób: oglądamy z głębi pomieszczenia okno posiadające szczeble i następnie zamkniemy oczy, okno odwzorowuje się w zamkniętym oku, ale wartości jasno-czarne odwrócą się.
Wytłumaczenie jest proste, otóż patrząc na okno na pewnie obszary siatkówki pada więcej światła (odwzorowanie nieba), a na inne mniej (rama okienna). Powoduje to nierównomierne obciążenie i zmęczenie siatkówki. Jeżeli zamkniemy oko to przez powieki wpada jeszcze dostatecznie dużo światła, by pobudzić mało zmęczone partie siatkówki i wywołać, choćby słabe, odczucie światła. W ten sposób rama okienna przy zamkniętym oku wygląda jasno.

Barwy powidoku

Jeżeli uporczywie wpatrujemy się w czerwone koło a następnie spojrzymy na białe tło to zobaczymy negatyw czerwonej plamy - plamę zieloną. Te zjawiska również tłumaczymy zmęczeniem uprzednio obciążonych komórek wzrokowych.

Zjawiska optyczne w życiu codziennym

W życiu codziennym każdy z nas może zaobserwować wiele zjawisk optycznych. Poniżej wyjaśniam ich pochodzenie.

• obserwacje terenu - Zazwyczaj kiedy człowiek patrzy w dal, osłania od góry oczy ręką. Dłoń nasza chroni oko przed światłem padającym z góry, które normalnie ulega rozproszeniu w oku i obraz krajobrazu zaciera w ten sposób smuga rozproszonego białego światła. Jeszcze lepszy efekt uzyskamy gdy dłoń zwiniemy w rurkę.

• firanka okienna - Gdy w dzień spojrzymy na okno mieszkania to firanka wyraźnie przeszkadza nam dojrzeć, co znajduje się wewnątrz. Wynika to stąd że firanka jest mocno z zewnątrz oświetlona co daje jej pewną jasność, do której dodają się jasności przedmiotów znajdujących się w pokoju. Jeśli jasności przedmiotów są nieduże w porównaniu z jasnością firanki to przestajemy je w ogóle widzieć.
  Odwrotna sytuacja jest w nocy. Jeśli w pokoju pali się światło to widzimy przez firankę wnętrze zupełnie wyraźnie. Zewnętrzna powierzchnia zasłony nie jest w tym wypadku oświetlona.

• czerwone oczy na zdjęciu - Ponadto możemy zaobserwować oczy kota w nocy, gdy oświetlimy go światłem. Jest to światło odbite kierunkowo (tj. światełka odblaskowe). Promienie przechodzące przez rogówkę oka kota tworzą tam ostry obraz. Obraz ten odbija świtało tak, że wiązka promieni wraca praktycznie tą samą drogą. Aby to zaobserwować wyraźnie, oko obserwatora i oko kota musza się znajdować na jednej prostej ze źródłem światła.

Zjawiska optyczne w przyrodzie

Poniżej przedstawiam grupę zjawisk wraz z wyjaśnieniami, z którymi każdy może się zetknąć obserwując przyrodę.

• migotanie gwiazd - Zmiany położenia gwiazdy są wynikiem zmian zakrzywienia promienia świetlnego w prądach gorącego i zimnego powietrza. Zmiany jasności powstają dlatego, że nieregularnie biegnące promienie w niektórych miejscach nad ziemią skupiają się, a w innych są rozrzedzane. Całość się nieustannie przesuwa (np. wskutek wiatru) i dlatego obserwator raz trafia w bardziej oświetlone, innym razem w mniej oświetlone miejsce. Zmiany barwy należy tłumaczyć dyspersją przy normalnym zakrzywieniu ziemskim promieni - drogi promieni o różnej barwie nieco się od siebie różnią. Zjawisko migotania jest tym częstsze im gwiazda leży bliżej horyzontu, dlatego że wtedy patrzymy przez grubszą warstwę powietrza.

• błękit nieba - Jak wszyscy wiem światło nieba jest po prostu rozproszonym światłem Słońca. Zawiera wiele fioletu, sporo światła niebieskiego, trochę mniej zielonego i bardzo mało żółtego i czerwonego. Połączenie tych kolorów daje ton błękitu, jaki ma niebo. Ośrodkami rozproszenia są same cząsteczki powietrza. Zjawiskiem rozpraszania światła rządzi prawo Rayleigha: natężenie promieniowania rozproszonego jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu długości fali.

Ze wzoru widać że najlepiej rozpraszają się fale krótkie (fiolet). To samo prawo odpowiedzialne jest za kolor słońca o zachodzie lub wschodzie. Tłumaczymy to tym, że promienie słoneczne muszą przejść przez grubszą warstwę atmosfery. Zatem docierają do nas bezpośrednio promienie długofalowe - czerwone, krótkofalowe zostały silnie rozproszone.

• miraże - Miraż można zauważyć jadąc w lecie
  samochodem po rozgrzanej szosie. Odnosimy wówczas wrażenie, że daleko przed nami drogę pokrywają kałuże. Powierzchnia drogi wydaje nam się mokra jedynie wtedy gdy jest silnie nagrzana przez słońce, oraz gdy horyzont w dali jest pusty. Od nagrzanej nawierzchni nagrzewa się stykające się z nią powietrze, w wyniku czego gęstość powietrza tuż przy nawierzchni jest najmniejsza (bo powietrze jest najcieplejsze) i rośnie z wysokością (temperatura powietrza maleje). Z tego wynika, że współczynnik załamania jest również mniejszy w niższych warstwach powietrza. Promień świetlny pada skośnie od góry napotykając warstwy powietrza, których gęstość stopniowo maleje, wówczas następuje załamanie w przeciwnym kierunku i zakrzywienie promienia ku górze. Gdy biegnie już prawie stycznie ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i biegnąc dalej przechodzi do obszarów o coraz większej gęstości i znowu się zagina.
  W wyniku obserwator widzi światło idące od strony nieba z punktu A, tak jakby przechodziło z punktu B. Dokładnie tak samo jakby na ziemi znajdowała się kałuża. Miraż pustynny powstaje w ten sam sposób. Dodatkowo przedmioty jawią się nam odwrócone i czasem można zobaczyć obraz odwrócony, nie widząc przedmiotu oryginalnego. Gdy przedmiot będzie bardzo wysoki, wierzchołek będziemy widzieć jako rzeczywisty przedmiot (powietrze jest tam mniej nagrzane), a poniżej odwrócony obraz podstawy. Na Arktyce występują również miraże, tylko że w formie odwrotnej niż na pustyni, ponieważ najniżej leży powietrze zimnie - stykające się ze śniegiem lub lodem.
  

• irradiacja - jest złudzeniem optycznym
  polegającym na pozornym zwiększaniu się przedmiotów świecących się na ciemnym tle. Przyczyną jest to, ze obraz powstający w oku ulega deformacji w wyniku dyfrakcji i niedoskonałości optycznej oka. W przyrodzie irradiację możemy czasem obserwować przy zachodzie słońca (rysunek poniżej).
  

• tęcza - Pierwsze naukowe wyjaśnienie powstawania tęczy było dziełem Arystotelesa. Zakładało ono, że zjawisko to jest powodowane załamaniem się promieni świetlnych na kroplach deszczu. Jednak w r. 1253 Robert Grosseteste prowadzący badania w Oxfordzie wykazał, że Arystotelesowskie wyjaśnienie jest niewystarczające. Tłumaczyło ono sferyczną formę tęczy, ale nie jej kolor. Eksperymenty Grossetesta z wypełnionymi
  wodą szklanymi sferami pokazywały, jak promienie Słońca rozszczepiały się na kropli wody i jak towarzyszył temu zanik białego światła na rzecz kolorowych warstw. Doświadczenie kontynuował franciszkanin Roger Bacon (ok. 1292), który studiował formowanie się obrazów oglądanych przez naczynia z wodą, co odpowiadało działaniu soczewki. Pod koniec stulecia prace te zaowocowały poprawną jakościowo teorią wyjaśniającą tęczę, opracowaną przez niemieckiego dominikanina Dietricha z Fryburga. Tęcza powstaje przez rozszczepienie światła białego i odbicie go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i mniejsze natężenie światła). Zazwyczaj widoczny jest jedynie pierwszy łuk o promieniu zewnętrznym 42,5 stopnia, ułożony symetrycznie wokół przedłużenia prostej łączącej obserwatora ze Słońcem (barwa czerwona na zewnątrz, fioletowa wewnątrz). Drugi łuk ma promień zewnętrzny 54 stopnie i odwróconą kolejność barw.

• halo - Zjawisko halo powstaje w zamgleniu chmur typu
  cirrostratus lub cirrus, składające się z małych kryształków lodu o regularnym kształcie. Na rysunku przestawiono schematycznie niektóre z najważniejszych zjawisk halo. Teraz umówię "Małe koło" które jest najczęstszą formą halo. Powstaje w wyniku załamania światła na kryształkach sześciokątnych lodu, które załamują światło tak jak pryzmat o kącie łamiącym równym 60°. Najmniejsze odchylenie określa wzór:

Podstawiając za A = 60° n=1,31 otrzymamy D=22°, czyli dokładnie promień małego halo ! Zjawiska halo są zjawiskami bardzo złożonymi, oprócz załamania swój udział wnosi dyfrakcja i interferencja

Literatura i słowo komentarza

Powyższy tekst został przygotowany przeze mnie na referat z "Fizyki środowiska". Zawarte są tu materiały, które można powszechnie znaleźć w internecie czy też w innych książkach.

Literatura

1. Samuel Tolansky "Osobliwości promieni i fal świetlnych"

2. Mark Minnaert "Świtało i barwa w przyrodzie"

3. Gerhard Zeugner "Barwa i człowiek"

---