Wzrok jest jednym z najcenniejszych ludzkich zmysłów. Podczas gdy układ wzrokowy jest stosunkowo złożoną częścią mózgu, proces ten jest napędzany przez skromny element optyczny: oko. Tworzy obrazy na siatkówce, gdzie światło jest pochłaniane przez fotoreceptory. Z ich pomocą sygnały elektryczne są przesyłane do kory wzrokowej w celu dalszego przetwarzania.
Główne elementy układu optycznego oka: rogówka i soczewka. Postrzegają światło i rzucają je na siatkówkę. Warto zauważyć, że urządzenie oka jest znacznie prostsze niż aparatów z wieloma obiektywami stworzonymi na jego podobieństwo. Pomimo tego, że tylko dwa elementy pełnią w oku rolę soczewek, nie wpływa to negatywnie na odbiór informacji.
Światło
Wrodzona natura światła wpływa również na niektóre cechy układu optycznego oka. Na przykład siatkówka jest najbardziej wrażliwa w centralnej części na percepcję widma widzialnego, odpowiadającego widmu promieniowania Słońca. Światło może być postrzegane jako poprzecznefala elektromagnetyczna. Widoczne długości fal od około niebieskiej (400 nm) do czerwonej (700 nm) stanowią tylko niewielką część widma elektromagnetycznego.
Ciekawe, że natura cząsteczki światła (fotonu) może również w pewnych warunkach wpływać na widzenie. Absorpcja fotonów zachodzi w fotoreceptorach zgodnie z regułami procesu losowego. W szczególności intensywność światła docierającego do każdego fotoreceptora określa jedynie prawdopodobieństwo zaabsorbowania fotonu. Ogranicza to zdolność widzenia przy niskiej jasności i przystosowania oka do ciemności.
Przejrzystość
W sztucznych układach optycznych stosuje się przezroczyste materiały: szkło lub tworzywa sztuczne z utrwalaczem refrakcyjnym. Podobnie ludzkie oko musi tworzyć obrazy o dużej skali i wysokiej rozdzielczości przy użyciu żywej tkanki. Jeśli obraz rzutowany na siatkówkę jest zbyt rozmazany, niewyraźny, system wzrokowy nie będzie działał prawidłowo. Przyczyną tego mogą być choroby oczu i neuronów.
Anatomia oka
Ludzkie oko można opisać jako wypełnioną płynem strukturę quasi-sferyczną. Układ optyczny oka składa się z trzech warstw tkanek:
- zewnętrzne (twardówka, rogówka);
- wewnętrzne (siatkówka, ciało rzęskowe, tęczówka);
- średniozaawansowany (naczyniówka).
U dorosłych ludzi oko ma w przybliżeniu średnicę 24 mm i składa się z wielu komórkowych i niekomórkowych składników pochodzących z ektodermalnej i mezodermalnej linii zarodkowejźródła.
Zewnętrzna część oka jest pokryta wytrzymałą i elastyczną tkanką zwaną twardówką, z wyjątkiem przedniej części, gdzie przezroczysta rogówka pozwala światłu dostać się do źrenicy. Dwie inne warstwy pod twardówką: naczyniówka dostarczająca składniki odżywcze i siatkówka, gdzie światło jest pochłaniane przez fotoreceptory po utworzeniu obrazu.
Oko jest dynamiczne dzięki działaniu sześciu zewnętrznych mięśni, które rejestrują i skanują środowisko widzenia. Światło wpadające do oka jest załamywane przez rogówkę: cienką przezroczystą warstwę pozbawioną naczyń krwionośnych o średnicy około 12 mm i grubości około 0,55 mm w części środkowej. Wodny film łzowy na rogówce gwarantuje najlepszą jakość obrazu.
Przednia komora oka jest wypełniona płynną substancją. Tęczówka, dwa zestawy mięśni z centralnym otworem, którego wielkość zależy od skurczu, działa jak przepona o charakterystycznym kolorze zależnym od ilości i rozmieszczenia pigmentów.
Źrenica to otwór w środku tęczówki, który reguluje ilość światła wpadającego do oka. Jego rozmiar waha się od mniej niż 2 mm w jasnym świetle do ponad 8 mm w ciemności. Gdy źrenica dostrzeże światło, soczewka krystaliczna łączy się z rogówką, tworząc obrazy na siatkówce. Soczewka krystaliczna może zmienić swój kształt. Jest otoczony elastyczną otoczką i przymocowany do ciała rzęskowego za pomocą zonuli. Działanie mięśni ciała rzęskowego pozwala soczewce zwiększyć lub zmniejszyć jej moc.
Siatkówka i rogówka
W siatkówce znajduje się centralne zagłębienie, w którymzawiera największą liczbę receptorów. Jego części peryferyjne zapewniają mniejszą rozdzielczość, ale specjalizują się w ruchu gałek ocznych i wykrywaniu obiektów. Naturalne pole widzenia jest dość duże w porównaniu do sztucznego i wynosi 160×130°. Plamka żółta znajduje się w pobliżu i działa jak filtr świetlny, rzekomo chroniąc siatkówkę przed chorobami zwyrodnieniowymi poprzez filtrowanie niebieskich promieni.
Rogówka ma kształt sferyczny o promieniu krzywizny przedniej 7,8 mm, promieniu krzywizny tylnej 6,5 mm i niejednorodnym współczynniku załamania światła wynoszącym 1,37 dzięki warstwowej strukturze.
Rozmiar i ostrość oczu
Przeciętne statyczne oko ma całkowitą długość osiową 24,2 mm, a odległe obiekty są skupione dokładnie w środku siatkówki. Ale odchylenia w wielkości oka mogą zmienić sytuację:
- krótkowzroczność, gdy obrazy są skupione przed siatkówką,
- dalekowzroczność, gdy dzieje się to za nią.
Funkcje układu optycznego oka są również naruszane w przypadku astygmatyzmu - nieprawidłowej krzywizny soczewki.
Jakość obrazu na siatkówce
Nawet gdy system optyczny oka jest idealnie zogniskowany, nie daje idealnego obrazu. Wpływa na to kilka czynników:
- dyfrakcja światła w źrenicy (rozmycie);
- aberracje optyczne (im większa źrenica, tym gorsza widoczność);
- rozpraszanie wewnątrz oka.
Konkretne kształty soczewek oka, zmiany współczynnika załamania światła i cechy geometryczne to wady układu optycznego okaw porównaniu do sztucznych odpowiedników. Zwykłe oko ma co najmniej sześciokrotnie niższą jakość, a każde z nich tworzy oryginalną mapę bitową w zależności od występujących aberracji. Na przykład postrzegany kształt gwiazd będzie się różnić w zależności od osoby.
Widzenie peryferyjne
Centralne pole siatkówki zapewnia największą rozdzielczość przestrzenną, ale mniej czujna część peryferyjna jest również ważna. Dzięki widzeniu peryferyjnemu człowiek może nawigować w ciemności, rozróżniać czynnik ruchu, a nie sam poruszający się obiekt i jego kształt oraz nawigować w przestrzeni. Widzenie peryferyjne dominuje u zwierząt i ptaków. Co więcej, niektóre z nich mają kąt widzenia 360 ° dla większej szansy na przeżycie. Iluzje wzrokowe są obliczane na podstawie cech widzenia peryferyjnego.
Wynik
System optyczny ludzkiego oka jest prosty i niezawodny oraz doskonale dostosowany do percepcji otaczającego świata. Choć jakość widzialnego jest niższa niż w zaawansowanych systemach technicznych, spełnia wymagania organizmu. Oczy posiadają szereg mechanizmów kompensacyjnych, które sprawiają, że niektóre potencjalne ograniczenia optyczne są pomijalne. Na przykład duży negatywny efekt rozmycia chromatycznego jest eliminowany przez odpowiednie filtry kolorów i czułość pasmowoprzepustową.
W ostatniej dekadzie możliwość korygowania aberracji wzroku za pomocą adaptacjioptyka. Jest to obecnie technicznie możliwe w laboratorium za pomocą urządzeń korekcyjnych, takich jak soczewki wewnątrzgałkowe. Korekta może przywrócić zdolność widzenia, ale jest niuans - selektywność fotoreceptorów. Nawet jeśli ostre obrazy są rzutowane na siatkówkę, do poprawnej interpretacji najmniejsza litera, która ma być dostrzeżona, będzie wymagała wielu fotoreceptorów. Obrazy liter mniejszych niż odpowiadająca im ostrość wzroku nie będą rozróżniane.
Jednak głównymi zaburzeniami widzenia są słabe aberracje: rozogniskowanie i astygmatyzm. Przypadki te zostały łatwo skorygowane przez różne postępy technologiczne od XIII wieku, kiedy wynaleziono soczewki cylindryczne. Nowoczesne metody polegają na wykorzystaniu soczewek kontaktowych i wewnątrzgałkowych lub zabiegów laserowej chirurgii refrakcyjnej do edycji struktury układu optycznego pacjenta.
Przyszłość okulistyki wygląda obiecująco. Kluczową rolę odegra w nim fotonika i technologia oświetleniowa. Zastosowanie zaawansowanej optoelektroniki pozwoliłoby nowym protezom na przywracanie dalekowzrocznych oczu bez usuwania żywej tkanki, jak ma to miejsce obecnie. Nowa optyczna tomografia koherentna może zapewnić pełnowymiarową wizualizację oka w czasie rzeczywistym w 3D. Nauka nie stoi w miejscu, aby system optyczny oka pozwalał każdemu z nas zobaczyć świat w całej jego okazałości.
