Устройство глаза и его работа

ГЛАВА 2. СВЕТ И ЦВЕТ

 

Немного философии

 

Жизнь – в отличие от простого существования – от начала до конца представляет собой неустанный процесс приема, обработки и оценки информации, получаемой из окружающей среды, а затем выбора: немедленно действо­вать на основе этой информации, или пренебречь ею, или, наконец, отложить ее в запас для будущего использова­ния. Центром, обрабатывающим информацию, служит головной мозг. Мозг человека – орган величиной с два сжатых кулака и весом от 1300 до 1400 г. Оба его полу­шария покрыты тонким слоем серого вещества, называе­мого корой головного мозга. Мозг изрезан бороздами и складками и внешне напоминает грецкий орех; площадь его поверхности достигает 1500 см². Серое вещество содер­жит около 10 миллиардов нервных клеток или нейронов.

Организм человека состоит из множества клеток, и некоторые из них – сенсорные (или рецепторные) – специально предназначены для получения информации из окружающей среды и передачи ее в мозг. Когда эти клетки получают по нервным волокнам сен­сорную информацию, в мозгу возникают ощущения и субъ­ективные «образы» внешнего мира. Мозг, сам по себе, не может ни слышать, ни видеть, ни испытывать какие-либо другие ощущения. Существует восемь различных чувств, а именно: зрение, слух, обоня­ние, вкус, осязание, температурные ощущения, чувство положения и движения, ощущение боли. Источниками информации об окружающем мире, в которой так нуждается организм служат раздражители (стимулы), имеющие физичес­кую или химическую природу. Так, свет представляет собой электромагнитные волны, звук – волны сжатия и разряжения; запах и вкус возникают в результате химических воздействий, а остальные чув­ства (за исключением боли) связаны с физическими сти­мулами. Боль могут вызывать как физические, так и хими­ческие раздражители.

Наибольшую информацию об окружающем мире дает нам зрение. Неудивительно, что и исследованию самого зрения посвящено очень много работ. Проблема зрительного восприятия в течение многих веков является предметом исследований многих ученых.

Величайший из материалистов древности Демокрит (460 – 370 гг. до н.э.) объяснял зрительное ощущение воздействием попадающих в глаз атомов, которые испускает светящееся тело. По-видимому, первое описание строения человеческого глаза дано в работах Галена (130 – 200 гг.). Это описание очень несовершенно, но в нем уже упоминается зрительный нерв, сетчатка, хрусталик. Примерно через девять столетий знаменитый арабский ученый Альхазен (XI в.) первым попытался осмыслить механизм формирования зрительного образа. До Альхазена считали, что зрительный образ возникает как-то сразу, целиком, как некий единый, не расчлененный на части процесс. Альхазен высказал гениальную догадку: каждой точке на видимой поверхности объекта должна соответствовать своя точка внутри глаза, и, следовательно, процесс формирования изображения объекта в глазу складывается из множества элементарных процессов формирования изображений отдельных точек объекта. Правда, Альхазен считал, что точки восприятия находятся не на сетчатке, а на передней поверхности хрусталика.

Великий итальянский художник и естествоиспытатель Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.) «перенес» точки восприятия с поверхности хрусталика на сетчатку. Более того, подробно описывая камеру-обскуру, он прямо указал, что «то же самое происходит и внутри глаза». Известны рисунки, сделанные рукой Леонардо да Винчи, объясняющие строение глаза и построение изображений в нем.

Существенный вклад в физиологическую оптику внес И.Ньютон, заложивший основу для современных работ по цветовому зрению. Широко известны труды Г.Гельмгольца (XIX в.) по физиологии зрения. В середине прошлого века ему удалось с помощью специально изготовленного зеркала с отверстием увидеть через темный зрачок глазное дно. Это было гениальным открытием, изменившим коренным образом представление о теории зрения, позволившим заглянуть в новый мир и увидеть «часть мозга, выдвинутого на периферию».

Особенно возрос интерес к проблеме зрения в двадцатом веке. Это связано с развитием телевидения, медицинской и атмосферной оптики, светотехники, аэрофотосъемки, тепловидения, электронно-вычислитель­ной техники и др. Сформировалась наука, изучающая глаз и его работу, – физиологическая оптика.

На вопрос: «Что такое цвет?» – чаще всего отвечают: «Цвет – это длина волны», «Цвет – это свойство поверхности», «Цвет – это спектральный состав электромагнитного излучения». Ответы эти неточны или, как минимум, неполны.

Рассмотрим эти ответы более подробно.

§ «Цвет – это длина волны»– но электромагнитное излучение с длиной волны, к примеру, 675 нм в зависимости от интенсивности воспринимается либо как красно-коричневый, либо как алый цвет.

§ «Цвет – это свойство поверхности» – но серые стены домов, освещенные закатным солнцем, кажутся нам оранжевыми.

§ «Цвет – это спектральный состав электромагнитного излучения» – но электромагнитное излучение различного спектрального состава может восприниматься как один и тот же цвет.

Более того, когда мы в полной темноте ударимся о дверной косяк, в на­шем сознании появится цветное изображение без всякого электромагнитного излучения. Во сне или в воспоминаниях также возникают самые настоящие цветовые ощущения.

Итак, ключевыми словами в исследовании данного вопроса являются: «восприниматься», «казаться», «выглядеть», «сознание», «ощущение». То есть никакого «цвета» не существует, если нет «сознания», если некому испытывать «ощущения». Исходя из этого, дадим такое определение цвета:

Цвет – это ощущение, которое возникает в сознании человека при воздействии на его зрительный аппарат электромагнитного излучения с длиной волны в диапазоне от 380 до 760 нм. Эти ощущения могут быть вызваны и другими причинами: болезнь, удар, мысленная ассоциация, галлюцинации, и др.

Таким образом, цвет – это, прежде всего, ощущение. «Цвет» не существует без наблюдателя. Цветовые ощущения могут существовать без объекта, но не могут существовать без субъекта. В этой главе мы будем рассматривать, разумеется, ощущения, вызываемые только электромагнитным излучением видимой части спектра – светом.

Способность к цветоощущению возникла в процессе эволюции как способ получения сведений об окружающем мире и способ ориентирования в нем. Каждый человек воспринимает цвета индивидуально, отлично от других людей. Однако у большей части людей цветовые ощущения очень схожи.

Физической основой цветовосприятия является наличие специфических светочувствительных клеток в сетчатке глаза (палочек и колбочек) с максимумами спектральной чувствительности в трех разных спектральных участках: красном, зелёном и синем. Огромную роль в цветовосприятии играет переработка сигнала, поступающего на сетчатку глаза, в коре головного мозга. Мозг извлекает информацию об окружающем мире с КПД, недостижимым даже для самых современных компьютеров. Суть этих процессов, несмотря на наличие большого количества разнообразных теорий, непонятна, а сколько-нибудь серьезные, инструментальные измерения в коре головного мозга невозможны. Поэтому к человеческому цветовосприятию стоит относиться как к «черному ящику»: на входе имеем свет определенного спектрального состава, на выходе – некое цветовое ощущение.

По мере социализации у человека росла потребность в передаче знаний и эмоций: наскальные рисунки, выполненные природной охрой и углем, несли различную информацию, необходимую для эффективной охоты, а заодно выражали эмоции охотников. Позднее живопись стала нести религиозные знания и раскрывать эстетические переживания людей, а жизнь современного технологического общества немыслима без телевидения, цветной фотографии и полиграфии. Таким образом, еще в самом начале своего существования homo sapiens столкнулся с необходимостью воспроизведения и повторения цветовых ощущений, и эта проблема остается и по сей день.

 

Устройство глаза и его работа

 

Наши глаза дают нам возможность воспринимать размеры, фор­му, фактуру, блеск, прозрачность, мерцание и цвет объектов. Один из разработчиков фотоэлектрических колориметров однажды сказал, что человеческий глаз – слишком совершенная система, чтобы пытаться создать достаточно недорогой прибор, способный быть сравнимым с ним. Он оснащен термостатической системой регулирования, поддерживающей глаз при определенной темпе­ратуре, с точностью не меньшей 1°С. Он снабжен устройством (веками), которые очищают ро­­говую оболочку глаза несколько раз в минуту. Его фоторецепторы имеют надлежащую спектраль­ную чувствительность. И все это оборудование стандартно и доста­лось большинству из нас без всяких дополнительных расходов

Нормально функционирующий глаз выполняет удивительно разнообразную работу и прекрасно с ней справляется. Глаз отыскивает интересующие нас объекты, фокусирует изображение объекта на светочувствительном слое (сетчатке), защищает это изображение от рассеянного света, не несущего информации об объекте, преобразует сформированное таким образом оптическое изображение в совокупность нервных импуль­сов и передает закодированное в этих импульсах оптическое изо­бражение в мозг по специальному каналу связи (зрительному нерву).

На рис. 2.1 схематически показано устройство глаза.

Рис.2.9. Схема строения глаза

1– склера; 2 – роговица; 3 – сосу­дистая оболочка; 4 – ресничное тело; 5 – радужная оболочка; 6 – хрусталик; 7 – передняя камера; 8 – стекловидное тело; 9 – цинновы связки; 10 – сетчатка; 11 – зри­тельный нерв; 12 – зрачок

 

 

Глаз пред­ставляет собой шарообразное тело, образованное нескольки­ми оболочками. Внешняя, называемая белковой оболочкой или склерой 1, состоит из сухожилий, непрозрачна и выполняет защитную роль. Спереди она переходит в прозрачную и более выпуклую оболочку 2 – роговую. Под склерой на­ходится сосудистая оболочка 3, в которой заключены кро­веносные сосуды, питающие глаз. К ней по внутренней сто­роне примыкает пигментный слой клеток, которые поглощают рассеянный свет. Пигментный слой предохраняет оптическое изображение, создаваемое глаз­ной линзой – хрусталиком 6, от чрезмерного искажения рассеянным светом. Сосудистая оболочка спереди, перехо­дит в ресничное тело 4, а затем – в радужную оболочку (радужку) 5, содержащую пигментные клетки. Пространство между хрусталиком и роговой оболочкой (передняя камера 7) заполнено так называемой водянистой влагой. Она преимущественно состоит из воды (99%), в ко­торой растворены соли и белки. За хрусталиком находится стекловидное тело 8, также состоящее главным образом из воды.

 

Фокусирующие элементы

 

В отличие от общепринятого представления, основная функция фокусирования света в виде изобра­жения на задней поверхности человеческого глаза выполняется не хрусталиком глаза, а роговицей – криволинейным передним слоем глаза. Хрусталик глаза вы­полняет лишь незначительное фокусирование, благодаря мускулам, которые удерживают его на месте и регулируют его форму.

Роговица. Роговица представляет собой легко проницаемое для световых лучей продолжение белой склеротической оболочки глаза (белка глаза). Передняя ее часть очень близка по форме к участку сферы, а ее внешняя поверхность поддерживается с точки зрения оптики в хорошем состоянии, постоянно промы­ваясь соленой водой, которая поступает через слезные протоки. Эта поверхность достаточно часто очищается при мигании век, которые уносят загрязненную пылью соленую воду, заменяя ее чистой. Если какой-либо посторонний предмет попадает на рого­вицу, его присутствие тотчас же обнаруживается нервными окон­чаниями в самой роговице и на внутренней поверхности век. Нервные окончания столь чувствительны, что обычно непроиз­вольно предпринимаются немедленные меры, удаляющие этот предмет и восстанавливающие таким образом нормальное оптиче­ское состояние поверхности роговицы.

Если между роговицей и хрусталиком скапливается чрезмерно большое количество так называемой камерной влаги, роговица становится сильно выпуклой, и ее кривизна становится больше. При этом изображения наблюдаемых предметов фоку­сируются не на сетчатке, а перед нею (близорукость). Если же камерная жидкость создает слишком малое давление, поверх­ность роговицы становится плоской, в результате чего изображе­ния фокусируются за сетчаткой (дальнозоркость) или не фоку­сируются вообще.

Зрачок и радужная оболочка. Зрачок представляет собой отверстие (ирисовую диа­фрагму) в радужной оболочке глаза, через которое проходит свет. Поскольку чрезвычайно малая доля света, попадающего в глаз, выходит из него, зрачок обычно выглядит черным. Радужная оболочка (радужка), окружающая зрачок, может быть черной, коричневой, зеленой или голубой в зависимости от содержания коричневого пигмента (мела­нина). Голубая окраска, соответствую­щая полному отсутствию меланина, обусловлена избирательным рассеянием света в тканях радужки. Механизм этого рассеяния аналогичен механизму, определяющему голубой цвет неба. Когда в радужке нет никакого цветного вещества (как, например, у белых кроликов), то она нам кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света, они страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.

Диаметр зрачка в зависимости от уровня освещения меняется в пределах от 2 до 8 мм, регулируя тем самым количество света, попадающее в глаз. Явление приспособления глаза к яркости поля зрения называется адаптацией. Однако, как будет показано далее, основную роль в процессе адаптации играет не зрачок, а сетчатка.

Если какой-нибудь из двух глаз подвергается внезапному резкому облучению более ярким светом, зрачки обоих глаз автоматически сужаются. Это обусловлено сокращением круговых мышц, расположенных по внутреннему краю отверстия в радужке. Вследствие этого при ярком освеще­нии используется лишь лучшая, центральная часть оптической системы глаза. В результате изображение на сетчатке становится более четким (сферическая аберрация резко уменьшается), а окра­шенные полоски между темными и светлыми участками изображе­ния (хроматическая аберрация) почти полностью исчезают. При полном солнечном освещении мы максимально используем оптиче­ские свойства наших глаз.

Хрусталик. Хрусталик удерживается на месте радиальными мышцами, стремящимися растянуть его, а также сфинктерной мышцей, расположенной вокруг основания радиальных мышц. Сфинктерная мышца снимает напряжение с хрусталика, представ­ляющего собой полутвердое упругое тело, и позволяет ему вновь вернуться в исходное выпуклое состояние. Для того чтобы видеть близлежащие объекты с достаточно высокой резкостью, сфинк­терная мышца должна сократиться, позволяя хрусталику принять естественную выпуклую форму. При рассматривании удаленных объектов сфинктерная мышца расслабляется и позволяет радиальным мышцам сделать поверхность хрусталика почти плоской. Этот процесс фокусировки оптической системы называется аккомодацией.

С воз­растом вещество хрусталика постепенно теряет свою упругость, так что растягивающие радиальные мышцы на него не действуют. Так приходит время, когда нам для работы необходимы очки. Кроме того, с возрастом хрусталик желтеет, а иногда и столь силь­но изменяется, что совершенно теряет свою прозрачность – наступает катаракта. Ее появление может быть вызвано и про­должительным облучением инфракрасными излучениями. По мере того как хру­сталик мутнеет, все предметы в поле зрения воспринимаются как сквозь туман, и так до тех пор, пока глаз не перестает раз­личать какие бы то ни было детали, а опознает предметы лишь по их цвету. В этом случае требуется замена хрусталика путем сложной хирургической операции.

Кроме фокусировки изображения хрусталик выполняет еще одну важную функцию – он дей­ствует подобно фильтру ультрафиолетового излучения, защищая сетчатку от по­вреждения высокоэнергетическим ультрафиолетовым излучением. Поэтому если сетчатка и способна воспринимать свет в фиолетовом диапазоне (а некоторые экс­перименты показывают, что она способна на это), то отчасти из-за хрусталика глаза мы не можем видеть в ультрафиолетовом диапазоне, в отличие от систем зрения других живых существ и устройств, в том числе пчел, птиц, сканеров и цифровых камер.

Стекловидное тело. Стекловидное тело представляет собой вязкую жидкость, заполняющую внутренний объем глаза. Оно поддерживает почти постоянным расстояние между хрусталиком и сетчаткой. Его оптические свойства далеки от совершенства: обычно в нем свободно плавают пеплообразные и нитеобразные частицы ткани, частично собирающиеся вблизи сетчатки. Эти частицы ухудшают качество изображения на сетчатке, особенно те из них, которые располагаются близ нее. Они отбрасывают тени, которые можно увидеть при рассматривании любой яркой и одно­родно окрашенной поверхности. Как правило, эти тени имеют вид медленно перемещающихся почти прозрачных полосок и буси­нок, переплетенных змеек и т. д. Вдобавок к этим довольно боль­шим кусочкам плавающей светорассеивающей ткани стекловидное тело содержит и мельчайшие рассеивающие свет частицы. Поэтому его оптические свойства напоминают свойства воздуха, в котором взвешены пылевые и образующие туман мелкие водяные частицы. Несмотря на все эти несовершенства, оптическая система глаза может формировать очень четкое изображение, определяе­мое свойствами светочувствительного слоя глаза, т.е. его сетчатки.