16871

Дизайн человеческого глаза

Научная статья

Биология и генетика

PAGE 1 Дизайн человеческого глаза Др. Курт Декерт Человек обладает одной из наиболее изумительных зрительных систем. Основные свойства человеческого глаза включают: безупречно скорректированный оптический дизайн точная геометрия материалов контрол...

Русский

2013-06-26

271 KB

1 чел.

PAGE  1

Дизайн человеческого глаза

Др. Курт Декерт

Человек обладает одной из наиболее изумительных зрительных систем. Основные свойства человеческого глаза включают: безупречно скорректированный оптический дизайн, точная геометрия материалов, контроль мозгом, обработка информации сетчатки глаза, взаимосвязь с мозгом с шести разных уровней сенсорных клеток в сетчатке, цветное зрение, сжатие данных, которые направляются в мозг, а также высокоспециализированный состав материалов и ориентация, которая дает возможность каждому глазу функционировать и обеспечивает запоминание целых картинок.

Рис 1. Анатомия глаза

По достижении зрелости глазные яблока взрослого человека составляют примерно 0,9 дюймов (24 мм) в диаметре и слегка сплюснуты как спереди, так и сзади. Слои сетчаток каждого глаза уникальны. Внешний волокнистый слой, покрывающий и защищающий глазные яблоки, состоит из роговой оболочки глаза и склеры. Внешняя одна шестая волокнистого слоя является прозрачной роговицей, которая функционирует в качестве корректирующей линзы, чтобы помочь искривлять поступающий свет на хрусталик внутри глаза для образования на сетчатке отчетливого изображения с высоким разрешением. Затем тонкая мембрана покрывает роговицу. Оставшаяся часть волокнистого слоя глаза – это плотное, прочное, непроницаемое покрытие, белочная оболочка глаза. Внешний слой яблока содержит кровеносные сосуды, которые образуют «налитый кровью глаз», когда он раздражен. Средний слой глазного яблока является густо пигментированным, хорошо оснащенным кровью, и включает основные сложные структуры. Наиболее глубокий слой включает сетчатку глаза. В середине глаз состоит из передней полости, наполненной водянистой жидкостью. Задняя полость наполнена гелеобразной стекловидной жидкостью. Внутреннее давление (внутриглазное давление), которое производится жидкостью внутри глаза, поддерживает форму передней полости, в то время как жидкость с удерживающей тканью поддерживает форму задней полости глаза. Глазное яблоко неправильной формы приводит к неэффективной концентрации света на сетчатке. Человек может быть «близоруким» или «дальнозорким». Оба состояния можно исправить при помощи очков или контактных линз. Эти состояния могут требовать сферической и/или цилиндрической коррекции.

Проблемы, связанные с фокусировкой, могут также возникать из-за мышц, которые контролируют глаз. Это также можно исправить с помощью контактных линз или очков. Такие состояния как «амблиопичный глаз» (затуманенное зрение) или «косой глаз» требует особенных средств коррекции. Модель основных компонентов человеческого глаза далее детально описаны с тем, чтобы отобразить единую систему зрения в известных терминах.

1. РАДУЖНАЯ ОБОЛОЧКА ГЛАЗА

Радужка – это круглая регулируемая диафрагма с центральным отверстием (зрачком). Она расположена в полости за роговицей. Радужная оболочка придает глазу его цвет, в зависимости от количества присутствующего пигмента. Если пигмента много, то радужная оболочка коричневая. Если же его мало, то она голубая. В некоторых случаях может вообще не быть пигмента, в этих случаях глаз светлый. Различные пигменты окрашивают глаза разным образом, чтобы создать цвета, которые вы видите, такие как серые, зеленые и т.д. При ярком свете мышцы радужной оболочки глаза сокращают зрачок, тем самым уменьшая количество света, который попадает в глаз. И наоборот, зрачок расширяется при тусклом освещении, чтобы увеличить количество поступающего на сетчатку света. Так как снижается количество света, то возможность различать цвета уменьшается.

Рис 2. Механизм радужной оболочки

Радужка – это продолжение большой гладкой мышцы, которая также присоединяется к хрусталику посредством большого количества суспензерных связок. Эти мышцы расширяются и сокращаются, изменяя форму линзы, чтобы фокусировать изображение на сетчатку. Тоненькая мембрана, которая расположена за хрусталиком, обеспечивает наличие светонепроницаемой среды внутри глаза, таким образом, не позволяя рассеянному свету нарушать зрительные изображения на сетчатке. Это чрезвычайно важно для чистого контрастного зрения с хорошим разрешением.

Самая передняя камера, непосредственно за роговицей и перед радужной оболочкой, содержит чистую водяную жидкость, которая способствует хорошему зрению. Она позволяет поддерживать форму глаза, регулируя внутриглазное давление и обеспечивая поддержку внутренним структурам, поставляет питательные вещества хрусталику и роговице, удаляет метаболические отходы глаза. Задняя камера передней полости находится за радужной оболочкой и перед хрусталиком. Она помогает обеспечивать оптическую коррекцию изображения на сетчатке. Некоторые последние оптические инструменты также используют связанные жидкости для повышенной эффективности и лучшей коррекции.

2. ХРУСТАЛИК

Типичный, двояковыпуклый (искривленный снаружи на обеих поверхностях) хрусталик – это кристально-чистый, прозрачный оптический элемент, который является полутвердым и упругим. Он имеет форму продолговатого шара. Вся поверхность хрусталика гладкая и блестящая, не содержит кровяных сосудов и помещена в эластичную мембрану. Хрусталик удерживается на месте с помощью суспензорных связок, которые могут заставлять линзу становиться либо толще, либо тоньше. Сложные системы контроля автоматически изменяют ее фокусное расстояние, чтобы точно сфокусировать изображения на сетчатке в зависимости от того, куда мозг направляет глаз, чтобы что-то увидеть. Любые изменения в зрении человека, обусловленные дефектами линз, на сегодняшний день можно корректировать почти до идеального зрения, используя новые лазерные технологии, контактные линзы, или же обычные очки.

Рис 3. Хрусталик

3.СЕТЧАТКА ГЛАЗА

Сетчатка является наиболее глубоким слоем, составляя оптический путь глаза. Это тонкая, чувствительная, чрезвычайно сложная сенсорная ткань, которая состоит из шести слоев светочувствительных клеток. Сетчатка охватывает заднюю часть глаза. Клетки фоторецепторов (палочки и колбочки) превращают свет сначала в химическую энергию, а затем в электрическую. Палочки функционируют в тусклом освещении, обеспечивая ограниченное ночное зрение. Палочки используются для возможности видеть звезды; они не различают цвет, но они различают движения и мелкие детали. Существует примерно 126 миллионов палочек в каждом глазе и примерно 6 миллионов колбочек. Для сравнения, в большинстве цифровых камер всего лишь один миллион сенсорных элементов. Колбочки лучше всего функционируют при ярком освещении и дают возможность различать цвета. Колбочек особенно много в маленькой ямке с задней стороны сетчатки. Густые области палочек и колбочек находятся в кругообразной области, которая окружает эту высокочувствительную территорию с высоким разрешением. Далее наружу густота колбочек уменьшается, а соотношение палочек к колбочкам увеличивается до тех пор, пока они полностью не исчезнут на краях сетчатки. Это дает нам возможность видеть намного больше деталей на ограниченном участке поля зрения, чем большинство телевизионных камер. Оптический нерв соединяет глаз с мозгом.

Рис 4. Слои сетчатки

Тысячи волокон нервных оптических клеток проходят по поверхности сетчатки и сходятся для того, чтобы выйти из глаза в оптическом диске (или слепое пятно), область составляет примерно 0,06 дюймов (1,5 мм.) в диаметре, и расположенная в нижней задней части сетчатки. Волокна этого нерва составлены из большого количества клеток, каждая из которых имеет тысячи соединений, чтобы переносить электрические импульсы от сетчатки к мозгу. В случае повреждения оптического нерва зрение теряется.

Зрительная система человеческого глаза параллельно обрабатывает шесть разных уровней восприятия в сетчатке перед тем, как информация поступает в мозг для конечной обработки. Эти шесть разных уровней представляют собой шесть разных типов клеток, которые составляют чувствительный элемент сетчатки. Каждый чувствительный уровень играет различную роль в зрении и распознавания. Сжатие данных из каждого из этих уровней чувствительных элементов проявляется в значительном сжатии ключевых зрительных данных, которые направляются в мозг. Такая параллельная обработка обеспечивает быстрое распознавание сложную информацию.

С помощью оптики, например, с помощью телескопов мы можем продолжать исследовать нашу вселенную. Подобным образом мы используем микроскопы, чтобы увидеть крошечные составные элементы глаз, как например, клетки. По сравнению с другими оптическими инструментами, угловой охват естественных глаз является более обширным, чем у большинства кино или видеокамер, которые используются для записи особенных событий. Наши зрительные системы являются примером неснижаемой сложности, которую невозможно создать с помощью мутаций и естественного отбора.