Аберрации глаза

Глазу, как любой оптической системе, присущ ряд аберраций. Наличие аберраций глаза приводит к тому, что каждая точка предмета изображается в виде пятна с довольно сложным распределением освещенности в нем. На оси системы наблюдаются сферическая и хроматическая аберрации.

Сферическая аберрация глаза обусловлена тем, что лучи, проходящие через периферические зоны зрачка, преломляются сильнее, чем лучи, проходящие через его центральную зону. Влияние сферической аберрации на качество изображения относительно мало при малых размерах зрачка (2 – 4 мм). При больших размерах зрачка влияние сферической аберрации становится сильнее, качество изображения на сетчатке глаза значительно ухудшается.

Вопросы сферической и хроматической аберраций глаза человека изучали Юнг, Гельмгольц и др. В 1947 г. появилась фундаментальная работа А.Иванова об измерении сферической и хроматической аберраций глаза. В 1961 г. Смирнов М.С. измерил волновую аберрацию глаза. Следует подчеркнуть, что измерения аберраций проводились только субъективным методом – по ответам испытуемого о восприятии предъявляемого объекта. Вследствие этого полученные данные относятся только к аберрациям центральной, макулярной области. Аберрации внеосевых точек, изображающихся на периферических участках сетчатки, испытуемый не в состоянии определить вследствие грубого строения этих зон сетчатки и ряда других физиологических факторов. На основе экспериментальных данных были построены кривые аберраций глаза.

Разброс параметров глаза у разных людей велик, меняется даже знак аберраций. Минимальными аберрации становятся при аккомодации на близкие предметы (1 – 2 м). В большинстве глаз имеется отрицательная аберрация. Такие аберрации характерны для тех случаев, когда рефракция роговицы высокая, а хрусталика низкая. Если аберрация роговицы ниже обычной, а хрусталика выше, то чаще наблюдается положительная аберрация.

Ход лучей при наличии сферической аберрации изображен на рис.8. По данным Иванова, при размере зрачка 4 мм сферическая аберрация глаза равна 1 дптр [2].

Рис. 8 – Ход лучей при наличии сферической аберрации

Особенность глаза по сравнению с обычной оптической системой состоит в том, что в глазу сферическая аберрация частично компенсируется, во-первых, благодаря тому, что периферические зоны оптической системы глаза имеют более слабую рефракцию (меньшую оптическую силу) в связи с меньшим показателем преломления периферических зон хрусталика по сравнению с его ядром, во-вторых, благодаря некоторому увеличению радиусов кривизны периферической части роговицы.

Сферическая аберрация зависит от аккомодации, она как правило, увеличивается с ростом аккомодационного напряжения.

Ход лучей при наличии хроматической аберрации представлен на рис.9. Хроматическая аберрации проявляется в том, что падающий на линзу параллельный пучок белого света фокусируется не в одной точке: коротковолновые лучи соберутся ближе к линзе, чем лучи большей длины волны. Это приводит к тому, что изображение белой точки в любой плоскости получается в виде окрашенного пятна. Если фокус синих лучей совместить с сетчаткой, изображение точки будет окружено красным ореолом, и наоборот; хроматическая аберрация зависит от диаметра зрачка глаза, увеличивается вместе с ним.

Рис. 9 – Ход лучей при наличии хроматической аберрации

Величина хроматической аберрации для крайних длин волн видимого спектра в среднем составляет 1,3 дптр. Это значение было установлено еще Т.Юнгом.

В обычных условиях освещения белым светом мы не различаем цветных каемок вокруг наблюдаемых предметов. Это объясняется наложением цветных ореолов один на другой и малыми угловыми размерами цветных каемок. Определение остроты зрения в монохроматическом свете, а также применение специальных средств для исправления хроматической аберрации не привели к существенному повышению остроты зрения, т.е. хроматические аберрации не оказывают существенного влияния на центральное зрение.

Кроме сферической и хроматической аберрации глазу присуща такая аберрация как физиологический астигматизм.

Под физиологическим астигматизмом понимают такой астигматизм глаза, при котором сохраняется нормальная острота зрения. Физиологический астигматизм свойственен каждому глазу и обусловлен несколькими основными факторами: асферичностью преломляющих поверхностей, астигматизмом косо падающих лучей, децентрированием преломляющих поверхностей и неравномерностью оптической плотности преломляющих сред.

Приведем пример распределения рефракции в зрачковой области при физиологическом астигматизме (рис.10).

Рис. 10 – Один из примеров распределения рефракции в зрачковой области при физиологическом астигматизме

Беспорядочность структуры физиологического астигматизма обуславливает невозможность коррегирования его цилиндрическими или контактными линзами. Последние способны исправить роговичный астигматизм, но хрусталиковый компонент физиологического астигматизма сохраняется в полной мере.

Величина физиологического астигматизма не может быть измерена традиционным способом – разностью в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях (меридианах). Простейшим вариантом оценки может служить разница самой сильной и самой слабой рефракции. Используют также понятие коэффициента астигматизма К:

,

где a – отклонения от среднего арифметического значения (без учета знака) величин рефракций в отдельных зонах зрачковой области; n – число измерений рефракции.

Для приведенного примера К = 0,34 дптр.

Установлена четкая зависимость между степенью физиологического астигматизма и остротой центрального зрения (табл.3).

Таблица 3 – Зависимость остроты зрения от коэффициента физиологического астигматизма

Чем меньше физиологический астигматизм, тем выше острота зрения. Эта закономерность справедлива для остроты зрения в диапазоне 1,0 – 2,0, т.е. для абсолютного большинства нормальных глаз.

ГЛУБИНА ФОКУСНОЙ ОБЛАСТИ ГЛАЗА.

Любой оптической схеме присуща глубина резкости в пространстве изображений, в пределах которой смещения экрана (сетчатки для глаза) не вызывают заметного изменения качества изображения. Офтальмологи эту величину называют глубиной фокусной области [10].

Очевидно, что глубина фокусной области зависит от диаметра зрачка: чем меньше диаметр, тем больше глубина. Одна из причин наличия глубин фокусной области – это конечная толщина световоспринимающего слоя (примерно 0,06 мм). Это дает значение одной из составляющей глубины фокусной области, равное 0,2 дптр.

По результатам Сергиенко Н.М. [10] глубина фокусной области равна (0,63 ± 00,24) дптр при наиболее часто встречающейся остроте зрения 1,35 – 1,5 (D_p = 5 мм). Влияние диаметра зрачка на глубину фокусной области по данным Campbell F.W. и других авторов приведено в табл.4.

Таблица 4 – Влияние диаметра зрачка глаза на глубину фокусной области

ДИФРАКЦИОННЫЙ ПРЕДЕЛ РАЗРЕШЕНИЯ ГЛАЗА. Вспомним, что никакая, даже идеально исправленная на все аберрации оптическая система не может дать точного изображения предмета. Точка никогда не изображается точкой. Причина – неразрывно связанные с волновой природой света дифракционные явления. Точечный источник света изображается на сетчатке не в виде одной четкой точки, а в виде кружка, окруженного рядом концентрических светлых колец убывающей яркости.

Для глаза диаметр центрального светлого кружка для излучения с длиной волны λ зависит от диаметра зрачка D_p и заднего фокусного расстояния f ':

,(5)

где n – показатель преломления стекловидного тела.

С уменьшением диаметра зрачка диаметр дифракционного кружка светорассеяния увеличивается. Однако при этом сферическая аберрация уменьшается. Ввиду такой обратной зависимости наилучшие условия наиболее четкого наблюдения объектов имеют место при диаметре зрачка 2 – 4 мм. Кроме того, для точек, не лежащих на оси системы, наблюдаются и другие аберрации, например, астигматизм наклонных пучков, кома, а также аберрации, вызывающие искажение формы изображения. Последняя из них – дисторсия – изменяет увеличение при удалении предмета от оси оптической системы. Наличие в оптической системе глаза довольно больших аберраций при большом диаметре зрачка приводит к перераспределению освещенности в дифракционной фигуре: освещенность в центральном максимуме уменьшается, а в дифракционных кольцах возрастает.

Описанные выше несовершенства глаза оказывают суммарное действие на предел разрешения. В работе [6] показано, что не аберрации глаза, а главным образом дифракция света на зрачке глаза ограничивает остроту зрения. Таким образом, оптическая система эмметропического глаза исправлена достаточно хорошо, чтобы полностью использовать все возможности волновой природы света.