Глаз как оптическая система. Лупа

Глаз как оптическая система. Глаз человека имеет приблизительно шарообразную форму; диаметр его (в сред­нем) 2,5 см (рис. 246); глаз окружен снаружи тремя оболоч­ками.

Внешняя твердая и прочная оболочка 1, называемая скле­рой или белковой оболочкой, за­щищает внутренность глаза от механических повреждений. Склера на передней части гла­за прозрачна и называется рого­вой оболочкой или роговицей 2; на всей остальной части глаза она непрозрачна, имеет белый цвет и называется белком. С внутренней стороны к скле­ре прилегает сосудистая оболочка 3, состоящая из сложного сплете­ния кровеносных сосудов, пита­ющих глаз. Эта вторая оболочка в передней части глаза переходит в радужную оболочку, окрашен­ную у разных людей в различный цвет. Радужная оболоч­ка имеет в середине отверстие, называющееся зрачком 4. Радужная оболочка способна деформироваться и таким образом менять диаметр зрачка. Изменение это происходит рефлекторно (без участия сознания) в зависимости от ко­личества света, попадающего в глаз; при ярком освещении Диаметр зрачка равен 2 мм, при слабом освещении доходит До 8 мм.

На внутренней поверхности сосудистой оболочки распо­ложена сетчатая оболочка, или сетчатка 6. Она покрывает

Рис. 246. Схематический раз­рез глаза человека: 1 — бел­ковая оболочка, 2 — роговая оболочка, 3 — сосудистая обо­лочка, 4 — зрачок, 5 — хру­сталик, 6 — сетчатая оболоч­ка, 7 — нерв, 8 — стекловид­ное тело, 9 — передняя ка­мера

все дно глаза, кроме его передней части. Сзади через обо­лочку входит зрительный нерв 7, соединяющий глаз с мозгом. Сетчатка состоит в основном из разветвлений воло­кон зрительного нерва и их окончаний и образует свето­чувствительную поверхность глаза.

Промежуток между роговой и радужной оболочками на­зывается передней камерой 9; он заполнен камерной влагой. Внутри глаза, непосредственно за зрачком, рас­положен хрусталик 5, представляющий собой прозрачное упругое тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы. Кри­визна поверхностей хрусталика может меняться в резуль­тате действия облегающей его со всех сторон мышцы. По­средством изменения кривизны поверхностей хрусталика достигается приведение изображения предметов, лежащих на различных расстояниях, точно на поверхность чувстви­тельного слоя сетчатки; этот процесс называется аккомода­цией. Вся полость глаза за хрусталиком заполнена прозрач­ной студенистой жидкостью, образующей стекловидное тело 8.

По своему устройству глаз как оптическая система схо­ден с фотоаппаратом. Роль объектива выполняет хрусталик совместно с преломляющей средой передней камеры и сте­кловидного тела. Изображение получается на светочувст­вительной поверхности сетчатки. Наводка на резкость изображения осуществляется путем аккомодации. Наконец, зрачок играет роль изменяющейся по диаметру диафрагмы.

Способность глаза к аккомодации обеспечивает возмож­ность получения на сетчатке резких изображений предме­тов, находящихся на различных расстояниях. Нормальный глаз в спокойном состоянии, т. е. без какого-либо усилия аккомодации, дает на сетчатке отчетливое изображение уда­ленных предметов (например, звезд). С помощью мышечного усилия, увеличивающего кривизну хрусталика и, следова­тельно, уменьшающего его фокусное расстояние, глаз осу­ществляет наводку на нужное расстояние. Наимень­шее расстояние, на котором нормальный глаз мо­жет отчетливо видеть предметы, меняется в зависимости от возраста от 10 см (возраст по 20 лет) до 22 см (возраст около 40 лет). В более пожилом возраст: способность глаза к аккомодации еще уменьшается: наименьшее расстояние доходит до 30 см и более — возрастная дальнозоркость.

Далеко не у всех людей глаз является нормальным. Нередко задний фокус глаза в Спокойном состоянии находит­ся не на самой сетчатке (как у нормального глаза), а с той или другой стороны от нее. Если фокус глаза в спокойном состоянии лежит внутри глаза перед сетчаткой (рис. 247, а), то глаз называется близоруким. Такой глаз не может отчетливо видеть отдаленные предметы, так как на­пряжение мышц при аккомодации еще сильнее отдаляет фокус от сетчатки. Для исправления близорукости глаза должны быть снабжены очками с рассеивающими линзами (рис. 247, б).

Рис. 247. Близорукость глаза (а) исправляется с помощью рассеиваю­щей линзы (б); дальнозоркость (в) — с помощью собирающей лин­зы (г)

В дальнозорком глазе фокус при спокойном состоянии глаза находится за сетчаткой (рис. 247, в). Дальнозоркий глаз преломляет слабее нормального. Для того что­бы видеть даже весьма удаленные предметы, дальнозоркий

глаз должен делать усилие; для видения близко лежащих предметов аккомодационная способность глаза уже недостаточна. Поэтому для исправления дальнозоркости упо­требляются очки с собирающими линзами (рис. 247, г), приводящие фокус глаза в спокойном состоянии на сетчатку.

Лупа. Простейшим прибором для вооружения глаза ивляется лупа. В качестве лупы применяются собирающие линзы с фокусным расстоянием от 10 до 100 мм. Лупа помещается перед глазом, по возможности ближе к нему, а рассматриваемый предмет — на расстоянии, немного меньшем фокусного расстояния лупы. Построение изображения в этом случае было рассмотрено в §97 гл. X. На-

Рис. 249. Ход лучей при рассматривании небольшого предмета через

Лупу

помним, что в этих условиях получается мнимое, пря­мое, увеличенное изображение.

На рис. 249 показан ход лучей при рассматривании не­большого предмета через лупу. Лучи, исходящие из точки 5 предмета l, преломляются сначала в лупе, затем в пре­ломляющих средах глаза и собираются в точке S" на сетчат­ке. В той же точке S " собрались бы лучи, если бы лупы не было, а источник находился бы в точке S', т. е. если бы глаз непосредственно рассматривал предмет увеличенных размеров l ', находящийся на соответственном расстоянии от глаза.

Лучи, вычерченные на рис. 249 штриховыми линиями, пересечение которых в точке S ' дает мнимое изображение точки S, в действительно­сти не существуют. Мы можем поместить сразу за предметом непро­зрачный экран, и ничто от этого не изменится. Однако мы «видим» предмет l ', так как глаз автоматически «восстанавливает» ход попавших в него лучей, а лучи после преломления в лупе падают на глаз так, как если бы l ' было реальным предметом.

Найдем увеличение лупы. Предположим, что предмет, имеющий длину l (рис. 250, а), находится от глаза на рас­стоянии наилучшего видения D. Тогда угол зрения равен

Поместим тот же предмет (рис. 250, б) вблизи фокуса F

Рис. 250. Рассматривание небольшого предмета невооруженным гла­зом (а) и через лупу (б)

лупы и будем рассматривать его через лупу. Мы увидим изображение предмета длины l ' под углом зрения j', причем

где а' — расстояние от лупы до. изображения (расстоя­нием от лупы до оптического центра глаза пренебрегаем).

По формуле увеличения линзы имеем следующее соотно­шение:

следовательно,

Отсюда для увеличения лупы находим

Так как предмет находится возле фо­куса, то a» f. Таким образом, полагая расстояние наи­лучшего видения D =250 мм, для увеличения лупы получаем приближенно следующую формулу:

(114.1)

где f должно быть выражено в миллиметрах; например, при f =50 мм лупа имеет пятикратное увеличение.

Предмет может лежать в самой фокальной плоскости лупы. В таком случае от каждой точки предмета из лупы исходит параллельный пучок лучей, который сводится глазом в точку: на сетчатке глаза получается резкое изображение предмета. Отметим, что этот случай особо благоприятен для наблюдения: нормальный глаз сводит в точку параллельный пучок, на­ходясь в состоянии покоя; таким образом, усилия акко­модации не требуется, и в этих условиях наблюдения глаз менее утомляется. Именно при таком способе наблюдения увеличение лупы имеет точно значение, даваемое формулой (114.1).

Лупы различного вида широко применяются при мелкой и точной работе, при измерениях и т. п.

Казалось бы, что с помощью лупы можно получать очень большие увеличения,— надо только уменьшать ее фокусное расстояние. Например, при фокусном расстоянии 0,25 мм увеличение лупы равно 1000. Однако пользование лупами с очень малым фокусным расстоянием, а следовательно, и с малым диаметром, практически невозможно. Поэтому лупы с увеличением более 40 не применяются.