Oko - budowa, odbiór światła i miarowość oka

Podstawowa budowa oka oraz zjawiska związane z okiem jako odbiornikiem światła i miarowością oka.

Zajmując się w naszym piśmie zagadnieniami optyki okularowej nie możemy pominąć punktu wyjścia dla całej wiedzy oftalmicznej, jakim jest zmysł wzroku, czyli zdolność do odbierania przez człowieka i zwierzęta bodźców świetlnych. Elementami zmysłu wzroku są gałki oczne potocznie zwane oczami - będące odbiornikami i przetwornikami bodźców świetlnych, nerwy wzrokowe przewodzące powstałe w oku impulsy oraz korowe ośrodki wzrokowe, w których dochodzi do uświadomienia obrazów i z których wysyłane są impulsy do innych ośrodków centralnego układu nerwowego. W naszym materiale zajmiemy się tylko przypomnieniem zagadnień związanymi z okiem i to też szczególnie pod kątem zjawisk optycznych.


Rys. 1 Schematyczny przekrój poziomy przez prawe oko. a) rogówka, b) komora przednia, c) źrenica, d) tęczówka, e) ciałko rzęskowe, f) soczewka, g) komora szklista, h) siatkówka, i) naczyniówka, j) twardówka, k) dołek środkowy (plamka), l) ślepa plamka, m) nerw wzrokowy

Na rysunku 1 przedstawiono schematyczny, poziomy przekrój prawego oka przy czym trzeba tu od razu zwrócić uwagę, że lewe oko jest w przekroju jakby odbiciem zwierciadlanym przedstawionego oka prawego. Przybliżymy teraz podstawowe elementy oka mające wpływ na zjawiska optyczne.
Promienie świetlne docierające do oka w pierwszym rzędzie natrafiają na rogówkę (a) będącą przezroczystą, zewnętrzną błoną gałki ocznej ograniczającą ją od przodu. Błona ta ku tyłowi przechodzi w nieprzezroczystą twardówkę (j) zamykającą całą gałkę oczną. Po przejściu przez rogówkę promienie natrafiają na komorę przednią (b) wypełnioną cieczą wodnistą, a następnie przechodzą przez źrenicę (c) będącą otworem o zmiennej średnicy w tęczówce (d). W kolejnym etapie promienie docierają do dwuwypukłej soczewki (f), o zmiennych wymiarach promieni (a tym samym mocy skupiającej), spowodowanych działaniem mięśni zwanych ciałkiem rzęskowym (e). Po wyjściu z soczewki promienie przechodzą przez komorę szklistą (g) wypełnioną substancją galaretowatą i wreszcie docierają do siatkówki (h) będącej warstwą światłoczułą, czyli rzeczywistym odbiornikiem impulsów świetlnych składającym się z siatki drobnych komórek światłoczułych – zwanych fotoreceptorami.
Siatkówka ułożona jest na warstwie zwanej naczyniówką (i) składającej się z naczyń krwionośnych odżywiających gałkę oczną. Naprzeciw źrenicy znajduje się dołek środkowy (k), którego część środkowa jest najbardziej wrażliwą częścią siatkówki. Fotoreceptory połączone są siatką nerwów z nerwem wzrokowym (m), nad którym na siatkówce znajduje się ślepa plamka (l), czyli miejsce gdzie nie są odbierane impulsy świetlne.
Ponieważ oko jest odbiornikiem promieniowania to znaczy, że promieniowanie to wpada do oka i jest przez nie pochłaniane. Jak pamiętamy, docierające do nas słoneczne promieniowanie elektromagnetyczne (patrz nr 2 naszego pisma z lutego 1999) składa się między innymi z promieniowania widzialnego zwanego potocznie światłem oraz promieniowania ultrafioletowego i podczerwonego. Promieniowanie ultrafioletowe UV–B jest pochłaniane w oku przez rogówkę, a promieniowanie UV–A w przeważającym stopniu w pierwszym odcinku oka. Światło, czyli promieniowanie widzialne, dociera oczywiście aż do siatkówki i jest głównym czynnikiem optycznym. Promieniowanie podczerwone IR–A w swoim krótszym przedziale przenika aż do siatkówki, a w pozostałym głębokość przenikania zależy od długości fali. Promieniowanie podczerwone IR–B absorbowane jest przez rogówkę i przednią część oka. W przypadkach nadmiaru promieniowania widzialnego oko samo ogranicza jego dopływ do siatkówki przez zmianę średnicy źrenicy (przedział zmian wynosi 1,5÷8 mm). O dodatkowej ochronie wzroku przed nadmiarem promieniowania szczególnie ultrafioletowego pisaliśmy już w naszym piśmie nr 3 z maja 1999.
Jak już wspomnieliśmy, głównym odbiornikiem impulsów świetlnych jest siatkówka. Występują na niej dwa rodzaje receptorów zwane czopkami i pręcikami. Różnią się one od siebie budową i spełniają różne funkcje. Czopki są czynne przy dobrym oświetleniu, głównie dziennym i są wrażliwe na barwy. Pręciki są czynne tylko przy widzeniu w ciemności i o zmierzchu i nie umożliwiają rozróżniania barw.
Docieranie informacji wizualnych z otoczenia jest możliwe dzięki różnorodności jasności i barwy. Miernikiem stosowanym dla określania jasności otoczenia i jej wpływu na wrażenia wzrokowe może być luminancja charakteryzująca świecenie ciał w danym kierunku. Jednostką luminancji jest kandela na metr kwadratowy [cd/m2]. Dopasowanie oka do tych różnorodnych jasności i barw nazywamy adaptacją oka.
Adaptacja następuje z jednej strony dzięki zmianie średnicy źrenicy, a z drugiej strony przez zmianę "czułości" siatkówki ("przełączanie" z czopków na pręciki i odwrotnie). Rozróżnia się adaptację do jasności i ciemności w zakresie stanu (czyli osiągniętego już przystosowania się do danych warunków oświetlenia) i przebiegu (przejście od niskiej do wysokiej jasności i odwrotnie). W zakresie stanu rozróżnia się:
  • widzenie dzienne (zwane również fotopowym) - adaptacja do jasności, widzenie barwne, luminancja powyżej 10 cd/m2, pracują tylko czopki;
  • widzenie zmierzchowe (zwane również mezopowym) - średnia adaptacja do jasności, zmniejszone widzenie barwne, luminancja 0,005÷10 cd/m2, pracują czopki i pręciki;
  • widzenie nocne (zwane również skotopowym) - adaptacja do ciemności, widzenie bezbarwne, luminancja poniżej 0,005 cd/m2, pracują tylko pręciki.
Przejście między podanymi wyżej przedziałami luminancji jest płynne i zmienne wraz ze zmianą warunków oświetlenia.
Dostosowanie się czopków do większych luminancji czyli adaptacja do jasności przebiega względnie szybko natomiast adaptacja do ciemności jest znacznie wolniejsza. Warto przy tym zauważyć, że adaptacja w dołku środkowym jest wyraźnie mniejsza niż na brzegu siatkówki w związku z czym widzenie nocne jest lepsze poza dołkiem środkowym.
Z omawianymi zagadnieniami wiąże się jeszcze zjawisko oślepienia, czyli sytuacja, gdy istniejący stan adaptacji oka zostaje zakłócony przez luminancję leżącą powyżej luminancji adaptacyjnej czyli tej do której oko już się przystosowało. Rozróżnia się tutaj następujące sytuacje:
  • oślepienie całkowite - gdy występuje zbyt duża luminancja;
  • oślepienie względne - spowodowane zbyt dużą różnicą luminancji;
  • oślepienie adaptacyjne - gdy jest zbyt szybka zmiana luminancji.
Oko ma różną wrażliwość przy różnych długościach fali świetlnej i przy różnych stanach adaptacji. Jeżeli oko jest adaptowane do jasności, to największa wrażliwość, czyli największa czułość spektralna występuje dla długości fali około 555 nm (barwa żółtozielona), a dla oka adaptowanego do ciemności największa wrażliwość występuje dla długości fali około 510 nm (przesunięcie w kierunku zieleni).
Oko, prócz funkcji odbiornika światła spełnia dalsze istotne funkcje związane z wytwarzaniem obrazów otaczających nas przedmiotów, na które kierujemy nasz wzrok.
Podstawowymi elementami biorącymi udział w wytwarzaniu obrazu są: rogówka, komora przednia, soczewka, komora szklista i siatkówka tworzące razem układ optyczny oka. Układ ten przekształca promienie świetlne dochodzące od przedmiotu w jego obraz na siatkówce.
W podstawowych pojęciach przyjęto określenie miarowości oka (emmetropia) czyli sytuacji, w której wiązka promieni równoległych pochodzących od przedmiotu dalekiego N (punkt dali) skupia się na siatkówce (punkt FN'), przy czym soczewka oka ma wtedy najmniejszą moc. Jeżeli przedmiot zbliża się do oka wówczas moc soczewki wzrasta i ostry obraz przedmiotu niezależnie od jego odległości tworzy się nadal na siatkówce aż do osiągnięcia punktu bliży (B) (na siatkówce punkt B'). Ta zdolności oka do zmiany ogniskowej soczewki ocznej nosi nazwę akomodacji. Przy określeniu punktu dali mówi się również, że akomodacja jest "wyłączona" a oko jest w spoczynku. Odległość pomiędzy punktami dali i bliży określa się jako tzw. głębię akomodacji, natomiast różnicę mocy soczewki ocznej przy jej ustawieniu na te punkty nazywa się szerokością akomodacji, wyraża w dioptriach i wynosi on dla oka miarowego około 14 dpt. Opisane zjawiska przedstawiono na rys. 2.


Rys. 2 Oko miarowe (normalne). N) punkt dali, B) punkt bliży, B') punkt bliży na siatkówce, F'N) punkt dali na siatkówce

Warto tu również dodać, że na podstawie wielu pomiarów ustalono przeciętne wartości wielkości geometrycznych i optycznych oka miarowego i na ich podstawie szwedzki okulista A. Gullstrand zaproponował na początku naszego stulecia powszechnie przyjęty do dziś model znany pod nazwą oka schematycznego Gullstranda. Niestety istnieją różne nieprawidłowości w geometrii oka, ale o tym napiszemy w następnym numerze.

A. Zytner