§ 118. Глаз как оптическая система. Спектральная чувствительность глаза

Глаз представляет собой довольно сложную оптическую систему, заключенную в защитной белковой оболочке 1 (рис. 302). К белковой оболочке прилегают сосудистая оболочка 2 и сетчатая оболочка (сетчатка) состоящая из мельчайших светочувствительных элементов размером меньше 0,001 см. Эти элементы являются окончаниями нервных волокон зрительного нерва 4, связывающего глаз с головным мозгом.

В передней части глаза белковая оболочка переходит в прозрачную роговую оболочку (роговица) 5, а сосудистая оболочка — в радужную оболочку имеющую посередине отверстие, называемое зрачком. Позади зрачка расположен хрусталик 7 — прозрачное упругое тело в форме двояковыпуклой линзы. Вся полость глаза заполнена прозрачной жидкостью. У глазной жидкости показатель преломления равен 1,33, у роговицы — 1,38 и у хрусталика — в среднем 1,44.

Изображение предмета, рассматриваемого глазом, помещается на сетчатке; оно является действительным, уменьшенным и перевернутым (правильное впечатление о расположении предмета создается благодаря корректирующему действию мозга).

Зрачок глаза играет роль диафрагмы: его диаметр изменяется в соответствии с количеством света, попадающего в глаз. Под действием особой (ресничной) мышцы кривизна поверхностей хрусталика, а следовательно, и его фокусное расстояние могут изменяться. Этим обеспечивается резкость получаемого на сетчатке изображения предметов, находящихся на различных расстояниях от глаза. Способность глаза приспосабливать фокусное расстояние хрусталика к расстоянию до наблюдаемого предмета называется аккомодацией.

Рис. 302

Рис. 303

В ненапряженном состоянии (при расслабленной ресничной мышце) глаз приспособлен к наблюдению далеких предметов, расположенных на расстоянии и более. Аккомодация позволяет получать отчетливое изображение предметов, находящихся на меньших расстояниях, но не меньше расстояния ясного зрения, равного, как уже отмечалось, 25 см.

Размер изображения зависит в конечном счете от величины угла зрения а между лучами, идущими в глаз от крайних точек предмета (рис. 303). Наименьший угол зрения, под которым еще можно различать форму предмета, составляет примерно 1 мин, что соответствует рассмотрению отрезка длиной около находящегося на расстоянии ясного зрения. При все изображение помещается на одном светочувствительном элементе сетчатки и предмет воспринимается как точка.

В связи с существованием предельного угла зрения невооруженным глазом нельзя рассматривать как близкие, но слишком мелкие предметы, так и крупные, но слишком далекие предметы. В этих случаях пользуются оптическими приборами, увеличивающими угол зрения (микроскопом — в случае мелких близких объектов и телескопом — в случае крупных далеких объектов).

Наиболее распространенными дефектами глаза являются близорукость (изображение предмета получается перед сетчаткой) и дальнозоркость (изображение получается за сетчаткой). Эти дефекты исправляются посредством очков с рассеивающими (при близорукости) или собирающими (при дальнозоркости) линзами.

Перейдем теперь к вопросу о чувствительности глаза. Светочувствительные элементы, выстилающие сетчатку, подразделяются на так называемые палочки и колбочки. Палочки более чувствительны к свету (благодаря им осуществляется сумеречное зрение), но не реагируют на различие в цвете. Колбочки менее чувствительны к свету, но обладают спектральной чувствительностью: благодаря им мы различаем цвета.

Глаз чувствителен лишь к очень узкому интервалу длин волн — от 0,77 до 0,38 мкм (видимый свет), причем даже в этом интервале чувствительность глаза к различным длинам волн неодинакова. Наибольшей чувствительностью глаз обладает к длине волны т. е. к зеленому цвету. Чувствительность глаза для более длинных и более коротких волн резко снижается, достигая нуля для инфракрасного и ультрафиолетового излучений. Поэтому не- сколько источников монохроматического света, обладающих одинаковой мощностью, но испускающих свет различного цвета, представляются глазу неодинаково яркими. Наиболее ярким кажется источник зеленого цвета. Для того чтобы, например, красный свет казался столь же ярким, как зеленый, необходимо, чтобы его мощность в 20 000 раз превышала мощность зеленого света

Отношение мощности монохроматического излучения с длиной волны (зеленый свет) к мощности монохроматического излучения с длиной волны X, вызывающего ощущение такой же яркости, как излучение с длиной волны называется функцией видности, или коэффициентом видности излучения с длиной волны X:

Коэффициент видности служит мерой спектральной чувствительности глаза. Согласно формуле (16), коэффициент видности зеленого света равен единице.

Значения коэффициентов видности были определены путем усреднения результатов многочисленных измерений и утверждены Международной осветительной комиссией. На рис. 304 представлен график спектральной чувствительности глаза: по оси абсцисс отложены значения длин волн X (в микрометрах), по оси ординат — значения коэффициентов видности

Отметим, между прочим, что в связи с максимальной чувствительностью глаза к зеленому свету этот свет был принят в качестве разрешающего сигнала семафора и светофора.

Под действием света светочувствительное вещество сетчатки разлагается, что ведет к снижению чувствительности глаза. В темноте светочувствительное вещество восстанавливается и чувствительность глаза сильно возрастает. В этих условиях глаз способен реагировать на свет ничтожно малой энергии — порядка (что приблизительно соответствует свету, испускаемому стеариновой свечой, находящейся в совершенно прозрачной атмосфере на расстоянии порядка от глаза).

Рис. 304

Интересно отметить, что глаза пчел весьма чувствительны к ультрафиолетовому свету, но совершенно не воспринимают красного. Именно поэтому пчелы не посещают и не опыляют красных цветов (за исключением цветов красного мака, которые хорошо отражают ультрафиолетовые лучи солнца и поэтому представляются пчелам ультрафиолетовыми). Большинство красных цветов посещается и опыляется мелкими птицами благодаря тому, что глаза почти всех птиц обладают особенно высокой чувствительностью к красному свету.

Вообще говоря, у многих насекомых, в том числе у большинства вредителей, максимум чувствительности зрения лежит в ультрафиолетовой части спектра. В связи с этим разработан и в последнее время успешно применяется на практике (в сельском и лесном хозяйстве) новый способ борьбы с вредными насекомыми — «ультрафиолетовая ловушка», где приманкой служит ультрафиолетовый свет ртутно-кварцевой лампы.