Näkö on yksi ihmisen arvokkaimmista aisteista. Vaikka visuaalinen järjestelmä on suhteellisen monimutkainen osa aivoja, prosessia ohjaa nöyrä optinen elementti: silmä. Se muodostaa kuvia verkkokalvolle, jossa valoreseptorit absorboivat valoa. Niiden avulla sähköiset signaalit välitetään näkökuoreen jatkokäsittelyä varten.
Silmän optisen järjestelmän pääelementit: sarveiskalvo ja linssi. He havaitsevat valon ja heijastavat sen verkkokalvolle. On syytä huomata, että silmän laite on paljon yksinkertaisempi kuin kameroissa, joissa on useita objektiiveja. Huolimatta siitä, että vain kaksi elementtiä näyttelee linssien roolia silmässä, tämä ei heikennä tiedon havaitsemista.
Valo
Valon luontainen luonne vaikuttaa myös joihinkin silmän optisen järjestelmän ominaisuuksiin. Esimerkiksi verkkokalvo on herkin keskiosassa Auringon säteilyspektria vastaavan näkyvän spektrin havaitsemiseen. Valo voidaan nähdä poikittaisenasähkömagneettinen a alto. Näkyvät aallonpituudet suunnilleen sinisestä (400 nm) punaiseen (700 nm) muodostavat vain pienen osan sähkömagneettisesta spektristä.
On mielenkiintoista huomata, että valohiukkasen (fotoni) luonne voi myös vaikuttaa näkökykyyn tietyissä olosuhteissa. Fotonien absorptio tapahtuu fotoreseptoreissa satunnaisen prosessin sääntöjen mukaisesti. Erityisesti kunkin fotoreseptorin saavuttavan valon intensiteetti määrittää vain fotonin absorboitumisen todennäköisyyden. Tämä rajoittaa kykyä nähdä alhaisella kirkkaudella ja mukauttaa silmää pimeyteen.
Läpinäkyvyys
Keinotekoisissa optisissa järjestelmissä käytetään läpinäkyviä materiaaleja: lasia tai muovia, jossa on taitekerroin. Samoin ihmissilmän on muodostettava laajamittaisia, korkearesoluutioisia kuvia käyttämällä elävää kudosta. Jos verkkokalvolle projisoitu kuva on liian epäselvä, sumea, näköjärjestelmä ei toimi kunnolla. Syynä tähän voivat olla silmä- ja hermoston sairaudet.
Silmän anatomia
Ihmissilmää voidaan kuvata nesteellä täytetyksi näennäispallorakenteeksi. Silmän optinen järjestelmä koostuu kolmesta kudoskerroksesta:
- ulkoinen (sclera, sarveiskalvo);
- sisäinen (verkkokalvo, sädekehä, iiris);
- keskitaso (choroid).
Aikuisen ihmisen silmä on noin 24 mm:n halkaisij altaan pallo, joka koostuu monista ektodermaalisesta ja mesodermaalisesta ituradasta peräisin olevista solu- ja ei-solukomponenteistalähteet.
Silmän ulkopuolta peittää kestävä ja joustava kudos, jota kutsutaan kovakalvoksi, lukuun ottamatta etuosaa, jossa läpinäkyvän sarveiskalvon kautta valo pääsee pupilliin. Kaksi muuta kerrosta kovakalvon alla: suonikalvo, joka tarjoaa ravinteita, ja verkkokalvo, jossa valoreseptorit absorboivat valoa kuvan muodostumisen jälkeen.
Silmä on dynaaminen kuuden ulkoisen lihaksen toiminnan ansiosta, jotka vangitsevat ja skannaavat visuaalista ympäristöä. Silmään tuleva valo taittuu sarveiskalvolla: ohut läpinäkyvä kerros, jossa ei ole verisuonia, halkaisija noin 12 mm ja keskiosassa noin 0,55 mm paksu. Vesikyynelkalvo sarveiskalvolla takaa parhaan kuvanlaadun.
Silmän etukammio on täytetty nestemäisellä aineella. Iiris, kaksi lihasryhmää, joiden keskellä on reikä, jonka koko riippuu supistuksesta, toimii kalvona, jolla on tyypillinen väri pigmenttien määrästä ja jakautumisesta riippuen.
Pupilli on iiriksen keskellä oleva reikä, joka säätelee silmään tulevan valon määrää. Sen koko vaihtelee alle 2 mm:stä kirkkaassa valossa yli 8 mm:iin pimeässä. Kun pupilli havaitsee valon, kiteinen linssi yhdistyy sarveiskalvoon muodostaen kuvia verkkokalvolle. Kiteinen linssi voi muuttaa muotoaan. Sitä ympäröi elastinen kapseli ja se on kiinnitetty siliaarirunkoon vyöhykkeillä. Sädekehän lihasten toiminta sallii linssin lisätä tai vähentää tehoaan.
Verkkokalvo ja sarveiskalvo
Verkkokalvossa on keskusdepressio, jossasisältää suurimman määrän reseptoreita. Sen reunaosat antavat vähemmän resoluutiota, mutta ovat erikoistuneet silmien liikkeisiin ja esineiden havaitsemiseen. Luonnollinen näkökenttä on melko suuri verrattuna keinotekoiseen ja on 160×130°. Makula sijaitsee lähistöllä ja toimii valonsuodattimena, jonka oletetaan suojelevan verkkokalvoa rappeutumistaudeilta seulomalla sinisiä säteitä.
Sarveiskalvo on pallomainen leikkaus, jonka kaarevuussäde on etupuolella 7,8 mm, takaosan kaarevuussäde on 6,5 mm ja epähomogeeninen taitekerroin 1,37 kerroksellisen rakenteen vuoksi.
Silmien koko ja tarkennus
Keskimääräisen staattisen silmän aksiaalinen kokonaispituus on 24,2 mm ja kaukana olevat kohteet ovat tarkentuneet tarkasti verkkokalvon keskelle. Mutta poikkeamat silmän koosta voivat muuttaa tilannetta:
- likinäköisyys, kun kuvat kohdistetaan verkkokalvon eteen,
- kaukonäköisyys, kun se tapahtuu hänen takanaan.
Silmän optisen järjestelmän toimintoja rikotaan myös astigmatismissa - linssin väärässä kaaressa.
Verkkokalvon kuvanlaatu
Vaikka silmän optinen järjestelmä on täydellisesti tarkennettu, se ei tuota täydellistä kuvaa. Useat tekijät vaikuttavat tähän:
- valon diffraktio pupillissa (sume);
- optiset poikkeamat (mitä suurempi pupilli, sitä huonompi näkyvyys);
- sironta silmän sisällä.
Tietyt silmälinssien muodot, taitekerroinvaihtelut ja geometriset ominaisuudet ovat silmän optisen järjestelmän puutteitaverrattuna keinotekoisiin vastineisiin. Normaali silmä on vähintään kuusi kertaa huonompi laatu ja jokainen luo alkuperäisen bittikartan riippuen esiintyvistä poikkeavuuksista. Joten esimerkiksi tähtien koettu muoto vaihtelee henkilöstä toiseen.
Perifeerinen näkö
Verkkokalvon keskuskenttä antaa suurimman avaruudellisen resoluution, mutta vähemmän valppaana oleva reunaosa on myös tärkeä. Ääreisnäön ansiosta ihminen voi navigoida pimeässä, erottaa liiketekijän, ei itse liikkuvan kohteen ja sen muodon, ja navigoida avaruudessa. Perifeerinen näkö on vallitseva eläimillä ja linnuilla. Lisäksi joidenkin niistä on 360° katselukulma suurempi selviytymismahdollisuus. Visuaaliset illuusiot lasketaan perifeerisen näön ominaisuuksien perusteella.
Tulos
Ihmissilmän optinen järjestelmä on yksinkertainen ja luotettava ja sopii täydellisesti ympäröivän maailman havaintoon. Vaikka näkyvän laatu on huonompi kuin kehittyneissä teknisissä järjestelmissä, se täyttää organismin vaatimukset. Silmissä on useita kompensaatiomekanismeja, jotka jättävät osan mahdollisista optisista rajoituksista merkityksettömiksi. Esimerkiksi kromaattisen defokusoinnin suuri negatiivinen vaikutus eliminoidaan sopivilla värisuodattimilla ja kaistanpäästöspektriherkkyydellä.
Viime vuosikymmenen aikana mahdollisuus korjata silmäpoikkeavuuksia mukautuvallaoptiikka. Tämä on tällä hetkellä teknisesti mahdollista laboratoriossa korjaavilla laitteilla, kuten silmänsisäisillä linsseillä. Korjaus voi palauttaa kyvyn nähdä, mutta siinä on vivahde - fotoreseptorien selektiivisyys. Vaikka verkkokalvolle projisoitaisiin teräviä kuvia, pienin havaittava kirjain vaatii useita valoreseptoreita tulkitakseen oikein. Kuvia kirjaimista, jotka ovat pienempiä kuin vastaava näöntarkkuus, ei eroteta.
Tärkeimmät näköhäiriöt ovat kuitenkin heikkoja poikkeavuuksia: defokusoituminen ja hajataittoisuus. Nämä tapaukset ovat helposti korjattu erilaisilla teknologisilla kehityssuunnailla 1300-luvulta lähtien, jolloin sylinterimäiset linssit keksittiin. Nykyaikaisiin menetelmiin kuuluu piilolinssien ja silmänsisäisten linssien tai taittoleikkausleikkaustoimenpiteiden käyttö potilaan optisen järjestelmän rakenteen muokkaamiseen.
Silmälääketieteen tulevaisuus näyttää lupaav alta. Fotoniikalla ja valaistustekniikalla on siinä keskeinen rooli. Kehittyneen optoelektroniikan käyttö mahdollistaisi uusien proteesien avulla kaukonäköisten silmien palauttamisen ilman elävän kudoksen poistamista, kuten tällä hetkellä tehdään. Uusi optinen koherenssitomografia voisi tarjota täyden mittakaavan reaaliaikaisen silmän 3D-visualisoinnin. Tiede ei pysähdy, jotta silmän optinen järjestelmä sallii jokaisen nähdä maailman kaikessa loistossaan.
