Фокусное расстояние глаза. Какое же оно?

    Перед началом статьи обращаюсь к маленьким фотографам — запасайтесь огнетушителями.
    Поехали!

    В этот раз я постараюсь обойтись без аналогий глаза с фотоаппаратом и мозга с компьютером. Почему?
    С самых первых попыток изучения мозга человеком люди искали аналогии для облегчения понимания/объяснения его работы. Для каждой эпохи были свои примеры — человек сравнивал мозг с самым сложным устройством своего времени:
    — паровые машины,
    — ламповая техника,
    — сегодня это компьютеры,
    — в будущем…
    Обратимся за материалом к учебникам по физиологии, дабы избежать ненужных заблуждений.

    Глаз как оптическая система




    На этом рисунке добавил пояснения для удобства.

    Начнём с руководства по офтальмологии.
    Суммарная преломляющая сила всей оптической проводящей системы глаза называется физической рефракцией.
    Диоптрии всех оптических сред глазного яблока:
    — роговица ~ 43 дптр,
    — передняя камера ~ 3 дптр,
    — хрусталик ~ 19-33 дптр,
    — стекловидное тело ~ 6 дптр.
    Передняя камера заполнена водянистой влагой — жидкостью по оптическим свойствам близкой к воде. (Ремизов А.Н. «Медицинская и биологическая физика» с.384)
    Необходимо понимать, что первые три среды являются собирающими свет, а стекловидное тело рассеивает его, поэтому при расчёте мы отнимаем это значение.

    Сила преломления рассчитывается в диоптриях по простой формуле из геометрической оптики:
    Д=Др+Дп.к+Дхр-Дст.т.= 43+3+19-6=59 дптр

    Значение хрусталика в этом расчёте принято 19 дптр, так как оно соответствует его рефракции в расслабленном состоянии, когда мы смотрим в даль.

    Дальше переводим диоптрии в миллиметры:
    F=1/Д=1/59=0,0169 м=17 мм.

    Вывод: фокусное расстояние глаза человека ~17 мм.

    На этапе изучения оптических свойств глаза мы имеем значение ~17 мм.
    Цитата — «Возьмем случай, где средняя физическая рефракция (60,0D) в глазном яблоке с передне-задним размером средней величины (23 мм). Нетрудно подсчитать, что при толщине роговицы около 1 мм, глубине передней камеры около 3 мм и отрезке от переднего полюса хрусталика до узловой точки 2 мм, от последней до сетчатки остается как раз 17 мм, что и обеспечит фокусировку параллельных лучей в центральной ямке желтого пятна, так как совпадает с главным фокусным расстоянием.»

    С.А.Рухлова «Основы офтальмологии» 2006 г.


    Но, думаю, кто-то возразит — фокусное расстояние должно быть около 50мм!


    Почему должно и почему некоторым так кажется? Для ответа на этот вопрос мы двинемся дальше — в зрительную кору.

    Зрительная кора



    Дэвид Хьюбел и Торстен Визель в своих знаменитых работах по физиологии зрения установили, что путь сетчатка->ЛКТ->первичная зрительная кора имеет топографическую организацию.
    Это говорит нам о том, что порядок, в котором волокна зрительного нерва выходят из сетчатки сохраняется и в коре V1.
    А визуализировать это утверждение смог Р. Тутелл. Для этого он взял макака, нашпиговал его транквилизаторами и в течение 45 минут показывал мишень с тремя радиальными кружками. Обезьян смотрел на рисунок только одним глазом. Перед всей этой затеей животному сделали инъекцию радиоактивной 2-дезоксиглюкозы.
    Так как нейроны питаются исключительно глюкозой, то можно легко отследить самые активные клетки — они потребляют больше всего сахара.
    После этого первичную зрительную кору макаки растянули, заморозили и проявили радиоактивные метки.
    Результат на рисунке ниже.

    Самый маленький кружок в центре мишени на топографической проекции в коре занимает площадь совсем немного меньше, чем площадь внешнего круга. У человека этот эффект ещё более выражен — центральная часть поля зрения проецируется на бОльшие площади в коре.
    Для облегчения понимания был создан такой рисунок:
    image
    Здесь прекрасно видно, как увеличивается изображение с центра сетчатки.
    Сделаю ударение на том, что это не оптическое, а кортикальное увеличение.

    Подведём итог:
    — фокусное расстояние ~17 мм,
    — охват поля зрения одного глаза по горизонтали 140 – 160˚,
    — изображение с центральной части сетчатки создаёт в коре ощущение(феномен) увеличенной картинки, хотя оптически проекция равномерная.

    Литература:
    В.В.Вит «Строение зрительной системы человека» 2003 г.
    Е.А.Егоров «Офтальмология» 2010 г.
    С.А.Рухлова «Основы офтальмологии» 2006 г.
    Новохатский А.Г. «Клиническая периметрия», 1973 г.
    Дэвид Хьюбел — «Глаз, мозг, зрение»
    Стивен Палмер — «От фотонов к феноменологии»
    Баарс Б., Гейдж Н. — «Мозг, познание, разум»
    Джон Николлс, А. Мартин, Б. Валлас, П. Фукс — «От нейрона к мозгу»
    Майкл Газзанига — «Кто за главного?»

    Ссылки:
    https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S089662730700774X
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10944/
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5446894/
    Share post
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 23

      +1
      Если фокусное расстояние в глазу будет больше или меньше расстояния до рецепторов, то зрение человека будет расфокусировано. Это, так сказать, дефиниция. Т.е. фокусное расстояние глаза должно быть равным примерно его длине, иначе глазом невозможно увидеть точной картинки. Вы утверждаете обратное, и вот где же, собственно, и каким образом реализуются ваши слова «для ответа на этот вопрос мы двинемся дальше — в зрительную кору», которые должны всё объяснить, я не понимаю. Кора — это проекция сетчатки, она-то как связана с оптической системой? Поясните, пожалуйста, мысль.
          +2
          Если фокусное расстояние в глазу будет больше или меньше расстояния до рецепторов, то зрение человека будет расфокусировано. Это, так сказать, дефиниция.

          Неправильная дефиниция. Формирование изображения происходит как раз немного ЗА фокальной плоскостью.
          image
          image

          Картинки не мои, самому рисовать было лень, поэтому прошу простить меня за убогие схемы.

          По указанной выше причине рецепторы глаза просто обязаны находиться на расстоянии большем фокусного от роговицы. О чем, собственно, нам и говорят цифры, если сравнить посчитанные выше 17 мм и фактические что-то там около 22 мм.

          А в точке фокуса можно только собрать в точку идущие с бесконечности параллельные лучи (с оговорками на волновые свойства света), но никак не «нарисовать» изображение.
            +1
            Вы гораздо понятнее объяснили, о чём речь, нежели автор статьи!
            0
            Цитата — «Возьмем случай, где средняя физическая рефракция (60,0D) в глазном яблоке с передне-задним размером средней величины (23 мм). Нетрудно подсчитать, что при толщине роговицы около 1 мм, глубине передней камеры около 3 мм и отрезке от переднего полюса хрусталика до узловой точки 2 мм, от последней до сетчатки остается как раз 17 мм, что и
            обеспечит фокусировку параллельных лучей в центральной ямке желтого пятна, так как совпадает с главным фокусным расстоянием.»

            С.А.Рухлова «Основы офтальмологии» 2006 г.
              +1
              остается как раз 17 мм, что и обеспечит фокусировку параллельных лучей в центральной ямке желтого пятна, так как совпадает с главным фокусным расстоянием


              Про 17 мм полезная информация, я ее искал и не нашел, спасибо. Тем не менее, вычисления здесь все же оценочные, чтобы дать объяснение величине близкой к 17 мм, а по факту аккомодация глаза прекращается при взгляде на объекты отдалённее 20 метров (приблизительно), так что изображение (сетчатка) всегда находится хоть и на малом, но конечном расстоянии от фокальной плоскости глаза.
            0
            А какая светосила этой оптической системы? Какой диапазон регулировки светочувствительностью (адаптация рецепторов) и диафрагмой (размер зрачка)?

            И еще немного прикладной физиологии хочется. То, что глаз расслабляется при взгляде вдаль и напрягается при фокусиировки на близкие объекты, вроде как всем известно. А вот что со зрачком? Интуитивно кажется, что расслаблен он в темноте, а напряжен на свету. Так ли это? При какой освещенности зрачок максимально закрыт и соответственно максимальна глубина резкости?
              +1
              Та же литература говорит, что от одного-двух до пяти-шести миллиметров меняется диаметр.
              Т.е. светосила f/17-f/9 ~ f/3.4-f/2.8. Диаметры можно прикинуть и линейкой с фотоаппаратом перед зеркалом. (Без предвспышки в темноте и при очень ярком свете. Только светить надо в оба глаза, т.к. «диафрагмы» у них связаны.)

              Интуитивно кажется, что расслаблен он в темноте, а напряжен на свету. Так ли это?
              Интуиция вас не обманывает. Цилиарные мышцы сужают зрачок на ярком свете, если получают на то сигал от мозга, поэтому для исследования глазного дна используют капли, которые блокируют прохождение этого сигнала.

              Какой диапазон регулировки светочувствительностью (адаптация рецепторов)
              Нижнюю цифру вам не назову, но как-то пробовал пересчитать светочувствительность глаза в тёмном лесу при помощи фотоаппарата с длинной выдержкой.
              Предполагая, что глаз накапливает фотоны примерно 1/10 секунды, у меня получалась величина порядка 10000 ИСО. Т.е. чтобы получить сходную по яркости и детализации картинку при одной и той же «диафрагме» f/2.8 и выдержке 1/10 необходимо ISO ~10000.
              По-крайней мере в случае с моими глазами.
              UPD. Хочу оговориться, что длительность моей адаптации не была около часа, а скорее минут 15-20 и лес находился в черте небольшого города. Если дождаться полной адаптации в кромешной тьме без посторонних источников света (типа экрана фотоаппарата) — может быть ещё порядок можно выжать, но больше — это уже вряд ли.
                0
                Та же литература говорит, что от одного-двух до пяти-шести миллиметров меняется диаметр. Т.е. светосила f/17-f/9 ~ f/3.4-f/2.8.

                Вроде бы в среднем от 1.8мм до 7.8 мм и уменьшается с возрастом. Опять же, следует принять во внимание, что далеко не у всех людей размер глазного яблока одинаков и равен 23-24мм (у меня вот 28мм при нормальном зрении безо всякой близорукости), поэтому я бы скорее говорил о диапазоне от f/2.1 до f/11 (f/17 как-то совсем уж дофига)

                Предполагая, что глаз накапливает фотоны примерно 1/10 секунды, у меня получалась величина порядка 10000 ИСО.

                Как по мне, то оценка завышена на порядок. Мне кажется, тут нужно исходить из того, что глаз НЕ видит, а не наоборот (а не видим мы вспышек короче 1/100 сек, что дает ISO 1000 и совпадает с оценками астрофотографов).
              0
              Недавно очки заказывал. Сказали что у меня астигматизм.
              Когда сделали очки, больше всего меня поразила не четкость, а именно что я видел всё более трёхмерно что ли, чем до этого.
              Расстояние и глубину я ощущаю гораздо лучше.
              Уже две недели не могу привыкнуть к этому чувству.
              Но есть минусы. По началу.
              Искажение по краям (линза там более толстая).
              Когда поворачиваешь голову дискомфорт вплоть до легкого головокружения был.
              Из-за этого искажения мне казалось, что я стою выше чем на самом деле.
              И что когда иду, то иду немного в гору.
              А экран монитора теперь не прямоугольный. Левая сторона кажется выше.
              Но спустя неделю замечаю это, лишь когда вспомню об этом.
              А когда снимаю очки, кажется уже что наоборот — левая сторона монитора короче, чем правая.
              Забавное чувство.
              Удивительно как мозг приспособился к немного искаженному очками зрению, и как он потом меня обманывает, когда я их снимаю. )
              image
              image
                0
                > Расстояние и глубину я ощущаю гораздо лучше.

                Что абсолютно логично, существеннейший вклад в ощущение глубины дает параллакс бинокулярного зрения (разнесенность в пространстве двух глаз). Мозг сопоставляет разницу в смещении объектов на изображениях с обоих глаз и на основе этого оценивает расстояние до них. Следовательно, чем более размыта картинка, тем меньше на ней контрастных мелких деталей по которым можно провести сопоставление, и, соответственно, тем хуже ощущение глубины.
                  0
                  Ага.
                  Сейчас оба глаза одинаково чётко видят.
                  Что в близи, что в дали.
                  И так как пластик, то сейчас вообще тряпочкой не протираю.
                  До этого были стеклянные, но и они через полтора года в царапинах.
                  Так что с утра мою фейри, смываю струёй воды из под крана, а споласкиваю дистиллированной водой (после него нету разводов даже когда капли остались).
                    0
                    Капли можно сдувать воздухом, тоже разводов не остаётся.
                      0
                      Только если сдувать грушей, то разводы всё равно остаются. Как и от сжатого воздуха в балонах.
                      Фэном можно, но от куда он у холостяка )
                      А вот воздуходувку для компьютера только планирую покупать.
                        0
                        От фена останутся. Там капли начнут испаряться прямо в процессе и оставляют следы, а если их сдувать грушей то они физически удаляются, а испаряются разве что на кромках, куда их загоняешь а не с поверхности линзы. Сжатый воздух в баллонах хорошо, но обычно он с примесями от компрессора, его фильтровать надо от масла и других веществ. Есть ещё вариант — баллончики для чистки аппаратуры, но шибко дорого. Всё это уже перепробовал, и самый лучший вариант — сгонять их грушей, при необходимости помогая бумажной салфеткой убирать лишнюю влагу с кромок. Можно было бы бумажным полотенцем убрать всю влагу сразу, но надо помнить что БУМАГА ДЛЯ ОЧКОВ ЭТО НАЖДАЧКА.
                        Да, если у вас остаются следы после груши — значит недостаточно чисто вымыли и/или не всё мыло ушло с водой. Их нужно хорошо промыть.
                          0
                          Хм… вариант с воздуходувкой для компьютера остаётся для меня самым рабочим в перспективе.
                          А пока что дистиллированная вода неплохо себя показала.
                  0
                  Это ещё что. За два недели мозг привыкает к полностью перевернутому на 180 градусов изображению реальности.
                    0
                    Слышал про это.
                    Сейчас даже не сильно удивлён.
                      +1
                      Мозг работает даже при закрытых глазах. Попробуйте в достаточно солнечную погоду (для более заметного эффекта) и, ещё лучше, с яркой разметкой (крашеные белым бордюры, к примеру):
                      — закрыть глаза. Картинка — осталась, хоть и контурно. Но бордюр будет видно.
                      — поверните голову. Картинка повернулась, потому что мозг пересчитал, что должно быть видно.
                      Можно даже ходить так вполне уверенно, только раз секунд в десять открывая глаза на долю секунды для обновления картинки.
                  –2
                  Диоптрии всех оптических сред глазного яблока:
                  — роговица ~ 43 дптр,
                  — передняя камера ~ 3 дптр,
                  — хрусталик ~ 19-33 дптр,
                  — стекловидное тело ~ 6 дптр.
                  Необходимо понимать, что первые три среды являются собирающими свет, а стекловидное тело рассеивает его

                  Роговицу со стекловидном телом перепутали, что-ли? Стекловидное тело почти сферическое, как оно может быть рассеивающей линзой? А роговица даже на рисунке выглядит именно как рассеивающая выпукло-вогнутая линза.
                    +2
                    Нет, все верно. У стекловидного тела показатель преломления более низкий, поэтому оно работает именно так, как написано автором. Здесь важна не форма, а отношение показателей преломления на границе сред.

                    Именно по указанной причине, кстати, переднее фокусное расстояние глаза больше заднего, поскольку задняя фокальная плоскость лежит в стекловидном теле, а не в воздухе.
                      0
                      У стекловидного тела показатель преломления более низкий
                      Подождите, более низкий чем у воздуха, что-ли? Ну ладно, у стекловидного тела может и так, там с воздухом границ нет, но каким тогда образом у тоненькой роговицы, у которой внешний радиус явно больше внутреннего, показатель чуть не в два раза больше чем у хрусталика?
                        +2
                        Подождите, более низкий чем у воздуха, что-ли?
                        Более низкий, чем у хрусталика, с которым стекловидное тело контактирует.

                        каким тогда образом у тоненькой роговицы, у которой внешний радиус явно больше внутреннего, показатель сравним с таковым у хрусталика
                        Роговица не контактирует с хрусталиком, она контактирует с передней камерой, так что работает (с учетом свойств этой камеры) как отдельная собирающая линза.

                        И еще раз, вопрос не в радиусах как таковых, а в отношении показателей преломления на границах раздела сред.

                  Only users with full accounts can post comments. Log in, please.