Глаз, как оптический прибор.

[Алексей Юдин]

Насчёт хроматизма у глаза - я его наблюдаю каждый вечер, возвращаясь домой. Присмотревшись к кружку рассеяния от ртутной лампы легко заметить фиолетовый ореол, окружающий изображение, даваемое светом люминофора.
Данный случай хорош тем, что спектр ртути эмиссионный и наблюдаемая линия отстоит довольно далеко от излучения люминофора. Поэтому хроматизм положения виден очень хорошо.
А с расчётными параметрами в глазах вообще труба полная - достаточно измениться солевому балансу и дисперсии меняются, хотя и не очень быстро, всё-таки диффузия в довольно плотных тканях, да ещё и кровяной барьер. И это у данного конкретного индивидуума... У разных людей всё разнится радикально - различные образы жизни дают разные "плавки" и даже "сорта" сред глаза.  Стареют эти среды также довольно быстро. Более того, оптические свойства их крайне неоднородны, хрусталик, к примеру имеет плотную сердцевину и окружающую её жидкую часть.
А уж что касается радиусов и толщин...
Протрите хорошенько глаза пальцами или в течении нескольких минут или слегка нажмите на склеру через веко - вы скорее всего заметите смещение диапазона аккомодации и/или огромный астигматизм, вызванный деформацией глаза. Тот же эффект могут создать (и во многих условиях регулярно создают) мышцы, управляющие формой глазного яблока. Понаблюдайте за внефокальным изображением яркого точечного источника света регулярно на протяжении длительного времени, и вы увидите много интересного. Кружки рассеяния, наблюдаемые при этом меняют со временем свою форму - имеет место сложный нерегулярный астигматизм, говорящий об радиальных ошибках фигур глаза. Форма и интенсивность данного явления зависят от множества факторов, таких как нервное напряжение и усталость, вид деятельности в данный момент времени и вообще от состояния организма... (ну и от объекта наблюдения, конечно)
У.Г.Бейтс в своих трудах писал о преувеличении роли деформации хрусталика в аккомодации глаза и о многочисленных наблюдениях изменения оптических параметров глаза при изменении условиий и объекта наблюдений. Довольно давно я совершенно случайно (банально зашёл в районную библиотеку, чтобы протрезветь после школьной попойки   ) наткнулся на его книжку "Как исправить зрение без очков" (кажется так, могу и ошибаться). То, что я тогда прочитал показалось мне ПОЛНЕЙШЕЙ ересью. Но... многое из прочитанного потом подтвердилось на мне самом, в частности вышеописанные явления, которые я наблюдал сам. И я понял, что зрение - удивительно сложное явление и что параллели между глазом и фотокамерой надо проводить осторожнее, не упуская "тонких" эффектов.
Огромный набор эффектов, как многие замечали выше связан и с нашим мозгом - быстродействующей адаптивной самообучающейся системой получения и обработки изображений. И эффекты, вызываемые ей гораздо сложнее, чем простая префокусировка, диафрагмирование и компенсация смещений изображения. Она способна осуществлять сложнейшие интерполяции и распознавание объектов, фильтруя одни виды информации и , увы теряя другие. Поэтому так важны навыки и опыт наблюдателя.
А грубо приближать глаз, используя методы расчёта неизменных систем, питающих сравнительно простые приёмники представляется маловозможным.
Кстати, глаза моллюсков сильно отличаются от глаз позвоночных - и механизм фокусировки несколько иной и сетчатка освещена со стороны светочувствительных клеток, наподобие современых "утончённых" ПЗС.

Вот вам и мои 2 копейки...
 

[Alexey_Smirn]

Ув. Bibliograf!
 А можно по-подробнее о обработке изображения мухой?

 Т.е., получается. она не строит суммарной картины? Или строит ее не в превую очередь?

С уважением, Алексей.

[bibliograf]

 О, это обширная тема! Попробуйте найти превосходную
книгу Дэвида Марра "Зрение", она вся буквально набита
поставленными проблемами этого рода -  мушиное зрение
лишь одна из них.

[tlgleonid]

Еще очень интересно описан механизм зрения мухи или пчелы (множество микроглаз, каждое с узким полем зрения и одним чувствительным элементом), а также осьминога и человека очень здорово описано в Феймановских лекциях по физике в томе "Оптика". Там даны и причины размеров и чувствительности тех или иных механизмов или элементов.

[Dr. Alexander]

Решил посмотреть, что пишут про "глаз как оптический прибор" в книгах по оптике. Не мы первые этим интересуемся  . Открыл книжку М.И.Апенко, Дубовик. Прикладная оптика. М., Наука. 1971. В ней есть глава, которая так и называется - "глаз как оптический прибор"  . Вот что там написано про аберрации нормального глаза:

"...Глаз как прибор удовлетворяет ряду противоречивых требований: он имеет высокую разрешающую способность, большое поле зрения и весьма высокую чувствительность. Это достигается за счет большой подвижности глаза, которая позволяет рассматривать предметы по частям, фокусируя все время наиболее интересующую часть поля на желтое пятно. Благодаря этой особенности устройства глаза даже весьма существенные его недостатки не влияют на качество видения.
Глаз не является ахроматической системой. Величина хроматической аберрации его для крайних участков видимой части спектра равна примерно 2 диоптриям. Однако избирательная спектральная чувствительность глаза (максимум чувствительности находится в желто-зеленой части спектра), а также малая величина зрачка практически исключает хроматизм. Кома оптической системы глаза и децентрировка ее элементов невелики и изображения не портят. Влияние кривизны изображения и дисторсии мало, поскольку изображение строится на сферической поверхности сетчатки. Глаз не свободен от сферической аберрации, однако для малых размеров зрачка влияние ее незначительно. Влияние сферической аберрации глаза сказывается только в сумерках, когда размеры зрачка велики, при этом изображения предметов не только малоконтрастны, но также и нерезки...."

[Alexey_Smirn]

Очень интересно. Правда.

Только это как-то не согласуется с нашими моделями оптической системы глаза.   Не говоря уже о том. что при моделировании оптической системы глаза мы не учитывали тот факт, что хрусталик - вовсе простая сплошная линза, он многослоен, и каждый его слой обладает отличным коэфициентом преломления.

С уважением, Алексей.

[bibliograf]

 Для построения модели можно взять параметры искус-
ственного хрусталика -  протеза,  который использует-
ся в глазной хирургии.

[Dr. Alexander]

Вот нашел ещё описание недостатков глаза. Очень занятная , обстоятельно написанная книженция. Называется "Оптика в военном деле". т. 1., 1945г. Здесь аберрации рассматриваются подробнее:

Недостатки (аберрации) оптической системы глаза

Рассматривая глаз с точки зрения требований, предъявляемых к оптическому прибору, возможно указать на ряд недостатков оптической системы глаза. Недостатки эти вызывают сомнения в рациональности устройства оптической системы глаза и возможности получать хорошие результаты в отношении различения малых по величине или далеких объектов.
В связи с этим следует указать на то, что в анатомическом устройстве глаза и особенно сетчатки, а также в законах реакции сетчатки на световые раздражения, возможно усмотреть специальное стремление предельно использовать несовершенное изображение на сетчатке в условиях работы глаза при самых различных по величине освещенностях. Из оптических недостатков глаза остановимся кратко на следующих: недостатках в центрировке оптической системы глаза, сферической аберрации, хроматической аберрации и светорассеянии.

1) Недостатки в центрировке оптической системы глаза  
Говоря о центрированной оптической системе, обычно имеют в виду, что все преломляющие поверхности сферичны и имеют одну общую оптическую ось. На стр. xxx было указано, что роговица, вообще говоря, не сферична и только в пределах оптической зоны поверхность ее с некоторой долей приближения может считаться сферической. Такие же отступления от сферичности отмечаются и в отношении поверхностей хрусталика. Не может считаться совершенной и центрировка членов оптической системы глаза. Необходимо, наконец, иметь в виду еще и тот факт, что оптическая ось глаза не пересекает fovea.
В результате зрение протекает в несколько скошенном направлении по отношению к оптической оси системы. Это отклонение в направлениях зрительной линии глаза и оптической оси, однако, невелико (не свыше 5°)*; кроме того, наличие их несколько уменьшает вредное действие аберраций глаза.
Практически с некоторой долей приближения возможно считать глаз центрированной оптической системой, симметричной относительно оптической оси.
_____
* Согласно подсчетам Гулльстранда, для величины зрачка в 2 мм появляющийся в результате несовпадения зрительной и оптической осей глаза астигматизм равен примерно 0,1 дптр.

2) Сферическая аберрация
Глаз не свободен от сферической аберрации, однако в условиях малых размеров зрачка (2-4 мм) влияние этого вида аберрации глаза на качество изображения относительно мало, - меньше, нежели влияние дифракции или хроматической аберрации. При больших отверстиях зрачка влияние сферической аберрации делается сильнее, и качество изображений на сетчатке заметно портится, поскольку каждая точка в пространстве объектов изображается на сетчатке не точкой, а кружком светорассеяния.
С вопросом о сферической аберрации глаза связан вопрос о так называемой глубине фокуса глаза. Под глубиной фокуса подразумевают наибольшее расстояние, в пределах которого объект-точка, передвигаясь, изображается на сетчатке кружком светорассеяния таких размеров, что возбуждается только один световоспринимающий элемент сетчатки. Глубина фокуса уменьшается с увеличением диаметра зрачка глаза и с уменьшением среднего расстояния от глаза до объекта-точки. Значения глубины фокуса для разных значений диаметра зрачка глаза следующие:
Диаметр             Глубина фокуса      Глубина фокуса
зрачка (в мм)       для бесконечн.      для 25 см (в см)

   1                      от бескон. до 8 м              3,2
   2                      от бескон. до 16 м            1,6
   3                      от бескон. до 24 м            1,1
   4                       от бескон. до 32 м           0,8

Цифры относятся к глазу в покое аккомодации. Напряжение аккомодации сопровождается уменьшением диаметра зрачка, что связано с увеличением глубины фокуса.

3) Хроматическая аберрация глаза
Глаз не является ахроматической системой. В существовании хроматизма глаза легко убедиться, смотря на белую светящуюся точку через кобальтовое стекло, пропускающее только синие и красные лучи. При положении светящейся точки в области дальнейшей точки глаза она видна глазом в виде красной точки, окруженной синим сиянием; при передвижении светящейся точки ближе к глазу, в область ближней точки глаза, эта же светящаяся точка видна как синяя, окруженная красным сиянием. Наличие хроматической аберрации в глазу приводит к уменьшению резкости получаемых на сетчатке изображений внешних объектов. Величина хроматической аберрации глаза для крайних видимых спектральных излучений — примерно 2 дптр.
В соответствии с увеличением преломляемости при уменьшении длины световой волны хроматическая аберрация для коротких волн в три раза больше, нежели для длинных. Отсюда следует, что требуется добавочное напряжение аккомодации в 1,5 дптр для того, чтобы сфокусировать наиболее эффективные для глаза желто-зеленые лучи (см. стр. 199) в той же плоскости, как и фиолетовые, и только 0,5 дптр для фокусировки красных лучей в одной плоскости с желто-зелеными.
Различная чувствительность сетчатки к спектральным излучениям различных длин волн и в частности максимальная эффективность желто-зеленых лучей, а также и малые размеры зрачка глаза приводят к тому, что в обыденной жизни наличие хроматической аберрации ощущается нами сравнительно очень мало.

4) Светорассеяние
Говоря о рассеянии света внутри глаза, мы имеем в виду как рассеяние его в хрусталике и стекловидном теле, на пути к сетчатке, так и отражение света от задних слоев сетчатки. И то и другое явление создает в глазу слабую светящуюся дымку, хорошо заметную в виде светлых ореолов, окружающих светлые объекты, рассматриваемые на темном фоне. Наличие такой дымки уменьшает контраст между яркостями объектов и фонов, на которых они проектируются, что неблагоприятно отражается на видимости объектов в условиях низких освещенностей.

 

[bk7f2]

Для построения модели можно взять параметры искус-
ственного хрусталика -  протеза,  который использует-
ся в глазной хирургии.

Желающие могут воспользоваться уже готовой моделью глаза от Олега Померанцева в формате Zemax. Ищите ее среди других (тоже небезинтересных) примеров по следующей ссылке

http://www.zemax.com/file_exchange/index.html

Кстати, там же лежит каталог стекла по ГОСТ 13659-78 и каталог пробных стекол по ГОСТ 1807-75.