Глаз как оптический прибор
Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая состоит из роговицы, влаги передней камеры, хрусталика и стекловидного тела. Как указывалось выше, для расчета подобных систем необходимо определение радиусов преломляющих элементов, расстояния между ними, а также показателей преломления сред.
Однако определение указанных констант в живом глазу вызывает большие затруднения.
Показатели преломления сред определены, главным образом, опосредованно, на основании теоретических расчетов. Радиусы передней и задней поверхностей хрусталика определяются с помощью довольно сложных методик. Наиболее распространен в настоящее время ультразвуковой метод исследования оптического аппарата глаза. Он сравнительно прост, позволяет довольно точно определить расстояние между границами оптических элементов глаза, длину глазного яблока, но не дает возможности измерить радиусы преломляющих поверхностей глаза.
Поэтому приходится рассчитывать оптическую силу хрусталика опосредованно по ультразвуковым данным и преломляющей поверхности роговицы, легко определяемой с помощью специального прибора - офтальмометра (он описан ниже). B качестве примера приведем формулу, предложенную C.H. Федоровым и Э.В. Егоровой (1985) для расчета оптической силы хрусталика в эмметропическом глазу по данным ультразвукового исследования:
где: D - оптическая сила хрусталика;
Dp - оптическая сила роговицы;
1 - длина переднезадней оси глаза;
n - показатель преломления камерной влаги (1,336);
k - расстояние от передней поверхности роговицы до хрусталика.
Указанная формула применяется для расчета интраокулярной линзы.
Из-за трудностей, возникающих при расчете оптического аппарата глаза и его элементов, а также для решения некоторых прикладных задач, предложены упрощенные схемы, основанные на определении средних величин оптических констант, полученных
Таблица 2.
Схематический глаз Гульстранда| Показатели преломления | |
| Роговица | 1,376 |
| Водянистая влага и стекловидное тело | 1,336 |
| Хрусталик | 1,386 |
| Расположение поверхностей от вершины роговицы (мм) | |
| Задняя поверхность роговицы | 0,5 |
| Передняя поверхность хрусталика | 3,6 |
| Задняя поверхность хрусталика | 7,2 |
| Сетчатка | 24,0 |
| Радиусы кривизны поверхностей (мм) | |
| Передняя поверхность роговицы | 7,7 |
| Задняя поверхность роговицы | 6,8 |
| Передняя поверхность хрусталика | 10,0 |
| Задняя поверхность хрусталика | 6,0 |
| Преломляющая сила (D) | |
| Роговица | 43,05 |
| Хрусталик | 19,11 |
| Оптический аппарат глаза | 58,64 |
на болыпом статистическом материале. Наибольшее распространение получил так называемый схематический глаз Гульстранда. Основные параметры его (при покое аккомодации) приведены в табл. 2.
Ha рис. 12 представлен схематический глаз Гульстранда. Схематический глаз представляет собой центрированную оптическую систему, создаваемую гомогенными преломляющими средами. Как видно из рис. 12, передняя и задняя главные плоскости пересекают оптическую ось глаза на расстоянии 1,47 и 1,75 мм от вершины роговицы; приближенно можно считать, что обе эти плоскости расположены в одном месте на расстоянии 1,6 мм от вершины роговицы.
Предложены и более простые схемы оптической системы глаза, в которых имеется только одна преломляющая поверхность - передняя поверхность роговицы, и одна гомогенная среда с одним показателем преломления. Такой глаз называется редуцированным. Наиболее удачным является
редуцированный глаз B.K. Вербицкого (1928). Его преломляющая сила 58,82 D, показатель преломления внутриглазной среды - 1,4; радиус кривизны роговицы - 6,8 мм, длина глаза - 23,4 мм, радиус кривизны сетчатки - 10,2 мм.
Рис. 12. Схематический глаз Гульстранда.
Оптической системе глаза присущи известные несовершенства. Во-первых, центры кривизны различных преломляющих поверхностей глаза не лежат точно на одной прямой и оптическая система глаза не вполне центрирована. Оптическая ось глаза (нормаль, идущая от роговицы через центр зрачка) не совпадает со зрительной линией (линия, соединяющая фиксируемую точку с центральной ямкой сетчатки). Между этими линиями имеется угол у, колеблющийся в пределах ±7°. Это приводит к асимметричному расположению глазных яблок.
B результате того, что лучи от фиксируемого предмета падают на преломляющие поверхности несколько сбоку, преломленный световой пучок становится несимметричным относительно зрительной линии и на сетчатке возникает нечеткое изображение точки (так называемый астигматизм косого падения). Указанный угол у может меняться при очковой коррекции аметропии, особенно анизометропии, односторонней афакии.
Рассмотрим это на примере миопии высокой степени обоих глаз (изометропия). При очковой коррекции глаза с этой рефракцией узловая точка системы глаз - очковое стекло перемещается по направлению к сетчатке, причем тем больше, чем больше сила очкового стекла. Это в определенной степени увеличивает асимметрию глазных яблок. Компенсация указанной асимметрии возможна за счет достаточных резервов сенсомоторного аппарата.
Бывают случаи невозможности указанной компенсации, что может приводить к плохой переносимости полной очковой коррекции миопии. При контактной коррекции аметропии смещения узловых точек оптической системы глаза практически не происходит и, следовательно, не увеличивается нагрузка на сенсомоторный аппарат, что является одной из причин хорошей переносимости полной коррекции зрения контактными линзами практически любых степеней аметропии.Как и другим оптическим системам, глазу свойственны аберрации. Вследствие сферической аберрации лучи, исходящие из точечного источника света, собираются не в точку, а в некоторую зону на оптической оси глаза. B результате на сетчатке образуется круг светорассеяния. Глубина этой зоны для нормального глаза составляет 0,5- 1,0 D. Практически все глаза в той или иной степени, вследствие аберраций из-за отсутствия идеальной сферичности и центровки преломляющих поверхностей, имеют неправильный астигматизм. Измерение аберраций с помощью специальной методики, позволяющей определить клиническую рефракцию в различных участках зрачка, дает возможность графически представить неправильный астигматизм в виде отклонения величины клинической рефракции относительно центра зрачка в разных его точках, например, в виде гистограмм (Корнюшина T.A., 1980). Неправильный астигматизм приводит к неравномерному распределению света на сетчатке. Значительные аберрации проявляются в невозможности получения нормальной остроты зрения при оптической коррекции аметропий, появлении монокулярной диплопии и пр.
Одним из несовершенств, связанным с оптическим аппаратом глаза, является так называемая анизейкония - термин, которым обозначается различная величина изображения на сетчатке обоих глаз. Величинаретинального изображения определяется диоптрийной силой оптического аппарата глаза: чем она больше, тем меньше изображение на сетчатке. Таким образом, величины ретинального изображения в обоих глазах обратно пропорциональны диоптрийной силе оптического аппарата парных глаз.
Большая величина анизейко- нии не позволяет слить в единый зрительный образ в центральном отделе зрительного анализатора ретинальные изображения в обоих глазах и приводит к нарушению бинокулярного зрения вплоть до появления косоглазия. За нормальную величину анизейконии, не приводящей к расстройствам бинокулярного зрения, принята величина различия размеров изображений на сетчатке парных глаз не более 5%.B построении качественного резкого изображения на сетчатке большую роль играют два элемента оптического аппарата глаза - роговица и хрусталик.
Преломляющая сила роговицы (около 40 D) составляет примерно 2/3 общей диоптрийной силы глаза. Гладкая зеркальная поверхность роговицы преломляет лучи, падающие в глаз. Поскольку показатель преломления стромы, задней поверхности роговицы, влаги передней камеры и стекловидного тела весьма близки друг к другу, внутри глаза лучи света преломляются только в хрусталике.
Большой интерес для построения изображения в глазу и подбора контактных линз представляет форма передней поверхности роговицы. Еще в XVI-XVII веках знали, что роговица не является сферичной. B дальнейшем путем использования более точных методик (офтальмометрия, топогометрия, фото- и видеокератометрия) была уточнена форма роговицы. Установлено, что в центральном отделе она наиболее крутая и постепенно уплощается к периферии. Наиболее близкая к форме роговицы фигура II порядка - эллипсоид вращения.
Другой, более сложный, элемент оптической системы, определяющий фокусировку изображения предмета на сетчатке при зрении вдаль и вблизи,- хрусталик. Этот ана- томо-оптический элемент глаза представляет собой двояковыпуклую линзу, преломляющая сила которой составляет примерно 19,0-20,0 D (в состоянии покоя). Радиус кривизны передней поверхности - около 10 мм, задней, более крутой, поверхности - около 6 мм, диаметр хрусталика - 9-10 мм.
Основное функциональное назначение хрусталика - аккомодация, т.е. приспособление глаза к отчетливому, резкому зрению на разных расстояниях.
Были предложены различные теории аккомодации, в том числе и экстрахрусталиковые, однако в настоящее время доказано, что наиболее вероятен механизм аккомодации, описанный еще Г. Гельмгольцем. Согласно его теории, во время покоя цилиарной мышцы циннова связка натянута и в свою очередь натягивает переднюю капсулу хрусталика, удерживая его в наиболее «плоском» состоянии. При сокращении цилиарной мышцы цилиарное тело подтягивается вперед, а цинновы связки расслабляются, что, в свою очередь, уменьшает силы, натягивающие капсулу хрусталика, в результате чего сам хрусталик становится более выпуклым, изменяя свою преломляющую силу по сравнению с состоянием покоя от 15,0 до 23,0 D фис. 13).Аккомодация характеризуется несколькими параметрами. Пространство, на протяжении которого глаз может приспосабливаться к различным расстояниям, находится между дальнейшей и ближайшей точками ясного видения.
Рис. 13. Механизм аккомодации.
а - состояние при напряжении цилиарной мышцы; б - состояние при расслаблении цилиарной мышцы.
Дальнейшая точка ясного видения - точка в пространстве, в которой сохраняется четкое видение при максимальном расслаблении аккомодации; ближайшая точка ясного видения - точка, в которой сохраняется четкое видение при максимальном напряжении аккомодации.
Отрезок между указанными точками (в линейных мерах) определяется как область аккомодации. Эта величина характеризует пространство, в пределах которого возможно ясное зрение на различных расстояниях благодаря аккомодации. Этот же показатель, выраженный в изменении преломляющей силы глаза при переводе от дальнейшей к ближайшей точке ясного видения, определяется термином «объем аккомодации» (в D). Объем аккомодации A ф) определяется по формуле:
где: p и r - расстояние от глаза до ближайшей и дальнейшей точек ясного видения;
P и R - соответствующие им величины в D.
Параметр P имеет всегда отрицательное значение, следовательно, и величина аккомодации также отрицательна, но знак «-» обычно опускают.
Очень важным показателем аккомодационной способности является так называемая относительная аккомодация, которая характеризует изменения напряжения цилиарной мышцы при совместной работе обоих глаз в случае расположения объекта на определенном расстоянии от глаза.
Другая характеристика аккомодации - работоспособность ресничной мышцы, т.е. ее способность сохранять возможность четкого зрения вблизи (при напряжении аккомодации) в течение длительного времени.
При миопии, гиперметропии, различных поражениях таз все указанные показатели могут изменяться, что следует учитывать при оптической коррекции.
4.3.