Zrak je jedním z nejcennějších lidských smyslů. Zatímco zrakový systém je poměrně složitou částí mozku, proces řídí skromný optický prvek: oko. Vytváří obrazy na sítnici, kde je světlo absorbováno fotoreceptory. S jejich pomocí jsou elektrické signály přenášeny do zrakové kůry k dalšímu zpracování.
Hlavní prvky optického systému oka: rohovka a čočka. Vnímají světlo a promítají ho na sítnici. Stojí za zmínku, že zařízení oka je mnohem jednodušší než u fotoaparátů s více čočkami vytvořenými podle jeho podoby. Navzdory skutečnosti, že v oku hrají roli čoček pouze dva prvky, neovlivňuje to vnímání informací.
Světlo
Přirozená povaha světla také ovlivňuje některé vlastnosti optického systému oka. Například sítnice je nejcitlivější v centrální části pro vnímání viditelného spektra, odpovídajícímu radiačnímu spektru Slunce. Světlo lze vidět jako příčnéelektromagnetická vlna. Viditelné vlnové délky od přibližně modré (400 nm) po červenou (700 nm) tvoří pouze malou část elektromagnetického spektra.
Je zajímavé poznamenat, že povaha částice světla (fotonu) může za určitých podmínek také ovlivnit vidění. K absorpci fotonů dochází ve fotoreceptorech podle pravidel náhodného procesu. Zejména intenzita světla dopadajícího na každý fotoreceptor určuje pouze pravděpodobnost pohlcení fotonu. To omezuje schopnost vidět při nízkém jasu a přizpůsobit oko tmě.
Transparentnost
V umělých optických systémech se používají průhledné materiály: sklo nebo plasty s ustalovačem lomu. Podobně musí lidské oko vytvářet velkoplošné obrazy s vysokým rozlišením pomocí živé tkáně. Pokud je obraz promítaný na sítnici příliš rozmazaný, neostrý, zrakový systém nebude správně fungovat. Důvodem mohou být onemocnění očí a neuronů.
Anatomie oka
Lidské oko lze popsat jako kvazikulovou strukturu naplněnou tekutinou. Optický systém oka se skládá ze tří vrstev tkání:
- externí (skléra, rohovka);
- vnitřní (sítnice, řasnaté tělísko, duhovka);
- středně pokročilý (cévnatka).
U dospělých lidí je oko koule o průměru přibližně 24 mm a skládá se z mnoha buněčných a nebuněčných složek odvozených z ektodermálních a mezodermálních zárodečných liniízdroje.
Vnější strana oka je pokryta odolnou a pružnou tkání zvanou skléra, s výjimkou přední části, kde průhledná rohovka umožňuje pronikání světla do zornice. Dvě další vrstvy pod sklérou: cévnatka, která poskytuje živiny a sítnice, kde je světlo absorbováno fotoreceptory po vytvoření obrazu.
Oko je dynamické díky působení šesti vnějších svalů, které zachycují a skenují vizuální prostředí. Světlo vstupující do oka se láme rohovkou: tenká průhledná vrstva bez krevních cév o průměru asi 12 mm a tloušťce ve střední části asi 0,55 mm. Vodní slzný film na rohovce zaručuje nejlepší kvalitu obrazu.
Přední komora oka je naplněna tekutou látkou. Duhovka, dvě sady svalů s centrálním otvorem, jejichž velikost závisí na kontrakci, působí jako bránice s charakteristickou barvou v závislosti na množství a distribuci pigmentů.
Zornice je otvor ve středu duhovky, který reguluje množství světla vstupujícího do oka. Jeho velikost se pohybuje od méně než 2 mm v jasném světle až po více než 8 mm ve tmě. Poté, co zornice vnímá světlo, se krystalická čočka spojí s rohovkou a vytvoří obrazy na sítnici. Krystalická čočka může změnit svůj tvar. Je obklopena elastickým pouzdrem a připevněna k řasnatému tělísku zonulami. Činnost svalů v řasnatém tělese umožňuje čočce zvýšit nebo snížit její sílu.
Sítnice a rohovka
V sítnici je centrální prohlubeň, kdeobsahuje největší počet receptorů. Jeho obvodové části poskytují menší rozlišení, ale jsou specializované na pohyb očí a detekci objektů. Přirozené zorné pole je oproti umělému poměrně velké a má 160×130°. Makula se nachází poblíž a funguje jako světelný filtr, který údajně chrání sítnici před degenerativními chorobami tím, že stíní modré paprsky.
Rohovka je sférická část s předním poloměrem zakřivení 7,8 mm, zadním poloměrem zakřivení 6,5 mm a nehomogenním indexem lomu 1,37 díky vrstvené struktuře.
Velikost očí a zaměření
Průměrné statické oko má celkovou axiální délku 24,2 mm a vzdálené předměty jsou zaostřeny přesně do středu sítnice. Ale odchylky ve velikosti oka mohou změnit situaci:
- krátkozrakost, když jsou snímky zaostřeny před sítnicí,
- dalekozrakost, když se to stane za ní.
Funkce optického systému oka jsou narušeny také v případě astigmatismu - nesprávného zakřivení čočky.
Kvalita obrazu na sítnici
I když je optický systém oka dokonale zaostřený, nevytváří dokonalý obraz. Ovlivňuje to několik faktorů:
- difrakce světla v zornici (rozostření);
- optické aberace (čím větší zornice, tím horší viditelnost);
- rozptyl uvnitř oka.
Specifické tvary očních čoček, variace indexu lomu a geometrie jsou nedostatky optického systému okave srovnání s umělými protějšky. Normální oko má minimálně šestkrát nižší kvalitu a každé vytváří originální bitmapu v závislosti na přítomných aberacích. Takže například vnímaný tvar hvězd se bude lišit od člověka k člověku.
Periferní vidění
Centrální pole sítnice poskytuje největší prostorové rozlišení, ale důležitá je také méně ostražitá periferní část. Díky perifernímu vidění se člověk může pohybovat ve tmě, rozlišovat mezi pohybovým faktorem a ne pohybujícím se objektem samotným a jeho tvarem a orientovat se v prostoru. U zvířat a ptáků převládá periferní vidění. Některé z nich mají navíc zorný úhel všech 360° pro vyšší šanci na přežití. Zrakové iluze jsou vypočítány na základě vlastností periferního vidění.
Výsledek
Optický systém lidského oka je jednoduchý a spolehlivý a dokonale přizpůsobený vnímání okolního světa. Kvalita viditelného je sice nižší než u vyspělých technických systémů, ale odpovídá požadavkům organismu. Oči mají řadu kompenzačních mechanismů, které ponechávají některá potenciální optická omezení zanedbatelná. Například velký negativní efekt chromatického rozostření je eliminován vhodnými barevnými filtry a pásmovou spektrální citlivostí.
V posledním desetiletí možnost korekce očních aberací pomocí adaptivníchoptika. To je v současné době technicky možné v laboratoři pomocí korekčních zařízení, jako jsou nitrooční čočky. Korekce může obnovit schopnost vidět, ale existuje nuance - selektivita fotoreceptorů. I když jsou na sítnici promítány ostré obrazy, nejmenší písmeno, které má být vnímáno, bude vyžadovat více fotoreceptorů, aby se správně interpretovalo. Obrázky písmen menších než odpovídající zraková ostrost nebudou rozlišeny.
Hlavními zrakovými poruchami jsou však slabé aberace: rozostření a astigmatismus. Tyto případy byly snadno korigovány různým technologickým vývojem od 13. století, kdy byly vynalezeny cylindrické čočky. Moderní metody zahrnují použití kontaktních a nitroočních čoček nebo procedury laserové refrakční chirurgie k úpravě struktury optického systému pacienta.
Budoucnost oftalmologie vypadá slibně. Klíčovou roli v něm bude hrát fotonika a osvětlovací technika. Použití pokročilé optoelektroniky by umožnilo novým protézám obnovit dalekozraké oči bez odstranění živé tkáně, jak je tomu v současnosti. Nová optická koherentní tomografie by mohla poskytnout plnohodnotnou 3D vizualizaci oka v reálném čase. Věda nestojí na místě, takže optický systém oka umožňuje každému z nás vidět svět v celé jeho kráse.
