Rega yra vienas vertingiausių žmogaus pojūčių. Nors regėjimo sistema yra gana sudėtinga smegenų dalis, procesą skatina kuklus optinis elementas: akis. Jis formuoja vaizdus tinklainėje, kur šviesą sugeria fotoreceptoriai. Jų pagalba elektriniai signalai perduodami į regos žievę tolesniam apdorojimui.
Pagrindiniai akies optinės sistemos elementai: ragena ir lęšiukas. Jie suvokia šviesą ir projektuoja ją ant tinklainės. Verta paminėti, kad akies prietaisas yra daug paprastesnis nei fotoaparatų su keliais objektyvais, sukurtais jo panašumu. Nepaisant to, kad akyje lęšius vaidina tik du elementai, tai nepablogina informacijos suvokimo.
Šviesa
Šviesos prigimtis taip pat turi įtakos kai kurioms akies optinės sistemos savybėms. Pavyzdžiui, tinklainė centrinėje dalyje yra jautriausia regimo spektro, atitinkančio Saulės spinduliavimo spektrą, suvokimui. Šviesa gali būti matoma kaip skersinėelektromagnetinė banga. Matomi bangos ilgiai nuo maždaug mėlynos (400 nm) iki raudonos (700 nm) sudaro tik nedidelę elektromagnetinio spektro dalį.
Įdomu pažymėti, kad šviesos dalelės (fotono) prigimtis tam tikromis sąlygomis taip pat gali turėti įtakos regėjimui. Fotonų sugertis vyksta fotoreceptoriuose pagal atsitiktinio proceso taisykles. Visų pirma, kiekvieną fotoreceptorių pasiekiančios šviesos intensyvumas lemia tik fotono sugerties tikimybę. Tai apriboja galimybę matyti esant mažam šviesumui ir prisitaikyti prie tamsos.
Skaidrumas
Dirbtinėse optinėse sistemose naudojamos skaidrios medžiagos: stiklas arba plastikas su refrakcijos fiksatoriumi. Panašiai žmogaus akis turi sudaryti didelio masto didelės raiškos vaizdus naudodama gyvus audinius. Jei ant tinklainės projektuojamas vaizdas yra per neryškus, neryškus, regos sistema neveiks tinkamai. To priežastis gali būti akių ir neuronų ligos.
Akių anatomija
Žmogaus akis galima apibūdinti kaip skysčiu užpildytą kvazi sferinę struktūrą. Akies optinė sistema susideda iš trijų audinių sluoksnių:
- išorinė (sklera, ragena);
- vidinė (tinklainė, ciliarinis kūnas, rainelė);
- tarpinis (gyslainė).
Suaugusių žmonių akis yra apytiksliai 24 mm skersmens rutulys, susidedantis iš daugelio ląstelinių ir neląstelinių komponentų, gautų iš ektoderminės ir mezoderminės gemalo linijosš altiniai.
Akies išorę dengia atsparus ir lankstus audinys, vadinamas sklera, išskyrus priekinę dalį, kur per skaidrią rageną šviesa patenka į vyzdį. Kiti du sluoksniai po sklera: gyslainė, aprūpinanti maistinėmis medžiagomis, ir tinklainė, kur po vaizdo susidarymo šviesą sugeria fotoreceptoriai.
Akis yra dinamiška dėl šešių išorinių raumenų veikimo, fiksuojant ir nuskaitant regimąją aplinką. Į akį patenkančią šviesą laužia ragena: plonas skaidrus sluoksnis be kraujagyslių, apie 12 mm skersmens ir apie 0,55 mm storio centrinėje dalyje. Vandens ašarų plėvelė ant ragenos garantuoja geriausią vaizdo kokybę.
Priekinė akies kamera užpildyta skysta medžiaga. Rainelė, dvi raumenų grupės su centrine skylute, kurios dydis priklauso nuo susitraukimo, veikia kaip diafragma, kurios spalva būdinga priklausomai nuo pigmentų kiekio ir pasiskirstymo.
Vyzdys yra rainelės centre esanti skylė, reguliuojanti į akį patenkančios šviesos kiekį. Jo dydis svyruoja nuo mažiau nei 2 mm ryškioje šviesoje iki daugiau nei 8 mm tamsoje. Po to, kai vyzdys suvokia šviesą, kristalinis lęšis susijungia su ragena, kad tinklainėje susidaro vaizdai. Kristalinis lęšis gali pakeisti savo formą. Jį supa elastinga kapsulė ir prie ciliarinio kūno pritvirtina zonelės. Ciliarinio kūno raumenų veikimas leidžia lęšiui padidinti arba sumažinti savo galią.
Tinklainė ir ragena
Tinklainėje yra centrinė įduba, kurturi daugiausiai receptorių. Jo periferinės dalys suteikia mažesnę skiriamąją gebą, tačiau yra specializuotos akių judesių ir objektų aptikimo srityje. Natūralus matymo laukas yra gana didelis, palyginti su dirbtiniu ir yra 160 × 130°. Netoliese yra geltonoji dėmė ir veikia kaip šviesos filtras, tariamai apsaugodamas tinklainę nuo degeneracinių ligų, pašalindamas mėlynus spindulius.
Ragena yra sferinė pjūvis, kurio priekinis kreivio spindulys yra 7,8 mm, užpakalinis kreivės spindulys yra 6,5 mm, o nehomogeninis lūžio rodiklis yra 1,37 dėl sluoksniuotos struktūros.
Akių dydis ir fokusavimas
Vidutinės statinės akies bendras ašinis ilgis yra 24,2 mm, o tolimi objektai sufokusuoti tiksliai tinklainės centre. Tačiau akies dydžio nukrypimai gali pakeisti situaciją:
- trumparegystė, kai vaizdai sufokusuoti prieš tinklainę,
- toliaregystė, kai tai atsitinka jai už nugaros.
Akies optinės sistemos funkcijos pažeidžiamos ir esant astigmatizmui – neteisingam lęšiuko kreivumui.
Vaizdo kokybė tinklainėje
Net kai akies optinė sistema yra puikiai sufokusuota, ji nesukuria tobulo vaizdo. Tam įtakos turi keli veiksniai:
- šviesos difrakcija vyzdyje (neryškumas);
- optinės aberacijos (kuo didesnis vyzdys, tuo blogesnis matomumas);
- išsibarstymas akies viduje.
Ypatingos akių lęšių formos, lūžio rodiklio kitimai ir geometrijos ypatybės yra akies optinės sistemos trūkumaipalyginti su dirbtiniais atitikmenimis. Įprasta akis yra mažiausiai šešis kartus prastesnės kokybės ir kiekviena sukuria originalų taškinį paveikslėlį, atsižvelgiant į esamas aberacijas. Taigi, pavyzdžiui, suvokiama žvaigždžių forma kiekvienam žmogui skirsis.
Periferinis matymas
Centrinis tinklainės laukas suteikia didžiausią erdvinę skiriamąją gebą, tačiau svarbi ir mažiau budri periferinė dalis. Periferinio matymo dėka žmogus gali orientuotis tamsoje, atskirti judesio faktorių, o ne patį judantį objektą ir jo formą bei naršyti erdvėje. Periferinis regėjimas vyrauja gyvūnams ir paukščiams. Be to, kai kurių iš jų žiūrėjimo kampas yra 360 °, kad būtų didesnė tikimybė išgyventi. Regėjimo iliuzijos apskaičiuojamos pagal periferinio regėjimo ypatybes.
Rezultatas
Žmogaus akies optinė sistema yra paprasta ir patikima bei puikiai pritaikyta supančio pasaulio suvokimui. Nors matomo kokybė yra žemesnė nei pažangių techninių sistemų, ji atitinka organizmo reikalavimus. Akys turi daugybę kompensacinių mechanizmų, dėl kurių kai kurie galimi optiniai apribojimai yra nereikšmingi. Pavyzdžiui, didelį neigiamą chromatinio fokusavimo poveikį pašalina tinkami spalvų filtrai ir dažnių juostos pralaidumo spektrinis jautrumas.
Pastarąjį dešimtmetį atsirado galimybė koreguoti akių aberacijas naudojant adaptyvųoptika. Šiuo metu tai techniškai įmanoma laboratorijoje naudojant korekcinius prietaisus, tokius kaip intraokuliniai lęšiai. Korekcija gali atkurti gebėjimą matyti, tačiau yra niuansas – fotoreceptorių selektyvumas. Net jei į tinklainę projektuojami ryškūs vaizdai, norint suprasti mažiausią raidę, reikės kelių fotoreceptorių, kad jie būtų tinkamai interpretuojami. Mažesnių už atitinkamą regėjimo aštrumą raidžių vaizdai nebus atskirti.
Tačiau pagrindiniai regėjimo sutrikimai yra silpnos aberacijos: defokusavimas ir astigmatizmas. Šie atvejai buvo nesunkiai ištaisomi įvairiais technologiniais patobulinimais nuo tryliktojo amžiaus, kai buvo išrasti cilindriniai lęšiai. Šiuolaikiniai metodai apima kontaktinių ir intraokulinių lęšių naudojimą arba lazerinės refrakcijos chirurgijos procedūras, kad būtų galima redaguoti paciento optinės sistemos struktūrą.
Oftalmologijos ateitis atrodo daug žadanti. Jame pagrindinį vaidmenį atliks fotonika ir apšvietimo technologijos. Pažangios optoelektronikos panaudojimas leistų naujais protezais atkurti toliaregį akis nepašalinant gyvų audinių, kaip yra šiuo metu. Nauja optinė koherentinė tomografija gali suteikti visapusišką 3D akies vizualizaciją realiuoju laiku. Mokslas nestovi vietoje, kad optinė akies sistema leistų kiekvienam iš mūsų pamatyti pasaulį visoje jo šlovėje.
