Глаз, как оптический прибор.

[Alexey_Smirn]

Уважаемые оптики-профессионалы!

  Давайте отвлечемся от астроолгии! Если не трудно, ответьте мне на следующий вопрос:

 Вот, возьмем человеческий глаз. В нем - 3 оптических элемента
- Роговица и  полость перед хрусталиком
- Сам хрусталик
- Стекловидное тело за хрусталиком.
Т.е., фактически, это разновидность триплета.

На сколько я понимаю, нормальный человеческий  глаз  строит идеальное изображение на   сетчатке.  Т.е., нет ни сферической, ни хроматической абераций, ни дисторсии, ни астигматизма, ни комы. Едиственной аберацией является кривизна поля. И это при том, что глаз - не только достаточно  светосильный оптический инструмент (относительное отверстие можно прикинуть, поле зрения - огромно, по отношению к существующей и гораздо более "многолинзовой" оптике) , но  еще и  "вариатор" - оптический инструмент с переменным фокусным расстоянием.
 Точнее, следует выразиться так - в данном оптическом приборе аберации малы по сравнению с размером чувствительных элементов - палочек и колбочек.

Вопрос собственно такой - а можно сделать модель глаза в каком-нибудь из инструментов,  в  OSLO или в  Zemax, и посмотреть, что получиться? Делал так кто-нибудь?

С уважением, Алексей.

[Alexey_Smirn]

Мужики!

 Ну не уж-то эта тема никому таки не интересна?  Эх, если бы я так хорошо знал Zemax и OSLO, как Вы - сам бы  посчитал и выложил результаты. А то если я возьмусь - затюкаете ведь...

Такие вот дела.

Алексей.

[an1440]

Еще великий Гельмгольц сказал: "Какая примитивная конструкция - человеческий глаз! Я бы сделал лучше!"
И он совершенно прав! Глаз - конструкция примитивнейшая. Вопрос в том, что глаз работает вместе с мозгом, который ИСПРАВЛЯЕТ все недостатки глаза. А вот даже примитивного подобия мозга Человек создать еще не может.

[Alexey_Smirn]

Нет, уж, an1440, тут я с Вами согласиться не могу.

Существует, например, такой диагноз -"некорректируемый астигматизм". Т.е., све-таки, какие-то искажения, свойственные оптическим системам, у глаза могут присутсвовать.

И корректируются они, кстати, явно оптическими методами - коррекция заключается, в сущности, в изменении кривизны  роговицы.

Так что мой вопрос не праздный.

С уважением, Алексей.

[tlgleonid]

У глаза есть все недостатки оптичеких систем: и кома и астигматизм и аберации третьего и четвертого порядка. Когда они выше предельных, то говорят о больезни глаз. Не замечли разманности изображения на краю поля зрения, лучистости звезд и пр. Просто требования к глазу, как к ближайшей оптической системе к сетчатке очень низкие. К окуляру они выше, а к объективу еще выше.

[an1440]

У глаза есть т.н. "слепое пятно" -  участок поля зрения, НЕВИДИМЫЙ ВООБЩЕ. Тем не менее, далеко не каждый человек даже знает об этом! Мозг "дорисовывает" недостающее изображение. Когда "очкарик" долго носит разбитые очки - он перестает ощущать их разбитыми - мозг "вырезает" лишнее.
А что говорить о том, что глаз все видит "вверх ногами", а человек об этом и не догадывается?!
Ведь сейчас и в астрономии реальные изображения "дорабатываются" компъютером... И получается вроде неплохо...

[anovikov]

Ничего там глаз не дорисовывает.
Просто слепое пятно на двух глазах смотрит в разные стороны, и в изображение, строимое правым глазом, на место слепого пятна ставится кусок изображения от левого глаза, и наоборот.

[Agas]

Ничего там глаз не дорисовывает.
Просто слепое пятно на двух глазах смотрит в разные стороны, и в изображение, строимое правым глазом, на место слепого пятна ставится кусок изображения от левого глаза, и наоборот.

Из этого утверждения следует что если закрыть один глаз то будет видно слепое пятно? Это же не так!

А устройство глаза далеко не так просто как кажется. Дело в том, что в нем нет «правильных» поверхностей и однородных материалов, которые можно однозначно обсчитать. Кроме того, глаз это живая, постоянно изменяющаяся структура, имеющая довольно большие разбросы параметров у разных людей.
Но усредненные параметры «идеального» глаза известны. Вот они:

Показатель преломления роговицы  1.376
--  водянистой влаги  1.335
--  хрусталика   1.386
--  стекловидного тела  1.336
Расстояние от вершины роговицы до задней поверхности роговицы  0.5 мм
-- до передней поверхности хрусталика  3.2…3.6 мм
-- до задней поверхности хрусталика  7.2 мм
-- до сетчатки  24 мм
Радиус передней поверхности роговицы  7.7 мм
--  задней  6.8 мм
--  передней поверхности хрусталика  5.33…10 мм
--  задней  -5.33…-6 мм
Радиус кривизны сетчатки  -10.5 мм
Положение входного зрачка  3.047…2.668 мм
--  выходного  3.667…3.212 мм
Диаметр входного зрачка  2…8 мм
Центр вращения  13.5 мм
Угол наклона оптической оси  5°

Если сделать расчет оптической системы глаза согласно этим данным, то получим следующие картинки для четырех точек поля (см. рис). Явно видны большие сферическая, кома и астигматизм. Кривизна практически отсутствует (за счет кривизны сетчатки). Кома для 25° порядка 15%. Это все для зрачка 5 мм.


[вложение удалено с форума]

[Alexey_Smirn]

Здорово!

 Спасибо огромное! Вот теперь нужно это как-нибудь объяснить. Для себя, по крайней мере.

 Интересно, а есть ли хроматическая аберация?
 
 И опять же, а как можно для себя зафиксировать  эти искажения, т.е., какую можно придумать картинку, рассматривая которую можно заметить указанные  искажения?

С уважением, Алексей.

[Agas]

Хроматическая аберрация естественно есть. Но оценить конкретно ее величину затруднительно по причине отсутствия у меня данных по дисперсии оптических сред глаза, а их там 4. Конечно, можно их смоделировать, используя дисперсионные данные для воды, но абсолютно без гарантии правдивости.

Насчет визуализации аберраций глаза. Я делал так. В абсолютной темноте на расстоянии ~1 м помещаем яркий точечный источник света. Смотрим на него одним глазом. Стараемся увидеть не саму точку, а ее ИЗОБРАЖЕНИЕ. Обычно это изображение имеет вид звезды со многими лучами разной длины, причем лучи эти не всегда прямые. Лучи эти возникают из-за неоднородностей хрусталика. Затем, аккомодируя (т.е. фокусируя) глаз на различные дистанции (при неизменном расстоянии до точечного источника) можно попробовать оценить сферическую по предфокалу, зафокалу. А вращая глаз можно оценить изменение формы изображения точки в зависимости от полевого угла.
Надо сказать, что этот процесс довольно интересен, но требует некоторого времени для приобретения навыков управления мышцами глаза и восприятия получаемой информации. Кстати здесь также можно проверить и эффект слепого пятна, он четко обнаруживается. И еще, обычно изображение точки для каждого глаза совершенно различно.

[Ernest]

Все это очень хорошо...

Но тут такая заковыка - все поверхности глаза не строго сферические, дисперсия сред неопределена, цветовые каналы разведены (то есть могут обрабатываться мозгом поотдельности, что отчасти копменсирует хроматизм)... Короче, сплошная неопределенность.

Значительно проще произвести исследование качества изображения своего глаза по мирам (распечатайте на принтере) вывешенным на заданном расстоянии. Понятно, что следует контролировать при этом диаметр зрачка (меняя его диаметр освещенностью или рассматривая образцы через диафрагмы).

[Balyunov]

А устройство глаза далеко не так просто как кажется. Дело в том, что в нем нет «правильных» поверхностей и однородных материалов, которые можно однозначно обсчитать. Кроме того, глаз это живая, постоянно изменяющаяся структура, имеющая довольно большие разбросы параметров у разных людей

Поверхности в глазу как раз не сферические, а близки к
параблическим, поэтому сферическая аберрация наверно меньше,
чем в полученном расчете. см.
http://www.kpi-optics.com/index.shtml?glaz
следовательно аберрации в центре поля невелики, а по краям поля
острота зрения намного ниже чем в центре потому что нервные волокна на краю поля присоединяются не к одному зрительному рецептору а к целой группе рецепторов (этим в частности объясняется несколько большая чувствительность периферийных зон глаза) следовательно аберрации на краю поля зрения не так заметны как в центре. С другой стороны хроматическая аберрация невооруженного глаза практически незаметна, каким образом это осуществляется неясно.

[an1440]

Несмотря на то, что глаз имеет довольно значительное поле зрения, оно практически никогда не работает целиком, как у "мертвого" оптического прибора. Попробуйте неподвижно зафикситрвать взгляд на красной букве "в". Вряд ли при этом Вы сможете уверенно сказать, что четко видите стоящие рядом с ней буквы "д" и "и" ! И даже сосредоточившись на верхней половине буквы, Вы уже не сможете уверенно видеть нижнюю.
Целостная картина больших изображений создается в мозге благодаря непрерывным движениям глаз, "складывается" из многих тысяч отдельных "кадров". Именно таким образом маскируется и слепое пятно - изображение, которое СЕЙЧАС проецируется на него, мозг не фантазирует - он ВИДЕЛ его микросекунду назад другим участком сетчатки.
Есть и другая сторона такого "сотрудничества" - всевозможные оптические обманы и иллюзии. Это когда "глаз как оптический прибор" видит одно, а зрение целиком - совсем другое. В том числе, есть и картинка для демонстрации слепого пятна, на которой вместо черного круга зрение "видит" пересечение двух линий - вот тут мозг как раз занимается фантазией.
Специалисты иногда вообще считают глаз не самостоятельным органом, а "вынесенной на периферию частью головного мозга".
Поэтому скорее всего вообще трудно говорить о характеристиках "глаза как оптического прибора" - они могут оказаться весьма скромными, но зрение как таковое не перестанет при этом удивлять нас своими фантастическими возможностями.
Говорят, что майский жук, согласно аэродинамическим расчетам должен лежать на земле как камень. Но он этого не знает, потому и летает...

[Alexey_Smirn]

Т.е., Вы, an1440, хотите сказать, что не стоит анализировать оптические коррекции заложенные природой  в строение глаза? Т.е. природа пошла по пути не совершенствования оптической схемы глаза а программной "обработки" изображения?

Но, это не совсем так.
Дело в том, что практически у всех позвоночных и даже у некоторых моллюсков (осьминоги и каракатицы) строение глаза приближается к таковому у человека. Хотя мозги у них у всех разные. И по "быстродействию" и по "вычислительным возможностям" - особенно если сравнивать высших позвоночных и моллюсков!

И еще, интересно, а почему природа при коструировании глаза не использовала зеркальные элементы, а только линзовые? А?

С уважением, Алексей.

P.S. А можно пересчитать аберации глаза, исходя из схемы, приведеной в (http://www.kpi-optics.com/index.shtml?glaz)  с учетом того факта, что все поверхности - параболоидальные?

[an1440]

Природа за миллиард лет "испробовала" неисчислимое количество вариантов конструкции. Похоже, что на стадии головоногих оптическоя схема оказалась необыкновенно удачной. Принципиально улучшить ее Природе не удалось вплоть до сАмого человека. И дальнейшее совершенствование зрительного аппарата пошло уже по части обработки информации.
И чем ниже возможности такой обработки - тем менее сложные задачи возлагаются на зрение. У лягушки, например, задача зрения сводится к обнаружению движущегося предмета и точному определению расстояния до него. Говорят (сам не проверял  ), она неподвижные предметы и не видит вообще. А глаза принципиально от наших не отличаются...
Природа никогда не делает ничего лишнего. И если оптическая схема глаза сохраняется почти неизменной так долго - значит такое решение является необходимым и достаточным.
Хотя, кто знает - может все наши очки, бинокли, телескопы - это и есть естественное продолжение эволюции зрения?

[Alexey_Smirn]

an1440!

 В том то и дело, что  головоногие (современные каракатицы и спруты) не только не являються нашими предками, но  и еще и получили эти самые глаза много познее, чем  появились первые   позвоночные!
 Похожее на человеческое строение глаз головоногих является одним из  доказательств  эволюционного развития в биологии. Еще интерсные параллели  -  практически одинаковая форма тела  дельфинов, рыб и морских ящеров  мела.

Т.е., разные (принципиально) виды обитающие в одной среде в процессе эволюции получают сходные признаки.

Но, опять же, мозг (если можно назвать мозгом его надглоточные и подглоточные узлы) головоногих принципиально , и по своей схеме, и по количеству нервных клеток отличается от достаточно типовой схемы  построения мозга у позвоночных (общие отделы и примерно одинаковая функциональность прослеживается и у рыб, и у  птиц с рептилиями и земноводными, и у зверей). Вот в чем парадокс!

Т.е., мозг(!) спрута не может обрабатывать видеоинформацию таким же образом, как даже такой достаточно простой мозг как мозг рыбы.  

С уважением, Алексей.

[an1440]

Интересно, а есть ли хроматическая аберация?

То, что в оптических инструментах предстает нам как всякие радужные каемочки, для зрения принимает парадоксальную форму: красное изображение на синем фоне кажется нам висящим в воздухе впереди фона!

[an1440]

Если разные ветви эволюции все равно пришли к похожим решениям  - значит эти решения более всего соответствуют поставленной задаче. А кальмару для решения ЕГО задач видимо достаточно глаза как он есть, без мозгов... (Хотя через некоторое время и у него мозги может быть разовьются...)

[Agas]

Ради интереса задал на оптимизацию предыдущую свою схему оптики глаза, используя в качестве параметров оптимизации асферику на все поверхности. Вот что получилось (см. рис). Осевая точка правится в ноль. Кома значительно уменьшается, но астигматизм остается.
Открытым остается вопрос с хроматизмом. В принципе если задать на оптимизацию и коэффициенты дисперсии, он правится. Но получаемые при этом значения мало похожи на реально возможные, например 31 для роговицы и 73 для хрусталика. Хотя, кто его знает! Если правда что там и хроматизм исправлен, то значит, Создатель был еще и неплохим оптиком!  


[вложение удалено с форума]

[bibliograf]

 Зеркальные глаза тоже бывают - у глубоководных ракообра-
зных - в точности как у рентгеновского телескопа со сколь-
зящим падением лучей... А у пчелы каждый элемент фасеточ-
ного сложного глаза - вообще зеркально-линзовый, вдобавок
со структурой, определяющей поляризацию света. Насчет
обработки в реальном времени - у фасеточного глаза сущест-
венные преимущества в быстродействии - муха реализует
так сказать, "непосредственное управление летательными
мышцами" - этим занималась в 60-е годы т.н. "Тюбингенская
группа" -значит было, что изучать...