Tomasz Kubiak

Niestety współcześnie u coraz większej części populacji ujawniają się zaburzenia czynności narządu wzroku. W celu uzyskania pomocy udajemy się do różnych specjalistów, którzy w swojej pracy bazują nie tylko na osiągnięciach fizjologii i medycyny, ale przede wszystkim optyki oraz biofizyki. Przyjrzyjmy się zatem, jak fizyka pomaga w badaniu oraz usprawnianiu procesu widzenia.

Wielu z nas w przypadku problemów ze wzrokiem w pierwszej kolejności kieruje się do lekarza okulisty. Ten jednak specjalizuje się przede wszystkim w diagnozowaniu i leczeniu chorób oczu. Badaniem i monitorowaniem wad refrakcji a także doborem odpowiedniej korekcji w postaci okularów lub soczewek kontaktowych współcześnie zajmują się natomiast coraz powszechniej optometryści. Co ciekawe, w Polsce przedstawiciele tego zawodu zdobywają fachową wiedzę oraz odpowiednie kwalifikacje na dedykowanym kierunku studiów, prowadzonych m.in. na wydziałach fizyki uniwersytetów w Poznaniu czy Warszawie.

Z kolei za przygotowanie okularów korekcyjnych wg sporządzonej recepty oraz dobór odpowiednich powłok antyrefleksyjnych odpowiedzialni są optycy okularowi. Nietrudno domyślić się, iż reprezentanci wszystkich wymienionych profesji muszą posiadać gruntowną wiedzę z optyki oraz biofizyki. Wiele zagadnień może okazać się fascynujących również dla szerokiego grona miłośników nauk przyrodniczych, dlatego w niniejszym artykule ich podstawy zostaną przybliżone wszystkim zainteresowanym.

Prawidłowe widzenie

Na wstępie należy przypomnieć, iż stali czytelnicy Fizyki w Szkole mieli już sposobność zapoznania się z budową oka (Rys. 1) oraz funkcjonowaniem układu wzrokowego. Zagadnienia te bowiem zostały omówione w odrębnym artykule.[1] Przypomnijmy tylko, iż światło wpada do oka przez przezroczystą rogówkę. Strukturę tę charakteryzuje współczynnik załamania n = 1,376 i zdolność skupiająca +43 dioptrie, co stanowi około 2/3 mocy łamiącej całego oka. Promienie świetlne ulegają zatem na niej refrakcji a następnie biegną dalej przez ciecz wodnistą (n = 1,336), wypełniającą komorę przednią oka.

Ilość światła, która przedostaje się do wnętrza gałki ocznej, jest regulowana przez tęczówkę. Jej funkcjonowanie porównuje się często do działania przysłony w aparacie fotograficznym. Tak jak nachodzące na siebie metalowe listki regulują wielkość apertury, a tym samym ilość światła padającego na element światłoczuły w aparacie, tak dwa układy działających antagonistycznie mięśni zmieniają wymiary źrenicy, czyli okrągłego otworu w tęczówce. Nawet w warunkach domowych, przy użyciu lampki ze ściemniaczem oraz lustra, można łatwo sprawdzić doświadczalnie rozszerzanie się źrenicy przy słabym oświetleniu i wyraźne jej zwężanie przy ekspozycji na silne światło.

Tytułem dygresji warto dodać, że natężenie oświetlenia zewnętrznego nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na szerokość źrenic. I niekoniecznie musimy zaraz odwoływać się do działania środków psychoaktywnych. Humaniści mawiają bowiem, iż oczy są zwierciadłem duszy. Zainspirowani tym powiedzeniem fizjolodzy i psycholodzy w swoich badaniach udowodnili pozytywny odbiór wrażeń wzrokowych, przejawiający się właśnie w stopniu rozszerzenia źrenic.[2] Z własnych obserwacji wiemy natomiast, że powiększają się one również w sytuacji zgoła odmiennej, tj. u osób ogarniętych silnym lękiem (w rezultacie działania układu współczulnego). Wracając do fizyki widzenia, wypada jeszcze nadmienić, iż średnica źrenicy zmniejsza się także, gdy zbliżamy obserwowany obiekt do oka (podczas akomodacji).

Układ optyczny naszego oka wykazuje nastawność, czyli umożliwia nam ostre widzenie przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach. W tym przypadku kluczowa jest oczywiście rola soczewki. Dwuwypukła, przezroczysta struktura, zbudowana z warstw charakteryzujących się niejednakowymi gęstościami optycznymi, może bowiem zmieniać swój kształt na skutek działania mięśni rzęskowych.[3] Gdy patrzymy w dal, są one rozluźnione a soczewka spłaszczona. Jeśli natomiast obserwujemy obiekt położony blisko, mięśnie rzęskowe napinają się a soczewka przyjmuje bardziej uwypuklony kształt. Dzięki temu zwiększa się załamanie promieni świetlnych, zmienia ogniskowa a tym samym zdolność skupiająca układu.

Jeśli oko nie akomoduje (moc układu optycznego jest najmniejsza)[4], na jego osi optycznej można zlokalizować punkt, który jest ostro odwzorowany na siatkówce. Nazywamy go punktem dali P_D, a odwrotność jego odległości od wierzchołka rogówki s_D określamy mianem refrakcji oka R (wyrażanej w dioptriach):

R = 1/S_D

Dla oka miarowego P_D  zlokalizowany jest w nieskończoności, zatem refrakcja wynosi 0. Nietrudno domyślić się, iż dzięki nastawności oka w sposób ostry mogą zostać odwzorowane wszystkie obiekty położone pomiędzy punktami dali i bliży. W tym ostatnim przypadku soczewka uzyskuje największą moc, czyli mamy do czynienia z okiem maksymalnie akomodującym. Warto również dodać, że zdolność nastawczą oka charakteryzuje amplituda akomodacji A_A. Wyznaczamy ją, stosując prostą formułę:

A_A = 1/S_D – 1/S_B = R – 1/S_B

s_D i s_B oznaczają tu odpowiednio odległości punktu dalekiego i bliskiego oka. Ostatni z wymienionych punktów u dzieci znajduje się kilka centymetrów od oka, ale z wiekiem się od niego oddala, co oczywiście skutkuje zmniejszeniem zakresu akomodacji.

W ramach przypomnienia podstawowych informacji o funkcjonowaniu układu wzrokowego trzeba jeszcze wspomnieć, że promienie świetlne, których kierunek został zmieniony przez soczewkę, biegną dalej przez galaretowate ciało szkliste (n = 1,336) i finalnie trafiają na siatkówkę, gdzie prawidłowo powinno znajdować się ognisko układu optycznego oka. Na siatkówce zlokalizowane są bowiem receptory wzrokowe, czyli pręciki i czopki. To właśnie one, przy wsparciu innych wyspecjalizowanych komórek, odbierają bodźce świetlne i zamieniają je na impulsy elektryczne, które przez nerw wzrokowy przesyłane są do mózgu.

Cały artykuł dr Tomasza Kubiaka przeczytacie w wydaniu 5/2023 „Fizyki w Szkole”.

[1] T. Kubiak, Od biofizyki układu wzrokowego do złudzeń optycznych, Fizyka w Szkole z Astronomią, nr 6 (2019), s. 4-10.

[2] Zainteresowanych odsyłam do artykułu: K. Kuraguchi, K. Kanari, Enlargement of female pupils when perceiving something cute, Scientific Reports (2021), 11:23367.

[3] Współczynnik załamania w części centralnej (tzw. jądrze) soczewki przyjmuje wartość n = 1,41, natomiast w jej regionach zewnętrznych n = 1,33.

[4] Gdy soczewka nie akomoduje, jej zdolność skupiająca wynosi ≈ 19 dpt., zatem całkowita moc układu optycznego oka wynosi wówczas ≈ 62 dpt.