Zrak je jedným z najcennejších ľudských zmyslov. Zatiaľ čo vizuálny systém je pomerne zložitá časť mozgu, proces je poháňaný skromným optickým prvkom: okom. Vytvára obrazy na sietnici, kde je svetlo absorbované fotoreceptormi. S ich pomocou sa elektrické signály prenášajú do zrakovej kôry na ďalšie spracovanie.
Hlavné prvky optického systému oka: rohovka a šošovka. Vnímajú svetlo a premietajú ho na sietnicu. Stojí za zmienku, že zariadenie oka je oveľa jednoduchšie ako fotoaparát s viacerými šošovkami vytvorenými podľa jeho podoby. Napriek tomu, že v oku zohrávajú úlohu šošovky iba dva prvky, nenarúša to vnímanie informácií.
Svetlo
Prirodzená povaha svetla ovplyvňuje aj niektoré vlastnosti optického systému oka. Napríklad sietnica je najcitlivejšia v centrálnej časti na vnímanie viditeľného spektra, zodpovedajúceho spektru žiarenia Slnka. Svetlo môže byť videné ako priečneelektromagnetická vlna. Viditeľné vlnové dĺžky od približne modrej (400 nm) po červenú (700 nm) tvoria len malú časť elektromagnetického spektra.
Je zaujímavé poznamenať, že povaha častice svetla (fotónu) môže za určitých podmienok ovplyvniť videnie. K absorpcii fotónov dochádza vo fotoreceptoroch podľa pravidiel náhodného procesu. Najmä intenzita svetla dopadajúceho na každý fotoreceptor určuje iba pravdepodobnosť absorpcie fotónu. To obmedzuje schopnosť vidieť pri nízkom jase a prispôsobiť oko tme.
Transparentnosť
V umelých optických systémoch sa používajú priehľadné materiály: sklo alebo plasty s refrakčným fixátorom. Podobne aj ľudské oko musí vytvárať veľkorozmerné obrazy s vysokým rozlíšením pomocou živého tkaniva. Ak je obraz premietaný na sietnicu príliš rozmazaný, neostrý, zrakový systém nebude správne fungovať. Dôvodom môžu byť ochorenia očí a neurónov.
Anatómia oka
Ľudské oko možno opísať ako kvázi-sférickú štruktúru naplnenú tekutinou. Optický systém oka pozostáva z troch vrstiev tkanív:
- externé (skléra, rohovka);
- vnútorné (sietnica, ciliárne teleso, dúhovka);
- stredne pokročilý (cievnatka).
U dospelých ľudí je oko guľa s priemerom približne 24 mm a pozostáva z mnohých bunkových a nebunkových zložiek odvodených z ektodermálnej a mezodermálnej zárodočnej líniezdroje.
Vonkajšia strana oka je pokrytá odolným a pružným tkanivom nazývaným skléra, s výnimkou prednej časti, kde priehľadná rohovka umožňuje prenikaniu svetla do zrenice. Dve ďalšie vrstvy pod bielkom: cievnatka, ktorá poskytuje živiny a sietnica, kde je svetlo absorbované fotoreceptormi po vytvorení obrazu.
Oko je dynamické vďaka činnosti šiestich vonkajších svalov, ktoré zachytávajú a skenujú vizuálne prostredie. Svetlo vstupujúce do oka sa láme rohovkou: tenká priehľadná vrstva bez krvných ciev s priemerom asi 12 mm a hrúbkou v strednej časti asi 0,55 mm. Vodný slzný film na rohovke zaručuje najlepšiu kvalitu obrazu.
Predná komora oka je naplnená tekutou látkou. Dúhovka, dva súbory svalov s centrálnym otvorom, ktorých veľkosť závisí od kontrakcie, pôsobí ako bránica s charakteristickou farbou v závislosti od množstva a rozloženia pigmentov.
Zornička je otvor v strede dúhovky, ktorý reguluje množstvo svetla vstupujúceho do oka. Jeho veľkosť sa pohybuje od menej ako 2 mm v jasnom svetle po viac ako 8 mm v tme. Keď zrenička vníma svetlo, kryštalická šošovka sa spojí s rohovkou a vytvorí obrazy na sietnici. Kryštalická šošovka môže zmeniť svoj tvar. Je obklopený elastickou kapsulou a pripevnený k ciliárnemu telu zonulami. Činnosť svalov v ciliárnom tele umožňuje šošovke zvýšiť alebo znížiť svoju silu.
Sietnica a rohovka
V sietnici je centrálna depresia, kdeobsahuje najväčší počet receptorov. Jeho periférne časti poskytujú menšie rozlíšenie, ale sú špecializované na pohyb očí a detekciu objektov. Prirodzené zorné pole je v porovnaní s umelým pomerne veľké a má 160×130°. Makula sa nachádza v blízkosti a funguje ako svetelný filter, ktorý údajne chráni sietnicu pred degeneratívnymi ochoreniami tým, že kryje modré lúče.
Rohovka je sférická časť s predným polomerom zakrivenia 7,8 mm, zadným polomerom zakrivenia 6,5 mm a nehomogénnym indexom lomu 1,37 vďaka vrstvenej štruktúre.
Veľkosť očí a zaostrenie
Priemerné statické oko má celkovú axiálnu dĺžku 24,2 mm a vzdialené predmety sú zaostrené presne do stredu sietnice. Odchýlky vo veľkosti oka však môžu zmeniť situáciu:
- krátkozrakosť, keď sú obrázky zaostrené pred sietnicou,
- ďalekozrakosť, keď sa to stane za ňou.
Funkcie optického systému oka sú narušené aj v prípade astigmatizmu - nesprávneho zakrivenia šošovky.
Kvalita obrazu na sietnici
Aj keď je optický systém oka dokonale zaostrený, nevytvára dokonalý obraz. Ovplyvňuje to niekoľko faktorov:
- difrakcia svetla v zrenici (rozmazanie);
- optické aberácie (čím väčšia zrenica, tým horšia viditeľnosť);
- rozptyl vo vnútri oka.
Špecifické tvary očných šošoviek, variácie indexu lomu a geometrické vlastnosti sú nedostatky optického systému okav porovnaní s umelými náprotivkami. Normálne oko má najmenej šesťkrát nižšiu kvalitu a každé vytvára originálnu bitmapu v závislosti od prítomných aberácií. Takže napríklad vnímaný tvar hviezd sa bude líšiť od človeka k človeku.
Periférne videnie
Centrálne pole sietnice poskytuje najväčšie priestorové rozlíšenie, no dôležitá je aj menej ostražitá periférna časť. Vďaka periférnemu videniu sa človek dokáže orientovať v tme, rozlišovať medzi pohybovým faktorom a nie pohybujúcim sa objektom samotným a jeho tvarom a orientovať sa v priestore. U zvierat a vtákov prevláda periférne videnie. Navyše, niektoré z nich majú zorný uhol všetkých 360° pre väčšiu šancu na prežitie. Vizuálne ilúzie sú vypočítané na základe vlastností periférneho videnia.
Výsledok
Optický systém ľudského oka je jednoduchý a spoľahlivý a dokonale prispôsobený vnímaniu okolitého sveta. Kvalita viditeľného je síce nižšia ako vo vyspelých technických systémoch, no spĺňa požiadavky organizmu. Oči majú množstvo kompenzačných mechanizmov, ktoré ponechávajú niektoré potenciálne optické obmedzenia zanedbateľné. Napríklad veľký negatívny vplyv chromatického rozostrenia je eliminovaný vhodnými farebnými filtrami a pásmovou spektrálnou citlivosťou.
V poslednom desaťročí možnosť korekcie očných aberácií pomocou adaptívnehooptika. To je v súčasnosti technicky možné v laboratóriu pomocou korekčných zariadení, ako sú vnútroočné šošovky. Korekcia môže obnoviť schopnosť vidieť, ale existuje nuansa - selektivita fotoreceptorov. Aj keď sa na sietnicu premietajú ostré obrazy, najmenšie písmeno, ktoré má byť vnímané, bude vyžadovať na správnu interpretáciu viacero fotoreceptorov. Obrázky písmen menších ako zodpovedajúca zraková ostrosť nebudú rozlíšené.
Hlavnými poruchami zraku sú však slabé aberácie: rozostrenie a astigmatizmus. Tieto prípady boli ľahko korigované rôznym technologickým vývojom od trinásteho storočia, kedy boli vynájdené cylindrické šošovky. Moderné metódy zahŕňajú použitie kontaktných a vnútroočných šošoviek alebo laserové refrakčné chirurgické zákroky na úpravu štruktúry optického systému pacienta.
Budúcnosť oftalmológie vyzerá sľubne. Kľúčovú úlohu v ňom zohrá fotonika a osvetľovacia technika. Použitie pokročilej optoelektroniky by umožnilo novým protézam obnoviť ďalekozraké oči bez odstránenia živého tkaniva, ako je tomu v súčasnosti. Nová optická koherentná tomografia by mohla poskytnúť plnohodnotnú 3D vizualizáciu oka v reálnom čase. Veda nestojí na mieste, takže optický systém oka umožňuje každému z nás vidieť svet v celej jeho kráse.
