Фокусное расстояние глаза. Какое же оно?

Перед началом статьи обращаюсь к маленьким фотографам — запасайтесь огнетушителями. В этот раз я постараюсь обойтись без аналогий глаза с фотоаппаратом и мозга с компьютером. Почему? С самых первых попыток изучения мозга человеком люди искали аналогии для облегчения понимания/объяснения его работы.

Для каждой эпохи были свои примеры — человек сравнивал мозг с самым сложным устройством своего времени:
— паровые машины,
— ламповая техника,
— сегодня это компьютеры,
— в будущем…

Обратимся за материалом к учебникам по физиологии, дабы избежать ненужных заблуждений.

Глаз как оптическая система

На этом рисунке добавил пояснения для удобства.

Начнём с руководства по офтальмологии. Суммарная преломляющая сила всей оптической проводящей системы глаза называется физической рефракцией.

Диоптрии всех оптических сред глазного яблока:
— роговица ~ 43 дптр,
— передняя камера ~ 3 дптр,
— хрусталик ~ 19-33 дптр,
— стекловидное тело ~ 6 дптр.

Передняя камера заполнена водянистой влагой — жидкостью по оптическим свойствам близкой к воде. (Ремизов А.Н. «Медицинская и биологическая физика» с.384)
Необходимо понимать, что первые три среды являются собирающими свет, а стекловидное тело рассеивает его, поэтому при расчёте мы отнимаем это значение.

Сила преломления рассчитывается в диоптриях по простой формуле из геометрической оптики:
Д = Др + Дп.к + Дхр — Дст.т. = 43 + 3 + 19 — 6 = 59 дптр

Значение хрусталика в этом расчёте принято 19 дптр, так как оно соответствует его рефракции в расслабленном состоянии, когда мы смотрим в даль.

Дальше переводим диоптрии в миллиметры:
F = 1/Д = 1/59 = 0,0169 м = 17 мм.

Вывод: фокусное расстояние глаза человека ~17мм.

На этапе изучения оптических свойств глаза мы имеем значение ~17 мм.

Цитата — «Возьмем случай, где средняя физическая рефракция (60,0D) в глазном яблоке с передне-задним размером средней величины (23 мм). Нетрудно подсчитать, что при толщине роговицы около 1 мм, глубине передней камеры около 3мм и отрезке от переднего полюса хрусталика до узловой точки 2 мм, от последней до сетчатки остается как раз 17 мм, что и обеспечит фокусировку параллельных лучей в центральной ямке желтого пятна, так как совпадает с главным фокусным расстоянием.»

С.А.Рухлова «Основы офтальмологии» 2006 г.

Но, думаю, кто-то возразит — фокусное расстояние должно быть около 50мм! Почему должно и почему некоторым так кажется? Для ответа на этот вопрос мы двинемся дальше — в зрительную кору.

Зрительная кора

Дэвид Хьюбел и Торстен Визель в своих знаменитых работах по физиологии зрения установили, что путь сетчатка -> ЛКТ -> первичная зрительная кора имеет топографическую организацию.

Это говорит нам о том, что порядок, в котором волокна зрительного нерва выходят из сетчатки сохраняется и в коре V1. А визуализировать это утверждение смог Р. Тутелл. Для этого он взял макака, нашпиговал его транквилизаторами и в течение 45 минут показывал мишень с тремя радиальными кружками. Обезьян смотрел на рисунок только одним глазом. Перед всей этой затеей животному сделали инъекцию радиоактивной 2-дезоксиглюкозы.

Так как нейроны питаются исключительно глюкозой, то можно легко отследить самые активные клетки — они потребляют больше всего сахара.
После этого первичную зрительную кору макаки растянули, заморозили и проявили радиоактивные метки.

Результат на рисунке ниже.

Самый маленький кружок в центре мишени на топографической проекции в коре занимает площадь совсем немного меньше, чем площадь внешнего круга. У человека этот эффект ещё более выражен — центральная часть поля зрения проецируется на бОльшие площади в коре.

Для облегчения понимания был создан такой рисунок:

Здесь прекрасно видно, как увеличивается изображение с центра сетчатки.

Сделаю ударение на том, что это не оптическое, а кортикальное увеличение.

Подведём итог:
— фокусное расстояние ~17 мм,
— охват поля зрения одного глаза по горизонтали 140 – 160˚,
— изображение с центральной части сетчатки создаёт в коре ощущение(феномен) увеличенной картинки, хотя оптически проекция равномерная.

Литература:
В.В.Вит «Строение зрительной системы человека» 2003 г.
Е.А.Егоров «Офтальмология» 2010 г.
С.А.Рухлова «Основы офтальмологии» 2006 г.
Новохатский А.Г. «Клиническая периметрия», 1973 г.
Дэвид Хьюбел — «Глаз, мозг, зрение»
Стивен Палмер — «От фотонов к феноменологии»
Баарс Б., Гейдж Н. — «Мозг, познание, разум»
Джон Николлс, А. Мартин, Б. Валлас, П. Фукс — «От нейрона к мозгу»
Майкл Газзанига — «Кто за главного?»

Ссылки:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S089662730700774X
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10944/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5446894/

По материалам: Habr.com