Das optische System des Auges

Das menschliche Auge ist ein komplexes optisches System, bestehend aus Hornhaut, Vorderkammerflüssigkeit, Linse und Glaskörper. Die Brechkraft des Auges hängt von den Krümmungsradien der Hornhautvorderfläche, der Linsenvorder- und -rückfläche, deren Abständen und den Brechungsindizes von Hornhaut, Linse, Kammerwasser und Glaskörper ab. Die Brechkraft der Hornhautrückfläche wird nicht berücksichtigt, da die Brechungsindizes von Hornhautgewebe und Vorderkammerflüssigkeit gleich sind (Strahlenbrechung ist bekanntlich nur an der Grenze von Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes möglich).

Konventionell kann man davon ausgehen, dass die brechenden Oberflächen des Auges sphärisch sind und ihre optischen Achsen zusammenfallen, d. h. das Auge ist ein zentriertes System. In Wirklichkeit weist das optische System des Auges jedoch viele Fehler auf. So ist die Hornhaut nur im zentralen Bereich sphärisch, der Brechungsindex der äußeren Linsenschichten ist geringer als der der inneren, und der Grad der Strahlenbrechung in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen ist unterschiedlich. Zudem unterscheiden sich die optischen Eigenschaften verschiedener Augen erheblich, und es ist nicht einfach, sie genau zu bestimmen. All dies erschwert die Berechnung der optischen Konstanten des Auges.

Zur Bewertung der Brechkraft eines optischen Systems wird eine konventionelle Einheit verwendet - Dioptrie (abgekürzt dptr). Für 1 dptr wird die Brechkraft einer Linse mit einer Hauptbrennweite von 1 m verwendet. Dioptrie (D) ist der Kehrwert der Brennweite (F):

D=1/F

Daher hat eine Linse mit einer Brennweite von 0,5 m eine Brechkraft von 2,0 dptr, bei 2 m eine von 0,5 dptr usw. Die Brechkraft von konvexen (sammelnden) Linsen wird durch ein Pluszeichen angegeben, von konkaven (zerstreuenden) Linsen durch ein Minuszeichen, und die Linsen selbst werden als positiv bzw. negativ bezeichnet.

Es gibt eine einfache Methode, um eine positive Linse von einer negativen zu unterscheiden. Dazu müssen Sie die Linse einige Zentimeter vom Auge entfernt platzieren und beispielsweise horizontal bewegen. Betrachtet man ein Objekt durch eine positive Linse, bewegt sich sein Bild in die entgegengesetzte Richtung zur Linsenbewegung, durch eine negative Linse hingegen in die gleiche Richtung.

Um Berechnungen im Zusammenhang mit dem optischen System des Auges durchzuführen, werden vereinfachte Schemata dieses Systems vorgeschlagen, die auf den Durchschnittswerten der optischen Konstanten basieren, die durch die Messung einer großen Anzahl von Augen erhalten werden.

Am erfolgreichsten ist das schematische, verkleinerte Auge, das V.K. Verbitsky 1928 vorschlug. Seine Hauptmerkmale sind: Die Hauptebene berührt die Spitze der Hornhaut; der Krümmungsradius der Hornhaut beträgt 6,82 mm; die Länge der anterior-posterioren Achse beträgt 23,4 mm; der Krümmungsradius der Netzhaut beträgt 10,2 mm; der Brechungsindex des intraokularen Mediums beträgt 1,4; die Gesamtbrechkraft beträgt 58,82 Dioptrien.

Wie andere optische Systeme unterliegt auch das Auge verschiedenen Aberrationen (von lateinisch aberratio – Abweichung) – Defekten des optischen Systems des Auges, die zu einer Verschlechterung der Bildqualität eines Objekts auf der Netzhaut führen. Aufgrund der sphärischen Aberration werden Strahlen, die von einer punktförmigen Lichtquelle ausgehen, nicht an einem Punkt, sondern in einer bestimmten Zone auf der optischen Achse des Auges gesammelt. Dadurch bildet sich auf der Netzhaut ein Lichtstreukreis. Die Tiefe dieser Zone beträgt für ein „normales“ menschliches Auge 0,5 bis 1,0 Dioptrien.

Aufgrund der chromatischen Aberration schneiden sich die Strahlen des kurzwelligen Spektrums (blaugrün) im Auge in einem geringeren Abstand von der Hornhaut als die Strahlen des langwelligen Spektrums (rot). Der Abstand zwischen den Brennpunkten dieser Strahlen im Auge kann 1,0 dptr erreichen.

Fast alle Augen weisen eine weitere Aberration auf, die durch die fehlende ideale Sphärizität der brechenden Oberflächen von Hornhaut und Linse verursacht wird. Die Asphärizität der Hornhaut kann beispielsweise mithilfe einer hypothetischen Platte eliminiert werden, die, auf die Hornhaut aufgelegt, das Auge in ein ideal sphärisches System verwandelt. Die fehlende Sphärizität führt zu einer ungleichmäßigen Lichtverteilung auf der Netzhaut: Ein leuchtender Punkt bildet auf der Netzhaut ein komplexes Bild, auf dem sich Bereiche maximaler Beleuchtung abgrenzen lassen. In den letzten Jahren wurde der Einfluss dieser Aberration auf die maximale Sehschärfe auch bei „normalen“ Augen aktiv untersucht, um sie zu korrigieren und eine sogenannte Supervision (z. B. mit Hilfe eines Lasers) zu erreichen.

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Bildung des optischen Systems des Auges

Eine Untersuchung des Sehorgans verschiedener Tiere unter ökologischen Aspekten zeugt vom adaptiven Charakter der Refraktion, d. h. von einer Ausbildung des Auges als optisches System, das der jeweiligen Tierart eine optimale visuelle Orientierung entsprechend den Besonderheiten ihrer Lebensaktivität und ihres Lebensraums ermöglicht. Offenbar ist es kein Zufall, sondern historisch und ökologisch bedingt, dass der Mensch überwiegend eine Refraktion nahe der Emmetropie aufweist, die entsprechend der Vielfalt seiner Aktivitäten eine klare Sicht sowohl entfernter als auch naher Objekte am besten gewährleistet.

Die bei den meisten Erwachsenen beobachtete regelmäßige Annäherung der Refraktion an Emmetropie äußert sich in einer hohen inversen Korrelation zwischen den anatomischen und optischen Komponenten des Auges: Im Laufe seines Wachstums zeigt sich eine Tendenz zur Kombination einer höheren Brechkraft des optischen Apparats mit einer kürzeren anterior-posterioren Achse und umgekehrt einer geringeren Brechkraft mit einer längeren Achse. Folglich ist das Augenwachstum ein regulierter Prozess. Augenwachstum ist nicht als einfache Vergrößerung zu verstehen, sondern als gezielte Bildung des Augapfels als komplexes optisches System unter dem Einfluss von Umweltbedingungen und Erbfaktoren mit seinen spezifischen und individuellen Merkmalen.

Von den beiden Komponenten – anatomisch und optisch, deren Kombination die Brechung des Auges bestimmt – ist die anatomische deutlich „beweglicher“ (insbesondere die Größe der anterior-posterioren Achse). Vor allem dadurch werden die regulatorischen Einflüsse des Körpers auf die Bildung der Brechung des Auges realisiert.

Es wurde festgestellt, dass die Augen von Neugeborenen in der Regel eine schwache Brechung aufweisen. Mit zunehmender Entwicklung des Kindes nimmt die Brechung zu: Der Grad der Hypermetropie nimmt ab, aus schwacher Hypermetropie wird Emmetropie und sogar Myopie, emmetrope Augen werden in einigen Fällen kurzsichtig.

In den ersten drei Lebensjahren eines Kindes kommt es zu einem intensiven Wachstum des Auges sowie zu einer Zunahme der Hornhautbrechung und der Länge der anterior-posterioren Achse, die im Alter von 5-7 Jahren 22 mm erreicht, also etwa 95 % der Größe eines Erwachsenenauges entspricht. Das Wachstum des Augapfels dauert bis zum Alter von 14-15 Jahren an. In diesem Alter nähert sich die Länge der Augenachse 23 mm und die Brechkraft der Hornhaut beträgt 43,0 Dioptrien.

Mit dem Wachstum des Auges nimmt die Variabilität seiner klinischen Refraktion ab: Sie nimmt langsam zu, d. h. verschiebt sich in Richtung Emmetropie.

In den ersten Lebensjahren eines Kindes ist die Hyperopie die vorherrschende Refraktionsart. Mit zunehmendem Alter nimmt die Prävalenz der Hyperopie ab, während die emmetrope Refraktion und Myopie zunehmen. Die Häufigkeit der Myopie nimmt ab dem 11. bis 14. Lebensjahr besonders deutlich zu und erreicht im Alter von 19 bis 25 Jahren etwa 30 %. Der Anteil der Hyperopie und Emmetropie beträgt in diesem Alter etwa 30 bzw. 40 %.

Obwohl die von verschiedenen Autoren angegebenen quantitativen Indikatoren für die Prävalenz einzelner Arten der Augenrefraktion bei Kindern erheblich variieren, bleibt das oben erwähnte allgemeine Muster der Veränderung der Augenrefraktion mit zunehmendem Alter bestehen.

Derzeit werden Versuche unternommen, durchschnittliche Altersnormen für die Augenrefraktion bei Kindern festzulegen und diesen Indikator zur Lösung praktischer Probleme zu nutzen. Wie die Analyse statistischer Daten zeigt, sind die Unterschiede im Ausmaß der Refraktion bei gleichaltrigen Kindern jedoch so groß, dass solche Normen nur bedingt gelten können.

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