11.11 Das menschliche Auge
In Bild 11.105 siehst du das Auge eines Menschen.
In diesem Kapitel geht es um das wohl wichtigste optische Instrument – dein Auge. Neben dem Aufbau erfährst du über dessen Funktionsweise und wie sich bestimmte Arten von Fehlsichtigkeit korrigieren lassen.
11.11.1 Aufbau des menschlichen Auges
In Bild 11.106 siehst du den Aufbau eines menschlichen Auges.
Es besteht im Wesentlichen aus einer mit Flüssigkeit gefüllten Kugel mit einem Durchmesser von etwa \(2{,}3\;\mathrm{cm}\). Das Licht tritt durch die harte, transparente Hornhaut (engl. cornea) ein und durchläuft eine Flüssigkeit, die als Kammerwasser (engl. aqueous humour) bezeichnet wird, bevor es in die Linse eintritt. Beim Verlassen der Linse durchquert das Licht den Glaskörper (engl. vitreous body), der den Hauptteil des Augapfels ausfüllt und aus einer gelartigen, durchsichtigen Substanz besteht. Schließlich trifft das Licht auf die Netzhaut (engl. retina), wo die Bildverarbeitung beginnt.
11.11.2 Strahlengang im Auge
Das optische System des Auges besteht aus Hornhaut, Augenkammer, Linse und Glaskörper. Jeder Teil davon besitzt unterschiedliche Brechungsindizes. Entgegen der allgemeinen Meinung wird der größte Teil der Brechung nicht von der Linse, sondern von der Hornhaut davor erzeugt. Trotz des komplizierten Aufbaus ist die dabei entstehende Abbildung mit der einer einzigen Sammellinse vergleichbar.
Gegenstände, die wir scharf betrachten können, befinden sich stets außerhalb der doppelten Brennweite des Auges. Daher entsteht auf unserer Netzhaut immer ein reelles, verkehrtes und verkleinertes Bild (Bild 11.107).
11.11.3 Lichtsinneszellen
Auf der Netzhaut (Retina) deines Auges befinden sich rund 130 bis 140 Millionen Lichtsinneszellen (oder Fotorezeptor, engl. Photoreceptor cell, Bild 11.108). In jedem davon befindet sich etwa 100 Millionen lichtaktivierte Moleküle Rhodopsin (Sehpigmente, wegen ihrer Farbe auch Sehpurpur genannt). Trifft ein Photon des sichtbaren Lichts auf ein Sehpigment, wird dieses durch eine chemische Reaktion gespalten und löst ein elektrisches Signal aus, das über den Sehnerv zum Gehirn geleitet wird. Aus diesen Informationen setzt die „Bildverarbeitung“ in deinem Gehirn ein Bild für dich zusammen.
Bevor eine Lichtsinneszelle erneut einen Reiz auslösen kann, müssen die Sehpigment-Moleküle zunächst neu gebildet werden. Das Auge hat daher ein begrenztes zeitliches Auflösungsvermögen. Es liegt beim menschlichen Auge ungefähr bei 30 Lichtreizen pro Sekunde. Ab etwa dieser Bildrate erscheint dir eine Bewegung als kontinuierlich und du kannst keine Einzelbilder mehr unterscheiden, wie bei Kinofilmen.
Auch wenn ein Fotorezeptor auf ein einzelnes Photon anspricht, bedeutet das nicht, dass wir ein einzelnes Photon auch bewusst wahrnehmen können. Wären deine Augen tatsächlich so empfindlich, wäre dein Bildeindruck stark verrauscht. Experimente zeigen, dass mindestens fünf bis neun Photonen in einem Zeitraum von 1/10 Sekunde auf die Lichtsinneszellen treffen müssen, damit die Rauschunterdrückung in deinem Gehirn, den Sinneseindruck von Licht erzeugt. Wird berücksichtigt, dass nur etwa \(10\,\%\) der Photonen, die in dein Auge fallen, auch tatsächlich einen Fotorezeptor auf der Netzhaut erreichen, müssen etwa 500 bis 900 Photonen pro Sekunde in dein Auge fallen, damit du Licht bewusst wahrnehmen kannst.
11.11.4 Bildverarbeitung
In 11.109 siehst du das Bild, wie es auf der Netzhaut entsteht, noch vor der „Nachbearbeitung“ durch Sehnerv und Gehirn.
Als schwarze Bereiche erkennst du Stellen ohne Bildinformation, die durch Blutgefäße und den blinden Fleck (Eintrittspunkt des Sehnervs in das Auge) entstehen – an dieser Stelle befinden sich keine Sehzellen.
Der Bereich, in dem ein scharfes Bild entsteht, ist erstaunlich klein. Durch unsere ständige Augenbewegung „scannen“ wir einen wesentlich größeren Bereich in kurzer Zeit scharf ab, sodass uns der scharf sichtbare Bereich unserer Augen wesentlich größer erscheint.
Wie du schon weißt, entsteht auf der Retina ein verkehrtes Bild. Das Bild wird durch unser Gehirn aufgerichtet. Dass dieses Aufrichten tatsächlich nur durch unser Gehirn erfolgt, haben Versuche mit einer Umkehrbrille eindrucksvoll gezeigt – nach einigen Tagen korrigiert das Gehirn die visuelle Information so, dass sie wieder mit der Umwelt übereinstimmt.
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11.11.5 Anpassung der Linse
Im Gegensatz zu einer starren Glaslinse, lässt sich die elastische Linse unseres Auges durch Anspannen eines Muskels (Ziliarmuskeln) verformen und so die Brennweite verändern (Bild 11.110) (Akkommodation). So können Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf gesehen werden.
Bei der Betrachtung von weit entfernten Objekten sind die Ziliarmuskeln entspannt. Die Linse ist dann relativ flach, mit einer Brennweite von etwa \(1{,}7\;\mathrm{cm}\). Die Muskulatur wird also nur benötigt, um auf nahe Gegenstände scharfzustellen. Daher ist es für deine Augen entspannender, in die Ferne zu schauen als in einem Buch zu lesen oder auf dein Smartphone zu schauen.
Als deutliche Sehweite (engl. nearpoint) wird der Mindestabstand eines Gegenstandes vom Auge bezeichnet, in dem er noch scharf gesehen werden kann. Sie beträgt bei einem jungen Menschen mit normalem Sehvermögen etwa \(25\;\mathrm{cm}\). Mit fortschreitendem Alter nimmt die Elastizität der Augenlinse ab. Im Alter von 50 Jahren liegt die typische deutliche Sehweite nur mehr bei etwa \(40\;\mathrm{cm}\) (Altersweitsichtigkeit oder Presbyopie).
11.11.6 Iris
Die Iris (oder Regenbogenhaut, engl. iris) ist eine Blende, die die Menge des in das Auge einfallenden Lichts an die Helligkeit der Umgebung automatisch anpasst (Pupillenlichtreflex). Das Sehloch in der Mitte der Iris wird Pupille genannt. In Bild 11.111 siehst du den Vergleich einer kleinen Pupille (bei hellem Licht) und einer geöffneten Pupille (bei wenig Licht).
Bild 11.111: Vergleich der Pupillengröße bei unterschiedlichem Umgebungslicht: heller Umgebung (links), wenig Umgebungslicht (rechts)
Die Pupille mit Muskelkraft zu verkleinern und zu vergrößern ist gar nicht so einfach, weil Muskelfasern sich aktiv immer nur zusammenziehen können. Die Natur hat das Problem genial gelöst (Bild 11.112): Für das Verkleinern der Pupille gibt es ringförmig angeordnete Muskeln (a) und für das Vergrößern der Pupille strahlenförmig angeordnete Muskeln (b).
11.11.7 Kurzsichtigkeit
Die Kurzsichtigkeit (Myopie, engl. myopia) ist eine bestimmte Form von Fehlsichtigkeit des Auges. Dabei sehen betroffene Personen, in der Nähe gut, aber weit entfernte Gegenstände nur unscharf. Grund dafür ist ein zu langer Augapfel oder eine zu große Brechkraft der durchsichtigen Teile des Auges. Das bewirkt, dass sich die Lichtstrahlen nicht auf, sondern vor der Netzhaut treffen (Bild 11.113).
Kurzsichtigkeit lässt sich mit einer Zerstreuungslinse korrigieren. Sie weitet die Lichtstrahlen auf und kompensiert so die zu große Brechkraft des Auges. Das Ausmaß der Kurzsichtigkeit eines Auges wird in Dioptrien angegeben. Damit ist die Brechkraft der Zerstreuungslinse gemeint, die notwendig ist, die Fehlsichtigkeit zu korrigieren. Der Dipotriewert für Kurzsichtigkeit ist daher immer negativ.
11.11.8 Weitsichtigkeit
Die Weitsichtigkeit (Hyperopie, engl. hyperopia) ist eine andere Form von Fehlsichtigkeit des Auges. Dabei sehen betroffene Personen, in der Ferne gut und im Nahbereich unscharf. Grund dafür ist ein zu kurzer Augapfel oder eine zu kleine Brechkraft der durchsichtigen Teile des Auges. Das bewirkt, dass sich die Lichtstrahlen nicht auf, sondern hinter der Netzhaut treffen (Bild 11.114).
Weitsichtigkeit kann mit einer Sammellinse korrigiert werden. Sie hilft dem Auge mit zu schwacher Brechkraft, indem sie die Lichtstrahlen zuvor schon zusammenlaufen lässt. Das Ausmaß der Weitsichtigkeit eines Auges wird ebenfalls in Dioptrien angegeben. Damit ist die Brechkraft der Sammellinse gemeint, die notwendig ist, die Fehlsichtigkeit zu korrigieren. Der Dipotriewert für Weitsichtigkeit ist daher immer positiv.
11.11.9 Astigmatismus
Der Astigmatismus (Hornhautverkrümmung, engl. astigmatism) ist ein besonderer Brechungsfehler des Auges. Dabei werden die Lichtstrahlen je nach Einfallsebene unterschiedlich stark gebrochen. In Bild 11.115 siehst du dieses Verhalten am Beispiel einer zylindrisch deformierten Linse. Hier treffen sich die waagrechten Lichtstrahlen vor den senkrecht einfallenden Lichtstrahlen eines Gegenstandpunktes. Weil die von einem betrachteten Objektpunkt ausgehenden Lichtstrahlen auf der Netzhaut keinen eindeutigen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie ergeben, wird diese Art der Fehlsichtigkeit auch Stabsichtigkeit genannt.
Einfache Formen von Astigmatismus können mit einer torischen Linse, die in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen zwei unterschiedliche Brechwerte besitzt, korrigiert werden (Bild 11.116).
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