3.2.3.1 Strahlengang

Im Prinzip kann man ein Linsenauge mit einer Kamera vergleichen. Man findet Strukturen, die denen der Kamera analog sind:

• lichtundurchlässiges Gehäuse,
• eine Linse,
• eine Blende,
• die Scharfeinstellung und einen
• Film.

Deshalb nennt man das Linsenauge der Wirbeltiere ( und Tintenfische) auch Kameraauge.

Wie in der Kamera entsteht im Linsenauge ein umgekehrtes, verkleinertes Bild. Normalerweise betrachten wir unsere Umgebung mit beiden Augen. Dadurch tritt die optische Information in beide Augen ein, wobei sie sich überlappt.

In Abb. 67 sind die beiden Augen von oben dargestellt. Durch den engen Lichteintritt der Pupille gelangen die Lichtstrahlen von Gegenständen auf der rechten Seite auf die jeweils linke Seite der Netzhaut und umgekehrt. Um scharf zu sehen, müssen die Gegenstände fixiert werden, d. h. das Licht fällt auf auf den gelben Fleck, die Stelle des schärfsten Sehens.

Dadurch sieht man im rechten Auge mit der nasalen Retina die rechte Hälfte der Umgebung und mit der temporalen Retina die linke Hälfte. Die rechte nasale Retina und die linke temporale Netzhaut sehen dabei das gleiche Bild.

Wir wollen nun kurz das Auge als optischen Apparat betrachten.

Wie wir aus der Optik wissen, wird Licht beim Eintritt von einem Medium in ein anderes mit einem unterschiedlichen Brechungsindex (n) gebrochen. (siehe die Abb. 68)

Die Lichtstrahlen werden auf ihren Weg bis in die Netzhaut im wesentlichen an 3 Grenzflächen gebrochen:

1. Luft/Cornea-Kammerwasser
2. Kammerwasser/Linse
3. Linse/Glaskörper

Dabei ist die Brechung an der sphärischen Hornhaut zum Kammerwasser aufgrund des Unterschieds der Brechungsindices n am stärksten:
( n _Kammerwasser= 1,336; n _Luft = 1,0). Beim Eintritt in die Linse und aus der Linse wird das Licht nur geringfügig gebrochen, da der Brechungsindex nahezu gleichgroß ist wie der des Kammerwassers: (n _Linse = 1,38 -1,4). Auch der Brechungsindex des Glaskörpers ist ca. so groß wie der der Linse.

Insofern ist das Auge ein System mit mehrere Brechungsebenen. Man nennt solche optischen Systeme zusammengesetzte optische Systeme. Für lichtbrechende Systeme kann man den Strahlengang konstruieren. Bei einem einfachen optischen System mit einer bikonvexen Linse (Sammellinse) sieht das so aus:

Der Mittelpunktsstrahl wir nicht gebrochen. Mit einem Parallelstrahl und einem Mittelpunktsstrahl kann bei gegebener Gegenstandsgröße ein umgekehrtes Bild konstruiert werden. Liegt der Gegenstand außerhalb der Brennweite, so entwirft die Linse ein reelles Bild. Dieses ist kleiner als der Gegenstand, wenn die Gegenstandsweite g größer als die doppelte Brennweite ist.

Bei der Brechung in dicken Linsen ( wie der Augenlinse) darf man die parallel zur optischen Achse einfallenden Strahlen nicht ungebrochen bis zur Mittelebene durchzeichen.
Man benötigt sogenannte Hauptebenen, die die Mittelachse in H1 und H2 schneiden. Dabei gilt, daß der Abstand der Hauptebene vom Scheitel etwa einem Drittel der Linsendicke entspricht. Man zeichnet den Parallelstrahl ungebrochen bis zur Hauptebene h2 und dann durch den hinteren Brennpunkt.

Die Brechkraft einer Linse wird in Dioptrien (D, dpt) [m] angegeben. Sie ist der Kehrwert der Brennweite.

Beim Auge ist die Brechkraft als Kehrwert der vorderen Brennweite definiert.

Da beim Linsenauge jedoch die hauptsächliche Brechung an der Hornhautstattfindet, können wir die soeben betrachteten Fakten nur bedingt anwenden. Genaugenommen muß man dies mit der Lichtbrechung an einer sphärischen Fläche vergleichen. Sie beträgt 40D gegenüber der Linse im entspannten (flachen) Zustand von 17 D.

Reduziertes Auge

Um für das Auge als zusammengesetztes optisches System ein einfaches Modell aufzustellen, reduziert man die Brechungseigenschaften auf ein Minimum ( 1 Brechungsebene einer imaginären Linse) und kann so mit Parallelstrahl und Mittelpunktsstrahl das Bild konstruieren. Das Modell nennt man reduziertes Auge.

Diese Brechungsebene der imaginären Linse liegt genau hinter der Iris und ist 20 mm von der Retina entfernt. Ihre Brechkraft entspricht 50 D. Dabei addiert sich die Brechkraft der Cornea (40D) und Linse (17D) nicht ganz, da sie nicht dicht genug zusammenliegen.

Dies ergibt bei einem normalen entspannten Auge für die Cornea ca. 36 D und die Linse ca. 14 D.

3.2.3.2 Akkomodation

Bei einem normal gebauten Auge werden Lichtstrahlen (beim Blick in die Ferne) auf der Netzhaut zu einem scharfen Bild vereinigt. Unter Akkomodation versteht man die Fähigkeit des Auges, sein optisches System auf Gegenstände in der Nähe so einzustellen, daß ein scharfes Bild entsteht. Durch Muskelanspannung wird die in jungen Jahren elastische Linse verformt. Dabei nimmt die Sammelwirkung der Linse zu.

Bei der Akkomodation wird durch den Ciliarmuskel und die Zonulafasern die Linse verformt. Die Brechkraft erhöht sich so um ca. 14D (weniger im Alter)

Bei Einstellung des Auges auf nahe Objekte erscheinen entfernte Gegenstände unscharf, das deren Bild durch die größere Brechung der Linse vor der Netzhaut entsteht.

Der Nahpunkt ist der Abstand bei dem das Auge maximal akkomodiert ist, die Linse die größte Wölbung aufweist und das Auge noch scharf sieht: ca. 10 cm.

Die Brechkraftvergößerung vom entspannten Auge (50 D) bis zum maximal akkomodierten Auge ca. 14 D nennt man Akkomodationsbreite.

Für das Sehen in der Ferne muß keine Muskelarbeit aufgewendet werden. Deshalb ist dies auch die Ruhestellung des Auges.

Fixiert man Gegenstände in der Ferne, sind solche in der Nähe unscharf, da deren Bild wegen der geringeren Brechung der Linse hinter der Netzhaut entsteht.

Das Auge hat ein Auflösungsvermögen von 1/60°, definiert als der kleinste Sehwinkel der 2 Objekte noch sichtbar macht. Definition Auflösungsvermögen siehe Biokurs Klasse 11!