Der optische Apparat

Referat IA/IV WS 05/06
„Der optische Apparat”
Christian Lange
Der optische Apparat – Wahrnehmungstheorie
Einführung/Thema
Das Auge als elementarer Bestandteil das Sehens. Im Folgenden
möchte ich einige wissenswerte Fakten über das menschliche Auge
aufführen, die Bestandteile des optischen Apparates erklären
und darauf eingehen, wie man denn nun wirklich sieht. Abschließend erfahren Sie noch etwas über einige Phänomene des Sehens.
Fakten zum Auge
· 70 % aller Sinneszellen des Menschen liegen im Auge
· Augen der verschiedensten Bauweisen wurden im Laufe der Evo
lution schätzungsweise 40 Mal neu entwickelt
· die ersten Augenorgane gab es bereits vor 505 Mio. Jahren
im Erdzeitalter Ordovizium
· das Scharfsehen konzentriert sich auf nur 0,02 Prozent der
Netzhautfläche im Auge
· rund 200 Grad umfasst unser horizontales Blickfeld
· die unbewußt gesteuerten Augenfixationen(„scharfstellen”)
dauern ca. 0,2 bis 0,6 Sekunden
· das Auge eines Erwachsenen besitzt einen Durchmesser von
ca. 22 - 23 mm und hat ein Gewicht von 7,5 g
Die Bestandteile des Auges
Für den Ablauf des Sehens ist es wichtig, erst einmal den Aufabu des Auges aufzuzeigen. Die folgenden Abbildung veranschaulicht die einzelnen Bestandteile des Auges.
Im tatsächlichen Leben ist der Lichtsinn für den Menschen von
sehr großer Bedeutung. Er ist der Leitsinn, der uns eine sichere Orientierung ermöglicht. Wir verlieren diese Sicherheit
sofort, wenn wir uns mit geschlossenen Augen bewegen. Im Christum ist das Auge das Sinnbild des Lichts, der Sonne und des
Geistes. Es symbolisiert als Instrument des seelisch-geistigen
Ausdrucks die geistige Schau und ist der Spiegel der Seele.
Auch in der Bibel erscheint das Auge als Symbol der Wachsamkeit, Allwissenheit und behütenden Allgegenwart Gottes.
Augenmuskel
Lederhaut
Bindehaut
Regenbogenhaut
Aderhaut
Hornhaut
Netzhaut
Sehgrube
„Blinder Fleck”
Sehnerv
Linse
Ziliarkörper
Glaskörper
Der optische Apparat
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Lederhaut
Augenmuskel
Hornhaut
Aderhaut
Die Augenwand besteht aus mehreren übereinander liegenden Häuten. Die äußerste, schützende Haut ist die Lederhaut. An ihr
setzen sechs Augenmuskeln an, die das Auge in der Augenhöhle
verdrehen. Dadurch entstehen die äußerlichen Augenbewegungen.
Dort wo das Licht ins Auge eintritt befindet sich die durchsichtige Hornhaut. Diese durchsichtige und gefäßlose Schicht ähnelt
in Form und Gestalt einem Uhrglas. Neben der Schutzfunktion
dient sie auch als lichtbrechendes Medium (starre Linse). Durch
die Anlagerung von reich verzweigten Nervenfaserendungen kommt
es bei Defekten der Hornhaut zu heftigen Schmerzreaktionen. Die
Hornhaut wird ständig mit Tränenflüssigkeit befeuchtet.
Die 2. Schicht ist die Aderhaut, sie ist reich an Blutgefäßen
und versorgt die anliegenden Schichten mit Nährstoffen und Sauerstoff. Außerdem gewährleistet sie die Konstanthaltung der Tem-
Abbildungen von Iris,
Glaskörper und Augenlinse
Netzhaut
Sehnerv
„Blinder Fleck”
und Sehgrube
Pupille
und Regenbogenhaut
Augenlinse
Ziliarkörper
Glaskörper
peratur im Auge. Damit
sind die physikalischchemischen Vorgänge im Auge geregelt. Unter ihr liegt die innere
Schicht Netzhaut. Sie ist für das Sehen von enormer Bedeutung,
denn in dieser durchsichtigen Schicht lagern die Lichtsinneszellen. Der Sehnerv, mit einem Nervenstamm von ca. 1 Mio. Nervenfasern, tritt bei ca. 15° des temporären Gesichtsfeldes aus der
Netzhaut aus und unterbricht sie. Hier befinden sich keine Lichtsinneszellen. Diese Stelle nennt man „Blinder Fleck”. An der
Hornhaut gegenüber ist die Stelle für das schärfste Sehen, die
Sehgrube, auch „Gelber Fleck” genannt. Hierbei erwähnenswert ist
auch, dass der Sehraum für farbiges Sehen (farbiges Licht) sehr
viel kleiner als der für Hell und Dunkel (weißes Licht) ist. Somit liegt der Farbsehraum auch innerhalb des Weißlichtsehraumes.
Ins Innere gelangt das Licht durch die Hornhaut und die Pupille.
Sie ist die kreisförmige Öffnung der farbigen Regenbogenhaut,
der Iris. Durch die Muskelfasern in der Iris kann die Pupille
vergrößert und verkleinert werden. Hier wird der Lichteinfall
reguliert. Dieser Vorgang, der das Auge an die Umgebung anpasst,
heißt Adaption. Man kann also die Iris, in Form und Funktion,
mit der Blende einer Kamera vergleichen. Hinter der Iris liegt
die sehr elastische Augenlinse. Sie ist bikonvex und fast vollständig transparent. Die Linse besteht aus ungefähr 65% Wasser
und 35% Proteinen. Der Linsenkern ist härter als die Großhirnrinde. Sie bringt Lichtstrahlen, die auf Netzhaut treffen in
den Brennpunkt. Aufgehängt ist die Linse an den Linsenbändern
(Zonulafasern). Diese verlaufen zum ringförmigen Ziliarkörper.
Dieser Muskel ist in großem Maße an der Nah- und Fernsehschärfenstellung des Auges verantwortlich. Das Augeninnere ist von
dem gallertartigen Glaskörper erfüllt. Er besteht aus 99% Wasser
und 1% Fettsubtanz. Dieses „Gel” macht ca. 66% des Gewichtes des
Auges aus. Zusätzlich verhindert der Glaskörper das Einwandern
von Fremdzellen. Er verleiht dem Auge die feste und runde Form,
die auch Augapfel genannt wird.
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Die Akkomodation des Auges
Akkommodation (vom lateinischen accommondare = anpassen) ist
die Fähigkeit zur Änderung der optischen Brechkraft der körpereigenen Augenlinse des Auges. Diese Scharfeinstellung des Auges
wird durch eine Kombination an Elementen einschließlich der
Iris, Linse, Hornhaut und Muskelfasern kontrolliert, die die
Form der Linse verändern können so dass, das Auge sowohl nahe
als auch ferne Objekte scharf einstellen kann.
Fernsicht
Bei der Fernsicht sind die Ziliarmuskeln des Auges erschlafft. Die elastische Augenlinse wird durch den Zug
der Zonulafasern (Aufhängebänder der
Linse) an der Linsenkapsel zu einer
Ellipsenform gespannt.
Stellt sich das Auge auf Nahsicht
ein, so entspannen sich die Zonulafasern durch den jetzt angespannten
Ziliarmuskel. Die Augenlinse verzieht sich nun, durch die elastischen
Kräfte der Linsenkapsel, in ihre ursprüngliche kugelförmige
Ruheform (mechanischer Memory-Effekt).
Nahsicht
Kurz- und Weitsichtigkeit
In manchen Fällen jedoch, arbeiten diese Muskeln nicht richtig
oder das Auge ist leicht in der Form verändert und der Brennpunkt liegt nicht auf der Netzhaut. Wenn Menschen altern, wird
die Linse härter und kann nicht mehr genau scharf eingestellt
werden, welches zu einem Sehverlust führen kann.
Wenn der Brennpunkt vor der Netzhaut liegt, wird dieses Kurzsichtigkeit genannt und Menschen mit dieser Einschränkung, können in der Ferne liegende Objekte nicht scharf sehen. Wenn der
Brennpunkt hinter der Netzhaut liegt, haben die Personen Probleme Objekte in der Nähe scharf zu sehen und damit eine Weitsichtigkeit. Diese Fehlfunktionen des Auges können normalerweise mit Brillengläsern korrigiert werden.
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Die Augenmuskulatur
Saccade
Das Scharfsehen konzentriert sich auf nur 0,02 Prozent der
Netzhautfläche, in der Sehgrube, dem sogenannten „Gelben Fleck“.
Dies entspricht etwa 2 Grad unseres rund 200 Grad umfassenden
horizontalen Blickfeldes. Wir sehen also eigentlich nur den
Ausschnitt scharf, den unsere beiden Augen mit ihren Sehachsen
fixieren. Beim Betrachten eines Gegenstandes kommt das ruhen-
de und scharfe Bild dadurch zustande, dass die Augenmuskeln,
uns meist unbewusst, nacheinander verschiedene Ausschnitte des
Objektes vor den „Gelben Fleck“ rücken. Das Auge ruht also beim
Betrachten nie, es ist immer in kleinster Bewegung begriffen.
Ein Punkt wird für Sekundenbruchteile fixiert, dann springen
die Muskeln mit einer ruckartigen Bewegung (Saccade) zu einem nächsten Punkt. Aus diesem Abtasten wird schließlich das
deutliche Gesamtbild generiert. Bei ruhiger Betrachtung dauern
die einzelnen Fixationen 0,2 bis 0,6 Sekunden, sodass in einer
Sekunde 2 bis 5 Saccaden stattfinden, bei schnellerem Blicken
werden die Saccaden häufiger und die Fixationszeiten kürzer.
Die Wahl der Fixationspunkte und das Muster der Saccaden ist
in hohem Maße individuell und steht im Zusammenhang mit den
Gewohnheiten und dem Interesse des Betrachters oder der Aufgabenstellung an ihn. Man spricht heute vom Intentionalen Sehen,
einem aktiven Vorgang zur Welt hin.
Licht
Bilderzeugung
Netzhaut
Strom
Menschliche farbliche Stereosehkraft ist ein sehr komplexer
Prozess, der noch nicht ganz verstanden ist, trotz hunderten
von Jahren intensiver Untersuchungen und Modellierungen.
Der Vorgang der Bilderzeugung ist ähnlich eines digitalen
Bildsensors (charged-coupled device (CCD)), wie es charakteristisch für moderne digitale Kameras ist. Die Bildrezeptoren des
Auges, die Stäbchen und Zapfen, sind modifizierte Nervenzellen,
die mit den Fasern des Sehnervs verbunden sind. Eine Serie von
spezialisierten Zellen koordinieren die Weitergabe der Signale ans Gehirn. Die in das Auge zugelassene Menge an Licht wird
durch die Iris kontrolliert, eine kreisförmige Blende, die sich
weit öffnet bei geringer Lichtintensität und sich schließt um
die Pupillen, um die Netzhaut bei zu starken Lichtintensitäten
zu schützen.
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Lichtsinneszellen in der
Netzhaut
Es gibt zwei Arten von Lichtsinneszellen im Auge. Sie heißen,
begründet durch ihre Form, Stäbchen und Zapfen. Kurz gesagt,
sind die Stäbchen für das Hell-Dunkelsehen verantwortlich und
die Zapfen für das Farbsehen. Im Auge gibt es ca. 120 Mio.
Stäbchen und ca. 6 Mio. Zapfen.
Die Sehgrube,bekannt auch als der „Gelbe Punkt“, ist sehr klein
(weniger als ein Quadratmillimeter) aber sehr spezialisiert.
Dieses Gebiet enthält die höchste Zapfendichte. Sie ist die
Stelle des schärfsten Sehens, welches die größte räumliche-,
Kontrast- und Farbauflösung erstellt. Die Dichte der Zapfenzellen nimmt von der Sehgrube zum Rand hin ab. Das Licht ist der
Aufbau Stäbchen und Zapfen
Pigmente
Membranstapel
Kern
Synapse
Stäbchen
Zapfen
Teil der elektromagnetischen Strahlung, die vom menschlichen
Auge wahrgenommen werden kann. Dies sind die elektromagnetischen Wellen im Bereich von etwa 400 - 700 Nanometer Wellenlänge. Zapfen bestehen aus drei Zelltypen, jede auf ein bestimmtes
Wellenlängenabsorptionsmaximum festgelegt bei 430, 535 und 590
Nanometer. Diese unterschiedliche Empfindlichkeit von Pigmentmolekülen (Blau, Grün-Gelb, Orange-Rot) in verschiedenen Zapfenarten und Stäbchen ist Grundlage des Sehens. Die Intensität
der Stimulation jeder der drei Zapfentypen bestimmt die Farbe,
Lichtspektrum
400 nm
sichtbares Licht
700 nm
die gesehen wird, vergleichbar mit einem additiven RGB Monitor
oder einer CCD Farbkamera.
Wenn zum Beispiel ein schmales Band grünes Licht (540 - 550 Nm)
genutzt wird um alle Zapfenzellen zu stimulieren, werden nur
die mit dem grünen Fotorezeptor darauf reagieren um das Sehen
von grünem Licht weiterzuleiten. Die Fähigkeit Farben wahrzunehmen, benötigt die Reizung in verschiedenen Graden von einer,
zwei oder allen drei Typen an Zapfenzellen mit den passenden
Wellenlängen. Während die Zapfen für das Farbsehen verantwortlich sind, registrieren die Stäbchen die Lichtstärke.
Die Übergänge zwischen Farben sind fließend, der persönliche
Farbeindruck einzeln benennbarer abzählbarer Farben ist subjektiv und durch Sprache, Tradition sowie Denken bedingt.
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Der Simultankontrast
Beim menschlichen Sehen wird ein wird ein Bild nicht mit seinen
originalgetreuen physikalischen Farbwerten wahrgenommen, sondern immer in Abhängigkeit zu seiner Umgebung. Ende des 19ten
Jahrhunderts entdeckte der französische Physiker Michel Eugéne
Chevreul diesen sogannten Simultankontrast. Als eine spezielle Funktion menschlichen Sehens werden die Kanten oder Konturen eines Objektes betont, so dass das Objekt vom Hintergrund
gehoben wird und eine leichte räumliche Orientierung entsteht.
Viele Arten der optischen Mikroskopie, am stärksten die Phasenkontrastmikroskopie, nutzen diese Eigenschaften des menschlichen Sehens.
Bezogen auf das Beispiel mit den Dreiecken bedeutet dass, der
Kontrast zweier gleichzeitig dargebotenen Reize zu einer subjektiven Farbtäuschung führt. Die Sehzellen, die das graue
Dreieck auf hellem Grund sehen werden von disem stärker erregt werden als die, welche das graue Dreick auf dunklem Grund
sehen. Es kommt zu einer subjektiven Farbtäuschung. Das graue
Dreieck wird unterschiedlich hell, bzw. dunkel wahrgenommen.
Größentäuschung durch
Helligkeitskontraste
Da die gelben Flächen wesentlich heller sind als die Schwarzen,
nimmt das Gehirn diese auch als größer wahr.
Dadurch entsteht der Eindruck, die horizontalen Linien wären
gekrümmt. Die schwarzen Flächen treten hinter den Gelben zurück. Dieses Phänomen hat in der Geschichte der Astronomie
schon für einige Verwirrung und Fehler gesorgt. Dasselbe begegnet uns aber auch täglich im Straßenverkehr. Wenn bei Nacht
ein Fahrzeug mit Licht auf uns zukommt, wirken die Scheinwerfer
größer als sie in Wirklichkeit sind.
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Das Auge in Zahlen
Durchmesser des Augapfels:
22 - 23 mm bei Erwachsenen
Gewicht des Auges:
7,5 g
Volumen des Augapfels:
6.5 cm3
Umfang des Augapfels:
74,9 mm
Beginn der Tränenproduktion:
ab ca. 3. Lebenswoche
Tränenmenge pro Tag:
1 g
Dicke der Lederhaut:
0,3 mm - 1,35 mm
Dicke der Aderhaut:
0,1 mm - 0,30 mm
Dicke der Hornhaut:
0,5 mm - 0,7 mm
Durchmesser der Hornhaut:
11,2 mm
Brechkraft der Hornhaut:
43 Dioptrien
Durchmesser Iris:
12 mm
Dicke der Iris:
0,5 mm - 3 mm
Pupillendurchmesser:
1,2 mm - 9 mm
Kammerwasserproduktion:
2 mm3/ min
Dicke der Linse:
3,5 mm - 5,5 mm
Durchmesser der Linse:
6,5 mm - 9 mm
Brechkraft der Linse:
19 - 33 Dioptrien
Gewicht der Linse:
1,74 g
Volumen des Glaskörpers:
4 cm3
Gewicht des Glaskörpers:
4 g
Dicke der Netzhaut:
0,18 mm - 0,56 mm
Anzahl Photorezeptoren:
132 000 000
Zahl der Stäbchen:
125 000 000
Zahl der Zapfen:
7 000 000
Durchmesser Sehnerv:
3 mm - 7 mm
Nervenfasern im Sehnerv:
1 000 000
Sichtbares Licht:
400 nm - 760 nm
Gesichtsfeld (horizontal):
ca. 200°
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Quellenangaben
„Das neue Taschenlexikon“
Bertelsmann Lexikon Verlag, 1992
ISBN-Nr. 3-570-04201-4
Helmut Lortz, „Denkzettel“
Verlag Hermann Schmidt Mainz, 2003
ISBN-Nr. 3-87439-623-1
Neil A. Campbell, „Biologie“
Spektrum Akademischer Verlag, 2003
ISBN-Nr. 3-82741-352-4
Karl Gegenfurtner, „Gehirn & Wahrnehmung“
Fischer (Tb.), 2003
ISBN-Nr. 3-596-15564-9
Pina Lewandrowsky, „Visuelles Gestalten
mit dem Computer“
Rowohlt Taschenbuch Verlag, 2002
ISBN-Nr. 3-499-61213-5
http://medien.informatik.uni-ulm.de
http://www.avero.de
http://www.optik-rauchmann.de
http://www.mic-d.de
http://www.onjoph.com
http://www.wikipedia.de
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