1 Optik und Refraktion(1)

Achim Langenbucher

1.1 Optischer Apparat des Auges

1.1.1 Elemente und Grundfunktion aus optischer Sicht

Der optische Apparat des Auges besteht aus einer Reihe optischer Komponenten, die im Zusammenspiel die Abbildung eines Objektes auf die Netzhaut realisieren. In ▶ Abb. 1.1 ist der schematische Aufbau des Auges im Querschnitt dargestellt. Im Folgenden sollen die optischen Komponenten in ihrer Funktion kurz erläutert werden:

Der Tränenfilm bildet eine Meniskuslinse vor der Hornhaut, die eine sehr gleichmäßige Oberflächenstruktur aufweist und im physiologischen Normalfall eine gute Abbildungsqualität sicherstellt. Aufgrund der Oberflächenspannung an der Grenzfläche zu Luft werden kleinste Unregelmäßigkeiten der Hornhautoberfläche ausgeglichen.

Die Hornhaut ist eine der Tränenlinse nachgeschaltete Meniskuslinse, die das Fenster des Auges darstellt. Zusammen mit der Tränenlinse trägt die Hornhaut mit rund 43 dpt etwa ⅔ zur Brechung bei. Aufgrund des hohen Brechungsindexübergangs von Luft zum Tränenfilm bzw. zur Hornhaut wirken sich selbst kleinste Unregelmäßigkeiten erheblich auf die Abbildungseigenschaften des Auges aus.

Die beiden Augenkammern des Auges (Vorderkammer und Hinterkammer) beschreiben den mit Kammerwasser gefüllten Bereich zwischen der Hornhautrückfläche und der Linsenvorderfläche. Optisch lassen sich diese beiden Bereiche durch Meniskuslinsen beschreiben. Die Iris als pigmentiertes Diaphragma, welches die Hinterkammer von der Vorderkammer trennt, stellt die Blende des Auges dar. Diese Blende ist zum einen für die Adaptation an die Umgebungshelligkeit (Helligkeitsdynamik), aber auch für die Schärfentiefe der Abbildung verantwortlich.

Die natürliche Augenlinse wird optisch durch eine Bikonvexlinse repräsentiert. Anders als die übrigen Elemente kann sie nicht durch einen homogenen Brechungsindex beschrieben werden. Ihr Brechungsindex variiert ortsabhängig und nimmt von den äußeren Strukturen zum Zentrum hin (von der Linsenrinde bis zum Linsenkern) zu (sog. Gradientenindexlinse). Die Augenlinse verändert bei der Einstellung des Auges auf Objekte in der Nähe (Akkommodation) ihre Geometrie und Position im Auge und kann damit den Brechwert des Auges verändern. Sie trägt mit rund 19 dpt zu etwa ⅓ zur Brechung des gesamten Auges bei.

Der Glaskörper als volumenmäßig größter Anteil des Auges besteht aus einer gallertartigen Substanz, die den Zwischenraum zwischen der Augenlinse und der Netzhaut auffüllt. Optisch wird dieser Bereich des Auges als konkav-konvexe Meniskuslinse beschrieben.

Die Netzhaut stellt die fotosensitive Schicht des Auges dar und transformiert Lichtsignale in elektrische Potenziale bzw. neuronale Signale. An der Fovea, der Stelle des schärfsten Sehens, sind die Fotorezeptoren am dichtesten angeordnet, somit wird hier die höchste Ortsauflösung erreicht. Am Sehnervenkopf treten die Nerven gebündelt aus dem Auge aus, an dieser Stelle ist die Netzhaut nicht lichtempfindlich, da keine Fotorezeptoren vorhanden sind (blinder Fleck).

1.1.2 Dimensionen der Elemente

Die mittlere Augenlänge beträgt 24,0 mm (20,0–29,5 mm). Der paraxiale Brechwert der Hornhaut liegt bei 43,42 dpt, das gesamte Auge hat etwa einen Brechwert von 59,63 dpt (54,0–65,0 dpt). Die Masse des Auges beträgt etwa 7 g. Ein Überblick über die Abmessungen der verschiedenen Elemente ist in ▶ Tab. 1.1 gegeben.

Tab. 1.1 Mittlere Abmessungen und Brechungsindizes der optischen Elemente im menschlichen Auge.

Mittlerer Radius

Bereich

Geometrische Dicke

Brechungsindex bei 555 nm

Abbe-Zahl

Hornhautvorderfläche

7,77 mm

7,00–8,65 mm

Hornhaut

0,55 mm

1,376

57,1

Hornhautrückfläche

6,50 mm

6,20–6,60 mm

Vorderkammer

3,68 mm

1,336

61,3

Linsenvorderfläche

10,20 mm

8,80–11,90 mm

Linse

4,0 mm

1,36–1,41 Gradientenindex

47,7

Linsenrückfläche

6,00 mm

Glaskörper

15,77 mm

1,336

61,1

1.1.3 Lichtperzeption und Signalvorverarbeitung

Das Licht durchdringt verschiedene Netzhautschichten bis es zu den Fotorezeptoren gelangt. Nach Absorption durch die Fotorezeptoren wird das Signal über die Bipolarzellen auf die retinalen Ganglionzellen und weiter zum visuellen Kortex übertragen. Die Amakrinzellen und Horizontalzellen der Netzhaut bewirken eine Signalvorverarbeitung durch einen Abgleich mit den Signalniveaus aus den Nachbararealen.

Die Netzhaut ist mit 2 verschiedenen Typen von Fotorezeptoren ausgestattet:

• Zapfen für das Sehen unter Tageslichtbedingungen und

• Stäbchen für das Dämmerungs- und Nachtsehen.

Zapfen werden in 3 Kategorien eingeteilt:

• rotempfindlich (L) für die Detektion von langwelligem Licht,

• grünempfindlich (M) für Licht mittlerer Wellenlänge sowie

• blauempfindlich (S) für Licht mit kurzer Wellenlänge.

Durch die unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten der Zapfen ist...