Auge
Den größten Teil aller Informationen aus unserer Umwelt nehmen wir über unsere Augen wahr. Sie sind überaus wichtige Sinnesorgane.
Aufbau des menschlichen Auges
Das menschliche Auge ist ein kompliziertes Organ, das aus Muskeln, Fasern, Häuten, Nerven und Blutgefäßen besteht. Die nach außen auch als Schutz wirkende Hornhaut, die Augenflüssigkeit in der vorderen Augenkammer, die Augenlinse und der Glaskörper bilden ein Linsensystem, das insgesamt wie eine Sammellinse wirkt. Vereinfacht stellt man dieses Linsensystem häufig als eine Sammellinse dar. Diese Sammellinse hat eine Brennweite von ca. 23 mm. Das entspricht einem Brechwert von 58 Dioptrien.
Beachte: Die Sammellinse in vereinfachten Darstellungen ist nicht identisch mit der Augenlinse, die nur ein Teil des optischen Systems Auge ist.
Die Augenlinse ist an Muskeln, den sogenannten Ziliarmuskeln, aufgehängt. Durch diese Muskeln kann die Krümmung der Augenlinse verändert werden, damit von unterschiedlich weit entfernten Gegenständen auf der Netzhaut ein scharfes Bild entsteht.
Die Regenbogenhaut (Iris) mit der Pupille als Öffnung wirkt wie eine Blende. Damit kann die Intensität des einfallenden Lichts gesteuert werden. In der Netzhaut befinden sich die lichtempfindlichen Zellen – etwa 120 Millionen hell-dunkel-empfindliche Stäbchen und etwa 6 Millionen farbempfindliche Zapfen.
Bau des Auges (Längsschnitt)
Wirkungsweise des menschlichen Auges
Fällt von einem Gegenstand Licht auf das Auge, so wird es durch das optische System, das wie eine Sammellinse wirkt, gebrochen. Da sich die Gegenstände in der Regel weit außerhalb der doppelten Brennweite befinden, entsteht auf der Netzhaut ein verkleinertes, umgekehrtes, seitenvertauschtes und reelles (wirkliches) Bild des Gegenstands.
Die unterschiedliche Helligkeit des Bilds wird durch die Stäbchen und Zapfen der Netzhaut in elektrische Impulse (Erregungen) umgesetzt. Diese werden im Sehnerv zum Gehirn weitergeleitet und dort zu optischen Eindrücken verarbeitet. Wir nehmen aufrechte, seitenrichtige Bilder wahr.
Bildentstehung im Auge
Der Sehvorgang
Du hast im Physikunterricht die Berechnung von Lichtstrahlen durch verschiedene Linsen, z. B. Sammel- und Zerstreuungslinsen, kennengelernt.
Hornhaut, Kammerflüssigkeit, Linse und Glaskörper des Auges bilden ein System, das wie eine Sammellinse wirkt.
Das eintreffende Licht wird von der Hornhaut und der Kammerflüssigkeit gebrochen, gelangt durch die Pupille zur Linse, wird von ihr ebenfalls gebrochen, breitet sich durch den Glaskörper und die Nervenzellschicht der Netzhaut aus und erreicht dann die Lichtsinneszellen in der Netzhaut.
In der Netzhaut entsteht ein umgekehrtes, verkleinertes, aber wirkliches (reelles) Bild des betrachteten Objekts. Die in den Lichtsinneszellen durch den Lichtreiz ausgelösten Erregungen werden über den Sehnerv zum Sehfeld der Großhirnrinde geleitet, dort verarbeitet und gespeichert.
Mithilfe unseres Gehirns nehmen wir das betrachtete Objekt in seiner natürlichen Lage, Größe und Gestalt wahr.
Besonderheiten der optischen Wahrnehmung
Bei der Wahrnehmung mit den Augen treten zwei Besonderheiten auf.
- Unsere Augen registrieren einfallendes Licht stets so, als ob es von einem Ausgangspunkt aus geradlinig in unsere Augen fällt. Das gilt z. B. für Licht, das auf seinem Weg zu den Augen reflektiert oder gebrochen wurde. Deshalb sehen wir auch Bilder von Gegenständen an Stellen (z. B. hinter Spiegeloberflächen), an denen sie in Wirklichkeit gar nicht existieren.
- Da die optischen Eindrücke im Gehirn verarbeitet werden, spielen beim Sehvorgang auch Erfahrungen und Stimmungen eine Rolle. Die optischen Eindrücke eines Försters und eines Stadtbewohners im Wald sind unterschiedlich. Allgemein gilt:
Verschiedene Personen, die ein und denselben Gegenstand betrachten, können unterschiedliche optische Wahrnehmungen haben.
Sehen ist also mehr als nur die optische Abbildung von Gegenständen auf der Netzhaut.
Anpassungen des Auges an unterschiedliche Bedingungen
Wir können mit unseren Augen nicht zugleich nahe und ferne Gegenstände scharf sehen. Betrachten wir ferne Gegenstände, sehen wir die nahen Gegenstände unscharf; betrachten wir nahe Gegenstände, sehen wir die fernen Gegenstände unscharf.
Anpassung an unterschiedliche Entfernungen: Wir wollen mit unseren Augen Gegenstände scharf sehen, auch wenn sich diese in unterschiedlicher Entfernung befinden. Die Anpassung des Auges an die Entfernung – man spricht auch von Akkommodation – geschieht mithilfe der Augenlinse. Durch die Ziliarmuskeln wird die Krümmung der Augenlinse und damit die Brechkraft des Linsensystems stufenlos verändert. Die Augen passen sich unwillkürlich an die jeweiligen Entfernungen an.
Die Akkommodation beruht auf der unterschiedlichen Krümmung der elastischen Augenlinse. Die Linsen hängen jeweils mit Linsenbändern am ringförmigen Ziliarmuskel. Betrachten wir z. B. ferne Gegenstände, so fällt das Licht fast parallel auf die Linsen. Die Ziliarmuskeln sind entspannt, die Linsenfasern werden straff gespannt. Dadurch werden die elastischen Linsen abgeflacht. Ihre Brechkraft ist geringer, sodass die entfernten Gegenstände in der Netzhaut scharf abgebildet werden.
Beim Nahsehen wird das Licht durch die Linsen stärker gebrochen. Dazu werden die Ziliarmuskeln kontrahiert. Dadurch entspannen sich die Linsenfasern und die Linse nimmt – bedingt durch ihre eigene natürliche Elastizität – eine stark gekrümmte, fast kugelige Form an. Damit erreicht sie eine höhere Brechkraft, sodass die nahen Gegenstände auf der Netzhaut scharf abgebildet werden.
Wie stark sich ein normalsichtiges Auge anpassen kann, hängt wesentlich vom Alter der betreffenden Person ab. Bei Kindern und Jugendlichen ist die Anpassungsfähigkeit an geringe Entfernungen relativ groß. Sie nimmt mit zunehmendem Lebensalter ab. Das ist auch der Grund dafür, dass viele ältere Personen zum scharfen Sehen in geringer Entfernung eine Lesebrille benötigen. Sie gleicht die nicht mehr vorhandene Anpassungsfähigkeit der Augen aus. Eine größere Bildschärfe kann man auch erreichen, wenn die Pupille willkürlich verkleinert wird. Das ist der Grund dafür, dass Personen, die nicht mehr scharf sehen, die Augen zusammenkneifen.
Die kürzeste Entfernung, in der bei einem normalsichtigen Auge ein Gegenstand längere Zeit ohne Überanstrengung betrachtet werden kann, beträgt bei den menschlichen Augen ca. 25 cm. Diese Entfernung von 25 cm wird als deutliche Sehweite bezeichnet. Diese deutliche Sehweite wird auch bei der Konstruktion optischer Geräte berücksichtigt.
Verringert man die Entfernung eines Gegenstands von den Augen immer mehr, so kommt man schließlich zu einem Punkt, bei dem man gerade noch ein scharfes Bild des Gegenstands sehen kann. Dieser Punkt heißt Nahpunkt. Bei normalsichtigen Kindern liegt dieser Nahpunkt etwa 10 cm vor den Augen. Mit zunehmendem Alter verschiebt sich der Nahpunkt vom Auge weg.
Anpassung des Auges an ferne bzw. an nahe Gegenstände durch unterschiedliche Krümmung der Augenlinse
Anpassung an unterschiedliche Helligkeit: Die Gegenstände, die wir betrachten, haben eine sehr unterschiedliche Helligkeit. Damit ist auch die in Richtung Augen fallende Lichtintensität sehr verschieden. Zur Steuerung der in die Augen fallenden Lichtintensität kann die Regenbogenhaut (Iris) mit der Pupille als Öffnung verändert werden. Bei großer Helligkeit ist die Pupille klein, bei kleiner Helligkeit groß. Damit wird die in die Augen fallende Lichtmenge gesteuert.
Hinzu kommt, dass die hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen deutlich empfindlicher sind als die farbempfindlichen Zapfen, die erst auf ausreichende Lichtintensität ansprechen.
Sicherlich hast du schon selbst an dir beobachtet, dass du bei sehr grellem Licht die Augen verengst, bei weniger Licht und in der Dämmerung öffnest du die Augen weit. Diese Reaktion ist nicht nur ein Schutzreflex, sondern dadurch werden auch deine Pupillen verengt bzw. erweitert.
Das kannst du auch an dir selbst beobachten: Stell dich in einem hell erleuchteten Raum vor einen Spiegel und beobachte deine Pupillen! Verschließe für einige Zeit mit der Hand ein Auge, nimm die Hand fort und schaue wiederum in den Spiegel! Betrachte genau die Pupille des vorher abgedeckten Auges und vergleiche sie mit der Pupille des anderen Auges!
Du stellst Veränderungen in der Größe der Pupillen fest. Durch diese unwillkürliche Reaktion, Pupillenreflex genannt, passt sich unser Auge an die Menge des einfallenden Lichts, an die unterschiedliche Beleuchtungsstärke, an.
Diese Anpassung des Auges wird als Pupillenadaptation bezeichnet. Die Veränderung der Weite der Pupille beruht auf der Kontraktion bzw. Erschlaffung der ring- bzw. strahlenförmig angeordneten Muskeln in der Regenbogenhaut.
Pupillenadaptation ist die Anpassung des Auges an die unterschiedliche Beleuchtungsstärke durch Erweiterung bzw. Verengung der Pupille.
Farbiges Sehen
Für das farbige Sehen sind die ca. 6 Millionen Zapfen in der Netzhaut verantwortlich. Davon gibt es drei Arten: Die eine Art ist für rotes Licht am empfindlichsten, die anderen Arten sind es für grünes und für blaues Licht.
Wenn farbiges Licht auf die Zapfen fällt, werden die lichtempfindlichen Zellen erregt und diese Erregungen im Sehnerv zum Gehirn weitergeleitet. Es ergibt sich ein Farbeindruck, der sich aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zusammensetzt. Dabei wirken die Gesetze der additiven Farbmischung.
Die Zapfen sprechen allerdings nur auf eine ausreichende Lichtintensität an. Ist sie zu gering, etwa nachts, dann sehen wir nur mit den hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen.
Der Ausspruch „Nachts sind alle Katzen grau“ hat also einen realen physikalischen Hintergrund.
Empfindlichkeit der Zapfen
Das Licht breitet sich als elektromagnetische Wellen aus. Das Spektrum des sichtbaren Lichts (das weiße Licht) reicht von den Farben Rot bis Violett. Infrarotes bzw. ultraviolettes Licht ist für uns unsichtbares Licht.
Untersuchungen ergaben, dass es in der Netzhaut drei verschiedene Zapfentypen gibt, die je einen spezifischen Sehfarbstoff besitzen. Sie werden durch Licht der Grundfarben Rot, Grün und Blau erregt. Eine gleich starke Erregung aller drei Zapfentypen ruft den Eindruck der Farbe weiß hervor; werden Zapfen nur durch rotes und grünes Licht erregt, sehen wir die Farbe gelb.
Farben kann man also mischen. Durch Mischen der Grundfarben Rot, Grün und Blau erhält man alle Farben. In unserem Auge wird jede Farbe durch ein für sie typisches Erregungsverhältnis der drei Zapfentypen widergespiegelt. Dadurch kann unser Auge etwa 150 Farbtöne unterscheiden.
Bei einigen Menschen können die Zapfen für eine der Grundfarben oder sogar für mehrere Farben gestört sein oder ganz fehlen. Es kommt dann zu Farbsehstörungen bzw. zur Farbenblindheit. Durch Farbtests kann man ermitteln, ob Personen z. B. an der Rot-Grün-Blindheit leiden. Ein Rot-Grün-Blinder kann die Farben in Testbildern nicht wahrnehmen. Für die Ausübung einiger Berufe sind solche Farbtests eine Voraussetzung, z. B. für Lokomotivführer, Kranfahrer, Fahrer von Transportfahrzeugen, ja sogar für alle Autofahrer im öffentlichen Straßenverkehr.
Räumliches Sehen und optische Täuschungen
In jedem Auge entsteht ein flächiges Bild des betrachteten Gegestands. Wir sehen aber nicht zwei getrennte Bilder des Gegenstands, sondern ein einziges räumliches Bild. Dies ist eine Leistung unseres Gehirns. Vergleicht man nämlich das Netzhautbild des rechten und linken Auges miteinander, dann stellt man fest, dass sie deutlich voneinander verschieden sind. Das rechte Auge sieht den Gegenstand mehr von rechts, das linke Auge mehr von links. Mit beiden Augen wird der Gegenstand vollständig gesehen, da im Gehirn beide Bilder zu einem räumlichen Bild vereint werden. Echtes räumliches Sehen ist nur beidäugig möglich.
Dass unser Gehirn beim Sehen beteiligt ist, können wir an weiteren Beispielen verdeutlichen. Betrachtest du Bild 9 genau, so scheint die Person im Hintergrund größer als die im Vordergrund zu sein. Ein Nachmessen zeigt dir aber, dass beide Personen gleich groß sind. Dies ist eine optische Täuschung. Sie entsteht, weil die Straße einen räumlichen Eindruck erweckt. Im Gehirn ist die Erfahrung gespeichert, dass der hintere Gegenstand kleiner sein müsste als die vorderen, da er weiter entfernt ist. Sind nun die Personen gleich groß, erscheint uns die hintere größer.
Einige sehen auf der Abbildung 9 b ein junges Mädchen, andere eine alte Frau, obwohl auf der Netzhaut aller Betrachter das gleiche Bild entsteht. Auch bei der Auswertung dieses Bilds werden die gespeicherten Erfahrungen im Gehirn unbewusst bei der Sehwahrnehmung mitverarbeitet.
Bei der Betrachtung der Abbildung 9 c erscheinen die inneren Kreise unterschiedlich groß, obwohl sie den gleichen Durchmesser besitzen. Die Ursache dieser optischen Täuschung liegt darin, dass die Flächen in unserem Gehirn immer in Bezug zu ihrer Umgebung (kleinere Kreise, größere Kreise) wahrgenommen werden.
Empfindlichkeit des Auges
Das Auge ist ein sehr empfindliches Sinnesorgan. Es kann eine Vielzahl von Farben bei unterschiedlichen Helligkeiten aufnehmen und verarbeiten. Die Lichtenergie, die gerade noch von den Augen wahrgenommen wird, beträgt etwa .
Das Auflösungsvermögen beträgt etwa 1/60 Grad. Das bedeutet: Zwei Punkte eines Gegenstands, die man unter einem Winkel von 1/60 Grad sieht, kann man gerade noch als getrennte Punkte wahrnehmen. Das wären 2 Punkte in 1 m Entfernung, die einen Abstand von 0,2 mm voneinander haben.
Augenfehler
Wie auch bei anderen Sinnesorganen können beim Auge angeborene oder erworbene Fehler auftreten. Dazu zählen Kurzsichtigkeit, Übersichtigkeit (Weitsichtigkeit) und Alterssichtigkeit sowie Fehler beim Farbensehen (Rot-Grün-Schwäche, Farbenblindheit).
Viele dieser Augenfehler können durch Sehhilfen (Brillen, Kontaktlinsen) oder durch Operationen korrigiert werden.
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