Das menschliche Auge

Den größten Teil aller Informationen aus unserer Umwelt nehmen wir über unsere Augen wahr. Sie sind ein überaus wichtiges Sinnesorgan.

Aufbau des menschlichen Auges

Das menschliche Auge ist ein kompliziertes Organ, das aus Muskeln, Fasern, Häuten, Nerven und Blutgefäßen besteht (Bild 1). 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 in der Physik dieses Linsensystem häufig durch eine Sammellinse dar. Diese Sammellinse hat eine Brennweite von ca. 20 mm. Das entspricht einem Brechwert von 50 Dioptrien. Genauere Betrachtungen zeigen eine deutliche Asymmetrie: Die vordere Brennweite (Brennweite in Luft) beträgt etwa 17 mm, die hintere Brennweite ca. 23 mm. Damit erhält man Brechwerte von etwa 60 dpt bzw. von etwa 45 dpt.
Beachte: Die Sammellinse in vereinfachten Darstellungen ist nicht identisch mit der Augenlinse (Kristalllinse), die nur ein Teil des optischen Systems Auge ist.

Die Augenlinse ist an Muskeln, den Ciliarmuskeln, 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 Iris mit der Pupille als Öffnung wirkt wie eine Blende. Damit kann die Intensität des einfallenden Lichtes gesteuert werden. In der Netzhaut befinden sich die lichtempfindlichen Zellen - etwa 120 Millionen hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen und etwa 6 Millionen farbempfindliche Zäpfchen.

Anpassung des Auges an unterschiedliche Bedingungen

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 Akkomodation - geschieht mithilfe der Augenlinse (Bild 3). Durch die Ciliarmuskeln wird die Krümmung der Augenlinse und damit die Brechkraft des Linsensystems stufenlos verändert. Die Augen passen sich unwillkürlich an die jeweiligen Entfernungen an.

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 in der Physik als deutliche Sehweite bezeichnet. Diese deutliche Sehweite wird auch bei der Konstruktion optischer Geräte berücksichtigt.

Verringert man die Entfernung eines Gegenstandes von den Augen immer mehr, so kommt man schließlich zu einem Punkt, bei dem man gerade noch ein scharfes Bild des Gegenstandes 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.

Farbiges Sehen

Für das farbige Sehen sind die ca. 6 Millionen Zäpfchen in der Netzhaut verantwortlich. Davon gibt es drei Arten: Die eine ist für rotes (langwelliges) Licht am empfindlichsten, die anderen Arten sind es für grünes (mittlere Wellenlänge) und für blaues (kurzwelliges) Licht (Bild 5). Wenn farbiges Licht auf die Zäpfchen fällt, werden die lichtempfindlichen Zellen gereizt und diese Reize an das 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 Zäpfchen sprechen allerdings nur bei einer ausreichenden 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 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 $2\cdot {10}^{-17}\text{J}$.
Sein Auflösungsvermögen beträgt etwa 1/60 Grad. Das bedeutet: Zwei Punkte eines Gegenstandes, 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.

Wie auch bei anderen Sinnesorganen können beim Auge angeborene oder erworbene Fehler auftreten. Dazu zählen Kurzsichtigkeit, Übersichtigkeit (Weitsichtigkeit) und Altersichtigkeit sowie Fehler beim Farbensehen (Rot-Grün-Schwäche, Farbblindheit).
Vieler dieser Augenfehler können durch Sehhilfen (Brillen, Kontaktlinsen) oder durch Operationen korrigiert werden. Genauere Informationen zu Augenfehlern und Sehhilfen sind unter diesen Stichwörtern zu finden.

Farbschwächen

Eine Reihe von Menschen hat Probleme, Farben richtig zu erfassen. Man spricht dann von Farbschwäche oder Farbfehlsichtigkeit. Eine absolute Farbblindheit ist außerordentlich selten. Relativ häufig tritt aber eine Rot-Grün-Schwäche auf, also die Erscheinung, dass Rot und Grün nur schlecht unterschieden werden können. Bei männlichen Personen ist das häufiger der Fall als bei weiblichen Personen.
Ursache für solche Farbfehlsichtigkeiten ist die zu geringe Empfindlichkeit von Sehzellen der Netzhaut (Zäpfchen) für eine bestimmte Farbe, z.B. für Rot oder für Grün.
Prüfen lässt sich die Farbtüchtigkeit einer Person mithilfe spezieller Farbtafeln (Bild 8). Hat z.B. jemand eine Rotschwäche, so hat er Probleme, den Buchstaben und die Zahl zu erkennen, die aus roten Punkten zusammengesetzt sind.

Ursache für diese Art von Richtungstäuschungen sind meist weitere Linien, die in ihrer Gesamtheit einen falschen Eindruck hervorrufen.

Beispiele für solche auf Linien bezogenen Größentäuschungen zeigt Bild 12. Die Länge der Strecken zwischen A und B und zwischen A und C ist jeweils gleich, obwohl die Strecken verschieden lang zu sein scheinen.
Eine Größentäuschung tritt auch auf, wenn wir Sonne oder Mond in verschiedenen Stellungen betrachten. Stehen sie hoch über dem Horizont, so erscheinen sie uns kleiner als bei einer Stellung kurz vor dem Horizont. Die Ursache für diese optische Täuschung ist komplexer Natur: Zum einen spielt die unterschiedliche Brechung des Lichtes beim Durchgang durch die Atmosphäre eine (geringe) Rolle. Zum anderen vergleichen wir bei der Betrachtung von Sonne oder Mond in Horizontnähe unbewusst näherliegende Gegenstände (Bäume, Häuser, Berge) mit der Sonne bzw. dem Mond.

Kontrasttäuschungen

Stoßen Flächen mit starken Kontrasten, also z.B. schwarze und weiße Flächen, aneinander, so kommt es ebenfalls leicht zu optischen Täuschungen, die man als Kontrasttäuschungen bezeichnen kann. Bild 14 zeigt dafür Beispiele: In Bild 15a erscheint der schmale weiße Streifen in der Mitte breiter als der rechts danebenliegende schwarze Streifen. Bei Bild 15b erscheinen die Stellen zwischen jeweils vier schwarzen Rechtecken grau. Fixiert man sie genauer, so sind sie weiß.
Allgemein gilt bei Kontrasttäuschungen: Helle Gegenstände oder Flächen erscheinen uns größer als gleich große dunkle Gegenstände oder Flächen. Diese Erscheinung wird als Irradiation bezeichnet. Sie hängt auch mit der ständigen unwillkürlichen Augenbewegung zusammen.
Eine weitere Kontrasttäuschung besteht darin, dass ein Objekt auf einem hellen Grund dunkler erscheint als das gleiche Objekt auf einen dunklen Grund.

Weitere optische Täuschungen und Folgerungen daraus

Optische Täuschungen können auch durch Luftspiegelungen hervorgerufen werden. Genauere Informationen dazu findet man unter diesem Stichwort.
Eine weitere optische Täuschung besteht darin, dass wir aufgrund unserer Erfahrungen und Kenntnisse Gegenstände auch dann wahrnehmen, wenn sie nur teilweise oder unvollständig dargestellt sind. Bild 16 zeigt dafür ein Beispiel. Das gilt z.B. auch für Schrift, die wir auch dann noch wahrnehmen, wenn einzelne Buchstaben abgeschnitten sind oder ganz fehlen.

Da Sehen ein physiologischer Vorgang ist, der sich letztendlich im Gehirn abspielt, beeinflussen u.a. Erfahrungen oder Stimmungen unsere optische Wahrnehmung. Deshalb gilt allgemein:
Ein und derselbe Gegenstand kann von verschiedenen Personen unterschiedlich wahrgenommen werden.
Welcher der unterschiedlichen Wahrnehmungen „richtig“ ist, kann meist nur schwer ermittelt werden. Wenn man weiß, wie viele optische Täuschungen auftreten können, dann sollte man auch vorsichtig mit Behauptungen wie „Ich habe es genau gesehen“ und mit Folgerungen aus optischen Wahrnehmungen einer einzelnen Person sein.