Auge

Aufbau des Auges

Das Auge ist eine transparente, gefüllte Kugel (“Glaskörper”), die mit einer lichtundurchlässigen Haut umschlossen ist, ausser vorne, wo die durchsichtige Hornhaut Licht passieren lässt.

Die Lichtstrahlen, die wir sehen, verlaufen durch die vordere Augenkammer, bevor sie durch die Öffnung in der Iris (Pupille) in den Glaskörper gelangen.

Auf der hinteren Innenseite des Auges trifft das Licht auf die Netzhaut. Sie enthält viele lichtempfindliche Zellen, die das “gesehene” Licht in Nervensignale umwandeln. Diese Signale gehen über den Sehnerv zum Gehirn.

Zwei besondere Punkte auf der Netzhaut zeichnen sich aus:

• Der blinde Fleck enthält keine Nervenzellen, da an diesem Ort die vielen Nervenbahnen aus dem Auge ans Gehirn führen.
• Der gelbe Fleck liegt im Zentrum unseres Sichtfelds und enthält besonders viele Sinneszellen. Dort sehen wir besonders gut und mit grosser Auflösung (besonders scharf).

Die Lichtstrahlen, die bis zur Netzhaut gelangen, werden an allen Materialübergängen (Grenzflächen) leicht gebrochen.

Eine Verkrümmung der Hornhaut bricht das Licht in unerwünschter Art und muss deshalb möglicherweise mit einer Brille korrigiert werden.

Am stärksten bricht aber die Augenlinse. Aus physikalischer Sicht ist für uns die Augenlinse von besonderem Interesse. Zur Vereinfachung werden wir in der weiteren Diskussion die Brechung an den anderen Teilen des Auges vernachlässigen.

Hell/dunkel – Funktion der Iris

Von der Lochkamera (Camera Obscura) wissen wir, dass ein grösseres Loch mehr Licht reinlässt und das Bild heller macht.

Beim Auge ist das genau gleich. Mit der Iris kann das Auge die Grösse des “Lochs” verändern. Sie übernimmt die Funktion der sog. Blende.

Das Loch nennen wir Pupille. Bei sehr heller Umgebung verdeckt die Iris ringförmig einen grösseren Teil der Linse und macht, dass die Pupille kleiner wird. Auf diese Weise verhindert sie, dass zu viel Licht ins Auge eintritt.

Bei sehr schwachen Lichtverhältnissen macht die Iris die Pupille wieder gross, ermöglich so, dass möglichst viel von dem wenigen Licht in das Auge eintreten kann.

Anpassung der Brennweite – flexible Linse (Akkommodation)

Das Auge hat eine flexible Sammellinse, die mal flacher und mal bauchiger sein kann. Den Grund dafür können wir mit Hilfe der Linsengleichung verstehen:

\[ \frac{1}{f} = \frac{1}{b} + \frac{1}{g} \]

Der Kehrwert der Brennweite \(f\) ist gleich der Summe der beiden Kehrwerte von Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\):

• Gegenstandsweite = Abstand des betrachteten Gegenstands zur Linsenebene
• Bildweite = Abstand des scharfen Bilds zur Linsenebene
• Brennweite = Abstand des Brennpunkts von der Linse (Linsenebene)

Die Gegenstandsweite variiert die ganze Zeit: Mal schauen wir in die Ferne, dann wieder aufs Telefon, dann wieder ein paar Meter weg etc.

Der Kehrwert \(\frac{1}{g}\) auf der rechten Seite der Linsengleichung geht betragsmässig hoch und runter, abhängig von dem, was wir anschauen.

Die Bildweite \(b\) ist fix, denn der Abstand von Linse zu Netzhaut, wo das Bild sein soll, dem Durchmesser des Auges entspricht. Das Auge kann nicht flexibel sein. Es passt ja von der Grösse her genau zur Augenhöhle.

Beachte, dass die Sammellinse in diesem Fall ein umgekehrtes, reelles Bild auf der Netzhaut entstehen lässt.

Die Bildpunkte, müssen auf der Netzhaut zu liegen kommen, damit die photosensitiven Zellen der Netzhaut ein scharfes Bild erhalten.

Wenn die Netzhaut immer den gleichen Abstand zur Linse hat und somit \(b\) konstant ist, muss der Kehrwert \(\frac{1}{b}\) ebenfalls konstant sein.

Jetzt haben wir die rechte Seite der Gleichung: Sie variiert mit wechselnder Gegenstandsweite \(g\):

\[ \frac{1}{f} = \frac{1}{b} + \frac{1}{g} \]

Die linke Seite der Gleichung muss genau gleich variabel sein, sonst wäre die Linsengleichung nicht mehr erfüllt. Eine variable linke Seite der Linsengleichung bedeutet direkt, dass wir unbedingt eine variable Brennweite \(f\) haben muss!

Damit die Linse ihre Brennweite verändern kann, muss sie elastisch sein, um zwischen bauchig und flach abzuwechseln:

• bauchige Linse = Linse mit kleiner Brennweite
• flache Linse = Linse mit grosser Brennweite

Nahe Objekte (\(g\) klein) benötigen eine kleine Brennweite \(f\), d.h. eine bauchige Linse. Wenn wir in die Ferne schauen, muss die Linse möglichst flach sein (\(f\) gross).

Einstellen der Brennweite mit dem Ziliarmuskel

Um die Augenlinse herum liegt der ringförmige Ziliarmuskel. Über die sog. Zonulafasern wird die Augenlinse mehr oder weniger stark auseinander gezogen, aber nicht vom Muskel!

Wenn der Ziliarmuskel nämlich entspannt ist, zieht sich der Muskel gewissermassen zurück und die Zonulafasern ziehen an der Linse, so dass diese sehr flach wird. Diese Linsenform brauchen wir für die Weitsicht.

Wir müssen uns das so vorstellen: Die Linse ist “zu klein”. Sie ist fixiert an den Fasern. Der Ring des Muskels ist “zu gross”. Die Fasern sind wegen der “unpassenden Grössen” gespannt, obwohl der Muskel nichts tut.

Zieht sich der Muskel zusammen, verkleinert sich der Ring um die Linse herum und die Fasern entspannen sich. Die Augenlinse zieht sich von selbst zusammen und nimmt ihre natürliche, kugelige Form ein.

Diese Form hat sie, wenn wir einen Gegenstand besonders nahe betrachten. Im Gegensatz zur Fernsicht, ist die Nahsicht etwas “anstrengend”.

Schauen wir uns an, wie die Linse durch Änderung ihrer Brennweite eine variable Gegenstandsweite abfängt:

Zuerst betrachten wir einen weiten Gegenstand mit gut angepasster Brennweite. Der Bildpunkt der Gegenstandsspitze wird auf der Netzhaut abgebildet und wir sehen den Gegenstand deshalb scharf.

Rücken wir den Gegenstand näher heran, ohne die Brennweite zu verändern, wird das Bild unscharf.

Die Lichtstrahlen, die von der Gegenstandsspitze her rühren, kommen auf der Netzhaut an, jedoch nicht alle am gleichen Ort. Statt einem Bildpunkt entsteht eher ein unscharfer Bildfleck.

Wenn wir die Lichtstrahlen verlängern, sehen wir, dass sie sehr wohl zu einem scharfen Bildpunkt zusammenfinden würden, jedoch bei einem grösseren \(b\).

Um dies zu korrigieren, müssen die Lichtstrahlen von der Augenlinse stärker gebrochen werden. Sie sollte eine kleinere Brennweite haben bzw. “bauchiger” werden.

Wir ziehen deshalb den Ziliarmuskel etwas an, der Ring verkleinert sich um die Linse herum und die Fasern werden leicht entspannt. Die Linse kann sich leicht zusammenziehen und “bauchiger” werden und die Brennweite verkleinern.

Jetzt werden die Strahlen stärker gebrochen. Sie treffen sich im Bildpunkt, der wieder nach links rückt und deshalb jetzt wieder auf die Netzhaut zu liegen kommt.

Wir sehen wieder ein scharfes Bild des herangerückten Gegenstands.

Fehlsichtigkeiten

Wir wissen jetzt, wie das Auge die Brennweite seiner Linse verstellen kann und somit in allen Situationen, d.h. für alle möglichen Gegenstandsweiten \(g\), ein scharfes Bild auf der Netzhaut hinkriegt.

Manchmal klappt das aber nicht wie gewünscht. Kann die Brennweite der Linse nicht passend eingestellt werden, bleibt das Bild unscharf.

Die folgenden Fehlsichtigkeiten werden hier nur kurz umrissen. Mehr Informationen gibt es unter dem entsprechenden Link:

• Kurzsichtigkeit: Weit entfernte Gegenstände werden nur unscharf gesehen
• Weitsichtigkeit (inkl. Altersweitsichtigkeit): Nahe Gegenstände werden unscharf gesehen
• Grauer Star: Tritt oft im hohen Alter auf: Fortschreitende Trübung der Linse führt zur Erblindung, da gar keine scharfen Bildpunkte mehr entstehen können

Kurzsichtigkeit

Die Kurzsichtigkeit tritt auf, wenn der Augapfel etwas zu gross ist und die Bildpunkte vor der Netzhaut entstehen, statt etwas weiter hinten.

Wir können auch sagen, dass die Linse etwas zu stark bricht (\(f\) zu klein), so dass der Bildpunkt zu früh entsteht (\(b\) zu klein).

Nahe Gegenstände können problemlos gesehen werden, weil in diesem Fall die starke Brechung der Linse sehr nützlich ist.

Entfernte Gegenstände brauchen aber eine grosse Brennweite bzw. eine möglichst flache Linse. In diesem Fall hilft eine Streulinse als Brille oder Kontaktlinse. Die Streulinse wirkt der zu starken Brechung der Augenlinse entgegen, indem sie die Lichtstrahlen etwas auseinander nimmt.

Weitsichtigkeit und Altersweitsichtigkeit

Bei der Weitsichtigkeit können entfernte Objekte scharf gesehen werden, nahe Gegenstände erscheinen aber unscharf.

Die Weitsichtigkeit tritt auf, wenn der Augapfel etwas zu klein ist und die Bildpunkte nach der Netzhaut entstehen, statt etwas weiter vorne.

Weitsichtigkeit kann in jedem Alter vorkommen. Ab etwa 40 Jahren tritt die sog. Altersweitsichtigkeit ein, weil die Linse an Elastizität verliert und nicht mehr so bauchig wird, wenn die Zonulafasern sich entspannen.

Die eher flache Linse ist für entfernte Gegenstände kein Problem. Diese können scharf gesehen werden.

Nahe Gegenstände werden aber unscharf, weil sie eine stärkere Brechung benötigen, um den Bildpunkt auf die Netzhaut zu bringen.

Um die Augenlinse bei der Lichtbrechung zu unterstützen, kommt eine Sammellinse als Brille oder Kontaktlinse hinzu. Bei der Altersweitsichtigkeit ist das die Lesebrille.

Grauer Star

Beim grauen Star (auch Katarakt genannt) wird die Augenlinse trübe, so dass die Lichtstrahlen gestreut werden, d.h. in alle möglichen Richtungen zeigen und ein scharfer Bildpunkt auf der Netzhaut nicht mehr möglich ist.

Im fortgeschrittenen Stadium sieht der betroffene Mensch nur noch hell oder dunkel, kann aber keine Bilder mehr sehen.

Heutzutage kann die trübe Linse durch ein künstliches Linsenimplantat ersetzt werden.