Kennst du die Szene aus dem dritten Teil von "Der Herr der Ringe", in welchem das große flammende Auge Saurons die Ebenen mit einem Lichtstrahl absucht? Normalerweise sendet das Auge kein Licht aus. Stattdessen wird eintreffendes Licht im Inneren des Auges gebündelt.
Das menschliche Auge – Aufbau
Um zu verstehen, was sich physikalisch am Auge abspielt, ist es essentiell, ein paar wichtige Teile des Auges zu kennen. Deswegen schauen wir uns gemeinsam den groben Aufbau des Auges an, um im Nachhinein ein physikalisches Modell zu entwickeln.
Schau dir parallel zur folgenden Erklärung am besten die untenstehende Abbildung 1 an.
Das Licht strahlt von links durch die Hornhaut auf das Auge. Die Iris ist dabei verantwortlich, wie viel Licht weiter in das Innere des Auges vordringt. Das Licht strahlt weiter durch die Linse. Dabei wird der Strahlengang entsprechend der Brennweite verändert. Muskeln können die Form der Linse und somit die Brennweite anpassen, wodurch das Licht anders gebrochen wird.
Die Brennweite ist die Entfernung von der Linsenmitte zum Punkt (Brennpunkt), an dem sich parallel einfallende Lichtstrahlen hinter der Linse treffen. Mehr dazu im Artikel zur Brechung an Linsen.
Durch den Augapfel gelangt das Licht dann auf die Netzhaut. Dort erscheint das Bild, das vom Gehirn interpretiert wird.
Abb. 1 - Grober Aufbau des menschlichen Auges
Jetzt kennst du die für die Optik im Auge wichtigsten Begriffe. Kommen wir nun zur physikalischen Funktionsweise.
Wie funktioniert das menschliche. Auge (physikalisch)?
Das Auge besteht aus unzähligen verschiedenen Elementen, die am Ende für das Sehen verantwortlich sind. Um dieses komplizierte Körperteil physikalisch beschreiben zu können, ist eine Vereinfachung durch ein Modell angebracht.
Dafür benötigst du dein Vorwissen aus der Optik. Mehr Infos dazu findest du in den Artikeln Lichtstrahlen, Brechung an Linsen und fortführend auch die Linsengleichung.
Das Augenmodell – Bildentstehung am Auge
Das Zusammenspiel von Hornhaut, Iris und vor allem Augenlinse ist der Grund, warum du auf verschiedene Entfernungen trotzdem noch scharf sehen kannst. Die Hornhaut und auch Effekte an der Iris verändern das eintreffende Licht schon bevor die Augenlinse ins Spiel kommt. Zusammen kannst du die optische Wirkungsweise als eine konvexe Linse (Sammellinse) betrachten.
Konvex bedeutet eine Wölbung, die in der Mitte der Linse weiter nach außen geht als an den Rändern der Linse. Dadurch werden Lichtstrahlen nach dem Durchqueren der Linse zueinander geleitet. Mehr dazu und zur Brechung an Linsen und Optik allgemein erfährst du in den zugehörigen Artikeln!
Nach dem Durchqueren der Linse trifft das Licht auf die Netzhaut. Diese dient als Schirm, auf welchem das Bild abgebildet wird.
Die Abbildung 2 zeigt dir den gerade beschriebenen Strahlengang vom Gegenstand aus durch das Auge auf die Netzhaut.
Abb. 2 - Verlauf von Lichtstrahlen am Augenmodell
Diese Anordnung ist dir vielleicht schon aus anderen Bereichen der Optik bekannt. Aktivierst du dein Wissen zur Brechung an Linsen, kannst du nun auch auf die Bildentstehung schließen.
Bildentstehung im Auge
Das Auge sieht nicht die Gegenstände selbst, sondern das Licht das von diesen reflektiert oder selbst ausgestrahlt wird. Diese Lichtstrahlen treffen dann auf die Hornhaut des Auges, gehen weiter an der Iris vorbei und durch die Augenlinse.
Im Inneren des Auges gehen die Lichtstrahlen weiter, bis diese auf der Netzhaut auftreffen. Das auftreffende Bild ist am Ende umgekehrt. Dein Gehirn verarbeitet die Signale aber weiter und dreht das Bild wieder um, sodass du es richtig siehst.
Der gesamte Prozess vom Auftreffen des Lichts auf die Hornhaut bis zur Wahrnehmung als Bild dauert etwa 150 ms (Millisekunden).
Die Abbildung 2 zeigt, wie sich das Licht verhält, wenn das Auge das Bild scharf stellt. Kreuzen sich die Lichtstrahlen, welche von jeweils einem Punkt des Gegenstandes ausgehen genau auf der Netzhaut, dann ist das Bild scharf zu sehen. Ist das nicht der Fall, dann kann dein Auge mit sehr sensiblen Muskeln die Form der Augenlinse und somit die Linseneigenschaften, insbesondere die Brechkraft bzw. Brennweite, verändern.
Die Eigenschaft des Auges, die Krümmung und somit die Brennweite der Linse zu verändern heißt Akkommodation.
In manchen Fällen ist dieses Einstellen der Linse und Brennweite nicht korrekt möglich. Was dabei physikalisch das Sehen verschlechtert, erfährst du jetzt.
Bekannte Fehlsichtigkeiten des Auges physikalisch erklärt
Falsche Beleuchtung, verschiedenste Krankheiten, vererbte Veränderungen oder dauerhafte Überbeanspruchung können Ursachen dafür sein, dass du schlecht siehst. Einige sind situationsbezogen, andere können mit der Zeit entstehen, und noch andere sind permanente Fehlsichtigkeiten.
Im Folgenden schauen wir uns zwei bekannte Fälle an, von denen du sicherlich schon gehört hast: Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit.
Auge Physik – Kurzsichtigkeit
Kurzsichtig bedeutet, dass du Gegenstände in kurzer Entfernung normal erkennen kannst und Gegenstände in weiter Entfernung stark verschwommen oder unkenntlich werden.
Das kann zwei Ursachen haben, welche getrennt und aber auch gleichzeitig auftreten können: eine Verlängerung des Augapfels oder eine zu kurze Brennweite der Augenlinse und / oder der Hornhaut. Beide Ursachen haben die gleiche Folge: die Lichtstrahlen kreuzen sich schon vor dem Auftreffen auf die Netzhaut. Die natürliche Akkommodation deines Auges kann das nach zu langer Belastung der Augenmuskulatur nicht mehr korrigieren. Dadurch wird das Bild am Ende unscharf.
Abb. 3 - Lichtstrahlen am kurzsichtigen Auge ohne Brille dargestellt
Wenn du von Kurzsichtigkeit gehört hast, dann hast du sicherlich auch schon von Weitsichtigkeit gehört.
Auge Physik – Weitsichtigkeit
Weitsichtig bedeutet, dass du Gegenstände in weiter Entfernung normal erkennen kannst und Gegenstände in kurzer Entfernung stark verschwommen oder unkenntlich werden. Also genau das Gegenteil von Kurzsichtigkeit.
Auch die Ursachen sind wie bei der Kurzsichtigkeit, nur umgekehrt: eine Verkürzung des Augapfels oder eine zu hohe Brennweite der Augenlinse und / oder Hornhaut. Tritt dieser Fehler über einen sehr langen Zeitraum auf, kann das die Muskulatur schädigen. Die Akkommodation ist dann nicht mehr stark genug, den Sehfehler zu korrigieren. Die Lichtstrahlen würden sich dann erst hinter der Netzhaut treffen, wodurch das gesehene Bild unscharf wird.
Abb. 4 - Lichtstrahlen am weitsichtigen Auge ohne Brille dargestellt
Die Muskeln am Auge werden beim Sehen in kurzer Entfernung sehr viel stärker belastet als in großer Entfernung. Die Weitsichtigkeit entsteht deswegen meistens durch Überbeanspruchung der Augenmuskulatur und tritt dadurch häufiger im Alter auf. Auch täglich stundenlang auf den PC-Monitor schauen, kann zur Entwicklung von Weitsichtigkeit beitragen.
Die Kurz- und Weitsichtigkeit sind bei Weitem nicht alle Fehlsichtigkeiten, welche am menschlichen Auge auftreten können. Einige können durch recht einfache Hilfsmittel wie Brillen korrigiert werden.
Fehlsichtigkeiten mit einer Brille korrigieren
Besteht eine Fehlsichtigkeit, bedeutet das, dass ein ständiger Sehfehler dazu führt, dass die Akkommodation deines Auges nicht mehr ausreicht, die Brennweite der Augenlinse genügend zu verändern. Die Gläser einer Brille sind Linsen, welche eintreffendes Licht noch vor dem Auge brechen und somit den Sehfehler ausgleichen.
Kurzsichtigkeit mit einer Brille korrigieren
Bei Kurzsichtigkeit werden konkave Brillengläser verwendet. Diese zerstreuen das Licht, wodurch der Brennpunkt vom Inneren des Auges auf die Netzhaut verschoben wird und du wieder scharf sehen kannst. Die Strahlen gehen nun erst durch die konkaven Brillengläser und danach durch das konvexe Auge:
Abb. 5 - Lichtstrahlen werden am kurzsichtigen Auge mit konkavem Brillenglas korrigiert
Weitsichtigkeit mit einer Brille korrigieren
Zur Korrektur bei weitsichtigen Menschen ist das genau andersherum: Konvexe Brillengläser sammeln das Licht. Der Brennpunkt wird dadurch in Richtung der Augenlinse verändert. Er liegt jetzt auf der Netzhaut und nicht mehr hinter dem Auge. Die Lichtstrahlen durchqueren erst die konvexen Brillengläser bevor sie auf das konvexe Auge treffen.
Abb. 6 - Lichtstrahlen werden am weitsichtigen Auge mit konvexem Brillenglas korrigiert
Auge Physik - Das Wichtigste
- Das menschliche Auge besteht grob zusammengefasst aus einer Hornhaut, der Iris und Pupille, der Augenlinse, dem Augapfel und der Netzhaut.
- Die optischen Eigenschaften des Auges kannst du im Augenmodell zusammenfassen. Hornhaut, Iris und Augenlinse kannst du als Sammellinse betrachten und die Netzhaut ist der Schirm, auf welchem das Bild am Ende abgebildet wird.
- Licht wird an der Linse gebrochen und trifft auf die Netzhaut. Das Gehirn interpretiert diese Signale.
- Das menschliche Auge kann mithilfe von Muskeln die Augenlinse und somit die Brennweite verändern (Akkommodation). Dadurch ist das scharfe Sehen auf unterschiedlichen Entfernungen möglich.
- Kreuzen sich die Lichtstrahlen, welche vom gleichen Punkt des Gegenstandes ausgehen, genau auf der Netzhaut, dann ist das Bild scharf.
- Durch Fehlsichtigkeiten kommt es dazu, dass die natürliche Akkommodation des Auges vorkommende Fehler nicht mehr korrigieren kann. Das Bild wird unscharf.
- Eine Brille kann helfen, diesen ständigen Fehler auszubessern.
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