Gözün Optik Yapısı

Beyinle birlikte çalışan gözler insan vücudunun eşsiz biyo-optik sistemidir. Gözlerimiz karmaşık fakat bir o kadar gelişmiş, ışığa duyarlı (fotosensitif) organlardır. Çok uzaklardaki yapılardan, yakınımızdaki küçük cisimlere kadar, farklı frekans ve ışık şiddetinde cisimlerden yansıyan 390-700 mm dalgaboyu aralığını algılayabilen, hassas bir algıya sahiptir.

Göze gelen görüntü ve işlenme sıralamasına göre; göz görüntüyü odaklayan bir mercek sisteminden, fotosensitif hücre tabakasından ve görüntü bilgisini işledikten sonra Merkezi Sinir Sistemi’ne ileten hücre ve sinir sisteminden oluşur. Neredeyse küresel, genellikle 22 mm çapında olan göz anatomik yapısı açısından kameraya benzer. Tıpkı bir pozitif mercek sistemi gibi görüntüyü arkadaki yüzeye odaklar.

Peki nasıl görürüz?

Göz tıpkı bir kamera gibi gelen ışığa tepki verir. Işık göze saydam ön mercek denilen ‘kornea’ tabakasından girer. Sağlıklı bir yetişkinde çapı 12 mm olan korneanın merkez kalınlığı genellikle 0.6 mm’dir fakat bu kalınlık korneanın yanlarında artmaktadır. Işık, kırıcılık indisi 1 olan havadan, kırıcılık indisi 1.38 olan korneaya girdiğinde önemli derecede kırılır. Korneanın arkasındaki ön odada (anterior chamber) kırıcılık indisi 1.336 olan göz sıvısı (aqueous humor) bulunur. Göz sıvısı içine yerleşen iris, üzerindeki pigmentlerin yoğunluğu ve yerine göre farklı renklere sahip bir diyaframdır. Bu diyaframın içerisinde ışığın geçirgenliğinin ayarlandığı göz bebeği (pupil) denilen açıklık bulunur. İriste bulunan hassas kaslar sayesinde açıklık ışık şiddetine bağlı olarak 2 mm ve 8 mm arasında değişim gösterir.

Işık göz bebeğinden geçtikten sonra saydam kristal merceğe girer. Kristal mercek dışardaki görüntünün retina üzerinde net bir şekilde oluşmasını sağlar. Işığın son odaklanma işleminde ise hassas ayarlama yapmak için mercek, kaslar sayesinde kendi şeklini uygun bir biçimde değiştirir. Kristal mercekteki kaslar gevşek olduğunda mercek düz haldedir yani ışıkta minimum kırılma olur, böylece uzaktaki cisimlerin net görüntüleri retina üzerinde oluşur. Yakın cisimlerin net görüntülerinin retinada oluşmasına ise mercekteki kasların gerilmesi sebep olur. Retina dokusunun karmaşık yapısı nedeniyle kırılma indisi homojen değildir. Eksen üzerinde çekirdekte veya merkeze yakın yerlerde kırılma indisi 1.41 iken çevreye yakın yerlerde 1.38’dir.

Işığık, kristal mercekte kırılmasının ardından arka oda (posterior chamber) ya da camsı sıvıya (vitreous humor) girer. Buradaki sıvının kırıcılık indisi ise 1.336’dır. Işık camsı sıvıyı geçtikten sonra ışık enerjisinin elektrokimyasal enerjiye çevrildiği retinaya ulaşır. Retina gözün en içinde, arka duvarına çepeçevre döşenmiş bir sinir tabakasıdır. Beynin uzantısı olan bu doku son derece narin bir dokudur. Gözü bir kameraya benzettiğimizde retina dediğimiz kısım kameranın sensorü ile aynı işlemi yapmaktadır. Retinanın katmanlarından biri olan ikinci katman foto alıcılar, ışığa duyarlı çubuk (rod) ve koniler (cones) barındırır.

Optik sinir yapısının fiberleri olan aksonlar; foto alıcılarda meydana gelen kimyasal değişimlerin sebep olduğu elektrik sinyallerini nöron tabakaları içinden gözün arka kısmına iletir. Foto alıcılar olan çubuk ve koni hücreleri yapısal ve işlevsel olarak farklıdır. Bu iki alıcı farklı büyüklükteki disk yığınlarından oluşur. Uzun çubukları oluşturan diskler, koni yapılarını oluşturan disklere oranla daha incedir. Renk ayırımı yapmadan, loş ışığa son derece duyarlı olan çubuklar retinanın çevresinde yoğun olacak şekilde konumlanır. Parlak ışığa ve renge duyarlı olan koni hücreleri ise retina merkezinde bulunan 3 mm çaplı ‘macula’ isimli bölgede bulunur. Foto alıcılar optik sinir fiberine bağlıdır ancak optik alıcı uçları ve fiber bağlantılar arasında ciddi bir sayı farkı olduğundan optik sinir ucundaki alıcı sinyallerin önemli ölçüde yoğunlaştığı görülür. Görme işleminin son basamağında ise optik sinir, görüntüyü retinadan beyne aktarır.

Özetle, insan gözü temel odaklanma gücünü sağlayan 3 ana optik yüzeyden oluşur;

• Hava-kornea ara yüzeyi
• Sıvı-mercek ara yüzeyi
• Mercek-camsı sıvı ara yüzeyi

Bir bütün olarak bakarsak göz uzak görüş hali için 17 mm, yakın görüş hali için 14 mm odak mesafesine sahip, ince kenarlı ve pozitif bir mercek olarak incelenebilir. Aşağıdaki şekilde tamamen gerilmiş gözde, merceğin ön yüzü R=10 mm eğriliğinden R=6 mm eğriliğine kavislenir.

Gözün anatomik yapısını ve kameranın mekanik yapısını karşılaştırdığımızda ise birçok benzerlik görürüz:

Piksel yani ‘hücre’ (picture element). Görseldeki en küçük birim, görüntüyü oluşturan birimlerin her biridir. Pikseller çoğaldıkça orijinal görüntüyle ilgili taşınan bilgi çoğalacağından daha iyi bir görsel elde edilir. İnsan gözünün yatayda görüş alanı 120, dikeyde 60 derecedir. Bu özelliklerle insan gözü şimdiye kadar hiçbir makinede olmayan, 576 Megapiksel değerine sahiptir.

Referanslar:

https://www.bilgihanemiz.com/2013/11/gozun-yapsgozun-optik-ozellikleri-ve.html

https://evrimagaci.org/insan-gozu-kac-megapikseldir-1373

https://medium.com/photography-secrets/whats-the-difference-between-a-camera-and-a-human-eye-a006a795b09f

Pedrotti, F. L., Pedrotti, L. M., & Pedrotti, L. S. (2014).Introduction to optics. Cambridge: Cambridge University Press.

https://www.dicle.edu.tr/Contents/0c966fc8-a6a4-47a5-9ef8-7156e81ed49c.pdf (resim için)

https://www.allaboutvision.com/eye-exam/refraction.htm (Kapak fotoğrafı)