How do we see?
The eye functions just like a camera. The light reflected from objects firstly arrives to the transparent external cornea. The cornea has approximately 70% of the light refraction power of the eye. The light beams formed are directed from here to the pupil. The light beams are refracted again by the lens. Thus, the light hits just upon the retina. This condition arises from controlled intensity changes of the lens and this changes the refractive index of the lens. This procedure is defined as accommodation of the eye. While refraction is below 20 diopter in a young eye, this value may reach up to 30 diopter during accommodation. In this way, the eye can see near and distant objects clearly and accurately. The light beams finally cross the vitreus (gelatinous substance) and fix at the retina. The retina functions like a film. The light beams arriving are transformed into electrical energy by the retina and directed to the brain by the optic nerves. Here, the signals are processed and are perceived as pictures.
Functions Fixing
When fixed at a certain point, our brain adjusts the position of the eye such that both eyes are directed to this point during vision. When we look directly to a distant object our both eyes are parallel to each other with their visual axes. An object is picturized in the middle of the retina (the macula that has the best visual acuity) of both eyes. The edges of the object or the objects beside are located in another part of the retina in a certain distance from the middle retina. Everything we see with the middle retina appears to us as straight direction. Since the picture formed in our eyes is formed by the surroundings and its height and itself is inverse, we see a picture located in the left side of the middle retina as straight right only when it is relocated by our brain accurately. Each point of the retina has a sense of direction, which is the same in both eyes. The equalization ability of the two retinas is named retina communication. If an eye focuses on an object and the other eye does not look straight (also look at the object), this is called strabismus. When one squints, the object is picturized on a different point of the retina in the eye which is not focusing compared to the focusing eye. This different point of the retina has a different direction value. Therefore, the object is seen double: we see the object straight with the focusing eye. We see the object in another place with the unfocusing eye. During daily life, various double pictures are also seen. Our brain prevents perception of these pictures. For example, all objects in front and behind the object on which we focus form double pictures. We can understand this phenomenon better, if we put one finger in front of our eyes and look outside of the window : the finger is seen double. We do not see objects double when we look at objects directly due to fusion. Fusion combines vision impressions of both eyes in a single picture. If fusion was absent, the eyes would go to a special resting position, and we would mostly see double. If fusion is limited because of fatigue or alcohol, approximately 80% of the people see double pictures. These people have hidden strabismus (heterophoria). This strabismus appears only when fusion is interrupted. A greater power compared to fusion is 3-dimensional vision power (Stereopsis). Since both eyes are in a certain distance to each other, the objects on which each eye focuses is seen from another point of view, though to a small extent which means that a different picture is formed in each eye. With the combination of these two pictures in the brain 3-dimensional vision is possible.
Colored vision
English physicist Isaac Newton discovered that the white sunlight was composed of different colors in his experiments he performed with a prisma in 1670. A prisma separates the light into the colors of rainbow (from purple to red). Subsequently, English physician and physicist Thomas Young (1773 – 1829) proved that the light showed indented behavior like a wave. When the distance between the crests(peaks) of two waves is measured, the wavelenght of the light is determined. We can see light wavelengths between 400 and 800 nanometers (nm) with our eye.
This light is separated into colors by a prisma, which means that it is separated into different wavelenghts. We perceive different colors according to the wavelength reaching our eye. We can differentiate 160 colors and hundred thousands of color nuances inside the visual range of 400 – 800 nanometers. However, there are only three separate pigments in the cone cells of our retina, which react to three colors: blue (445 nm), green (535 nm) and yellow (570 nm). However, this reaction is not fully clear. The pigments also react to the colors at the limit of the visual field. Perception of the light inside the whole visual field is provided. Thus, for example, the color of red can also be perceived by the eye. Disorders in perception of colors may be congenital or may be acquired as a result of morbidities during a lifetime. Congenital color blindness is observed in 8% of men and in 0,2% of women. These patients generally confuse the colors, and red-green disorders are present most of the time.
The opthalmologist uses different devices and color boards for the diagnosis. Treatment of congenital color blindness is not possible.
Visual Field
Als Gesichtsfeld wird derjenige Bereich der Umwelt bezeichnet, der bei ruhig geradeaus blickendem Auge wahrgenommen wird. Ein normal großes Gesichtsfeld eines Auges reicht nach oben bis ca. 60°, nach unten bis ca. 70°, nach außen (d.h. zur Schläfe hin) bis ca. 90° und nach innen (d.h. zur Nase hin) bis ca. 60°. Blicken beide Augen ruhig geradeaus auf einen Punkt, wird ein größerer Ausschnitt der Umwelt wahrgenommen, das beidäugige Gesichtsfeld. In ihm gibt es einen großen zentralen Bereich, der mit beiden Augen gleichzeitig gesehen wird. Der rechte Außenbereich wird nur vom rechten, der linke Außenbereich nur vom linken Auge gesehen. Ein normal großes Gesichtsfeld ist für unsere Orientierung im Raum unentbehrlich. Bei sehr starker Einengung des Gesichtsfeldes kann deshalb trotz voller Sehschärfe praktische Erblindung vorliegen. Die Untersuchung des Gesichtsfeldes wird Perimetrie genannt. Mit Hilfe der Perimetrie können Ausfälle (Skotome) im Gesichtsfeld nachgewiesen werden. Ursache für solche Ausfälle sind Erkrankungen der Netzhaut, des Sehnervs oder der weiterführenden Sehbahn im Gehirn. Jedes Auge hat aber auch einen natürlichen Ausfall, den blinden Fleck. Er wird durch die Austrittsstelle des Sehnerven verursacht, der ja keine Zapfen oder Stäbchen zur Lichtwahrnehmung besitzt.
Adaption
Unter Adaptation versteht man die Fähigkeit des Auges, sich verschiedenen Helligkeiten der Umgebung anzupassen. Dadurch ist es möglich, sowohl in grellem Sonnenlicht als auch in dunkler Nacht zu sehen. Die Anpassung an Dunkelheit wird hauptsächlich durch die Stäbchen der Netzhaut geleistet. Sie enthalten als lichtempfindliche Substanz den Sehpurpur (Rhodopsin), der unter Lichteinwirkung zerfällt. Bei zunehmender Dunkelheit wird er wieder aufgebaut und ermöglicht ein Sehen bei Nacht. Diese Dunkeladaptation ist ein langsam ablaufender Prozess, der in der Regel eine halbe Stunde benötigt. Im dunkeladaptierten Zustand arbeiten die für das Tag- und Farbensehen verantwortlichen Zapfen der Netzhautmitte nicht. Deshalb beträgt in der Dunkelheit die Sehschärfe nur ca. 1/10 der Sehschärfe bei heller Beleuchtung, und Farben können in der Dunkelheit nicht unterschieden und nicht wahrgenommen werden. Die Helladaptation verläuft wesentlich schneller als die Dunkeladaptation und dauert nur ca. drei bis zehn Minuten. Der Adaptationszustand der Netzhaut wird durch Blendung gestört. Dies spielt vor allem beim Autofahren in der Dämmerung und bei Nacht eine Rolle, wenn man durch die Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge geblendet wird. Dem Augenarzt stehen verschiedene Geräte zur Untersuchung der Adaptationsfähigkeit des Auges zur Verfügung, die besonders zur Beurteilung der Nachtfahrtauglichkeit von Bedeutung sind.
Sehschärfe
Voraussetzung für scharfes Sehen ist eine Abbildung unserer Umwelt auf der Netzhautmitte. Dazu müssen Lichtstrahlen, die von einem Gegenstand in unserer Umgebung reflektiert werden, im Auge so gebrochen werden, dass sie eine scharfe Abbildung auf der Netzhaut erzeugen können. Dieser Vorgang, der vor allem in der Hornhaut und der Linse erfolgt, wird Lichtbrechung (Refraktion) genannt.
Die Hornhaut hat den größten Anteil an der Lichtbrechung. Sie vereinigt zusammen mit der Linse die Lichtstrahlen in einem Punkt, dem Brennpunkt. Der Abstand zwischen Hornhaut und Linse einerseits und diesem Brennpunkt andererseits wird Brennweite genannt. Diese Brennweite ist kennzeichnend für die Stärke einer Linse bzw. eines Linsensystems. Als Brechkraft bezeichnet man den Kehrwert der in Metern (m) angegebenen Brennweite. Die Einheit der Brechkraft ist die Dioptrie (dpt). Eine Brechkraft von 1 dpt entspricht beispielsweise einer Brennweite von 1 m, eine Brechkraft von 3 dpt einer Brennweite von 1/3 m = 33,3 cm und eine Brechkraft von 5 dpt einer Brennweite von 1/5 m = 20 cm.
Die Hornhaut besitzt eine Brechkraft von ca. 43 dpt. Die Brechkraft der Linse beträgt beim Blick in die Ferne ca. 19 dpt. In diesem Ruhezustand ist die Linse sehr dünn, und Bilder in der Ferne werden scharf abgebildet. Um nun auch in der Nähe scharf zu sehen, muss die Brechkraft der Linse erhöht werden. Dies gelingt über eine Anspannung des Ziliarmuskels, an dem die Linse über Fasern aufgehängt ist. Wenn sich der ringförmige Ziliarmuskel anspannt, erschlaffen die Fasern. Dadurch kann sich die Linse mehr der Kugelform annähern. Sie erhöht damit ihre Brechkraft. Diese Einstellung des Auges auf ein scharfes Sehen in der Nähe wird Akkommodation genannt.
Mit der Bestimmung der Sehschärfe (Visus) wird die Funktion der Stelle des schärfsten Sehens geprüft (Abbildung).
Dabei wird untersucht, wie weit zwei Punkte voneinander entfernt sein dürfen, um gerade noch getrennt wahrgenommen zu werden. Zwei Punkte können nur dann als getrennt wahrgenommen werden, wenn in der Netzhaut zwischen zwei gereizten Zapfen ein ungereizter Zapfen liegt. Da die Anzahl der Zapfen von der Netzhautmitte zu ihren Randbereichen hin abnimmt, sinkt auch die Sehschärfe mit der Entfernung von der Stelle des schärfsten Sehens ab.
Die Sehschärfe wird ab einer, bestimmtem Entfernung geprüft. Für die Ferne sind es in der Regel 5 oder 6 Meter, für die Nähe 33 oder 40 Zentimeter. Die durchschnittliche Sehschärfe gesunder Augen beträgt 1,0. Dieser Wert ergibt sich, wenn man in einer Prüfentfernung von z. B. 5 Metern zwei winzige Objekte in einem Abstand von etwa 1,4 Millimetern gerade noch getrennt wahrnehmen kann. Eine Sehschärfe von 1,0 ist aber nicht das Ende der Skala. Gesunde Augen können auch eine Sehschärfe von 1,2 oder 1,6 oder noch bessere Werte erreichen. Die Sehschärfe ist u. a. abhängig von der Beleuchtung, dem Kontrast und der individuellen Aufmerksamkeit. Für die meisten Tätigkeiten des täglichen Lebens reicht eine geringere Sehschärfe als 1,0 aus, für bestimmte Tätigkeiten (z. B. das Führen eines Kraftfahrzeuges) ist aber eine gute Sehschärfe vorgeschrieben und enorm wichtig.
Es gibt verschiedene Sehzeichen (Optotypen), mit denen die Sehschärfe geprüft werden kann. Meist werden für die Ferne Ziffern (oder Buchstaben) verwendet. Für Kinder stehen Bildtafeln zur Verfügung. Bei der Geburt haben Säuglinge noch keine volle Sehschärfe. Es dauert etwa drei Monate, bis die Stelle des schärfsten Sehens ausgereift ist. Danach steigt die Sehschärfe langsam an.