Фигура Хайдингера и чувствительность глаза

Физиологическая оптика и чувствительность глаза к поляризации света.

Каждый по собственному опыту (не всегда достаточно осознанному) знает, насколько чувствительным оптическим инструментом является глаз. Он способен воспринимать и различать интенсивность света, изменяющуюся в чрезвычайно широких пределах (примерно в миллиард раз, вплоть до потоков всего в несколько десятков квантов). Он различает сотни разных оттенков цвета. С его помощью мы получаем информацию о форме и пространственном, трехмерном расположении объектов.

Гораздо менее известно, что невооруженный глаз человека способен непосредственно реагировать и на поляризацию света. И это не удивительно, ибо поляризационная чувствительность глаза не идет ни в какое сравнение по своей «квалификации» с его спектральной или яркостной чувствительностью. Глаз человека реагирует на поляризацию, прямо скажем, плохо, однако все же реагирует, и об этом интересном обстоятельстве стоит рассказать. Да и сам вопрос, почему такой прекрасный оптический инструмент, как человеческий глаз, обладает плохой поляризационной чувствительностью, не лишен интереса.

Первым открыл возможность обнаружения поляризации света невооруженным глазом Хайдингер в 1844 году. Прежде всего следует сказать, что этим свойством обладают глаза не всех людей. Сколь часто или редко оно встречается, до сих пор подробно не исследовано, и мнения по этому поводу различны. Наблюдатель, одаренный этим свойством, глядя на однородное поле, освещенное линейно поляризованным белым светом, в течение нескольких секунд видит своеобразную слабо выраженную бледно-желтую фигуру на голубоватом фоне. По своим очертаниям фигура напоминает сноп с расширяющимися концами. Ее принято называть фигурой Хайдингера. Ось фигуры перпендикулярна направлению поляризации. Если изменить на 90° направление электрического вектора, то наблюдатель вновь видит фигуру, но ее положение оказывается повернутым на тот же угол. Если поле освещено синим светом, то контрастность фигуры увеличивается.

Фигура бывает видна даже в частично поляризованном свете, например на фоне голубого неба.

Аналогичное по своей природе явление открыл Нейбергер, наблюдавший через поляризатор и пластинку Савара (без анализатора!) слабую систему интерференционных полос. При этом оси симметрии интерференционной картины совпадают с осями фигуры Хайдингера, а контуры фигуры соответствуют местам перехода одной системы полос в другую, дополнительную.

Это говорит о том, что оба явления имеют общую причину. Уже из сказанного ясно, что причина эта — некий анализатор, расположенный в самом глазу. Еще Гельмгольц высказал предположение, что этот анализатор связан с дихроизмом радиальных волокон (так называемых мюллеровых нитей), покрывающих сетчатку глаза вблизи желтого пятна. Этот дихроизм, по-видимому, объясняется закономерным, а не хаотическим расположением анизотропных молекул желтого пигмента на упомянутых радиальных волокнах. Анализ фигуры Хайдингера показывает, что молекулярные осцилляторы поглощения пигмента должны быть направлены перпендикулярно радиальным волокнам. Таким образом, желтое пятно представляет собой своеобразный «радиальный поляроид».

Такой анализатор в различной степени ослабляет разные участки линейно (или частично линейно) поляризованного поля.Это различие имеет свои пространственные закономерности. Они и определяют форму фигуры Хайдингера.

Весьма просто можно изготовить модель радиального поляроида. Для этого полоску поляроида с. направлением пропускаемых колебаний вдоль длинной стороны надо разрезать на сектора — равнобедренные треугольники. Затем, сложив их как сектора многоугольника, получим подобие радиального поляроида. Для вполне хорошего воспроизведения его свойств достаточно 12 секторов. Можно уничтожить резкие границы между секторами, если быстро вращать наш многоугольник вокруг оси, проходящей через его центр. С помощью этого устройства можно объективно воспроизвести и продемонстрировать поляризационные явления в сетчатке. Если поместить радиальный поляроид между проектором и экраном и перед проектором ввести линейный поляризатор, то на экране возникает фигура Хайдингера. Если добавочно ввести после линейного поляризатора пластинку Савара, на экране будут видны интерференционные фигуры Нейбергера. И та и другая картины в общих чертах хорошо воспроизводят соответствующие субъективные ощущения в сетчатке.

Желтую окраску фигуры Хайдингера естественно связать со спектром поглощения желтого пигмента. Именно поэтому поляризационные энтоптические явления имеют место только в синей области спектра. Экспериментально определенные спектральные границы видимости фигуры Хайдингера составляют интервал 400—510 нм, наиболее отчетливо картина видна при освещении светом с длиной волны около 490 нм. Происхождение голубого фона, на котором виден сноп, объясняют явлением цветового контраста.

Энтоптическими называются оптические явления в самом глазу, связанные с теми или иными свойствами глазных систем и структур.

Впрочем, в ряде новых работ содержатся веские возражения против гипотезы Гельмгольца, связанной с мюллеровыми нитями и желтым пигментом. Указывают, что желтый пигмент не обладает дихроизмом, что он не связан с мюллеровыми нитями, что голубая окраска фона значительно превосходит ожидаемую по явлению контраста и т. д.

Предлагается новая анатомическая гипотеза о природе радиального поляризатора. Предполагается, что его структура связана с самой сетчаткой, находится непосредственно внутри нее среди палочек и колбочек, а может быть, и связана с ними. Кроме того, показано, что все свойства (форма, окраска и пр.) фигуры Хайдингера удается объяснить (и продемонстрировать на модельной установке) точнее и детальнее, если предположить, что анализатор глаза кроме радиального поляроида содержит еще и радиальную фазовую пластинку. Гипотетически связывают эту пластинку с так называемыми волокнами Хенле, которые обладают двойным преломлением, но не обладают дихроизмом.

Очевидно, что оптическая сущность гипотезы Гельмгольца о радиальном анализаторе глаза сохраняет свою силу и несомненно соответствует действительности. Понимание же анатомического строения анализатора, по-видимому, пока еще несовершенно и неоднозначно.

Фигура Хайдингера наблюдается также в том случае, когда поле освещено циркулярно поляризованным светом. Удивительно, что это было открыто сравнительно недавно, лет сто спустя после открытия Хайдингера, хотя фигура проявляется одинаково отчетливо и в циркулярно и в линейно поляризованном свете.

Если, например, смотреть через правоциркулярный поляроид на ясное или облачное небо, то наблюдатель видит типичную фигуру Хайдингера, ориентированную справа сверху — налево вниз. Вращение поляризатора в его собственной плоскости, как и следовало ожидать, не меняет ориентации фигуры. Левоциркулярный поляроид дает фигуру Хайдингера иной ориентации: слева сверху — вниз направо.

Таким образом, наблюдатель невооруженным глазом может отличить левую циркулярную поляризацию от правой.

Появление фигуры Хайдингера в свете с круговой поляризацией детально еще не изучено и не объяснено. В общих словах смысл явления сводится, по-видимому, к следующему. Декоторые среды глаза обладают двойным преломлением. Следовательно, они превращают циркулярный свет в эллиптически поляризованный. Далее же радиальный анализатор реагирует на него так же, как и на свет, частично линейно поляризованный, в зависимости от азимута поляризации.

Явление Хайдингера находит применение в офтальмологии. С его помощью можно дифференцировать поражение, заболевание самой сетчатки и глазных сред. Если, например, при общем ослаблении зрения сохраняется способность видеть фигуру Хайдингера, то, по-видимому, причина болезни не в сетчатке, а в помутнении или ином изменении глазных сред. Ибо эта способность непосредственно связана с самой сетчаткой, так как непосредственно на ней или даже внутри нее находится радиальный анализатор.

С развитием химической промышленности многое в жизни людей безвозвратно поменялось. Появились новые материалы, прочно вошедшие в повседневный быт. Одним из них является полиэтилен, или иначе говоря пленка. Сейчас есть предприятия, которые занимаются производством полиэтиленовой пленки и у которых можно приобрести нужную разновидность этого материала. Поскольку потребность в пленке очень велика, цена на нее очень даже скромная. Ею пользуются дачники, когда ставят теплицы, ее используют в строительстве при заливке бетона. Перечислять области применения этого полимера можно долго, но одно очевидно — это один из самых важных материалов в современном мире.