Das menschliche Auge

Den größten Teil aller Informationen aus unserer Umwelt nehmen wir über unsere Augen wahr. Sie sind ein überaus wichtiges Sinnesorgan.

Aufbau des menschlichen Auges

Das menschliche Auge ist ein kompliziertes Organ, das aus Muskeln, Fasern, Häuten, Nerven und Blutgefäßen besteht (Bild 1). Die nach außen auch als Schutz wirkende Hornhaut, die Augenflüssigkeit in der vorderen Augenkammer, die Augenlinse und der Glaskörper bilden ein Linsensystem, das insgesamt wie eine Sammellinse wirkt. Vereinfacht stellt man in der Physik dieses Linsensystem häufig durch eine Sammellinse dar. Diese Sammellinse hat eine Brennweite von ca. 20 mm. Das entspricht einem Brechwert von 50 Dioptrien. Genauere Betrachtungen zeigen eine deutliche Asymmetrie: Die vordere Brennweite (Brennweite in Luft) beträgt etwa 17 mm, die hintere Brennweite ca. 23 mm. Damit erhält man Brechwerte von etwa 60 dpt bzw. von etwa 45 dpt.
Beachte: Die Sammellinse in vereinfachten Darstellungen ist nicht identisch mit der Augenlinse (Kristalllinse), die nur ein Teil des optischen Systems Auge ist.

Die Augenlinse ist an Muskeln, den Ciliarmuskeln, aufgehängt. Durch diese Muskeln kann die Krümmung der Augenlinse verändert werden, damit von unterschiedlich weit entfernten Gegenständen auf der Netzhaut ein scharfes Bild entsteht.
Die Iris mit der Pupille als Öffnung wirkt wie eine Blende. Damit kann die Intensität des einfallenden Lichtes gesteuert werden. In der Netzhaut befinden sich die lichtempfindlichen Zellen - etwa 120 Millionen hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen und etwa 6 Millionen farbempfindliche Zäpfchen.

Aufbau des menschlichen Auges

Wirkungsweise des menschlichen Auges

Fällt von einem Gegenstand Licht auf das Auge, so wird es durch das optische System, das wie eine Sammellinse wirkt, gebrochen (Bild 2). Da sich die Gegenstände in der Regel weit außerhalb der doppelten Brennweite befinden, entsteht auf der Netzhaut ein verkleinertes, umgekehrtes, seitenvertauschtes und reelles (wirkliches) Bild des Gegenstandes.
Die unterschiedliche Helligkeit des Bildes wird durch die Stäbchen und Zäpfchen der Netzhaut in elektrische Impulse umgesetzt. Diese werden zum Gehirn weitergeleitet und dort zu optischen Eindrücken verarbeitet. Wir nehmen aufrechte, seitenrichtige Bilder wahr.

Besonderheiten der optischen Wahrnehmung

Bei der Wahrnehmung mit den Augen treten zwei Besonderheiten auf.

  • Unsere Augen registrieren einfallendes Licht stets so, als ob es von einem Ausgangspunkt aus geradlinig in unsere Augen fällt. Das gilt z.B. für Licht, das auf seinem Weg zu den Augen reflektiert oder gebrochen wurde. Deshalb sehen wir auch Bilder von Gegenständen an Stellen (z.B. hinter Spiegeloberflächen), an denen sie in Wirklichkeit gar nicht existieren.
  • Da die optischen Eindrücke im Gehirn verarbeitet werden, spielen beim Sehvorgang auch Erfahrungen und Stimmungen eine Rolle. Die optischen Eindrücke eines Försters und eines Stadtbewohners im Wald sind unterschiedlich. Allgemein gilt:

Verschiedene Personen, die ein und denselben Gegenstand betrachten, können unterschiedliche optische Wahrnehmungen haben.
Sehen ist also mehr als nur die optische Abbildung von Gegenständen auf der Netzhaut.

Bildentstehung im Auge

Anpassung des Auges an unterschiedliche Bedingungen

Anpassung an unterschiedliche Entfernungen: Wir wollen mit unseren Augen Gegenstände scharf sehen, auch wenn sich diese in unterschiedlicher Entfernung befinden. Die Anpassung des Auges an die Entfernung - man spricht auch von Akkomodation - geschieht mithilfe der Augenlinse (Bild 3). Durch die Ciliarmuskeln wird die Krümmung der Augenlinse und damit die Brechkraft des Linsensystems stufenlos verändert. Die Augen passen sich unwillkürlich an die jeweiligen Entfernungen an.

Wie stark sich ein normalsichtiges Auge anpassen kann, hängt wesentlich vom Alter der betreffenden Person ab. Bei Kindern und Jugendlichen ist die Anpassungsfähigkeit an geringe Entfernungen relativ groß. Sie nimmt mit zunehmendem Lebensalter ab. Das ist auch der Grund dafür, dass viele ältere Personen zum scharfen Sehen in geringer Entfernung eine Lesebrille benötigen. Sie gleicht die nicht mehr vorhandene Anpassungsfähigkeit der Augen aus. Eine größere Bildschärfe kann man auch erreichen, wenn die Pupille willkürlich verkleinert wird. Das ist der Grund dafür, dass Personen, die nicht mehr scharf sehen, die Augen zusammenkneifen.

Die kürzeste Entfernung, in der bei einem normalsichtigen Auge ein Gegenstand längere Zeit ohne Überanstrengung betrachtet werden kann, beträgt bei den menschlichen Augen ca. 25 cm. Diese Entfernung von 25 cm wird in der Physik als deutliche Sehweite bezeichnet. Diese deutliche Sehweite wird auch bei der Konstruktion optischer Geräte berücksichtigt.

Verringert man die Entfernung eines Gegenstandes von den Augen immer mehr, so kommt man schließlich zu einem Punkt, bei dem man gerade noch ein scharfes Bild des Gegenstandes sehen kann. Dieser Punkt heißt Nahpunkt. Bei normalsichtigen Kindern liegt dieser Nahpunkt etwa 10 cm vor den Augen. Mit zunehmendem Alter verschiebt sich der Nahpunkt vom Auge weg.

Anpassung des Auges an ferne bzw. an nahe Gegenstände durch unterschiedliche Krümmung der Augenlinse

Anpassung an unterschiedliche Helligkeit: Die Gegenstände, die wir betrachten, haben eine sehr unterschiedliche Helligkeit. Damit ist auch die in Richtung Augen fallende Lichtintensität sehr verschieden. Zur Steuerung der in die Augen fallenden Lichtintensität kann die Iris mit der Pupille als Öffnung verändert werden (Bild 4). Bei großer Helligkeit ist die Pupille klein, bei kleiner Helligkeit groß. Damit wird die in die Augen fallende Lichtmenge gesteuert.
Hinzu kommt, dass die hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen empfindlicher sind als die farbempfindlichen Zäpfchen, die erst bei ausreichender Lichtintensität ansprechen.

Anpassung an unterschiedliche Helligkeit von Gegenständen durch Veränderung der Größe der Pupille

Farbiges Sehen

Für das farbige Sehen sind die ca. 6 Millionen Zäpfchen in der Netzhaut verantwortlich. Davon gibt es drei Arten: Die eine ist für rotes (langwelliges) Licht am empfindlichsten, die anderen Arten sind es für grünes (mittlere Wellenlänge) und für blaues (kurzwelliges) Licht (Bild 5). Wenn farbiges Licht auf die Zäpfchen fällt, werden die lichtempfindlichen Zellen gereizt und diese Reize an das Gehirn weitergeleitet. Es ergibt sich ein Farbeindruck, der sich aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zusammensetzt. Dabei wirken die Gesetze der additiven Farbmischung.
Die Zäpfchen sprechen allerdings nur bei einer ausreichenden Lichtintensität an. Ist sie zu gering, etwa nachts, dann sehen wir nur mit den hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen. Der Ausspruch:
„Nachts sind alle Katzen grau.“
hat also einen realen physikalischen Hintergrund.

Empfindlichkeit des Auges

Das Auge ist ein sehr empfindliches Sinnesorgan. Es kann eine Vielzahl von Farben bei unterschiedlichen Helligkeiten aufnehmen und verarbeiten. Die Lichtenergie, die gerade noch von den Augen wahrgenommen wird, beträgt etwa 21017J.
Sein Auflösungsvermögen beträgt etwa 1/60 Grad. Das bedeutet: Zwei Punkte eines Gegenstandes, die man unter einem Winkel von 1/60 Grad sieht, kann man gerade noch als getrennte Punkte wahrnehmen. Das wären 2 Punkte in 1 m Entfernung, die einen Abstand von 0,2 mm voneinander haben.

Wie auch bei anderen Sinnesorganen können beim Auge angeborene oder erworbene Fehler auftreten. Dazu zählen Kurzsichtigkeit, Übersichtigkeit (Weitsichtigkeit) und Altersichtigkeit sowie Fehler beim Farbensehen (Rot-Grün-Schwäche, Farbblindheit).
Vieler dieser Augenfehler können durch Sehhilfen (Brillen, Kontaktlinsen) oder durch Operationen korrigiert werden. Genauere Informationen zu Augenfehlern und Sehhilfen sind unter diesen Stichwörtern zu finden.

Die drei Arten von Zäpfchen sind für unterschiedliche Farben (Wellenlängen) empfindlich.

Sehfehler und Sehhilfen


Eine Reihe von Menschen hat Probleme, Gegenstände scharf zu sehen oder die richtigen Farben zu erkennen. Solche Defekte werden als Sehfehler oder Augenfehler bezeichnet. Erkennen kann man sie durch einen Sehtest, der z.B. mithilfe einer Sehtafel durchgeführt werden kann. Sehfehler sind meist angeboren, können sich aber auch im Laufe der Zeit entwickeln. Am häufigsten treten Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit auf. Nicht selten ist auch eine Sehschwäche für bestimmte Farben. Viele Sehfehler können durch Brillen, Kontaktlinsen oder durch operative Eingriffe korrigiert werden. Nachfolgend sind die wichtigsten Sehfehler und Möglichkeiten ihrer Korrektur dargestellt. Dabei ist zu beachten: Die Hinweise beziehen sich immer auf das einzelne Auge. Zwischen den beiden Augen eines Menschen können erhebliche Unterschiede bestehen.

Kurzsichtigkeit

Die Kurzsichtigkeit oder Myopie entsteht zumeist durch eine angeborene vergrößerte Länge des Augapfels (Bild 6). Während beim normalsichtigen Auge ein scharfes Bild auf der Netzhaut entsteht, ist das bei einem kurzsichtigen Auge vor der Netzhaut der Fall. Das Bild auf der Netzhaut ist unscharf.
Um die Kurzsichtigkeit zu korrigieren, muss man dafür sorgen, dass sich die Lichtstrahlen nicht vor der Netzhaut, sondern auf ihr schneiden. Dafür gibt es drei Möglichkeiten:
  •  
Es wird eine Brille mit einer Zerstreuungslinse verwendet. Die Stärke der Brille muss exakt vom Augenarzt oder vom Optiker ermittelt werden. Sie wird in Dioptrien angegeben. Eine Dioptrie (Abkürzung: 1 dpt) ist die Einheit für die Brechkraft einer Linse. Die Brechkraft ist der reziproke Wert der Brennweite in Metern. Hat ein Brillenglas z.B. eine Brechkraft oder Stärke von -2,5 Dioptrien (-2,5 dpt), dann handelt es sich um eine Zerstreuungslinse (Minuszeichen) mit einer Brennweite von (1 : 2,5) m = 0,4 m oder 40 mm. Größere Werte für die Brechkraft bedeuten Linsen kleinerer Brennweite, durch die das Licht auch stärker gebrochen wird.
  •  
Es wird eine entsprechende Kontaktlinse verwendet, die auf die Hornhaut aufgebracht wird.
  •  
Die Krümmung der Hornhaut wird operativ verändert, indem Teile der Hornhaut abgetragen werden und damit ihre Krümmung verringert wird.
Normalsichtiges und kurzsichtiges Auge im Vergleich

Weitsichtigkeit

Die Weitsichtigkeit, auch als Übersichtigkeit oder Hyperopie bezeichnet, entsteht zumeist durch eine angeborene verkürzte Länge des Augapfels (Bild 7). Während beim normalsichtigen Auge ein scharfes Bild auf der Netzhaut entsteht, ist das bei einem weitsichtigen Auge hinter der Netzhaut der Fall. Das Bild auf der Netzhaut ist unscharf.
Um die Weitsichtigkeit zu korrigieren, muss man dafür sorgen, dass sich die Lichtstrahlen nicht hinter der Netzhaut, sondern auf ihr schneiden. Dafür gibt es wie bei der Korrektur der Kurzsichtigkeit drei Möglichkeiten:
  •  
Es wird eine Brille mit einer Sammellinse verwendet, z.B. eine Brille mit +2,0 Dioptrien. Das Pluszeichen steht für eine Sammellinse.
  •  
Es wird eine entsprechende Kontaktlinse verwendet.
  •  
Die Krümmung der Hornhaut wird operativ verändert, indem Teile der Hornhaut abgetragen werden und damit ihre Krümmung vergrößert wird
Eine spezielle Form der Weitsichtigkeit ist die Alterweitsichtigkeit. Sie kommt zustande, weil die Augenlinse mit zunehmendem Alter an Elastizität verliert und damit nicht mehr so stark gekrümmt werden kann. Die Folge davon ist, dass nahe Gegenstände nicht mehr scharf gesehen werden können. Korrigiert wird das durch eine Brille mit Sammellinse. Da diese Brille meist nur zum Lesen benötigt wird, spricht man auch von einer Lesebrille.
Normalsichtiges und weitsichtiges Auge im Vergleich

Farbschwächen

Eine Reihe von Menschen hat Probleme, Farben richtig zu erfassen. Man spricht dann von Farbschwäche oder Farbfehlsichtigkeit. Eine absolute Farbblindheit ist außerordentlich selten. Relativ häufig tritt aber eine Rot-Grün-Schwäche auf, also die Erscheinung, dass Rot und Grün nur schlecht unterschieden werden können. Bei männlichen Personen ist das häufiger der Fall als bei weiblichen Personen.
Ursache für solche Farbfehlsichtigkeiten ist die zu geringe Empfindlichkeit von Sehzellen der Netzhaut (Zäpfchen) für eine bestimmte Farbe, z.B. für Rot oder für Grün.
Prüfen lässt sich die Farbtüchtigkeit einer Person mithilfe spezieller Farbtafeln (Bild 8). Hat z.B. jemand eine Rotschwäche, so hat er Probleme, den Buchstaben und die Zahl zu erkennen, die aus roten Punkten zusammengesetzt sind.

Weitere Sehfehler

Sehfehler können auch zustande kommen, wenn die Augenlinse oder die Hornhaut angeborene oder erworbene Defekte aufweist. Es treten dann Linsenfehler auf, vor allem
  •  
die chromatische Aberration
  •  
die sphärische Aberration und
  •  
der Astigmatismus.
Genauere Hinweise dazu findet man unter dem Stichwort „Abbildungsfehler bei Linsen“. Sehfehler und Sehschwächen können auch durch eine meist altersbedingte Trübung der Augenlinse (Grauer Star), durch andere Erkrankungen oder durch Unfälle zustande kommen.
Farbtafel zur Prüfung des Farbensehens

Optische Täuschungen

Manchmal meinen wir, etwas zu sehen, was in Wirklichkeit anders ist, als wir wahrnehmen. Solche „falschen“ optischen Eindrücke bezeichnet man als optische Täuschungen. Bild 9 zeigt dafür ein einfaches Beispiel.
Neben Richtungstäuschungen gibt es u.a. auch Größentäuschungen, Formentäuschungen, Kontrasttäuschungen und Farbtäuschungen. Bei den optischen Täuschungen spielen auch Sehgewohnheiten und Erfahrungen eine wichtige Rolle. Nachfolgend sind anhand von Beispielen die wichtigsten Arten optischer Täuschungen dargestellt.

Es scheint so, als ob die beiden waagerechten Linien gebogen sind. Mithilfe eines Lineals kann man sich aber leicht davon überzeugen, dass es Geraden sind.

Richtungstäuschungen

Besonders häufig treten Richtungstäuschungen auf. Sie führen dazu, dass wir z.B. meinen,
  •  
parallele Linien seien nicht parallel (siehe Bild 10) oder
  •  
regelmäßig geformte Körper (Kreis, Quadrat) seien nicht regelmäßig geformt (Bild 10).


Ursache für diese Art von Richtungstäuschungen sind meist weitere Linien, die in ihrer Gesamtheit einen falschen Eindruck hervorrufen.

Die beiden schräg nach oben verlaufenden Linien sind Geraden, erscheinen aber gebogen.

Größentäuschungen

Größentäuschungen treten ebenfalls in unterschiedlichen Varianten auf. Man unterscheidet zwischen perspektivischen Größentäuschungen und sonstigen Größentäuschungen, die meist auf die Länge von Linien bezogen sind. Bild 11 zeigt eine typische perspektivische Größentäuschung. Die Personen erscheinen unterschiedlich groß, obwohl sie alle gleich groß sind.
Eine besondere Größentäuschung ergibt sich auch aus unseren Erfahrungen: Wir wissen, wie groß im Durchschnitt eine Person ist. Es ist nachweisbar: Wir nehmen eine Person, die sich in größerer Entfernung von uns befindet, aufgrund dieser Erfahrung größer war, als es nach dem Strahlenverlauf möglich ist. Das gilt auch für andere uns vertraute Lebewesen oder Gegenstände.

Die Personen scheinen unterschiedlich groß zu sein. Sie haben aber, wie man leicht nachmessen kann, alle die gleiche Größe.

Beispiele für solche auf Linien bezogenen Größentäuschungen zeigt Bild 12. Die Länge der Strecken zwischen A und B und zwischen A und C ist jeweils gleich, obwohl die Strecken verschieden lang zu sein scheinen.
Eine Größentäuschung tritt auch auf, wenn wir Sonne oder Mond in verschiedenen Stellungen betrachten. Stehen sie hoch über dem Horizont, so erscheinen sie uns kleiner als bei einer Stellung kurz vor dem Horizont. Die Ursache für diese optische Täuschung ist komplexer Natur: Zum einen spielt die unterschiedliche Brechung des Lichtes beim Durchgang durch die Atmosphäre eine (geringe) Rolle. Zum anderen vergleichen wir bei der Betrachtung von Sonne oder Mond in Horizontnähe unbewusst näherliegende Gegenstände (Bäume, Häuser, Berge) mit der Sonne bzw. dem Mond.

Die Strecken AB und AC scheinen eine unterschiedliche Länge zu haben. Sie sind aber gleich lang.

Formentäuschungen

Formentäuschungen treten auf, weil mitunter ein Bild oder ein Gegenstand in völlig unterschiedlicher Weise wahrgenommen werden kann. Bild 13 zeigt dafür zwei Beispiele: Bild 13a zeigt zwei Gesichter oder eine Vase, Bild 13b eine alte oder eine junge Frau. Eine besondere Art von Formtäuschungen findet man bei Vexierbildern (Suchbildern), in denen z.B. Personen so „versteckt“ sind, dass man sie nicht auf den ersten Blick in dem Bild findet.

Bild 14a zeigt eine schwarze Vase vor einem weißen Hintergrund. Es könnten aber auch zwei weiße Gesichter vor einem schwarzen Hintergrund sein. Bei Bild 14b nimmt man entweder eine alte Frau schräg von vorn oder eine jüngere Frau schräg von hinten wahr.

Kontrasttäuschungen

Stoßen Flächen mit starken Kontrasten, also z.B. schwarze und weiße Flächen, aneinander, so kommt es ebenfalls leicht zu optischen Täuschungen, die man als Kontrasttäuschungen bezeichnen kann. Bild 14 zeigt dafür Beispiele: In Bild 15a erscheint der schmale weiße Streifen in der Mitte breiter als der rechts danebenliegende schwarze Streifen. Bei Bild 15b erscheinen die Stellen zwischen jeweils vier schwarzen Rechtecken grau. Fixiert man sie genauer, so sind sie weiß.
Allgemein gilt bei Kontrasttäuschungen: Helle Gegenstände oder Flächen erscheinen uns größer als gleich große dunkle Gegenstände oder Flächen. Diese Erscheinung wird als Irradiation bezeichnet. Sie hängt auch mit der ständigen unwillkürlichen Augenbewegung zusammen.
Eine weitere Kontrasttäuschung besteht darin, dass ein Objekt auf einem hellen Grund dunkler erscheint als das gleiche Objekt auf einen dunklen Grund.

Helle und dunkle Flächen führen leicht zu Kontrasttäuschungen: Bei Bild 15a sind die helle und dunkle Fläche in der Mitte gleich breit. Bei Bild 15b sind die Bereiche zwischen jeweils vier schwarzen Quadraten nicht grau, sondern weiß.

Farbtäuschungen

Auch Farbtäuschungen kommen vorrangig dadurch zustande, dass unser Farbeindruck von einem Gegenstand erheblich durch die Umgebungsfarbe beeinflusst werden kann. Bild 15 zeigt dafür ein Beispiel: Ein graues Stück Papier erscheint auf einer roten Fläche grünlich, auf einer grünen Fläche dagegen rötlich.

Die Farbwahrnehmung eines Gegenstandes wird durch die Umgebungsfarbe beeinflusst: Die Fotos zeigen ein Stück graues Papier auf unterschiedlichem Hintergrund.

Weitere optische Täuschungen und Folgerungen daraus

Optische Täuschungen können auch durch Luftspiegelungen hervorgerufen werden. Genauere Informationen dazu findet man unter diesem Stichwort.
Eine weitere optische Täuschung besteht darin, dass wir aufgrund unserer Erfahrungen und Kenntnisse Gegenstände auch dann wahrnehmen, wenn sie nur teilweise oder unvollständig dargestellt sind. Bild 16 zeigt dafür ein Beispiel. Das gilt z.B. auch für Schrift, die wir auch dann noch wahrnehmen, wenn einzelne Buchstaben abgeschnitten sind oder ganz fehlen.

Da Sehen ein physiologischer Vorgang ist, der sich letztendlich im Gehirn abspielt, beeinflussen u.a. Erfahrungen oder Stimmungen unsere optische Wahrnehmung. Deshalb gilt allgemein:
Ein und derselbe Gegenstand kann von verschiedenen Personen unterschiedlich wahrgenommen werden.
Welcher der unterschiedlichen Wahrnehmungen „richtig“ ist, kann meist nur schwer ermittelt werden. Wenn man weiß, wie viele optische Täuschungen auftreten können, dann sollte man auch vorsichtig mit Behauptungen wie „Ich habe es genau gesehen“ und mit Folgerungen aus optischen Wahrnehmungen einer einzelnen Person sein.

Trotz der scheinbar zusammenhanglosen Schnipsel erkennt man sofort: Es handelt sich hier um ein Kamel.
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