Sehen: Die Umgebung wird im Auge abgebildet

Sehen: Die Umgebung wird im Auge abgebildet

 

Die Optik des Auges

 

Das Auge vergleicht man oft mit einem Fotoapparat. Wie bereits beschrieben, hinkt der Vergleich jedoch. Lediglich die Optik von Auge und Kamera ist vergleichbar. Beide erzeugen eine Abbildung der Umgebung. Die Augenoptik ist nicht leicht zu durchschauen. Glücklicherweise gibt es mit der Lochkamera eine extrem einfache Optik ohne Linsen, bei der leichter zu verstehen ist, wie das Bild entsteht. Die Camera obscura (lateinisch: dunkler Raum) ist eine Lochkamera. Warum in der Camera obscura ein Bild entsteht, kann man unmittelbar erkennen. Die Lichtwellen breiten sich zwar von jedem beleuchteten Punkt der Außenwelt nach allen Seiten aus. Der Anteil aber, der von jedem Punkt der Umgebung durch das enge Loch in den dunklen Raum gelangt, ist ein gerader Strahl. Den Strahl erkennt man im dunklen Raum an den beleuchteten Staubteilchen in seiner Bahn. Von jedem Punkt der Außenwelt fällt ein gerader Strahl durch das Loch und endet an einem bestimmten Ort der Rückwand. So entsteht dort das zweidimensionale Bild der dreidimensionalen Außenwelt. Dieses Prinzip gilt auch für das Auge.

 

Die Ursprünge der Camera obscura liegen im Dunkeln. Künstler verwendeten sie bis ins 19. Jahrhundert beim Skizzieren ihrer Gemälde. Die Camera obscura war dafür aber nicht sehr geeignet. Durch das kleine Loch gelangte nur wenig Licht in den dunklen Raum, sodass das große Bild lichtschwach war. Mit einem vergrößerten Loch käme zwar mehr Licht herein, aber das Bild würde dafür unscharf. Problematisch ist auch, dass das Bild der Camera obscura auf dem Kopf steht und dass rechts und links vertauscht sind. Das Bild war somit vollständig invertiert, das heißt um 180º gedreht. Zur Behebung dieser Nachteile wurden Modelle entwickelt, die nichtinvertierte und durch den Einsatz von Sammellinsen auch lichtstarke Bilder lieferten. Auch im Auge erhöht die Linse die Beleuchtungsstärke der Netzhaut. Alles Licht, das von einem Punkt im Außenraum durch die Pupille ins Auge gelangt, wird durch die Linse zu einem hellen Bildpunkt zusammengeführt. An dieser Leistung ist auch die gekrümmte Hornhaut beteiligt. Die optische Inversion der Abbildung wird jedoch erst im Gehirn bei der Bildauswertung korrigiert.

 

Probleme des Linsenauges und ihre Lösung

 

Mit einer Umkehrbrille kann man beim Bild im Auge oben und unten vertauschen. Die Welt scheint dann auf dem Kopf zu stehen. Rechts und links wird bei der Oben-unten-Spiegelung dagegen nicht vertauscht. Wer die Umkehrbrille einige Stunden trägt, erlebt, wie sich die gesehene Umgebung manchmal für kurze Zeit aufrichtet, aber bald danach zurückkippt. Die Versuchspersonen wissen dann nicht genau, wo sich die gesehenen Dinge befinden, und greifen oder deuten oft in die falsche Richtung. Nach wenigen Tagen bleibt die Wahrnehmung trotz Umkehrbrille aufrecht. Die Versuchspersonen können dann sicher umhergehen und sogar Rad fahren. Die Bildverarbeitungsvorgänge im Gehirn, die uns die Orientierung ermöglichen, sind nicht vollständig festgelegt. Das Verhalten der Umkehrbrillenträger ist ein weiteres Beispiel für Plastizität, das heißt einen durch Lernen beeinflussbaren Verarbeitungsvorgang im Gehirn. Wenn die Versuchspersonen die Brille nach Tagen absetzen, scheint die Welt vorübergehend wieder auf dem Kopf zu stehen. Sie lernen jedoch innerhalb von Minuten, sich wieder in der normalen Umwelt zurechtzufinden. Dieses Experiment weist einen sehr speziellen Fall von Plastizität nach. Die Umkehrbrille vertauscht bei der Abbildung im Auge nur oben und unten. Rechts und links bleiben unverändert. Eine vollständige Drehung des Bildes um 180º, kann man, wenn überhaupt, nur viel langsamer lernen.

 

Dank der großen Pupille und der Lichtbündelung kommt es im Auge zu einem hellen Bild. Der Aufbau des Auges kann aber auch zu einem unscharfen Bild führen, was bei einem kurzsichtigen Auge durch eine Zerstreuungslinse, bei einem weitsichtigen Auge durch eine Sammellinse korrigiert werden muss. Das normale Auge kommt jedoch ohne Brille aus. Es hat sich im Laufe der Evolution so entwickelt, dass alle Teile mit großer Genauigkeit zusammenarbeiten können.

 

Die Augenentwicklung erfolgt überwiegend im Mutterleib ohne visuelle Erfolgskontrolle. Für die Feinabstimmung von Brechkraft und Augenlänge sind aber Erfahrungen beim Sehen notwendig. Viele augenärztliche Erkenntnisse führten zu dieser Vermutung, bevor sie durch Untersuchungen an Hühnerküken bestätigt wurde. Den Küken wurden Hauben mit Brillengläsern aufgesetzt, welche die Küken je nach den verwendeten Brillengläsern ein wenig kurz- oder weitsichtiger machten. Bei den anschließenden täglichen augenärztlichen Untersuchen stellte sich heraus, dass sich die Augen der Küken innerhalb weniger Tage veränderten: Die brillenbedingte leichte Kurz- bzw. Weitsichtigkeit ging zurück. Die hohe Genauigkeit im Zusammenspiel der Teile des Auges regelt sich offensichtlich unter Beteiligung des Sehprozesses selbst. In einem weiteren Experiment wurde auf der einen Seite eine Sammel-, auf der anderen eine Zerstreuungslinse eingesetzt. Auch in diesem Fall passten sich beide Augen an die neuen optischen Bedingungen an: Der Augenhintergrund, auf dem das Bild entsteht, wanderte im einen Auge nach hinten, im anderen nach vorne, sodass die Bilder in beiden Augen wieder scharf waren. Wahrscheinlich ist auch beim Menschen die Feinabstimmung zwischen Brechkraft und Augenlänge in dieser Weise plastisch, also anpassungsfähig unter dem Einfluss von Seherfahrungen in der Jugend. Welchen Einfluss diese Erkenntnis auf die Behandlung der Kurz- und Weitsichtigkeit haben wird, ist noch nicht absehbar.

 

Scharfe Bilder durch Akkomodation

 

Zur Beschreibung der Akkommodation ist ein Vergleich zwischen den beiden in der Grafik dargestellten Strahlengängen im Auge hilfreich. Im ersten Fall ist die Brechkraft des Auges gerade so eingestellt, dass auf der Netzhaut ein scharfes Punktbild entsteht. Im zweiten Bild ist der Punkt näher an das Auge herangerückt. Wenn die Brechkraft gleich bleibt, wird das Bild erst weiter hinten scharf. Auf der Netzhaut entsteht nur eine unscharfe Zerstreuungsfigur des Punktbildes. Mit dem Abstand ändert sich die Bildweite — es sei denn, die Brechkraft wird angepasst. Die Anpassung der Brechkraft heißt Akkommodation. Sie sorgt dafür, dass auf der Netzhaut bei verschiedenen Beobachtungsabständen scharfe Bilder entstehen können. Prinzipiell gibt es mehrere Möglichkeiten, wie man ein Bild in einem Strahlengang scharf stellen kann. Beim Diaprojektor und beim Fotoapparat schiebt man die Linsen vor oder zurück. Nach diesem Prinzip akkommodieren Schlangen- und Fischaugen.

 

Im Auge des Menschen ändert sich dagegen die vordere Linsenwölbung. Wie ist das möglich? Die Linse des menschlichen Auges ist in der Jugend weich und elastisch. Sie ist im entspannten Zustand durch Bindegewebsfasern nach außen gespannt und dadurch abgeflacht. Wenn man einen nahen Gegenstand betrachten möchte, kontrahiert sich der Muskel im ringförmigen Ciliarkörper. Die Spannung der Fasern lässt dann nach, und die vordere Oberfläche der Linse wölbt sich vor. Dadurch vergrößert sich die Brechkraft. Das Auge ist im ersten Fall fern-, im zweiten nahakkommodiert. Hermann von Helmholtz entdeckte dieses Akkommodationsverfahren mithilfe der Purkinje'schen Spiegelbilder.

 

Die Linse des Menschen hört mit dem Alter nicht auf zu wachsen. Sie wird bis ins Greisenalter hinein schwerer, größer und härter. Außerdem entwickelt sie sich im Laufe des Lebens zu einem gelben Lichtfilter. Im Alter zwischen 50 und 60 Jahren ist sie bereits so steif, dass viele Menschen nicht mehr nahakkommodieren können und deshalb altersweitsichtig sind. Die Betroffenen müssen zum Lesen das Buch weiter weg halten, da das Bild des Textes im Auge bei großem Abstand zu klein ist. Dagegen helfen keine längeren Arme, sondern nur Brillen mit Sammellinsen. Die Linse kann auch undurchsichtig werden; die Menschen haben dann einen grauen Star. Bei einer modernen Staroperation wird die trübe Linse durch eine Plastiklinse ersetzt, für die man eine Brille braucht, weil die Plastiklinsen keine Akkommodation zulassen.

 

Das Bild im Auge lässt sich bei genügender Helligkeit auch durch eine kleinere Pupille oder durch eine Lochblende schärfen. Die Randstrahlen werden dadurch ausgeblendet und das Bild so schärfer. Kurzsichtige, die eine entfernte Schrifttafel lesen, machen unbewusst von diesem Prinzip Gebrauch, indem sie blinzeln und dadurch ihre effektive Pupillengröße verkleinern. Jeder Fotograf weiß, dass kleine Blenden in der Regel gut für die Schärfentiefe sind. Sticht man viele kleine Löcher in einen Pappkarton, entsteht eine Siebbrille, durch die auch Kurz- und Weitsichtige bei ausreichender Beleuchtung schärfer sehen können.

 

Optische Abbildungsfehler im Auge

 

In allen optischen Systemen mit Linsen, auch im Auge, spielen Abbildungsfehler eine Rolle. Die sphärische Aberration oder Abweichung beruht beim menschlichen Auge darauf, dass die Brechkraft für die Strahlen in der Umgebung der optischen Achse etwas größer ist als für die Strahlen des Randbereiches. Die nebenstehende Abbildung zeigt die Strahlen im Bereich eines Punktbildes. Wegen der sphärischen Aberration konvergieren die Strahlen nicht in einem Punkt. Die Konvergenzpunkte der achsennahen und der Randstrahlen liegen vielmehr hintereinander auf der optischen Achse. Auf der Netzhaut entsteht kein Punktbild, sondern eine Abbildung, die im Querschnitt einer Strahlenfigur entspricht. Mit der Akkommodation wandert die abgebildete Strahlenfigur auf der optischen Achse vor und zurück. Dabei ändert sich der Querschnitt des Strahlenbündels, der gerade auf der Netzhaut abgebildet ist. Die sphärische Aberration macht sich beim Betrachten von Sternen oder weiter entfernten Straßenlaternen bemerkbar. Punktlichtquellen sehen in der Regel nicht wie helle Punkte aus, sondern mehr wie die ringförmigen Querschnitte des Strahlenbündels. Oft sind diese Figuren noch von einem Strahlenkranz umgeben, der durch Lichtstreuung in der Linse entsteht. Die zusätzlichen Strahlen, die beim Blinzeln scheinbar aus der Punktlichtquelle herausschießen, kommen durch die Flüssigkeit auf der Hornhaut zustande, die zwischen den Augenlidern zusammengeschoben wird.

 

Sehr häufig ist eine spezielle Form der sphärischen Aberration, der Astigmatismus (griechisch: kein Punkt) oder die Stabsichtigkeit. Die Linse in der Abbildung ist, wie am Strahlengang zu erkennen ist, in senkrechter Richtung stärker gekrümmt als entlang der waagerechten. Die Strahlen konvergieren nicht in einem Punkt, sondern in zwei stabförmigen Punktabbildungen, die dicht hintereinander liegen und beliebige Richtungen haben können. Wegen des Astigmatismus sehen Punktlichtquellen oft oval aus, wobei die verzerrten Zerstreuungsfiguren in den beiden Augen verschiedene Richtungen haben können. Die sphärische Aberration und der Astigmatismus lassen sich mit Brillen korrigieren.

 

Die chromatische Aberration der Augen lässt sich auf vielfältige Weise beobachten. Schaut man sich ein zweifarbiges Quadrat mit nur einem Auge und halb abgedeckter Pupille an, sieht man zwischen den Farbfeldern helle oder dunkle Grenzlinien. Die verschiedenfarbigen Felder scheinen an ihren Grenzen im einen Fall übereinander geschoben und im anderen auseinander gerückt zu sein. Eine chromatische Aberration kann man auch beobachten, wenn man die Kanten von schwarzen Rechtecken anschaut: Hellblaue oder orangerote feine Säume treten auf. Zur Erklärung dieser Effekte muss man sich eine Linse als einen Stapel von Prismen vorstellen und sich daran erinnern, dass Licht durch ein Prisma in seine Spektralanteile zerlegbar ist. Eine halb abgedeckte Pupille kommt einem Prisma nahe. Das Licht wird wie beim Prisma zur dicken Seite abgelenkt, sodass die Strahlung im Auge zur abgedeckten dunklen Hälfte hin gebrochen wird, das kurzwellige blaue mehr als das langwellige rote. So entstehen die farbigen Ränder und die Verschiebungen der farbigen Flächen. Was man sieht, hängt davon ab, welche Hälfte der Pupille verdeckt wird und wie die farbigen und schwarzweißen Muster orientiert sind. Der Unterschied der Brechkraft für blaues und rotes Licht beträgt im Auge ungefähr eine Dioptrie.

 

 Die Abbildung im Auge ist ein perspektivisches Bild

 

Perspektive liegt vor, wenn die Bilder entsprechend der geometrischen Methode der Zentralprojektion konstruiert sind, das heißt durch Strahlen, die Objekt und Abbildung Punkt für Punkt miteinander verbinden und außerdem durch einen gemeinsamen Punkt verlaufen. Der gemeinsame Punkt ist bei der Camera obscura das Loch und beim Auge der Knotenpunkt, an dem sich die Mittelstrahlen schneiden. Im reduzierten Auge fällt der Punkt mit dem Krümmungsmittelpunkt zusammen. Auge und Kamera liefern somit perspektivische Bilder. Die Theorie der strahlenoptischen Bildkonstruktionen für die Abbildung im Auge wurde erst 1604 durch Johannes Kepler eingeführt. Der gelehrte Jesuit Christoph Scheiner prüfte Keplers Hypothese, nach der auf dem Augenhintergrund ein umgekehrtes Bild der Außenwelt entsteht, einige Jahre später nach. Er fand, was jeder an Rinderaugen aus dem Schlachthof nachprüfen kann: Durch ein Fenster in der Rückwand eines Auges kann man ein invertiertes Bild sehen, wie es die Theorie der strahlenoptischen Konstruktion fordert.

 

Sehen wir nun wegen der perspektivischen Abbildung im Auge die Welt perspektivisch? Die Antwort lautet ja und nein. Es kommt auch hier darauf an, worauf wir achten. Was weiter weg ist, erscheint kleiner, zum Beispiel der Daumen eines gestreckten Armes im Vergleich zum Daumen dicht vor dem Gesicht. Wir nehmen aber die Dinge normalerweise trotzdem in ihrer richtigen Größe wahr. Ein grober Verstoß gegen die Regeln der Perspektive führt zu Größentäuschungen. Das Ergebnis dieser Beobachtung lautet: Das perspektivische Bild im Auge ist nur ein Zwischenprodukt der Informationsverarbeitung und nicht das, was wir schließlich wahrnehmen.

 

Besser als mit Worten, zeigen die Zeichnungen, dass viele verschiedene Gegenstände im Auge genau dieselben Abbildungen erzeugen können. Die perspektivische Abbildung ist somit nicht eindeutig. Das gilt nicht nur für dünne Linien vom Typ der Nadel, sondern für alle Objekte. Es ändert sich im Prinzip nichts an der Abbildung im Auge, wenn sich die markanten Punkte der Gegenstände auf den eingezeichneten Visierlinien verschieben.

 

Die behauptete Mehrdeutigkeit des Bildes im Auge lässt sich leicht in der Wahrnehmung nachweisen. Der Schweizer Kristallograph Louis Necker beschrieb 1832 eine doppeldeutige Figur, die als Necker-Würfel bekannt wurde: Sie wandelt sich von einer Version in eine andere um. Was zuerst wie die Rückseite eines Würfels aussah, wird plötzlich zur Vorderseite. Der Würfel wird zum Stumpf einer hohen vierkantigen Pyramide. Das entspricht den Regeln der Perspektive. In der perspektivischen Zeichnung ist die Rückwand etwas kleiner als die Vorderseite, was eine weitere Entfernung anzeigt. Im invertierten Zustand wirkt sie dann zu klein, was zu einer neuen Form führt. Beim Necker-Würfel sind offensichtlich zwei visuelle Interpretationen möglich, die das Gehirn abwechselnd anbietet.

 

Wer eine geknickte dreidimensionale Pappfigur einäugig längere Zeit anschaut, erlebt mit einiger Geduld, wie sie sich in der Wahrnehmung aufrichtet. Sie sieht dann so aus, als sei sie genau entgegengesetzt geknickt. Wer den Kopf ein wenig bewegt, sieht, wie sich die invertierte dreidimensionale Figur im Raum zu drehen scheint. Die nichtinvertierte Figur tut das nicht. Daran erkennt man, dass im Gehirn die Gesetzmäßigkeiten der perspektivischen Abbildungen nachvollzogen werden. Bei der normalen Figur ändert sich die Abbildung im Auge erwartungsgemäß, bei der invertierten, das heißt räumlich falsch interpretierten Figur dagegen nicht. Das führt zu der folgerichtigen Interpretation, die Figur drehe sich im Raum, wenn wir den Kopf bewegen. Diese Beobachtung passt zu den Ausführungen zur Formkonstanz weiter vorn im Text. Bei der invertierten Figur sieht die objektiv beschattete Seite dunkler und die andere heller aus als im nichtinvertierten Zustand. Darin zeigt sich, dass bei der Bildverarbeitung im Gehirn sogar die Beleuchtungsrichtung und die Körperschatten berücksichtigt werden. Licht und Schatten sind im invertierten Zustand unlogisch verteilt. Das führt zu der Interpretation, die helle Seite bestehe aus so hellem Material, dass sie sogar auf der Schattenseite noch hell erscheint, und die dunkle aus einer so dunklen Substanz, dass sie selbst auf der beleuchteten Seite noch dunkel aussieht.

 

Angesichts der Mehrdeutigkeit der Abbildung im Auge ist zu fragen, warum wir die Umgebung gerade so wahrnehmen, wie wir es tun. Die Antwort ist klar: Weil in jede Wahrnehmung viele Hinweise eingehen, die, gemeinsam ausgewertet, meistens zu eindeutigen Interpretationen führen. Das Auge muss beispielsweise akkommodieren, um ein scharfes Bild der wahren Nadel zu erhalten. Die abstandabhängige Akkommodationseinstellung liefert die Information über die Entfernung der Nadel. Entfernungsdaten ergeben sich auch aus dem Konvergenzwinkel zwischen den Augenachsen, Kopfbewegungen führen zu den parallaktischen Verschiebungen: Nahe und ferne Gegenstände bewegen sich scheinbar gegeneinander. Auch diese Verschiebungen liefern Entfernungsinformationen. Schließlich gibt es die Gesetze der perspektivischen Abbildungen, die zusätzliche räumliche Informationen zugänglich machen. Mehrdeutigkeiten treten auf, wenn die Hinweise für eine eindeutige und richtige Interpretation nicht ausreichen.

 

Prof. Dr. Christoph von Campenhausen

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Augen und Gehirn

 

Literatur:

 

Grehn, Franz: Augenheilkunde. Berlin u. a. ²⁷1998.