چشم مهمترین عضو بدن برای هر ستارهشناس اهل رصد است و شناخت بیشتر آن موجب حفظ سلامت چشم برای مدتی طولانیتر خواهد شد. عیبهای چشم تاثیر فراوانی بر رصدهای بصری دارند. اینجا درباره راهکارهایی برای دیدن بهتر جهان، از راه آشنایی با عیبهای بینایی مطرح میکنیم.
زمانی که با چشم غیر مسلح به ستارههای پرنور آسمان شب مینگریم، آیا آنها واقعا نقاط کوچک نورانی دیده میشوند؟ اگر پاسختان مثبت است باید به دلیل اینکه جز معدود افرادی هستید که بینایی تقریباً بینقص دارید به شما تبریک گفت. اما اکثر ما اگر با دقت نگاه کنیم، ستارهها را کرکدار میبینیم. این موضوع غیر منتظره نیست زیرا مشهودترین عیب بینایی است.
از دیدگاه ابزارسازها، اپتیک چشم فاصله زیادی با حالت ایدهآل دارد. همانطور که کالبدشناس و فیزیکدان مشهور آلمانی، هرمان فن هلمهولتز (Hermann von Helmholtz ,1821-1894) نوشته:
اگر عینک سازی، قصد فروش ابزاری دارای عیبهای فراوانی به من داشته باشد، در پاسخی که آنرا بسیار عادلانه میدانم، او را به دلیل این همه بیدقتی، بسیار ملامت خواهم کرد و ساختهاش را به او باز میگردانم.
در چشمی که از نظر اپتیکی بینقص است، تمام شعاعهای نوری که از دوردست میآیند، باید بر روی یک نقطه در شبکیه چشم متمرکز شوند. اما چشم انسان ساختار بسیار پیچیدهی زندهای است که از چندین لایه با ضرایب شکست متفاوت و تنظیمکنندهای برای گشودگی تشکیل شده که همه توسط بافتی مستحکم، فشار عضلانی و فشار مایع داخلی چشم در کنار هم نگه داشته شدهاند. چشم همچنین در معرض تغییرات گذرا (مانند تغییر اندازه مردمک) و تغییرات بلند مدت از قبیل رشد، تغییر اندازه و شکل و تغییر ساختار داخلی عدسی که موجب تغییر بینایی با افزایش سن میشود قرار دارد. اجزا مختلف چشم کاملاً با یکدیگر هممرکز نیستند و همچنین هر یک از سطوح این اجزا، شکل اصلی خود را مقداری از دست دادهاند. به نسبت میتوان گفت که تشکیل سیستم اپتیکی کامل و بسیار پایداری توسط این اجزا زیستی، بسیار شگفت انگیز است.
در اغلب چشمهای سالم، نور از پشتِ عدسیِ چشم به شکل جبهه موج ایدهآلی که کاملاً کروی و متمرکز بر روی شبکیه چشم است خارج نمیشود. این انحراف (غیر کروی و غیر کانونی بودن) با عنوان عیب موجی (wave aberration) چشم شناخته میشود. سادهترین عیبهای چشم نزدیکبینی، دوربینی و آستیگماتیسم هستند. این عیبها، ملایمترین نوع تغییری هستند که بر روی شکل جبهه موج ایدهآل میتواند ایجاد شود و موجب میشوند که محل کانونیشدن نور در داخل چشم تغییر کند. نزدیکبینی موجب انتقال نقطه کانونی به جلوتر و دوربینی به عقبتر از شبکیه چشم میشود. آستیگماتیسم نیز موجب میشود که نور ورودی به چشم، بسته به اینکه از کدام نصفالنهار چشم (eye meridian) وارد شده، شکست متفاوتی داشته باشد. از آنجایی که این تغییر شکلها را توسط چندجملهایهای درجه دوم میتوان به صورت ریاضی توصیف کرد، آنها را عیبهای درجه دوم مینامند.
در چشم معمولی اعواجهای پیچیدهترِ جبهه موج هم دیده میشود که همه آنها را یکجا عیبهای درجه بالاتر (higher‑order aberrations یا HOAs) مینامیم. این عیبهای انکساری درجه بالاتر سالهاست که شناخته شدهاند اما تنها در سالهای اخیر ابزارهای عملی برای تشخیص و درمواردی تصحیح آنها ساخته شده است. این موضوع با توسعه ابزارسازی نجومی پیشرفته، بسیار گره خورده است. امروزه در آزمایشگاه، عیوب چشم را با توجهی ویژه، با استفاده از همان نوع حسگرهای جبهه موج، آینههای تغییرشکلپذیر و ستارههای راهنمای لیزری که امروزه در سامانههای اپتیک سازگار رزولوشن بالا استفاده میشوند، اندازهگیری کرده و حتی آنها را تصحیح کردهاند.
پس آیا ما در جنگی از پیش باخته با چشمانمان هستیم؟ به هیچ وجه اینطور نیست. فهم بهتر از نقاط قوت و ضعف چشمهایمان، در جهت بهبود رصدهایمان کمک بسیاری خواهد کرد.
تابلوی سمت چپ: نقشه عیبهای بینایی چشم راست سه رصدگر ( سطر بالا) و چگونگی دیده شدن منبع نور نقطه ای در شبکیه هرکدام (سطر پایین). قطر مردمک 6.5 میلیمتر و اندازه تصویر شبکیه 36.5 دقیقه قوسی است( کمی بزرگتر از ماه بدر). این نقشهها مانند نقشههای توپوگرافیک هستند. تمهای متفاوت خاکستری مابین منحنیهای متوالی، ارتفاعی نیم میکرومتری را نشان می دهند، درست مانند ارتفاع عوارض طبیعی با این تفاوت که در اینجا در واقع اختلاف بین جبهه موج حقیقی و ایده آل نشان داده شده. اگر هیچ عیبی وجود نداشت، نقشه کاملا مسطح می شد. تابلوی راست: نقشه عیبهای چشم و تصویر شبکیه همان رصدگران پنل سمت چپ با تصحیح کامل عیبهای نوع دوم و باقی ماندن عیبهای سطح بالا.
بازی با قطر مردمک
چشم هر انسان الگوی عیبهای منحصر به خود را دارد. این الگو، شکل منحصر به فردی از ستاره را روی شبکیه تشکیل میدهد. در شبی با شرایط دید معمولی و مردمکی کاملا گشوده، تصویر تشکیل شده از منبع نوری نقطهای بر روی شبکیه می تواند تا دهها دقیقه قوسی گسترش یابد و حتی از اندازه زاویهای ماه بدر هم بیشتر شود. این توزیع نوری که شکل بینظمی هم دارد اغلب “تابع نقطه گستر” (point-spread function or PSF) نامیده میشود. عیبها ممکن است در چشم چپ و راست فرد یکسان باشد اما در افراد گوناگون الگوها بسیار متفاوت است. این عیبها را به نوعی می توان اثر انگشت چشم دانست.
در چشم ایده آل، نور (خطوط قرمز) با عبور از عدسی چشم بر روی شبکیه کانونی می شود. چشمان تعداد کمی از ما چنین کیفیتی دارد.
شدت عیبهای چشم با قطر مردمک و افزایش سن، افزایش مییابد. درحالی که عینک یا وسایل دیگر عیبهای کلاسیک چشم از جمله نزدیک بینی را تصحیح میکنند، عیبهای سطح بالایِ چشمِ سالمِ افرادی که در دهه سوم زندگیشان به سر میبرند آنقدر زیاد است که اگر تلسکوپتان چنین عیبهایی داشت به هیچ وجه برایتان قابل قبول نبود.
هنگام رصد اجرام جدیتر مانند ماه و سحابیهای سیارهنما، عیبهای چشمتان باعث نامشخص شدن ساختارهای ظریفتر میشود. شدت این تارشدگی بین افراد متفاوت است، اما میزان متوسط آن 0.25 دیوپتر است که حداقل افزایش در تجویز برای افراد نزدیکبین است. این مقدار در زندگی روزمره خیلی زیاد نیست اما برای ستارهشناسهای دقیقی که رصدِ چشمی میکنند قابل ملاحظه است.
در ابتدا تفکیکپذیری چشم با کاهش قطر مردمک افزایش مییابد. زیرا کوچک شدن قطر مردمک باعث کوچک شدن هالهی تشکیل شده از منبع نور به دلیل عیبهای چشم میشود. اما وقتی اندازه مردمک در حد یک میلیمتر یا کوچکتر میشود، انکسار باعث محدود شدن تفکیکپذیری خواهد شد. به عنوان مثال تفکیکپذیریِ پایه در گشودگی یک میلیمتری، حدود دو دقیقه قوسی است. میتوان نتیجه گرفت که چشم در گشودگی 3-2 میلیمتر (اندازه معمول مردمک در طول روز) بهترین کارایی را دارد.
عیبهای درجه دوم بینایی موجب جابجایی محل کانونی شدن نور داخل چشم میشوند. در نزدیکبینی به جلوتر از شبکیه (تصویر چپ)، دوربینی به عقبتر از شبکیه (تصویر وسط) و آستیگماتیسم دو کانون عمود برهم که بسته به صفحه ورودی نور، در یکی از آنها کانونی خواهد شد (تصویر راست). عیبهای پیچیدهتری هم در چشم میتوانند وجود داشته باشند که موجب تاثیر بیشتر بر محل کانونی شدن نور میشوند.
برای رصدِ چشمی با تلسکوپ، اندازه موثر مردمک توسط مردمک خروجی ابزار یا مردمک ورودی چشم مشخص میشود، هر کدام که کوچکتر باشد. استفاده از چشمیهای دارای مردمک خروجی کوچک روش خوبی برای خنثی کردن اثر عیبهای بینایی است. چشمیهای دارای مردمک خروجی کوچک برای کسانی که آستیگماتیسم متوسط به بالا دارند و ترجیح میدهند هنگام رصد با تلسکوپ از عینک استفاده نکنند هم مفید است. بر خلاف دوربینی یا نزدیکبینی، برای رفع آستیگماتیسم (و همچنین عیبهای سطح بالا) نمیتوان از فوکوسر تلسکوپ استفاده کرد.
اندازه مردمک خروجی تلسکوپتان از تقسیم قطر شیئی بر بزرگنمایی مورد استفاده بدست میآید. احتمالا متوجه شدهاید که با تلسکوپ مشخصی (و با چشمتان البته) در بزرگنماییهای خاصی بهترین جزئیات را میبینید. برای مثال اگر قطر مردمک بهینه شما 2 میلیمتر باشد و گشودگی شیئی تلسکوپتان هم 200 میلیمتر باشد، بزرگنمایی حدود 100 برابر با جزئیات ترین تصویر را برایتان ایجاد میکند. زمانی که با بزرگنماییهای کمتر (با استفاده از چشمیهایی که مردمک خروجی بزرگتری تولید میکنند) کار میکنید، میتوانید با قرار دادن درپوشی که سوراخی به قطر مناسب دارد بر روی چشمی تلسکوپ، به مردمک خروجی موردنظرنتان برسید. محل ایده آل قرارگیری این مسدودکننده، در صفحه مردمک خروجی است که محل دقیق این صفحه بستگی به فاصله آسایش چشمی دارد. راه دیگر برای رسیدن به مردمک خروجی مناسب، کاهش دادن قطر دهانه تلسکوپ با استفاده از مجموعهای از مسدودگرها با اندازههای مناسب برای هریک از چشمیهایتان در مقابل شیئی تلسکوپ است.
بیشک هنگام انتخاب چشمی، تفکیک پذیری تصویر روی شبکیه تنها موضوع مورد توجه نیست. هنگامی که موضوع رصد ساختارهای ظریف اجرام کم نور و جدیتر مطرح میشود، روشنایی متوسط و اندازه را نیز باید در نظر داشت. تشخیص تضادهای (کنتراست) جزیی در تصاویری که بزرگ و روشنتر است راحتتر خواهد بود اما تصاویر روشنتر با بزرگنمایی کم و تصاویر بزرگ با بزرگنمایی زیاد بوجود میآیند. باید چنان تعادلی ایجاد کنید که همزمان بزرگنمایی و روشنایی کافی را بدست آورید و تارشدگی ناشی از عیبهای بینایی را دور نگه دارید. در این حالت اندازه بهینه مردمک با مقداری که برای چشم غیرمسلح پیشنهاد شده بود ممکن است قدری تفاوت داشته باشد.
آیا لیزیک مفید است؟
جراحی لیزیک با برداشتن لیزری بافت قرنیه روش موثری برای تصحیح عیبهای کلاسیک بینایی (دوربینی، نزدیک بینی، آستیگماتیسم) است. سیستمهای جراحی پیشرفته، حسگرهای جبهه موج دارند که نه تنها امکان تصحیح عیبهای کلاسیک را میدهد، بلکه تعدادی از عیبهای سطح بالا را نیز تصحیح مینماید. هرچند نتایج عملی لیزیک درباره عیبهای سطح بالا هنوز ضعیفتر از سطح انتظارست. با وجودی که تصحیحهای کلاسیک توسط لیزیک بسیار موفقیتآمیز بوده و بیماران از نتیجه نهایی بسیار راضی بودهاند، عیبهای سطح بالا پس از عمل جراحی حدود دو برابر شدهاند. روشها و ابزارهای جراحی با گذشت زمان بسیار دقیقتر میشوند و پیشبینی میشود که در آینده نزدیک این عوارض نیز اصلاح شوند. در این ضمن اگر تصمیم به جراحی لیزیک گرفتهاید و عیبهای بینایی برای شما موضوع مهمی است، با جراحتان جدی در این باره صحبت کنید تا بتوانید تصمیم آگاهانهای بگیرید.
به عیبهای چشمتان نگاه کنید
اگر میخواهید با چشم خود ببینید که توزیع نور در چشم چقدر نامنظم است، در حالی که عینک یا لنز تجویز شدهتان را به چشم دارید به منبع نقطهای نور که در زمینهای تاریک قرار دارد نگاه کنید. از جایی که هسته مرکزی توزیع نور چشم یا “تابع نقطهگستر” به شکل معمول پرنورتر از بالهای اطرافش است برای همین به زمینهای تاریک نیاز دارید تا بتوانید ساختارهای ظریف این مناطق پیرامونی را ببینید.
نور محیط را کم نگه دارید تا مردمک چشم را وادار به گشوده شدن نمایید. با گشوده شدن مردمک عیبهای بینایی افزایش مییابد. منابع نور نقطهای مناسب آسمانی ستاره شباهنگ یا سیاره مشتری هستند. منابع زمینی هم مانند لامپهای چراغ خیابان که روکش و محافظ ندارد یا حتی چراغ الئیدی کوچکی که در سوی دیگر اتاقی تاریک روشن است. به منبع نور با هر چشم جداگانه نگاه کنید در حالی که با دست یا کارت چشم دیگر را پوشاندهاید (چشم را نبندید چون باعث اختلال در نتیجه میشود) و به مغز فرصت دهید تا تصویر شبکیه را دریافت کند. ممکن است که الگوی حاصل از چشم چپ و راستتان تا حدودی متقارن باشند. اگر با هر دو چشم نگاه کنید الگوی حاصل ترکیب الگوی تکتک چشمها خواهد بود. همچنین برای تعیین بهترین قطر مردمک مناسب برای چشمتان میتوانید از کارتهایی استفاده کنید که بر روی آنها سوراخهایی با قطرهای متفاوت ایجاد شده و از میان آنها به منبع نور نگاه کنید. همچنین کارت را به چپ و راست حرکت دهید تا موقعیتی بهترین تصویر را بدست آورید. کیفیت تصویر چشم زمانی که توسط مسدودگری مصنوعی پوشانده میشود در قسمتهای مختلف مردمک متفاوت است و بعضی قسمتهای مردمک تصویر باکیفیتتری دارند.
ردیف بالا: نحوه گسترش توزیع نور در چشم با قطر مردمکهای متفاوت، از 6 میلیمتر(راست) تا 1میلیمتر (چپ)، با کاهش 1 میلیمتر در هر مرحله. ردیف پایین: توزیع نور برای چشم ایدهآل بدون هیچ عیبی در همان اندازه مردمک بالا.
عادی شدن عیبهای چشم
سیستم بینایی ما روشهای خاص خود را برای جبران محدودیتهایش دارد. عارضهای که به نام اثر استیلز-کرافورد (Stiles‑Crawford) شناخته شده، روشنایی دریافت شده از شعاعهای نوری ورودی از لبه مردمک را به نسبت شعاعهای نوری ورودی از مرکز مردمک کاهش میدهد. عیبهای بینایی بیشترین تاثیرشان را روی شعاعهای نور ورودی از لبههای مردمک میگذارند اما اکثر سلولهای گیرنده نور به سوی مرکز مردمک جهت گرفتهاند که به طور طبیعی باعث کاهش مشکل میشوند. تصحیح دیگری که اخیرا توسط پابلو آرتال (Pablo Artal, University of Murcia, Spain) و دیوید ویلیامز (Center for Visual Science, University of Rochester) پیشنهاد شده، زمانی اتفاق میافتد که مغز به واقع با ساختارهای عیبهای چشم سازگار میشود و عیبی را که منجر به نامشخص شدن تصویر میشود را حذف میکند.
فنآوریهای متعددی میتوانند عیبهای چشم را از نظر بصری جبران کنند که بیشتر در سطح تحقیقات آزمایشگاهیاند. اما محققان همچنین در حال بررسی این موضوع هستند که آیا عیبهای بینایی برای دید مفیدند؟ تحقیقات جدید نشان میدهد که این عیبها ممکن است خط دفاعی چشم در مقابل محوشدگی رنگی (Chromatic Blur) باشند. اگر اینچنین باشد نمیتوان آنها را عیب محض دانست.
با این وجود گذشته از اغتشاشهای جوی، عیبهای بینایی می تواند یکی از عوامل اصلی تفکیکناپذیری در رصدهای چشمی باشد به ویژه زمانی که ابزارهای با گشودگی شیئی بزرگ را با بزرگنمایی کم به کار می برید. پس آیا باید چشمانمان را پس دهیم؟ البته که خیر. هلملولتز نیز به گفتهاش توصیف خردمندانه کمدیده شدهای را اضافه میکند:
من بیشک با چشمانم چنین نخواهم کرد و با وجود همه معایبشان، بسیار خرسندانه تا حداکثر زمان ممکن حفظشان میکنم.
مطمئنا بسیاری از ما نیز با او موافقیم.
سالوادور بارا (Salvador Bara) محقق اپتیک در Universidade de Santiago de Compostela in Galicia, Spain است. تحقیقات او در زمینه اپتیک سازگار و کاربرد آن در تصویربرداری تفکیک بالای نجومی و بینایی است.
