Können Brillen das Sonnenlicht so weit bündeln, dass es den Augapfel verbrennt?

Bei hellem Sonnenlicht schrumpft die Pupille des Auges auf etwa 1 mm Durchmesser. Wenn Sie mit der Pupille in diesem Zustand am Mittag direkt in die Sonne schauen, wenn die Intensität in der Größenordnung von liegt$1000{\rm W\,m^{-2}}$, Ihr Auge wird sich daher darauf konzentrieren$0.7{\rm mW}$auf die Netzhaut.

Dies liegt tatsächlich erheblich unter der Wärmemenge, die die hervorragend dicht vaskulierte Netzhaut sicher abgeben kann. Wären also nicht die kürzeren Wellenlängen des Sonnenlichts (die durch photochemische Schäden zu Sonnenbrand der Netzhaut führen ), wäre die Sonne eine sichere (wenn auch unangenehme) Lichtquelle zum Anstarren. Es gibt Ausnahmen von dieser Regel – wie zum Beispiel Makuladegeneration – aber eine gesunde Netzhaut kann so viel Hitze problemlos verkraften.

Die Gefahr beim Betrachten der Sonne oder eines anderen Strahls mit einem optischen Instrument besteht darin, dass Strahlung aus einem größeren Bereich als einer Pupille mit einem Durchmesser von 1 mm durch die Pupille des Auges gekoppelt werden kann. Aus diesem Grund sind Ferngläser, die das auf eine Öffnung von mehreren Zentimetern Durchmesser einfallende Sonnenlicht in die Pupille von 1 mm Durchmesser einkoppeln können, äußerst gefährlich für das Sehen, wenn Sie damit in die Sonne schauen würden.

Brillen sind nicht diese Art von Instrument, wenn Sie sie im richtigen Abstand zu Ihrem Auge tragen. Sie sollen eine kleine Menge optischer Leistung hinzufügen oder subtrahieren / optische Aberration korrigieren und einen Strahl nicht konzentrieren, wie es ein Vergrößerungsinstrument tut. In Ihrem Beispiel wurde die Brille mit ihrer Brennweite - die normalerweise mehrere zehn Zentimeter beträgt - vom Papier gehalten. In dieser Konfiguration spielen sie eine ganz andere optische Rolle, als wenn Sie sie etwa 5 Millimeter von der Pupille Ihres Auges entfernt tragen. Korrekt sitzende Brillen, wenn sie wie vorgesehen getragen werden, erhöhen daher nicht das Risiko von Augenschäden durch die Sonne.

Kommentare von Benutzern und Antworten

User Floris schreibt:

Ich stimme nur ungern zu, dass die Sonne "abgesehen von der UV-Komponente" sicher anzusehen wäre. Haben Sie dafür eine verbindliche Referenz? Sie müssen sich wirklich die Leistungsdichte auf der Netzhaut (berücksichtigen Sie die Größe des Sonnenbildes auf der Netzhaut) und die Wärmeleitfähigkeit (es reicht nicht zu sagen "dicht eingekapselt" - wie hoch ist der Volumendurchfluss von Blut pro Flächeneinheit ?)

Eigentlich spielt die Leistungsdichte auf der Netzhaut keine so große Rolle. Sobald der fokussierte Fleck kleiner als die Wärmediffusionslänge ist, spielt es keine Rolle, wie klein er ist: Aus Sicht der Wärmeübertragung sieht er einfach wie eine Punktquelle aus. Wenn Sie also die Spitzentemperatur im Netzhautgewebe als Funktion der NA eines Fokussierobjektivs aufzeichnen könnten, würden Sie sehen, dass sie mit zunehmender NA ansteigt, aber sie würde sich einpendeln, wenn der Punkt unter die Wärmediffusionslänge schrumpft.

Die Quelle für diese Aussage ist ein Augenarzt, mit dem ich zusammengearbeitet habe, als ich ein Instrument zur Augenabbildung entwickelt habe. Es ist ziemlich bekannt, dass die große Gefahr durch die Sonne in photochemischen Schäden und nicht in thermischen Schäden besteht. Für grausame Tierversuche siehe

Ham, WT, Mueller, HA, Ruffulo, JJ und Clarke, AM, "Sensitivity of the Retina to Radiation Damage as a Function of Wavelength", Photochemistry and Photobiology, 29 1979

Diese Veröffentlichung weist die Gefahr einer photochemischen gegenüber einer thermischen Schädigung nachdrücklich aus: siehe zum Beispiel Fig. 1, die die Schadensschwelle der Gesamtenergiedosis als Funktion der Zeitdauer, über die die Energie in die Augen des Tieres eingespeist wird, aufträgt. Das Diagramm zeigt gerade Linien für sichtbare Wellenlängen über etwa 550 nm, was bedeutet, dass das Auge eine durch die Steigung gegebene konstante Leistungsaufnahme toleriert. Die Steigung entspricht dazwischen$10^4{\rm W\,m^{-2}}$Und$10^5{\rm W\,m^{-2}}$(je nach Wellenlänge) also um ein bis zwei Größenordnungen größer als die dem Auge zugeführte Leistung beim Anstarren der Sonne.

Im krassen Gegensatz dazu stehen die Kurven für die kürzeren Wellenlängen unter 550 nm, aber insbesondere im UV-Bereich erhalten Sie einen "Schwelleneffekt", bei dem eine Gesamtlichtenergieschwelle erreicht wird und dann Schaden eintritt - dh es ist ein bisschen wie eine Strahlenvergiftung, insofern Sie nur können eine bestimmte Anzahl von photoneninduzierten chemischen Übergängen tolerieren, bevor genügend Bindungen gebrochen werden.

Der Kontrast ist noch stärker und beeindruckender, wenn man bedenkt, dass die Augenlinse die meisten UV-Strahlen blockiert. Gefährliche UV-Werte auf der Netzhaut sind wirklich dürftig und von winziger Leistung im Vergleich zu dem, was für Schäden durch thermische Überlastung allein erforderlich wäre.

So wie die Gefahr, für kurze Zeit in die Sonne zu starren (obwohl nicht empfohlen), tendenziell überschätzt wird, so ist auch die Gefahr einer chronischen, geringen UV-Exposition durch Blendung in niedrigen Breiten, im Schnee und in Meeresumgebungen tendenziell grob unterschätzt und besonders für kleine Kinder. Die Augenlinse blockiert eine Menge schädlicher UV-Strahlung, wenn jemand zwanzig Jahre alt ist, aber die Linsen sehr junger Augen lassen viel kürzere Wellenlängen durch.

Beachten Sie, dass die fokussierte Punktgröße und -intensität, obwohl sie aus den oben genannten Gründen kein großer Faktor für thermische Schäden sind, mit Sicherheit ein Faktor für photochemische Schäden sind. Jedes Photon hat eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, eine Bindung zu brechen. Eine kleine Region, intensive Region bedeutet eine hohe Schadensrate.

Außerdem setzen Sie zunächst ein lichtangepasstes Auge voraus

Du hast völlig recht, dass ich von einem lichtadaptierten Auge ausgehe. Das ist völlig normal, wenn man sich im Freien aufhält. Ihr Kommentar berührt einen Teil des Grundes, warum das Betrachten einer Sonnenfinsternis (insbesondere total) gefährlich sein kann: Insbesondere die Diamantringphase kann schädlich sein, da sich die Pupille aufgrund des Dämmerungslichts auf einen Durchmesser von etwa 7 mm vergrößert hat. Dies entspricht einer fünfzigfachen Erhöhung der in das Auge eintretenden Lichtleistung im Vergleich zu einer vollständig geschrumpften Pupille. 20mW bis 50mW Leistungsaufnahme in das Auge können Sie in der Diamantringphase aufgrund eines unvollständig lichtadaptierten Auges problemlos verkraften.

Zunächst einmal ist das eine Filmtrope. Nur Positivlinsen, die von weitsichtigen Menschen verwendet werden, bilden überhaupt einen fokussierten Fleck. Der allgemeine Bereich der Brennweiten solcher Brillen ist erheblich größer als der Abstand von der Linse zu irgendeinem Teil des menschlichen Augapfels, so dass die relative Leistungsdichtezunahme (überhaupt keine Brille) eher gering ist.

Allerdings zwei wichtige Punkte.

1) Schauen Sie NIEMALS direkt in die Sonne (die unter die allgemeine Kategorie „Sei nicht dumm“)

2) Ja, positive Linsen in Brillen oder anderswo können das Sonnenlicht möglicherweise auf eine Dichte fokussieren, die zu einer Verbrennung führt. Es gibt dokumentierte Fälle, in denen eine Vase oder ein Goldfischglas auf diese Weise ein kleines Feuer verursachte. Nein, es wird nicht passieren, dass Sie einfach eine typische Lesebrille auf Ihrem Schreibtisch in der Nähe eines Fensters liegen lassen.

EDIT: Beispiel hinzufügen. Ein kurzer Scan der Online-Verkäufe von Kontaktlinsen deutet darauf hin, dass die maximale Standard-Weitsichtstärke +8 Dioptrien beträgt, also wähle ich +5 Dioptrien als „Normalfall“. Eine Dioptrie ist ein inverses Messgerät, also bedeuten 5 Dioptrien eine Brennweite von 20 cm. Der Abstand zwischen Brille und Netzhaut liegt in der Größenordnung von 20 mm . Wenn wir uns dann einen rein geometrischen Fokussierkegel ansehen, ist die Netzhaut ein Zehntel des Fokuswegs. Der relative Punktdurchmesser beträgt somit 90 % des „Quellen“-Durchmessers, sodass die Leistungsdichte um gestiegen ist$(\frac{1}{0.9})^2$, oder ein Faktor von 1,23 : 1 . Wenn man bedenkt, dass der Bereich der möglichen Lichtstärken (direkte Sonne, dunstiger Tag, Innenlampe usw.) eher bei 50:1 liegt, leistet das Objektiv nicht viel.