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Die Optik in der Medizin umfasst das menschliche Auge als komplexes optisches System mit Brechungsfehlern und neuronaler Bildkorrektur sowie grundlegende optische Geräte wie das Lichtmikroskop und den Monochromator.
In der Medizin werden verschiedene optische Geräte eingesetzt. Das Lichtmikroskop dient zur Vergrößerung kleiner Strukturen. Beim Durchlicht-Mikroskop durchleuchtet das Licht die Probe von unten, das Objektiv erzeugt ein vergrößertes, umgekehrtes Zwischenbild, das durch das Okular weiter vergrößert wird. Das endgültige Bild erscheint dem Betrachter ebenfalls umgekehrt. Ein Monochromator in einem Photometer oder Spektrometer trennt Licht mithilfe eines Prismas oder optischen Gitters in seine Wellenlängen auf und filtert über einen verstellbaren Spalt eine spezifische Wellenlänge heraus, um die Absorption oder Reflexion einer Probe bei dieser Wellenlänge zu messen.
Das menschliche Auge funktioniert physikalisch wie eine Kamera: Einfallende Lichtstrahlen werden durch das optische System, bestehend aus Hornhaut (Cornea) und Linse, gebrochen. Das Ziel ist es, ein scharfes, verkleinertes und umgekehrtes Bild auf der Netzhaut (Retina) zu erzeugen. Die gesamte Brechkraft des Auges, also die Stärke der Lichtbündelung, wird in der Einheit Dioptrie (1/Meter) gemessen. Die Hornhaut übernimmt dabei den Großteil der Brechkraft, die Linse dient vor allem der Feinjustierung für Nah- und Fernsicht. Hinter der Linse befindet sich der Glaskörper, ein transparentes Gel, das den Augapfel ausfüllt. Auf der Netzhaut befinden sich etwa 120 Millionen Stäbchen (Hell-Dunkel-Sehen) und etwa 6 Millionen Zapfen (Farbsehen).
Um Objekte in verschiedenen Distanzen scharf abzubilden, besitzt das Auge die Fähigkeit zur Akkommodation. Die Linse ist über Fasern mit dem Ziliarmuskel verbunden. Kontrahiert der Muskel, entspannen sich die Fasern, und die Linse wölbt sich aufgrund ihrer Eigenelastizität stärker (Nahakkommodation). Entspannt sich der Muskel, ziehen die Fasern die Linse flacher (Fernakkommodation). Eine starke Krümmung erhöht die Brechkraft für das Nahsehen, während eine Abflachung der Linse das scharfe Sehen in der Ferne ermöglicht.
Bei der Myopie (Kurzsichtigkeit) liegt ein Missverhältnis vor: Entweder ist der Augapfel im Verhältnis zur Brechkraft zu lang (Achsenmyopie) oder die Brechkraft der Medien ist zu stark. Dies führt dazu, dass parallele Lichtstrahlen von fernen Objekten bereits vor der Netzhaut gebündelt werden. Das Bild auf der Retina ist daher unscharf.
Zur Korrektur der Myopie nutzt man Zerstreuungslinsen (Konkavlinsen). Diese Linsen besitzen eine negative Brechkraft und divergieren das Licht vor dem Eintritt ins Auge. Dadurch wird der Brennpunkt nach hinten verschoben, bis er exakt auf der Netzhaut liegt.
Die Hyperopie (Weitsichtigkeit) beschreibt den umgekehrten Fall: Der Augapfel ist zu kurz oder die Brechkraft zu schwach. Der theoretische Brennpunkt der Lichtstrahlen liegt hinter der Netzhaut. Da das Auge dies oft durch ständige Akkommodation auszugleichen versucht, führt dies häufig zu Kopfschmerzen und Ermüdung, besonders beim Lesen.
Die Korrektur der Hyperopie erfolgt durch Sammellinsen (Konvexlinsen). Diese Linsen haben eine positive Brechkraft und bündeln das Licht bereits vor dem Auge vor, sodass der Brennpunkt nach vorne auf die Netzhaut wandert.
Ein weiterer Defekt ist der Astigmatismus (Stabsichtigkeit), meist verursacht durch eine ungleichmäßige Krümmung der Hornhaut. Hierbei wird ein Punkt nicht als Punkt, sondern als Linie abgebildet. Dies wird durch Zylinderlinsen korrigiert, die die Krümmungsfehler in einer spezifischen Achse ausgleichen.
Zuletzt ist die Presbyopie (Alterssichtigkeit) zu nennen. Sie ist kein Brechungsfehler im klassischen Sinne, sondern ein Elastizitätsverlust der Linse. Die Linse kann sich nicht mehr ausreichend krümmen, wodurch die Nahakkommodation eingeschränkt wird. Physikalisch ähnelt die Korrektur der einer Hyperopie.
Das Auge weist einige Abbildungsfehler auf, die das Gehirn nachträglich korrigiert. Am Austrittspunkt des Sehnervs, dem sogenannten Blinden Fleck, befinden sich keine Photorezeptoren, sodass wir dort tatsächlich nichts sehen. Zudem liegen die Blutgefäße der Netzhaut vor den Lichtrezeptoren, müssten also ständig im Gesichtsfeld erscheinen. Das Gehirn rechnet diese Störungen sowie weitere kleine Unregelmäßigkeiten in Echtzeit heraus und ermöglicht zusätzlich durch die unterschiedlichen Einfallswinkel der Lichtstrahlen eine Entfernungsschätzung.
