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Eine weitere beeindruckende Leistung unserer Augen ist der Stereoblick, das räumliche Sehen. Das Bild der Welt auf der Netzhaut ist wie jedes Bild zweidimensional, es ist eine flächige Darstellung des dreidimensionalen Raumes. Dennoch empfinden wir deutlich Entfernungen, Tiefen und andere räumliche Effekte.
Der Sehapparat wertet eine Vielzahl von verschiedenen Informationen aus, um der räumlichen Anordnung der Dinge auf die Spur zu kommen. Dazu gehören auch Schatten oder Überlagerungen verschiedener Objekte. Die wichtigsten Informationen stammen jedoch aus dem Vergleich der Bilder unserer beiden Augen.
Stereoskopes Sehen bedeutet, dass ein Objekt aus zwei nicht übereinstimmenden Perspektiven betrachtet wird. Jedes der beiden etwa 60 bis 70 mm voneinander entfernten Augen sieht ein Bild, das ein kleines bisschen anders ist als das des anderen Auges. Wenn wir nahe Objekte anschauen, blicken unsere Augen auch in unterschiedliche Richtungen. Gleichzeitig passt sich die Krümmung der Linse der Entfernung des fixierten Objekts an.
Zudem hilft unsere Erfahrung dabei, Entfernungen zu schätzen. Bis etwa 1 Meter entfernte Objekte können präzise vermessen, Entfernungen bis zu 100 m gut eingeschätzt werden. Weiter als 500 bis 1300 Meter entfernte Objekte werden durch Erfahrungswerte, Beleuchtung und Größenvergleiche nur scheinbar räumlich gesehen. Bei Dingen, die so weit weg sind, dass wir keine praktischen Erfahrungen mit ihnen verbinden können, nützt das allerdings wenig.
Auf diese Weise kommt die berühmte Mondtäuschung zustande: am Horizont erscheint der Mond fast eineinhalb mal so groß wie hoch am Himmel. Das liegt daran, dass wir ihn am Horizont zu anderen Dingen auf der Erde in Beziehung setzen, am Himmel jedoch zu den Sternen. Obwohl sein Bild auf der Netzhaut beide Male gleich groß ist, erscheint er doch so verschieden.
Die von den Augen produzierten Teilbilder werden im Gehirn zu einem räumlichen Gesamtbild kombiniert. Die von den Augen zum Gehirn führenden Sehnerven überkreuzen sich teilweise an der Basis des Zwischenhirns (Sehnervenkreuzung). Auf diese Weise werden die unterschiedlichen Teilbilder übereinander projiziert, so dass es zu einer Vorstellung der räumlichen Tiefe und der dreidimensionalen Gestalt eines Gegenstandes kommt.
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