Спектральная чувствительность глаза

Восприятие света человеческим глазом

Человеческий глаз интересует нас с двух точек зрения:

- как оптическая система, созданная природой;

- как приемник изображения, с которым работают оптические приборы.

Строение глаза

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. (рис.: горизонтальный разрез правого глазного яблока). Нормальной считается длина глазного яблока 24 мм.

Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г. Тонкая сосудистая пластинка - радужная оболочка - является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочке – зрачок - свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка изменяется непроизвольным мышечным усилием (1 ¸ 8 мм).

Замечание: Помимо сосудов радужная оболочка содержит большое количество пигментных клеток - в зависимости от их содержания и глубины залегания радужная оболочка имеет различный цвет. Когда в радужной оболочке нет никакого цветного вещества, то она кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света и иногда страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу. Она крепится на мышцах ресничного тела, которое обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом. Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга.

Замечание: Большинство чувствительных к свету клеток (рецепторов) сетчатки – палочки и колбочки – непосредственно не связаны с нервами, которые идут в головной мозг, а разделены на группы и связаны друг с другом. Это означает, что информация частично осмысливается в сетчатке путем анализа информации от разных рецепторов. Другими словами, современная анатомия рассматривает сетчатку глаза как часть мозга, т. к. глаз выполняет функции, свойственные мозгу.

Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз. Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного (четкого) видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью, она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.

Упрощенная оптическая схема глаза

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза – сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение(мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическая система глаза чрезвычайно сложна, поэтому при расчетах хода лучей обычно пользуются упрощенными, эквивалентными истинному глазу "схематическими глазами" (рис.).

Оптическую систему глаза составляют: роговица, водянистая влага, хрусталик, стекловидное тело. Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:

где f ' – заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах.

Преломление света происходит в основном на поверхностях роговицы и хрусталика (табл. ниже).

Аккомодация

Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза. Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну.

В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения бесконечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близкие предметы. Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза (в состоянии покоя), называют дальней точкой глаза, а при наибольшем напряжении - ближней точкой глаза. Если глаз аккомодирован на бесконечность, то задний фокус совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около a = см (рис., табл).

№	В состоянии покоя			В состоянии наибольшей аккомодации
пов-ти	радиус кривизны	осевое расстояние	показатель преломления	радиус кривизны	осевое расстояние	показатель преломления
1	7,7	0,5	1,376	7,7	0,5	1,376
2	6,8	3,1	1,336	6,8	2,7	1,336
3	10,0	3,6	1,386	5,33	4,0	1,386
4	-6,0	15	1,336	-5,33	15	1,336
	Оптическая сила D = 1/ f ' = 58 дптр			Оптическая сила D =1/ f ' = 70 дптр

Разность обратных величин расстояний между ближней и дальней точкой называют диапазоном аккомодации глаза (измеряется в дптр).

Расстояние наилучшего зрения – это расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета. В среднем расстояние наилучшего зрения составляет около 25-30 см, хотя для каждого человека оно может быть индивидуальным.

Замечание: С возрастом способность глаза к аккомодации постепенно уменьшается. Это явление называется возрастной дальнозоркостью (или пресбиопией).

Примеры:

В 20 лет для среднего глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации 10 дптр), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2,5 дптр), а к 60 годам уходит на бесконечность, то есть аккомодация прекращается.

Поле зрения глаза

Общее поле зрения глаза огромно, по сравнению с каким-либо оптическим прибором: 125° по вертикалии 150° по горизонтали. Но в действительности для ясного различения используется лишь ничтожная часть этого поля:

- поле наиболее совершенного зрения, соответствующее центральной ямке, 1¸1,5°;

- поле достаточно удовлетворительного зрения в области всего желтого пятна около 8° по горизонтали и 6° по вертикали;

- вся остальная часть поля зрения служит только для грубого ориентирования в пространстве.

Вследствие этой особенности светочувствительного аппарата глазу для обозрения окружающего пространства приходится совершать непрерывное вращательное движение в своей орбите. Глазное яблоко может вращаться в пределах 45¸50°. Это вращение приводит изображения различных предметов на центральную ямку и дает возможность рассмотреть их детально. Движения глаза совершаются без участия сознания и, как правило, не замечаются человеком.

Сетчатая оболочка – это сложное переплетение нервных клеток, связывающих друг с другом рецепторы, и нервных волокон, соединяющих нервные клетки между собой и связывающих глаз с корой головного мозга. Основными светочувствительными элементами (рецепторами), которые преобразуют падающее световое излучение в электрические импульсы, являются два вида клеток:

1) в виде стебелька, называемые палочками (высота 30 мкм, толщина 2 мкм) - обладают большей чувствительностью (порог чувствительности 10^-6 лк), но не различают цветов (строго говоря, чувствительны только к длинам волн от 400 до 650 нм с максимумом при 515 нм), т.е. являются аппаратом сумеречного зрения (зрения при слабом освещении); сумеречное зрение различает только ахроматические цвета – серые полутона; в палочках находится особый пигмент – родопсин, собирающийся в них в темноте и выцветающий на свету, восприятие света палочками обусловлено химическими реакциями под действием света на родопсин;

2) более короткие и более толстые, называемые колбочками (высота 10 мкм, толщина 6-7 мкм) - чувствительны к цветам, но зато менее чувствительны к свету (порог чувствительности 10^-2 лк) и поэтому являются аппаратом дневного зрения; колбочковый аппарат чувствителен к длинам вол от 400 до 700 нм с максимумом при 555 нм, а при высоких интенсивностях света – от 390 до 760 нм; колбочки реагируют на свет за счет реакции йодопсина.

Всего глаз имеет около 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек.

Замечание: Кроме родопсина и йодопсина дно глаза обладает еще одним пигментом черного цвета, роль которого состоит в предохранении светочувствительного аппарата от чересчур сильных световых раздражений. При отсутствии светового раздражения зёрна этого пигмента находятся на задней поверхности сетчатки. Но при воздействии света начинается перемещение зёрен навстречу падающему свету. Они проникают в слои сетчатки и, поглощая значительную часть световой энергии, заслоняют тем самым в сильной степени палочки и колбочки от светового раздражения.

Желтое пятно обеспечивает наибольшую разрешающую способность глаза.

Распределение рецепторов на сетчатке неравномерно: в области желтого пятна преобладают колбочки (около 50 000), а палочек очень мало; к периферии сетчатки, наоборот, число колбочек быстро уменьшается и остаются одни только палочки. Рецепторы связаны между собой промежуточными нервными клетками, объединяющими группы рецепторов в рецептивные поля. Эти поля представляют собой перестраивающиеся формации, которые увеличиваются при уменьшении освещенности, и наоборот. От каждого рецептивного поля информация передается в мозг по нервным волокнам в виде закодированных групп электрических импульсов.

Замечания:

1. Особенностью рецептивных полей сетчатки является то, что они реагируют не на величину потока излучения (F _e ), а на изменение потока излучения (d F, D F _e). Поэтому глаз совершает частые микродвижения – тремор, при этом изображение предмета смещается по сетчатке, меняется интенсивность освещения отдельных рецепторов тем больше, чем больше контраст соседних деталей изображения.

2. Отдельные рецептивные поля различаются по своим функциям: одни реагируют на увеличение освещенности, другие – на уменьшение, третьи – на увеличение и ослабление (в зрительной области коры головного мозга есть аналогично реагирующие нервные клетки). Кроме этого, различные специфические рецептивные поля различают прямолинейные контуры предметов под разными углами наклона, другие – криволинейные контуры, третьи – периодические структуры и т. д. Существуют также и рецептивные поля, по-разному реагирующие на спектральный состав возбуждающего их света.

По направлению к центральной ямке толщина сетчатки в желтом пятне уменьшается, исчезают почти все промежуточные ее слои и остаются практически только палочки и колбочки с их нервными окончаниями. В самой ямке отсутствуют палочки, так что в ней все дно выстлано только колбочками.

В желтом пятне к большинству колбочек подходят отдельные волокна зрительного нерва . По этой причине только в области ямки и желтого пятна глаз может различать тонкие детали.

Вне пределов желтого пятна одно волокно зрительного нерва всегда обслуживает целые группы колбочекили палочек. Поэтому целые группы элементов, занимающих сравнительно большую площадь сетчатки, одновременно передают свое раздражение одному нервному волокну, и воспринимаемая сознанием картина становится грубой, лишенной деталей. Всякое уклонение изображения в сторону от ямки влечет за собою уменьшение четкости изображения, а когда изображение сходит с желтого пятна, то различение мелких деталей предмета совершенно прекращается. Периферическая часть сетчатки служит в основном для ориентирования в пространстве.

На месте ствола зрительного нерва располагается слепое пятно. В области слепого пятна нет ни колбочек, ни палочек, и этот участок сетчатки не чувствителен к свету. Диаметр слепого пятна 1,88 мм, что соответствует полю зрения 6°. Это значит, что человек с расстояния 1 м может не увидеть предмета диаметром 10 см, если его изображение проектируется на слепое пятно.

Пример: Убедиться, что в глазу существует слепое пятно, можно, проделав следующий опыт. Поднести рисунок к глазу на расстояние 10 см, закрыть левый глаз и смотреть на крестик правым глазом (рис.). Если перемещать рисунок, то в какой-то момент изображение другой фигуры будет не видно – оно попадет на слепое пятно.

Замечания:

1. Зрение человека фрагментарно, т.е. объекты в поле зрения фиксируются не все сразу, а последовательным переводом взора с одного на другой. Изображение представляется единым и неподвижным благодаря особому механизму восприятия: координация движений головы и глаз, в результате которой восстанавливается образ в мозгу.

2. Зрительная система способна игнорировать мешающую информацию, возникающую на сетчатке при скачкообразных движениях глаз.

3. Последний этап зрения – осмысливание видимой информации в мозгу и узнавание предметов, при этом возможно появление оптических иллюзий.

Спектральная чувствительность глаза

Оптические приборы, работающие совместно с глазом, имеют дело с той частью потока излучения, которая воздействует на глаз. К ней относится видимая область спектра в интервале длин волн 380 – 780 нм. Совместное действие излучения на сетчатку глаза воспринимается как белый свет, а излучение, содержащее одну определенную длину волны (монохроматическое), воспринимается как цветное.

Потоки излучения одинаковой величины, но соответствующие различной длине волны, вызывают неодинаковые раздражения сетчатки глаза и поэтому создают ощущения, отличающиеся не только по длине волны (по цвету), но и по интенсивности. Наиболее сильное воздействие на глаз оказывает излучение желто-зеленого цвета с длинами волн 550 – 570 нм. Воздействие потока излучения с длиной волны 555 нм условно принимают за единицу. Действие на глаз излучений других длин волн в видимом участке спектра оценивают коэффициентом относительной спектральной чувствительности:

где V _l и V _l ₌₅₅₅ – абсолютные спектральные чувствительности длин волн l и 555 нм.

Примеры:

1. Поток излучения оранжевых лучей (620 нм) мощностью 1 Вт создает световое ощущение такой же интенсивности, как поток зеленых лучей (l = 555 нм) мощностью 0,5 Вт. Поэтому коэффициент относительной спектральной чувствительности для оранжевых лучей будет

K _l = 0,5.

2. Если необходимо обеспечить одинаковое зрительное ощущение для длин волн 760 нм и 555 нм, то поток фиолетового излучения должен быть в 20000 раз мощнее, чем зеленого.

Относительная спектральная чувствительность зависит и от освещенности (рис. - кривая относительной спектральной чувствительности глаза). При уменьшении освещенности кривая относительной спектральной чувствительности глаза сдвигается в голубую область, и в сумерках максимум спектральной чувствительности глаза приходится на l = 515 нм – это явление называется эффектом Пуркинье.

Функция видности – это относительная спектральная кривая эффективности монохроматического излучения. Она показывает, как глаз воспринимает излучение различного спектрального состава. – величина, обратно пропорциональная монохроматическим мощностям, дающим одинаковое зрительное ощущение, причем воздействие потока излучения с длиной волны условно принимается за единицу. Функция видности глаза максимальна в области желто-зеленого цвета (550–570 нм) и спадает до нуля для красных и фиолетовых лучей (рис.2.2.2).

2.2.2. Функция видности глаза.

Энергетические величины являются исчерпывающими с энергетической точки зрения, но они не позволяют количественно оценить визуальное восприятие излучения. Восприятие глазом излучения видимого диапазона определяется не только мощностью воспринимаемого излучения, но также зависит от его спектрального состава (так как глаз – селективный приемник излучения). Световые характеристики описывают, как энергию излучения воспринимает зрительная система глаза с учетом спектрального состава света.

Цветовосприятие

В основе восприятия цвета лежат сложные физико-химические процессы, совершающиеся в зрительных рецепторах (палочках и колбочках). Различают три типа «колбочек», проявляющих наибольшую чувствительность к трем основным цветам видимого спектра: красно-оранжевому (600 – 700 нм); зеленому (500 – 600 нм); синему (400 – 500 нм). Особенности цветовой чувствительности клеток определяются различиями в зрительном пигменте. Комбинации возбуждений этих рецепторов разных цветов дают ощущения всей гаммы цветовых оттенков. В компьютерной промышленности эти цвета называются тремя первичными цветами – RGB (Red, Green, Blu e). Все цвета, встречающиеся в природе, можно создать, смешивая свет трех этих длин волн и варьируя их интенсивность. Смесь, состоящая из 100% каждого цвета, дает белый свет. Отсутствие всех цветов дает отсутствие света или черный свет.

Замечание: Колбочек есть три сорта, но цветовых ощущений, все-таки, не три. Согласно современной теории цветового зрения в сетчатке существует множество внутренних связей между рецепторами, и они осуществляют анализ первичной информации. Поэтому деление цветов на "основные" – это психологический факт о кажущихся "чистых" цветах. Для одних людей основные цвета - "красный, зеленый, синий", для других - "красный, желтый, синий", для третьих – "красный, желтый, зеленый, синий".

В случае ослабления восприятия одного из цветов цветовое зрение может нарушаться. Известны три разновидности частичной цветовой аномалии: "краснослепые", "зеленослепые" и "фиолетослепые". Впервые нарушение цветового зрения было обнаружено у известного английского химика Дж. Дальтона: он не воспринимал красный цвет (этот дефект зрения стал называться дальтонизмом). Дальтонизм обусловлен изменением в мужской хромосоме и встречается у 5 ¸ 8 % мужчин и лишь у 0,4 % женщин.

Согласно теории цветовое зрения Юнга-Гемгольца (1821-1894) ощущение любого цвета можно получить смешиванием спектрально чистых излучений красного, зеленого и синего цвета. Эта теория хорошо согласуется с наблюдаемыми фактами и предполагает, что в глазу есть только три типа светочувствительных приемников. Они отличаются друг от друга областями спектральной чувствительности. Красный свет воздействует преимущественно на приемники первого типа, зеленый - второго, синий - третьего. Сложением излучений таких трех цветов в различных пропорциях можно получить любую комбинацию возбуждения всех трех типов светочувствительных элементов, а значит и ощущение любого цвета. Если все рецепторы возбуждены в одинаковой степени, мы имеем ощущение белого цвета, если рецепторы не возбуждены - черного. По этой причине, накладывающиеся области красного, зеленого и синего цвета выглядят как белое пятно. Наложение красного и синего цвета дает фиолетовый цвет, зеленого и синего - бирюзовый, красного и зеленого - желтый

Приведенный далее график показывает относительную спектральную чувствительность глаза к излучениям различных длин волн (так называемая кривая видности). Кривая видности красного цвета соответствует чувствительности глаза при дневном свете, а синяя - при сумеречном свете. Максимальная чувствительность глаза при дневном свете достигается на длине волны 555 нм, а при сумеречном свете - на длине волны 510 нм. Максимальная чувствительность глаза в обоих случаях принимается за единицу. Отличие между этими двумя кривыми видности объясняется тем, что дневной и сумеречный свет воспринимаются различными рецепторами глаза (палочками при сумеречном свете и колбочками при дневном свете). При этом палочки обеспечивают чёрно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже. В темноте работают только палочки - именно поэтому ночью воспринимаемое изображение серое.

Как мы можем видеть из кривой видности, глаз способен воспринимать свет на длинах волн примерно от 400 нм до 760 нм. В условиях адаптации к темноте глаз может также немного видеть инфракрасный свет с длиной волны до 950 нм и ультрафиолетовый свет с длиной волны не меньше 300 нм. Границы частотного диапазона видимого света, а также сама форма кривой видности человеческого глаза были сформированы в процессе длительной эволюции, приспособившись к условиям освещения земных предметов солнечным светом, а также к условиям сумеречного и ночного освещения. Действительно, было бы биологически нецелесообразно, если бы глаз обладал способностью принимать излучение с длинами волн короче 290 нм, так как из-за наличия озонового слоя в атмосфере земли, поглощающего ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи поверхности Земли практически обрывается на длине волны 290 нм. С другой стороны, из-за теплового излучения самого глаза, его высокая чувствительность к инфракрасному излучению сделала бы невозможной работу глаза в условиях солнечного освещения.

Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 2296; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!