Jaki rozmiar szczeliny widzi ludzkie oko? Nadzór i widoczność

Powierzchnia Ziemi ogranicza nasze widzenie do odległości 3,1 mil lub 5 kilometrów. Jednak nasza ostrość wzroku sięga daleko poza horyzont. Gdyby Ziemia była płaska lub stanąłbyś na szczycie góry, z horyzontem szerszym niż w zwykłym życiu, mógłbyś zobaczyć odległe obiekty oddalone o dziesiątki kilometrów. W ciemną noc można było nawet zobaczyć płonącą świecę w odległości 50 km.

To, jak daleko widzi ludzkie oko, zależy od liczby cząstek światła, czyli fotonów, jak się je nazywa, emitowanych przez odległy obiekt. Najbardziej odległym obiektem od Ziemi, jaki możemy zobaczyć gołym okiem, jest Galaktyka Andromedy, położona w niewyobrażalnej odległości 2,6 miliona lat świetlnych od Ziemi. Łącznie 1 bilion gwiazd galaktyki emituje wystarczającą ilość światła, aby pokryć każdy centymetr kwadratowy naszej planety kilkoma tysiącami fotonów na sekundę. W ciemną noc taki jasny blask jest szczególnie wyraźnie widoczny dla naszego wzroku skierowanego w nieskończone niebo.

W 1941 roku optyk Selig Hecht i jego koledzy z Uniwersytetu Columbia dokonali odkrycia, które nadal jest uważane za najbardziej niezawodny sposób pomiaru „absolutnego progu” ludzkiego wzroku – minimalnej liczby fotonów wymaganych przez naszą siatkówkę do niezawodnej percepcji wzrokowej. Eksperyment, sprawdzający granice naszego wzroku, został przeprowadzony w idealnych warunkach: oczy ochotników miały wystarczająco dużo czasu na przystosowanie się do całkowitej ciemności, czyli długości wiązki niebiesko-zielonej fali świetlnej (na którą nasze oczy są najbardziej wrażliwe) wynosiła 510 nanometrów, światło było skierowane na obwód naszej siatkówki, obszar oka najbardziej nasycony komórkami wrażliwymi na światło.

Naukowcy ustalili, że aby oko uczestnika eksperymentu wychwyciło taką wiązkę światła, jej moc musi wynosić od 54 do 148 fotonów. Na podstawie pomiarów ilości światła pochłoniętego przez siatkówkę naukowcy obliczyli, że pręciki optyczne pochłonęły 10 fotonów. Zatem absorpcja od 5 do 14 fotonów lub aktywacja od 5 do 14 pręcików optycznych już mówi Twojemu mózgowi, że coś widzisz.

„To dość niewielka liczba reakcji chemicznych” – podsumowali Hecht i jego współpracownicy w swoim artykule naukowym na temat badania.

Biorąc pod uwagę wielkość bezwzględnego progu percepcji wzrokowej oraz stopień wygaszenia światła emitowanego przez obiekt, naukowcy doszli do wniosku, że światło płonącej świecy w idealnych warunkach może być widoczne dla ludzkiego oka z dużej odległości z 50 km.

Ale jak daleko możemy zobaczyć obiekt, jeśli jest czymś więcej niż tylko migotaniem światła? Aby nasze oko rozróżniło obiekt przestrzenny, a nie tylko punktowy, emitowane przez nie światło musi pobudzać co najmniej dwie sąsiadujące ze sobą komórki czopków – to one odpowiadają za reprodukcję barw. W idealnych warunkach obiekt powinien być widoczny pod kątem 1 minuty, czyli 1/16 stopnia, aby komórki czopków mogły go zobaczyć.(Ta wartość kąta jest prawdziwa niezależnie od tego, jak daleko znajduje się obiekt. Odległe obiekty powinny być znacznie większe, aby były widoczne równie dobrze jak pobliskie obiekty).

Księżyc w pełni ma wartość kątową 30 minut, podczas gdy Wenus, której wartość kątowa wynosi 1 minutę, jest ledwo zauważalna.

Obiekty znane ludzkiej percepcji widoczne są z odległości około 3 km. Przykładowo z tej odległości ledwo jesteśmy w stanie rozróżnić reflektory samochodu.

Od widzenia odległych galaktyk oddalonych o lata świetlne po dostrzeganie niewidzialnych kolorów – Adam Hadhazy z BBC wyjaśnia, dlaczego Twoje oczy potrafią robić niesamowite rzeczy. Rozejrzyj się. Co widzisz? Te wszystkie kolory, ściany, okna, wszystko wydaje się oczywiste, jakby tak miało tu być. Pomysł, że widzimy to wszystko dzięki cząsteczkom światła – fotonom – które odbijają się od tych obiektów i wpadają do naszych oczu, wydaje się niesamowity.

To bombardowanie fotonami jest pochłaniane przez około 126 milionów komórek światłoczułych. Różne kierunki i energie fotonów przekazywane są do naszego mózgu w różnych kształtach, kolorach, jasności, wypełniając nasz wielobarwny świat obrazami.

Nasza niezwykła wizja ma oczywiście wiele ograniczeń. Nie widzimy fal radiowych pochodzących z naszych urządzeń elektronicznych, nie widzimy bakterii pod naszymi nosami. Jednak wraz z postępem fizyki i biologii możemy zidentyfikować podstawowe ograniczenia naturalnego widzenia. „Wszystko, co można dostrzec, ma próg, najniższy poziom, powyżej i poniżej którego nie widać” – mówi Michael Landy, profesor neurologii na Uniwersytecie Nowojorskim.

Zacznijmy patrzeć na te progi wizualne przez obiektyw – przepraszam za grę słów – które wielu kojarzy przede wszystkim z widzeniem: kolor.

To, dlaczego widzimy fiolet, a nie brąz, zależy od energii, czyli długości fali fotonów uderzających w siatkówkę, znajdującą się w tylnej części naszych gałek ocznych. Istnieją dwa rodzaje fotoreceptorów: pręciki i czopki. Czopki odpowiadają za kolor, a pręciki pozwalają nam widzieć odcienie szarości w warunkach słabego oświetlenia, na przykład w nocy. Opsyny, czyli cząsteczki pigmentu, w komórkach siatkówki absorbują energię elektromagnetyczną z padających fotonów, generując impuls elektryczny. Sygnał ten wędruje nerwem wzrokowym do mózgu, gdzie rodzi się świadome postrzeganie kolorów i obrazów.

Mamy trzy rodzaje czopków i odpowiadające im opsyny, z których każdy jest wrażliwy na fotony o określonej długości fali. Stożki te oznaczono jako S, M i L (odpowiednio krótkie, średnie i długie fale). Fale krótkie postrzegamy jako niebieskie, a fale długie jako czerwone. Długości fal pomiędzy nimi i ich kombinacje stają się kompletną tęczą. „Całe światło, które widzimy, chyba że zostało wytworzone sztucznie za pomocą pryzmatów lub inteligentnych urządzeń, takich jak lasery, jest mieszaniną różnych długości fal” – mówi Landy.

Ze wszystkich możliwych długości fal fotonu nasze czopki wykrywają małe pasmo od 380 do 720 nanometrów – co nazywamy widmem widzialnym. Poza widmem percepcyjnym znajduje się widmo podczerwone i radiowe, przy czym to drugie ma długość fali od milimetra do kilometra.

Nad widmem widzialnym, przy wyższych energiach i krótszych długościach fal, znajduje się widmo ultrafioletu, następnie promieni rentgenowskich, a na górze widmo promieniowania gamma, którego długości fal sięgają jednej bilionowej metra.

Chociaż większość z nas ogranicza się do widma widzialnego, osoby cierpiące na bezdech (brak soczewki) widzą w widmie ultrafioletowym. Bezdech powstaje najczęściej w wyniku chirurgicznego usunięcia zaćmy lub wad wrodzonych. Zwykle soczewka blokuje światło ultrafioletowe, więc bez niej ludzie mogą widzieć poza widmem widzialnym i postrzegać długości fal do 300 nanometrów w niebieskawym odcieniu.

Badanie przeprowadzone w 2014 roku wykazało, że stosunkowo wszyscy widzimy fotony w podczerwieni. Jeśli dwa fotony podczerwieni przypadkowo uderzają w komórkę siatkówki niemal jednocześnie, ich energia łączy się, przekształcając długość fali z niewidzialnej (powiedzmy 1000 nanometrów) na widzialną 500 nanometrów (chłodny zielony kolor dla większości oczu).

Zdrowe ludzkie oko ma trzy rodzaje czopków, z których każdy potrafi rozróżnić około 100 różnych odcieni barw, dlatego większość badaczy jest zgodna, że ​​nasze oczy potrafią w sumie rozróżnić około miliona odcieni. Jednakże postrzeganie kolorów jest dość subiektywną zdolnością, która różni się w zależności od osoby, co utrudnia określenie dokładnych liczb.

„Trudno przełożyć to na liczby” – mówi Kimberly Jamison, badaczka z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine. „To, co widzi jedna osoba, może być tylko częścią kolorów, które widzi inna osoba”.

Jamison wie, o czym mówi, ponieważ pracuje z „tetrachromatami” – ludźmi o „nadludzkim” wzroku. Te rzadkie osobniki, głównie kobiety, mają mutację genetyczną, która daje im dodatkowe czwarte czopki. Z grubsza rzecz biorąc, dzięki czwartemu zestawowi czopków tetrachromaty widzą 100 milionów kolorów. (Osoby ze ślepotą barw, dichromatami, mają tylko dwa rodzaje czopków i widzą około 10 000 kolorów.)

Ile minimalnych fotonów musimy zobaczyć?

Aby widzenie kolorów działało, czopki zazwyczaj potrzebują znacznie więcej światła niż ich odpowiedniki pręcikowe. Dlatego przy słabym oświetleniu kolor „zanika” w miarę wysuwania się na pierwszy plan monochromatycznych sztyftów.

W idealnych warunkach laboratoryjnych i w obszarach siatkówki, w których w większości nie ma pręcików, czopki mogą być aktywowane jedynie przez garstkę fotonów. Mimo to patyki radzą sobie lepiej w warunkach rozproszonego światła. Jak wykazały eksperymenty z lat czterdziestych XX wieku, aby przyciągnąć naszą uwagę, wystarczy jeden kwant światła. „Ludzie potrafią zareagować na pojedynczy foton” – mówi Brian Wandell, profesor psychologii i elektrotechniki na Uniwersytecie Stanforda. „Nie ma sensu być jeszcze bardziej wrażliwym”.

W 1941 roku badacze z Uniwersytetu Columbia umieszczali ludzi w ciemnym pokoju i pozwalali ich oczom przyzwyczaić się. Pręty potrzebowały kilku minut, aby osiągnąć pełną czułość - dlatego mamy problemy z widzeniem, gdy nagle gaśnie światło.

Następnie naukowcy błysnęli niebiesko-zielonym światłem przed twarzami badanych. Na poziomie większym niż statystyczny przypadek uczestnicy byli w stanie wykryć światło, gdy pierwsze 54 fotony dotarły do ​​ich oczu.

Po zrekompensowaniu utraty fotonów w wyniku absorpcji przez inne elementy oka naukowcy odkryli, że pięć fotonów aktywowało pięć oddzielnych pręcików, które dawały uczestnikom wrażenie światła.

Jaka jest granica najmniejszej i najdalszej rzeczy, którą możemy zobaczyć?

Ten fakt może Cię zaskoczyć: nie ma nieodłącznych ograniczeń co do najmniejszej i najdalszej rzeczy, jaką możemy zobaczyć. Dopóki obiekty dowolnej wielkości i znajdujące się w dowolnej odległości przesyłają fotony do komórek siatkówki, możemy je zobaczyć.

„Oko interesuje tylko ilość światła, które w nie pada” – mówi Landy. - Całkowita liczba fotonów. Możesz sprawić, że źródło światła będzie absurdalnie małe i odległe, ale jeśli emituje potężne fotony, zobaczysz to.”

Na przykład powszechne przekonanie głosi, że w ciemną, pogodną noc światło świecy możemy zobaczyć z odległości 48 kilometrów. W praktyce oczywiście nasze oczy będą po prostu skąpane w fotonach, więc wędrujące kwanty światła z dużych odległości po prostu gubią się w tym bałaganie. „Kiedy zwiększasz intensywność tła, zwiększa się ilość światła potrzebna do zobaczenia czegoś” – mówi Landy.

Nocne niebo na ciemnym tle usianym gwiazdami stanowi uderzający przykład zasięgu naszego widzenia. Gwiazdy są ogromne; wiele z tych, które widzimy na nocnym niebie, ma średnicę milionów kilometrów. Ale nawet najbliższe gwiazdy znajdują się w odległości co najmniej 24 bilionów kilometrów od nas i dlatego są tak małe dla naszych oczu, że nie można ich zobaczyć. A jednak widzimy je jako potężne, emitujące punkty światła, gdy fotony przemieszczają się na kosmiczne odległości i docierają do naszych oczu.

Wszystkie pojedyncze gwiazdy, które widzimy na nocnym niebie, znajdują się w naszej galaktyce - . Najbardziej odległy obiekt, jaki możemy zobaczyć gołym okiem, znajduje się poza naszą galaktyką: Galaktyka Andromedy, położona 2,5 miliona lat świetlnych od nas. (Chociaż jest to kontrowersyjne, niektórzy twierdzą, że widzą Galaktykę Trójkąta na wyjątkowo ciemnym nocnym niebie, a jest ona oddalona o trzy miliony lat świetlnych, po prostu trzeba im uwierzyć na słowo).

Biorąc pod uwagę odległość do niej, bilion gwiazd w Galaktyce Andromedy rozmazuje się, tworząc niewyraźną, świecącą plamę nieba. A mimo to jego rozmiar jest kolosalny. Pod względem pozornej wielkości, nawet w odległości kwintylionów kilometrów, galaktyka ta jest sześć razy szersza od Księżyca w pełni. Jednak tak niewiele fotonów dociera do naszych oczu, że ten niebiański potwór jest prawie niewidoczny.

Jak ostry może być wzrok?

Dlaczego nie potrafimy rozróżnić poszczególnych gwiazd w Galaktyce Andromedy? Granice naszej rozdzielczości wizualnej, czyli ostrości wzroku, narzucają swoje ograniczenia. Ostrość wzroku to umiejętność rozróżniania szczegółów takich jak kropki czy linie oddzielnie od siebie, tak aby nie zlewały się ze sobą. Zatem możemy myśleć o granicach widzenia jako o liczbie „punktów”, które możemy rozróżnić.

Granice ostrości wzroku wyznacza kilka czynników, takich jak odległości między czopkami i pręcikami upakowanymi w siatkówce. Ważna jest także optyka samej gałki ocznej, która jak już powiedzieliśmy, uniemożliwia przenikanie wszelkich możliwych fotonów do komórek światłoczułych.

Teoretycznie badania wykazały, że najlepsze, co możemy zobaczyć, to około 120 pikseli na stopień łuku, czyli jednostka miary kąta. Można o niej myśleć jak o czarno-białej szachownicy o wymiarach 60 na 60, która mieści się na paznokciu wyciągniętej dłoni. „To najwyraźniejszy wzór, jaki można zobaczyć” – mówi Landy.

Test wzroku, niczym wykres z małymi literami, opiera się na tych samych zasadach. Te same granice ostrości wyjaśniają, dlaczego nie możemy rozróżnić i skupić się na pojedynczej, ciemnej komórce biologicznej o szerokości kilku mikrometrów.

Ale nie skreślaj siebie. Milion kolorów, pojedyncze fotony, światy galaktyczne oddalone o miliardy kilometrów – nieźle jak na bańkę galaretki w naszych oczodołach połączoną z ważącą 1,4 kg gąbką w naszych czaszkach.

Powierzchnia Ziemi w Twoim polu widzenia zaczyna się zakrzywiać w odległości około 5 km. Ale ostrość ludzkiego wzroku pozwala nam widzieć znacznie dalej niż horyzont. Gdyby nie było krzywizny, płomień świecy byłby widoczny z odległości 50 km.

Zasięg widzenia zależy od liczby fotonów emitowanych przez odległy obiekt. 1 000 000 000 000 gwiazd tej galaktyki emituje łącznie wystarczającą ilość światła, aby kilka tysięcy fotonów dotarło do każdego metra kwadratowego. cm Ziemia. To wystarczy, aby pobudzić siatkówkę ludzkiego oka.

Ponieważ na Ziemi nie da się sprawdzić ostrości ludzkiego wzroku, naukowcy odwołali się do obliczeń matematycznych. Odkryli, że aby zobaczyć migoczące światło, do siatkówki musi trafić od 5 do 14 fotonów. Płomień świecy w odległości 50 km, biorąc pod uwagę rozproszenie światła, daje taką ilość, a mózg rozpoznaje słaby blask.

Jak dowiedzieć się czegoś osobistego o rozmówcy na podstawie jego wyglądu

Sekrety „sów”, o których „skowronki” nie mają pojęcia

Jak działa „brainmail” – przesyłanie wiadomości z mózgu do mózgu za pośrednictwem Internetu

Dlaczego nuda jest konieczna?

„Man Magnet”: Jak stać się bardziej charyzmatycznym i przyciągnąć do siebie ludzi

25 cytatów, które wydobędą z Ciebie wewnętrznego wojownika

Jak rozwijać pewność siebie

Czy da się „oczyścić organizm z toksyn”?

5 powodów, dla których ludzie zawsze będą winić za przestępstwo ofiarę, a nie przestępcę

Eksperyment: mężczyzna wypija 10 puszek coli dziennie, aby udowodnić jej szkodliwość

Ze względu na dużą liczbę etapów procesu percepcji wzrokowej, jej indywidualne cechy rozpatrywane są z punktu widzenia różnych nauk - optyki (w tym biofizyki), psychologii, fizjologii, chemii (biochemii). Na każdym etapie percepcji pojawiają się zniekształcenia, błędy i awarie, ale ludzki mózg przetwarza otrzymane informacje i dokonuje niezbędnych korekt. Procesy te mają charakter nieświadomy i realizowane są w ramach wielopoziomowej autonomicznej korekcji zniekształceń. W ten sposób eliminowane są aberracje sferyczne i chromatyczne, efekty martwego pola, przeprowadzana jest korekcja kolorów, powstaje obraz stereoskopowy itp. W przypadkach, gdy podświadome przetwarzanie informacji jest niewystarczające lub nadmierne, powstają złudzenia optyczne.

Fizjologia ludzkiego wzroku

Widzenie kolorów

Oko ludzkie zawiera dwa rodzaje komórek światłoczułych (fotoreceptorów): bardzo wrażliwe pręciki, odpowiedzialne za widzenie w nocy i mniej czułe czopki, odpowiedzialne za widzenie kolorów.

Światło o różnych długościach fal w różny sposób stymuluje różne typy czopków. Na przykład żółto-zielone światło w równym stopniu stymuluje czopki L i M, ale w mniejszym stopniu stymuluje czopki S. Czerwone światło stymuluje czopki typu L znacznie bardziej niż czopki typu M i w ogóle nie stymuluje czopków typu S; światło zielono-niebieskie bardziej pobudza receptory typu M niż typu L i nieco bardziej receptory typu S; światło o tej długości fali również najsilniej stymuluje pręciki. Światło fioletowe pobudza prawie wyłącznie czopki typu S. Mózg odbiera połączone informacje z różnych receptorów, co zapewnia różne postrzeganie światła o różnych długościach fal.

Geny kodujące światłoczułe białka opsyny są odpowiedzialne za widzenie kolorów u ludzi i małp. Według zwolenników teorii trzech składników do percepcji kolorów wystarczająca jest obecność trzech różnych białek, które reagują na różne długości fal. Większość ssaków ma tylko dwa z tych genów, dlatego widzą dwukolorowo. Jeśli u danej osoby występują dwa białka kodowane przez różne, zbyt podobne geny lub jedno z białek nie jest syntetyzowane, rozwija się ślepota barw. N. N. Miklouho-Maclay odkryła, że ​​Papuasi z Nowej Gwinei, żyjący w gęstwinie zielonej dżungli, nie mają umiejętności rozróżniania koloru zielonego.

Opsyna wrażliwa na światło czerwone jest kodowana u ludzi przez gen OPN1LW.

Inne ludzkie opsyny są kodowane przez geny OPN1MW, OPN1MW2 i OPN1SW, z których pierwsze dwa kodują białka wrażliwe na światło o średnich długościach fal, a trzecia odpowiada za opsynę wrażliwą na część widma o krótkich falach .

Niedawno w eksperymentach na małpie wiewiórki (Saimiri) wykazano konieczność stosowania trzech rodzajów opsyn do widzenia barw, których samce wyleczono z wrodzonej ślepoty barw poprzez wprowadzenie do siatkówki ludzkiego genu opsyny OPN1LW. Ta praca (wraz z podobnymi eksperymentami na myszach) pokazała, że ​​dojrzały mózg jest w stanie przystosować się do nowych możliwości sensorycznych oka.

Gen OPN1LW, kodujący pigment odpowiedzialny za postrzeganie koloru czerwonego, jest wysoce polimorficzny (ostatnie prace Virrelliego i Tiszkowa wykazały 85 alleli w próbie 256 osób) i około 10% kobiet ma dwa różne allele tego koloru gen faktycznie ma dodatkowy typ receptorów koloru i pewien stopień czteroskładnikowego widzenia kolorów. Zmiany w genie OPN1MW, który koduje „żółto-zielony” pigment, są rzadkie i nie wpływają na czułość widmową receptorów.

Gen OPN1LW i geny odpowiedzialne za percepcję światła o średniej długości fali są zlokalizowane tandemowo na chromosomie X i często zachodzi między nimi rekombinacja niehomologiczna lub konwersja genów. W takim przypadku może nastąpić fuzja genów lub może wzrosnąć liczba ich kopii w chromosomie. Defekty w genie OPN1LW są przyczyną częściowej ślepoty barw, protanopii.

Trójskładnikowa teoria widzenia barw została po raz pierwszy wyrażona w 1756 r. przez M. W. Łomonosowa, kiedy pisał „o trzech sprawach dna oka”. Sto lat później opracował go niemiecki naukowiec G. Helmholtz, który nie wspomina słynnego dzieła Łomonosowa „O pochodzeniu światła”, choć zostało ono opublikowane i streszczone w języku niemieckim.

W tym samym czasie istniała przeciwna teoria koloru autorstwa Ewalda Goeringa. Został opracowany przez Davida H. Hubela i Torstena N. Wiesela. Za swoje odkrycie otrzymali w 1981 roku Nagrodę Nobla.

Zasugerowali, że informacja docierająca do mózgu nie dotyczy kolorów czerwonego (R), zielonego (G) i niebieskiego (B) (teoria kolorów Junga-Helmholtza). Do mózgu dociera informacja o różnicy w jasności – o różnicy w jasności bieli (Y max) i czerni (Y min), o różnicy pomiędzy kolorem zielonym i czerwonym (G – R), o różnicy pomiędzy kolorem niebieskim i żółtym (B - żółty), a kolor żółty ( żółty = R + G) to suma kolorów czerwonego i zielonego, gdzie R, G i B to jasność składników koloru - czerwony, R, zielony, G i niebieski, B.

Mamy układ równań - K b-w = Y max - Y min; K gr = G - R; K brg = B - R - G, gdzie K b&w, K gr, K brg są funkcjami współczynników balansu bieli dla dowolnego oświetlenia. W praktyce wyraża się to tym, że ludzie postrzegają barwę obiektów tak samo przy różnych źródłach oświetlenia (adaptacja barw). Teoria opozycji generalnie lepiej wyjaśnia fakt, że ludzie postrzegają kolor obiektów tak samo przy skrajnie różnych źródłach oświetlenia (adaptacja kolorów), w tym przy źródłach światła o różnych kolorach w tej samej scenie.

Te dwie teorie nie są ze sobą do końca spójne. Mimo to nadal zakłada się, że teoria trzech bodźców działa na poziomie siatkówki, ale w mózgu przetwarzane są informacje i odbierane dane, które są już zgodne z teorią przeciwnika.

Widzenie obuoczne i stereoskopowe

Udział źrenicy w regulacji wrażliwości oka jest niezwykle niewielki. Cały zakres jasności, jaki jest w stanie dostrzec nasz mechanizm wzrokowy, jest ogromny: od 10 −6 cd m² dla oka całkowicie przystosowanego do ciemności do 10 6 cd m² dla oka całkowicie przystosowanego do światła. wrażliwość polega na rozkładzie i odbudowie światłoczułych pigmentów w fotoreceptorach siatkówki - czopkach i pręcikach.

Czułość oka zależy od stopnia adaptacji, intensywności źródła światła, długości fali i wymiarów kątowych źródła, a także od czasu trwania bodźca. Wrażliwość oka zmniejsza się wraz z wiekiem na skutek pogorszenia się właściwości optycznych twardówki i źrenicy, a także receptorowego składnika percepcji.

Maksymalna czułość w świetle dziennym wynosi 555-556 nm, a przy słabym oświetleniu wieczornym/nocnym przesuwa się w stronę fioletowego brzegu widma widzialnego i wynosi 510 nm (w dzień oscyluje w granicach 500-560 nm). Wyjaśnia to (zależność wzroku człowieka od warunków oświetleniowych, gdy postrzega on wielobarwne obiekty, stosunek ich pozornej jasności - efekt Purkinjego) dwoma rodzajami wrażliwych na światło elementów oka - w jasnym świetle widzenie jest przeprowadza się głównie za pomocą stożków, a przy słabym świetle najlepiej stosować tylko pręty.

Ostrość widzenia

Zdolność różnych osób do widzenia większych lub mniejszych szczegółów obiektu z tej samej odległości przy tym samym kształcie gałki ocznej i tej samej mocy refrakcyjnej układu dioptrycznego oka zależy od różnicy odległości między wrażliwymi elementami siatkówki i nazywa się ostrością wzroku.

Ostrość wzroku to zdolność oka do postrzegania oprócz dwa punkty położone w pewnej odległości od siebie ( szczegółowość, drobne ziarno, rozdzielczość). Miarą ostrości wzroku jest kąt widzenia, to znaczy kąt utworzony przez promienie wychodzące z krawędzi danego obiektu (lub z dwóch punktów A I B) do punktu węzłowego ( K) oczy. Ostrość wzroku jest odwrotnie proporcjonalna do kąta widzenia, czyli im jest mniejsza, tym wyższa jest ostrość wzroku. Zwykle ludzkie oko jest w stanie to zrobić oprócz dostrzegać obiekty w odległości kątowej co najmniej 1′ (1 minuta).

Ostrość wzroku jest jedną z najważniejszych funkcji wzroku. Ostrość wzroku człowieka jest ograniczona przez jego strukturę. Oko ludzkie, w przeciwieństwie do oczu głowonogów, jest narządem odwróconym, co oznacza, że ​​komórki wrażliwe na światło znajdują się pod warstwą nerwów i naczyń krwionośnych.

Ostrość wzroku zależy od wielkości czopków znajdujących się w obszarze plamki żółtej, siatkówki, a także od szeregu czynników: refrakcji oka, szerokości źrenicy, przezroczystości rogówki, soczewka (i jej elastyczność), ciało szkliste (wchodzące w skład aparatu załamującego światło), stan siatkówki i nerwu wzrokowego, wiek.

Ostrość wzroku i/lub wrażliwość na światło jest często określana także jako rozdzielczość dostrzegalna gołym okiem ( zdolność rozdzielcza).

linia wzroku

Widzenie peryferyjne (pole widzenia) - określ granice pola widzenia podczas rzutowania ich na powierzchnię kulistą (za pomocą obwodu). Pole widzenia to przestrzeń postrzegana przez oko przy nieruchomym spojrzeniu. Pole widzenia jest funkcją siatkówki obwodowej; jego stan w dużej mierze determinuje zdolność człowieka do swobodnego poruszania się w przestrzeni.

Zmiany w polu widzenia spowodowane są chorobami organicznymi i/lub funkcjonalnymi analizatora wzroku: siatkówki, nerwu wzrokowego, drogi wzrokowej, ośrodkowego układu nerwowego. Naruszenie pola widzenia objawia się albo zwężeniem jego granic (wyrażonych w stopniach lub wartościach liniowych), albo utratą poszczególnych jego odcinków (hemianopsja), albo pojawieniem się mroczka.

Obuoczność

Patrząc na obiekt obydwoma oczami, widzimy go dopiero wtedy, gdy osie widzenia oczu tworzą taki kąt zbieżności (zbieżności), przy którym uzyskuje się symetryczne, wyraźne obrazy na siatkówkach w odpowiednich odpowiednich miejscach wrażliwej plamki żółtej ( dołek centralny). Dzięki temu widzeniu obuocznemu nie tylko oceniamy względne położenie i odległość obiektów, ale także dostrzegamy ulgę i objętość.

Głównymi cechami widzenia obuocznego są obecność elementarnego widzenia obuocznego, głębi i stereoskopowego, stereoskopowej ostrości wzroku i rezerw fuzyjnych.

Obecność elementarnego widzenia obuocznego sprawdza się, dzieląc dany obraz na fragmenty, z których część jest prezentowana dla lewego oka, a część dla prawego oka. Obserwator ma elementarne widzenie obuoczne, jeśli jest w stanie skomponować pojedynczy oryginalny obraz z fragmentów.

Obecność widzenia głębi weryfikowana jest poprzez przedstawienie widzenia sylwetkowego, a widzenia stereoskopowego – stereogramów losowych punktów, które powinny wywoływać u obserwatora specyficzne doświadczenie głębi, odmienne od wrażenia przestrzenności opartego na cechach jednoocznych.

Ostrość wzroku stereo jest odwrotnością progu percepcji stereoskopowej. Próg stereoskopowy to minimalna wykrywalna rozbieżność (przesunięcie kątowe) pomiędzy częściami stereogramu. Aby to zmierzyć, stosuje się następującą zasadę. Trzy pary postaci prezentowane są oddzielnie lewemu i prawemu oku obserwatora. W jednej z par położenie figur jest zbieżne, w dwóch pozostałych jedna z figur jest przesunięta w poziomie o pewną odległość. Badany proszony jest o wskazanie cyfr ułożonych w kolejności rosnącej względnej odległości. Jeśli liczby zostaną wskazane we właściwej kolejności, wówczas poziom testu wzrośnie (rozbieżność maleje), jeśli nie, rozbieżność wzrośnie.

Rezerwy fuzyjne to warunki, w których możliwa jest fuzja motoryczna stereogramu. Rezerwy termojądrowe są określane na podstawie maksymalnej rozbieżności między częściami stereogramu, przy której nadal jest on postrzegany jako obraz trójwymiarowy. Do pomiaru rezerw termojądrowych stosuje się zasadę odwrotną do tej stosowanej w badaniu ostrości wzroku stereo. Na przykład osoba badana jest proszona o połączenie dwóch pionowych pasków w jeden obraz, z których jeden jest widoczny dla lewego oka, a drugi dla prawego oka. Jednocześnie eksperymentator zaczyna powoli oddzielać paski, najpierw z rozbieżnością zbieżną, a następnie rozbieżną. Obraz zaczyna się rozwidlać przy wartości rozbieżności, która charakteryzuje rezerwę termojądrową obserwatora.

Obuoczność może być zaburzona w przypadku zeza i niektórych innych chorób oczu. Jeśli jesteś bardzo zmęczony, możesz doświadczyć przejściowego zeza spowodowanego wyłączeniem się oka niedominującego.

Czułość kontrastu

Wrażliwość na kontrast to zdolność człowieka do widzenia obiektów, które nieznacznie różnią się jasnością od tła. Czułość kontrastową ocenia się za pomocą siatek sinusoidalnych. Podwyższenie progu wrażliwości na kontrast może świadczyć o wielu chorobach oczu, dlatego jego badanie można wykorzystać w diagnostyce.

Adaptacja wzroku

Powyższe właściwości wzroku są ściśle powiązane ze zdolnością oka do adaptacji. Adaptacja oka to adaptacja wzroku do różnych warunków oświetleniowych. Adaptacja polega na zmianach oświetlenia (rozróżnia się przystosowanie do światła i ciemności), charakterystyki barwy oświetlenia (zdolność postrzegania białych obiektów jako białych nawet przy znacznej zmianie widma padającego światła).

Adaptacja oka do światła następuje szybko i kończy się w ciągu 5 minut, adaptacja oka do ciemności przebiega wolniej. Minimalna jasność powodująca wrażenie światła określa wrażliwość oka na światło. Ten ostatni szybko wzrasta w ciągu pierwszych 30 minut. pozostając w ciemności jego wzrost praktycznie kończy się po 50-60 minutach. Adaptację oka do ciemności bada się za pomocą specjalnych urządzeń - adaptometrów.

W niektórych chorobach oczu (zwyrodnienie barwnikowe siatkówki, jaskra) i ogólnych (witaminoza A) obserwuje się zmniejszoną adaptację oka do ciemności.

Adaptacja objawia się także zdolnością wzroku do częściowej kompensacji wad samego aparatu wzrokowego (wady optyczne soczewki, wady siatkówki, mroczki itp.)

Psychologia percepcji wzrokowej

Wady wzroku

Najbardziej rozpowszechnioną wadą jest rozmyta, niewyraźna widoczność bliskich i odległych obiektów.

Wady obiektywu

Dalekowzroczność

Dalekowzroczność to wada refrakcji, polegająca na tym, że promienie światła wpadające do oka skupiają się nie na siatkówce, ale za nią. W łagodnych postaciach oka z dobrą rezerwą akomodacji kompensuje wadę wzroku poprzez zwiększenie krzywizny soczewki za pomocą mięśnia rzęskowego.

Przy poważniejszej dalekowzroczności (3 dioptrie i więcej) widzenie jest słabe nie tylko z bliska, ale także z daleka, a oko nie jest w stanie samodzielnie zrekompensować wady. Dalekowzroczność jest zwykle wrodzona i nie postępuje (zwykle ustępuje w wieku szkolnym).

W przypadku dalekowzroczności przepisywane są okulary do czytania lub ciągłe noszenie. Do okularów dobiera się soczewki skupiające (przesuwające ostrość do siatkówki), dzięki którym pacjent widzi najlepiej.

Nieco różni się od dalekowzroczności jest starczowzroczność, czyli starczowzroczność starcza. Starczowzroczność rozwija się na skutek utraty elastyczności soczewki (co jest normalnym skutkiem jej rozwoju). Proces ten rozpoczyna się w wieku szkolnym, ale osłabienie widzenia do bliży zauważa się zwykle po 40 latach. (Chociaż w wieku 10 lat dzieci emetropiczne potrafią czytać w odległości 7 cm, w wieku 20 lat - już co najmniej 10 cm, a w wieku 30 - 14 cm itd.) Dalekowzroczność starcza rozwija się stopniowo i z wiekiem w wieku 65-70 lat osoba całkowicie utraciła zdolność akomodacji, rozwój starczowzroczności jest zakończony.

Krótkowzroczność

Krótkowzroczność to wada refrakcji oka, w której ostrość przesuwa się do przodu, a już nieostry obraz spada na siatkówkę. W przypadku krótkowzroczności dalszy punkt wyraźnego widzenia znajduje się w promieniu 5 metrów (zwykle leży w nieskończoności). Krótkowzroczność może być fałszywa (kiedy z powodu przeciążenia mięśnia rzęskowego następuje jego skurcz, w wyniku czego krzywizna soczewki pozostaje zbyt duża podczas widzenia na odległość) i prawdziwa (kiedy gałka oczna zwiększa się w osi przednio-tylnej) . W łagodnych przypadkach odległe obiekty są rozmazane, podczas gdy bliskie obiekty pozostają wyraźne (najdalszy punkt wyraźnego widzenia znajduje się dość daleko od oczu). W przypadku wysokiej krótkowzroczności następuje znaczne pogorszenie widzenia. Począwszy od około -4 dioptrii, osoba potrzebuje okularów zarówno do dali, jak i do bliży (w przeciwnym razie dany przedmiot należy trzymać bardzo blisko oczu).

W okresie dojrzewania krótkowzroczność często postępuje (oczy stale wysilają się, aby pracować blisko, co powoduje kompensacyjne wydłużanie oka). Postęp krótkowzroczności czasami przybiera postać złośliwą, w której wzrok pogarsza się o 2-3 dioptrie rocznie, obserwuje się rozciąganie twardówki i pojawiają się zmiany zwyrodnieniowe siatkówki. W ciężkich przypadkach istnieje niebezpieczeństwo odklejenia się nadmiernie rozciągniętej siatkówki na skutek wysiłku fizycznego lub nagłego uderzenia. Postęp krótkowzroczności zwykle zatrzymuje się w wieku od 22 do 25 lat, kiedy ciało przestaje rosnąć. Wraz z szybkim postępem widzenie spada do -25 dioptrii i poniżej, poważnie paraliżując oczy i znacznie pogarszając jakość widzenia do dali i bliży (osoba widzi tylko zamglone kontury bez żadnego szczegółowego widzenia), a takie odchylenia są uważane za bardzo trudno jest w pełni skorygować za pomocą optyki: grube okulary powodują silne zniekształcenia i wizualnie zmniejszają obiekty, dlatego nawet w okularach człowiek nie widzi wystarczająco dobrze. W takich przypadkach lepszy efekt można uzyskać stosując korektę kontaktową.

Pomimo tego, że zagadnieniu zatrzymania postępu krótkowzroczności poświęcono setki prac naukowych i medycznych, nadal nie ma dowodów na skuteczność jakiejkolwiek metody leczenia postępującej krótkowzroczności, w tym leczenia chirurgicznego (skleroplastyka). Istnieją dowody na niewielkie, ale statystycznie istotne zmniejszenie tempa narastania krótkowzroczności u dzieci podczas stosowania kropli do oczu z atropiną i (niedostępnego w Rosji) żelu do oczu z pirenzipiną.

W przypadku krótkowzroczności często stosuje się laserową korekcję wzroku (naświetlanie rogówki wiązką lasera w celu zmniejszenia jej krzywizny). Ta metoda korekcji nie jest całkowicie bezpieczna, jednak w większości przypadków możliwa jest znaczna poprawa widzenia po zabiegu.

Wady krótkowzroczności i dalekowzroczności można przezwyciężyć za pomocą okularów lub zajęć rehabilitacyjnych z gimnastyki, podobnie jak inne wady refrakcji.

Astygmatyzm

Astygmatyzm to wada optyki oka spowodowana nieregularnym kształtem rogówki i (lub) soczewki. U wszystkich ludzi kształt rogówki i soczewki różni się od idealnego ciała rotacyjnego (to znaczy, że wszyscy ludzie mają astygmatyzm w różnym stopniu). W ciężkich przypadkach rozciąganie wzdłuż jednej z osi może być bardzo silne, ponadto rogówka może mieć wady krzywizny spowodowane innymi przyczynami (rany, choroby zakaźne itp.). W przypadku astygmatyzmu promienie świetlne załamują się z różną siłą w różnych meridianach, w wyniku czego obraz jest zakrzywiony i miejscami niewyraźny. W ciężkich przypadkach zniekształcenie jest tak duże, że znacznie pogarsza jakość widzenia.

Astygmatyzm można łatwo zdiagnozować, patrząc jednym okiem na kartkę papieru z ciemnymi równoległymi liniami - obracając taką kartkę, astygmatysta zauważy, że ciemne linie albo się zacierają, albo stają się wyraźniejsze. Większość ludzi ma wrodzony astygmatyzm do 0,5 dioptrii, co nie powoduje dyskomfortu.

Wadę tę kompensują okulary z soczewkami cylindrycznymi o różnej krzywiźnie w poziomie i w pionie oraz soczewki kontaktowe (twarde lub miękkie toryczne), a także soczewki okularowe o różnej mocy optycznej w różnych południkach.

Wady siatkówki

Ślepota barw

Jeśli percepcja jednego z trzech podstawowych kolorów siatkówki zostanie utracona lub osłabiona, wówczas dana osoba nie postrzega określonego koloru. Istnieją „daltoniści” na kolor czerwony, zielony i niebiesko-fioletowy. Sparowana lub nawet całkowita ślepota barw jest rzadka. Częściej są ludzie, którzy nie potrafią odróżnić koloru czerwonego od zielonego. Postrzegają te kolory jako szare. Ten brak widzenia nazwano ślepotą barw - od nazwiska angielskiego naukowca D. Daltona, który sam cierpiał na takie zaburzenie widzenia barw i jako pierwszy je opisał.

Ślepota barw jest nieuleczalna i jest dziedziczna (powiązana z chromosomem X). Czasami występuje po niektórych chorobach oczu i układu nerwowego.

Osobom niewidomym na kolory nie wolno wykonywać pracy związanej z prowadzeniem pojazdów po drogach publicznych. Dobre widzenie kolorów jest bardzo ważne dla żeglarzy, pilotów, chemików i artystów, dlatego w niektórych zawodach widzenie kolorów sprawdza się za pomocą specjalnych tabel.

mroczek

Mroczek (grecki) skoto- ciemność) - punktowa wada pola widzenia oka, spowodowana chorobą siatkówki, chorobami nerwu wzrokowego, jaskrą. Są to obszary (w polu widzenia), w których widzenie jest znacznie osłabione lub nieobecne. Czasami plamka ślepa nazywana jest mroczkiem – obszarem na siatkówce odpowiadającym głowie nerwu wzrokowego (tzw. mroczek fizjologiczny).

Absolutny mroczek absolutna mroczka) - obszar, w którym nie ma wzroku. Względny mroczek względny mroczek) - obszar, w którym widzenie jest znacznie ograniczone.

Możesz założyć obecność mroczka, samodzielnie przeprowadzając badanie za pomocą testu Amslera.

Powierzchnia Ziemi zakrzywia się i znika z pola widzenia w odległości 5 kilometrów. Ale nasza ostrość wzroku pozwala nam patrzeć daleko poza horyzont. Gdyby Ziemia była płaska lub gdybyś stanął na szczycie góry i patrzył na znacznie większy obszar planety niż zwykle, byłbyś w stanie zobaczyć jasne światła oddalone o setki kilometrów. W ciemną noc można było nawet zobaczyć płomień świecy oddalonej o 48 kilometrów.

To, jak daleko widzi ludzkie oko, zależy od liczby cząstek światła, czyli fotonów, emitowanych przez odległy obiekt. Najbardziej odległym obiektem widocznym gołym okiem jest Mgławica Andromeda, położona w ogromnej odległości 2,6 miliona lat świetlnych od Ziemi. Bilion gwiazd w galaktyce emituje w sumie wystarczającą ilość światła, aby co sekundę kilka tysięcy fotonów uderzało w każdy centymetr kwadratowy powierzchni Ziemi. W ciemną noc ta ilość wystarczy, aby aktywować siatkówkę.

W 1941 roku badacz wzroku Selig Hecht i jego współpracownicy z Uniwersytetu Columbia dokonali czegoś, co do dziś uważa się za wiarygodną miarę absolutnego progu widzenia – minimalnej liczby fotonów, które muszą trafić w siatkówkę, aby wytworzyć świadomość wzrokową. W eksperymencie ustalono próg w idealnych warunkach: oczy uczestników miały czas na pełne przystosowanie się do absolutnej ciemności, niebiesko-zielony błysk światła działający jako bodziec miał długość fali 510 nanometrów (na którą oczy są najbardziej wrażliwe), a światło było kierowane na obwodową krawędź siatkówki wypełnioną światłoczułymi pręcikami.

Zdaniem naukowców, aby uczestnicy eksperymentu byli w stanie rozpoznać taki błysk światła w ponad połowie przypadków, do gałek ocznych musiało trafić od 54 do 148 fotonów. Na podstawie pomiarów absorpcji siatkówki naukowcy szacują, że pręciki ludzkiej siatkówki faktycznie absorbują średnio 10 fotonów. Zatem absorpcja 5-14 fotonów lub odpowiednio aktywacja 5-14 pręcików sygnalizuje mózgowi, że coś widzisz.

„To rzeczywiście bardzo mała liczba reakcji chemicznych” – zauważyli Hecht i jego współpracownicy w artykule na temat eksperymentu.

Biorąc pod uwagę bezwzględny próg, jasność płomienia świecy i szacowaną odległość, na jaką świetlisty obiekt gaśnie, naukowcy doszli do wniosku, że człowiek jest w stanie dostrzec słabe migotanie płomienia świecy z odległości 48 kilometrów.

Obiekty wielkości człowieka można rozpoznać po rozciągnięciu się na odległość zaledwie około 3 kilometrów. Dla porównania, z tej odległości moglibyśmy wyraźnie rozróżnić dwa reflektory samochodu, ale z jakiej odległości możemy rozpoznać, że obiekt jest czymś więcej niż tylko migotaniem światła? Aby obiekt sprawiał wrażenie rozciągniętego przestrzennie, a nie punktowego, wychodzące z niego światło musi aktywować co najmniej dwa sąsiadujące ze sobą czopki siatkówkowe – komórki odpowiedzialne za widzenie kolorów. W idealnych warunkach obiekt powinien leżeć pod kątem co najmniej 1 minuty łukowej, czyli jednej szóstej stopnia, aby wzbudzić sąsiednie stożki. Ta miara kątowa pozostaje taka sama, niezależnie od tego, czy obiekt jest blisko, czy daleko (obiekt odległy musi być znacznie większy, aby znajdował się pod tym samym kątem co bliższy). Księżyc w pełni leży pod kątem 30 minut łuku, podczas gdy Wenus jest ledwo widoczna jako rozciągnięty obiekt pod kątem około 1 minuty łuku.