Ochiul uman. Ochiul uman ca sistem optic

Structura ochiului uman seamănă cu o cameră. Corneea, cristalinul și pupila acționează ca o lentilă, care refractă razele de lumină și le concentrează pe retina ochiului. Obiectivul își poate schimba curbura și funcționează ca focalizarea automată pe o cameră - ajustează instantaneu vederea bună pentru aproape sau departe. Retina, ca și filmul, captează o imagine și o trimite ca semnale către creier, unde este analizată.

elev

cornee

iris

obiectiv

corp ciliar

retină,

coroidă

nervul optic

vasele ochiului

muschii ochilor

sclera

corpul vitros

Structura complexă a globului ocular îl face foarte sensibil la diverse daune, tulburări și boli metabolice.

Oftalmologii portalului „Totul despre viziune” limbaj simplu descris structura ochiului uman vă oferă o oportunitate unică de a vă familiariza vizual cu anatomia acestuia.

Ochiul uman este un organ senzorial pereche unic și complex, datorită căruia primim până la 90% din informațiile despre lumea din jurul nostru. Ochiul fiecărei persoane are caracteristici individuale, unice. Dar caracteristicile generale ale structurii sunt importante pentru a înțelege ce fel de ochi este în interior și cum funcționează. În cursul evoluției, ochiul a ajuns la o structură complexă și structuri de origine tisulară diferită sunt strâns interconectate în el. Vasele de sânge și nervii, celulele pigmentare și elementele țesutului conjunctiv - toate asigură funcția principală a ochiului - vederea.

Structura principalelor structuri ale ochiului

Ochiul are forma unei sfere sau mingi, așa că a început să i se aplice alegoria unui măr. Globul ocular este o structură foarte delicată, prin urmare este situat în adâncitura osoasă a craniului - orbită, unde este parțial ascuns de posibile daune. Din față, globul ocular este protejat de pleoapele superioare și inferioare. Mișcările libere ale globului ocular sunt asigurate de mușchii externi oculomotori, al căror lucru precis și coordonat ne permite să vedem. lumea cu doi ochi, i.e. binocular.

Hidratarea constantă a întregii suprafețe a globului ocular este asigurată de glandele lacrimale, care asigură producția adecvată de lacrimi, care formează o peliculă lacrimală protectoare subțire, iar scurgerea lacrimilor are loc prin canale lacrimale speciale.

Stratul exterior al ochiului este conjunctiva. Este subțire și transparentă și căptușește, de asemenea, suprafața interioară a pleoapelor, oferind o alunecare ușoară atunci când mișcați globul ocular și clipiți pleoapele.

Cochilia exterioară „albă” a ochiului - sclera, este cea mai groasă dintre cele trei cochilii oculare, protejează structurile interne și menține tonusul globului ocular.

Sclera din centrul suprafeței anterioare a globului ocular devine transparentă și arată ca o sticlă de ceas convexă. Această parte transparentă a sclerei se numește cornee, care este foarte sensibilă datorită prezenței multor terminații nervoase. Transparența corneei permite luminii să pătrundă în ochi, iar sfericitatea acesteia asigură refracția razelor de lumină. Zona de tranziție dintre sclera și cornee se numește limb. În această zonă există celule stem care asigură regenerarea constantă a celulelor straturilor exterioare ale corneei.

Următorul înveliș este vascular. Ea căptușește sclera din interior. Prin numele său este clar că asigură alimentarea cu sânge și nutriție structurilor intraoculare și, de asemenea, menține tonusul globului ocular. Coroida este formată din coroida în sine, care este în contact strâns cu sclera și retina și din structuri precum corpul ciliar și irisul, care sunt situate în partea anterioară a globului ocular. Conțin multe vase de sânge și nervi.

Corpul ciliar este o parte a coroidei și un organ complex neuro-endocrin-muscular care joacă un rol important în producerea lichidului intraocular și în procesul de acomodare.

Culoarea irisului determină culoarea ochiului uman. În funcție de cantitatea de pigment din stratul său exterior, are o culoare de la albastru pal sau verzui până la maro închis. În centrul irisului este o gaură - pupila, prin care lumina pătrunde în ochi. Este important de reținut că alimentarea cu sânge și inervația coroidei și irisului cu corpul ciliar sunt diferite, ceea ce afectează clinica bolilor cu o structură atât de general unificată precum coroida.

Spațiul dintre cornee și iris este camera anterioară a ochiului, iar unghiul format de periferia corneei și iris se numește unghiul camerei anterioare. Prin acest unghi, lichidul intraocular se scurge printr-un sistem special de drenaj complex în venele oftalmice. În spatele irisului se află cristalinul, care este situat în fața corpului vitros. Are forma unui cristalin biconvex și este bine fixat de multe ligamente subțiri de procesele corpului ciliar.

Spațiul dintre suprafața posterioară a irisului, corpul ciliar și suprafața anterioară a cristalinului și a corpului vitros se numește camera posterioară a ochiului. Camerele anterioare și posterioare sunt umplute cu un lichid intraocular incolor sau umoare apoasă, care circulă constant în ochi și spală corneea și cristalinul, hrănindu-le în același timp, deoarece aceste structuri ale ochiului nu au propriile vase.

Membrana cea mai interioară, cea mai subțire și cea mai importantă pentru actul de a vedea este retina. Este un multistrat foarte diferențiat tesut nervos, care căptușește coroida în secțiunea sa posterioară. Fibrele nervului optic provin din retină. Ea transportă toată informația primită de ochi sub formă de impulsuri nervoase printr-o cale vizuală complexă către creierul nostru, unde este transformată, analizată și percepută ca o realitate obiectivă. Pe retină imaginea lovește sau nu lovește în cele din urmă și, în funcție de aceasta, vedem obiectele clar sau nu foarte bine. Cea mai sensibilă și delicată parte a retinei este regiune centrala- macula. Macula este cea care ne oferă viziunea centrală.

Cavitatea globului ocular este umplută cu o substanță transparentă, oarecum gelatinoasă - corpul vitros. Menține densitatea globului ocular și aderă la învelișul interior - retină, fixându-l.

Sistemul optic al ochiului

În esența și scopul său, ochiul uman este un sistem optic complex. În acest sistem, se pot distinge câteva dintre cele mai importante structuri. Acestea sunt corneea, cristalinul și retina. Practic, calitatea vederii noastre depinde de starea acestor structuri care transmit, refractează și percep lumina, de gradul de transparență a acestora.

Corneea refractează razele de lumină mai puternice decât toate celelalte structuri, trecând apoi prin pupilă, care acționează ca o diafragmă. Figurat vorbind, ca într-o cameră bună, diafragma reglează fluxul razelor de lumină și, în funcție de distanța focală, vă permite să obțineți o imagine de înaltă calitate, astfel încât pupila să funcționeze în ochiul nostru. De asemenea, obiectivul refractează și transmite razele de lumină în continuare către structura de percepere a luminii - retina, un fel de film fotografic. Lichidul camerelor oculare și corpul vitros au, de asemenea, proprietăți de refracție, dar nu la fel de semnificative. Cu toate acestea, starea corpului vitros, gradul de transparență al umorii apoase a camerelor oculare, prezența sângelui sau a altor opacități plutitoare în acestea pot afecta și calitatea vederii noastre. În mod normal, razele luminoase, trecând prin toate mediile optice transparente, sunt refractate astfel încât atunci când lovesc retina formează o imagine redusă, inversată, dar reală. Analiza finală și percepția informațiilor primite de ochi are loc deja în creierul nostru, în cortexul lobilor săi occipitali.

Astfel, ochiul este foarte complex și surprinzător. Încălcarea stării sau alimentării cu sânge a oricărui element structural al ochiului poate afecta negativ calitatea vederii.

Ochiul nostru este un sistem optic complex a cărui sarcină principală este de a transmite o imagine către nervul optic.
Inițial imagine vizibilă trece prin cornee. Există o refracție primară a luminii. De acolo, printr-o gaură rotundă din iris, numită pupila, intră în cristalin. Deoarece cristalinul este o lentilă biconvexă, după ce trece prin corpul vitros, imaginea vizibilă este inversată atunci când lovește retina. Este semnalul de imagine inversat care călătorește de la retină de-a lungul nervului optic până la creier. Și creierul este pentru asta și creierul pentru a întoarce imaginea înapoi.

Structura ochiului uman nu poate fi considerată separat fără alte două părți ale aparatului vizual - căi și o parte a creierului (cortexul vizual), care sunt responsabile pentru conducerea și analiza impulsurilor nervoase care vin din ochi: o persoană privește cu el. ochiul, dar vede cu creierul. În plus, având în vedere structura ochiului uman, trebuie spus despre aparatul său accesoriu. Globul ocular formează un sistem integral cu structuri auxiliare: mușchii oculomotori, pleoapele, mucoasa (conjunctiva) și aparatul lacrimal.

Structura externă

Aici puteți evidenția pleoapele (superioare și inferioare), genele, colțul interior al ochiului cu caruncula lacrimală (pliul mucoasei), partea albă a globului ocular - sclera, care este acoperită cu o mucoasă transparentă - conjunctiva. (pentru mai multe informații despre această formare a ochiului, vezi secțiunea Conjunctivă) , partea transparentă - corneea, prin care sunt vizibile pupila rotundă și irisul (colorate individual, cu un model unic). Locul în care sclera se întâlnește cu corneea se numește limb.

Globul ocular are o formă sferică neregulată, dimensiunea antero-posterior a unui adult este de aproximativ 23-24 mm.

Ochii sunt localizați în recipientul osos - orbitele. În exterior, acestea sunt protejate de pleoape, de-a lungul marginilor globilor oculari sunt înconjurate de mușchii oculomotori și țesut adipos. Din interior, nervul optic părăsește ochiul și trece printr-un canal special în cavitatea craniană, ajungând la creier.

Pleoapele

Pleoapele (superioare și inferioare) sunt acoperite la exterior cu piele, la interior - cu o mucoasă (conjunctivă). În grosimea pleoapelor se află cartilaj, mușchi ( muşchi circular ochi și mușchi ridicător pleoapa superioară) și glande. Glandele pleoapelor produc componente ale lacrimii ochiului, care în mod normal udă suprafața ochiului. Genele cresc pe marginea liberă a pleoapelor, care îndeplinesc o funcție de protecție, iar canalele glandelor se deschid. Între marginile pleoapelor se află fisura palpebrală. În colțul interior al ochiului, pe pleoapele superioare și inferioare, există deschideri lacrimale - găuri prin care lacrima curge prin canalul nazolacrimal în cavitatea nazală.

Mușchii ochiului

Mușchii ochiului, dintre care există șase pe fiecare glob ocular: patru mușchi drepti: intern, extern, superior și inferior și doi mușchi oblici: superior și inferior. Aparatul muscular al ochiului asigură rotația globului ocular în toate direcțiile, precum și fixarea coordonată a privirii ambilor ochi la un anumit punct.

Glanda lacrimală este situată în partea superioară-exterioară a orbitei. Produce lichid lacrimal ca răspuns la iritația emoțională sau iritația mucoasei ochiului, corneei sau nazofaringelui. Puteți vedea structura aparatului lacrimal al ochiului uman mai detaliat în secțiunea cu aparatul lacrimal.

Cochiliile ochiului

Globul ocular uman are 3 cochilii: exterioară, mijlocie și interioară.

Sclera

Sclera ocupă 4/5 din membrana fibroasă și este formată din țesut conjunctiv, este destul de densă și atașată de aceasta muschii ochilor. Funcția principală este de protecție, oferă o anumită formă și ton a globului ocular. Există un punct de ieșire din polul posterior al ochiului în sclera nervul oftalmic- placă cu zăbrele.

Cornee

Corneea este 1/5 din învelișul exterior, are o serie de caracteristici: transparență (absența vaselor de sânge), luciu, sfericitate și sensibilitate. Toate aceste semne sunt caracteristice unei cornee sănătoase. În bolile corneei, aceste semne se modifică (încețoșare, pierderea sensibilității etc.). Corneea aparține sistemului optic al ochiului, conduce și refractă lumina (grosimea sa în diferite secțiuni este de la 0,2 la 0,4 mm, iar puterea de refracție a corneei este de aproximativ 40 dioptrii). O descriere mai completă a structurii corneei poate fi găsită în secțiunea corespunzătoare: Cornee.

Membrana medie (vasculară) a ochiului este formată din iris, corpul ciliar și coroida în sine (coroidă), care sunt situate direct sub sclera. Învelișul mijlociu al ochiului oferă nutriție globului ocular, participă la procesele metaboliceși excreția produselor metabolice din țesuturile oculare.

iris

Irisul este partea anterioară a tractului vascular al ochiului, este situat în spatele corneei transparente, în centru există o gaură rotundă reglabilă - pupila. Astfel, irisul din structura ochiului uman acționează ca o diafragmă, vopsită într-o anumită culoare. Culoarea ochilor unei persoane este determinată de cantitatea de pigment de melanină din iris (de la albastru deschis la maro). Acest pigment protejează ochii de lumina excesivă a soarelui. Diametrul pupilei variază de la 2 la 8 mm, în funcție de iluminare, reglare nervoasă sau acțiunea medicamentelor. În mod normal, pupila se strânge la lumină puternică și se dilată la lumină slabă.

corp ciliar

Corpul ciliar este o secțiune a coroidei situată la baza irisului. În grosimea corpului ciliar există un mușchi ciliar care modifică curbura cristalinului biologic al ochiului - cristalinul, aducând astfel focalizarea la distanța dorită (se produce acomodarea ochiului).

Coroida în sine (coroida) alcătuiește cea mai mare parte a tractului vascular al ochiului (2/3) și joacă rolul de a hrăni învelișul interior al ochiului - retina.

obiectiv

Lentila este situată în spatele pupilei, este o lentilă biologică care, sub influența mușchiului ciliar, modifică curbura și participă la actul de acomodare a ochiului (focalizarea privirii asupra obiectelor aflate la diferite distanțe). Puterea de refracție a acestei lentile variază de la 20 de dioptrii în repaus la 30 de dioptrii când mușchiul ciliar lucrează.

În plus, camerele anterioare și posterioare ale ochiului se pot distinge în globul ocular - spații umplute cu umoare apoasă - un fluid care circulă în interiorul ochiului și îndeplinește o funcție de hrănire pentru cornee și cristalin (în mod normal, aceste formațiuni nu au sânge). vase). Camera anterioară a ochiului este situată între cornee și iris, camera posterioară este între iris și cristalinul ochiului. Umiditatea apoasă este produsă de procesele corpului ciliar, apoi curge prin pupilă în camera anterioară, după care curge printr-un sistem special de drenaj (aparat trabecular) în rețeaua vasculară, așa cum se arată în figură:

În spatele cristalinului se află o formațiune volumetrică care umple ochiul, corpul vitros, care are o consistență asemănătoare jeleului. Funcțiile corpului vitros sunt transmiterea luminii și menținerea formei globului ocular.

Retină

Retina (membrana interioară, sensibilă a ochiului) căptușește cavitatea globului ocular din nutrie. Aceasta este cea mai subțire dintre cojile ochiului, grosimea sa este de la 0,07 la 0,5 mm. Retina are structura complexași este format din 10 straturi de celule. Această înveliș a ochiului poate fi comparată cu filmul unei camere, rolul său principal este formarea imaginii (percepția luminii și a culorii), cu ajutorul celulelor sensibile speciale - tije și conuri. Tijele sunt situate în principal la periferia retinei și sunt responsabile pentru vederea în amurg alb-negru. Conurile sunt concentrate în părțile centrale ale retinei - macula și sunt responsabile pentru detaliile fine ale obiectelor și culorilor. Fibrele nervoase care provin din celulele senzoriale formează nervul optic, care iese din polul posterior al ochiului și pătrunde în cavitatea craniană, în creier.

Sursa proglaza.ru

• Categorie:

Ochiul uman este un sistem optic foarte complex, format dintr-o varietate de elemente, fiecare fiind responsabil pentru propriile sarcini. În general, aparatul ocular ajută la percepție imaginea externă, procesează-l și transmit informații într-o formă deja pregătită către creier. Fără funcțiile sale, organele corpului uman nu ar putea interacționa la fel de complet. Deși organul vederii este complex, cel puțin într-o formă de bază, merită ca fiecare persoană să înțeleagă descrierea principiului funcționării sale.

Principiul general de funcționare

După ce am înțeles ce este un ochi, după ce i-am înțeles descrierea, vom lua în considerare principiul funcționării acestuia. Ochiul lucrează prin perceperea luminii reflectate de obiectele din jur. Această lumină lovește corneea, o lentilă specială care permite focalizarea razelor care intră. După cornee, razele trec prin camera ochiului (care este umplută cu un lichid incolor), apoi cad pe iris, care are o pupila în centru. Pupila are un orificiu (fisura palpebrala) prin care trec doar razele centrale, adica se elimina o parte din razele situate la marginile fluxului luminos.

Elevul ajută la adaptarea la diferite niveluri iluminat. El (mai precis, fisura sa palpebrală) filtrează doar acele raze care nu afectează calitatea imaginii, ci le reglează fluxul. Ca rezultat, ceea ce rămâne merge către lentilă, care, ca și corneea, este o lentilă, dar concepută doar pentru altceva - pentru o focalizare mai precisă, „curată” a luminii. Cristalinul și corneea sunt mediile optice ale ochiului.

În plus, lumina trece printr-un corp vitros special, care intră în aparatul optic al ochiului, pe retină, unde imaginea este proiectată ca pe un ecran de film, dar numai cu capul în jos. În centrul retinei se află macula, zona care răspunde obiectului pe care îl privim direct.

În etapele finale ale achiziției de imagini, celulele retiniene procesează ceea ce se află pe ele, traducând totul în impulsuri electromagnetice, care sunt apoi trimise la creier. O cameră digitală funcționează într-un mod similar.

Dintre toate elementele ochiului, doar sclera, o înveliș opac special care acoperă exteriorul, nu participă la procesarea semnalului. Îl înconjoară aproape în întregime, aproximativ 80%, dar în partea anterioară trece lin în cornee. La oameni, partea sa exterioară este de obicei numită proteină, deși acest lucru nu este în întregime corect.

Număr de culori distincte

Organul vizual uman percepe o imagine în culoare, iar numărul de nuanțe de culori pe care le poate distinge este foarte mare. Câte culori diferite se disting de ochi (mai precis, câte nuanțe) pot varia de la caracteristicile individuale ale unei persoane, precum și de nivelul de pregătire a acesteia și de tipul activității sale profesionale. Ochiul „lucrează” cu așa-numita radiație vizibilă, adică undele electromagnetice având o lungime de undă de la 380 la 740 nm, adică cu lumină.

Dacă luăm indicatorii medii, atunci o persoană în total poate distinge aproximativ 150 de mii de tonuri și nuanțe de culoare.

Cu toate acestea, există o ambiguitate aici, care constă în subiectivitatea relativă a percepției culorilor. Prin urmare, unii oameni de știință sunt de acord cu o cifră diferită, câte nuanțe de culori vede / distinge de obicei o persoană - de la șapte la zece milioane. În orice caz, numărul este impresionant. Toate aceste nuanțe sunt obținute prin variarea celor șapte culori primare situate în diferite părți ale spectrului curcubeului. Se crede că artiștii și designerii profesioniști au un număr mai mare de nuanțe percepute și, uneori, o persoană se naște cu o mutație care îi permite uneori să vadă. mai multe culoriși nuanțe. Câte culori diferite văd astfel de oameni este o întrebare deschisă.

boli ale ochilor

Ca orice alt sistem corpul uman, organul vederii este supus diverselor boli și patologii. În mod convențional, ele pot fi împărțite în infecțioase și neinfecțioase. Tipurile frecvente de boli care sunt cauzate de bacterii, virusuri sau microorganisme sunt conjunctivita, orzul si blefarita.

Dacă boala este neinfecțioasă, atunci apare de obicei din cauza suprasolicitarii grave a ochilor, din cauza unei predispoziții ereditare sau pur și simplu din cauza modificărilor care apar în corpul uman odată cu vârsta. Mai rar, problema poate fi că a apărut o patologie generală a organismului, de exemplu, s-a dezvoltat hipertensiune arterială sau Diabet. Ca urmare, poate apărea glaucom, cataractă sau sindromul de ochi uscat, ca urmare, o persoană vede sau distinge obiectele mai rău.

LA practică medicală Toate bolile sunt împărțite în următoarele categorii:

• boli ale elementelor individuale ale ochiului, de exemplu, cristalinul, conjunctiva și așa mai departe;
• patologia nervilor/căilor optice;
• patologii musculare, din cauza cărora mișcarea prietenoasă a merelor este perturbată;
• boli asociate orbirii și diferitelor tulburări de vedere, deficiențe de vedere;
• glaucom.

Pentru a evita problemele și patologiile, ochii trebuie protejați, nu ținuți îndreptați la un moment dat o lungă perioadă de timp, iar iluminarea optimă trebuie menținută atunci când citiți sau lucrați. Atunci puterea vederii nu va cădea.

Structura externă a ochiului

Ochiul uman are nu numai structura interna, dar și exteriorul, care este reprezentat de secole. Acestea sunt partiții speciale care protejează ochii de răni și factori negativi de mediu. Ele constau în principal din țesut muscular, care este acoperit la exterior cu piele subțire și delicată. În oftalmologie, este în general acceptat că pleoapele sunt una dintre elemente esentiale, în cazul problemelor cu care pot apărea probleme.

Deși pleoapa este moale, cartilajul, care este în esență o formațiune de colagen, îi asigură rezistența și constanța formei. Mișcarea pleoapelor se realizează datorită stratului muscular. Când pleoapele se închid, acesta are un rol funcțional - globul ocular este umezit, iar particulele străine mici, indiferent câte sunt pe suprafața ochiului, sunt îndepărtate. În plus, datorită umezirii globului ocular, pleoapa este capabilă să alunece liber în raport cu suprafața sa.

O componentă importantă a pleoapelor este, de asemenea, un sistem extins de alimentare cu sânge și multe terminații nervoase care ajută pleoapele să își îndeplinească funcțiile.

mișcarea ochilor

Ochii umani se mișcă cu ajutorul unor mușchi speciali care asigură ochilor o funcționare continuă normală. Aparatul vizual se mișcă cu ajutorul muncii coordonate a zeci de mușchi, dintre care principalele sunt patru procese musculare drepte și două oblice. inconjoara cu laturi diferiteși ajută la rotirea globului ocular în jurul diferitelor axe. Fiecare grup vă permite să întoarceți ochiul uman în propria sa direcție.

De asemenea, mușchii ajută la ridicarea și coborârea pleoapelor. Când toți mușchii lucrează în armonie, nu numai că vă permite să controlați ochii separat, ci și să efectuați munca lor coordonată și coordonarea direcției lor.

) o persoană care are capacitatea de a percepe radiația electromagnetică în intervalul de lungimi de undă a luminii și asigură funcția de vedere. Ochii sunt situati in partea din fata a capului si, impreuna cu pleoapele, genele si sprancenele, sunt o parte importanta a fetei. Zona facială din jurul ochilor este implicată activ în expresiile faciale.

Sensibilitatea maximă optimă de zi a ochiului uman se încadrează pe maximul spectrului continuu al radiației solare, situat în regiunea „verde” de 550 (556) nm. La trecerea de la lumina zilei la amurg, sensibilitatea maximă la lumină se deplasează către partea cu lungime de undă scurtă a spectrului, iar obiectele roșii (de exemplu, macul) apar negre, albastre (floarea de colț) - foarte ușoare (fenomenul Purkinje).

Structura ochiului uman

Ochiul sau organul vederii este format din globul ocular, nervul optic (vezi Sistemul vizual). Separat, există organe auxiliare (pleoape, aparat lacrimal, mușchi ai globului ocular).

Se rotește cu ușurință în jurul diferitelor axe: verticală (sus-jos), orizontală (stânga-dreapta) și așa-numita axă optică. În jurul ochiului sunt trei perechi de mușchi responsabili de mișcarea globului ocular [și de a avea mobilitate activă]: 4 drepte (sus, inferior, intern și extern) și 2 oblici (sus și inferior). Acești mușchi sunt controlați de semnalele pe care nervii din ochi le primesc de la creier. Ochiul conține poate cei mai rapid mușchi din corpul uman. Deci, atunci când se uită la (focalizare concentrată) pe o ilustrație, ochiul face un număr mare de micro-mișcări într-o sutime de secundă]. Dacă privirea este întârziată (focalizată) pe un punct, ochiul face continuu mișcări-oscilații mici, dar foarte rapide. Numărul lor ajunge la 123 pe secundă.

Globul ocular este separat de restul orbitei printr-o capsulă fibroasă densă - Tenon (fascia), în spatele căreia se află țesut adipos. Un strat capilar este ascuns sub țesutul adipos.

Ochiul real, sau globul ocular(lat. bulbus oculi), - o formațiune pereche de formă sferică neregulată, situată în fiecare dintre orbitele (orbitele) ale craniului oamenilor și ale altor animale.

Structura externă a ochiului uman

Doar partea anterioară, mai mică și cea mai convexă a globului ocular este disponibilă pentru inspecție - cornee, și partea care o înconjoară (sclera); restul, o mare parte, se află în adâncurile orbitei.

Ochiul are o formă neregulată sferică (aproape sferică), aproximativ 24 mm în diametru. Lungimea axei sale sagitale este în medie de 24 mm, orizontală - 23,6 mm, verticală - 23,3 mm. Volumul unui adult este în medie de 7,448 cm³. Masa globului ocular este de 7-8 g.

Dimensiunea globului ocular este în medie aceeași la toți oamenii, diferă doar în fracțiuni de milimetri.

Globul ocular are doi poli: anterior și posterior. Polul anterior corespunde celei mai convexe părți centrale a suprafeței anterioare a corneei și polul posterior situat în centrul segmentului posterior al globului ocular, oarecum în afara ieșirii nervului optic.

Linia care leagă ambii poli ai globului ocular se numește axa exterioară a globului ocular. Distanța dintre polii anterior și posterior ai globului ocular este aceasta dimensiunea cea mai mareși egal cu aproximativ 24 mm.

O altă axă din globul ocular este axa internă - conectează un punct de pe suprafața interioară a corneei, corespunzător polului său anterior, cu un punct pe retină corespunzător polului posterior al globului ocular, dimensiunea medie a acestuia fiind de 21,5 mm.

În prezența unei axe interne mai lungi, razele de lumină, după refracția în globul ocular, sunt concentrate în fața retinei. În același timp, o bună vedere a obiectelor este posibilă numai la distanță apropiată - miopie, miopie.

Dacă axa interioară a globului ocular este relativ scurtă, atunci razele de lumină după refracție sunt colectate în focalizare în spatele retinei. În acest caz, vederea la distanță este mai bună decât în ​​apropiere, - clarviziune, hipermetropie.

Cea mai mare dimensiune transversală a globului ocular uman este în medie de 23,6 mm, iar cea verticală este de 23,3 mm. Puterea de refracție a sistemului optic al ochiului (când acomodarea este în repaus ( depinde de raza de curbură a suprafețelor de refracție (cornee, cristalin - suprafețele anterioare și posterioare ale ambelor, - doar 4) și de distanța lor una de cealaltă) medie 59,92. Pentru refracția ochiului contează lungimea axei ochiului, adică distanța de la cornee la pată galbenă; are o medie de 25,3 mm (BV Petrovsky). Prin urmare, refracția ochiului depinde de raportul dintre puterea de refracție și lungimea axei, care determină poziția focarului principal în raport cu retina și caracterizează setarea optică a ochiului. Există trei refracții principale ale ochiului: refracția „normală” (focalizare pe retină), hipermetropie (în spatele retinei) și miopie (focalizare din față spre exterior).

Se distinge și axa vizuală a globului ocular, care se extinde de la polul său anterior până la fovea centrală a retinei.

Linia care leagă punctele celui mai mare cerc al globului ocular din planul frontal se numește ecuator. Este situat la 10-12 mm în spatele marginii corneei. Se numesc linii trasate perpendicular pe ecuator și care leagă ambii poli ai mărului de la suprafață meridiane. Meridianele verticale și orizontale împart globul ocular în cadrane separate.

Structura internă a globului ocular

Globul ocular este format din cochilii care înconjoară miezul interior al ochiului, reprezentând conținutul său transparent - corpul vitros, cristalinul, umoarea apoasă în camerele anterioară și posterioară.

Nucleul globului ocular este înconjurat de trei cochilii: exterior, mijloc și interior.

1. Exterior - foarte dens fibros coaja globului ocular tunica fibrosa bulbi), de care sunt atașați mușchii externi ai globului ocular, îndeplinește o funcție de protecție și, datorită turgenței, determină forma ochiului. Este format dintr-o parte anterioară transparentă - corneea și o parte posterioară opacă de culoare albicioasă - sclera.
2. Medie, sau vasculare, coaja globului ocular ( tunica vasculosa bulbi), joacă un rol important în procesele metabolice, oferind nutriție ochiului și excreția produselor metabolice. Este bogat în vase de sânge și pigment (celulele coroide bogate în pigmenti împiedică pătrunderea luminii prin sclera, eliminând împrăștierea luminii). Este format din iris, corpul ciliar și coroida propriu-zisă. În centrul irisului există o gaură rotundă - pupila, prin care razele de lumină pătrund în globul ocular și ajung în retină (dimensiunea pupilei se modifică (în funcție de intensitatea fluxului luminos: în lumină puternică, este mai îngust, în lumină slabă și în întuneric este mai larg) ca urmare a interacțiunii fibrelor musculare netede - sfincter și dilatator, închise în iris și inervate de nervi parasimpatici și simpatici; într-o serie de boli, apare dilatarea pupilei - midriaza, sau constrictie - mioza). Irisul conține o cantitate diferită de pigment, de care depinde culoarea sa - „culoarea ochilor”.
3. intern, sau plasă, coaja globului ocular ( tunica interna bulbi), - retina este partea receptoră a analizorului vizual, aici există o percepție directă a luminii, transformări biochimice pigmenți vizuali, modificări ale proprietăților electrice ale neuronilor și transmiterea informațiilor către sistemul nervos central.

aparat de cazare

Retina are, de asemenea, o structură stratificată. Dispozitiv retină extrem de complex. Microscopic, se disting 10 straturi în el. Stratul cel mai exterior percepe lumina (culoare), este orientat spre coroidă (înăuntru) și este format din celule neuroepiteliale - tije și conuri care percep lumina și culorile (la om, suprafața de percepere a luminii a retinei este foarte mică - 0,4). -0,05 mm², următoarele straturi sunt formate din celule și fibre nervoase care conduc stimularea nervoasă).

Lumina pătrunde în ochi prin cornee, trece succesiv prin fluidul camerelor anterioare și posterioare, cristalinul și corpul vitros, trecând prin toată grosimea retinei, intră în procesele celulelor sensibile la lumină - tije și conuri. În ele au loc procese fotochimice, oferind viziunea culorii (pentru mai multe detalii, vezi Culoare și senzație de culoare). Retina vertebratelor este anatomic „pe dos în afară”, astfel încât fotoreceptorii sunt localizați în partea din spate a globului ocular (într-o configurație „din spate în față”). Pentru a ajunge la ele, lumina trebuie să treacă prin mai multe straturi de celule.

Dacă închizi ochii doar un minut și încerci să trăiești în întuneric complet, începi să înțelegi cât de importantă este vederea pentru o persoană. Cât de neputincioși devin oamenii când își pierd capacitatea de a vedea. Și dacă ochii sunt oglinda sufletului, atunci pupila este fereastra noastră către lume.

Structura ochiului

Ochiul uman este un sistem optic complex. Scopul său principal este de a transmite o imagine prin nervul optic către creier.

Globul ocular, care are forma unei sfere, este situat pe orbită și are trei vasculare și retină. În interiorul acestuia se află umoarea apoasă, cristalinul și corpul vitros.

Segmentul alb al globului ocular este acoperit cu o membrană mucoasă (scleră). Partea frontală transparentă, numită cornee, este o lentilă optică cu o putere de refracție mare. Sub acesta se află irisul, care acționează ca o diafragmă.

Fluxul de lumină reflectat de pe suprafețele obiectelor lovește mai întâi corneea și, refractat, intră prin pupilă către cristalin, care este, de asemenea, o lentilă biconvexă și intră în sistemul optic al ochiului.

Următoarea oprire pe drum vizibilă pentru om imagini - retina. Este o înveliș de celule care sunt sensibile la lumină: conuri și bastonașe. Retina acoperă suprafața interioară a ochiului și transmite informații către creier prin fibre nervoase prin nervul optic. În ea are loc percepția și conștientizarea finală a ceea ce se vede.

functia pupilei

Există o unitate frazeologică populară în rândul oamenilor: „prețuiește ca pruna ochilor”, dar puțini oameni știu astăzi că a fost pupila care se numea mărul în vremuri. Această expresie a fost folosită de mult timp și este cea mai bună modalitate de a arăta cum ar trebui să ne tratăm ochii - ca fiind cei mai valoroși și mai scumpi.

Pupila umană este reglată de doi mușchi: sfincterul și dilatatorul. Ele sunt controlate de diferite sisteme simpatice și parasimpatice.

Pupila este, de fapt, o gaură prin care pătrunde lumina. Acționează ca un regulator, micșorându-se în lumină puternică și extinzându-se în lumină slabă. Astfel, protejează retina de arsuri și crește acuitatea vizuală.

midriaz

Este normal ca o persoană să aibă o pupila dilatată? Depinde de o serie de factori. În comunitatea medicală, acest fenomen se numește midriază.

Se pare că elevii reacţionează nu numai la lumină. Expansiunea lor poate fi declanșată de o stare emoțională excitată: un interes puternic (inclusiv unul sexual), bucurie violentă, durere insuportabilă sau frică.

Factorii enumerați mai sus cauzează midriaza naturală, care nu afectează acuitatea vizuală și sănătatea ochilor. De regulă, o astfel de stare a elevului trece rapid dacă fondul emoțional revine la normal.

Fenomenul midriazei este tipic pentru o persoană care este intoxicată cu alcool sau droguri. În plus, pupilele dilatate indică adesea otrăviri grave, cum ar fi botulismul.

Midriaza patologică poate fi adesea observată la pacienții cu leziuni cerebrale traumatice. Ei vorbesc în mod constant despre prezența unui număr de posibile boli la o persoană:

• glaucom;
• migrenă;
• paralizie;
• encefalopatie;
• disfuncție tiroidiană;
• sindromul Eddy.

Mulți oameni știu din filme că atunci când leșin, medicii de la ambulanță examinează mai întâi ochii. Reacția pupilelor la lumină, precum și dimensiunea lor, pot spune multe medicilor. O ușoară creștere indică o pierdere superficială a conștienței, în timp ce ochii „sticloși”, aproape negri, semnalează o stare foarte gravă.

mioza

O pupilă îngustă disproporționat este inversul midriazei. Oftalmologii o numesc mioza. O astfel de abatere are și o serie de motive, poate fi un defect vizual inofensiv, dar adesea acesta este un motiv pentru a consulta imediat un medic.

Specialiștii disting mai multe soiuri de mioză:

1. Funcțional, în care îngustarea apare din motive naturale, precum iluminarea slabă, somnul, copilăria sau bătrânețea, hipermetropie, surmenaj.
2. Mioza medicamentoasă este rezultatul consumului de medicamente care, pe lângă funcția principală, au un efect asupra activității mușchilor oculari.
3. Paralitic - caracterizat printr-o absență completă sau parțială a capacității motorii a dilatatorului.
4. Mioza iritativă - observată cu spasm al sfincterului. Apare adesea cu tumori la creier, meningită, encefalită și, de asemenea, la persoanele care suferă de scleroză multiplă si epilepsie.
5. Mioza sifilitică - se poate manifesta în orice stadiu al bolii, deși se dezvoltă rar cu terapie în timp util.

Anizocoria

Potrivit statisticilor, fiecare a cincea persoană de pe Pământ are elevi de dimensiuni diferite. Această asimetrie se numește anizocorie. În cele mai multe cazuri, diferențele sunt neglijabile și vizibile doar pentru un oftalmolog, dar în unele, această diferență este vizibilă cu ochiul liber. Reglarea diametrului pupilelor cu această caracteristică are loc asincron, iar în unele cazuri dimensiunea se modifică doar la un ochi, în timp ce celălalt rămâne nemișcat.

Anizocoria poate fi ereditară sau dobândită. În primul caz, această structură a ochiului se datorează geneticii, în al doilea - printr-o traumă sau un fel de boală.

Pupilele de diferite diametre se găsesc la persoanele care suferă de astfel de afecțiuni:

• afectarea nervului optic;
• anevrism;
• leziuni cerebrale;
• tumori;
• boli neurologice.

Polycoria

Pupila dublă este cel mai rar tip de anomalie oculară. Acest efect congenital, numit policoria, se caracterizează prin prezența a două sau mai multe pupile în același iris.

Există două tipuri de această patologie: falsă și adevărată. Opțiunea falsă implică faptul că pupila este închisă neuniform de membrană și se pare că există mai multe orificii. În acest caz, reacția la lumină este prezentă doar într-unul.

Policoria adevărată este asociată cu dezvoltarea patologică a ocularului. În același timp, forma pupilelor nu este întotdeauna rotundă, există găuri sub formă de oval, picături.O reacție la lumină, deși nu pronunțată, este în fiecare dintre ele.

Persoanele cu această patologie simt un disconfort semnificativ, ochiul defect vede mult mai rău decât în ​​mod normal. Dacă numărul de elevi este mai mare de 3 și sunt suficient de mari (2 mm sau mai mult), este probabil ca un copil sub un an să fie supus unei intervenții chirurgicale. Adulților li se prescrie să poarte lentile de contact corective.

Caracteristici de vârstă

Multe mame tinere observă adesea că copilul are pupilele dilatate. Merită să stârnești panica din cauza asta? Cazurile izolate nu sunt periculoase, ele pot fi cauzate de iluminarea slabă în cameră și de caracteristicile excitabile sistem nervos. Văzând o jucărie frumoasă sau speriat de teribilul Barmaley, copilul va extinde în mod reflex pupilele, care vor reveni în curând la normal.

Dacă această condiție este observată în mod constant - acesta este un motiv pentru a suna alarma și pentru a consulta urgent un medic. Acest lucru poate indica boli de natură neurologică, iar o consultație suplimentară cu un specialist cu siguranță nu va strica.

Răspunsul pupilar la lumină se modifică odată cu vârsta. La adolescenți se observă expansiunea maximă posibilă, spre deosebire de vârstnici, pentru care elevii înconjurați constant sunt o variantă a normei.

3-11-2013, 19:05

Descriere

Introducere

Sistemul vizual uman a atins cea mai înaltă perfecțiune. Oamenii de știință care lucrează pentru a crea sisteme electronice sau chimice cu caracteristici comparabile nu pot decât să-i admire sensibilitatea, compactitatea, durabilitatea, gradul ridicat de reproductibilitate și adaptabilitatea grațioasă la nevoile corpului uman. Pentru dreptate, ar trebui, desigur, remarcat faptul că încercările de a crea sisteme artificiale adecvate au început cu mai puțin de un secol în urmă, în timp ce sistemul vizual uman s-a format de-a lungul a milioane de ani. A apărut dintr-un anumit set „cosmic” de elemente - selectate, selectate și selectate până când o combinație de succes a căzut. Puțini oameni se îndoiesc că evoluția umană a fost de natură „oarbă”, probabilistică și este absolut imposibil să o urmărești pas cu pas. Costurile evoluției s-au scufundat de mult în uitare, fără a lăsa urme.

Viziunea ocupă un loc aproape unic în schema evoluției. Se poate presupune, de exemplu, că dezvoltarea evolutivă ulterioară va duce la o creștere a volumului creierului, o complicație a sistemului nervos sau la diferite îmbunătățiri ale funcțiilor existente. Cu toate acestea, este imposibil de imaginat că sensibilitatea procesului vizual va crește semnificativ. Procesul vizual reprezintă piatra finală absolută în lanțul evoluției. Dacă luăm în considerare faptul că fiecare foton absorbit este „numărat” în procesul vizual, atunci o creștere suplimentară a sensibilității este puțin probabilă, cu excepția cazului în care absorbția crește. Legile fizicii cuantice stabilesc o limită dură de care sistemul nostru vizual s-a apropiat.

Ne-am rezervat că viziunea ocupă un loc aproape unic, întrucât, conform anumitor date, și alte procese perceptive au atins o limită absolută în evoluția lor. Capacitatea unui număr de insecte (de exemplu, molii) de a „detecta” molecule individuale este o dovadă că simțul mirosului în alte cazuri a atins limita cuantică. În mod similar, auzul nostru este limitat la limită de zgomotul termic al mediului.

Sensibilitatea ridicată a procesului vizual nu este privilegiul doar al unei persoane. Există dovezi clare că aici au ajuns specii de animale mai puțin avansate și păsări nocturne. nivel similar. Aparent, peștii care trăiesc în adâncurile întunecate ale oceanului trebuie să folosească și ei la limită puținele informații care le pătrund cu raze aleatorii de lumină. În cele din urmă, putem indica fotosinteza ca dovadă că diverse forme de viață a plantelor au învățat de mult să folosească aproape fiecare foton incident, cel puțin într-o anumită regiune spectrală.

Scopul principal al acestui capitol este de a demonstra eficiența cuantică ridicată a ochiului uman pe o gamă largă de intensități luminoase. Pentru a exprima datele inițiale despre vederea umană în ceea ce privește densitatea fotonilor pe unitatea de suprafață a retinei, este necesar să se cunoască parametrii optici ai ochiului uman. Le vom lua în considerare în secțiunea următoare.

Parametrii optici

Pe fig. 10 arată structura ochiului uman.

Diafragma pupilei lentilei variază de la 2 mm în lumină puternică până la aproximativ 8 mm în apropierea pragului de percepție vizuală. Aceste modificări apar de ordinul zecimii de secundă. Distanta focala lentila este de 16 mm. Aceasta înseamnă că raportul de deschidere al sistemului optic variază de la 1:2 la iluminare scăzută la 1:8 la iluminare ridicată. O dependență aproximativă a ariei pupilei de nivelul de iluminare este prezentată în Fig. unsprezece.

Stratul sensibil la lumină, numit retină, este format din celule sensibile la lumină, bastonașe și conuri, distanțate la aproximativ 2 microni. Întreaga retină - aria sa este aproape de 10 cm 2 - conține 10 8 astfel de elemente. Conurile, situate predominant în regiunea foveei, care are o dimensiune unghiulară de aproximativ 1°, lucrează la iluminare medie și mare și transmit senzații de culoare. Tijele, care ocupă cea mai mare parte a zonei retinei, funcționează până la cea mai mică iluminare și nu au sensibilitate la culoare. Conurile determină limita de rezoluție la niveluri ridicate de lumină, care este de 1-2 ", care este aproape de dimensiunea unui disc de difracție corespunzător unui diametru al pupilei lentilei de 2 mm. Studiul muncii ochiului și studiul anatomic al Structura sa arată că, pe măsură ce vă îndepărtați de centrul retinei, tijele sunt combinate în grupuri din ce în ce mai mari, până la câteva mii de elemente fiecare. Lumina care intră în retină trece printr-un strat de fibre nervoase care radiază de la nervul optic către celule. a retinei.

Spațiul dintre cristalin și retină este umplut cu un mediu apos, așa-numitul corp vitros, care are un indice de refracție de 1,5. Potrivit diverselor estimări, doar jumătate din lumina incidentă asupra ochiului ajunge în retină. Restul luminii este reflectat sau absorbit.

Timpul fizic de acumulare a fotonilor de către ochi se află în intervalul de la 0,1 la 0,2 s și este probabil mai aproape de ultima cifră. Timpul de acumulare fizică este echivalent cu timpul de expunere în fotografie. În trecerea de la iluminare ridicată la pragul percepției vizuale, timpul de acumulare crește de cel mult două ori. „Lucrarea” ochiului se supune legii interschimbabilității: cu un timp de expunere mai mic de 0,1-0,2 s, reacția acestuia depinde doar de produsul intensității luminii și timpul de expunere al acesteia din urmă.

Indicatori calitativi În ultimele sute de ani, a existat o acumulare continuă de date privind viziunea umană. Blackwell a publicat cele mai recente și cele mai cuprinzătoare măsurători ale capacității ochiului de a distinge între punctele individuale de diferite dimensiuni și contrast în cazul unor variații mari de iluminare. Pe fig. Figura 12 arată datele lui Blzkusll pentru intervalele de iluminare de 10-9 - 10-1 miei, contrast 1 - 100% și rezoluția unghiulară 3-100". că caracteristicile ochiului în această zonă sunt limitate nu de factorii de zgomot, ci de alte motive; acesta din urmă stabilește o limită absolută de distincție a contrastului de 0,5% și rezoluția unghiulară de 1-2". Limita geometrică de rezoluție este determinată de dimensiunea finală a tijelor și conurilor. 13 prezintă date similare obținute mai devreme de Conner și Ganung (1935), precum și de Cobb și Moss (1928). După cum se poate observa, datele prezentate în fig. 12 și 13, în in termeni generali de acord unul cu altul. Totuși, diferența esențială este că, conform datelor lui Blackwell, performanța nu se îmbunătățește atunci când luminozitatea se modifică în interval de 10-2-10-1 miei, în timp ce, potrivit lui Cobb și Moss, o astfel de îmbunătățire are loc. liniile care merg sub un unghi de 45°, sunt caracteristicile care ar fi de așteptat dacă proprietățile sistemului ar fi limitate de zgomot, conform relației (1.2). Pe fig. Punctele experimentale din Fig. 13 se potrivesc destul de bine pe liniile drepte corespunzătoare limitelor de zgomot și mergând la un unghi de 45°. Pe fig. 12, curbele experimentale au forma unor linii curbe care ating liniile drepte indicate doar în zone limitate. Aparent, astfel de abateri pot fi explicate prin influența limitărilor care nu sunt legate de zgomotul fotonic.? Eficiența cuantică a vederii umane

Pentru a estima eficiența cuantică a ochiului, datele prezentate în Fig. 12 și 13 ar trebui exprimate în termeni de număr de fotoni incidenti pe 1 cm2 al retinei. Pentru a face acest lucru, presupunem că timpul de acumulare este de 0,2 s, transmisia lentilei este de 0,5, iar limitele pupilare sunt determinate de datele Reeve prezentate în Fig. 11. După ce am făcut această transformare, înlocuim densitatea fotonului în raport (1.3) , scris sub forma

C2*d2**?*n=k2=25 ,

Unde? - randamentul cuantic al ochiului (eficiență cuantică? 100*?%) - Raportul semnal-zgomot prag k se ia egal cu 5.

Pe fig. 14 arată dependența eficienței cuantice a ochiului (calculată din datele Blackwell) de luminozitatea obiectelor. Ceea ce este cel mai frapant în aceste rezultate este modificarea relativ mică a eficienței cuantice atunci când intensitatea luminii se modifică cu 8 ordine de mărime. Eficiența cuantică este de 3% la luminozități extrem de scăzute aproape de pragul absolut (aproximativ 10 -10 miel) și scade încet până la aproximativ 0,5% la 0,1 miel.

Desigur, aceasta este o schimbare de zece ori în eficiență. Cu toate acestea, trebuie amintit că în lucrările timpurii, pentru a explica fenomenul prin adaptarea la întuneric în astfel de cazuri, s-a presupus o schimbare de 1000 sau 10000 de ori a eficienței cuantice. (Vom discuta această problemă mai detaliat mai jos.) În plus, chiar și această schimbare de 10 ori poate fi de fapt supraestimată. La calcularea eficienței cuantice, am presupus că timpul de expunere și multiplicatorul k sunt constante, dar, conform unor date, la iluminare scăzută, timpul de expunere poate fi de două ori mai mare decât la iluminare ridicată. Dacă da, atunci eficiența cuantică se modifică doar cu un factor de cinci. În plus, este posibil ca multiplicatorul k mai puțin la iluminare scăzută decât la iluminare ridicată. O astfel de schimbare k(mai precis, k2) poate duce cu ușurință la apariția unui alt factor 2, ca urmare, rezultă că eficiența cuantică se modifică doar cu un factor de 2 atunci când intensitatea luminii se modifică cu 10 8 o singura data.

Al doilea punct important de remarcat atunci când se analizează Fig. 14 este o eficiență cuantică relativ mare.

Conform estimărilor disponibile în literatură, substanța sensibilă a retinei (rodopsina) absoarbe doar 10% din lumina incidentă. Dacă da, atunci eficiența cuantică (pentru lumina albă) în raport cu lumina absorbită este de aproximativ 60% la iluminare scăzută. Astfel, rămâne foarte puțin loc de îmbunătățire a mecanismului de numărare a fotonilor în sine.
Cu toate acestea, este greu de înțeles care este motivul unei absorbții atât de scăzute (doar 10%) a luminii incidente, care s-a format în procesul de evoluție. Este posibil ca alegerea limitată a materialelor biologice să fi servit drept motiv pentru aceasta.

O oarecare scădere a eficienței cuantice la iluminare ridicată poate fi atribuită cerințelor specifice care se aplică unui sistem capabil să distingă culorile. Dacă, după cum arată datele recente, există 3 tipuri de conuri cu caracteristici spectrale diferite, atunci aria sensibilă la lumină cu o anumită lungime de undă este înjumătățită la iluminare ridicată.

Valorile eficienței cuantice prezentate în Fig. 14 din curba inferioară se referă la lumina albă. Se știe că răspunsul vizual la lumina verde este de aproximativ trei ori mai mare decât la același număr total de fotoni „albi”, adică fotoni distribuiți pe tot spectrul vizibil. Utilizarea luminii verzi (sau verde-albastru la iluminare scăzută) ar trebui să conducă la o creștere de trei ori a eficienței cuantice, așa cum se arată în Fig. 14. Într-un astfel de caz, eficiența cuantică la iluminare scăzută ar fi de aproximativ 10% și ar trebui să presupunem că retina absoarbe nu 10%, ci cel puțin 20% din lumina incidentă.

Ar trebui subliniat din nou că eficiența cuantică prezentată în Fig. 14 depind de alegerea parametrilor: timpul de acumulare (0,2 s) și raportul semnal-zgomot prag ( k= 5). Valorile acestor parametri nu sunt definite suficient de precis, în special pentru datele Blackwell.

Poate că clarificările corespunzătoare vor duce la mai multe valori mari eficienta cuantica. De exemplu, dacă presupunem că timpul de acumulare este de 0,1 s, atunci eficiența cuantică va fi de două ori mai mare decât cele prezentate în Fig. 14. Cu toate acestea, cu greu ar trebui să se depună eforturi pentru rafinarea acestor parametri; Nu ar fi mai bine să dezvoltăm o tehnică experimentală îmbunătățită pentru măsurarea eficienței cuantice care să nu depindă de acești parametri?

Metoda preferată pentru determinarea eficienței cuantice

În prezent există doar tehnică simplă o determinare destul de sigură a eficienței cuantice a ochiului. O cameră de televiziune cu amplificator de siliciu nou dezvoltată este capabilă să transmită imagini la niveluri scăzute de lumină, atunci când aceste imagini sunt limitate în mod clar de zgomot, mai precis de zgomot datorat unei părți din fotonii incidenti pe care fotoelectronii îi produc la fotocatod.

Este important ca astfel de imagini, limitate doar de zgomote, să permită determinarea în mod fiabil a eficienței cuantice a fotocatodului. Procedura este ca observatorul și camera de televiziune „să privească” același obiect slab luminat de la aceeași distanță. Diafragma optică a camerei este setată în conformitate cu deschiderea pupilei ochiului observatorului. Apoi, observatorul compară obiectul slab luminat vizibil direct pentru el cu imaginea de pe cinescopul sistemului de televiziune. Dacă informația este aceeași, atunci eficiența cuantică a ochiului observatorului este egală cu eficiența măsurată a fotocatodului tubului de transmisie. Dacă observatorul vede mai mult sau mai puțin decât camera, atunci diafragma este reglată până când diferența dispare, după care se calculează eficiența cuantică a ochiului observatorului din raportul dintre deschiderile lentilelor.

Principalul avantaj al metodei de comparare side-by-side este că nu depinde de timpul de expunere vizuală sau de alegerea raportului semnal-zgomot prag adecvat. Acești parametri, indiferent de valorile lor exacte, rămân în esență aceiași atunci când observatorul vede obiectul însuși și imaginea acestuia pe ecranul televizorului, prin urmare, ei sunt excluși din comparație. Mai mult, efectul memoriei asupra timpului efectiv de expunere în aceste două cazuri este probabil să fie același.

Ne-am hotărât pe această metodă pentru că acum este ușor accesibilă pentru experimentatorii experimentați în studiul procesului vizual. Diverse dispozitive potrivite pentru comparație au fost folosite atât de către autorul acestei cărți, cât și de către alți cercetători pentru estimări preliminare ale eficienței cuantice la iluminare scăzută. Într-unul dintre experimente s-a folosit un dispozitiv de scanare cu un punct luminos în mișcare (Fig. 15); J. E. Rudy a folosit superorthicon cu un intensificator de imagine, iar T. D. Reinolde a folosit un intensificator de imagine cu mai multe etape. Toate aceste dispozitive au produs imagini limitate de zgomotul fotonic și, în toate cazurile, eficiența cuantică a fost estimată la aproximativ 10% pentru niveluri scăzute de lumină.


O serie de imagini prezentate în fig. 15 arată care este cantitatea maximă de informații care poate fi transmisă de un număr dat diferit de fotoni. Fiecare foton este înregistrat ca un punct vizibil discret. Informațiile pe care le primim sunt limitate doar de fluctuațiile statistice, care se manifestă inevitabil la înregistrarea unui flux de fotoni. Tabelul oferă numărul total de fotoni N. care ar fi conținut în imagine dacă toți ar fi iluminați uniform cu o intensitate corespunzătoare zonelor sale cele mai luminoase.

Luminanțe afișate în tabel sunt calculate pe ipoteza că ochiul folosește unul din zece fotoni incidenti. În calcul au fost luați în considerare și alți parametri: timpul de acumulare - 0,2 s, diametrul pupilei - aproximativ 6 mm. Cu alte cuvinte, dacă înlocuim obiectul cu o foaie albă cu luminozitatea specificată, calculăm numărul de fotoni care intră în ochi în 0,2 s și împărțim acest număr la 10, atunci ca rezultat vom obține numărul de fotoni N. .corespunzătoare acestei valori de luminozitate. Prin urmare, seria de imagini de mai sus arată care este cantitatea maximă de informații pe care un observator o poate percepe efectiv la luminozitățile indicate, dacă eficiența cuantică a procesului său vizual este de 10%, iar distanța de la obiect la observator este de 120 cm. .

Compararea diferitelor estimări ale eficienței cuantice

În urmă cu mai bine de un secol, s-a știut că la pragul absolut al vizibilității, abia se distinge un bliț dintr-o sursă mică, în care aproximativ 100 de fotoni lovesc ochiul. Astfel, a fost stabilită limita inferioară a eficienței cuantice, care este de aproximativ 1%. O serie de experimente au fost apoi efectuate de mai multe grupuri de cercetare pentru a afla câți dintre acești 100 de fotoni au fost de fapt folosiți de ochi. Dacă, de exemplu, ochiul a folosit toți cei 100 de fotoni, atunci trecerea de la non-viziune la viziune ar fi destul de ascuțită și ar avea loc atunci când fluxul de fotoni a crescut la 100. Dacă ochiul a folosit doar câțiva fotoni, atunci tranziția ar fi estompată din cauza naturii haotice a emisiei de fotoni. Astfel, claritatea tranziției poate servi ca măsură a numărului de fotoni utilizați și, prin urmare, a eficienței cuantice a ochiului.

Ideea unui astfel de experiment nu a fost lipsită de o anumită simplitate și eleganță. Din păcate, în urma unor astfel de experimente, s-a dovedit că numărul de fotoni utilizați de ochi în timpul percepției pragului variază într-un interval larg de la 2 la 50. Astfel, problema eficienței cuantice a rămas deschisă. Risipirea rezultatelor obținute nu pare să-l surprindă pe inginer-specialist în domeniul electronicii sau al fizicii. Măsurătorile au fost efectuate în apropierea pragului de vizibilitate absolută, când zgomotul provenit de la surse străine din interiorul ochiului însuși este ușor amestecat cu zgomotul fluxului de fotoni. De exemplu, dacă efectuați măsurători similare cu un fotomultiplicator, atunci o astfel de răspândire s-ar datora influenței zgomotului asociat cu emisia termoionică de la fotocatod sau cu o defecțiune electrică aleatorie care are loc între electrozi. Toate acestea sunt valabile pentru măsurătorile apropiate de pragul absolut. Dacă, pe de altă parte, raportul semnal-zgomot este măsurat la o iluminare mult mai mare decât pragul, atunci când zgomotul fotonic depășește zgomotul asociat surselor străine, o astfel de procedură oferă o valoare sigură a eficienței cuantice. De aceea, rezultatele măsurătorilor eficienței cuantice vizuale, efectuate la iluminări care depășesc semnificativ pragul vizual absolut, sunt mai fiabile.

R. Clarke Jones a analizat aceleași date pe baza cărora a fost obținută curba de eficiență cuantică prezentată în Fig. 14. Eficientele determinate de acesta sunt, in general, de circa zece ori mai mici decat cele prezentate in fig. paisprezece; în calcule, el a pornit de la un timp de acumulare mai scurt (0,1 s) și o valoare mult mai mică k (1,2) . Jones consideră că, întrucât observatorul trebuie să aleagă doar una dintre cele opt poziții posibile ale obiectului de testat, atunci o astfel de valoare k oferă o fiabilitate de 50%. Cantitativ, această afirmație este, desigur, corectă.

Principala întrebare este dacă observatorii își fac de fapt concluziile despre ceea ce văd în acest fel. Dacă ne întoarcem la fig. 4a, constatăm că k= 1,2 înseamnă că observatorul poate observa din care dintre cele opt locuri posibile operatorul a îndepărtat unul sau doi fotoni. O examinare simplă a Fig. 4a arată că acest lucru nu este posibil. Întrebări ca acestea evidențiază necesitatea dezvoltării unei metode de măsurare care să evite ambiguitățile asociate cu alegerea valorilor corecte. k sau timpul de acumulare. Metoda de mai sus de a compara „cot la cot” ochiul uman și dispozitiv electronic, limitat de zgomotul fotonic, este doar o astfel de procedură și merită cea mai largă aplicație.

În estimările sale timpurii ale eficienței cuantice vizuale, De Vries a pornit și de la cantitate k= 1, iar rezultatele sale au fost semnificativ mai mici decât valorile prezentate în Fig. 14. De Vries, însă, a fost unul dintre primii care a subliniat că puterea de rezoluție observată a ochiului și sensibilitatea sa la contrast pot fi explicate prin zgomotul fotonic. În plus, el, ca și autorul acestei cărți, a atras atenția asupra faptului că natura fluctuantă, granulată a imaginilor obținute în lumină slabă este o dovadă a discretității luminii.

Barlow a evitat în mare măsură controversele în selecție k prin măsurarea cu două puncte luminoase de test adiacente. Scopul ITS a fost de a stabili care loc era mai luminos, cu intensitățile relative ale petelor variate. După cum arată analiza statistică a rezultatelor, efectuată pornind de la presupunerea că capacitatea de a distinge luminozitatea este limitată de zgomotul fotonic, valorile eficienței cuantice a ochiului se situează în intervalul de 5-10% cu o schimbare. în luminozitate până la o valoare de 100 de ori mai mare decât pragul vizual absolut. Barlow se referă la lucrările lui Baumgardt și Hecht, care, din analiza curbei probabilității de detecție în apropierea pragului absolut, au obținut o eficiență cuantică apropiată de 7%.

Rezumând, putem spune că majoritatea cercetătorilor consideră că eficiența cuantică a ochiului uman se află în intervalul 5-10% atunci când intensitatea luminii se schimbă de la pragul absolut la o valoare de 100 de ori mai mare decât acesta. Această eficiență este determinată pentru lungimi de undă apropiate de maximul curbei de sensibilitate a ochiului (zona verde-albastru) și se referă la lumina incidentă pe corneea ochiului. Dacă presupunem că doar jumătate din această lumină ajunge în retină, atunci eficiența pe retină va fi de 10-20%. Deoarece, conform estimărilor disponibile, proporția de lumină absorbită de retină se află și în aceste limite, eficiența ochiului, raportată la lumina absorbită, este aproape de 100%. Cu alte cuvinte, ochiul este capabil să numere fiecare foton absorbit.

Datele prezentate în fig. 14 punct spre altul în cel mai înalt grad O circumstanță importantă: în regiunea de la pragul de sensibilitate absolută la 0,1 miel, adică atunci când intensitatea se modifică cu un factor de 10, eficiența cuantică scade cu cel mult un factor de 10. În viitor, se poate dovedi că acest factor nu depășește 2-3. Astfel, ochiul menține un nivel ridicat de eficiență cuantică pe măsură ce intensitatea luminii se modifică 10 8 o singura data! Folosim această concluzie pentru a interpreta fenomenul de adaptare la întuneric și apariția zgomotului vizual.

Adaptare întunecată

Unul dintre cele mai faimoase și în același timp uimitoare aspecte ale procesului vizual este adaptare întunecată. O persoană care intră într-un auditoriu întunecat cu o stradă a orașului inundată de lumină se dovedește a fi literalmente oarbă pentru câteva secunde sau chiar minute. Apoi treptat începe să vadă din ce în ce mai mult, iar în jumătate de oră se obișnuiește complet cu întunericul. Acum poate vedea obiecte de mai mult de o mie de ori mai întunecate decât cele pe care abia le putea vedea la început.

Aceste fapte indică faptul că, în procesul de adaptare la întuneric, sensibilitatea ochiului crește de peste o mie de ori. Observații ca acestea stabilesc cercetătorii care caută un mecanism sau un model chimic care ar putea explica aceste schimbări dramatice ale sensibilității. De exemplu, Hecht a acordat o atenție deosebită fenomenului de estompare reversibilă a materialului sensibil al retinei, așa-numitul violet vizual. El a susținut că la iluminare scăzută, violetul vizual este complet neafectat și are astfel o absorbție maximă. Odată cu creșterea iluminării, acesta devine din ce în ce mai decolorat și, în consecință, absoarbe din ce în ce mai puțină lumină incidentă. Se credea că perioadă lungă de timp adaptarea la întuneric se datorează duratei lungi a procesului de restabilire a densității mari de violet vizual. În acest fel ochiul își recapătă sensibilitatea.

Cu toate acestea, astfel de concluzii au contrazis rezultatele analizei de zgomot a sensibilității ochiului, care a arătat că sensibilitatea intrinsecă a ochiului nu se poate schimba de mai mult de 10 ori odată cu trecerea de la întuneric la lumină puternică. Avantajul metodei de analiză a zgomotului a fost că rezultatele acesteia nu depind de modele fizice sau chimice specifice ale procesului vizual în sine. Sensibilitatea a fost măsurată la scară absolută, în timp ce au fost postulate doar natura cuantică a luminii și natura haotică a distribuției fotonilor.

Cum, atunci, să explicăm creșterea de o mie de ori și chiar mai mare a capacității de a vedea, observată în procesul de adaptare la întuneric? A existat o anumită analogie între acest proces și funcționarea dispozitivelor precum receptoarele de radio și televiziune. Dacă, atunci când acordați receptorul de la o stație puternică la una slabă, sunetul este aproape inaudibil, ascultătorul ia butonul de control al volumului și aduce nivelul sonor al stației slabe la un nivel confortabil. Este esential ca sensibilitatea receptorului radio sa ramana constanta atat la trecerea de la o statie puternica la una slaba, cat si la reglarea volumului. Este determinat doar de caracteristicile antenei și ale primului tub al amplificatorului. Procesul de „rotire a butonului de volum” nu schimbă sensibilitatea receptorului, ci doar „nivelul de prezentare” pentru ascultător. Întreaga operațiune de acordare de la o stație puternică la una slabă, inclusiv durata procesului de ajustare a volumului, este complet analogă cu procesul foarte lung de adaptare vizuală la întuneric.

În timpul în care are loc adaptarea la întuneric, factorul de amplificare al „amplificatorului” crește ca urmare a reacțiilor chimice la „nivelul de performanță” dorit. Sensibilitatea intrinsecă a ochiului rămâne aproape constantă în perioada de adaptare la întuneric. Nu avem de ales decât să presupunem că un fel de amplificator este implicat în procesul vizual, care acționează între retină și creier și că câștigul său variază în funcție de iluminare: la iluminare mare este mic, iar la iluminare scăzută este mare.

Control automat al câștigului

Concluzia că procesul vizual include în mod necesar controlul automat al câștigului a fost făcută în secțiunea anterioară pe baza mari schimbariîn sensibilitatea aparentă, pe care o întâlnim în timpul adaptării la întuneric, și relativa constanță a propriei sensibilități, care decurge din analiza zgomotului procesului vizual.
Vom ajunge la o concluzie similară dacă luăm în considerare alte date, mai directe, găsite în literatură. Se știe că energia unui impuls nervos este cu multe ordine de mărime mai mare decât energia acelor câțiva fotoni care sunt necesari pentru a declanșa un impuls nervos la pragul absolut al sensibilității. Prin urmare, pentru a genera impulsuri nervoase, este necesar un mecanism cu un factor de amplificare corespunzător ridicat direct pe retină. Din primele lucrări ale lui Hartline privind înregistrarea electrică a impulsurilor nervoase vizuale ale crabului potcoavă se știa că frecvența impulsurilor nervoase nu crește liniar odată cu creșterea intensității luminii, ci doar logaritmic. Aceasta înseamnă că la iluminare ridicată câștigul este mai mic decât la iluminare scăzută.

Deși energia impulsului nervos nu este cunoscută cu exactitate, aceasta poate fi estimată aproximativ, presupunând că energia stocată a impulsului corespunde unei tensiuni de 0,1 V la nivelul capacității. 10-9 F (aceasta este capacitatea de 1 cm a carcasei exterioare fibra nervoasa). Apoi Energie electrica este 10 -11 J ce este în 10 8 ori mai mult decât energia unui foton de lumină vizibilă. Desigur, putem greși în estimarea energiei unui impuls nervos cu mai multe ordine de mărime, dar acest lucru nu pune la îndoială concluzia noastră că un proces de amplificare extrem de mare trebuie să aibă loc direct pe retină și numai din această cauză energia a mai multor fotoni poate provoca un impuls nervos.

Scăderea progresivă a amplificării cu creșterea intensității luminii se observă clar în datele lui Hartline, conform cărora frecvența impulsurilor nervoase cu creșterea intensității luminii crește lent într-o lege logaritmică. În special, cu creșterea intensității luminii în 10 4 de ori frecvența crește doar de 10 ori. Aceasta înseamnă că câștigul scade în 10 3 o singura data.

Deși reacțiile chimice specifice care stau la baza procesului de amplificare nu sunt cunoscute, se pare că există puține lucruri de sugerat în afară de o formă de cataliză. Un foton absorbit de o moleculă de material sensibil (rodopsină) determină o modificare a configurației sale. Etapele ulterioare ale procesului prin care rodopsina excitată exercită un efect catalitic asupra materialului biochimic din jur nu sunt încă clare. Cu toate acestea, este rezonabil să presupunem că îmbunătățirea catalitică va scădea odată cu creșterea intensității luminii sau a numărului de molecule excitate, deoarece aceasta ar trebui să scadă cantitatea de material catalizat per moleculă excitată. De asemenea, se poate presupune că rata de epuizare a materialului catalizat ( adaptare la lumină) este mare în comparație cu rata regenerării sale (adaptare la întuneric). Se știe că adaptarea la lumină are loc într-o fracțiune de secundă, în timp ce adaptarea la întuneric poate dura până la 30 de minute.

zgomot vizual

După cum am subliniat în mod repetat, informațiile noastre vizuale sunt limitate de fluctuații aleatorii în distribuția fotonilor incidenti. Prin urmare, aceste fluctuații trebuie să fie vizibile. Cu toate acestea, nu observăm întotdeauna acest lucru, în orice caz, la iluminare normală. Acest lucru implică faptul că la fiecare nivel de iluminare, câștigul este exact de așa natură încât zgomotul fotonului este abia audibil sau, mai bine, aproape imposibil de distins. Dacă factorul de amplificare ar fi mai mare, atunci acest lucru nu ar da informatii suplimentare, dar ar contribui doar la o creștere a zgomotului. Dacă câștigul ar fi mai mic, atunci acest lucru ar duce la pierderea de informații. În mod similar, câștigul unui receptor de televiziune ar trebui ales astfel încât zgomotul să fie la pragul vizibilității.

Deși zgomotul fotonic nu este ușor de detectat în condiții normale de iluminare, autorul, pe baza propriilor observații, s-a asigurat că la luminozități de aproximativ 10 -8 -10 -7 Un perete iluminat uniform de miel capătă același aspect fluctuant și granulat ca o imagine de pe ecranul televizorului în prezența unui zgomot puternic. Mai mult, gradul de vizibilitate a acestui zgomot depinde puternic de gradul de excitație al observatorului însuși. Este convenabil să faceți astfel de observații chiar înainte de a merge la culcare. Dacă, în timpul observațiilor, în casă se aude un sunet, prefigurand apariția unui vizitator neașteptat sau nedorit, atunci fluxul de adrenalină crește instantaneu și, în același timp, „vizibilitatea” zgomotelor crește semnificativ. În aceste condiții, mecanismele de autoconservare determină o creștere a factorului de amplificare a procesului vizual (mai precis, amplitudinea semnalelor provenite din toate organele de simț) la un nivel care garantează percepția completă a informației, adică la un nivel în care zgomotul este ușor de observat.

Desigur, astfel de observații sunt subiective. De Vries este unul dintre puținii care, pe lângă autorul acestei cărți, s-a aventurat să publice observațiile sale comparative. Cu toate acestea, mulți cercetători în conversații private i-au spus autorului despre rezultate similare.

Evident, modelele de zgomot descrise mai sus se datorează fluxului fotonic incident, deoarece acestea sunt absente în zonele „complet negre” ale imaginii. Prezența doar a câtorva zone iluminate este suficientă pentru a seta câștigul la un nivel care face ca alte zone mult mai întunecate să pară complet negre.

Pe de altă parte, dacă observatorul se află într-o cameră complet întunecată sau are ochii închiși, el nu are senzația vizuală a unui câmp negru uniform. Mai degrabă, vede o serie de imagini cenușii vagi, în mișcare, la care se face referire adesea în literatura anterioară sub numele de „sentchll”; , adică ca ceva ce apare în cadrul sistemului vizual însuși. Din nou, este tentant de a raționaliza aceste observații presupunând că, în absența unei imagini reale de lumină care să conducă la stabilirea unei anumite valori a câștigului, aceasta din urmă atinge o valoare maximă în căutarea informațiilor vizuale obiective. Cu o astfel de amplificare, sunt detectate zgomote ale sistemului însuși, care, aparent, sunt asociate cu procesele de excitație termică din retină sau apar într-o parte a sistemului nervos îndepărtată de acesta.

Ultima remarcă se referă, în special, la procesul de intensificare a senzațiilor vizuale, despre care se spune că are loc ca urmare a aportului de diferite substanțe care provoacă halucinații. Pare foarte probabil ca efectele produse de aceste substanțe să se datoreze unei creșteri a câștigului unui amplificator puternic situat chiar în retină.

După cum am observat deja, starea emoțională asociată cu un fel de tensiune sau atenție sporită a observatorului duce la o creștere semnificativă a amplificarii.

Imagini ulterioare

Existența unui mecanism de control al câștigului retinian oferă o explicație evidentă pentru diferitele observații în care o persoană se uită la un obiect luminos și apoi își mută privirea către un perete gri neutru. În același timp, în primul moment, o persoană vede încă o anumită imagine de tranziție, care apoi dispare treptat. De exemplu, un obiect alb-negru strălucitor oferă o imagine suplimentară de tranziție (afterimage) sub forma unui negativ fotografic al originalului. Un obiect roșu aprins oferă o culoare suplimentară - verde. În orice caz, în partea retinei în care cade imaginea unui obiect luminos, câștigul este redus, astfel încât atunci când pe retină este afișată o suprafață uniformă, zonele anterior luminoase ale retinei dau un semnal mai mic creierului. iar imaginile care apar pe ele par mai întunecate decât fundalul din jur. Culoarea verde Imaginea ulterioară a unui obiect roșu strălucitor arată că mecanismul de amplificare nu numai că se modifică local în diferite zone ale retinei, ci acționează și independent pentru cele trei canale de culoare din aceeași zonă. În cazul nostru, câștigul pentru canalul roșu a fost momentan redus, rezultând o imagine color complementară care a apărut pe peretele gri neutru.

Este demn de remarcat faptul că imaginile ulterioare nu sunt neapărat întotdeauna negative. Dacă, privind o fereastră puternic luminată, închideți ochii, apoi îi deschideți instantaneu pentru un timp, ca și cum ați folosi un obturator fotografic și apoi îi închideți strâns din nou, atunci pentru câteva secunde sau chiar minute imaginea ulterioară va fi pozitivă. (cel puțin la început) Acest lucru este destul de natural, deoarece timpul de dezintegrare al oricărui proces de fotoexcitare într-un solid este finit.Se știe că ochiul acumulează lumină timp de 0,1-0,2 s, deci timpul mediu al fotoexcitației sale ar trebui să fie și el 0,1-0,2 s, iar pe o perioadă de aproximativ secunde, fotoexcitația scade la un nivel progresiv mai mic, iar imaginea ulterioară rămâne vizibilă pe măsură ce câștigul continuă să crească după ce închidem ochii negativ din motivele prezentate în secțiunea anterioară Ca străin lumina apare sau dispare, putem trece de la pozitiv dupa e-imagine la negativ și invers. Dacă într-o cameră întunecată se privește capătul unei țigări aprinse care se mișcă în cerc, atunci capătul aprins va fi perceput ca o fâșie de lumină de lungime finită datorită inerției percepției vizuale (imagine post-pozitivă). În acest caz, imaginea observată, ca o cometă, are un cap roșu aprins și o coadă albăstruie. Evident, componentele albastre ale beculeței au mai multă inerție decât cele roșii. Putem observa un efect similar atunci când ne uităm la un perete roșcat: pe măsură ce luminozitatea scade la un nivel sub aproximativ 10 -6 miel capătă o nuanță albastră. Ambele serii de observații pot fi explicate presupunând că câștigul pentru albastru atinge valori mai mari decât pentru roșu; ca urmare, percepția culorii albastre este reținută la niveluri mai scăzute de excitație retiniană decât roșu.

Vizibilitatea radiațiilor de înaltă energie

Percepția vizuală este inițiată de excitația electronică a moleculelor. Prin urmare, se poate presupune existența unui anumit prag de energie, dar, în general, nu este exclus ca radiațiile de înaltă energie să provoace și tranziții electronice și să devină vizibile. Dacă tranziția care provoacă excitarea vizuală este o rezonanță ascuțită între două niveluri de energie electronică, atunci fotonii de energie mai mare nu vor excita efectiv această tranziție. Pe de altă parte, electronii sau ionii de înaltă energie pot excita tranziții pe o gamă largă de energie și atunci ar trebui să fie vizibili, deoarece lasă regiuni dense de excitații și ionizări pe drum. Într-o lucrare anterioară care discuta problemele de vizibilitate a radiațiilor de înaltă energie, autorul și-a exprimat o oarecare surpriză de faptul că până acum nimeni nu a raportat observații vizuale directe ale razelor cosmice.

În prezent, există câteva date referitoare la problema vizibilității radiațiilor într-o gamă largă de energii înalte. În primul rând, se știe deja că limita ultravioletă se datorează absorbției în cornee. Persoanele cărora, dintr-un motiv sau altul, li s-a îndepărtat corneea sau le-a fost înlocuită cu o substanță mai transparentă, pot vedea de fapt radiațiile ultraviolete.

S-au spus multe despre capacitatea de a vedea raze X. primele etape studii cu raze X. Publicațiile în acest domeniu au încetat când s-a cunoscut despre aceasta efecte nocive radiații cu raze X. Aceste observații timpurii au fost ambigue, deoarece a rămas neclar dacă sunt excitatoare raze X retina direct sau prin excitarea fluorescenței în vitros. Unele experimente ulterioare și mai precise indică faptul că există o excitare directă a retinei; acest lucru, în special, este evidențiat de percepția umbrelor ascuțite de la obiectele opace.

Posibilitatea observării vizuale a razelor cosmice a fost acum confirmată de poveștile astronauților că au văzut dungi și fulgere de lumină atunci când cabina navei spațiale era în întuneric. Cu toate acestea, nu este încă clar dacă acest lucru este direct legat de excitația retinei sau de generarea de raze X în corpul vitros. Razele cosmice creează o urmă densă de excitație în orice corp solid, așa că ar fi ciudat dacă nu ar putea provoca excitarea directă a retinei.

Viziune și evoluție

Capacitatea celulelor vii de a număra fotonii, sau cel puțin de a răspunde la fiecare foton, a apărut primele etape dezvoltarea vieții plantelor. Eficiența cuantică a fotosintezei este estimată pentru lumina roșie la aproximativ 30%. În procesul de fotosinteză, energia fotonilor este utilizată direct în anumite reacții chimice. Nu se intensifică. Planta folosește lumina pentru nutriție, dar nu și pentru informare, cu excepția efectelor heliotrope și a sincronizarii ceasului biologic.

Utilizarea luminii pentru a primi informații înseamnă că un amplificator extrem de complex trebuie creat direct pe receptor, datorită căruia energia fotonică neglijabilă este convertită într-o energie mult mai mare a impulsurilor nervoase. NUMAI astfel ochiul este capabil sa transmita informatii catre muschi sau creier. Un astfel de amplificator pare să fi apărut în primele etape ale dezvoltării vieții animale, deoarece multe dintre cele mai simple animale trăiesc în întuneric. În consecință, arta numărării fotonilor a fost stăpânită cu mult înainte de apariția omului.

Numărarea fotonilor, desigur, a fost o realizare semnificativă a procesului evolutiv. De asemenea, s-a dovedit a fi cel mai dificil pas în dezvoltarea sistemului vizual. Supraviețuirea avea nevoie de o garanție că toate informațiile disponibile puteau fi înregistrate. Cu o asemenea garanție, adaptarea sistemului vizual la nevoile specifice ale unui anumit animal pare a fi un succes mai ușor și secundar.

Această adaptare a luat o mare varietate de forme. Cele mai multe dintre ele par să se datoreze unor motive evidente. Vom da aici doar câteva exemple pentru a confirma relația strânsă dintre parametrii optici și condițiile de viață ale animalului.

Structura retinei păsărilor diurne, cum ar fi șoimul, este de câteva ori mai subțire decât cea a animalelor nocturne, cum ar fi lemurul. Evident, șoimul care zboară înalt are o rezoluție mai mare a sistemului vizual și o structură retiniană corespunzător mai subțire justificată de luminozitatea ridicată a iluminării din mijlocul zilei. Mai mult, în căutarea mouse-ului de câmp, șoimul are nevoie cu siguranță de mai multe detalii în imaginea vizuală. Pe de altă parte, lemurul, cu stilul său de viață nocturn, are de-a face cu așa ceva niveluri scăzute iluminare, că imaginile sale vizuale, care sunt limitate de zgomotul fotonic, sunt cu granulație grosieră și nu necesită mai mult decât structura cu granulație grosieră a retinei. Într-adevăr, la o intensitate a luminii atât de scăzută, este avantajos să existe lentile cu o deschidere mare (f/D) = 1,0), deși aceste obiective trebuie să ofere inevitabil o calitate slabă a imaginii optice (Fig. 16).

Curba sensibilității spectrale a ochiului uman corespunde bine cu distribuția maximă a luminii solare (5500A). La amurg, sensibilitatea maximă a ochiului se schimbă la 5100 A, ceea ce corespunde nuanței albăstrui a luminii împrăștiate de cer după apus. Ne-am aștepta ca sensibilitatea ochiului să se extindă în regiunea roșie, cel puțin până la lungimea de undă unde excitația termică a retinei începe să concureze cu fotonii care intră din exterior. De exemplu, la un prag vizual absolut de 10 -9 miei, sensibilitatea spectrală a ochiului s-ar putea extinde până la aproximativ 1,4 µm, unde o astfel de competiție devine deja semnificativă. Rămâne neclar de ce limita de sensibilitate a ochiului este de fapt la 0,7 μm, cu excepția cazului în care această limitare se datorează lipsei de material biologic adecvat.

Timpul de acumulare a informațiilor de către ochi (0,2 s) este în bună concordanță cu timpul reacției nervoase și musculare a sistemului uman în ansamblu. Prezența unei astfel de consistențe este confirmată de faptul că camerele de televiziune special concepute cu un timp de relaxare de 0,5 s sau mai mult sunt în mod clar incomode și enervante de utilizat. Este posibil ca la păsări timpul de acumulare a informațiilor vizuale să fie mai scurt datorită mobilității lor mai mari. O confirmare indirectă a acestui lucru este faptul că unele triluri sau serii de note ale unei păsări „cântă” atât de repede încât urechea umană le percepe ca pe un cor.

Există o corespondență strictă între diametrul tijelor și conurilor ochiului uman și diametrul discului de difracție în momentul în care deschiderea pupilei este aproape de valoarea sa minimă (aproximativ 2 mm), care se stabilește la intensități luminoase ridicate. . La multe animale, pupilele nu sunt rotunde, ci au formă de fante și sunt orientate într-o direcție verticală (de exemplu, șerpi, aligatori) sau orizontală (de exemplu, capre, cai). Fanta verticală oferă o claritate ridicată a imaginii, limitată pentru liniile verticale de aberațiile lentilei și pentru liniile orizontale de efectele de difracție.

Încercările de a explica în mod convingător adaptabilitatea acestor parametri optici la modul de viață al anumitor animale sunt pe deplin justificate. .
Sistemul vizual al broaștei este un exemplu izbitor de adaptare la stilul său de viață. Conexiunile sale neuronale sunt aranjate astfel încât să evidențieze mișcările muștelor atractive pentru broaște și să ignore informațiile vizuale străine. Chiar și în sistemul vizual uman, observăm o sensibilitate ușor crescută a vederii periferice la lumina pâlpâitoare, care poate fi, evident, interpretată ca un sistem de securitate pentru a avertiza asupra pericolului iminent.

Vom încheia raționamentul nostru cu o remarcă oarecum „de casă”. Pe de o parte, am subliniat că ochiul uman s-a apropiat de limită datorită naturii cuantice a luminii. Pe de altă parte, există, de exemplu, expresia „vede ca o pisică”, ceea ce înseamnă acea sensibilitate vizuală pisica domesticaîn aventurile ei nocturne le depășește cu mult pe ale noastre. Se pare că aceste două afirmații ar trebui împăcate, menționând că dacă am decide să ne plimbăm noaptea în patru picioare, am dobândi aceeași abilitate de a naviga în întuneric ca și o pisică.

Deci, eficiența cuantică a ochiului uman variază de la aproximativ 10% la iluminare scăzută la câteva procente la iluminare ridicată. Gama totală de iluminare în care funcționează sistemul nostru vizual se extinde de la 10 -10 miei la un prag absolut de până la 10 miei în lumina puternică a soarelui.

Există un amplificator biochimic direct pe retină cu un factor de amplificare probabil mai mare 10 6 , care transformă energia mică a fotonilor incidenti într-o energie mult mai mare a impulsurilor nervoase vizuale. Câștigul acestui amplificator variază în funcție de lumină, scăzând la niveluri ridicate de lumină. Aceste schimbări explică fenomenul de adaptare la întuneric și o serie de efecte asociate cu apariția imaginilor ulterioare. Sistemul vizual al oamenilor și animalelor servește ca dovadă a evoluției și adaptării lor la condițiile externe.

Articol din carte: .