Измерение спектральной чувствительности глаза и ее зависимость от уровня освещенности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследовательская работа

на тему: Измерение спектральной чувствительности глаза и ее зависимость от уровня освещенности

Работу выполнила:

Ученица 11-Б класса

Школы № 253

Приморского района

Плещиц Анна Олеговна

Научный руководитель

Агишев Б.А.

Санкт-Петербург 2014г.

Оглавление

Введение

1. Теоретические аспекты человеческого зрения

1.1 Структура человеческого глаза

1.2 Угол зрения

1.3 Преломления в глазе

1.4 Аккомодация;

1.5 Спектр зрения и цветовое зрение

1.6 Вывод по теоретической части

2. Исследования спектральной чувствительности глаза

2.1 Измерение спектральной чувствительности экспериментальным путем

2.2 Выводы по практической части

Заключение

Список литературы

I. 

Введение

зрение глаз орган аккомодация

Что такое глаз? Глаз -- сенсорный орган (орган зрительной системы) живых организмов, обладающий способностью воспринимать электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн и обеспечивающий функцию зрения. У человека через глаз поступает около 85 % информации из окружающего мира.

Человеческий глаз - замечательное достижение эволюции и отличный оптический инструмент. Порог чувствительности глаза близок к теоретическому пределу, обусловленному квантовыми свойствами света, в частности дифракцией света. Диапазон интенсивностей, воспринимаемых глазом человека -- огромен -- порядка 10¹⁶, фокус может быстро перемещаться от очень короткого расстояния до бесконечности.

Итак, благодаря чему мы видим? Почему мы различаем цвета? Почему большие предметы «помещаются» в наш мозг?

1. Теоретические аспекты человеческого зрения

1.1 Структура человеческого глаза

Глаз является системой линз, которая формирует перевернутое действительное изображение на светочувствительной поверхности. Глазное яблоко имеет приблизительно сферическую форму с диаметром около 2, 3см. Внешняя его оболочка является почти волокнистым непрозрачным слоем, называемым склерой. Свет поступает в глаз через роговицу, представляющую собой прозрачную оболочку на внешней стороне поверхности глазного яблока. В центре роговицы расположено цветное кольцо - радужкой (радужная оболочка) со зрачком посредине. Они действуют подобно диафрагме, осуществляя регуляцию поступления света в глаз. Зрачок расширяется или сужается в зависимости от количества света, падающего на глаз. Наконец, внутренняя стенка глазного яблока выстлана очень тонкой оболочкой - сетчаткой. Она имеет сложное строение. В ней расположены клетки, очень чувствительные к свету, - зрительные рецепторы (палочки и колбочки). Именно в них энергия проникающих в глаз световых лучей превращается в процесс нервного возбуждения. И по волокнам зрительного нерва эти нервные импульсы попадают в мозг.

Хрусталик представляет собой линзу, состоящую из волокнистого прозрачного материала. Его форма и, следовательно, фокусное расстояние могут изменяться с помощью цилиарных мышц глазного яблока. Пространство между роговицей и линзой заполнено водянистой жидкостью и называется передней камерой. За линзой расположено прозрачное желеобразное вещество, называемое стекловидным телом.

1.2 Угол зрения

Размер изображения на сетчатке зависит от размера предмета и его удаленности от глаза, т.е. от угла, под которым виден предмет - это угол зрения. Угол зрения - угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через оптический центр глаза. Один и тот же угол зрения может соответствовать разным предметам.

Размещено на http://www.allbest.ru/

b- размер изображения

б- расстояние от предмета до оптического центра

й- расстояние от оптического центра от изображения

tg в=tgв? в (в радианах)

в = в = = b =

1.3 Преломления в глазе

Согласно законам физики, собирательная линза переворачивает изображение предмета. И роговица, и хрусталик являются собирательными линзами, поэтому на сетчатку глаза изображение также попадает в перевернутом виде. После этого образ передается по нервам в мозг, где мы получаем остаточное изображение, какое оно есть на самом деле.

Система линз глаза сформирована из четырех преломляющих сред: роговицы, водяной камеры, хрусталика, стеклянного тела. Показатели их преломления не имеют значительных отличий. Они составляют 1, 38 для роговицы, 1, 33 для водяной камеры, 1, 40 для хрусталика и 1, 34 для стекловидного тела.

В этих четырех преломляющих поверхностях происходит преломление света:

1) между воздухом и передней поверхностью роговицы;

2) между задней поверхностью роговицы и водяной камерой;

3) между водяным камерой и передней поверхностью хрусталика;

4) между задней поверхностью хрусталика и стекловидным телом.

Наиболее сильное преломление происходит на передней поверхности роговицы. Роговица имеет небольшой радиус кривизны, и показатель преломления роговицы в наибольшей степени отличается от показателя преломления воздуха.Преломляющая способность хрусталика меньше, чем у роговицы. Она составляет около одной трети общей преломляющей мощности систем линз глаза. Причина этого различия в том, что жидкости, окружающие хрусталик, имеют показатели преломления, которые существенно не отличаются от показателя преломления хрусталика. Если хрусталик удалить из глаза, окруженный воздухом он имеет показатель преломления почти в шесть раз больший, чем в глазе. Хрусталик выполняет очень важную функцию. Его кривизна может изменяться, что обеспечивает тонкое фокусирование на объекты, расположенные на различных расстояниях от глаза.

Новорожденный ребёнок видит предметы перевёрнутыми. Особенность глаза видеть перевернутое изображение появляется постепенно, с помощью обучения и тренировки, в которой участвуют не только зрительные, но и другие анализаторы. Среди них главную роль играют органы равновесия, мышечные и кожные ощущения. В результате взаимодействия этих анализаторов возникают целостные образы внешних предметов и явлений.

Интересный способ проверить этот факт: слегка надавите пальцем на внешний край нижнего века правого глаза. Вы увидите чёрную точку в левом верхнем углу вашего зрения -- настоящее изображение вашего пальца.

1.4 Аккомодация

Для ясного видения объекта необходимо, чтобы после преломления лучей, изображение формировалось на сетчатке. Изменение преломляющей силы глаза для фокусировки близких и отдаленных объектов называется аккомодацией. Наиболее отдаленная точка, на которую фокусируется глаз, называется дальней точкой видения - бесконечность. В этом случае параллельные лучи, входящие в глаз, фокусируются на сетчатку.

Объект виден в деталях, когда он установлен как можно ближе к глазу. Минимальное расстояние четкого видения - около 7 см при нормальном зрении. В этом случае аппарат аккомодации находится в максимально напряжённом состоянии. Точка, расположенная на расстоянии 25см, называется точкой наилучшего видения, поскольку в данном случае различимы все детали рассматриваемого объекта без максимального напряжения аппарата аккомодации, вследствие чего глаз может длительное время не утомляться. Если глаз сфокусирован на объект в ближней точке, он должен отрегулировать свое фокусное расстояние и увеличить преломляющую силу. Этот процесс происходит путем изменений формы хрусталика. Когда объект подносят ближе к глазу, форма хрусталика изменяется от формы умеренно выпуклой линзы в форму выпуклой линзы.

Хрусталик образован волокнистым желеобразным веществом. Он окружен прочной гибкой капсулой и имеет специальные связки, идущие от края линзы к внешней поверхности глазного яблока. Эти связки постоянно напряжены. Форма хрусталика изменяется цилиарной мышцей. Сокращение этой мышцы уменьшает натяжение капсулы хрусталика, он становится более выпуклым и из-за естественной эластичности капсулы принимает сферическую форму. И наоборот, когда цилиарная мышца полностью расслаблена, преломляющая сила линзы наиболее слабая. С другой стороны, когда цилиарная мышца находится в максимально сокращенном состоянии, преломляющая сила линзы становится наибольшей. Этот процесс управляется центральной нервной системой.

1.5 Спектр зрения и цветовое зрение

Цвет очень важен для физиологических процессов человека, он оказывает воздействие на его психологическое состояние. Цвет может вызвать не только ассоциации, но и эмоции, с его помощью можно сформировать любой образ, ведь 85% всей информации мы воспринимаем зрением. Например, комната с белыми стенами и мебелью вызывает у нас ощущение чистоты и свежести.

По эмоциональному восприятию и цветовым ассоциациям всю цветовую гамму разбили на 4 группы, представляющие собой квадранты круга.

1. Первая группа - теплые, веселые и возбуждающие сочетания цветов от желтого до красного.

2. Вторая группа - цвета, которые образовались от смешивания красного и синего цвета. Они характеризуются парадностью, броскостью, но и навязчивостью.

3. Третья группа - палитра цветов от синего до зеленого - дает нам ощущение свежести, холодности и тревоги.

4. А вот четвертая группа, от зеленого спектра до желтого, дает нам эмоциональное умиротворение, спокойствие и равновесие.

У каждого из оттенков цветовой палитры есть свои ассоциации, свои значения, сложившиеся в результате психологических изысканий. Например, розовый цвет считается цветом аппетита, счастья и веселья. Он вкусный и нежный, несерьезный, женский. Это цвет праздника, хороших эмоций и любви.

Согласно теории цветовое зрения Юнга-Гемгольца (1821-1894) ощущение любого цвета можно получить смешиванием спектрально чистых излучений красного, зеленого и синего цвета. Многоцветность воспринимается благодаря тому, что колбочки реагируют на определенный спектр света изолированно. Существует три типа колбочек. Колбочки первого типа реагируют преимущественно на красный цвет, второго -- на зелёный и третьего -- на синий. Эти цвета называют основными. Под действием волн различной длины колбочки каждого типа возбуждаются неодинаково. Вследствие этого каждая длина волны воспринимается как особый цвет. Например, когда мы смотрим на радугу, то самыми заметными для нас кажутся основные цвета (красный, зелёный, синий).Оптическим смешением основных цветов можно получить остальные цвета и оттенки. Если все три типа колбочек возбуждаются одновременно и одинаково, возникает ощущение белого цвета.

Как же человек различает цвета? Белые предметы отражают все цвета спектра, поэтому мы видим их белыми. Черные же поглощают весь спектр цветов, а серые отражают свет в меньшей степени, нежели, чем белые. Все остальные цвета отражают свет по-разному. Например, красный предмет отражает красный свет, остальные поглощает. Поэтому мы видим его красным.

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

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

1.6 Вывод по теоретической части

Таким образом, наш глаз играет огромную роль в повседневной жизни: около 85% информации мы получаем с помощью наших глаз. Орган зрения служит важнейшим орудием познания внешнего мира. Основная информация об окружающем мире поступает в мозг именно через глаза. Прошли века, пока был решен принципиальный вопрос, как формируется изображение внешнего мира на сетчатку глаза. В процессе эволюции зрительный орган прошел путь от светочувствительных клеток на поверхности тела животного до сложно устроенного органа, способного осуществлять движения в направлении пучка света и посылать этот пучок на специальное светочувствительные клетки в толще задней стенки глазного яблока, воспринимающие как черно-белое, так и цветное изображение. Достигнув совершенства, орган зрения у человека улавливает картины внешнего мира, трансформирует световое раздражение в нервный импульс. Глаз посылает в мозг информацию, которая через сетчатку и зрительный нерв трансформируется в зрительный образ в головном мозге. Глаза обеспечивают получение представления об освещенности предмета, его цвете, форме, величине, расстоянии, на котором он находится от нас, о движении предмета. Именно поэтому, многие факторы повседневной жизни зависят именно от того, что мы видим.

2. Исследования спектральной чувствительности глаза

2.1 Измерение спектральной чувствительности экспериментальным путем

Существует способ определения спектральной чувствительности глаза человека, основанный на измерении спектров отражения отдельных фоторецепторных клеток сетчатки глаза человека, имеющих размер порядка микрона, при зондировании широкополосным спектральным оптическим излучением с диапазоном 390-800 нм на основе микроспектрофотометрических измерений был определен спектр поглощения отдельных «красных», «синих» и «зеленых» колбочек.

В основе метода измерения лежит экспрессность определения спектральной ширины чувствительности палочек и селективной спектральной ширины поглощения «красных», «зеленых» и «синих» колбочек сетчатки глаза человека.

Технический результат заключается в измерении спектральной чувствительности колбочек и палочек глаза человека, что позволяет оптимизировать цветные оптические системы видеоизображения.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения фотохромной спектральной чувствительности колбочек и палочек сетчатки глаза человека, включающем зондирование макулярной (центральной) области сетчатки глаза человека широкополосным 390-800 нм оптическим излучением, согласно решению для селективного определения спектральной ширины чувствительности палочек Дл на сетчатке формируют интерференционные полосы с фиксированным пространственным периодом не менее 10 угловых минут, уменьшают интенсивность оптического излучения до появления черно-белых интерференционных полос, устанавливают импульсную модуляцию интенсивности пучков с частотой следования 12-13 Гц и скважностью два, определяют число пульсирующих черно-белых интерференционных полос N и рассчитывают спектральную ширину чувствительности палочек из соотношения:

,

где: л=510 нм длина волны, соответствующая максимальной чувствительности палочек.

Интерференция света -- перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Для определения спектральной ширины чувствительности «красных» - Дл_R, «зеленых» - Дл_G и «синих» - Дл_B колбочек соответственно, модулируют интенсивность световых пучков на частоте 44-46 Гц, увеличивают интенсивность пучков до появления мерцаний на частоте 44-46 Гц центральной неокрашенной полосы, далее устанавливают частоту модуляции 22-23 Гц и определяют число пульсирующих интерференционных полос красного цвета N_R, зеленого N_G и синего N_B соответственно и определяют спектральную ширину чувствительности цветных колбочек Дл_i из соотношения

,

где: N_i=N_R, N_G, N_B, a л_i - длина волны, соответствующая максимальной чувствительности для «красных» колбочек л_R=600 нм, для «зеленых» л_G=530 нм и «синих» л_B=450 нм.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа определения фотохромной спектральной ширины чувствительности колбочек и палочек глаза человека invivo, на фиг.2 изображены интерференционные полосы, формируемые на сетчатке глаза человека с помощью интерферометра Жамена с перестраиваемым пространственным периодом при зондировании высококогерентным (монохроматическим) излучением He-Ne лазера (л=633нм) при условии, что спектральная ширина зондирующего излучения на много порядков меньше спектральной ширины фотодетекторов; период интерференционных полос отградуирован в единицах остроты зрения: (а) - 0.1 соответствует 10 угловым минутам, (б) - 0.3 соответствует 30 угловым минутам; (острота зрения, равная 1, соответствует одной угловой минуте); контрастность интерференционных полос достигает 0.97,

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из полупроводникового широкополосного светодиода 18, один электрод которого соединен с положительным потенциалом источника постоянного напряжения 19, а другой электрод соединен с «землей» (нулевым потенциалом). Генератор прямоугольных импульсов 20 через разделительную емкость соединен с положительным электродом светодиода 18. Из p-n перехода светодиода 18 излучается широкополосное оптическое излучение во всем видимом диапазоне и с помощью коллиматора 21, в фокусе которого находится поверхность p-n перехода светодиода 18, формируется оптический пучок. Соосно с коллиматором 21 оптически связанны два поляроида 22 и интерферометр Жамена, состоящий из двух плоскопараллельных кварцевых пластин 23 и 24. Устройство также содержит оптический клин 25, расположенный между плоскопараллельными кварцевыми пластинами 23 и 24, оптически связанную поворотную призму Дове 26, объектив с трансфокатором 27 и поворотное зеркало 28.

Способ осуществления.

Устанавливают ток инжекции в полупроводниковом широкополосном светодиоде 18, соответствующий значению выходной оптической мощности светодиода с помощью источника постоянного напряжения 19. Импульсный режим излучения в светодиоде устанавливается при подаче последовательности прямоугольных импульсов напряжения с регулируемой длительностью от 200 мс до 10 мс со скважностью два с помощью генератора прямоугольных импульсов 20 через разделительную емкость на положительный электрод светодиода. Коллиматор 21 позволяет получить пространственно-когерентный оптический пучок при его тщательной фокусировке на p-n переход светодиода 18. С помощью двух поляроидов 22 со спектральным диапазоном 390-800 нм при их соответствующем повороте регулируется интенсивность прошедшего оптического излучения. Интерферометр Жамена представляет собой две плоскопараллельные кварцевые пластины 23, 24, позволяющие сформировать два интерферирующих оптических пучка, пространственный период в которых регулируется с помощью оптического клина 25, состоящего из плосковыпуклой и плосковогнутой линз. С помощью поворотной призмы Дове 26 осуществляется осевой поворот интерферирующих полос, возникающих на сетчатке глаза человека 29 при фокусировке пучков с помощью объектива с трансфокатором 27 и поворотного зеркала 28 в различные области макулы в сетчатке.

2.2 Выводы по практической части

Таким образом, предлагаемый экспрессный способ определения фотохромной спектральной ширины чувствительности колбочек и палочек сетчатки глаза человека позволяет получить достоверную информацию о спектральной чувствительности нормального глаза человека и может быть использован также для диагностики патологий цветного зрения.

Заключение

Делая общий вывод, важно отметить, что орган зрения - один из главных анализаторов организма, обеспечивающих получение наиболее полной динамической информации (цвет, форма, удаленность и пр.) об окружающем мире. В процессе эволюции зрение отдифференцировалось как многоступенчатый процесс, включающий: получение изображения в глазу, выделение наиболее важной информации из него, передачу этой информации в мозг, интерпретацию изображения, выделения важных участков объекта, наведение глаз с помощью моторных систем на эти участки и получение резкого изображения, соединение изображений двух глаз в единый образ, опознание образа путем сопоставления с запасом информации, имеющейся в памяти, локализация объектов и его деталей в пространстве. Таким образом, главная функция зрения - познавательная: 85% информации об окружающем мире человек получает через зрительный анализатор, что в 30 раз больше, чем через слуховой анализатор. Из многообразных признаков предметов и явлений окружающего мира с помощью зрения отражаются такие качества и параметры как: цвет, форму, величину, удаление, направление, телесность, покой и движение. Большую роль играет зрение и в эмоциональном и эстетическом развитии человека. При возникновении ощущений любого вида у человека возникают эмоции, являющиеся основной дальнейшего развития чувств - переживаний отношения к окружающей действительности. Именно зрительные ощущения, связанные с цветным зрением, вызывают у человека наиболее яркие и глубокие переживания при восприятии красоты природы, произведений искусства и пр. Именно поэтому важно беречь свое зрение.

Сама чувствительность глаза к излучению разных волн неодинаковая. Если интенсивность излучения всех длин волн оптического спектра одинаковая, то глаз наилучше воспринимает ощущение желто-зеленого цвета - лучи с длиной волн, равной 555 нм. Нужно отметить цветовое ощущение этого восприятия. Оно заключается в том, что коротковолновое излучение создает ощущение фиолетового цвета, а длинноволновое - красного. Непрерывное увеличение длины волны квантов излучения связано с плавным переходом от фиолетового цвета к синему, потом к сине-зеленому и дальше к желтому, оранжевому и красному. Резкий переход от одного цвета к другому заметить нельзя, поэтому границы спектральных цветов можно указать только приблизительно и в некоторой степени условно (табл. 1). Установлено, что спектральная чувствительность глаза разных спектров заметно отличается между собой. Но можно установить некоторые средние параметры, которые характеризуют световое восприятие нормального (среднего) глаза человека, эти параметры были показаны ранее на кривой видимости.

Список литературы

1. Д.В.Сивухин, "Общий курс физики. Оптика", Наука, 1980

2. Б.М.Яворский, А.А.Пинский, "Основы физики. Том 2. Колебания и волны. Квантовая физика", Наука, 1981

3. Ресурсы интернета:

a. http://www.hint4.me

b. http://www.km.ru/

c. http://www.findpatent.ru/

d. http://www.inter-optic.ru/

Размещено на Allbest.ru