Глаз человека как приемник излучения

Несмотря на появление большого количества различных фотоэлектрических приемников, приемником у большинства оптических приборов является глаз человека. Чтобы понять конструкцию этих приборов (или проектировать их) необходимо знать свойства глаза человека, оптимально их использовать. Наука, изучающая свойство глаза как оптического прибора, называется физиологической оптикой. Глаз представляет из себя круглое тело с выпуклостью впереди. Снаружи глазное яблоке заключено в белую оболочку, называемую склерой 1 (рис.2.2.3.1-1). Она непрозрачна за исключением ее передней части роговицы 2. Внутренняя полость глаза разделена на две камеры: переднюю 3, наполненную водянистой влагой, и заднею 4, заполненную стекловидным телом. Между камерами расположена радужная оболочка 5, в центре которой имеется отверстие - зрачок глаза. Впереди второй камеры находятся хрусталик 6, который помещен в тонкую прозрачную капсулу. Края капсулы прикреплены к кольцевой мышце. Хрусталик представляет из себя двояковыпуклую линзу слоистого строения, которая под действием мышцы может изменять кривизну своих поверхностей.

Рис. 3.2.3.1-1

Задняя часть второй камеры покрыта светочувствительной оболочкой - сетчаткой. Сетчатка состоит из десяти слоев. Первый слой состоит из отдельных волокон, зрительного нерва, последующие - из окончаний нервных волокон - нейронов; в девятом слое расположены светочувствительные элементы, которые имеют вид палочек и колбочек. Палочек около 130 млн., колбочек - 7 млн. Они расположены по сетчатке неравномерно. Палочки обладают высокой светочувствительностью, но не распознают цвета, колбочки обеспечивают восприятие цветов. Место вхождения зрительного нерва в глаз не имеет этих элементов и называется слепым пятном. Рядом со слепым пятном расположено желтое пятно, в центре которого имеется углубление. Это углубление является местом наиболее четкого видения и состоит из одних колбочек. Его размер около 0,5 мм² .По мере удаления от желтого пятна уменьшается количество колбочек и на краях сетчатки расположены одни палочки. Зрительный нерв 7 передает информацию мозг человека, где происходит восприятие и расшифровка зрительных впечатления.

Характеристики глаза:

б/ фокусное расстояние: переднее - 17,1 мм;

заднее 22 ,8 мм;

в/ поле зрения: резкое видение 2 °;

желтое пятно 6 ¸ 8 °,

без различения мелких предметов:

горизонтальное -30⁰,

вертикальное -20⁰,

все поле зрения:

горизонтальное (висок) - 25 ° до (нос) 65⁰,

вертикальное (верх) 60⁰, вниз 72⁰;

г/ угол поворота ± 50⁰;

д/ диапазон воспринимаемого потока излучения от 380 нм до 770 нм;

Все характеристики относятся к среднему глазу (схематическому).

Способность видеть резко предметы, находящиеся на различном расстоянии от глаза называется аккомодацией. Она происходят вследствие изменения оптической длины хрусталика под действием кольцевой мышцы. Величину А_к принято выражать в диоптриях:

,

где а - расстояние до предмете, который видит глаз.

Если глаз без напряжения видит самую удаленную точку а_d, на расстоянии D без напряжения (дальняя точка), а при максимальном сжатии хрусталика увидит точку В на расстоянии а_д, то разность аккомодации в диоптриях называется широтой или объемом аккомодации V_a.

.

Если глаз имеет отступления от нормального, то он называется аметропическим. Аметропия А выражается в диоптриях.

.

Различают два вида аметропии:

а/ близорукий глаз (миопический), когда a_d, отрицательна,

б/ дальнозоркий глаз (гиперметропический), когда а_d - положительно.

Расстояние, на котором человек обычно рассматривает мелкие предметы, называется расстоянием наилучшего видения и оно равно 250 мм. Оно устанавливается инстинктивно, при этом получаем хорошую видимость мелких предметов при незначительном напряжении кольцевой мышцы.

Глаз может работать в большем диапазоне яркостей от 2· 10^-6 до 2 · I0⁵ кд/м². Способность глаза приспосабливаться к работе в различных условиях освещения называется адаптацией.

Механизм адаптации состоит из 4^х частей:

а/ при малых яркостях работают в основном палочки, при больших - колбочки;

б/ изменение диаметра зрачка глаза от 2 мм до 8 мм;

в/ чем выше освещенность, тем ниже светочувствительность сетчатки благодаря понижению концентрации светочувствительного вещества (родопсина или иодопсина) и наоборот;

г/ при повышении освещенности происходит перемещение темного пигмента из десятого слоя сетчатки в первый, а при понижении - наоборот, т.е. пигмент действует как нейтральный светофильтр.

Различают темновую и световую адаптации. Первая длится около одного часа, а вторая 20-30 минут.

Адаптация связана со световой чувствительностью глаза, т.е. наименьшим количеством световой энергии, которое дает ощущение света, и равно 1 · 10^-10 до 5 · 10^-12 эрг/с и соответствует освещенности в зрачке глаза I · 10^-9 лк.

Острота зрения

Острота зрения χ это способность глаза различать раздельно две близко лежащие точки. Наименьший угол, под которая глаз еще видит раздельно два предмета, называется разрешающей способностью Ψ_гл.

,

при Ψ_гл = 1' , χ = 1; οπ и Ψ_гл = 30", χ = 2.

Острота зрения зависит от диаметра колбочек, но также изменяется и из-за различных условий наблюдения, к которой относятся:

а/ контраст предмета с фоном,

в/ диаметр зрачка глаза, от которого зависит дифракционная картина изображения точки, при этом диаметр кружка рассеяния равен:

.

При D_гл = 2 мм, λ=0,5 мкм, f_гл = 17 мм, δ=5 мкм, т. е. равна диаметру колбочки. Поэтому при увеличении D_гл разрешающая способность не увеличивается, т.к. ее определяет диаметр колбочки. Если же у прибора D_гл<2 мм, то разрешающая способность будет понижаться;

г/ места изображения на сетчатке. При удалении от ямки желтого пятна разрешающая способность понижается;

д/ длина волны. Максимальная острота зрения χ_max при λ = 0,56 мкм;

е/ дефекты зрения (миопия, гиперметропия, астигматизм).

Рассмотрим каким же образом строение сетчатки влияет на остроту зрения.

Рис. 3.2.3.1-2

Светочувствительный слой сетчатки состоит из ячеек шестигранной формы. Каждая ячейка является окончанием зрительного нерва (колбочки или палочки). Если засвечена часть ячейки или вся, то на свет (тень) реагирует вся ячейка. При появлении изображения двух предметов 5 и 6 в одной ячейке, она не сможет разделить их изображения. Если изображения появились на соседних ячейках, то их глаз тоже не увидит раздельно. К только в случае изображения на ячейках, разделенных третий, глаз увидит предметы раздельно (точки 1 и 2). Поэтому разрешающая способность глаза зависит от величины ячейки сетчатки.

Если на сетчатке будут изображаться две линии АВ и ОД, и они будут расположены на соседних рядах ячеек, то мы их увидим раздельно и предельное угловое расстояние будет не менее 10^". Такую чувствительность глаза называют нониальной чувствительностью. Такая же чувствительность наблюдается и при биссектировании.

Наблюдение двумя глазами одновременно называется бинокулярным зрением. Если предмет расположен на конечном расстоянии от глаз, то их оси поворачиваются на определенный угол (конвергируют), а хрусталик аккомодирует на расстояние до предмета. При этом изображение предмета попадает на одноименные участки сетчатки в обоих глазах. Кроме того видение двумя глазами дает представление о глубине пространства. Такое восприятие пространства называется стереоскопическим зрением.

С помощью стереоскопического зрения мы можем различать взаимную (относительную) удаленность предметов по глубине.

Пусть предмет В виден двумя глазами под углом Е_{в ,} а предмет С под углом Е_с. Эти углы называются параллактическими, а их разность ΔЕ = Е_в - Е_с стереоскопическим параллаксом.

Рис. 3.2.1.3-3

Если .

Тренированный наблюдатель может различать параллакс величиной 10". Эта величина называется разрешающей способностью стереоскопического зрения. Стало быть, глаз может различать разноудаленность предметов, если они расположены друг от друга на расстояния

,

а расстояние, на котором еще обнаруживается стереоскопический эффект

где R - называется радиусом стереоскопического зрения.

Спектральная чувствительность глаза

Чувствительность глаза к излучению с различней длиной волны различна, при этом палочки и колбочки по разному реагируют на изменение длины волны излучения. Так для колбочек наибольшая чувствительность обнаруживается при λ = 0,555 мкм, а для палочек при λ = 0,51 мкм.

Это явление называется явлением Пуркинье.

Рис. 3.2.1.3-4

На рисунке: 1 - кривая для дневного зрения, 2 - кривая для сумеречного зрения.

Спектральную чувствительность принято характеризовать кривой относительной видности. При этом коэффициентом относительной видности К_λ для длины волны λ называется отношение коэффициента видности к его наибольшему значению ν _max, т. е.

,

Видимость предметов зависит от контраста фона и предмета.

,

где К - контраст, В_пи В_ф - яркость предмета и фона, соответственно.

При периодическом воздействии на глаз света и темноты глаз при некоторой частоте не будет ощущать мельканий, а будет воспринимать постоянную яркость поля зрения. Такая частота называется критической. Критическая частота зависит от освещенности и величины поля, частота освещенности которого изменяется. Это свойство глаза учитывается в кинематографии, используется в фотометрии для сравнения яркости источников света (мигающие фотометры).