Зрение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Зрение - способность человека воспринимать свет от разных предметов в виде особых ощущений яркости, цвета и формы, позволяющих на расстоянии получать разнообразную информацию об окружающей действительности. До 80-85% информации человек получает посредством 3. Функционирование 3. обеспечивается сложным комплексом процессов в разл. отделах зрит, системы. Первичная обработка оптич. информации происходит в глазу. Глаз человека (рис.) имеет форму, близкую к шарообразной, диаметром ок. 2,5 см. Снаружи глазное яблоко окружено белковой оболочкой - склерой. Передняя, более выпуклая часть оболочки прозрачна и наз. роговицей.

Схематический разрез глазного яблока.

Внутр. полость склеры покрывает сосудистая оболочка, передняя часть к-рой образует радужную оболочку с отверстием посредине - зрачком. Обычно диаметр зрачка 3-4 мм, при сильном освещении он может суживаться до 2 мм, а при слабом освещении - расширяться до 8 мм. Непосредственно за зрачком расположен хрусталик, представляющий собой упругое прозрачное тело линзообразной формы. Радиус кривизны поверхностей хрусталика может изменяться при аккомодации глаза. Внутр. полость глаза заполнена прозрачным студенистым веществом, наз. стекловидным телом. За стекловидным телом дно глаза выстилает сетчатка, содержащая слой светочувствит. клеток-рецепторов (палочек и колбочек) и неск. слоев нервных клеток. Оптич. систему глаза образуют: роговица, хрусталик, водянистая влага, заполняющая пространство между хрусталиком и роговицей и между хрусталиком и стекловидным телом, и стекловидное тело. Показатель преломления в разных частях глаза меняется от 1,33 до 1,41. Преломляющая сила роговица 43 дптр, хрусталика - 19433 дптр в зависимости от аккомодации. Поле 3. неподвижного глаза ок. 160° по горизонтали и ок. 130° по вертикали. Чёткость изображения, создаваемого оптикой глаза на сетчатке, может нарушаться аберрациями оптич. системы, невозможностью строгой фокусировки на сетчатке удалённых предметов при близорукости или близких предметов при дальнозоркости, а также из-за дефектов глазных сред. Астигматизм, вызываемый нарушением сферичности роговицы или хрусталика, может быть корригирован с помощью очков с цилиндрич. линзами. При близорукости заднее фокусное расстояние оптич. системы глаза слишком мало и лучи от дальней точки фокусируются не на сетчатке, а внутри глазного яблока. Такой дефект 3. исправляется отрицательной корригирующей линзой. При дальнозоркости задний фокус глаза расположен за пределами глазного яблока, и этот дефект исправляется положительными очковыми линзами. Сетчатка, на к-рой формируется изображение объекта, содержит ок. 130 млн. светочувствит. клеток (125 млн. палочек и 547 млн. колбочек), преобразующих падающее на них световое излучение в электрич. импульсы. Электрич. сигнал, возникающий благодаря фотоэффекту, передаётся в нервные клетки и далее по зрит. нерву в мозг. На месте выхода зрит. нерва из глазного яблока сетчатка не имеет фоторецепторов, и это место наз. слепым пятном. Распределение рецепторов по сетчатке неравномерно. В ср. части сетчатки преобладают колбочки, а на краях - палочки. В центре сетчатки область, содержащая только колбочки (около 50 000), образует жёлтое пятно овальной формы, с угл. размером поля зрения ~4° и площадью ~1 мм². Эта область обеспечивает наибольшую разрешающую способность глаза. Колбочки и палочки образуют два совместно работающих аппарата зрит. восприятия. Колбочки работают при дневном освещении (порог чувств. ~10^-2 лк) и обеспечивают центральное цветное зрение. Палочковый аппарат обладает меньшей остротой зрения, но зато большей чувствительностью (порог ~10^-6 лк). Он обеспечивает сумеречное периферич. зрение, различающее только ахроматич. цвета (т. е. различие серых тонов). Колбочковый аппарат чувствителен к излучению в области длин волн от 400 нм до 700 нм с максимумом при l=556 нм, а при высоких интенсивностях - от 390 до 760 нм. Палочки чувствительны в области от 400 до 650 нм с макс, при l=510 нм. Светочувствит. элементы сетчатки связаны между собой промежуточными нервными клетками, объединяющими группы фоторецепторов в рецептивные поля. Рецептивные поля представляют собой перестраивающиеся формации, увеличивающиеся с уменьшением освещённости. От каждого рецептивного поля информация в мозг передаётся по нервным волокнам в виде закодированных групп электрич. импульсов. Особенностью рецептивных полей сетчатки является то, что они реагируют не на величину потока излучения, а на его изменения. Чтобы видеть, глаз должен совершать частые микродвижения (тремор); в этом случае изображение объекта смещается по сетчатке и меняется интенсивность освещения отдельных рецепторов и тем больше, чем больше контраст соседних деталей изображения. Отд. рецептивные поля различаются функционально: одни реагируют на увеличение освещённости, другие - на уменьшение, а третьи - на увеличение и ослабление. В зрит. области коры имеются аналогично реагирующие нервные клетки. Разл. специфич. рецептивные поля различают прямолинейные контуры предметов под разными наклонами, криволинейные контуры, периодич. структуры (решётки) и др. разновидности объектов, а также различно реагируют на спектральный состав возбуждающего света. 3. человека фрагментарно, объекты в поле зрения фиксируются не все сразу, а последовательным переводом взора с одного на другой. Однако наблюдаемая картина представляется единой и неподвижной благодаря особому механизму восприятия, к-рый, восстанавливая образ в мозгу, координирует его с движениями головы и глаз. Зрит. система обладает также способностью игнорировать мешающую информацию, появляющуюся на сетчатке при скачкообразных движениях глаз. Последним этапом зрит. акта, происходящем в мозгу, являются осмысливание видимого и узнавание знакомых предметов. При этом возможно появление иллюзий оптических. Осн. функции 3. можно характеризовать статистич. усреднёнными параметрами. Порог чувствительности после длит, темповой адаптации достигает 10^-7 кд/м². Квантовая эффективность при этом составляет ~3%. С увеличением яркости квантовая эффективность медленно убывает до 0,5% при 100 кд/м². Глаз способен работать и при больших яркостях вплоть до 10⁵ кд/м² при соответствующей адаптации. Восприятие света происходит с задержкой от 0,1 с до 0,25 с, зависящей от яркости и цвета. Инерция 3. сохраняет зрит, образ после прекращения действия света 0,1-0,2 с. Переменное освещение при частоте мельканий / 50 Гц (и ср. яркости ~ 100 кд/м²) воспринимается как постоянное. Контрастная чувствительность характеризует способность глаза различать два одноцветных смежных поля при данном уровне адаптации, отличающихся минимально заметным различием яркости DВ. Отношение DB/B наз. порогом контрастной чувствительности; при ср. яркостях (1-10⁴ кд/м²) величина порога постоянна и составляет 1-0,5%. Разрешающая способность глаза определяется минимальным углом 3. между двумя раздельно различимыми объектами. Величина её зависит от условий наблюдения, яркости и контраста объектов, их цвета и т. п. Более строго можно определять различимость объектов по частотно-контрастной характеристике. При ср. яркостях глаз различает решётку с угл. частотой штрихов 1/30' при контрасте 80-90%; с частотой 1/10' при контрасте 65-85%; с частотой 1/1' при контрасте не более 10%. Острота 3. представляет величину, обратную разрешающей способности. Острота 3. условно принимается равной 1, при разрешающей способности в центре поля 3. равной 1'. С удалением от зрит, оси на 25' острота падает вдвое, а на расстоянии 10° от зрит, оси составляет 20% от макс. значения. При бинокулярном 3. (двумя глазами) направление взора определяется одним из глаз, наз. ведущим. Наблюдаемая картина - результат слияния (фузии) полей 3. правого и левого глаза. Это обеспечивается конвергенцией (т. е. поворотом) глаз в направлении фиксируемого объекта. Полное слияние происходит только для объектов, равноудалённых от обоих глаз. Чтобы обеспечить фузию др. планов, необходимо изменить угол конвергенции (угол, образованный зрит. осями глаз). Оценка разности этих углов позволяет определять глубинное расположение предметов. Порог различения глубины Dr на разных расстояниях r определяется соотношением Dr=r²Dq/(b-r), где Dq - мин. различие разности углов конвергенции (предельный угловой параллакс), b - базис между зрачками глаз. Величина Dq в оптим. условиях наблюдения составляет 2''45''; b@62-65 мм. На близком расстоянии 0,2-0,3 м обнаруживается различие глубины ~ 30 мкм, а на расстоянии в 1 м это различие не меньше 0,5 мм. Зрит. различение цветов происходит по яркости, цветовому тону и по насыщенности и различно у разных людей (см. Колориметрия ).Общее количество различимых в спектре цветовых тонов около 150. В жёлтой и голубой области спектра порог различения составляет ~ 1 нм, а за пределами области 430-650 нм до фиолетового и красного концов спектра не наблюдается различия в цветовом тоне. Жёлтое пятно сетчатки может обнаруживать и поляризацию света: если плоскость линейно-поляризованного света медленно вращается, то в центре поля 3. глаза возникает фигура, похожая на вращающийся пропеллер с тёмными лопастями. Глаз очень чувствителен к восприятию движения, им замечается смещение объекта на фоне других на угол ~ 10''. При непрерывном движении объекта наименьшая угл. скорость, при к-рой глаз воспринимает движение, равна ~ 1'-2' с^-1. Важной характеристикой 3. является также пропускная способность, т. е. количество информации, к-рое может быть воспринято и переработано аппаратом 3. (включая и мозг) в единицу времени. Она определяется величиной порядка 15-17 бит/с.

Литература по зрению

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.