ZRAKOVÝ ORGÁN A PROCES VIDĚNÍ
Prof. Ing. Jiří Habel, DrSc. FEL ČVUT Praha
prosinec 2014 1
ZRAKOVÝ ORGÁN A PROCES VIDĚNÍ PROCES VIDĚNÍ 1. oko jako čidlo zraku zajistí nejen příjem informace přinášené světelným podnětem, ale už i její určité zpracování, výběr a zakódování (optické podněty → nerv. vzruchy) 2. přenos do mozkových center vidění vzniká zrakový počitek 3. syntéza počitků vytváří se zrakový vjem 4. zatřídění vjemu ve vědomí a) k bezprostřednímu využití b) k uchování v paměti – pozdější aplikace
OKO a) část optická - zprostředkovává příjem informace; rohovka, přední komora, duhovka se zornicí, čočka
b) část nervová – sítnice (fotoreceptory, gangliové a další nervové buňky, vzájemné vazby), zrakový nerv, mozková centra vidění, vazby s ostatními centry
Sítnice – průsvitná tenká (asi 0,2 mm) blána; 11 vrstev;
složitá pravidelná buněčná skladba; [zvláště buňky gangliové, bipolární aj. a receptory (6,5 mil. čípků+125 mil. tyčinek+ „C“)];
▪ první zpracování přijatých informací, ▪ jejich zakódování (frekvenčně modulované impulsy); ▪ již i určité třídění a výběr informací
Žlutá skvrna – jasně hnědá, cév prostá oblast; její střední prohloubená část (průměr asi 1,5 mm) je centrální jamka (fovea)
2
ZRAKOVÝ SYSTÉM Zrakový systém tvoří soubor orgánů, které zajišťují příjem, přenos a zpracování informace přinášené světelným podnětem v komplex nervových podráždění, jejichž výsledkem je zrakový vjem. Zrakový systém člověka se skládá zhruba ze tří částí: periferní (oči člověka), spojovací (zrakové nervy), centrální (podkorové a korové části mozku). Zjednodušené schéma zrakového systému : SPO, SLO - sítnice pravého a levého oka PZN, LZN - pravý a levý zrakový nerv CH - místo částečného překřížení nervových vláken (chiasma) PZT, LZT - pravý a levý zrakový nervový provazec (tractus opticus) LG - laterální genikulát (primární mozkové centrum) HH - horní hrbolky (colliculi superiores) ZK - zrakové korové ústředí
Na všech úrovních četné vazby s centry ostatních smyslových orgánů 3
Základní fotoreceptory čípky -
velikost cca 0,005 až 0,006 mm - počet 6,5 milionu (soustředění více ke středu sítnice)
- umožňují barevné vidění - 3 druhy podle zrakového pigmentu (čípkové opsíny) chlorolab (zelená) – opsín M, erytrolab (červená) – opsín L cyanolab (modrá) – opsín S - při jasu pozadí < 0,1 cd.m-2 vykazují prahový jas asi 0,4 cd.m-2
tyčinky - velikost
cca 0,002 mm - počet 125 milionů (hustěji k okrajům sítnice)
- vázány na fotopigment rodopsín (zrakový purpur) - při jasu pozadí < 0,01 cd.m-2 vykazují prahový jas asi 0,04 cd.m-2 4
Rozložení spektrální citlivosti čípků
5
Světlo řídí naše biologické pochody probíhají v cca 24 h (tzv. cirkadiánních) cyklech
v závislosti na otáčení Země kolem Slunce aktivní fáze ve dne – klidová fáze v noci Např.
tělesná teplota, krevní tlak, tepová frekvence, látkový metabolismus, imunitní funkce, sexuální funkce, fyzická a duševní aktivita
Světlo řídí naše vnitřní hodiny – čidlem: třetí typ fotoreceptorů „C“ Normální fotometrický pozorovatel poměrná spektrální citlivost C(l) - cirkadiánního čidla V(l) - očí při denním vidění (převažují čípky)
V´(l) - očí při nočním vidění (převažují tyčinky)
6
VIDĚNÍ Fotopické
ilustrace subjektivního vjemu
tzv. denní vidění; kontrast jasů i barev fotoreceptory : čípky barevné vidění adaptační jas nejčastěji 3 cd.m-2 čára V(l) definována pro jas 100 cd.m-2
Mezopické
kontrast jasů i barev nižší
fotoreceptory – čípky i tyčinky adaptační jasy < 3 cd.m-2 ; např. 0,1 cd.m-2 (nouzové osvětlení; osvětlení komunikací)
Skotopické
tzv. noční vidění; pouze kontrast jasů fotoreceptory : tyčinky vidění černobílé adaptační jasy velmi nízké, obv. 0,01 cd.m-2 čára V´(l) definována pro jas 10-5 cd.m-2
VJEMOVÉ POLE
základní funkční jednotka sítnice
= část (přibližně kruhová) plochy sítnice, z níž lze podráždit jednu gangliovou buňku spojenou s jedním vláknem zrakového nervu. Základní funkční jednotkou sítnice není tedy jeden fotoreceptor. Velikost vjemových polí se mění v závislosti na : ▪ jasu světelného podnětu ▪ spektrálním složení podnětu ▪ stavu adaptace sítnice
Např. u některých polí reaguje střed pole na začátek podnětu, okraje na jeho konec. U jiných polí je tomu naopak. Další pole vykazují oba typy reakcí.
Vjemová pole reagují :
a) buď po celou dobu trvání podnětu pak zprostředkovávají informaci o kontrastech jasů či barev a o drobných detailech [ důležité pro rozlišovací schopnost ] b) nebo jde o přechodné, krátké reakce na změny osvětlení a o informace o časových změnách podnětu [ důležité z hlediska procesu adaptace ]
V sítnici člověka existuje mnoho funkčních druhů a typů vjemových polí. Pole se mohou částečně i překrývat. Reakce polí závisí na : − hladině osvětlenosti − spektrálním složení podnětu − trvání podnětu − prostorovém rozložení toků − časovém rozložení toků S jednou gangliovou buňkou je spojeno :
- v okrajové části sítnice až několik tisíc receptorů - v oblasti centrální jamky (čípky hustě umístěny) bývá 1 receptor (čípek) spojen s 1 gangliovou buňkou; to podmiňuje největší rozlišovací schopnost v této oblasti
Výsledné vyhodnocení informace výrazně ovlivňují mnohá spojení mezi různými nervovými buňkami a centry jiných smyslových orgánů i velmi četné zpětné vazby. 8
Akomodace oka
schopnost oka přizpůsobit
lomivost prostředí oka vidění do blízka změnou zakřivení přední i zadní stěny čočky (změna ohniskové vzdálenosti oka)
tak, aby se i blízké předměty na sítnici zobrazily ostře. Normální oko hledící do dálky zobrazuje na sítnici ostře předměty umístěné teoreticky nekonečně vzdálené (prakticky více než 6 m) od oka. [Paprsky přinášející informaci o takto umístěných předmětech pak už dopadají do oka rovnoběžně .]
Převrácená hodnota ohniskové vzdálenosti = optická mohutnost Optická mohutnost se měří v dioptriích (D) blízký bod – nejbližší bod, který může plně akomodované oko vidět ostře; [ r1 - vzdálenost blízkého bodu od oka (m) ] ( r1 : v 15 letech – 9 až 10 cm; ve 30 letech ~ 13 cm; 50 let ~ 50 cm) vzdálený bod – nejdále umístěný bod, který dokáže oko přizpůsobené pro vidění do dálky vidět ještě ostře
[ r2 - vzdálenost vzdáleného bodu od oka (m) ]
Rozsah akomodace
1 1 r1 r2
Pozn. v 15 letech … 10 D; v 50 letech jen 2 D; [krátkozraká starší osoba může mít též 10 D, ale v rozmezí mezi 10 až 5 cm před okem
9
ADAPTACE ZRAKU
– přizpůsobení oka různým hladinám osvětleností Oko je schopné se přizpůsobit osvětlenostem svislé roviny proložené zornicí asi od 0,25 lx až do 105 lx
Adaptační mechanismy : ▪ změna průměru zornice (1,8 do 7,5 mm)
změna plochy otvoru zornice v poměru 1:16 až 1:20; doba změny ~360 ms ▪ změna citlivosti fotoreceptorů rozklad či syntéza zrakových pigmentů – fotochemický děj – minuty
▪ změna velikosti vjemových polí menší průměr při vyšších hladinách a naopak ▪ přizpůsobení se i velkým změnám spektrálního složení podnětu (stálost vjemu barevných tónů) ▪ kompenzační mechanismy - ruší informace o změnách způsobených pohyby očí, hlavy či těla (obraz na sítnici se mění asi 5 obrázků za sekundu)
▪ zrakový vjem nevzniká současně s popudem, ale s časovým zpožděním (při jasech nad 1 cd.m-2 asi 0,5 s ; při nízkých jasech cca 1 s) ▪ přizpůsobování zrakového orgánu vlivem reflexních reakcí mozkového centra na ozáření ▪ fyziologické adaptační mechanismy
paměťové a pozornostní mechanismy určují též konečný postoj a reakci člověka na vizuální vjem 10
ZORNÉ POLE
část prostoru, kterou pozorovatel postřehne při upřeném pohledu bez pohybu oka a hlavy
Přesně člověk vidí v rozsahu asi 8° ve vodorovné rovině a asi 6° ve svislé rovině Největší ostrost je v rozsahu asi 1,5° - oblast žluté skvrny Rozlišovanou podrobnost (kritický detail)
umísťuje oko reflexním pohybem do středu zorného pole.
Podrobnost se pak na sítnici zobrazí do středu žluté skvrny (fovea).
Bezprostřední okolí podrobnosti oblast zor. pole s vrcholovým úhlem asi do 20°
(důležitá pro přímé rozlišení podrobnosti)
Pozadí oblast zorného pole asi od 20° do 60° Vzdálené okolí – oblast od 60° k okrajům pole
Binokulární a monokulární zorná pole pro bílé světlo (poloha očí vyznačena kroužky)
Pozorovaný předmět = podrobnost + + bezprostřední okolí
Pohledové pole – část prostoru postřehnutelná při pohybu oka Obhledové pole – část prostoru postřehnutelná při pohybu oka i hlavy 11
Závislost zorného pole na chromatičnosti světla Monokulární zorné pole pravého oka při různobarevných světelných podnětech čára 90°
plná
zorné pole pro světlo žluté modré
60° 0°
čárkovaná
červené
tečkovaná
zelené
30°
Vyšrafovaný kroužek vyznačuje oblast, do níž se promítá slepá skvrna.
12
ROZLIŠOVACÍ SCHOPNOST různě jasné předměty ( rozdíl jasů )
Pozorovatel rozliší v zorném poli detaily (předměty), z nichž
vycházejí zářivé toky následně vyvolávající dostatečně rozdílné světelné podněty
rozdíl barev
Rozlišovací schopnost je obecně určena sinusovou složkou obrazu, na jejíž frekvenci je zrak nejcitlivější.
U normálního jedince je nejlepší rozlišovací schopnost při frekvenci asi 6 až 9 period na 1° zorného úhlu.
Zrak člověka není schopen rozlišit čáry velmi vysoké frekvence, ani čáry velmi nízké frekvence. Stupeň rozeznatelnosti různě jasných detailů se charakterizuje
kontrastem jasu C
C
La Lb Lb
L
(-; cd·m-2, cd·m-2)
Lb
kde La jas rozlišované podrobnosti Lb jas bezprostředního okolí podrobnosti (jas pozadí – adaptační jas) S růstem kontrastu C roste pravděpodobnost rozlišení detailu Nejmenší rozlišitelný rozdíl jasů |La – Lb|min = ΔLmin se nazývá
Prahový kontrast Cmin
Cmin
La Lb min Lb
práh rozlišitelnosti jasu
Lmin Lb 13
Závislost prahového kontrastu na adaptačním jasu pro různé světelné zdroje 1,2 ntl. Na 1,15
poměrný prahový kontrast
vtl. Na 1,1
1,05 vtl. Hg 1
0,95
halogenid.
0,9
0,85 0 0,1
1
2
1
3
jas (cd.m-2)
103
KONTRASTNÍ CITLIVOST
=
převrácená hodnota prahového kontrastu Cmin
1 Cmin
L Lb b La Lb Lmin
min
Kontrastní citlivost závisí • na velikosti rozlišované podrobnosti charakterizované jasem
La ,
• je nepřímo úměrná prahu rozlišitelnosti jasu |La – Lb|min = ΔLmin • roste s hodnotou adaptačního jasu Lb .
Kontrastní citlivost klesá se snižujícími se hladinami osvětlenosti pro zachycení malého počtu kvant se spojuje velký počet receptorů ve vjemové pole o velkém průměru – zmenšuje se pravděpodobnost zjištění rozdílu několika málo kvant
15
Kritérium pro ocenění schopnosti oka rozeznat při daném pozadí dva malé detaily (body, čáry aj.), které jsou velmi blízko sebe.
ZRAKOVÁ OSTROST
amin nejmenší úhel v minutách, pod kterým je oko schopno rozlišovat dva malé detaily jako oddělené
Oko s normální ostrostí rozezná dva body, jejichž vzdálenost je vidět pod úhlem 1 minuta
1
a min
1
oko se zrakovou ostrostí 1
Čím menší je vzdálenost pozorovaných detailů, které oko rozezná, tím větší je zraková ostrost. Zraková ostrost při denním vidění prudce klesá od centrální jamky k okrajům sítnice. Zraková ostrost při nočním vidění je výrazně nižší – od centrální jamky asi do 12° narůstá a. pak již jen mírně klesá. – pro úhly cca nad 30° je vyšší než při denním vidění
Rozdělení zrakové ostrosti na sítnici pro vidění fotopické – plnou čarou, pro vidění skotopické – tečkovaně (mezi 10° a 20° stupni nazálního směru je vyznačena oblast slepé skvrny) 16
SPEKTRÁLNÍ CITLIVOST ZRAKU Každý jedinec má průběh citlivosti zraku k záření různých vlnových délek odlišný. Aby světelně technické výpočty byly jednotné Přijala Mezinárodní komise pro osvětlování (CIE) dohodu o hodnotách poměrné spektrální citlivosti tzv. normálního fotometrického pozorovatele při denním (fotopickém) vidění [křivka V(l)] a při nočním (skotopickém) vidění [křivka V(l)]
Spektrální citlivost se nejčastěji udává v poměrných hodnotách vztažených k maximu absolutní hodnoty citlivosti, resp. k maximu absolutní hodnoty světelného účinku záření.
1 – La = 10-5 cd.m-2 [křivka V(l) podle CIE – – – – – – 8 –
2 3 4 5 6 7
400
500 l (nm) 600
La = La = La = La = La = La = La =
pro skotopické (noční) vidění] cd.m-2 10-3 cd.m-2 10-2 cd.m-2 0,1 cd.m-2 1 cd.m-2 10 cd.m-2 100 cd.m-2 [křivka V(l) podle CIE pro fotopické (denní) vidění]
10-4
700
Křivky poměrné spektrální citlivosti zraku normálního fotometrického pozorovatele k záření různých vlnových délek pro různé adaptační jasy La 17
Zářivý tok Fe → světelný tok F Zrak není schopen vnímat souhrnné působení záření za určitou dobu. Pro světelnou techniku je proto rozhodující
energie přenášená zářením za 1 s = = výkon přenášený zářením =
= zářivý tok
Fe = dWe / dt
(W)
Ve světelně technických veličinách [po zhodnocení zrakem pozorovatele] zářivému toku Fe odpovídá
světelný tok
F = K · Fe (lm; lm.W-1, W)
K = světelný účinek záření (lm.W-1) Při denním vidění je maximum K Km a to při základní vlnové délce 555 nm
= 683 lm.W-1 18
ZÁŘIVOST Ie
(W.sr-1)
→ SVÍTIVOST I
(cd)
I(l) = K(l) · Ie(l) = Kmax · V(l) · Ie(l) = 683 · V(l) · Ie(l)
Jednotka svítivosti 1 kandela (cd) – základní jednotka SI 1 cd = svítivost zdroje, který vyzařuje v určitém směru monochromatické záření o frekvenci 5,4 . 1014 Hz , při čemž
zářivost
1/683
zdroje v tomto směru je W. sr-1 .
Ve standardním prostředí [20 °C; 50% relat. vlhkost; tlak 1,013 MPa; N = 1,000279668]
n = 5,4 ·1014 Hz odpovídá vlnové délce l = 555 nm
19
K (l ) Poměrná spektrální citlivost zraku pozorovatele V (l ) Poměrná spektrální světelná účinnost záření K max ve fotopické, mezopické a skotopické oblasti vidění
Pro ilustraci se v mezopické oblasti uvažují dva vybrané průběhy poměrných citlivostí, a to pro adaptační jasy 1 cd·m-2 a 0,1 cd·m-2 1 V(l) pro fotopické vidění -2 adaptační jas La = 100 cd.m max. při l = 555 nm
0,9 0,8
V´(l) pro skotopické vidění -5 -2 adaptační jas 10 cd.m max. při l = 507 nm
V´´(l) pro mezopické vidění adaptační jas La = 1 cd.m-2 max. při l = 545 nm
poměrná citlivost zraku
0,7 0,6
V´´(l) pro mezopické vidění -2 adaptační jas La = 0,1 cd.m max. při l = 532 nm
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700
vlnová délka (nm)
20
Průběhy absolutních hodnot světelných účinků záření pro vidění fotopické, mezopické a skotopické 1700
K max
1600
S v ě t e l n ý ú č i n e k z á ř e n í ( l m/ W )
1500
K´(l) - skotopické vidění max. 1700 lm /W při 507 nm
1400
683 V (555 nm)
K´´(l) - mezopické vidění K´´(l) - mezopické vidění -2 -2 adaptační jas jas 0,1 0,1 cd.m adaptační cd.m
1300
max. 756 lm /W při 532 nm
1200 1100 1000 900
K(l) - fotopické vidění max. 683 lm /W při 555 nm
800 700 600
K´´(l) - mezopické vidění adaptační jas 1 cd.m-2
500
max. 695 lm /W při 545 nm
400 300
555 nm
200 100 0 400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
vlnová délka (nm)
Při základní vlnové délce lm = 555 nm je spektrální citlivost lidského zraku pro fotopické, mezopické i skotopické vidění shodná a rovná 683 lm·W-1
21
FOTOPICKÝ A MEZOPICKÝ SVĚTELNÝ TOK Vliv spektrálního složení záření
dopadajícího do oka : – u teplotních zdrojů rozdíly fotopického a mezopického toku relativně malé – u zdrojů s čárovým spektrem mohou být rozdíly značné Příklady
Orientační hodnoty fotopických a mezopických toků [La = 0,1 cd.m-2 ] odpovídající monofrekvenčnímu zářivému toku různých vlnových délek l l (nm)
460
Zářivý tok Fotopický tok (W) (lm)
Fe = 1 W
Mezopický tok [La = 0,1 cd.m-2 ]
(lm)
1
40
200
590
1
510
340
630
1
120
40
modrá oblast
červená oblast
22
Orientační změny světelných toků různých typů světelných zdrojů a svítidla s diodami LED při vidění fotopickém, mezopickém a skotopickém Klasická žárovka 100 W
Vysokotlaká sodíková výbojka 150 W
Indukční výbojka 100 W
Svítidlo 80 W s LED sv. zdroji
Fotop. měrný výkon (lm.W-1)
13,8
86,6
80,0
83,8
Tc (K)
2650
1900
4800
4000
Ra
100
20
77
82
S/P poměr
1,8
0,65
1,8
1,57
sv. zdroj
svítidlo
parametry
Vidění
Světelný tok (lm)
Fotopické
1 380
13 000
8 000
6 710
Mezopické ( La = 1 cd/m-2)
1 420
12 330
8 660
7 150
Mezopické ( La = 0,1 cd/m-2)
1 520
10 880
10 000
8 070
Skotopické
1 780
6 160
14 090
10 660
Orientační změna reakční doby v závislosti na jasu pro různé světelné zdroje 1200 1100 ntl. Na
reakční čas (ms)
1000 vtl. Na
900 800 700 vtl. Hg
600 halogenid.
500 0
1
0,1
2
1 0,17
3
jas (cd.m-2)
3
10
SHRNUTÍ Komplikovanost výpočtů a měření v mezopické oblasti vidění je dána především : ● spektrální citlivost zraku v mezopické oblasti není určena jedinou křivkou, ale celou řadou průběhů odpovídajících poměrně široké škále adaptačních jasů. ● s klesajícími hodnotami adaptačních jasů se křivky spektrálních citlivostí posouvají do oblasti nižších vlnových délek a současně narůstají maxima jejich spektrálních účinků. ● při mezopickém vidění se jako čidla uplatňují jak čípky, tak i tyčinky. Vliv čípků klesá se snižující se hladinou adaptačních jasů. Výsledky experimentů zatím ukazují, že prahový jas uplatnění čípků zůstává od adaptačního jasu asi 0,1 cd.m-2 konstantní na úrovni asi 0,3 cd.m-2 . ● nutno respektovat psychologickou vazbu mezi osvětlenosti a teplotou chromatičnosti zdrojů.
Výzkumy pokračují v oblasti : – řešení adaptačních jasů zraku pozorovatele při mezopickém vidění, a to ► jak s využitím podílu světelných toků skotopických a fotopických (tzv. poměr S/P), ► tak s využitím oceňování vlivu nejen samotných tyčinek, ale i všech tří typů čípků (projekt MOVE, Kokoschka, Sagawa). – Další směry výzkumu (Palmer), které věnují pozornost zejména osvětlování komunikací, přecházejí od rozboru jasových poměrů k analýze zrakového výkonu. 25
DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST
26
27
28
Porovnání světelných toků různých typů světelných zdrojů při vidění fotopickém, mezopickém a skotopickém Světelný zdroj
Vidění
Klasická žárovka 100 W
Vysokotlaká Indukční výbojka sodíková 100 W výbojka 150 W
Svítidlo 80 W s LED sv. zdroji
Světelný tok (lm)
fotopické mezopické (La = 1 cd.m-2)
mezopické (La = 0,1 cd.m-2)
skotopické
1 380
13 000
9 000
6 720
1 420
12 330
9 740
7 140
1 520
10 880
11 350
8 070
1 780
6 840
15 490
10 650
UKÁZKY SPEKTER VYBRANÝCH SVĚTELNÝCH ZDROJŮ Na svislé ose diagramů např. stupnice
mW / 10 nm / lm
30
Klasická žárovka 100 W
Vysokotlaká sodíková výbojka 150 W
Indukční výbojka 100 W
Svítidlo 80 W s LED sv. zdroji
Měrný výkon (lm.W-1)
13,8
86,6
80,0
83,8
Tc (K)
2650
1900
4800
4000
Ra
100
20
77
82
S/P poměr
1,8
0,65
1,8
1,57
Světelný tok (lm)
Vidění Fotopické Mezopické ( La = 1 cd/m-2) Mezopické ( La = 0,1 cd/m-2) Skotopické
1 380
13 000
8 000
6 710
1 420
12 330
8 660
7 150
1 520
10 880
10 000
8 070
1 780
6 160
14 090
10 660
32
