Transcript Gdy widzimy już tylko to, co chcemy widzieć, osiągnęliśmy duchową

BIOFIZYKA
NARZĄDU
WZROKU
Bilińska Sylwia
Pytania
1)
2)
3)
4)
5)
Z czego zbudowane jest oko?
Dlaczego widzimy?
Jakie wielkości charakteryzują narząd wzroku?
Dlaczego widzimy świat kolorowy?
Dlaczego drzewo jest przesunięte kiedy
patrzymy jednym okiem, a jak dwoma to jest
na środku?
6) Po co oku zbroja?
Budowa narządu wzroku
Oko niczym najdoskonalsza kamera filmowa rejestruje obrazy otaczającego nas
świata i za pośrednictwem nerwu wzrokowego przesyła je do mózgu,
gdzie powstają wrażenia wzrokowe. Jest jednym z najważniejszych zmysłów,
dzięki niemu odbieramy ok. 80% wrażeń.
Czopki i pręciki
Układ receptorów czopkowych
-znajdują się głównie wewnątrz dołka
środkowego (plamki żółtej), gdzie ich
zagęszczenie wynosi około
200 000/mm2, poza dołkiem jest ich
mniej;
- odpowiada za dokładne widzenie
drobnych kształtów przedmiotów
-
umożliwia widzenie barwne
-
zapewnia najwyższą ostrość wzroku
- liczba czopków na siatkówce jednego
oka to około 6 mln. ich szerokość
wynosi 4 µm, a długość 40 µm.
percepcja czopkowa zachodzi jedynie
przy dobrym oświetleniu – widzenie
fotopowe
System pręcików
- jest ich około 120 mln na siatkówce oka,
mają długość około 60 µm i szerokość
2 µm
- pozwala na rozróżnianie zarysów
przedmiotów
- zapewnia orientację przestrzenną
- umożliwia odbieranie bodźców przy
minimalnym oświetleniu
percepcja pręcików zachodzi przy
słabym oświetleniu –widzenie skotopowe
Budowa siatkówki
Rozkład pręcików i czopków
na siatkówce oka
Czopki i pręciki
Proces widzenia ma charakter
elektrochemiczny. Kiedy w siatkówce komórki
pręcikowe lub czopki zostają pobudzone
światłem, to chemiczna kompozycja pigmentu
zmienia się chwilowo. Powoduje to bardzo mały
prąd elektryczny, który przechodzi do mózgu
poprzez włókna nerwowe. Około sto pręcików
jest połączonych z pojedynczym włóknem
nerwowym. W efekcie tego grupy pręcików są
wysoce światłoczułe z powodu efektu
sumowania się ich stymulacji. Z drugiej strony,
ostrość jest niska, ponieważ mózg nie potrafi
rozróżnić pojedynczych pręcików w grupie. W
warunkach widzenia wyłącznie pręcikowego
otrzymuje się raczej zamazany obraz. Pręciki
nie rozróżniają kolorów, ale wrażliwość
pigmentu pręcika różni się dla różnorodnych
kolorów widmowych. Maksymalna wrażliwość
występuje przy falach o długości 507 nm
(światło zielone).
Pręciki i czopki umieszczone są na nabłonku
barwnikowym siatkówki
Jak działa oko?
Światło wpadające do oka
biegnie przez rogówkę ,komorę
przednią oka, soczewkę i ciało
szkliste, by zakończyć swą
podróż na siatkówce wywołując
wrażenie wzrokowe
przekazywane do mózgu za
pośrednictwem nerwów
łączących się w nerw wzrokowy.
Nad osią symetrii oka znajdują się parametry dotyczące oka
nieakomodującego (oznaczone indeksem o), natomiast pod osią –
akomodującego (oznaczenie indeksem a). Powierzchnie soczewki
zaznaczone są liniami przerywanymi.
Jak działa oko?
Układ optyczny z pewnym przybliżeniem uważać można za
centryczny. Środki krzywizn rogówki i soczewki leżą na
prostej zwanej osią optyczną oka. Występuje jednak
rozbieżność osi optycznej i osi widzenia, która jest
wynikiem przesunięcia dołka środkowego poza oś optyczną
oka. W efekcie występuje obrót osi widzenia względem osi
optycznej średnio o około 5 stopni.
Własności widzenia
Obraz tworzony na siatkówce jest:
• rzeczywisty
• zmniejszony
• odwrócony
Własności widzenia
Układ optyczny:
• soczewka o zmiennej ogniskowej
• rogówka (przesłona) regulująca ilość światła dostającego się do
wnętrza oka.
Oko jest prostą soczewką skupiająca. Promienie świetlne
dochodzące od przedmiotu do soczewki po załamaniu się w niej
tworzą ostry obraz przedmiotu na siatkówce. Współczynnik
załamania jest różny w poszczególnych warstwach oka. Ponadto
występują różne napięcia mięsni siatkówki powodujące zmianę jej
kształtu ( mniej bądź bardziej wypukła). Dzięki temu zdolność
skupiająca oka jest zmienna. Umożliwia to tworzenie obrazów
dalekich lub bliskich przy praktycznie stałej odległości układu
optycznego od siatkówki.
Własności widzenia
AKOMODACJA - zjawisko dostosowania się oka do oglądania
przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach. Dostosowanie to
polega na odpowiednim doborze ostrości widzenia.
Zakres akomodacji (odległość między punktem bliży i dali
wzrokowej) oka człowieka:
Punkt bliży wzrokowej - najbliższy punkt, jaki oko jest w
stanie ostro widzieć dzięki akomodacji soczewki (ok. 10
cm); określany jako sB
Punkt dali wzrokowej - najbliższy punkt powyżej którego
soczewka nie akomoduje (ok. 6 m); określany jako sD
Własności widzenia
ZDOLNOŚĆ SKUPIAJĄCA OKA
Soczewka przy rozluźnionych mięśniach rzęskowych ma zdolność
skupiającą 13D.
Zdolność skupiająca dla typowego oka ludzkiego przy rozluźnionych
mięśniach akomodacyjnych wynosi więc 58,5 dioptrii, a ogniskowa
17,1mm.
Własności widzenia
REFRAKCJA – odwrotność odległości s
D
mierzonej w dioptriach.
1
R
SD
R = 0 to oko jest miarowe , wtedy siatkówka jest styczna
do płaszczyzny ogniskowej oka nieakomodującego
R = 0 to oko obarczone jest wadą KROTKO- bądź
DALEKOWZROCZNOŚCI.
Własności widzenia
ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA OKA- wyznaczona jest przez gęstość elementów światłoczułych (w oku to będą czopki i
pręciki, w aparacie fotograficznym ziarna w emulsji lub dołki w sensorze).
Własność pozwalająca rozróżnić szczegóły danego obrazu.
Zdolność rozdzielcza zdrowego oka wynosi około 1 minuty kątowej. Oznacza to, że
detale oglądane pod takim kątem będą jeszcze rozróżnialne.
Jeżeli na siatkówce oka wyświetlany jest obraz o większej ilości szczegółów (na
określonej powierzchni) niż jego zdolność rozdzielcza to nie dostrzeżemy całego
bogactwa szczegółów obrazu, ponieważ będą one zlewały się ze sobą
Z drugiej strony jeśli na siatkówce jest wyświetlony nadmiernie (w stosunku do
rozdzelczości obiektywu) powiększony obraz to okiem nie dostrzeżemy nowych
detali a obraz sprawia wrażenie nieostrego, rozmytego. Takie przesadzone
powiększenie określa się teraminem "puste powiększenie".
Własności widzenia
Kryterium Rayleigha
Przy wizualnej obserwacji dwóch punktów o
jednakowej intensywności, zgodnie z tzw.
kryterium Rayleigha, granicznym warunkiem
rozdzielenia ich obrazów jest pokrycie się
głównego maksimum jednego z punktów z
pierwszym minimum plamki dla drugiego punktu.
Kryterium to odnosi się do oświetlenia
niekoherentnego.
Miarą zdolności rozdzielczej
jest odwrotność kąta granicznego.
Własności widzenia
ADAPTACJA
Adaptacja pozwala oku widzieć przy różnych
poziomach oświetlenia
Adaptacja zawiera w sobie co najmniej dwa
procesy:
1) Zmiana wielkości źrenicy.
2) Adaptacja fotochemiczna.
Więc chodź pomaluj mi świat…
• Fala elektromagnetyczna mieszcząca się w zakresie tzw.
okna optycznego (ok.400nm-ok.. 700nm);
• Promieniowanie, które wniknie do oka w różnym stopniu
wywołuje reakcje elektrochemiczne w czopkach i
pręcikach stając się źródłem bodźców;
• Przyjmuje się maksimum czułości czopków na 550nm, a
pręcików na 510nm;
• Za widzenie barw odpowiedzialne są fotoreceptory
czopkowe;
Teoria trzech stymulantów
(Younga-Helmoltza)
Oko zawiera trzy rodzaje czopków każdy ma maksimum wrażliwości
przypadające na inną długość fali:
• typu X – 64 % czopków; · 580 nm – R (pomarańczowo-czerwony)
• typu Y- 32 % czopków; · 545 nm – G (zielony)
• typu Z- 4% czopków; · 440 nm – B (niebieski)
Jednakowe pobudzenie receptorów r : g : b = 1:1:1 odpowiada
wrażeniu bieli, przy dużej sumie sygnałów lub szarości, przy małej
sumie.
Percepcyjnie wszystkie postrzegane kolory powstają jako
kombinacje liniowe trzech barw podstawowych.
Ludzkie oko rozróżnia 35 tysięcy – 8 milionów kolorów
Teoria trzech stymulantów
(Younga-Helmoltza)
Efekt Purkyniego
(ślepota zmierzchowa)
Efekt ten polega na tym, że w zależności od intensywności oświetlenia,
zmienia się względna jasność różnych kolorów, odbieranych przez oko.
Przy bardzo niskim poziomie oświetlenia, gdy czopki przestają już
funkcjonować, działanie przejmują pręciki. Kolory niebieskie stają się
wtedy jaśniejsze w porównaniu z barwami czerwonymi.
Wynika to z faktu, że podczas
widzenia przy dobrym świetle
siatkówka jest bardziej wrażliwa
na długofalowe barwy światła,
a podczas ciemności na krótkofalowe
Krzywa czułości względnej oka ludzkiego dla widzenia
fotopowego V(λ) i skotopowego V' (λ)
Widzenie przestrzenne
(spektroskopowe)
- jest wynikiem interpretacji jakiej dokonuje mózg porównując dwa,
różniące się nieco obrazy pochodzące z każdego oka niezależnie.
Co daje nam widzenie spektroskopowe?
• perspektywa geometryczna;
• zasłanianie przedmiotów dalszych przez bliższe;
• cienie;
• perspektywa powietrzna (zamglenie);
• pozorna różnica prędkości przesuwającego się krajobrazu;
• nieostrość przedmiotów położonych poza płaszczyzną fiksacji;
Widzenie przestrzenne
(spektroskopowe)
Prawie w każdym przypadku używamy obu
naszych oczu do patrzenia na jeden cel. Jeżeli
obiekt, na który patrzymy jest w oddali, oczy
będą ustawione tak, aby linie wzroku obu oczu
były względem siebie równoległe. Gdy patrzymy
na obiekt umiejscowiony blisko, linie wzroku obu
oczu będą się przecinały w punkcie celu. Jest to
osiągnięte poprzez obrócenie oczu do środka,
co nazywane jest zbieżnością
Oko uzbrojone
wady wzroku
oko krótkowzroczne
• promienie światła załamane w układzie
optycznym ogniskują się przed siatkówką
• soczewka rozpraszająca przesuwa ognisko
na siatkówkę
oko dalekowzroczne
• promienie załamane w układzie optycznym
ogniskują się poza siatkówką
• soczewka skupiająca przesuwa ognisko na
siatkówkę
Oko uzbrojone
wady wzroku
Amplituda akomodacji:
1
1
A

sD s B
1
 0 -miarowość oka
sD
Zdolność skupiająca okularu:
R
Dk 
1  lR
gdzie l - odległość soczewki od oka
(dla soczewki korekcyjnej l = 0)
R - refrakcja
Zdolność rozdzielcza:
1 1
D 
l A
Zdolność skupiająca soczewki:
Dk  R
Oko uzbrojone
wady wzroku
Astygmatyzm -
wadą polegającą na zniekształceniu widzenia
wskutek niesymetryczności rogówki oka. Jeżeli promień krzywizny
rogówki oka w płaszczyźnie pionowej jest inny niż w płaszczyźnie
poziomej, to promienie świetlne padające na różne części rogówki
załamywane są w różnym stopniu. Powoduje to, że obraz widziany
przez pacjenta jest nieostry.
astygmatyzm regularnym, gdzie oko posiada dwie ogniskowe. Po
pokazaniu pacjentowi znak krzyżyka, on widzi ostro tylko jedno jego
ramię - pionowe lub poziome.
astygmatyzm nieregularny, cechujący się większą ilością ogniskowych i
spowodowany nierówną powierzchnią rogówki.
Oko uzbrojone
wady wzroku
Daltonizm (Deutenaropia)- wada wzroku, odmiana ślepoty barw,
polegająca na nierozpoznawaniu barwy zielonej (lub myleniu jej z barwą
czerwoną) Jest wynikiem braku czopków reagujących na barwę zieloną.
Nazwa „daltonizm” pochodzi od angielskiego chemika Johna Daltona, który w
1794 r. na własnym przypadku opublikował jej opis.
Zdrowe oko
Deutenaropia
Bibliografia
• „Biofizyka” pod red. prof.dr hab.F.Jaroszyk
• „Zjawiska optyczne w przyrodzie” - W. Bułat
• „Fizjologia człowieka z elementami fizjologii
klinicznej” -W. Z. Traczyk, A. Trzebski
Wykłady:
• prof. B. Kostek,
• dr Iwona Mróz,
• pan Marek Zając,
• prof. dr hab. inż. Krzysztof Patorski
DODATKOWE CIEKAWOSTKI
Teoria Heringa (antagonistyczna)
W oku istnieją komórki wrażliwe na promieniowanie trzech
par przeciwstawnych barw: czerwonej-zielonej, żółtejniebieskiej i białej-czarnej.
• W każdej z nich zachodzi mieszanie impulsów
powodujących powstawanie barw, na które są wrażliwe.
• Założenie o czterech podstawowych barwach: czerwonej,
żółtej, zielonej i niebieskiej odpowiada intuicyjnemu
odróżnianiu tych barw w widmie jako barw
samodzielnych, niestanowiących wrażenia mieszaniny
jak np. fioletowa czy pomarańczowa.
Para oczu pozwala widzieć nam na wylot
hipoteza Marka Changizi
Do tej pory biolodzy uważali, że największą korzyścią
płynącą z posiadania dwojga oczu jest trójwymiarowy
obraz.
Amerykański uczony Mark Changizi jest jednak
przekonany, że w przypadku m.in. ludzi oraz zwierząt
żyjących w środowiskach leśnych równie ważna była też
zdolność do patrzenia poprzez małe przeszkody - takie
jak na przykład liście. Jego zdaniem właściwości
ludzkiego wzroku pod pewnym względem dadzą się
porównać do promieni rentgenowskich.
Wyostrzony wzrok
Siatkówka jest czuła na pojedyncze fotony
Gdy ludzkie oko jest całkowicie przystosowane do ciemności, może
ono wtedy, przy korzystnych warunkach, dostrzec nawet pojedynczy
foton. Jest to jedyne subatomowe zjawisko, które może być
dostrzeżone przez istotę ludzką. Niemniej, niektóre zwierzęta mają
jeszcze bardziej wyostrzoną wrażliwość oka – około sześć do
siedmiu razy w wypadku oka kociego (Rys. 3). Może to być
wytłumaczone poprzez fakt, że źrenica oka kota – przy pełnym
otwarciu – jest o wiele większa w relacji do ogniskowej, niż u
człowieka, co powoduje wyższe naświetlenie siatkówki przy danym
oświetleniu. Dodatkowo za siatkówką kota jest jeszcze warstwa
odbijająca światło, co oznacza że światło przechodzi przez
siatkówkę dwa razy, dając większą szansę na jego wykrycie.