Biofizyka Procesu Widzenia

Biofizyka Procesu Widzenia
Biofizyka Procesu Widzenia


W każdej innej dziedzinie niższość
utworów technicznych w stosunku do
systemów organicznych nie jest tak
oczywista jak w układzie wzrokowym
Ocena ta nie dotyczy samego systemu
optycznego który nie jest zbyt doskonały
ale zdolności do rozpoznawania obrazów
Na rysunku przedstawiono schemat
budowy gałkiocznej . Oko pod wieloma
względami przypomina aparat
fotograficzny. Soczewka przepuszcza i
skupia promienie świetlne na siatkówce,
będącej czułą powierzchnią. Siatkówka
składa się z elementów fotorecepcyjnych
mających postać tzw pręcików
umożliwajacych widzenie przy małej
jasności oraz czopków które są istotne
dla widzenia w dzień a szczególnie
widzenia barw. Impuls nerwowy polega
na procesie elektromagnetycznym który
rozchodzi się z prędkoscią od 1do100
m/s. Im wiecej swiatła pada na receptory
tym szybciej następują po sobie impulsy.






Dwa miejsca na siatkówce zasługują na uwagę;
plamka żółta, miejsce najwyraźniejszego widzenia, znajdujące się na
przecięciu os; optycznej soczewki ze ścianką tylną gałki ocznej; w tym
miejscu znajduje się lekkie wklęśnięcie,
plamka ślepa, miejsce niewrażliwe na działanie promieni świetlnych,
znajdujące się tam. gdzie nerw wzrokowy wchodzi do gałki ocznej.
Impulsy przetworzone w siatkówce są przesyłane do mózgu, gdzie są
przekształcane na wrażenia wzrokowe.
ilość światła dopuszczona do oka jest regulowana przesłoną
(tęczówką), która zwiększa lub zmniejsza źrenicę w zależności od tego,
czy oświetlenie jest słabe, czy zbyt silne. Zadaniem tęczówki jest
osłona oka w przypadku nagłych zmian natężenia oświetlenia.
Gałki oczne są poruszane przez otaczające je mięśnie i w ten sposób
oko może być skierowane w różnych kierunkach [45|. Podczas
patrzenia organ wzroku musi wykonać szereg zadań wzrokowych,
których poprawne wykonanie decyduje o jakości bodźca optycznego
odebranego przez receptor.
Ostrość wzroku
Ma ona duże znaczenie w procesie widzenia. Ostrość wzroku
określa się jako zdolność oka do spostrzegania w polu widzenia
szczegółów o małej wielkości względnej. Określa się ją jako
odwrotność kąta (wzrokowego), wyrażonego w minutach,
utworzonego przez dwie proste wyprowadzone ze środka
soczewki do krańcowych punktów przedmiotu najmniej
dostrzegalnego. Ostrość wzroku w dużym stopniu zależy od
akomodacji oka, która polega na przybieraniu takiego kształtu
przez soczewkę, aby punkt.skupienia promieni światła,
niezależnie od odległości od oka, znalazł się na siatkówce.
Zmiana kształtu soczewki jest powodowana przez mięśnie
rzęskowe oka. Na rysunku 4.3 przedstawiono zasady akomodacji
wraz z objaśnieniem korekcji wadliwej akomodacji za pomocą
szkieł.
Zbieżność oczu
Jest to zdolność kierowania obojga oczu na jeden punkt. Dzięki
zbieżności człowiek widzi jeden obraz przedmiotu. Zbieżność
zawdzięcza się działaniu mięśni, otaczających gałkę oczną. Przy
braku zrównoważenia napięć mięśni zewnętrznych i
wewnętrznych, występuje tendencja do zbieżnego lub
rozbieżnego ustawienia gałek ocznych względem odległości do
oglądanego przedmiotu. Zachodzi wówczas
zjawisko podwójnego widzenia.
Poczucie głębi optycznej. Jest to odczuwanie odległości lub
głębi, które zawdzięcza się temu, że każde oko patrzy na dany
przedmiot pod innym kątem. Różnicę odległości można ocenić
na podstawie takich czynników iak:
- wzajemny stosunek wielkości przedmiotów,
- względna prędkość ruchu oddalonych przedmiotów,
- położenie jednych przedmiotów względem innych
A
B
C
D
E
Akomodacja oka oraz korekcja Jej wadliwego przebiegu za pomocą szkieł

A - akomodacja prawidłowa — Światło skupione na siatkówce,

B – krótkowzroczność — Światło skupione przed siatkówką,

C — korekcja krótkowzroczności przez soczewkę rozchylającą,

D — Dalekowzroczność, Światło skupione za siatkówką,

E — korekcja dalekowzroczności przez soczewkę skupiającą
Zadania tęczówki. Dostosowanie oka do różnych poziomów
jasności. Źrenicy oka zmniejsza się przy wzroście natężenia
oświetlenia i rozszerza się przy zmniejszeniu natężenia
oświetlenia. Ilość światła jest regulowana przez tęczówkę.
Tęczówka nie jest w stanie w pełni zapewnić adaptacji oka dla
warunków oświetlenia. Zadanie to realizują nerwowe i chemiczne
Mechanizmy adaptacji, a tęczówka zabezpiecza siatkówkę przed
nagłymi zmianami oświetlenia. Dzieje się tak, gdy średnica
źrenicy zmienia się od 2 do 7 mm, co przy stałym natężeniu
światła w otoczeniu daje zmianę natężenia światła na siatkówce
w stosunku 1:12. schemat blokowy układu regulacji źrenicy
przedstawiono na rysunku 4.8.
Odruchy śledzące i fiksacyjne. Gdy człowiek chce widzieć
pewien przedmiot dokładnie, to obraca oko tak, aby ten
przedmiot był rzutowany na żółtą Plamke. Do tego celu służą
odruchy śledzące i fiksacyjne
Optyczna stałość wielkości u człowieka. Zauważalną stałością
odznaczają się przy postrzeganiu takie właściwości jak: rozmiary,
położenie, jasność, krztałt widzialnego przedmiotu, mimo zmiany
wartości odpowiedniego . Można przy tym traktować
zniekształcenie informacji przyjętej układ postrzegania względem
początkowej informacji zawartej bodzcu, jako mechanizm
korekcyjny centralnego systemu nerwowego, do zapewnienia
pełniejszego biologicznie obrazu świata zewnętrzobserwującemu człowiekowi. Chodzi tu o redukcję tej informacji,
mogłaby okazać się zbyteczna albo zagmatwana. Wyjaśnić to
zjawisko można przy omawianiu działania wzroku. Zjawisko
optycznej stałości jest związane z akomodacją i konwergencją
oka. Na rysunku 4.1S przedstawiono schemat systemu
zapewniającego stałość wielkości percepcji wzrokowej u
człowieka.
Podstawy budowy i działania
bodźców receptorów słuchowych
Środowisko Świetlne
światło jako zjawisko fizyczne
Światło jest widzialnym promieniowaniem
elektromagnetyczn O długości fali 380-780 nm (1
nm = 10-9 m). Barwom widma świeti go
odpowiadają następujące długości fali:
380-440 nm - fioletowej,
440—495 nm — niebieskiej,
495—580 nm — zielonej,
580-620 nm - żółtej,
620—640 nm — pomarańczowej,
640—760 nm — czerwonej.
Proces widzenia w ujęciu psychotechnicznym
Gałkę oczną wyściela od wewnętrznej tylnej strony błona o
skomplikowanej budowie, złożona z komórek nerwowych, zwana
siatką retina. Oko, jako aparat optyczny, wytwarza na siatkówce
obraz, który jest odtwarzany fizjologicznie w centralnym układzie
nerwów (w korze mózgowej). Komórki siatkówki odbierające
bodziec świetlne (fotoreceptory) mają postać czopków i pręcików
(rys. 6.1). Pręciki, których jest znacznie więcej (ok. 130
milionów), są rozmieszczone głów w części obwodowej siatkówki
i umożliwiają widzenie przedmiotów przy oświetleniu słabym, np.
zmierzchowym. Największa ich wrażliwość na światło
monochromatyczne przypada w paśmie o długości fali złożonej
do 500 nm, tj. na pograniczu barwy zielonej i niebieskiej.
Z punktu widzenia ergonomicznego ważne są następujące
właściwości narządu wzroku:
zdolność rozdzielcza albo ostrość widzenia; minimalna wielkość
kąta widzenia wynosi ok. 1' (1 minuty kątowej), co pozostaje w
związku z wymiarami komórek fotoreceptorów; w praktyce
oznacza to, że oko nie rozróżnia z odległości ok. 30 cm dwóch
punktów oddalonych od siebie mniej niż 0,05 mm;
zdolność widzenia stereoskopowego; jest ona uwarunkowana
posługiwaniem się obu oczami w procesie widzenia; fuzja
(łączenie się obrazów z siatkówek dwojga oczu dokonuje się w
korze mózgowej;
zdolność akomodacji; polega ona na zmianie krzywizny soczew
w celu zyskania na siatkówce ostrego obrazu przy zmianie
odległości oka obserwowanego przedmiotu; zdolność akomodacji
słabnie z wiekiem; w wieku 60 lat jest przeciętnie ok. 10-krotnie
słabsza niż w wieku
lat 20
adaptacja, czyli zdolność przystosowania się do zmian oświetlenia: polega ona na zmianie wielkości źrenicy, tj. otworu, przez
który promienie świetlne wpadają do oka (źrenica jest, jak
wiadomo, tym mniejsza im większe jest natężenie światła w
otoczeniu) oraz na przejściu od widzenia w większym stopniu
„czopkowego" (fotopowego) do widzenia w większym stopniu
„pręcikowego" (skotopowego) w warunkach słabego oświetlenia;
adaptacja przy przejściu z jasnego światła do ciemności trwa ok,
10 min, przy czym poprawa widzenia w ciemno:: nie kończy się
po tym czasie, ale trwa jeszcze do ok. 1 godziny (czas całkowitej
adaptacji); adaptacja z ciemności do światła trwa krócej; najintensywniejsza — 2—3 min, całkowita — ok. 10 min.
Zdolność widzenia u stosunkowo znacznej liczby ludzi odbiega o
umownej normalnej. W szczególności następujące wady wzroku
mają największe znaczenie ergonomiczne:
Światło dzienne (naturalne) i jego wykorzystanie
Natężenie światła dziennego waha się bardzo znacznie, zależnie
od pory roku i pogody. Natężenie światła słonecznego w naszych
szerokościach geograficznych dochodzi do 80 000 luksów [202],
przy czym przeciętne wartości są znacznie niższe od ok. 5000 lx
w miesiącach dnia najkrótszego do ok. 30 000 lx w miesiącach
dnia najdłuższego.
Jako podstawę obliczeń oświetlenia pomieszczeń przyjmuje się
niską wartość natężenia oświetlenia zewnętrznego, zwykle ok.
5000 lx. a więc poziom grudniowy. Natężenie światła naturalnego
wewnątrz pomieszczeń podaje się (niezależnie od pory roku) w
procentach tej wartości. W dobrze oświetlonych za pomocą
dachowych okien (świetlików; halach fabrycznych i
warsztatowych waha się ono od 10% do 20°/o „poziomu
grudniowego", zaś w pomieszczeniach z bocznymi oknami wynosi 10% i mniej.
Stosuje się także wskaźnik wyrażający w procentach stosunek
powierzchni okien do podłogi, z odpowiednimi poprawkami w
zależność.
od zacienienia okien przez sąsiednie budynki [251]. Dziś jednak
wskaźnik ten stosuje się coraz rzadziej.
Sztuczne oświetlenie
pomieszczeń zamkniętych
Właściwości źródeł światła sztucznego
Postąp w technice oświetleniowej jest w ostatnich latach
bardzo
znaczny, stąd duża różnorodność źródeł światła sztucznego.
Następujące właściwości tych źródeł mają znaczenie dla ich
zastosowania i porównań.
1. Sprawność świetlna. Wyraża ona stosunek
strumienia świetlnego wytworzonego przez
źródło
światła do mocy przez nie pobieranej

 s   [lm / W ]
P
Charakterystyki zmysłu
wzroku
Strefy widzenia
Jednym z najważniejszych receptorów jest zmysł wzroku, gdyż dzięki
mu człowiek odbiera 95% dochodzących do niego informacji. Zmysł ku
składa się z podsystemów, elementów zewnętrznych, podsystemu
czujników (receptorów właściwych) odbierającego bodźce świetlne, mu
przesyłająco-przctwarzającego oraz podsystemu sterowania
wewnętrznego, dokładnie opisanego w rozdziale 4. Możliwości
działania wzroku określa wiele parametrów.
Pole widzenia
Każde oko ma określone pole widzenia. Pole widzenia jest ograniczone
przez nos, brwi i policzek. W razie widzenia obuocznego, przy usta osi
optycznych na jeden punkt, pewna część sumarycznego pola tworzy
obszar wyraźnego widzenia. Obszar ten ma kształt stożka, wierzchołek
znajduje się w największej odległości od oka w linii odległość ta wynosi
przeciętnie 5600 mm, a maksymalnie 7600 Kształt pola widzenia dla
jednego oka i obu oczu jednocześnie i
Właściwości wzroku a warunki
oświetlenia
Podstawowymi właściwościami narządu wzroku, na które
wpływają warunki oświetlenia, są: ostrość wzroku, stopień
adaptacji, szybkość r niania, wrażliwość kontrastowa i stałość
wyraźnego widzenia.
Ostrość widzenia (wzroku). Ostrość wzroku zmienia się zależnie
od
- kontrastu luminancji różnych części przedmiotu,
- stosunku luminancji przedmiotu i jego tła (otoczenia),
- oświetlenia i czasu ekspozycji (oglądania) przedmiotu.
Wpływ drgań (wibracji) na
ostrość wzroku
Drgania przenoszone od obiektu technicznego na człowieka powodują ruch
względny gałek ocznych, co z kolei powoduje przesuwanie się na siatkówce
obrazów obserwowanych przedmiotów, przyczyniając się do zmęczenia wzroku
i zmniejszenia obuoczności widzenia. Wykazano, że wibracja może
spowodować pogorszenie ostrości wzroku do 25% [601.
Wpływ wibracji na ostrość widzenia zależy od ich częstotliwości (największy dla
drgań 25-J-40 Hz i 60-7-90 Hz) oraz amplitudy [GOJ. Częstotliwość drgań
własnych gałki ocznej określa przedział częstotliwości wibracji.
Wpływ wieku człowieka na jogo narząd wzroku
Wraz z wiekiem ulegają zmianie wartości parametrów określających działanie i
możliwości narządów wzroku. Często zmiany te są tak znaczne, że wymagają
specjalnego rozpatrzenia. Do ważniejszych parametrów wzroku, zmieniających
się w zależności od wieku, należy zaliczyć:
Ilość światła docierająca do siatkówki (tablica 5-4).
Szybkość adaptacji oka. Czas adaptacji oka do ciemności zmienia się wraz z
wiekiem człowieka i wynosi [33]:
w wieku 30 lat — 10 min,
w wieku 50 lat — 15 min.
Wielkość pola widzenia.
Odróżnia się pole widzenia sensoryczne i percepcyjne. Sensoryczne pole
widzenia jest to obszar, w którym bodźce
świetlne docierają do elementów światłoczułych i powodują pobudzenie
psychofizyczne narządu wzroku. Percepcyjne pole widzenia jest
to obszar, w którym bodźce świetlne są należycie ocenione i
przetworzone przez ośrodkową część analizatora. W dynamice zmian
pola sensorycznego wyróżnia się dwa etapy: pierwszy to (5-M4 lat) —
wzrost
pola, drugi (15-5-69 lat) - stabilność pola. Ze względu na dynamikę
zmian pola percepcyjnego wyróżnia się trzy etapy: pierwszy (do 14 lat)
— wzrost pola, drugi (15-5-59 lat) - stabilizacja pola, trzeci (od 60 lat) występowanie objawów inwolucyjnych charakteryzujących się
zanikaniem pola.
/