Глаз человека. Оптические иллюзии

1. Глаз как оптическая система напоминает фотоаппарат (рис.59). Спереди глаз имеет прозрачную роговую оболочку 1, позади которой расположена водянистая влага, заполняющая пространство 2 между роговой оболочкой и хрусталиком 3. Хрусталик представляет собой прозрачное тело чечевицеобразной формы, то есть собирающую линзу. Позади хрусталика 3 расположено стекловидное тело 4, заполняющее глазное яблоко 5. Совокупность водянистой влаги, хрусталика и стекловидного тела представляют собой оптическую систему глаза.

Изображение предмета формируется оптической системой глаза на задней стенке глазного яблока, которая называется сетчаткой. Освещенность изображения регулируется размерами зрачка – отверстии в радужной оболочке 9. Когда освещенность усиливается, диаметр зрачка уменьшается, и наоборот. Формирование резкого изображения предметов на сетчатке достигается тем, что специальная группа мышц изменяют кривизну хрусталика. Приспосабливаемость глаза к видению предметов, расположенных на разных расстояниях называется аккомодацией.

2. Сетчатка глаза покрыта специальными фоторецепторами, так называемыми палочковыми и колбочковыми клетками. Зрительный пигмент, содержащийся в палочках и колбочках, под действием света преобразуется в энергию нервных сигналов, поступающих в мозг по зрительному нерву 6. От спектра поглощения пигментов зависит диапазон воспринимаемого света. Глаз человека воспринимает ЭМ излучение в диапазоне длин волн 400 – 700 нм.

Наиболее тонко воспринимающим участком сетчатки глаза является желтое пятно и особенно его центральная ямка, расположенная на главной оптической оси глаза, так называемая фовеа 8 (лат. Fovea centralis – центральная ямка). Площадь фовеа – 0,5 мм², она покрыта исключительно колбочками, плотность их в фовеа достигает 1,6 × 10⁵ на 1 мм². При оптимальном освещении острота зрения в области фовеа составляет в среднем 1 угловую минуту.

К периферии от фовеа наряду с колбочками расположены палочки, число которых все более увеличивается. На периферии глаза находятся исключительно одни палочки.

Всего в глазу человека примерно 7 млн колбочек и 133 млн палочек. Палочки более светочувствительны, но не различают цвета. Колбочки различают цвет, на менее светочувствительны. Максимум чувствительности палочек лежит около l» 500 нм, а колбочек – l» 555 нм. В среднем на одно нервное волокно приходится около 140 колбочек и палочек. Лишь в фовеа к каждой колбочке идет одно нервное волокно. Этим и объясняется высокое разрешение фовеа, достигающее 0,02 мм.

3. Цветовосприятие глаза. У человека, обезьян и рыб обнаружены колбочки с тремя разными спектральными чувствительностями. Их максимумы у человека лежат в фиолетовой, зеленой и желтой областях спектра.

Согласно теории Юнга – Гельмгольца трехмерность цветового зрения объясняется тем, что свет разного спектрального состава вызывает в трех видах колбочек реакции разной интенсивности. Это и ведет к ощущению того или иного цвета. При интенсивном раздражении всех фоторецепторов может возникнуть ощущение белого цвета.

Если колбочки функционируют неправильно, то люди с таким недостатком зрения могут не различать некоторые цвета. Этот дефект зрения называется дальтонизмом. Его обнаружил у себя и изучил английский физико-химик Джон Дальтон.

4. Световой порог. Наибольшая чувствительность глаза характеризуется способностью воспринимать световой поток мощностью 2×10^-17 Вт, что эквивалентно падению на глаз нескольких десятков квантов в секунду для l = 555 нм. Эта минимальная мощность называется абсолютным световым порогом глаза.

С увеличением интенсивности света глаз адаптируется, то есть приспосабливается к оптимальному восприятию света данной интенсивности. Существует несколько механизмов адаптации: диафрагмирование светового потока (изменение диаметра зрачка), экранирование фоторецепторов зернами светонепроницаемого пигмента (ретиномоторный эффект), распад и восстановление зрительного пигмента в палочках, перестройка в нервных структурах сетчатки. Благодаря адаптации глаз человека может воспринимать интервал освещенностей с отношением, достигающем величины 1: 10¹².

5. Инерция зрения. Системы зрения разных животных характеризуются не только пространственным, но и временным разрешением. Глаз человека может установить факт мельканий с частотой до 50 – 60 Гц, глаз лягушки – не более 20 Гц, глаз мухи – до 300 Гц. Однако отделить одну вспышку от другой глаз человека способен лишь до частот, не более 10 Гц. Это объясняется тем, что глаз – инерционный прибор. Зрительное ощущение возникает в глазу не мгновенно, а спустя некоторое время, величина которого зависит от интенсивности света, участка спектра и составляет от 0,1 до 0,25 с.

Если вызвавший зрительное ощущение источник света прекращает свое действие, то зрительное ощущение исчезает не сразу, а постепенно в течении некоторого времени. Благодаря этому возможно целостное восприятие кинофильмов, телевизионного изображения, осциллограмм и других дискретных во времени процессов.

6. Объемность зрения. Различают монокулярное зрение (одним глазом) и бинокулярное (двумя глазами), когда поля зрения частично перекрываются. Благодаря разнице углов, под которыми рассматривается один и тот же объект обоими глазами, бинокулярность приводит к стереоскопичности восприятия. Она заключается в способности глаз видеть объемную форму предмета. При монокулярном зрении глаз видит предмет плоским. И только опыт человека не позволяет ему воспринимать знакомые тела как плоские фигуры.

7. Оптические дефекты зрения. Из-за недостатков оптической системы глаза резкого изображения на сетчатке может не получиться. Если резкое изображение бесконечно удаленной точки при расслабленной мышце хрусталика получается перед сетчаткой, то глаз называют близоруким.

Если резкое изображение получается за сетчаткой, глаз называют дальнозорким. Для устранения этих недостатков применяются очки. В случае близорукости очки состоят из отрицательных линз, в случае дальнозоркости – из положительных.

8. Оптические иллюзии (от лат. illusio – обманываю). Глаз является не автономно функционирующим оптическим прибором, а своеобразным датчиком, посылающим инфор-мацию об электромагнитном излучении в мозг. Там формируется окончательное изобра-жение предмета, точнее, его образ. Мозг синтезирует из элементов зрительного восприятия глазом предмета образ этого предмета, наделяя его совокупностью свойств в соответствии с опытом человека. То есть в соответствии с заключенной в мозге информацией.

Одним из подтверждении этого сложного процесса зрительного восприятия являются оптические иллюзии, то есть ошибки в оценке и сравнении между собой длин отрезков, величин углов, расстояний между предметами, в восприятии формы предметов. Иллюзии возникают у наблюдателя при определенных условиях.

На рисунке 61 приведен пример оптической иллюзии, которая возникает в результате свойства глаза переоценивать длину вертикальных линий по сравнению с горизонтальными. Высота фигуры кажется больше, чем ее ширина, хотя на самом деле они одинаковы.

Существуют оптические иллюзии, относящиеся к восприятию направлений линий. Так, длинные косые линии на рисунке 62 кажутся расходящимися, хотя на самом деле они параллельны друг другу. Две средние линии идущие горизонтально справа налево на рисунке 63 так же параллельны между собой, хотя кажутся дугами, обращенными выпуклостями одна к другой. В результате различной штриховки нижняя дуга на рисунке 64 кажется более выпуклой и короткой, чем верхняя. Между тем, дуги одинаковы.

Есть много оптических иллюзий, связанных с тем, что определенные предметы или части предметов воспринимаются не изолированно, а в связи с окружающими их предметами или их частями. Палуба правого корабля кажется короче палубы левого, хотя они изображены одинаковыми по длине отрезками (рис.65).

Белые предметы на черном фоне кажутся больше, чем черные предметы на белом фоне, хотя размеры их одинаковы (рис.66). последний вид иллюзий называется иррадиацией. В результате иррадиации черная тонкая нить или проволока на фоне яркого пламени кажутся прерванными, а яркий лунный серп в новолуние кажется толще в середине, чем на самом деле. Чем выше яркость светового объекта, тем больше иррадиация.