ZRAKOVÝ ORGÁN A PROCES VIDĚNÍ. Prof. Ing. Jiří Habel, DrSc. FEL ČVUT Praha

Transkript

1 ZRAKOVÝ ORGÁN A PROCES VIDĚNÍ Prof. Ing. Jiří Habel, DrSc. FEL ČVUT Praha prosinec

2 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

3 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

4 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

5 Rozložení spektrální citlivosti čípků 5

6 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

7 VIDĚNÍ Fotopické tzv. denní vidění; kontrast jasů i barev fotoreceptory : čípky barevné vidění ilustrace subjektivního vjemu 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

8 VJEMOVÉ POLE = část (přibližně kruhová) plochy sítnice, z níž lze podráždit jednu gangliovou buňku spojenou s jedním vláknem zrakového nervu. 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 ] základní funkční jednotka sítnice Základní funkční jednotkou sítnice není tedy jeden fotoreceptor. 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

9 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 blízký bod Optická mohutnost se měří v dioptriích (D) nejbližší bod, který může plně akomodované oko vidět ostře; [ r 1 - vzdálenost blízkého bodu od oka (m) ] ( r 1 : 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 [ r 2 - vzdálenost vzdáleného bodu od oka (m) ] Rozsah akomodace 1 r 1 1 r 2 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

10 ADAPTACE ZRAKU Adaptační mechanismy : přizpůsobení oka různým hladinám osvětleností Oko je schopné se přizpůsobit osvětlenostem svislé roviny proložené zornicí asi od 0,25 lx až do 10 5 lx 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

11 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

12 Závislost zorného pole na chromatičnosti světla Monokulární zorné pole pravého oka při různobarevných světelných podnětech 90 čára plná zorné pole pro světlo žluté modré čárkovaná tečkovaná červené zelené Vyšrafovaný kroužek vyznačuje oblast, do níž se promítá slepá skvrna. 12

13 ROZLIŠOVACÍ SCHOPNOST Pozorovatel rozliší v zorném poli detaily (předměty), z nichž vycházejí zářivé toky následně vyvolávající dostatečně rozdílné světelné podněty Stupeň rozeznatelnosti různě jasných detailů se charakterizuje kontrastem jasu C různě jasné předměty ( rozdíl jasů ) 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. a b C (-; cd m -2, cd m -2 ) Lb Lb kde L a jas rozlišované podrobnosti L b jas bezprostředního okolí podrobnosti (jas pozadí adaptační jas) L L L S růstem kontrastu C roste pravděpodobnost rozlišení detailu Nejmenší rozlišitelný rozdíl jasů L a L b min = ΔL min se nazývá práh rozlišitelnosti jasu Prahový kontrast C min C min L a L L b b min L L min b 13

14 poměrný prahový kontrast Závislost prahového kontrastu na adaptačním jasu pro různé světelné zdroje 1,2 1,15 vtl. Na ntl. Na 1,1 1,05 vtl. Hg 1 0,95 halogenid. 0,9 0, , jas (cd.m -2 )

15 KONTRASTNÍ CITLIVOST převrácená hodnota prahového kontrastu C min = 1 C min L L b min L a Lb L b min Kontrastní citlivost závisí na velikosti rozlišované podrobnosti charakterizované jasem L a, je nepřímo úměrná prahu rozlišitelnosti jasu L a L b min = ΔL min roste s hodnotou adaptačního jasu L b. 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

16 ZRAKOVÁ OSTROST Kritérium pro ocenění schopnosti oka rozeznat při daném pozadí dva malé detaily (body, čáry aj.), které jsou velmi blízko sebe. a min 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

17 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 l (nm) 1 L a = 10-5 cd.m -2 [křivka V(l) podle CIE pro skotopické (noční) vidění] 2 L a = 10-4 cd.m -2 3 L a = 10-3 cd.m -2 4 L a = 10-2 cd.m -2 5 L a = 0,1 cd.m -2 6 L a = 1 cd.m -2 7 L a = 10 cd.m -2 8 L a = 100 cd.m -2 [křivka V(l) podle CIE pro fotopické (denní) vidění] Křivky poměrné spektrální citlivosti zraku normálního fotometrického pozorovatele k záření různých vlnových délek pro různé adaptační jasy L a 17

18 Zářivý tok F e 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 F e = dw e / dt (W) Ve světelně technických veličinách [po zhodnocení zrakem pozorovatele] zářivému toku F e odpovídá světelný tok F = K F e (lm; lm.w -1, W) K = světelný účinek záření (lm.w -1 ) Při denním vidění je maximum K K m = 683 lm.w -1 a to při základní vlnové délce 555 nm 18

19 ZÁŘIVOST I e (W.sr -1 ) SVÍTIVOST I (cd) I (l) = K(l) I e (l) = K max V(l) I e (l) = 683 V(l) I e (l) Jednotka svítivosti 1 kandela (cd) základní jednotka SI 1 cd = svítivost zdroje, který vyzařuje v určitém směru monochromatické záření o frekvenci 5, Hz, při čemž zářivost zdroje v tomto směru je 1/683 W. sr -1. Ve standardním prostředí [20 C; 50% relat. vlhkost; tlak 1,013 MPa; N = 1, ] n = 5, Hz odpovídá vlnové délce l = 555 nm 19

20 poměrná citlivost zraku Poměrná spektrální citlivost zraku pozorovatele Poměrná spektrální světelná účinnost záření 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 V ( ) l K ( l) K max 1 0,9 0,8 0,7 0,6 V (l) pro skotopické vidění adaptační jas 10-5 cd.m -2 max. při l = 507 nm V(l) pro fotopické vidění adaptační jas L a = 100 cd.m -2 max. při l = 555 nm V (l) pro mezopické vidění adaptační jas L a = 1 cd.m -2 max. při l = 545 nm 0,5 0,4 V (l) pro mezopické vidění adaptační jas L a = 0,1 cd.m -2 max. při l = 532 nm 0,3 0,2 0, vlnová délka (nm) 20

21 S v ě t e l n ý ú č i n e k z á ř e n í ( l m / W ) Průběhy absolutních hodnot světelných účinků záření pro vidění fotopické, mezopické a skotopické K (l) - skotopické vidění max lm /W při 507 nm K K (l) - - mezopické vidění vidění adaptační jas jas 0,1 0,1 cd.m cd.m -2-2 max. 756 lm /W při 532 nm max V 683 ( 555 nm) K(l) - fotopické vidění max. 683 lm /W při 555 nm K (l) - mezopické vidění adaptační jas 1 cd.m -2 max. 695 lm /W při 545 nm nm vlnová délka (nm) Při základní vlnové délce l m = 555 nm je spektrální citlivost lidského zraku pro fotopické, mezopické i skotopické vidění shodná a rovná 683 lm W -1 21

22 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 [L a = 0,1 cd.m -2 ] odpovídající monofrekvenčnímu zářivému toku F e = 1 W různých vlnových délek l l (nm) 460 modrá oblast Zářivý tok (W) Fotopický tok (lm) Mezopický tok [L a = 0,1 cd.m -2 ] (lm) červená oblast

23 parametry Orientační změny světelných toků různých typů světelných zdrojů a svítidla s diodami LED při vidění fotopickém, mezopickém a skotopickém sv. zdroj svítidlo 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 T c (K) R a S/P poměr 1,8 0,65 1,8 1,57 Vidění Světelný tok (lm) Fotopické Mezopické ( L a = 1 cd/m -2 ) Mezopické ( L a = 0,1 cd/m -2 ) Skotopické

24 reakční čas (ms) Orientační změna reakční doby v závislosti na jasu pro různé světelné zdroje ntl. Na vtl. Na vtl. Hg 600 halogenid , ,17 jas (cd.m -2 )

25 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

26 DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST 26

27 27

28 28

29 Porovnání světelných toků různých typů světelných zdrojů při vidění fotopickém, mezopickém a skotopickém Světelný zdroj Vidění Klasická žárovka 100 W Vysokotlaká sodíková výbojka 150 W Indukční výbojka 100 W Svítidlo 80 W s LED sv. zdroji Světelný tok (lm) fotopické mezopické (L a = 1 cd.m -2 ) mezopické (L a = 0,1 cd.m -2 ) skotopické

30 UKÁZKY SPEKTER VYBRANÝCH SVĚTELNÝCH ZDROJŮ Na svislé ose diagramů např. stupnice mw / 10 nm / lm 30

31 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 T c (K) R a S/P poměr 1,8 0,65 1,8 1,57 Vidění Světelný tok (lm) Fotopické Mezopické ( L a = 1 cd/m -2 ) Mezopické ( L a = 0,1 cd/m -2 ) Skotopické

32 32