VÍZUÁLIS OPTIKA A szem és a látás Dr Wenzel Klára egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Budapest, 2018
Az emberi szem
Az emberi szem felépítése Az emberi szem akárcsak a legtöbb összetett látószerv - felépítését tekintve két részre bontható. Optikai rendszerre, amely a fényingerek összegyűjtéséért és fókuszálásáért felelős, valamint Neurális rendszerre, amely az optikai elemeken keresztüljutó ingerek előfeldolgozását, és az agyba való továbbítását végzi.
Az emberi szem legfontosabb részei
A szemlencse optikai hatása A Gullstrand-féle háromrétegű szemlencse Elülső görbülti sugár 10 mm (valójában 7.9 12.7 mm) Hátulsó görbületi sugár 6 mm (valójában 5.13 9.05 mm) n1 = 1.386; n2 = 1.406 A lencse törőereje Gullstrand szerint 20.53 dioptria
A szemlencse akkomodációja A zonula rostok megfeszülése ellaposítja a lencsét, míg a ciliáris izmok megfeszülése kidomborítja.
A látvány képe a retinán és a tudatban A szem képalkotó rendszere fordított állású, kicsinyített, reális képet alkot a retinán. Agyunk ezt a képet helyes irányban értelmezi (tanulás!) A retinális kép sok hibával terhelt: -Életlenség, főleg a széleken -Perspektívikus torzítás -Egyenetlen megvilágítás -Vak-folt Az agy korrigálja a hibákat
A retina
A szem és a retina
A retina felépítése
A retina felépítése A retina vastagsága kb. 0.5 mm. Öt rétegből áll: Receptor-réteg (Csapok és pálcák) Bipoláris sejtek rétege (A csapok és pálcák idegi jeleit továbbítják a ganglion sejtekhez) Horizontális sejtek rétege (A csapok illetve a pálcák között létesítenek összeköttetést) Ganglion sejtek rétege (A bipoláris sejtektől a látóideghez továbbítják az idegi jeleket; frekvencia-modulációval) Amacrine sejtek rétege (A ganglion sejtek között létesítenek kapcsolatot) Axon: hosszú ideg nyúlvány, amely az idegi jeleket továbbítja Szinapszis: kapcsoló felület az idegsejtek között Dendrit: fogadja a bemeneti jeleket a többi idegsejttől
A fotoreceptor sejtek felépítése
A retina elektronmikroszkópos képe
A retina idegsejt típusai
A retina metszete
A retina rétegei
Emberi retina foveájának metszete
Majom retina foveájának metszete
A receptor sejtek eloszlása a retinán
Csapok és pálcikák eloszlása a retinán
A pálcák (Rods) kb 1000 x érzékenyebbek, mint a csapok (Cones)
A retina idegsejtjeinek működése
A vízuális információ útja a retinán keresztül A retina jelfolyamának bemeneti pontja: a fotoreceptor kimeneti pontja: a ganglion sejt A ganglion sejt és fotoreceptor között két útvonal lehetséges: direkt (vagy vertikális): Fotoreceptor Bipoláris sejt Ganglion sejt indirekt (vagy horizontális): Fotoreceptor Horizontális sejt Bipoláris sejt Amakrin sejt Ganglion sejt
Csapok alkotta retinális receptor mezők felépítése (On-centrum) A fotoreceptorok a ganglion sejtekhez koncentrikus felépítésű receptormezőkbe rendeződve kapcsolódnak, melyek akár át is lapolódhatnak egymáson. A receptor mező két részből áll: - centrális szegmens - perifériális szegmens
A retinasejtek különböző típusai A receptor sejtek kétfélék: - csapok (a nappali látást biztosítják) - pálcikák (az éjszakai látást biztosítják) A horizontális sejtek kereszt-kapcsolatokat biztosítanak a fotoreceptorok kimeneti jelei között. A bipoláris sejtek kétfélék: - on-típusú bipoláris sejt (ingerlés) - off-típusú bipoláris sejt (gátlás) Az amakrin sejtek újabb kereszt-kapcsolatokat biztosítanak A ganglion sejtek négyfélék: - PC (vagy P parvocelluláris kis sejtes) - MC (vagy M magnocelluláris nagy sejtes) - KC (vagy K koniocelluláris) - iprgc (Photosensitive, azaz fényérzékeny) típust. Az axonok továbbítják az információt az agyba (Axonok kötege: látóideg)
A szemtől az agyig A ganglion sejtek nyúlványai, az axonok alkotják a szemideget (nervus opticus). A szemideg közvetíti a látási információt az agyba. Az agyban az oldalsó geniculatus mag (lateral geniculatus nucleus, LGN) fogadja az információt. Az LGN a talamuszban található réteges szerkezetű sejtcsoportosulás, mely fontos szerepet játszik a vizuális információ-feldolgozó rendszerek között. Az LGN mindkét agyféltekében megtalálható. Embernél hat, egymás felett elhelyezkedő rétegből áll. Lentről felfelé haladva: Az első és második réteg nagyobb sejtekből áll, innen ered a nagysejtes (magnocelluláris) elnevezés. A nagy-sejtes réteg bemenetét az M típusú retinális ganglionsejtek adják. A fölötte elhelyezkedő kisebb sejtek alkotják a kissejtes (parvocelluláris) réteget (3-6. réteg). A P sejtek a kis-sejtes réteget látják el információval.
Receptív mezők az agyban Az LGN sejtjei a retinális ganglionsejtekhez hasonlóan kör alakú receptív mezővel rendelkeznek, melyek központi és környéki részre oszthatók. Magnocelluláris sejtek (1 2. réteg) A magnocelluláris sejtek receptív mezője kétszerese, sőt háromszorosa is lehet a parvocelluláris réteg sejtjeinek, így az információt sokkal elnagyoltabban elemzik. A sejtek válasza a receptív mező központi-környéki részének megvilágításbeli különbségétől függ, melyet a szín egyáltalán nem befolyásol. Parvocelluláris sejtek (3 4. réteg) Mivel ezek a sejtek kis receptív mezővel rendelkeznek, aprólékosan elemzik a téri információt. A színnek fontos szerepe van a sejtek válaszában. A parvocelluláris sejtek színopponensek, azaz az ellentétes színekre sajátos választ adnak.
Az iprgc típusú ganglion sejtek Működésük elsősorban a cirkádián ritmusra, vagyis a napszakokkal változó életritmusunkra van hatással, leginkább a melatonin hormon vérbe való kiömlésének elősegítésével és gátlásával. A melatonin mennyisége határozza meg éberségi szintünket - ha ezen hormon szintje magas a véráramban, szervezetünk pihenő üzemmódba kapcsol, elálmosodunk és végül elalszunk. A cirkádián ritmus számos életfunkció váltakozását foglalja magában. Tartalmazza a pulzusszám, vérnyomás és testhőmérsékletet változását Az iprgc típusú ganglion sejtek a kék fényre érzékenyek A melatonin szint és a cirkádián ritmus
Az iprgc típusú ganglion sejtek jel-képzése
On- és Offcentrum típusú receptor mezők működése
A retina betegségei
Egészséges retina képe oftalmoszkópon nézve
Öregkori macula degeneration
Diabetikus retina
Retinitis pigmentosa
Glaucoma (zöldhályog)
A szem és a látás
Látási jelenségek Világos adaptáció sötét adaptáció Szín adaptáció A kontraszt jelenség Káprázás és vakítás Sztereo látás Akkomodáció
Az adaptáció: a szem alkalmazkodása a változó fény-viszonyokhoz. A szem adaptációs mechanizmusai: A pupilla méretének változása (2 10 mm átmérő: kb 25-szörös fénymennyiség változás) A nappali receptorok (csapok) és az éjszakai receptorok (pálcikák) átváltása (kb 1000-szeres érzékenység változás) Fotopikus látás: csak a csapok működnek Scotopikus látás: csak a pálcikák működnek Mezopikus látás: a csapok és a pálcikák is működnek
A pigmentek mennyiségének változása A pigmentek llandóan termelődnek, de fény hatására bomlanak is. A bomlás sebessége a megvilágítás erősségével arányos. Egyensúlyi állapot alakul ki a folytonos bomlás és termelődés során. Ha nagy a megvilágítás erőssége, a pigmentek nagy része lebomlik, az érzékenység alacsony lesz. Mintegy 12 nagyságrendnyi érzékenység változást jelent. Világosság adaptáció/sötét adaptáció Tartománya: 2 foton...100 000 lx) Színadaptáció (Színkonstancia) Von Kries törvény Inger * érzékenység = const (adaptációs idő!) A három csap-típus egymástól függetlenül adaptál
Az adaptáció dinamikai lefolyása Világos adaptáció - sötét adaptáció
A színadaptáció A Von Kries törvény: Inger * érzékenység = const A Von Kries törvény csak teljes adaptáció esetén érvényes! (Az adaptációs idő letelte után) A három csap-típus egymástól függetlenül adaptál A szín-konstancia: Különböző megvilágítások mellett a felületszíneket azonosnak látjuk, ha beállt a teljes szín-adaptáció. A szín-konstancia csak Planck-sugárzókkal történő megvilágításokra igaz, extrém (pl. vonalas spektrumú) fényforrásokra nem!
A Weber-Fechner törvény: ΔE = const L E c L L E c ln Lo ΔE az érzékenység küszöb ΔL az éppen érzékelhető megvilágítás különbség L adott megvilágítási szint [asb] A törvény 200 10 000 asb között érvényes A törvény nemcsak a látásra, henem a hallásra és minden más emberi érzékelésre is érvényes
Sötét adaptációs görbék
Adaptációs görbék 1 Troland (Td) a megvilágítása a retinának, ha 1 cd/m 2 fénysűrűségű felületet nézünk 1 mm 2 felületű pupillán kereszutül)
Adaptométer kiértéklése
Világos-adaptáció mérése Küszöbérték növekményméréssel
A világos adaptáció küszöbérték növekmény karakterisztikája
A világos adaptációs görbe finomszerkezete (Pálcikák esetén)
A kontraszt
Szín kontraszt és világosság kontraszt; A szem kontraszt-fokozó mechanizmusa a szomszéd-effektus
A kontraszt definiciója
Egy pont képe Két pont Két pont Az Airy-korong feloldott képe fel nem oldott képe
A kontraszt átviteli függvény
A szem kontraszt érzékenységi függvénye
A káprázás és a vakítás
Mezopos fényhatásfok görbék eltérő fénysűrűség szinteken Walters és Wright mérései alapján
Rontó káprázás: Olyan káprázás, amely rontja a tárgyak látását anélkül, hogy szükségképpen kényelmetlenséget okozna. A szemgolyóban létrejövő fényszórásra vezethető vissza [5.]. Zavaró káprázás: A kápráztató hatások közül azt nevezzük zavaró káprázásnak (vagy pszichológiai káprázásnak), amely látási kényelmetlenséget okoz anélkül, hogy szükségképpen rontaná a tárgy látását. Ilyen zavart okozhat, ha pl. egy nagy fénysűrűségű tárgy van a perifériás látás területén. (Nemzetközi Világítástechnikai Szótár)
Káprázás (egyenetlen fénysűrűség + rossz adaptációs képesség)
A vakítás A vakítás a káprázáshoz hasonló optikai jelenség, de még fokozottabban veszélyes. Ilyen helyzet alakulhat ki a szembejövő jármű tompítatlan fényszóróival való találkozáskor. De olyan vakítás is felléphet, amelyet a síkfelületekről visszavert polarizált fény okoz (például vízfelszínről, autószélvédőről visszaverődő napfény). A vakítás - csökkenti a látáskomfortot - zavarja a színérzékelést - rontja a tér- és mélységérzékelést - extrém diszkomfortot okoz.
Polarizációs szemüveg hatása
A látási információ idegrendszeri feldolgozása
A látás 3 fázisa: 1. Inger (a fizikai környezet fényei, hangjai, illatai) 2. Érzet (az élő szervezetből kiváltott reakció) 3. Észlelet (az ingerület idegrendszeri feldolgozása után létrejött tudatos eredmény)
A szemtől az agyig
A látóközpontok az agyban
Az alakfelismerésre szakosodott területek
A látási információ továbbítása A látási információ az idegpályákon (axonokon) elektromos impulzusok formájában terjed. Az impulzusok frekvenciája arányos az inger erősségével. A frekvenciasáv 110 és 300 Hz között fekszik. Ezért az átvihető információ tartománya 150 200 lehet. Az emberi szem szaruhártyája és a retina (mint pólusok) között sötétben néhány mv potenciálkülönbség (retina potenciál) mérhető. A szaruhártya az anód, a retina a katód. A retinapotenciál a megvilágítás növelésével növekszik. A retinapotenciál változását fényfelvillanás hatására az elektroretinogram mutatja meg. Az elektroretinogram készítése sötét szobában, sötétre adaptált szemmel történik. Az egyik elektróda a szemgolyóra helyezett kontaktlencsén van elhelyezve, a másikat a halántékra tapasztják.
Elektroretinogram
VÉGE