Emberi szem. Az emberi szem felépítése Milyen tárgy képe keletkezik a retinán

Szem- állatok és emberek látószerve. Az emberi szem a szemgolyóból áll, amelyet a látóideg köt össze az aggyal, valamint a segédberendezésekből (szemhéjak, könnyszervek és a szemgolyót mozgató izmok).

A szemgolyót (94. ábra) sclera nevű sűrű membrán védi. A sclera 1 elülső (átlátszó) részét szaruhártya-nak nevezik. A szaruhártya az emberi test legérzékenyebb külső része (még a legenyhébb érintés is a szemhéjak azonnali reflexszerű záródását okozza).

A szaruhártya mögött található az írisz 2, amely az emberekben különböző színű lehet. A szaruhártya és az írisz között vizes folyadék található. Az íriszben egy kis lyuk van - 3. pupilla. A pupilla átmérője 2 és 8 mm között változhat, fényben csökken, sötétben pedig nő.

A pupilla mögött egy bikonvex lencsére emlékeztető átlátszó test található - lencse 4. Kívül puha és szinte kocsonyás, belül keményebb és rugalmasabb. A lencsét 5 izom veszi körül, amelyek a sclerához rögzítik.

A lencse mögött található az üvegtest 6, amely színtelen kocsonyás massza. A sclera hátsó részét - a szemfenéket - retina (retina) borítja 7. A szemfenéket borító legfinomabb rostokból áll, amelyek a látóideg elágazó végződéseit képviselik.

Hogyan jelennek meg a különböző tárgyak képei, és hogyan érzékeli őket a szem?

A szem optikai rendszerében megtört fény, amelyet a szaruhártya, a lencse és az üvegtest alkot, valós, redukált és inverz képet ad a szóban forgó tárgyakról a retinán (95. ábra). Amint a fény eléri a látóideg végződéseit, amelyek a retinát alkotják, irritálja ezeket a végződéseket. Ezek az irritációk az idegrostokon keresztül az agyba jutnak, és az embernek vizuális érzése van: tárgyakat lát.

A szem retináján megjelenő tárgy képe fordított. I. Kepler volt az első, aki ezt bizonyította azzal, hogy megszerkesztette a sugarak útját a szem optikai rendszerében. Ennek a következtetésnek a tesztelésére a francia tudós, R. Descartes (1596-1650) vett egy bikaszemet, és miután lekaparta az átlátszatlan réteget a hátsó faláról, egy ablakredőnyben kialakított lyukba helyezte. És akkor a szemfenék áttetsző falán megpillantotta az ablakból megfigyelt kép fordított képét.

Miért látunk akkor minden tárgyat olyannak, amilyen, vagyis nem megfordítva? A helyzet az, hogy a látás folyamatát az agy folyamatosan korrigálja, amely nemcsak a szemen, hanem más érzékszerveken keresztül is kap információt. Egy időben William Blake (1757-1827) angol költő nagyon helyesen megjegyezte:

A szemen keresztül, nem a szemmel
Az elme tudja, hogyan kell a világot nézni.

1896-ban J. Stretton amerikai pszichológus kísérletet végzett magán. Speciális szemüveget vett fel, aminek köszönhetően a szem retináján a környező tárgyak képei nem fordítottak, hanem közvetlenek voltak. És akkor? Stretton fejében felfordult a világ. Minden tárgyat fejjel lefelé kezdett látni. Emiatt a szem és más érzékszervek munkájában nem volt megfelelő. A tudósnál tengeribetegség tünetei jelentkeztek. Három napig hányingere volt. A negyedik napon azonban a test elkezdett normalizálódni, az ötödik napon pedig Stretton ugyanúgy érezte magát, mint a kísérlet előtt. A tudós agya hozzászokott az új munkakörülményekhez, és újra elkezdett minden tárgyat egyenesen látni. Ám amikor levette a szemüvegét, minden újra felfordult. Másfél órán belül a látása helyreállt, és újra normálisan látott.

Érdekes, hogy ez az alkalmazkodóképesség csak az emberi agyra jellemző. Amikor az egyik kísérletben fordított szemüveget tettek egy majomra, akkora lélektani ütést kapott, hogy többszöri rossz mozdulat és elesés után kómára emlékeztető állapotba került. Reflexei halványulni kezdtek, vérnyomása leesett, légzése gyors és felületes lett. Embereknél ilyesmit nem figyelnek meg.

Az emberi agy azonban nem mindig képes megbirkózni a retinán kapott kép elemzésével. Ilyenkor vizuális illúziók keletkeznek – a megfigyelt tárgy nem úgy tűnik számunkra, mint amilyen valójában (96. ábra).

A látásnak van még egy sajátossága, amelyet nem lehet figyelmen kívül hagyni. Ismeretes, hogy ha a lencse és a tárgy távolsága megváltozik, akkor a kép távolsága is megváltozik. Hogyan marad tiszta kép a retinán, amikor egy távoli tárgyról egy közelebbire mozgatjuk a tekintetünket?

Kiderült, hogy azok az izmok, amelyek a lencséhez kapcsolódnak, képesek megváltoztatni a felületek görbületét és ezáltal a szem optikai erejét. Ha távoli tárgyakat nézünk, ezek az izmok ellazultak, és a lencse görbülete viszonylag kicsi. Ha közeli tárgyakat nézünk, a szemizmok összenyomják a lencsét, ennek görbülete, így az optikai ereje megnő.

A szemnek a közeli és távoli látáshoz való alkalmazkodási képességét ún szállás(latin accomodatio - készülék szóból). Az elhelyezésnek köszönhetően az embernek sikerül a lencsétől azonos távolságra - a retinára - fókuszálnia különböző tárgyak képeit.

Ha azonban a szóban forgó tárgy nagyon közel van, megnő a lencsét deformáló izmok feszültsége, és a szem munkája fárasztóvá válik. Az olvasás és írás optimális távolsága normál szem számára körülbelül 25 cm. Ezt a távolságot a tiszta (vagy legjobb) látás távolságának nevezzük.

Milyen előnyökkel jár, ha mindkét szemmel látunk?

Először is, a két szem jelenlétének köszönhetően meg tudjuk különböztetni, hogy melyik tárgy van közelebb és melyik van távolabb tőlünk. A helyzet az, hogy a jobb és a bal szem retinái egymástól eltérő képeket hoznak létre (amelyek megfelelnek annak, hogy egy tárgyat jobbról és balról néznek). Minél közelebb van a tárgy, annál észrevehetőbb ez a különbség. A távolságok különbségének benyomását kelti. Ugyanez a látási képesség lehetővé teszi, hogy egy tárgyat háromdimenziósnak láss, nem pedig laposnak.

Másodszor, a két szem növeli a látómezőt. Az emberi látóteret a 97. ábra mutatja, a. Összehasonlításképpen mellette egy ló (97. kép, c) és egy nyúl (97. kép, b) látómezeje látható. Ezeket a képeket elnézve könnyen érthető, hogy miért olyan nehéz a ragadozóknak úgy besurranni ezekhez az állatokhoz, hogy ne adják fel magukat.

A látás lehetővé teszi, hogy az emberek lássák egymást. Lehetséges-e látni önmagát, de láthatatlannak lenni mások számára? Herbert Wells (1866-1946) angol író A láthatatlan ember című regényében próbált először választ adni erre a kérdésre. Az ember láthatatlanná válik, miután anyaga átlátszóvá válik, és ugyanolyan optikai sűrűséggel rendelkezik, mint a környező levegő. Ekkor az emberi test és a levegő határán nem lesz visszaverődés és fénytörés, és láthatatlanná válik. Például a zúzott üveg, amely úgy néz ki, mint egy fehér por a levegőben, azonnal eltűnik a szem elől, ha vízbe helyezik, amely közeg optikai sűrűsége megközelítőleg megegyezik az üvegével.

1911-ben a német tudós Spalteholtz egy elhullott állati szövetből készült készítményt áztatott el egy speciálisan elkészített folyadékkal, majd egy edénybe helyezte ugyanazzal a folyadékkal. A készítmény láthatatlanná vált.

A láthatatlan embernek azonban láthatatlannak kell lennie a levegőben, és nem egy speciálisan elkészített oldatban. De ezt nem lehet elérni.

De tegyük fel, hogy az embernek mégis sikerül átlátszóvá válnia. Az emberek nem látják többé. Vajon ő maga is láthatja majd őket? Nem, mert minden része, beleértve a szemet is, nem töri meg a fénysugarakat, és ezért nem jelenik meg kép a szem retináján. Ezenkívül ahhoz, hogy az ember elméjében látható kép alakuljon ki, a fénysugarakat a retinának kell elnyelnie, energiájukat át kell adni neki. Ez az energia szükséges a látóideg mentén az emberi agyba tartó jelek generálásához. Ha a láthatatlan ember szeme teljesen átlátszóvá válik, akkor ez nem fog megtörténni. És ha igen, akkor teljesen abbahagyja a látást. A láthatatlan ember vak lesz.

H.G. Wells nem vette figyelembe ezt a körülményt, ezért hősét normális látással ruházta fel, lehetővé téve számára, hogy észrevétlenül terrorizáljon egy egész várost.

1. Hogyan működik az emberi szem? Mely részek alkotnak egy optikai rendszert? 2. Ismertesse a szem retináján megjelenő képet! 3. Hogyan jut el egy tárgyról alkotott kép az agyba? Miért látjuk a tárgyakat egyenesen, és miért nem fejjel lefelé? 4. Miért látjuk továbbra is tiszta képét, amikor egy közeli tárgyról egy távoli tárgyra irányítjuk a tekintetünket? 5. Mekkora a legjobb látás távolsága? 6. Mi az előnye a két szemmel való látásnak? 7. Miért kell a láthatatlan embernek vaknak lennie?

Lecke. Kép kialakulása a retinán

1. A szem optikai rendszere. Szállás

Közvetlenül a pupilla mögött van egy átlátszó lencse, amely bikonvex lencse alakú. A lencse rugalmas, görbületét speciális segítségével tudja megváltoztatni ciliáris izom, amely összehúzódása esetén gyengül Zinn szalagjai, amelyek a lencsére vannak rögzítve. A lencse természetes rugalmasságának köszönhetően domborúbbá válik. Amikor a ciliáris izom ellazul (például amikor az ember a távolba néz), a Zinn zónái megfeszítik a lencsét, az ellaposodik. A lencse mögötti teret átlátszó zselészerű massza tölti ki - az üvegtest.

A tárgyakból származó fénysugarak áthaladnak a szaruhártyán, a szem elülső kamrájának folyadékán, a pupillán, a szem hátsó kamrájának folyadékán, a lencsén és az üvegtesten. Normális látású embereknél

A sugarak pontosan érik a retinát, és tiszta képeket alkotnak a rajta lévő tárgyakról.

De nem láthatunk egyszerre közeli és távoli tárgyakat egyformán tisztán. A szemlencse bármikor alkalmazkodik a közeli vagy távoli látáshoz. Ezt a lencse görbületének gyors változásával érik el, és ún szállás. Próbálja meg, miközben egy szemmel távoli tárgyakat néz, ugyanakkor nézzen a szemtől 20 cm távolságra lévő ceruzára, amelynek képe homályosnak tűnik.

A retinán lévő kép, bár tiszta, fordított. Akkor miért nem látunk mindent fejjel lefelé körülöttünk? Egy osztrák tudós speciális szemüveget talált fel, amely megfordítja a retinán lévő képet. Mindig hordta őket. Eleinte minden tárgyat fejjel lefelé látott, de hamarosan újra megtanulta normálisan látni őket. Ezzel a szemüveggel még biciklizni is meg tudott tanulni. De amint levette a szemüvegét, először ismét fejjel lefelé látta az összes környező tárgyat. Ez azt jelenti, hogy szemünk ezen tulajdonságát oktatás és tréning segítségével korrigálják, amelyben nemcsak a vizuális, hanem más elemzők is részt vesznek. Következésképpen a környező világ vizuális észlelése nemcsak magukon a vizuális érzeteken alapul, hanem más elemzőktől származó információkat is felhasznál. Közülük a főszerepet az egyensúly-, az izom- és a bőrérzékszervek játsszák. Ezen elemzők interakciójának eredményeként holisztikus képek keletkeznek a külső tárgyakról és jelenségekről.

Amikor a fényintenzitás megváltozik, a pupilla átmérőjében reflexváltozás következik be. A világítás intenzitásának csökkenése reflexszerűen kiterjeszti a pupilla átmérőjét. A záróizmok és a szűkítők az íriszben helyezkednek el, és a sugárizmokat és a pupillatágítókat a szimpatikus idegek beidegzik, így a félelem és a fájdalom a pupillák kitágulásához vezetnek: „; A félelemnek nagy szeme van."

Retina

A retina vastagsága 0,15-0,20 mm, és több réteg idegsejtből áll. A retina első rétege közvetlenül szomszédos a fekete pigmentsejtekkel. Ezt a réteget vizuális receptorok alkotják - pálcikákkalÉs kúpok. Az emberi retinában több tízszer több rúd található, mint kúp (130 millió 7 millióra). A rudakat nagyon gyorsan gerjeszti a gyenge szürkületi fény, és fekete-fehér látást biztosítanak. A rudak membránja pigmentet tartalmaz rodopszin, fény hatására megsemmisül és a rudak izgalomba jönnek. A rodopszin képződésére

szükséges A vitamin. Hiánya miatt a rudak nem izgatnak, és szürkületben az ember rosszul lát, fejlődik "éjszakai vakság". A csirkéknek csak kúpjai vannak a sötétben; A kúpok lassabban és csak erős fény hatására gerjesztik a színlátást. Háromféle kúp létezik - piros-érzékeny, kék- és zöldérzékenyés pigmentet tartalmaznak jodopszin. A rudak viszonylag egyenletesen oszlanak el a retinán.

Közvetlenül szemben a pupilla a retinában van sárga folt, amely kizárólag kúpokból áll. Ezért a legvilágosabban megkülönböztetjük azokat a tárgyakat, amelyek képe közvetlenül a sárga foltra esik. A szemizmok segítségével tudjuk irányítani a szem mozgását, megváltoztatni a tekintet irányát. De mindig, amikor új tárgyat nézünk, a tekintet úgy mozog, hogy a tárgy részeinek képe következetesen a sárga foltra esik.

Hosszú folyamatok nyúlnak ki a retina idegsejtjéből. A retina egyik helyén kötegbe gyűlnek össze és formálódnak látóideg. Több mint egymillió rostja gyenge idegimpulzusok formájában vizuális információt továbbít az agyba. Az a hely a retinán, ahonnan a látóideg kilép, mentes a receptoroktól, ezért nevezik vakfolt. Minden iskolás egy egyszerű kísérlet segítségével ellenőrizheti a létezését.

Ehhez használjon egy rajzot, amelyen fehér körök és egy kereszt látható egy fekete alapon. Fogjuk a tankönyvet kinyújtott kezünkbe, és 20-25 cm távolságra helyezzük a rajzot a szemünk elé, és a jobb szemünkkel rögzítsük a keresztet, amelynek képe a sárga foltra esik. Anélkül, hogy levenné a szemét a keresztről, lassan közelítsen és kicsinyítsen a rajzon. Keressen olyan helyet a rajzon, ahol az egyik fehér kör már nem látható.

Ez akkor fog megtörténni, ha a képe holttérre esik. Figyelje meg, hogy a szemtől milyen távolságban jelentkezik az egyik fehér kör eltűnésének hatása, ha jobb és bal szemmel figyeli.

Alapfogalmak és fogalmak:

Lencse. Ciliáris izom. Zinn szalagjai. Üveges test. Retina. Botok. Rhodopszin. Kúpok. Iodopsin. Sárga folt. Látóideg. Vakfolt.

Kártya a táblán:

A férfi a távolba néz. Mi történik a ciliáris izomzatával és a fahéj zónáival?

Egy férfi könyvet olvas. Mi történik a ciliáris izomzatával és a fahéj zónáival?

Milyen kép keletkezik a retinán?

Mi történik a pupilla kinyitásával egy sötét szobában?

A retina három sejtrétegből áll. Hol vannak a rudak és a kúpok?

Hány rúd és kúp van a retinában?

Mely receptorok felelősek a fekete-fehér látásért, melyek a színlátásért?

Milyen pigmentek vannak a pálcákban? Kúpok?

Hol van a legtöbb kúp a retinában?

Hol a retinában nincsenek vizuális receptorok?

Levélkártyák:

Mik az ivartalan és ivaros szaporodás jellemzői?

Miért fontos a szexuális szaporodás az evolúció szempontjából?

Hasonlítsa össze az emberi és állati embriók fejlődését! Vonja le a következtetést.

Adjon definíciókat, vagy fejtse ki a fogalmakat: Nemi sejtek. Herék. Petefészek. A petevezetékek. Méh. Mirigy. Sárga test. Zigóta. Megtermékenyítés.

Számítógépes tesztelés:

1. teszt. A férfi a távolba néz. Mi történik a ciliáris izomzatával és a fahéj zónáival:

2. teszt. Egy férfi könyvet olvas. Mi történik a ciliáris izomzatával és a fahéj zónáival:

A ciliáris izom ellazul, akárcsak a szalagok.

A ciliáris izom ellazult, a szalagok feszültek.

A ciliáris izom összehúzódik, a szalagok megfeszülnek.

A ciliáris izom összehúzódik, a szalagok ellazulnak.

3. teszt. Milyen kép keletkezik a retinán?

Fordított, kicsinyített.

Kifordítatlan, redukált.

4. teszt. Mi történik a pupilla kinyitásával egy sötét szobában?

Semmi nem történik.

Csökken.

Növeli

5. teszt. A retina három sejtrétegből áll. Hol vannak a rudak és a kúpok?

Közelebb az üvegtesthez.

A retina pigmentsejtrétege előtt.

A retinasejtek két rétege között.

A sclera és az érhártya között.

6. teszt. Hány rúd és kúp van a retinában?

Rudak – 130 millió, kúp – 7 millió.

Rudak – 7 millió, kúp – 130 millió.

Rudak – 130 millió, kúp – 100 millió.

Rudak – 7 millió, kúp – 7 millió.

7. teszt. Mely receptorok felelősek a fekete-fehér látásért, melyek a színlátásért?

Fekete-fehérhez - rudakhoz, színeshez - kúpokhoz.

Fekete-fehér - kúpokhoz, színes - rudakhoz.

8. teszt. Milyen pigmentek vannak a pálcákban? Kúpok?

A rudak jodopszint, a kúpok rodopszint tartalmaznak.

A rudak rodopszint, a kúpok jodopszint tartalmaznak.

9. teszt. Hol van a legtöbb kúp a retinában?

Egy vakfoltban.

A szem perifériáján.

A kúpok egyenletesen oszlanak el a retinában.

A sárga foltban.

10. teszt. Hol a retinában nincsenek vizuális receptorok?

Egy vakfoltban.

A szem perifériáján.

A vizuális receptorok egyenletesen oszlanak el a retinában.

A lehetetlen figurák és a kétértelmű képek nem olyan dolgok, amelyeket nem lehet szó szerint érteni: ezek az agyunkban keletkeznek. Mivel az ilyen alakok észlelésének folyamata furcsa, szokatlan utat követ, a megfigyelő megérti, hogy valami szokatlan történik a fejében. A „látásnak” nevezett folyamat jobb megértéséhez hasznos megérteni, hogyan alakítják át érzékszerveink (szem és agy) a fényingereket hasznos információvá.

A szem mint optikai eszköz

A szem (lásd az 1. ábrát) úgy működik, mint egy kamera. A lencse (lencse) fordított, kicsinyített képet vetít a külvilágból a retinára (retina), a fényérzékeny sejtek hálózatára, amelyek a pupillával (pupillával) szemben helyezkednek el, és a szemgolyó belső felületének több mint felét elfoglalják. . Mint optikai műszer, a szem már régóta rejtély. Míg a fényképezőgép az objektív fényérzékeny réteghez közelebbi vagy távolabbi mozgatásával fókuszál, a fénytörési képessége az alkalmazkodás során (a szem egy bizonyos távolsághoz való alkalmazkodása) módosul. A szemlencse alakját a ciliáris izom változtatja meg. Amikor az izom összehúzódik, a lencse kerekebbé válik, lehetővé téve a közelebbi tárgyak fókuszált képének megjelenését a retinán. Az emberi szem rekesznyílása ugyanúgy van beállítva, mint a fényképezőgépeknél. A pupilla szabályozza a lencse nyílásának, tágulásának vagy összehúzódásának méretét radiális izmok segítségével, amelyek a szem íriszét (íriszt) a rá jellemző színre színezik. Amikor szemünk arra a területre irányítja a tekintetét, amelyre fókuszálni szeretne, a fókusztávolság és a pupilla mérete azonnal „automatikusan” igazodik a kívánt feltételekhez.

A retina (2. ábra), a szem belsejében lévő fényérzékeny réteg szerkezete nagyon összetett. A látóideg (az erekkel együtt) a szem hátsó részéből származik. Ez a terület nem tartalmaz fényérzékeny sejteket, és vakfoltnak nevezik. Az idegrostok elágaznak, és három különböző típusú sejtben végződnek, amelyek érzékelik a beléjük jutó fényt. A sejtek harmadik, legbelső rétegéből érkező folyamatok olyan molekulákat tartalmaznak, amelyek a beérkező fény feldolgozása során átmenetileg megváltoztatják szerkezetüket, és ezáltal elektromos impulzust bocsátanak ki. A fényérzékeny sejteket folyamataik alakja alapján pálcikáknak és kúpoknak nevezzük. A kúpok színérzékenyek, a rudak viszont nem. Másrészt a rudak fényérzékenysége sokkal nagyobb, mint a kúpoké. Egy szem körülbelül százmillió rudat és hatmillió kúpot tartalmaz, amelyek egyenlőtlenül oszlanak el a retinán. Pontosan a pupillával szemben található az úgynevezett macula macula (3. ábra), amely viszonylag sűrű koncentrációban csak kúpokból áll. Amikor élesben akarunk látni valamit, úgy helyezzük el a szemet, hogy a kép a makulát essen. A retina sejtjei között számos kapcsolat van, és százmillió fényérzékeny sejt elektromos impulzusai mindössze egymillió idegrost mentén jutnak el az agyba. Így a szem felületesen leírható, mint egy fényérzékeny filmmel megrakott fényképező vagy televíziós kamera.

A fényimpulzustól az információig

De hogyan látunk valójában? Egészen a közelmúltig ez a probléma alig volt megoldható. Erre a kérdésre a legjobb válasz az volt, hogy az agyban van egy látásra specializálódott terület, amelyben agysejtek formájában képződik a retinából nyert kép. Minél több fény esik egy retinasejtre, annál intenzívebben működik a megfelelő agysejt, vagyis a látóközpontunkban lévő agysejtek aktivitása a retinára eső fény eloszlásától függ. Röviden, a folyamat egy képpel kezdődik a retinán, és egy megfelelő képpel végződik az agysejtek kis „képernyőjén”. Ez természetesen nem magyarázza a látást, hanem egyszerűen egy mélyebb szintre helyezi a problémát. Ki látja ezt a belső képet? Ezt a helyzetet jól szemlélteti a Descartes „Le traité de l'homme” című művéből vett 5. ábra. Ebben az esetben az összes idegrost egy bizonyos mirigyben végződik, amelyet Descartes a lélek székhelyeként ábrázolt, és ez ez a mirigy, amely látja a belső képet, de a kérdés továbbra is fennáll: hogyan működik valójában a "látás"?

A mini-megfigyelő gondolata az agyban nemcsak nem elegendő a látás magyarázatához, hanem figyelmen kívül hagy három olyan tevékenységet is, amelyeket nyilvánvalóan közvetlenül a vizuális rendszer hajt végre. Nézzük például a 4. ábra (Kanizsa) ábráját. Látjuk a háromszöget a három körszelvényben a kivágásuk alapján. Ezt a háromszöget nem mutatták be a retinának, de a látórendszerünk sejtéseinek eredménye! Szinte lehetetlen úgy nézni a 6. ábrát, hogy ne lássuk a figyelmünkért versengő körkörös minták folyamatos sorozatait, mintha közvetlenül belső vizuális tevékenységet tapasztalnánk. Sokan azt tapasztalják, hogy a látórendszerüket teljesen összezavarta a Dallenbach-figura (8. ábra), mivel keresik a módját, hogyan értelmezzék ezeket a fekete-fehér foltokat valamilyen általuk érthető formában. A gondok megmentése érdekében a 10. ábra egy olyan értelmezést kínál, amelyet a vizuális rendszer egyszer s mindenkorra elfogad. Az előző rajzzal ellentétben nem okoz nehézséget a 7. ábrán látható néhány tintavonást két beszélgető ember képévé rekonstruálni.

Például egy egészen más látásmódot illusztrál a tübingeni Werner Reichardt kutatása, aki 14 éven át tanulmányozta a házilégy látás- és repülésvezérlő rendszerét. Ezekért a tanulmányokért 1985-ben Heineken-díjat kapott. Sok más rovarhoz hasonlóan a légynek összetett szemei vannak, amelyek sok száz egyedi rúdból állnak, amelyek mindegyike külön fényérzékeny elem. A légy repülésirányító rendszere öt független alrendszerből áll, amelyek rendkívül gyorsan (a reakciósebesség körülbelül 10-szer gyorsabb, mint az embernél) és hatékonyan működnek. Például a leszálló alrendszer a következőképpen működik. Amikor a légy látómezeje "felrobban" (mert a felszín közel van), a légy a "robbanás" közepe felé mozdul el. Ha a közepe túl van, akkor automatikusan fejjel lefelé fordul. Amint a légy lábai hozzáérnek a felszínhez, a leszálló "alrendszer" kikapcsol. Repülés közben a légy csak kétféle információt von ki a látómezőjéből: azt a pontot, ahol egy bizonyos méretű mozgó folt található (amelynek 10 centiméter távolságban egybe kell esnie a légy méretével), valamint mint ennek a foltnak a látómezőben való mozgásának iránya és sebessége. Ezen adatok feldolgozása segít a repülési útvonal automatikus beállításában. Nagyon valószínűtlen, hogy egy légynek teljes képe van a körülötte lévő világról. Nem lát sem felületeket, sem tárgyakat. A meghatározott módon feldolgozott bemeneti vizuális adatok közvetlenül a motor alrendszerbe kerülnek. Így a vizuális bemenet nem belső képpé alakul, hanem olyan formává, amely lehetővé teszi, hogy a légy megfelelően reagáljon a környezetére. Ugyanez mondható el egy ilyen végtelenül összetettebb rendszerről, mint az emberről.

Számos oka van annak, hogy a tudósok ilyen sokáig tartózkodnak attól, hogy az alapvető kérdéssel úgy foglalkozzanak, ahogyan azt valaki látja. Kiderült, hogy először sok más látási kérdést kellett megmagyarázni - a retina összetett szerkezetét, színlátást, kontrasztot, utóképeket stb. A várakozásokkal ellentétben azonban ezeken a területeken a felfedezések nem képesek megvilágítani a fő probléma megoldását. Még jelentősebb probléma volt az összes vizuális jelenséget felsoroló általános koncepció vagy séma hiánya. A hagyományos kutatási területek viszonylagos korlátait egy kiváló útmutatóból lehet kiolvasni T.N. Comsweet a vizuális észlelés témájában, előadásaiból állította össze első és második féléves hallgatóknak. Az előszóban a szerző ezt írja: "Arra törekszem, hogy leírjam azokat az alapvető szempontokat, amelyek annak a hatalmas területnek a hátterében állnak, amelyet véletlenül vizuális észlelésnek nevezünk." A könyv tartalmát vizsgálva azonban ezek az „alaptémák” a retina rudak és kúpok általi fényelnyelés, a színlátás, az érzékszervi sejtek kölcsönös befolyásának határainak növelésének vagy csökkentésének módjai. egymásra, az érzékelősejteken keresztül továbbított elektromos jelek frekvenciája stb. Napjainkban a terület kutatása teljesen új utakon halad, ami a szaksajtó megdöbbentő sokszínűségét eredményezi. A látás fejlődésének új tudományáról pedig csak egy szakember alkothat általános képet." Több új ötlet és kutatási eredmény laikus számára is hozzáférhető módon ötvözésére egyetlen kísérlet történt. És még itt is felmerültek a „Mi a látás?" és a Hogyan látjuk?

A képtől az adatfeldolgozásig

David Marr, az MIT Artificial Intelligence Laboratory munkatársa volt az első, aki a halála után megjelent Vision című könyvében egészen más oldalról közelítette meg a témát. Ebben a fő problémát igyekezett megvizsgálni, és lehetséges megoldási módokat javasolni. Marr eredményei természetesen nem véglegesek, és továbbra is nyitottak a különböző irányú kutatásokra, de ennek ellenére könyvének fő előnye a logika és a következtetések következetessége. Mindenesetre Marr megközelítése nagyon hasznos alapot biztosít a lehetetlen tárgyak és kettős figurák tanulmányozására. A következő oldalakon igyekszünk Marr gondolatmenetét követni.

Marr a következőképpen írta le a vizuális észlelés hagyományos elméletének hiányosságait:

"Ha csak a neuronok tanulmányozásával próbáljuk megérteni a vizuális érzékelést, az olyan, mintha csak a tollait tanulmányozva próbálnánk megérteni egy madár repülését. Ez egyszerűen lehetetlen. Ahhoz, hogy megértsük egy madár repülését, meg kell értenünk az aerodinamikát, és csak ezután a szerkezetet. a tollak és a madár szárnyainak különböző formái bármilyen értelmet adnak számunkra." Ebben az összefüggésben Marr J. J. Gobsonnak tartja az első fontos kérdéseket ebben a látómezőben. Marr szerint Gibson leginkább fontos hozzájárulása az volt, hogy „az érzékszervekkel kapcsolatban az a legfontosabb, hogy ezek információs csatornák a külvilágból az észlelésünkhöz (...) Feltett egy kritikus kérdést – Hogyan érjük el mindannyian ugyanazokat az eredményeket a mindennapi észlelésben az élet folyamatosan változó körülmények között? Ez egy nagyon fontos kérdés, amely megmutatja, hogy Gibson helyesen tekintette a vizuális észlelés problémáját úgy, mint amely az érzékszervi információkból rekonstruálja a külső világban lévő tárgyak „helyes” tulajdonságait." És ezzel elérkeztünk az információfeldolgozás területéhez.

Nem lehet kérdés, hogy Marr figyelmen kívül akarta hagyni a látás jelenségére vonatkozó egyéb magyarázatokat. Éppen ellenkezőleg, kifejezetten hangsúlyozza, hogy a látást nem lehet kielégítően megmagyarázni csak egy nézőpontból. A mindennapi eseményekre olyan magyarázatokat kell találni, amelyek összhangban vannak a kísérleti pszichológia eredményeivel és a pszichológusok és neurológusok által ezen a területen az idegrendszer anatómiája terén tett felfedezésekkel. Ha információfeldolgozásról van szó, az informatikusok azt szeretnék tudni, hogyan programozható a vizuális rendszer, mely algoritmusok a legalkalmasabbak egy adott feladathoz. Röviden, hogyan lehet a látást programozni. Csak egy átfogó elmélet fogadható el a látás folyamatának kielégítő magyarázataként.

Marr 1973 és 1980 között dolgozott ezen a problémán. Munkáját sajnos nem tudta befejezni, de a további kutatásokhoz szilárd alapot tudott rakni.

Az idegtudománytól a vizuális mechanizmusig

A neurológusok a 19. század eleje óta osztják azt a meggyőződést, hogy sok emberi funkciót az agy irányít. Megoszlottak a vélemények arról, hogy az agykéreg meghatározott részeit használták-e fel bizonyos műveletek elvégzésére, vagy az egész agyat használták-e az egyes műveletekhez. Napjainkban Pierre Paul Broca francia neurológus híres kísérlete a konkrét helyelmélet általános elfogadásához vezetett. Broca egy beteget kezelt, aki 10 évig nem tudott beszélni, bár a hangszálai rendben voltak. Amikor a férfi 1861-ben meghalt, a boncolás során kiderült, hogy az agy bal oldala deformálódott. Broca azt javasolta, hogy a beszédet az agykéregnek ez a része szabályozza. Elméletét megerősítették az agykárosodásban szenvedő betegek későbbi vizsgálatai, amelyek végül lehetővé tették az emberi agy létfontosságú funkcióinak központjainak megjelölését.

Egy évszázaddal később, az 1950-es években a tudósok D.H. Hubel (D.H. Hubel) és T.N. Wiesel (T.N. Wiesel) kísérleteket végzett élő majmok és macskák agyában. Az agykéreg látóközpontjában olyan idegsejteket találtak, amelyek különösen érzékenyek a látómező vízszintes, függőleges és átlós vonalaira (9. ábra). Kifinomult mikrosebészeti technikájukat később más tudósok is átvették.

Így az agykéreg nemcsak a különféle funkciók ellátására szolgáló központokat tartalmaz, hanem az egyes központokon belül, akárcsak a látóközpontban, az egyes idegsejtek csak nagyon specifikus jelek vétele esetén aktiválódnak. Ezek a szem retinájából érkező jelek korrelálnak a külső világ egyértelműen meghatározott helyzeteivel. Ma azt feltételezik, hogy az objektumok különböző formáiról és térbeli elrendezéséről szóló információkat a vizuális memóriában tárolják, és az aktivált idegsejtekből származó információkat összehasonlítják ezzel a tárolt információval.

Ez a detektorelmélet befolyásolta a vizuális észlelés kutatásának irányát az 1960-as évek közepén. A „mesterséges intelligenciával” kapcsolatban álló tudósok ugyanezt az utat követték. Az emberi látás folyamatának számítógépes szimulációját, más néven "gépi látást" az egyik legkönnyebben elérhető célnak tekintették ezekben a tanulmányokban. De minden egy kicsit másképp alakult. Hamar világossá vált, hogy gyakorlatilag lehetetlen olyan programokat írni, amelyek képesek felismerni a fényintenzitás változásait, az árnyékokat, a felületszerkezetet és az összetett objektumok véletlenszerű összeállításait, értelmes képekké. Ráadásul az ilyen mintafelismeréshez korlátlan mennyiségű memóriára volt szükség, mivel számtalan objektum képét kell a memóriában tárolni a hely és a megvilágítási helyzet számtalan változatában.

A valós körülmények között történő mintafelismerés terén további előrelépés nem volt lehetséges. Kétséges, hogy egy számítógép valaha is képes lesz szimulálni az emberi agyat. Az emberi agyhoz képest, amelyben minden idegsejtnek körülbelül 10 000 kapcsolata van más idegsejtekkel, az 1:1-es számítógépes ekvivalens arány aligha tűnik megfelelőnek!

Elizabeth Warrington előadása

1973-ban Marr részt vett Elizabeth Warrington brit neurológus előadásán. Megjegyezte, hogy az általa vizsgált nagyszámú, az agy jobb oldalának parietális elváltozásaiban szenvedő beteg tökéletesen képes felismerni és leírni különféle tárgyakat, feltéve, hogy ezeket a tárgyakat a szokásos formájukban figyelték meg. Például az ilyen betegeknek nem okozott nehézséget egy vödr azonosítása oldalról nézve, de felülről nézve nem tudták felismerni ugyanazt a vödröt. Valójában még akkor sem akarták elhinni, ha azt mondták nekik, hogy felülről nézik a vödröt! Még meglepőbb volt azoknak a betegeknek a viselkedése, akiknél sérült az agy bal oldala. Az ilyen betegek általában nem tudnak beszélni, ezért nem tudják verbálisan megnevezni a tárgyat, amelyet néznek, vagy leírni a célját. Megmutathatják azonban, hogy a látószögtől függetlenül helyesen érzékelik egy tárgy geometriáját. Ez arra késztette Marrt, hogy a következőket írja: "Warrington előadása a következő következtetésekre késztetett. Először is, a tárgy alakjának ötlete valahol máshol tárolódik az agyban, ezért vannak elképzelések egy tárgy alakjáról és annak alakjáról. Másodszor, a látás képes belső leírást adni egy megfigyelt tárgy alakjáról, még akkor is, ha az adott tárgyat nem ismerik fel a szokásos módon... Elizabeth Warrington rámutatott az emberi látás leglényegesebb tényére - mondja el. a tárgyak alakjáról, teréről és egymáshoz viszonyított helyzetéről." Ha ez valóban így van, akkor a vizuális észlelés és a mesterséges intelligencia területén dolgozó tudósoknak (beleértve a számítógépes látással foglalkozókat is) a Hubel kísérleteiből származó detektorelméletet egy teljesen új taktikára kell cserélniük.

Modulelmélet

Marr kutatásának második kiindulópontja (Warrington munkáinak megismerése után) az a feltevés, hogy vizuális rendszerünk moduláris felépítésű. Számítógépes szóhasználattal a Vision fő programunk az alprogramok széles skáláját fedi le, amelyek mindegyike teljesen független a többitől, és más szubrutinoktól függetlenül is tud működni. Az ilyen rutin (vagy modul) kiváló példája a sztereoszkópikus látás, amelyben a mélységet a két szemből származó képek feldolgozásának eredményeként érzékelik, amelyek kissé különböznek egymástól. Korábban azt hitték, hogy a három dimenzióban való látáshoz először teljes képeket ismerünk fel, majd döntjük el, hogy mely tárgyak vannak közelebb és melyek távolabbi. 1960-ban Julesz Béla, akit 1985-ben Heineken-díjjal tüntettek ki, be tudta bizonyítani, hogy a két szem térbeli érzékelése kizárólag a két szem retinájából nyert két kép közötti kis különbségek összehasonlításával valósul meg. Így az ember ott is érezhet mélységet, ahol nincsenek tárgyak, és nem is kellene tárgyaknak lenniük. Kísérleteihez Jules véletlenszerűen elhelyezkedő pontokból álló sztereogramokat dolgozott ki (lásd 11. ábra). A jobb szem által látott kép minden tekintetben megegyezik a bal szem által látott képpel, kivéve a négyzet alakú középső területet, amely le van vágva és kissé eltolva az egyik széléhez, és ismét a háttérhez igazodik. A fennmaradó fehér helyet ezután véletlenszerű pontokkal töltöttük ki. Ha a két képet (amelyeken nem ismer fel tárgyat) sztereoszkópon keresztül nézzük, a korábban kivágott négyzet a háttér felett lebegni fog. Az ilyen sztereogramok térbeli adatokat tartalmaznak, amelyeket vizuális rendszerünk automatikusan feldolgoz. Így a sztereoszkópia a vizuális rendszer autonóm modulja. A modulelmélet meglehetősen hatékonynak bizonyult.

A 2D-s retinaképtől a 3D-s modellig

A látás egy többlépcsős folyamat, amely a külső világ kétdimenziós reprezentációit (retinális képeket) a megfigyelő számára hasznos információvá alakítja át. A szem retinájából készült kétdimenziós képpel kezdődik, amely a színlátást egyelőre figyelmen kívül hagyva csak a fényintenzitás szintjeit tárolja. Az első lépésben, egyetlen modul használatával, ezeket az intenzitásszinteket intenzitásváltozásokká, vagy más szóval olyan kontúrokká alakítják, amelyek a fényintenzitás hirtelen változásait mutatják. Marr pontosan megállapította, hogy ebben az esetben milyen algoritmusról van szó (matematikailag leírva, és mellesleg nagyon összetett), és hogy érzékelésünk és idegsejtjeink hogyan hajtják végre ezt az algoritmust. Az első lépés eredménye az, amit Marr „elsődleges vázlatnak” nevez, amely összefoglalja a fényintenzitás változásait, azok kapcsolatait és a látómezőben való eloszlását (12. ábra). Ez azért fontos lépés, mert az általunk látott világban az intenzitás változásai gyakran a tárgyak természetes körvonalaihoz kapcsolódnak. A második lépés elvezet minket ahhoz, amit Marr "2,5-dimenziós vázlatnak" nevez. A 2,5 dimenziós vázlat a látható felületek tájolását és mélységét tükrözi a megfigyelő előtt. Ez a kép nem egy, hanem több modulból származó adatok alapján épül fel. Marr megalkotta a „2,5-dimenziós” nagyon tág fogalmát annak hangsúlyozására, hogy a megfigyelő szemszögéből látható térinformációkkal dolgozunk. A 2,5 dimenziós vázlatot perspektivikus torzulások jellemzik, és ebben a szakaszban az objektumok tényleges térbeli elhelyezkedése még nem határozható meg egyértelműen. Az itt látható 2,5 dimenziós vázlatkép (13. ábra) több információs területet is szemléltet egy ilyen vázlat feldolgozásakor. Ilyen típusú kép azonban nem alakul ki agyunkban.

Eddig a vizuális rendszer több modul segítségével működött autonóm módon, automatikusan és függetlenül az agyban tárolt külső világra vonatkozó adatoktól. A folyamat utolsó szakaszában azonban lehetőség van a már rendelkezésre álló információkra hivatkozni. Ez az utolsó feldolgozási lépés egy háromdimenziós modellt biztosít – egy világos leírást, amely független a néző látószögétől, és alkalmas az agyban tárolt vizuális információkkal való közvetlen összehasonlításra.

Marr szerint a háromdimenziós modell felépítésében a főszerepet a tárgyak alakzatainak irányító tengelyeinek összetevői játsszák. Azok, akik nem ismerik ezt az elképzelést, távolinak találhatják, de valójában vannak bizonyítékok, amelyek alátámasztják ezt a hipotézist. Először is, a környező világ számos tárgya (különösen az állatok és a növények) meglehetősen világosan ábrázolható cső (vagy huzal) modellek formájában. Valóban, könnyen felismerhetjük, hogy mi van a reprodukción ábrázolva a vezetőtengelyek alkotóelemei formájában (14. ábra).

Másodszor, ez az elmélet elfogadható magyarázatot ad arra a tényre, hogy képesek vagyunk vizuálisan szétszedni egy tárgyat alkotóelemeire. Ez tükröződik nyelvünkben, amely más-más nevet ad az objektum egyes részeinek. Így az emberi test leírásánál az olyan megjelölések, mint a „test”, „kéz” és „ujj”, a test különböző részeit jelölik tengelyirányú összetevőik szerint (15. ábra).

Harmadszor, ez az elmélet összhangban van azzal a képességünkkel, hogy általánosítsuk és egyúttal megkülönböztetjük a formákat. Az azonos főtengelyű objektumok csoportosításával általánosítunk, a gyermektengelyeket pedig úgy különböztetjük meg, mint a fa ágait. Marr olyan algoritmusokat javasolt, amelyek egy 2,5-dimenziós modellt háromdimenzióssá alakítanak át. Ez a folyamat is nagyrészt autonóm. Marr megjegyezte, hogy az általa kifejlesztett algoritmusok csak akkor működnek, ha tiszta tengelyeket használnak. Például, ha egy gyűrött papírlapra alkalmazzák, a lehetséges tengelyeket nagyon nehéz lesz azonosítani, és az algoritmus nem lesz alkalmazható.

A háromdimenziós modell és az agyban tárolt vizuális képek közötti kapcsolat a tárgyfelismerési folyamat során aktiválódik.

Itt nagy szakadék van a tudásunkban. Hogyan tárolódnak ezek a vizuális képek az agyban? Hogyan zajlik a felismerési folyamat? Hogyan történik az összehasonlítás az ismert képek és az újonnan összeállított 3D kép között? Ez az utolsó pont, amit Marr érintett (16. ábra), de hatalmas mennyiségű tudományos adatra van szükség ahhoz, hogy bizonyosságot szerezzünk ebben a kérdésben.

Jóllehet mi magunk nem vagyunk tisztában a vizuális feldolgozás különböző fázisaival, sok egyértelmű párhuzam van a fázisok és az idők során a tér benyomásának közvetítésének különböző módjai között egy kétdimenziós felületen.

Így a pointillisták a retina kontúr nélküli képét hangsúlyozzák, míg a vonalas képek az elsődleges vázlat szakaszának felelnek meg. A kubista festmények a végső háromdimenziós modell felépítését előkészítő vizuális adatok feldolgozásához hasonlíthatók, bár ez természetesen nem volt a művész szándéka.

Ember és számítógép

A téma átfogó megközelítése során Marr arra törekedett, hogy megmutassa, meg tudjuk érteni a látás folyamatát anélkül, hogy az agy számára már elérhető ismeretekre kellene támaszkodnunk.

Ezzel új utat nyitott a vizuális észlelés területén a kutatók előtt. Ötleteivel hatékonyabb utat lehet kikövezni egy vizuális gép megvalósításához. Amikor Marr megírta könyvét, tisztában kellett lennie azzal, hogy olvasóinak milyen erőfeszítéseket kell tenniük, hogy követhessék elképzeléseit és következtetéseit. Ez nyilvánvaló munkája során, és a legnyilvánvalóbban az utolsó fejezetben, „A megközelítés védelmében” című fejezetben jelenik meg. Ez egy 25 nyomtatott oldal polémikus "ügye", amelyben a kedvező pillanatot kihasználva igazolja céljait. Ebben a fejezetben egy képzeletbeli ellenféllel beszélget, aki a következő érvekkel támadja Marrt:

"Még mindig elégedetlen vagyok ennek az összekapcsolt folyamatnak a leírásával, és azzal az elképzeléssel, hogy az összes fennmaradt részletgazdagság csak leírás. Kicsit túl primitívnek hangzik... Ahogy egyre közelebb kerülünk ahhoz, hogy azt mondjuk, hogy az agy egy számítógép, mindent el kell mondanom, amitől egyre jobban félek az emberi értékek értelmének megőrzéséért."

Marr érdekes választ ad: "Az az állítás, hogy az agy számítógép, helytálló, de félrevezető. Az agy valóban egy nagyon speciális információfeldolgozó eszköz, vagy inkább a legnagyobb közülük. Az, hogy agyunkat adatfeldolgozó eszköznek tekintjük, nem lealacsonyítja vagy tagadja az emberi értékeket, mindenesetre csak alátámasztja azokat, és végső soron segíthet megérteni, mik is az emberi értékek ilyen információs szempontból, miért van szelektív jelentősége, és hogyan illeszkednek a társadalmi életbe. és nyilvános normák, amelyeket génjeink biztosítottak számunkra."

A szem, a szemgolyó, majdnem gömb alakú, körülbelül 2,5 cm átmérőjű. Több héjból áll, amelyek közül három a fő:

sclera - külső réteg
érhártya - középső,
retina – belső.

Rizs. 1. Az akkomodációs mechanizmus sematikus ábrázolása a bal oldalon - távolba fókuszálva; a jobb oldalon - közeli tárgyakra fókuszálva.

A sclera fehér, tejes árnyalattal, kivéve az elülső részét, amely átlátszó és szaruhártya. A fény a szaruhártyán keresztül jut be a szembe. Az érhártya, a középső réteg olyan ereket tartalmaz, amelyek vért szállítanak a szem táplálására. Közvetlenül a szaruhártya alatt az érhártya szivárványhártyává válik, amely meghatározza a szem színét. Középen a pupilla. Ennek a héjnak az a funkciója, hogy korlátozza a fény bejutását a szembe, amikor nagyon világos. Ezt úgy érik el, hogy erős fényviszonyok mellett a pupillát szűkítik, gyenge fényviszonyok mellett pedig kitágítják. Az írisz mögött egy bikonvex lencseszerű lencse található, amely felfogja a fényt, amikor áthalad a pupillán, és a retinára fókuszálja. A lencse körül az érhártya alkotja a ciliáris testet, amely egy izmot tartalmaz, amely szabályozza a lencse görbületét, amely biztosítja a különböző távolságokban lévő tárgyak tiszta és határozott látását. Ez a következőképpen érhető el (1. ábra).

Tanítvány egy lyuk az írisz közepén, amelyen keresztül a fénysugarak a szembe jutnak. Nyugalomban lévő felnőttnél a pupilla átmérője nappali fényben 1,5-2 mm, sötétben pedig 7,5 mm-re nő. A pupilla elsődleges élettani szerepe a retinába jutó fény mennyiségének szabályozása.

A pupilla összehúzódása (miózis) a megvilágítás növekedésével (ez korlátozza a retinába jutó fényáramot, és ezért védőmechanizmusként szolgál), közeli tárgyak megtekintésekor, amikor a látási tengelyek akkomodációja és konvergenciája (konvergencia) következik be. , valamint közben.

A pupilla tágulása (midriázis) gyenge fényviszonyok mellett (ami növeli a retina megvilágítását, és ezáltal a szem érzékenységét), valamint bármely afferens ideg izgalmával, érzelmi feszültségreakciókkal és a szimpatikus idegrendszer fokozódásával jár. tónusú, lelki izgalommal, fulladással,.

A pupilla méretét az írisz gyűrűs és radiális izmai szabályozzák. A radiális tágító izmot a nyaki ganglion feletti szimpatikus ideg beidegzi. A pupillát összehúzó gyűrű alakú izmot az oculomotoros ideg paraszimpatikus rostjai beidegzik.

2. ábra: A vizuális analizátor felépítésének diagramja

1 - retina, 2 - a látóideg keresztezetlen rostjai, 3 - a látóideg keresztezett rostjai, 4 - látóideg, 5 - oldalsó geniculate test, 6 - oldalgyökér, 7 - látólebeny.
A tárgytól a szemig tartó legrövidebb távolságot, amelynél ez a tárgy még jól látható, a tiszta látás közeli pontjának, a legnagyobb távolságot pedig a tiszta látás távoli pontjának nevezzük. Ha az objektum a közeli ponton található, akkor a szállás maximális, a távoli ponton nincs szállás. A maximális akkomodáció és a nyugalmi szem törőerejének különbségét akkomodációs erőnek nevezzük. Az optikai teljesítmény mértékegysége a fókusztávolságú lencse optikai teljesítménye1 méter. Ezt az egységet dioptriának nevezik. A lencse dioptriában kifejezett optikai teljesítményének meghatározásához az egységet el kell osztani a méterben megadott gyújtótávolsággal. A szállás mennyisége személyenként változik, és életkortól függően 0 és 14 dioptria között változik.

Ahhoz, hogy egy tárgyat tisztán lássunk, minden pontjának sugarait a retinára kell fókuszálni. Ha a távolba néz, akkor a közeli tárgyak homályosan, homályosan láthatók, mivel a közeli pontokból érkező sugarak a retina mögé fókuszálnak. Lehetetlen, hogy a szemtől különböző távolságra lévő tárgyakat egyidejűleg ugyanolyan tisztán láthassuk.

Fénytörés(sugártörés) a szem optikai rendszerének azon képességét tükrözi, hogy egy tárgy képét a retinára fókuszálja. Bármely szem fénytörési tulajdonságainak sajátosságai közé tartozik a jelenség gömbi aberráció . Ez abban rejlik, hogy a lencse perifériás részein áthaladó sugarak erősebben törnek, mint a középső részein áthaladó sugarak (65. ábra). Ezért a központi és a perifériás sugarak nem egy ponton konvergálnak. Ez a fénytörési tulajdonság azonban nem zavarja a tárgy tiszta látását, mivel az írisz nem továbbítja a sugarakat, és ezáltal kiküszöböli azokat, amelyek áthaladnak a lencse peremén. A különböző hullámhosszú sugarak egyenlőtlen törését ún kromatikus aberráció .

Az optikai rendszer törőképességét (törés), azaz a szem törőképességét hagyományos mértékegységekben - dioptriában - mérik. A dioptria egy olyan lencse törőereje, amelyben a párhuzamos sugarak a fénytörés után egy 1 m távolságra lévő fókuszban konvergálnak.

Rizs. 3. A sugarak lefolyása a szem különböző típusú klinikai fénytörésénél a - emetropia (normál); b - rövidlátás (myopia); c - hypermetropia (távollátás); d - asztigmatizmus.

Tisztán látjuk a körülöttünk lévő világot, ha minden részleg harmonikusan és zavartalanul „dolgozik”. Ahhoz, hogy a kép éles legyen, a retinának nyilvánvalóan a szem optikai rendszerének hátsó fókuszában kell lennie. A szem optikai rendszerében a fénysugarak törésének különféle zavarait, amelyek a kép retinán történő fókuszálásához vezetnek, ún. fénytörési hibák (ametropia). Ide tartozik a rövidlátás, a távollátás, az életkorral összefüggő távollátás és az asztigmatizmus (3. ábra).

Normál látással, amelyet emmetropikusnak neveznek, látásélesség, i.e. A szem maximális képessége a tárgyak egyedi részleteinek megkülönböztetésére általában eléri az egy hagyományos egységet. Ez azt jelenti, hogy egy személy képes két különálló pontot 1 perces szögben láthatónak tekinteni.

Fénytörés esetén a látásélesség mindig 1 alatt van. A refrakciós hibának három fő típusa van: asztigmatizmus, rövidlátás (myopia) és távollátás (hyperopia).

A fénytörési hibák rövidlátást vagy távollátást eredményeznek. A szem fénytörése az életkorral változik: újszülötteknél kisebb a normálisnál, idős korban pedig ismét csökkenhet (ún. szenilis távollátás vagy presbyopia).

A rövidlátás korrekciós sémája

Asztigmatizmus amiatt, hogy veleszületett sajátosságaiból adódóan a szem optikai rendszere (szaruhártya és lencse) különböző irányú (a vízszintes vagy függőleges meridián mentén) egyenlőtlenül töri meg a sugarakat. Más szóval, a szférikus aberráció jelensége ezeknél az embereknél a szokásosnál sokkal hangsúlyosabb (és ezt nem kompenzálja a pupilla szűkülete). Így, ha a szaruhártya felületének görbülete a függőleges metszetben nagyobb, mint a vízszintes szakaszban, a retinán lévő kép nem lesz tiszta, függetlenül a tárgy távolságától.

A szaruhártya két fő fókuszpontja lesz: az egyik a függőleges, a másik a vízszintes szakasz. Ezért az asztigmatikus szemen áthaladó fénysugarak különböző síkokban fókuszálnak: ha egy tárgy vízszintes vonalai a retinára fókuszálnak, akkor a függőleges vonalak előtte lesznek. Az optikai rendszer tényleges hibáinak figyelembevételével kiválasztott hengeres lencsék viselése bizonyos mértékig kompenzálja ezt a fénytörési hibát.

Rövidlátás és távollátás a szemgolyó hosszának változásai okozzák. Normál fénytörés esetén a szaruhártya és a fovea (macula) távolsága 24,4 mm. A myopia (myopia) esetén a szem hossztengelye nagyobb, mint 24,4 mm, így a távoli tárgyból érkező sugarak nem a retinára, hanem előtte, az üvegtestbe fókuszálnak. Ahhoz, hogy tisztán lássunk a távolba, homorú szemüveget kell helyezni a rövidlátó szemek elé, amelyek a fókuszált képet a retinára tolják. Távollátó szemnél a szem hossztengelye lerövidül, azaz. kevesebb, mint 24,4 mm. Ezért a távoli objektum sugarai nem a retinára, hanem a mögé fókuszálnak. Ez a fénytörés hiánya akkomodatív erőfeszítéssel kompenzálható, pl. a lencse domborúságának növekedése. Ezért a távollátó ember megfeszíti az akkomodatív izmot, nemcsak közeli, hanem távoli tárgyakat is megvizsgál. Közeli tárgyak megtekintésekor a távollátó emberek alkalmazkodó erőfeszítései nem elegendőek. Ezért olvasáshoz a távollátóknak bikonvex lencsékkel ellátott szemüveget kell viselniük, amely fokozza a fénytörést.

A fénytörési hibák, különösen a rövidlátás és a távollátás, szintén gyakoriak az állatok, például a lovak körében; A rövidlátás nagyon gyakran megfigyelhető juhoknál, különösen a termesztett fajtákban.

Fontos ismerni a retina felépítését és azt, hogy a vizuális információkat hogyan fogadjuk, legalábbis a legáltalánosabb formában.

1. Nézd meg a szem szerkezetét. Miután a fénysugarak áthaladnak a lencsén, behatolnak az üvegtestbe, és belépnek a szem belső, nagyon vékony rétegébe - a retinába. Ő játssza a fő szerepet a kép rögzítésében. A retina vizuális elemzőnk központi láncszeme.

A retina az érhártyával szomszédos, de sok helyen laza. Itt különböző betegségek miatt hajlamos lehámlik. A retina betegségeiben az érhártya nagyon gyakran részt vesz a kóros folyamatban. Az érhártyában nincsenek idegvégződések, így ha megbetegszik, nem jelentkezik fájdalom, ami általában valamilyen problémát jelez.

A fényt befogadó retina funkcionálisan központi (macula terület) és perifériás (a retina maradék felülete) részre osztható. Ennek megfelelően különbséget teszünk a központi látás között, amely lehetővé teszi a tárgyak apró részleteinek egyértelmű vizsgálatát, és a perifériás látást, amelyben a tárgy alakja kevésbé tisztán érzékelhető, de segítségével a térben való tájékozódás megtörténik.

2. A retina összetett többrétegű szerkezettel rendelkezik. Fotoreceptorokból (specializált neuroepithelium) és idegsejtekből áll. A szem retinájában található fotoreceptorok két típusra oszthatók, amelyeket alakjuk szerint neveznek: kúpok és rudak. A rudak (körülbelül 130 millió darab van belőlük a retinában) nagy fényérzékenységgel rendelkeznek, és lehetővé teszik a látást rossz megvilágítás mellett is, ezek felelősek a perifériás látásért is. A kúpok (kb. 7 millió van belőlük a retinában) éppen ellenkezőleg, több fényt igényelnek a gerjesztéshez, de ezek azok, amelyek lehetővé teszik az apró részletek megtekintését (a központi látásért felelősek), és lehetővé teszik a színek megkülönböztetését. . A kúpok legnagyobb koncentrációja a makula vagy makula néven ismert retina területén található, amely a retina körülbelül 1%-át foglalja el.

A rudak vizuális lilát tartalmaznak, aminek köszönhetően nagyon gyorsan és gyenge fény hatására is gerjeszthetők. Az A-vitamin részt vesz a látáslila kialakulásában, melynek hiánya úgynevezett éjszakai vakság kialakulásához vezet. A kúpok nem tartalmaznak vizuális lilát, így lassan csak az erős fény gerjeszti őket, de képesek a színek érzékelésére: a háromféle (kék-, zöld- és piros-érzékeny) kúp külső szegmensei háromféle látást tartalmaznak. pigmentek, amelyek maximális abszorpciós spektruma a spektrum kék, zöld és vörös tartományában található.

3 . A retina külső rétegeiben elhelyezkedő pálcákban és kúpokban a fényenergia elektromos energiává alakul az idegszövetben. A retina külső rétegeiben fellépő impulzusok elérik a belső rétegeiben elhelyezkedő köztes neuronokat, majd az idegsejteket. Ezen idegsejtek folyamatai radiálisan a retina egyik területéhez konvergálnak, és a szemfenék vizsgálatakor látható látókorongot alkotnak.

A látóideg a retina idegsejtjeinek folyamataiból áll, és a hátsó pólus közelében lép ki a szemgolyóból. Jeleket továbbít az idegvégződésekből az agyba.

Ahogy elhagyja a szemet, a látóideg két részre oszlik. A belső fele metszi a másik szem ugyanazt a felét. Mindegyik szem retinájának jobb oldala a kép jobb részét a látóidegen keresztül az agy jobb oldalára, a retina bal oldala pedig a kép bal oldalát a szem bal oldalára továbbítja. az agy. A látottak összképét közvetlenül az agy hozza létre.

Így a vizuális észlelés a kép retinára történő vetítésével és a fotoreceptorok gerjesztésével kezdődik, majd a kapott információt szekvenciálisan feldolgozzák a kéreg alatti és kortikális látóközpontokban. Ennek eredményeként vizuális kép keletkezik, amely a vizuális elemző más elemzőkkel való interakciójának és a felhalmozott tapasztalatnak (vizuális memória) köszönhetően helyesen tükrözi az objektív valóságot. A szem retinája egy tárgy kicsinyített és fordított képét állítja elő, de a képet függőlegesen és valós méretben látjuk. Ez azért is történik, mert a vizuális képekkel együtt az extraocularis izmokból érkező idegimpulzusok is bejutnak az agyba, például ha felnézünk, az izmok felfelé forgatják a szemet. A szemizmok folyamatosan dolgoznak, leírják a tárgy körvonalait, és ezeket a mozgásokat az agy is rögzíti.