Фокусное расстояние человеческого глаза: Сравнение характеристик глаза человека с фотокамерой

Содержание

Фокусное расстояние 50мм — не поле зрения человека | Сайт профессионального фотографа в Киеве

Только что попал на очередную статью с распространённой ересью о том, что 50мм соответствует углу человеческого зрения.

Часто полтинник позиционируется как стандартный объектив. Его можно, конечно, использовать как стандартный. Но угол зрения объектива 50мм совершенно не соответствует человеческому зрению.

Давайте подумаем о то, как видит человек, чтобы окончательно разобраться в этом вопросе.

Википедия нам сообщает, что человек двумя глазами видит перед собой примерно на 190 градусов во всех направлениях. Угол зрения объектива 50мм на полном кадре примерно соответствует 50-55 градусам. Соответственно, чтобы полтинник соответствовал углу зрения человека, человек должен будет одеть на себя шоры. Тогда это будет справедливо.

Картинка ниже примерно иллюстрирует человеческое поле зрения.

Чтобы объектив соответствовал нашему полю зрения он должен быть широкоугольным.

Если брать полный охват периферического зрения, то это должен быть объектив с фокусным расстоянием примерно 14мм. Если же говорить о зоне комфортного зрения, то фокусное расстояние должно быть примерно 28мм. Но никак на 50мм. Полтинник — это объектив, который существенно сужает видимую область перед собой. Этим можно и нужно пользоваться, но не стоит говорить о полном поле зрения человека.

Если нужен объектив, чтобы ходить и счёлкать перед собой всё «как есть», нужен именно ширик. Недаром камеры во всех смартфонах снабжаются объективом около 30мм.

Есть другой важный нюанс.

Полтинник действительно соответствует человеческому зрению в плане передачи перспективы.

Если одеть объектив с фокусным расстоянием меньше 50мм, перспектива в кадре будет расширятся. Дальние объекты будут выглядеть дальше, чем мы их видим своими глазами.

Если же мы будем использовать телеобъектив, то есть с фокусным расстояниям более 50мм, то объекты вдалеке будут казаться ближе, чем они есть.
И именно 50мм — это золотая середина, которая даёт нам правильную трёхмерную картину в плане перспективы.

Перспектива и угол зрения — разные вещи и не нужно их путать.

Мысли о полтиннике как портретном объективе

Строение и свойства глаза

Следи за собой! Гимнастика для глаз Глаза и зрение

Глаз состоит из глазного яблока диаметром 22–24 мм, покрытого непрозрачной оболочкой, склерой, а спереди — прозрачной роговицей (или роговой оболочкой). Склера и роговица защищают глаз и служат для крепления глазо-двигательных мышц.

Радужная оболочка — тонкая сосудистая пластинка, ограничивающая проходящий пучок лучей. Свет проникает в глаз через

зрачок. В зависимости от освещения диаметр зрачка может изменяться от 1 до 8 мм.

Хрусталик представляет собой эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта светочувствительным слоем — сетчаткой. От сетчатки световой сигнал передается в мозг по зрительному нерву. Между сетчаткой и склерой находится сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

На сетчатке имеется желтое пятно — участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется

зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза вверх на угол около 5 градусов. Диаметр желтого пятна — около 1 мм, а соответствующее ему поле зрения глаза — 6–8 градусов.

Сетчатка покрыта светочувствительными элементами: палочками и колбочками. Палочки более чувствительны к свету, но не различают цветов и служат для сумеречного зрения. Колбочки чувствительны к цветам, но менее чувствительны к свету и поэтому служат для дневного зрения. В области желтого пятна преобладают колбочки, а палочек мало; к периферии сетчатки, наоборот, число колбочек быстро уменьшается, и остаются только палочки.

В середине желтого пятна находится центральная ямка. Дно ямки выстлано только колбочками. Диаметр центральной ямки — 0,4 мм, поле зрения — 1 градус.

В желтом пятне к большинству колбочек подходят отдельные волокна зрительного нерва. Вне желтого пятна одно волокно зрительного нерва обслуживает группу колбочек или палочек. Поэтому в области ямки и желтого пятна глаз может различать тонкие детали, а изображение, попадающее на остальные места сетчатки, становится менее четким. Периферическая часть сетчатки служит в основном для ориентирования в пространстве.

В палочках находится пигмент родопсин, собирающийся в них в темноте и выцветающий на свету. Восприятие света палочками обусловлено химическими реакциями под действием света на родопсин. Колбочки реагируют на свет за счет реакции йодопсина.

Кроме родопсина и йодопсина на задней поверхности сетчатки имеется пигмент черного цвета. При свете этот пигмент проникает в слои сетчатки и, поглощая значительную часть световой энергии, защищает палочки и колбочки от сильного светового воздействия.

На месте ствола зрительного нерва располагается слепое пятно. Этот участок сетчатки не чувствителен к свету. Диаметр слепого пятна — 1,88 мм, что соответствует полю зрения 6 градусов. Это значит, что человек с расстояния 1 м может не увидеть предмета диаметром 10 см, если его изображение проектируется на слепое пятно.

Оптическая система глаза

Оптическая система глаза состоит из роговицы, водянистой влаги, хрусталика и стекловидного тела. Преломление света в глазе происходит, главным образом, на роговице и поверхностях хрусталика.

Свет от наблюдаемого предмета проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на сетчатке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое).

Показатель преломления стекловидного тела больше единицы, поэтому фокусные расстояния глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Оптическая сила глаза (в диоптриях) вычисляется как обратное заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах. Оптическая сила глаза зависит от того, находится ли он в состоянии покоя (58 диоптрий для нормального глаза) или в состоянии наибольшей аккомодации (70 диоптрий).

Аккомодация — это способность глаза четко различать предметы, находящиеся на разных расстояниях. Аккомодация происходит за счет изменения кривизны хрусталика при натяжении или расслаблении мышц ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается, и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы кривизна хрусталика увеличивается под действием упругих сил.

В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения бесконечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близкие предметы.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой глаза.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наибольшем возможном напряжении глаза, называют ближней точкой глаза.

При аккомодации глаза на бесконечность задний фокус совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около 9 см.

Разность обратных величин расстояний между ближней и дальней точкой называют диапазоном аккомодации глаза (измеряется в диоптриях).

С возрастом способность глаза к аккомодации уменьшается.

В возрасте 20 лет для среднего глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации 10 диоптрий), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2,5 диоптрии), а к 60 годам уходит на бесконечность, то есть аккомодация прекращается. Это явление называется возрастной дальнозоркостью или пресбиопией.

Расстояние наилучшего зрения — это расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета. При нормальном зрении оно составляет в среднем 25–30 см.

Приспособление глаза к изменившимся условиям освещенности называется адаптацией. Адаптация происходит за счет изменения диаметра отверстия зрачка, перемещения черного пигмента в слоях сетчатки и различной реакцией на свет палочек и колбочек. Сокращение зрачка происходит за 5 секунд, а его полное расширение — за 5 минут.

Темновая адаптация происходит при переходе от больших яркостей к малым. При ярком свете работают колбочки, палочки же «ослеплены», родопсин выцвел, черный пигмент проник в сетчатку, заслоняя колбочки от света. При резком снижении яркости отверстие зрачка раскрывается, пропуская больший световой поток. Затем из сетчатки уходит черный пигмент, родопсин восстанавливается, и когда его становится достаточно, начинают функционировать палочки. Так как колбочки не чувствительны к слабым яркостям, то сначала глаз ничего не различает. Чувствительность глаза достигает максимального значения через 50–60 минут пребывания в темноте.

Световая адаптация — это процесс приспособления глаза при переходе от малых яркостей к большим. Сначала палочки сильно раздражены, «ослеплены» из-за быстрого разложения родопсина. Колбочки, не защищенные еще зернами черного пигмента, также раздражены слишком сильно. Через 8–10 минут чувство ослепления прекращается, и глаз снова видит.

Поле зрения глаза достаточно широкое (125 градусов по вертикали и 150 градусов по горизонтали), но для ясного различения используется только его малая часть. Поле наиболее совершенного зрения (соответствующее центральной ямке) — около 1–1,5°, удовлетворительного (в области всего желтого пятна) — около 8° по горизонтали и 6° по вертикали. Вся остальная часть поля зрения служит для грубого ориентирования в пространстве. Для обозрения окружающего пространства глазу приходится совершать непрерывное вращательное движение в своей орбите в пределах 45–50°. Это вращение приводит изображения различных предметов на центральную ямку и дает возможность рассмотреть их детально. Движения глаза совершаются без участия сознания и, как правило, не замечаются человеком.

Угловой предел разрешения глаза — это минимальный угол, при котором глаз наблюдает раздельно две светящиеся точки. Угловой предел разрешения глаза составляет около 1 минуты и зависит от контраста предметов, освещенности, диаметра зрачка и длины волны света. Кроме того, предел разрешения увеличивается при удалении изображения от центральной ямки и при наличии дефектов зрения.

Дефекты зрения и их коррекция

При нормальном зрении дальняя точка глаза бесконечно удалена. Это означает, что фокусное расстояние расслабленного глаза равно длине оси глаза, и изображение попадает точно на сетчатку в области центральной ямки.

Такой глаз хорошо различает предметы вдали, а при достаточной аккомодации — и вблизи.

Близорукость

При близорукости лучи от бесконечно удаленного предмета фокусируются перед сетчаткой, поэтому на сетчатке формируется размытое изображение.

Чаще всего это происходит из-за удлинения (деформации) глазного яблока. Реже близорукость возникает при нормальной длине глаза (около 24 мм) из-за слишком большой оптической силы оптической системы глаза (более 60 диоптрий).

В обоих случаях изображение от удаленных предметов находится внутри глаза, а не на сетчатке. На сетчатку попадает только фокус от близко расположенных к глазу предметов, то есть дальняя точка глаза находится на конечном расстоянии перед ним.

Дальняя точка глаза

Близорукость корректируется при помощи отрицательных линз, которые строят изображение бесконечно удаленной точки в дальней точке глаза.

Дальняя точка глаза

Близорукость чаще всего появляется в детском и подростковом возрасте, причем по мере роста глазного яблока в длину близорукость увеличивается. Истинной близорукости, как правило, предшествует так называемая ложная близорукость — следствие спазма аккомодации. В этом случае можно восстановить нормальное зрение при помощи средств, расширяющих зрачок и снимающих напряжение ресничной мышцы.

Дальнозоркость

При дальнозоркости лучи от бесконечно удаленного предмета фокусируются за сетчаткой.

Дальнозоркость вызывается слабой оптической силой глаза для данной длины глазного яблока: либо короткий глаз при нормальной оптической силе, либо малая оптическая сила глаза при нормальной длине.

Чтобы сфокусировать изображение на сетчатке, приходится все время напрягать мышцы ресничного тела. Чем ближе предметы к глазу, тем все дальше за сетчатку уходит их изображение и тем больше требуется усилий мышц глаза.

Дальняя точка дальнозоркого глаза находится за сетчаткой, т. е. в расслабленном состоянии он может четко увидеть лишь предмет, который находится позади него.

Дальняя точка глаза

Конечно, поместить предмет за глаз нельзя, но можно спроецировать туда его изображение при помощи положительных линз.

Дальняя точка глаза

При небольшой дальнозоркости зрение вдаль и вблизи хорошее, но могут быть жалобы на быструю утомляемость и головную боль при работе. При средней степени дальнозоркости зрение вдаль остается хорошим, а вблизи затруднено. При высокой дальнозоркости плохим становится зрение и вдаль, и вблизи, так как исчерпаны все возможности глаза фокусировать на сетчатке изображение даже далеко расположенных предметов.

У новорожденного глаз немного сдавлен в горизонтальном направлении, поэтому у глаза есть небольшая дальнозоркость, которая проходит по мере роста глазного яблока.

Аметропия

Аметропия (близорукость или дальнозоркость) глаза выражается в диоптриях как величина, обратная расстоянию от поверхности глаза до дальней точки, выраженной в метрах.

Оптическая сила линзы, необходимая для коррекции близорукости или дальнозоркости, зависит от расстояния от очков до глаза. Контактные линзы располагаются вплотную к глазу, поэтому их оптическая сила равна аметропии.

Например, если при близорукости дальняя точка находится перед глазом на расстоянии 50 см, то для ее исправления нужны контактные линзы с оптической силой в −2 диоптрии.

Слабая степень аметропии считается до 3 диоптрий, средняя — от 3 до 6 диоптрий и высокая степень — выше 6 диоптрий.

Астигматизм

При астигматизме фокусные расстояния глаза различны в разных сечениях, проходящих через его оптическую ось. При астигматизме в одном глазу сочетаются эффекты близорукости, дальнозоркости и нормального зрения. Например, глаз может быть близоруким в горизонтальном сечении и дальнозорким в вертикальном сечении. Тогда на бесконечности он не сможет видеть ясно горизонтальных линий, а вертикальные будет четко различать. На близком расстоянии, наоборот, такой глаз хорошо видит вертикальные линии, а горизонтальные будут расплывчатыми.

Причина астигматизма либо в неправильной форме роговицы, либо в отклонении хрусталика от оптической оси глаза. Астигматизм чаще всего является врожденным, но может стать следствием операции или глазной травмы. Кроме дефектов зрительного восприятия, астигматизм обычно сопровождается быстрой утомляемостью глаз и головными болями. Астигматизм корректируется при помощи цилиндрических (собирательных или рассеивающих) линз в сочетании со сферическими линзами.

Глаза и фотоаппарат. Что общего между ними?

19 августа считается Всемирным днем фотографии. А ведь этот праздник мы можем отмечать каждый день: наши глаза — своеобразные фотоаппараты, они каждую секунду фиксируют сотни и даже тысячи изображений.

Между фотоаппаратом и человеческим глазом и правда много общего. Можно сказать, что механизм первого практически списан со второго. Если проводить аналогии: зрачок глаза — тот же объектив, а хрусталик — фокусирующий элемент объектива. Роговица работает как передний элемент объектива, который преломляет входящий свет и в то же время защищает зрачок от ультрафиолета. Радужка похожа на диафрагму — она также расширяется и сужается, чтобы определить размер зрачка. Мозг же выступает процессором, который хранит и обрабатывает данные.

Но это лишь подобие в конструкции. Схожи ли характеристики этих двух объектов? Давайте сравним.

Количество мегапикселей

Если этот параметр сразу задан у фотоаппаратов, и многие ориентируются на него при покупке, то для глаз определить его довольно сложно. Во-первых, изображение, возникающее в мозге, появляется не одномоментно, а постепенно, информация собирается и обрабатывается непрерывающимся потоком. Во-вторых, если фотоаппарат фиксирует картинку целиком (от одного края и до другого), то глаз отмечает лишь часть изображения в поле зрения. В-третьих, на этот параметр влияет возраст и состояние здоровья человека.

Однако считается, что у человеческого глаза более 100 мегапикселей. В то время как у хорошего фотоаппарата — 22. А у современного смартфона — всего 10-12.

Фокусное расстояние

Это длина от точки фокусировки до линзы фотоаппарата. Чем она меньше, тем больше помещается в кадр. Чем больше, тем ближе становятся удаленные предметы.

С учетом возраста, здоровья человека, освещения и расстояния до предмета фокусное расстояние глаз может быть от 17 до 24 мм. А в фотоаппарате оно может доходить и до 200 мм. К сожалению, мы не умеем настраивать глаза, чтобы приближать далекие предметы.

Чувствительность

Глаза человека обладают удивительной способностью приспосабливаться к условиям освещения. Мы можем видеть и при ярком солнце, и в темени. При свете ISO (чувствительность) составляет 1, ближе к темноте — 800. У фотоаппаратов этот показатель всегда в районе 100, что говорит об их неспособности адаптироваться.

Угол обзора

Стандартный угол обзора фотоаппарата — 46. Поле зрения человека — 55 градусов вверх, 60 вниз, 90 наружу и 60 внутрь. Так, человек может видеть до 125 градусов по вертикали и 150 по горизонтали, но качество изображения на периферии не столь высокое.

Но главное отличие глаз и фотоаппарата — конечно, количество линз. У человека их всего две, а у фотоаппарата доходит до 11. При этом глаз все же остается самым совершенным способом восприятия информации.

Читайте также:

Как выбрать объектив для фотоаппарата

Если вы всерьез увлеклись фотографией, то помимо хорошей камеры нужно еще купить набор объективов. Имея несколько объективов можно наиболее точно подобрать оборудование под условия съемки и получить качественные снимки. О том, как выбрать объектив, какие объективы бывают, на какие параметры обратить внимание узнаем в статье Shop. by.

{«id»:184648,»url»:»https:\/\/vc.ru\/u\/637936-shop-by\/184648-kak-vybrat-obektiv-dlya-fotoapparata»,»title»:»\u041a\u0430\u043a \u0432\u044b\u0431\u0440\u0430\u0442\u044c \u043e\u0431\u044a\u0435\u043a\u0442\u0438\u0432 \u0434\u043b\u044f \u0444\u043e\u0442\u043e\u0430\u043f\u043f\u0430\u0440\u0430\u0442\u0430″,»services»:{«facebook»:{«url»:»https:\/\/www.facebook.com\/sharer\/sharer.php?u=https:\/\/vc.ru\/u\/637936-shop-by\/184648-kak-vybrat-obektiv-dlya-fotoapparata»,»short_name»:»FB»,»title»:»Facebook»,»width»:600,»height»:450},»vkontakte»:{«url»:»https:\/\/vk.com\/share.php?url=https:\/\/vc.ru\/u\/637936-shop-by\/184648-kak-vybrat-obektiv-dlya-fotoapparata&title=\u041a\u0430\u043a \u0432\u044b\u0431\u0440\u0430\u0442\u044c \u043e\u0431\u044a\u0435\u043a\u0442\u0438\u0432 \u0434\u043b\u044f \u0444\u043e\u0442\u043e\u0430\u043f\u043f\u0430\u0440\u0430\u0442\u0430″,»short_name»:»VK»,»title»:»\u0412\u041a\u043e\u043d\u0442\u0430\u043a\u0442\u0435″,»width»:600,»height»:450},»twitter»:{«url»:»https:\/\/twitter. com\/intent\/tweet?url=https:\/\/vc.ru\/u\/637936-shop-by\/184648-kak-vybrat-obektiv-dlya-fotoapparata&text=\u041a\u0430\u043a \u0432\u044b\u0431\u0440\u0430\u0442\u044c \u043e\u0431\u044a\u0435\u043a\u0442\u0438\u0432 \u0434\u043b\u044f \u0444\u043e\u0442\u043e\u0430\u043f\u043f\u0430\u0440\u0430\u0442\u0430″,»short_name»:»TW»,»title»:»Twitter»,»width»:600,»height»:450},»telegram»:{«url»:»tg:\/\/msg_url?url=https:\/\/vc.ru\/u\/637936-shop-by\/184648-kak-vybrat-obektiv-dlya-fotoapparata&text=\u041a\u0430\u043a \u0432\u044b\u0431\u0440\u0430\u0442\u044c \u043e\u0431\u044a\u0435\u043a\u0442\u0438\u0432 \u0434\u043b\u044f \u0444\u043e\u0442\u043e\u0430\u043f\u043f\u0430\u0440\u0430\u0442\u0430″,»short_name»:»TG»,»title»:»Telegram»,»width»:600,»height»:450},»odnoklassniki»:{«url»:»http:\/\/connect.ok.ru\/dk?st.cmd=WidgetSharePreview&service=odnoklassniki&st.shareUrl=https:\/\/vc.ru\/u\/637936-shop-by\/184648-kak-vybrat-obektiv-dlya-fotoapparata»,»short_name»:»OK»,»title»:»\u041e\u0434\u043d\u043e\u043a\u043b\u0430\u0441\u0441\u043d\u0438\u043a\u0438″,»width»:600,»height»:450},»email»:{«url»:»mailto:?subject=\u041a\u0430\u043a \u0432\u044b\u0431\u0440\u0430\u0442\u044c \u043e\u0431\u044a\u0435\u043a\u0442\u0438\u0432 \u0434\u043b\u044f \u0444\u043e\u0442\u043e\u0430\u043f\u043f\u0430\u0440\u0430\u0442\u0430&body=https:\/\/vc. ru\/u\/637936-shop-by\/184648-kak-vybrat-obektiv-dlya-fotoapparata»,»short_name»:»Email»,»title»:»\u041e\u0442\u043f\u0440\u0430\u0432\u0438\u0442\u044c \u043d\u0430 \u043f\u043e\u0447\u0442\u0443″,»width»:600,»height»:450}},»isFavorited»:false}

В каких фотоаппаратах используются съемные объективы

Возможность смены объектива предполагает определенный уровень фотоаппарата. Как правило, компактные фотоаппараты, предназначенные для любительской съемки, не предполагают смены объектива. Съемные объективы бывают у следующих фотоаппаратов:

зеркальных;
беззеркальных.

О советах по выбору фотоаппарата, читайте здесь.

Важные характеристики фотообъективов:

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние — это одна из основных физических характеристик любой оптической системы: объектива, линзы, телескопа, микроскопа и т.д. Говоря простым языком, фокусное расстояние объектива — это расстояние от центра схождения оптических лучей внутри него до матрицы фотоаппарата. Фокусное расстояние обычно измеряется в мм. От фокусного расстояния зависят степень увеличения и угол обзора. Чем короче фокусное расстояние, тем более широкий угол обзора можно получить на фотографии.

Напротив, длинное фокусное расстояние предполагает небольшой угол обзора, и такие объективы могут фотографировать далекие объекты.

Профессиональные фотографы советуют начинать постигать азы творчества с объективов с фиксированным фокусным расстоянием.

По величине фокусного расстояния объективы разделяются на широкоугольные, стандартные, объективы с фиксированным фокусным расстоянием, длиннофокусные и зумы (с переменным фокусным расстоянием)

Подробнее о них расскажем ниже.

Светосила и диафрагма

Светосилой называют пропускную способность объектива. Она показывает, сколько световой энергии может пройти через объектив (ведь часть света теряется). Чем выше светосила, тем более качественные снимки можно получать в условиях дефицита света. Значения светосилы зависят от диафрагмы и фокусного расстояния. Оно равно отношению максимально открытой диафрагмы к фокусному расстоянию. Обозначается цифрами 1:1.8 или f/1.8. Здесь 1.8 — это диафрагменное число. Чем оно меньше, тем большую светосилу имеет объектив. Так, объектив f/1.8 собирает больше света, чем объектив f/2.8, поэтому его предпочтительнее использовать в условиях низкой освещенности.

Несколько слов о том, что такое диафрагма. Проще говоря диафрагма — конструкция из специальных лепестков внутри объектива которая позволяет регулировать световой поток. Нагляднее всего сравнить работу диафрагмы можно со зрачком человеческого глаза. Зрачок регулирует количество света, которое попадает на сетчатку глаза. При ярком свете он сужается, защищая сетчатку от повреждения, а в темноте наши зрачки максимально расширены, чтобы собрать больше света. Когда говорят «привыкнуть к темноте» это означает, что зрачкам нужно время, чтобы максимально расшириться. Поэтому мы начинаем лучше видеть.

С диафрагмой ситуация похожая. Чем больше открыта диафрагма, тем больше света попадает на сенсор, и тем ярче получаются снимки в условиях плохой освещенности.

Диафрагма имеет определенные значения. Величину диафрагмы указывает так называемый диафрагменный ряд — это последовательность чисел 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11.

Отношение фокусного расстояния объектива к размеру отверстия диафрагмы называется диафрагменным числом. Оно показывает, насколько диафрагма открыта. Обозначается как f/х или f:х, где f — фокусное расстояние, а х-диаметр объектива.

Глубина резкости

Глубина резкости это расстояние на изображении, в котор

Строение глаза при близорукости и дальнозоркости

Дальнозоркость и близорукость — самые частые нарушения зрения у человека. Основной причиной этих заболеваний являются анатомические особенности органов зрения, которые отличаются при миопии и гиперметропии. Каково же строение нашего глаза в данных случаях и отчего это зависит? Расскажем подробней в статье.

Глаз человека — сложнейшая оптическая система. Наше глазное яблоко по форме похоже на шар диаметром в норме примерно 23-25 мм. Свет, отраженный от окружающих предметов, поступает в глаз, проходит через роговицу и хрусталик и проецируется на сетчатку. Светочувствительные клетки, расположенные на ней, обрабатывают информацию и передают в определенные участки мозга по зрительному нерву.

За точную фокусировку света на сетчатке отвечает хрусталик — естественная двояковыпуклая линза, с помощью цилиарной мышцы он способен менять свою кривизну. При взгляде на удаленные объекты он уплощается, а при видении вблизи становится более выпуклым и сильней преломляет свет. Такое свойство хрусталика менять преломляющую силу, а также фокусную точку глаза, называется аккомодацией.

При видении на дальние или ближние расстояния изменяется также размер самого глазного яблока, за это отвечают специальные мышцы. Чтобы рассмотреть предмет вблизи, глаз немного вытягивается, и, наоборот, округляется при взгляде на далекие объекты. При наличии патологий в органах зрения световые лучи могут фокусироваться за сетчаткой, отчего возникает дальнозоркость, либо перед ней, что ведет к близорукости. Рассмотрим подробней строение глаза при этих двух заболеваниях.

Отличия близорукости и дальнозоркости

При дальнозоркости человек размыто видит предметы, расположенные вблизи, ему трудно прочитать текст, выполнить работу с мелкими деталями, зато он ясно и четко различает объекты на дальних расстояниях. При миопии же, наоборот, для ближнего зрения характерно высокое качество, а вот предметы на удалении уже расплываются.

Близорукость и дальнозоркость различаются еще и тем, что миопия чаще всего обусловлена генетической предрасположенностью и проявляется в раннем детском возрасте, тогда как патологическая гиперметропия (в отличие от физиологической, присущей всем людям при рождении) начинает развиваться обычно после 40-45 лет (возрастная дальнозоркость). Это неизбежный процесс для всех людей.

Строение глаза при дальнозоркости

При данной патологии оптический фокус находится не точно на сетчатке, а за ней. Причин этому может быть несколько:

укороченный размер глазного яблока. В норме у человека этот орган имеет диаметр 23-25 мм. При его слишком малом размере (19-22 мм) фокус «уходит» за глаз, минуя сетчатку;
слишком плоская роговица, которая обладает низкой преломляющей способностью;
смещение хрусталика вперед, что приводит к неправильной фокусировке световых лучей. Он вынужден постоянно напрягаться, чтобы сосредоточиться на предмете вблизи;
аномалии хрусталика: микрофакия (слишком маленький его размер), афакия (полное отсутствие хрусталика) или же расположение этой естественной линзы на ненадлежащем месте (смещение).

Физиологическая дальнозоркость присуща всем людям при рождении. Младенец появляется на свет, имея слабую степень гиперметропии примерно 2-4 диоптрии. Это объясняется тем, что органы зрения новорожденного развиты еще не полностью, и размер глазного яблока составляет всего 17-18 мм. По мере роста детского организма растут и глаза. В норме к первому году жизни степень дальнозоркости должна составлять не более 2,5 диоптрий, постепенно снижаясь, и, при отсутствии патологий, гиперметропия должна пройти к 14-летнему возрасту.

Дальнозоркость распознать гораздо сложней, чем близорукость, особенно при слабых и средних степенях. По сути, наши глаза сами борются с гиперметропией, постоянно напрягая цилиарную мышцу, что позволяет человеку видеть предметы одинаково хорошо на разных расстояниях. Но вот к 40-45 годам, когда мышца ослабевает в связи с возрастом и не в состоянии работать в полную силу, проявляется пресбиопия, называемая также старческой дальнозоркостью. При этом больше преимуществ имеют люди, страдающие небольшими степенями миопии — происходит компенсация минусовых диоптрий плюсовыми, и видимость вблизи даже немного улучшается. Тем же, у кого было нормальное до этого зрение, начинают носить очки или линзы со знаком «плюс».

Основные изменения в глазах при пресбиопии происходят с хрусталиком. Начинается его возрастная дегенерация: он становится неэластичен, ядро уплотняется, падает аккомодация. В результате таких преобразований хрусталик теряет способность к увеличению радиуса кривизны при рассмотрении близко расположенных предметов, и их приходится отодвигать все дальше от глаз.

При сильных степенях дальнозоркости нечеткое зрение диагностируется как вблизи, так и на очень далекие расстояния, и при такой форме гиперметропии существует риск развития глаукомы.

Слишком короткая ось или смещение хрусталика вперед может привести к частичной блокировке дренажных путей, через которые отводится внутриглазная жидкость, что способствует увеличению давления в глазном яблоке и повышает риск возникновения глаукомы.

Строение глаз при близорукости

В отличие от дальнозоркости, при миопии, наоборот, глазное яблоко имеет увеличенный размер, причем выделяют два вида близорукости.
Если удлинена глазная ось — расстояние от края роговицы до сетчатки, то такая миопия называется осевой. Если же роговица имеет чрезмерно выпуклую форму, то лучи света преломляются слишком сильно, и этот вид называется рефракционной близорукостью. Обычно они сочетаются между собой.

Миопия представляет большую опасность для здоровья глаз, чем дальнозоркость. Это заболевание начинает развиваться, как правило, с началом обучения в школе, когда зрительные нагрузки у ребенка резко возрастают. В это же время его организм интенсивно растет, увеличиваются в размерах все органы, в том числе и глаза. Слишком резкий рост по переднезадней оси может сопровождаться нарушениями: растягивается сетчатка вследствие увеличения глазного яблока, а это чревато ее отслоением или разрывом. В этот период родителям важно обращать внимание на состояние зрения ребенка и при тревожных симптомах обратиться к офтальмологу. От своевременной диагностики зависит успешная коррекция и лечение близорукости.

При наличии этой патологии раньше было запрещено рожать естественным путем, так как в момент родов сильно повышается внутриглазное и артериальное давление, и глаза испытывают большое напряжение, что нередко приводит к разрыву или отслойке сетчатой оболочки. Сейчас беременным женщинам с миопией высоких степеней делается лазерная коагуляция сетчатки, которая позволяет укрепить ее и прочно соединить с сосудистой оболочкой, поэтому риск повреждений практически отсутствует.

В детском возрасте также разрешена единственная операция на глазах для приостановления прогрессирующей близорукости, которая называется склеропластика. Позади глазного яблока прикрепляется небольшая полоска биоткани, которая укрепляет склеру и не дает ей растягиваться. Однако ни один способ не дает абсолютной гарантии приостановки развития миопии.

Глаза при одновременной близорукости и дальнозоркости

Бывает и так, что у человека одновременно наблюдаются миопия и гиперметропия. Это может проявляться из-за следующих факторов:

искривленная форма роговицы;
пресбиопия;
наличие астигматизма;
нарушения в зрительном центре головного мозга и прочие.

В случае пресбиопии происходит снижение эластичности хрусталика глаза, падает его способность к аккомодации. При развитии возрастной дальнозоркости на фоне небольшой миопии это происходит незаметно для человека, но вот при высоких степенях близорукости приходится носить либо две пары очков, либо сложные мультифокальные контактные линзы, так как зрение нечеткое на разных расстояниях.

Астигматизм бывает миопический, гиперметропический и смешанный, когда у человека присутствуют близорукость и дальнозоркость. Чаще всего они бывают на разных глазах, но при осложнениях эти дефекты могут наблюдаться одновременно на одном из них.

При астигматизме глаза быстро устают, так как находятся в постоянном напряжении. Лучше всего от него избавляться с помощью микрохирургических операций, которые вернут четкость зрения вблизи и вдали.

Лечение миопии и гиперметропии

Существует несколько способов вернуть хорошее зрение, изменив поверхность роговицы или заменив в глазу хрусталик на искусственный — интраокулярную линзу. Эта процедура называется ленсэктомия. Операции ЛАСИК и ЛАСЕК, которые выполняются с помощью эксимерного лазера, позволяют придать роговице такую форму, что световые лучи при прохождении через нее будут фокусироваться точно на сетчатку. Такие операции выполняются в клиниках всего мира на современном офтальмологическом оборудовании и гарантируют высокую четкость зрения на долгие годы.

Таким образом, современная медицина способна вернуть хорошее зрение даже при самых сложных нарушениях зрения, важно лишь вовремя диагностировать патологию и обратиться к специалисту за помощью.

Оптическая сила линзы. Глаз как оптическая система. Оптические приборы. Физика, 8 класс: уроки, тесты, задания.

1.	Строение глаза Сложность: лёгкое	1
2.	Фокусное расстояние глаза Сложность: лёгкое	2
3.	Оптическая сила линзы Сложность: лёгкое	2
4.	Оптическая сила системы двух линз Сложность: лёгкое	2
5.	Оптическая сила системы линз Сложность: среднее	3
6.	Фокусное расстояние линзы объектива Сложность: среднее	3
7.	Предмет в лупе Сложность: среднее	3
8.	Проекционный аппарат Сложность: сложное	3
9.	Фотография здания Сложность: среднее	4
10.	Очки для коррекции зрения Сложность: сложное	5

Какое фокусное расстояние ближе всего к человеческому зрению? (Подкаст 591) · Martin Bailey Photography

После недавнего вопроса, сегодня мы собираемся исследовать, как мы видим и как мы воспринимаем сцену, в зависимости от чисел фокусных расстояний, с которыми мы знакомы по объективам наших фотоаппаратов.

Перед тем, как мы начнем, я хотел бы извиниться за то, что пропустил выпуск прошлой недели. Я все еще много работаю над обновлением нашего приложения для iOS, и хотя оно почти завершено, последние несколько недель оно отняло у меня почти все время.Поскольку некоторые люди, использующие старую версию, обнаруживают, что она не работает на iOS 11, я уделяю большое внимание завершению работы над приложением.

При этом, это будет относительно короткий эпизод, но тема сегодняшнего поста всплывала у меня в голове после вопроса слушателя, поэтому я подумал, что выскажу это, прежде чем начать новую неделю работы над приложением. очередной раз.

Меня спросили, какое фокусное расстояние ближе всего к человеческому глазу, 50 мм, 24 мм или что-то еще. Это заставило меня задуматься, потому что сам вопрос требует некоторого внимания.Во-первых, у большинства из нас есть два глаза, а не один, как у наших фотоаппаратов, и наш мозг прекрасно справляется со стыковкой этих двух изображений вместе, чтобы обеспечить нам несколько панорамный, если не кинематографический, вид на мир.

Об этом много говорят в Интернете, но есть одна статья, на которую я хотел бы обратить ваше внимание как на одну из лучших статей, как, например, статья Аллана Вайца на веб-сайте B&H. Вот. Аллан дает отличную информацию по этому вопросу в своем посте, а о фокусном расстоянии он заявляет, что мы видим мир с фокусным расстоянием около 22 мм.

Итак, хотя у меня нет причин не согласиться с этим как с биологическим эквивалентом, основанным на том, как мы видим мир, я не могу не думать о том, что мы на самом деле пытаемся понять в первую очередь. Часто говорят, что объектив 50 мм является «стандартным» фокусным расстоянием. Это фокусное расстояние линз, которые раньше поставлялись со многими из первых камер, и, безусловно, хорошее фокусное расстояние для работы, но оно немного длинное по сравнению с тем, как мы биологически воспринимаем мир.Однако, как я объясню, это на самом деле немного шире, чем кажется наиболее естественным с точки зрения перспективы, если вы рассматриваете взаимосвязь между элементами сцены.

Самая естественная перспектива

Давайте рассмотрим тот факт, что соотношение между различными элементами в сцене меняется по мере того, как мы меняем расстояние до объекта и фокусное расстояние. Чем ближе мы находимся к нашему основному объекту и чем шире фокусное расстояние, тем более искажается сцена.По мере того как мы возвращаемся и используем более длинные фокусные расстояния, то есть увеличиваем масштаб, мы начинаем видеть, как элементы сжимаются и кажутся ближе друг к другу, чем они есть на самом деле.

Я подробно рассказывал об этом в своем посте «Влияние расстояния до объекта и фокусного расстояния на перспективу», и именно здесь я получил вопрос, вызвавший сегодняшний эпизод. Если вы посмотрите на пример изображения 24 мм из этого поста, вы увидите, что при съемке с фокусным расстоянием 24 мм, с которого я начал свои тесты, далекие объекты смотрят очень далеко.Это всего лишь тестовые снимки, ничего особенного, вот (ниже) 24-миллиметровый снимок, чтобы избежать щелчков.

Дерево и электростанция на 24 мм

На 24 мм электростанция на расстоянии едва заметна, но мои воспоминания из детства, когда я рос, глядя на эту электростанцию вдалеке, связаны с чем-то гораздо большим, чем это . Конечно, наш мозг на самом деле увеличивает интересующие элементы и изолирует их до такой степени, что мы можем просматривать их в полноэкранном режиме, но мы поговорим об этом позже.

Тест естественной перспективы

То, что я решил сделать, и это был совет, который я дал Гектору в ответ на его вопрос по этому поводу, — просто поднять камеру к моему глазу и отрегулировать масштаб до тех пор, пока элементы сцены не будут видны. выглядела точно такого же размера, как и реальная сцена перед моими глазами. Это требует некоторых настроек, но я обнаружил, что на моей камере Canon 5Ds R с полнокадровым сенсором и объективом Canon 24-105 мм 68 мм была наиболее близкой к тому, что я вижу на самом деле.

Хотя я согласен с тем, что с биологической точки зрения 22 мм ближе к тому, как мы видим мир нашими глазами и мозгом, если взаимосвязь между элементами сцены важна для вас, вы можете рассмотреть возможность проведения аналогичных тестов с вашей собственной камерой и сохранения результаты в памяти во время работы.

Вот пример фотографии 70 мм из моей предыдущей публикации о перспективе, и, как вы можете видеть, электростанция на этом снимке намного больше и намного ближе, намного больше похожа на то, что я помню из своего детства. Несмотря на то, что дерево в раме точно такого же размера, как 24 мм, потому что я отодвинулся подальше, электростанция намного больше дерева на 70 мм.

Дерево и электростанция на 70 мм

Исходя из этого, я хотел бы предложить, чтобы перед тем, как вы фиксируете фокусное расстояние, такое как 22, 24 или 50 мм, как ближайшее фокусное расстояние к человеческому глазу, я настоятельно рекомендую вам подумать Сначала о том, что вы действительно хотите запечатлеть на своем изображении.

Видение и восприятие

То, как мы видим и как мы воспринимаем мир, — это две очень разные вещи. Фокусное расстояние 24 мм может быть отличным вариантом для фотографии, когда вы хотите показать примерно то количество сцены, которое мы можем видеть нашим периферическим зрением, но это не то, что мы видим нашим мозгом. Наш мозг постоянно приближает различные элементы сцены перед нами, исследуя детали на гораздо более близком расстоянии, чем мы можем их фактически увидеть, и, как мы видели, перспектива и взаимосвязь между элементами сцены полностью отсутствуют на 24 мм. .

Вот почему я всегда был сторонником фотографирования того, что я называю «интимными» пейзажами, снятыми с большим фокусным расстоянием. Я снимаю пейзажи на сверхшироком фокусном расстоянии, и мне очень нравятся такие фотографии, но они разные и не передают сцену красотой отдельных элементов, которые, по крайней мере, для меня, что обычно меня волнует. больше всего о сцене.

Я выбрал серию изображений из Ландманналаугара в Исландии, чтобы лучше объяснить свою точку зрения.В этом первом примере было снято на 21 мм, что очень близко к тому, как мы должны видеть мир с биологической точки зрения, поток на переднем плане изображен намного больше, чем он есть на самом деле по отношению к остальной части долины, потому что я был близко к ручью глядя на это сверху вниз. Кроме того, горы вдалеке полны деталей, которые я хочу запечатлеть, но они как бы теряются на этой фотографии, хотя и обеспечивают хороший фон. Кроме того, в этой сцене на 21 мм теряются овцы.

Том 1, Глава 33.Человеческий глаз как оптическая система

Визуальное различение можно разделить на три большие категории: свет различение или обнаружение света и цвета; пространственная дискриминация, или умение различать формы и отношения в пространстве; и временная дискриминация, связанная с изменяющимися во времени стимулами. разрешение и острота зрения представляют зрительные способности в категории пространственное различение. Общий диапазон зрительных способностей как следующие:

Распознавание света
1. Чувствительность к яркости или способность обнаруживать очень слабый свет
2. Распознавание яркости или способность обнаруживать пороговые изменения или различия в яркости источников света
3. Контраст яркости, связанный с различиями яркости на уровнях хорошо выше порога и их визуальное взаимодействие
4. Цветовая дискриминация или способность распознавать цвета
Пространственная дискриминация
1. Типы остроты зрения
  1. Минимальная видимая и воспринимаемая острота: способность обнаруживать присутствие объектов в поле зрения без их наименования или разрешения
  2. Минимальная разделяемая острота зрения: способность разрешать отдельные части изображения
  3. Повышенная острота зрения и острота нониуса: способность локализовать небольшие смещения одной части объекта по отношению к другим частям
  4. Минимальная острота зрения: способность распознавать узор, такой как буква
  5. Функция контрастной чувствительности глаза
2. Распознавание расстояния или способность судить абсолютные или относительные расстояния объектов.
3. Распознавание движения или способность определять относительный или абсолютный угол движение
Временная дискриминация: рост и угасание ощущений, вызванных изменяющимися во времени стимулы, такие как мерцающий свет

Распознавание света может показаться неуместным для глаза как оптическая система. Однако будет показано, что острота зрения, разрешение и чувствительность к пространственному контрасту напрямую связана с различением яркости.Следующее обсуждение будет посвящено свету. и пространственные различия в контексте их влияния от остроты зрения, разрешения и пространственной контрастной чувствительности.

Плотность палочек и колбочек от носа до височного края сетчатка (рис. 38) является основой для понимания визуального различения. Конусы сконцентрированы в фовеа и имеют плотность упаковки примерно в 18 раз больше, чем где-либо в сетчатке. В ямке нет стержней.Oни достигают максимальной плотности примерно на 18–20 градусах от ямки. Ни то, ни другое в слепой зоне не обнаружены прутья или колбочки. На рисунке 39 показана относительная чувствительность к разным длинам волн света. стержней и конусов. Фотопическое зрение для четкого распознавания опосредуется шишками. Стержни, чувствительные к низкой освещенности, используется для скотопического зрения.

Рис. 38. Популяционная кривая палочка-колбочка, измеренная в заштрихованной зоне сетчатки. на вставке.(Чапанис А. Как мы видим. В: Человеческий фактор в подводных войнах. Вашингтон, округ Колумбия: Национальные Research Council, 1949.)

ДИСКРИМИНАЦИЯ СВЕТА

Чувствительность к яркости

Чувствительность к яркости — это способность обнаруживать очень слабый источник света. на черном фоне. Хехт и его сотрудники ¹⁵ провели классический эксперимент, чтобы найти минимум энергии, необходимый для зрения. В объект был адаптирован к темноте для максимальной чувствительности. Они использовали свет с длиной волны 510 нм, соответствующей пиковой спектральной чувствительности стержней, показанных на рисунке 39.Источник, дающий 10 угловых минут, смещен на 20 футов от оси, чтобы соответствовать с областью наибольшей плотности стержня светилась в течение 0,001 секунды.

Порог обнаружения соответствует примерно от 50 до 150 фотонов. поражая роговицу. Из них около 50% абсорбируются и отражается окулярной средой, оставляя от 25 до 75 фотонов для удара сетчатка. Только около 20% этих фотонов поглощается родопсином, поэтому осталось только 5-15 фотонов, чтобы возбудить зрение.Потому что они падают на 10-минутном участке сетчатки, содержащем около 500 стержней, вероятность падения более чем одного фотона на любой стержень очень мало. Таким образом свет можно увидеть, когда каждый фотон поглощается другим стержнем. когда один фотон поглощается, он поглощается одной молекулой родопсина. Этот одиночная молекула инициирует цепочку реакций, в результате чего при нервном возбуждении и восприятии света. Удивительно, но сетчатка стержень достигает абсолютного предела чувствительности, установленного квантовой и молекулярные теории.

Дискриминация по яркости

Дискриминация по яркости — это способность обнаруживать небольшие различия в яркость между двумя источниками света или пороги разницы яркости (LDT). Дано две смежные поверхности одного цвета, но слегка разная яркость, L и L + ΔL, субъект должен обнаруживать более яркая поверхность; ΔL равно LDT.

Абсолютный порог, описанный ранее, является частным случаем LDT. где L = 0 и показывает способность обнаруживать свет на темном фоне.Яркость дискриминация, однако, определяет способность различать форма и узор предметов.

Вебер ²⁰ сформулировал обобщенное выражение, применимое к различению яркости, заявив что для того, чтобы различие было обнаружено, оно должно быть почти постоянная доля яркости фона, или ΔL / L = постоянная. Этот соотношение яркости составляет около 1% и было обнаружено Бугером в 1760 году. Вебер расширил его на другие смыслы.Фактически Закон Вебера не работает при низком и высоком уровнях яркости.

Яркость Контрастность

Выражается в процентах, (ΔL / L) × 100 также называется яркостью контраст; ΔL — разница в яркости между объектами и фон, а L — яркость фона. Яркость контраст зависит от размера объекта, яркости фона, длина волны, область стимулирования сетчатки и форма объекта. Рисунок 40 показывает, что требуются меньшие различия в яркости (меньший контраст), поскольку освещенность L увеличивается.Для более крупных объектов требуется меньшая контрастность быть различимым.

Рис. 40. Кривая дискриминации контраста. Наименьший контраст, необходимый для объекта быть обнаруженным на его фоне, уменьшается по мере того, как яркость (в логарифмические единицы миллиламбертов) увеличивается. Глаз может обнаружить различия в яркости предметов лучше по мере увеличения освещенности. (Wulfeck JW et al: Vision in Military Aviation. Технический отчет WADC. 58–399. Центр развития воздуха Райта, Огайо, ноябрь.1959.)

Чувствительность к пространственному контрасту

Острота зрения, измеренная черными буквами Снеллена на белом фоне, не соответствует действительности. информировать о способности человека видеть цели низкая контрастность, которая обычно составляет реальный мир. Более полная оценка зрения обеспечивается путем измерения функции контрастной чувствительности (CSF). Этот обычно делается с помощью пространственных синусоидальных шаблонов, которые можно варьировать по контрасту и пространственной частоте (рис.41). Здесь мы определяем контраст как отношение яркостей (L).

Рис. 41. Синусоидальные решетки показаны на двух пространственных частотах (левой и правой). В верхние решетки — это объекты с высокой контрастностью (1.0) и контрастными уменьшается до 0,6 и 0,3 внизу. Синусоидальные профили яркости показаны под каждой решеткой.

Пространственная частота — это количество циклов на градус (cpd) в синусоиде. паттерн, где 30 циклов в день соответствуют 20/20 или 1 минуте остроты зрения.Контраст чувствительность обратна пороговому контрасту или необходима контраст для просмотра синусоидального рисунка. Контрастная чувствительность Кривая, основанная на данных Corwin, ¹⁶, показана на рисунке 42. Нормальная кривая CSF показывает, что чувствительность падает как на высоком, так и на низком уровне. пространственные частоты. Пиковая чувствительность составляет от 4 до 5 циклов в сутки. Таким образом пороги контрастности низкие на этих пространственных частотах.

Рис. 42. Функция контрастной чувствительности (CSF).Средняя кривая CSF (вверху). Шаблон для экспресс-скрининг (внизу). (Corwin TR et al: Нормы контрастной чувствительности для Mentor B-Vat II-SG Видео тестер Acuity. Optom Vis Sci 66: 864, 1989)

Острота зрения — это конечная точка кривой спинномозговой жидкости. Два человека могут иметь та же острота зрения по Снеллену, но очень разная чувствительность на среднем уровне пространственные частоты. Контрастная чувствительность снижается с возрастом, катарактой и глазные и нервные патологии. Претензии к диагностическому использованию CSF были неоднозначными.Однако CSF может быть полезен при мониторинге эффективность терапии или изменения зрения после роговицы операция.

Доступно несколько тестов для клинических измерений ЦСЖ. Система наставничества отображает на мониторе оптотипы и синусоидальные решетки. Пороги измеряются с помощью психофизической процедуры блокировки вверх / вниз. ¹⁶ Arden ¹⁷ и система проверки контрастности зрения ¹⁸, показанные на рис. 43, содержат несколько напечатанных диаграмм синусоидальной решетки для расстояния и вблизи. тестирование, обеспечивающее быструю оценку CSF.

Рис. 43. Решетки, входящие в состав системы проверки контрастности зрения.

Быстрые результаты также дает представленная буквенная диаграмма Пелли-Робсона на рисунке 44. ¹⁹ Каждая диаграмма содержит восемь строк из шести букв в двух наборах по три. Все буквы одинакового размера. Каждый набор из трех букв имеет постоянную контраст; однако контрастность наборов уменьшается в 1 / √2 раз или с шагом 0,15 лог. единиц, от 100% в левом верхнем углу до 0.6% при внизу справа. Провести этот тест легко по сравнению с психофизические процедуры, потому что это больше похоже на проверку остроты зрения.

Рис. 44. График чувствительности букв Пелли-Робсона.

Дискриминация цвета

Цвет классифицируется по оттенку, насыщенности и яркости. Оттенок относится к длине волны света, которая приводит к восприятию красного, зеленого, синего или других цветов. Насыщенность связана с чистотой цвета, то есть сколько белого света смешивается с цветом.Яркость относится к количеству световой энергии цвета. Оттенок дискриминация зависит от длины волны. Это наибольшее значение около 490 нм (сине-зеленый) и 580 нм (желтый), где разница составляет около 1 нм. можно различить (рис. 45). При хороших условиях можно различить около 128 оттенков.

Рис. 45. Пороговая чувствительность к длине волны. Меньшая заметная разница in hur — это функция длины волны. (Wulfeck JW et al: Vision in Military Aviation.Технический отчет WADC 58–399. Райт Центр развития воздуха, штат Огайо, ноябрь 1959 г., стр. 115.)

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ДИСКРИМИНАЦИЯ

Минимальная острота зрения

Минимальная острота зрения часто называется обнаружением и действительно является примером дискриминации яркости. Показательна самая маленькая площадь сетчатки, с помощью которой мы можем просто обнаруживать свет безотносительно форма. Необходимое количество света, то есть произведение площади освещенной ямки, умноженной на освещение, было показано по Ricco, чтобы она была постоянной для углов менее 10 угловых минут.

Минимальная острота зрения не определяется размером объекта. потому что точечный источник не отображается как точка на сетчатке, потому что аберраций и дифракции. Кроме того, смещаются движения фиксации. изображение из области в область. Точечный объект, например звезду, можно увидеть если интенсивность достаточная. Объекты кажутся больше, чем выше становится интенсивнее, потому что большее количество элементов сетчатки получают больше, чем пороговый стимул. Это объясняет видимую звездную величину, хотя все звезды — точки.Звезды шестой величины видны наиболее тускло в ночном небе, если не приняты особые меры предосторожности, например, если наблюдатель смотрит на ночное небо из темной комнаты через небольшой проем. потом он или она может видеть звезды седьмой или восьмой величины. Это потому что яркость неба мешает нам видеть эти тусклые звезды.

Минимальная воспринимаемая острота зрения

Минимальная воспринимаемая острота зрения относится к обнаружению мелких объектов, таких как в виде точек или линий на простом фоне.Объекты могут быть яркими на темном фоне, темном на ярком или малоконтрастном, примерно такой же яркости, как и их фон. ²⁰ Этот тип остроты зрения зависит от яркостной чувствительности и различения. В объект не нужно идентифицировать, его просто обнаруживают. Длинная черная линия сужение 0,5 угловой секунды видно на белом фоне. В вместо этого изображение линии дифрагируется и размывается на многих конусах изображения как геометрическая тень примерно 1/60 диаметр конуса.Что делает линию заметной, так это то, что энергия на столбик конусов под дифрагированным изображением примерно на 1% меньше фоновая энергия. Очевидно, это порог обнаруживаемой разницы. для яркости для данных условий. Более тонкие линии произведут уменьшение освещенности сетчатки менее чем на 1% и, следовательно, не будет обнаружен.

Следовательно, обнаружение черных линий на ярком фоне и обнаружение тонкая белая линия на черном фоне отличается.Последний тип мишени будет обнаружен независимо от того, насколько он тонкий, при условии, что освещение достигает сетчатки.

Minimum Separable Acuity

В разрезе зрачковых апертур разрешение двух дифрагированных изображения обсуждались. Было показано, что при центральном пике одного узор был наложен на первое темное кольцо другого узора, два источники были решены. Угол между источниками для зрачка 3 мм согласно пределу Рэлея = 1.22 λ / d = 0,78 угловой минуты = 0,000225 радиан. Для лучшего разрешения Выражение = λ / d = 0,64 угловых минут = 0,000186 радиан. Эти углы расположены в узловой точке глаза и соответствуют размеру s на сетчатке s = 0,000225 (17,2) = 0,0039 = 3,9 мкм для рэлеевского предел. Наименьшее расстояние s ‘= 0,000186 (17,2) = 0,0032 мм = 3,2 мкм.

Очевидно, если оба изображения попали на один фовеальный конус, только один объект можно рассматривать. Если стимулировать две соседние колбочки, кажутся одним объектом.Необходимое и достаточное условие для разрешение двух объектов означает стимуляцию и разделение двух колбочек третьей колбочкой, которая подвергается значительно более низкому уровню стимуляции.

На рисунке 46 показано, как два дифракционных изображения разделены пределом Рэлея. появится на мозаике фовеальных конусов, содержащей около 147 000 колбочек / мм ². Диаметр конуса составляет примерно 2 мкм, а расстояние между конусами составляет 0,3 мкм. отдельно. Конус a лежит под пиком интенсивности одного рисунка, а конус c лежит под пиком другого рисунка.Снижение интенсивности между пиков, приходящихся на ячейку b, достаточно, чтобы сигнализировать о наличии из двух источников. Хотя дифракционные картины охватывают несколько шишек, их интенсивность резко уменьшается и очень низка в отдаленные кольца. Тем не менее двухточечное разрешение явно не может быть изображены как просто два геометрических точечных изображения в ячейках a и c, разделенных нестимулированной клеткой b.

Рис. 46. Положение на сетчатке мозаики дифрактограмм двух только разрешимых звездные изображения.Пики паттернов приходятся на ячейки а и с. Ячейка b получает меньше освещенности, так как соответствует положению провала. Энергия быстро отваливается от центра узоров; однако, если интенсивности источников очень высоки, намного больше ячеек получают больше порогового раздражители; источники выглядят увеличенными, и разрешение может быть потеряно.

Центральные фовеальные конусы имеют диаметр всего 1,5 мкм или 0,0015 мм. В линейное расстояние между двумя конусами, разделенными третьим, составляет примерно 0.003 мм. Этот соответствует углу обзора

Это наименьшее анатомически возможное разрешение соответствует наилучшему практически достигнуто разрешение звезд. Можно сделать вывод, что пределы с разрешением до двух точек или минимальной отделяемой остротой зрения обусловлены анатомия мозаики конуса.

Помимо двухточечного разрешения, категория минимально разделимых острота зрения включает такие тесты, как Ландольта С и сетки равноотстоящих параллельные черные и белые линии (рис.47 и 48). Зазор в C составляет одну пятую диаметра кольца, а толщина кольца составляет одну пятую диаметра. Положение зазора можно вращать, а кольца постепенно уменьшать до тех пор, пока объект правильно определяет зазор более чем в 50% случаев. Визуальный острота зрения определяется как величина, обратная разнице в угловых минутах. 1 минута разрыв соответствует стандартной остроте зрения 1. 2-минутный разрешимый разрыв соответствует остроте зрения 0.5. На рисунке 49 показана относительная острота зрения как функция угла поля зрения от фовеа. На рисунке 50 представлена зависимость остроты зрения от яркости фона для различных углы поля.

Рис. 47. Ландольт C: пример минимально разделяемой тестовой мишени.

Рис. 48. a. Черно-белая прямоугольная волновая решетка с отступлением элементов 0,4 минуты дуги. г. Идеальное распределение интенсивности изображения. г. Фактическое распределение интенсивности изображения с гораздо меньшей контрастностью. (Из Schlaer S: Связь между остротой зрения и освещением. Дж. Ген. Physiol 21: 165, 1937)

Рис. 49. Относительная острота зрения как функция угла поля зрения. Острота зрения величайшая в ямке и резко спадает в периферической сетчатке. (Чапинис А. Как мы видим: краткое изложение основных принципов. В: Human Factors в Undersea Warfare. Вашингтон, округ Колумбия: Национальный исследовательский совет, 1949.)

Рис. 50. Кривая остроты зрения. Угол обзора, подчеркнутый мельчайшими деталями, которые могут различаться как функция яркости фона в логарифмических миллиамбертах и позиции изображения 0 °, 4 ° и 30 ° от визуального ось. (Wulfeck JW et al: Vision in Military Aviation. WADC Technical Report 58–399. Wright Центр развития воздуха, штат Огайо, ноябрь 1959 г., стр. 116.)

Решетки с параллельными линиями различных угловых частей обеспечивают очень точную измерения остроты зрения и использовались для изучения остроты зрения у людей, других млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, рыбы и насекомые.За люди, средний угол между самыми узкими разрешимыми линиями решетки составляет около 1 угловой минуты или меньше. В ответ на это Угол, опять же, является мерой остроты зрения. Pirenne ¹⁵ утверждает, что у людей максимальная острота зрения составляет 1,7 против 0,017 для пчелы, или примерно 0,6 минуты против 60 минут для соответствующего углы разрешения.

В качестве предела разрешения для решетки, состоящей из линий, длина которых составляет 0,4 минуты. дуги приближается, изображение полосок на сетчатке теряет резкость и контраст продиктованы простой геометрической оптикой.Потому как дифракции и хроматической аберрации глаза, свет от близко упакованные пространства белого изображения перетекают в пространства черного изображения. Вместо Для теоретического шаблона изображения 100% белого и 0% черного на Фигуре 48 b распределение, вычисленное Хартриджем, происходит, как показано на Фигуре 48 c . Самая высокая интенсивность составляет около 60%, а самая низкая — около 40%. Как указано в дискуссии о двухточечном разрешении нет нестимулированных шишки между стимулированными шишками.Вместо этого центральный конус получает более низкий стимул. Подобно зерну фотопленки, мозаика конуса отвечает за ограничение разрешения глаза до углового диапазона эти самые узкие конусы. Предел наступает при разделении деталей в объекте приводит к распределению дифрагированной энергии на сетчатка так, чтобы разница в интенсивности среднего конуса была ниже порог восприятия перепадов яркости.

Острота зрения и поля восприятия

При обсуждении мозаики фовеального конуса подразумевается, что каждый фовеальный конус связан со зрительной корой через единственный зрительный нерв волокно.Это, конечно, неверно. Стержни и конусы соединяются с биполярные клетки сетчатки, которые соединяются с ганглиозными клетками сетчатки. В ганглиозные клетки отправляют волокна в мозг. Эти связи очень сложный. ²¹ Несколько палочек и колбочек образуют синапсы с одной биполярной клеткой и несколькими биполярные клетки могут образовывать синапсы с одним стержнем или колбочкой. Связи между биполярными клетками и ганглиозными клетками сетчатки аналогично сложный.

Мозаика из конусов и стержней, которые посылают сигналы к любому конкретному визуальному элементу. клетка, либо ганглиозная клетка сетчатки, либо клетка зрительной коры, называется рецептивным полем клетки.Свет, который стимулирует любую порцию рецептивного поля (то есть любого стержня или конуса в рецептивном field) вызовет ответ в визуальной ячейке. Различные типы сигналов генерируются в зависимости от регионов рецептивного поля стимулировал.

Ганглиозные клетки сетчатки имеют концентрические рецептивные поля. Размер центры этих рецепторных полей сильно различаются, но в ямке центры поля примерно такого же размера, как и один конус. Таким образом, это в этом смысле мозаику фовеального конуса можно рассматривать как ограничивающую фактор разрешения глаза.Строго говоря, предельное Фактором является мозаика рецептивных полей фовеальных конусов.

Гиперактивность и острота зрения по Вернье

Острота зрения по Вернье — это тест на гиперактивность, позволяющий обнаружить линия. Это ровно от 3 до 5 угловых секунд. Что это всего лишь доля углового диаметра фовеального конуса противоречит утверждение, что подтяжка конуса устанавливает нижний предел угол разрешения. Андерсон и Уэймут ²² объяснили эту исключительную способность обнаруживать разрыв линии на основы яркостных различий и пространственной локализации.Конусы выше разрыв линии или края (рис. 51) получает больший стимул, чем те, что ниже. ²³ Об этой разнице свидетельствует более высокая частота импульсов нервных волокон. В смещение верхней линии от нижней разгибки локализовано меньше диаметра конуса за счет уточнения Лотце местные признаки, в котором говорится, что каждый элемент сетчатки соответствует определенному направление в пространстве (задается линией от элемента до узловая точка глаза).Расширенный край (рис. 52) будет стимулировать массив конусов, отмеченных точками. Каждый из этих конусов соответствует другому направлению в пространстве. Среднее или среднее значение эти направления определяют местный знак прямой. Перерыв в строке вызывает средний локальный знак для верхнего расширения отличаться от среднего локального признака нижней протяженности менее чем на угловой диаметр конуса. Усредняя локальные признаки колбочек, локализация не ограничивается единицами или приращениями диаметра конуса.Morgan ²⁴ представляет собой краткое изложение исследований и теории гиперактивности.

Рис. 51. Острота по нониусу. Энергия, преломленная на сетчатке от края разорванной линия расширяется, как показано профилем освещения, что соответствует на сканирование по пунктирной линии. Профиль для верхней области немного смещен относительно нижней части; следовательно, конусы в столбцах над разрывом линии получают большее освещение чем конусы ниже разрыва.

Рис. 52. Положение края линии в пространстве может быть меньше, чем диаметр конуса путем усреднения локальных знаков всех конусов, на которых край линии опускается, на что указывают конусы с точками. (Adler FH: Am J Physiol 64: 561, 1923.)

Другая форма теста на гиперактивность используется для оценки зрения через плотное пространство. катаракта перед операцией. Енох и соавторы, ²⁵ ^, ²⁶, признавая, что пациенты с нарушениями плотной окулярной среды сохраняют способность проецировать или указывать на источник интенсивного света, использовать три ярких источники для измерения остроты зрения по трем точкам.Два источника выровнены по вертикали. Источник в их средней точке смещается случайным образом от вертикального выравнивания. Пациенту необходимо совместить его с два фиксированных источника.

Минимальная острота зрения

В 1862 году голландский офтальмолог Снеллен первым разработал знакомая глазная диаграмма, основанная на выводах о том, что у большинства эмметропов порог Угол обзора в 1 угловую минуту для черных объектов на белом фоне. Он использовали черные печатные буквы, чтобы сформировать диаграмму, которая стала основа для общепринятой клинической проверки остроты зрения.Тест требует идентификация букв алфавита, детали которых выровнять определенные углы на указанных расстояниях.

Процесс идентификации букв усложняется опытом, знанием и психологические факторы, которые допускают некоторую расплывчатую интерпретацию может быть характерной формой письма. Таким образом, хотя Проба Снеллена — это тест минимально отделяемой остроты зрения, он не такой четкий вырезать, например, как разрешение двух точек.Тем не менее, это клинически предпочтительный тест остроты зрения.

Форма буквы Снеллена, соответствующая 1-минутному углу обзора. проиллюстрирован на рисунке 53. Буква E образует 5 × 5 угловых минут. Каждая полоса письма имеет ширину 1 угловую минуту. Когда такое письмо читают на расстоянии 20 футов, острота зрения определяется как 20/20. Это фракция Снеллена, и он определен как

Рис. 53. Snellen E: Пример минимально разборчивой тестовой мишени.

Таким образом, острота зрения 20/20 означает, что субъект прочитал письмо с расстояния 20 футов. это было разработано для чтения с расстояния 20 футов. Рейтинг 20/40 означает, что письмо, которое обычно следует читать с расстояния 40 футов, необходимо доставить в в пределах 20 футов, прежде чем он будет распознан.

Нормальный рейтинг 20/20 соответствует углу обзора в 1 угловую минуту. за наименьший пробел в письме; острота зрения является обратной этого угла. Угол зрения для остроты зрения 20/40 составляет 2 минуты дуги, а острота зрения 20 ÷ 40 = 0.5, которая называется десятичной острота зрения.

Различные буквы в строке букв Снеллена неодинаково разборчивы. ²⁷ Б самое сложное. Его нужно было бы увеличить примерно в 1,17 раза. буква Е должна быть одинаково разборчивой. Самая легкая буква для распознавания это буква L, которую так же трудно распознать, как и букву E. быть уменьшенным примерно до 0,84 раза E. Другими словами, если способность читать букву B продолжительностью 5 минут считается 20/20 визуальной остроты зрения, то букву L можно читать с остротой как бедные как 20/30.

Таблицы тестов Снеллена охватывают диапазон остроты зрения от 20/400 до 20/10. Этот соответствует десятичной остроте зрения от 0,05 до 2. График обычно предназначен для использования на высоте 20 футов. Если требуется карта для зрения вблизи, строка, соответствующая 20/20, будет содержать буквы, которые продлевают 5 минут на, например, 16 дюймов, и буквы будут иметь 1-минутный Детали.

Таблица испытаний Американской медицинской ассоциации состоит из 17 линий, с 20/20 по 20/200.Линии этого графика обозначены дополнительно. со значением , визуальная эффективность . Это произвольный рейтинг, очевидно используемый в качестве основы для промышленных компенсация ухудшения зрения. Потому что 17 линий разработаны с шагом 5% визуальной эффективности от 100% до 20%, эквивалент Снеллена рейтинг не является круглым числом (рис. 54).

Рис. 54. Сравнение эффективности и остроты зрения.

Рисунок 55 иллюстрирует взаимосвязь между остротой зрения по Снеллену и рефракцией. ошибка при миопиях и гиперметропиях.Одномерная ошибка рефракции снижает зрение. острота зрения до 20/50 для обоих аметропов.

Рис. 55. Зависимость остроты зрения от аномалии рефракции. Сплошная линия соответствует абсолютной дальнозоркости; пунктирная линия соответствует миопии. (Wulfeck JW, et al: Vision in Military Aviation. WADC Technical Report 58–399. Wright Air Development Center, OH, ноябрь 1959 г., стр. 55.)

Диаграмма Бейли-Лови

Диаграмма Бейли-Лови ²⁸, показанная на рисунке 56, была разработана для устранения недостатков в диаграмме Снеллена.Он имеет следующие особенности конструкции. Все буквы почти одинаковой разборчивости и построен в формате 5 × 4. На 20 футах их ход ширина или углы разрешения букв от 10 до 0,5 минут дуги, что соответствует диапазону остроты зрения от 20/200 до 20/10.

Рис. 56. Таблица теста Бейли-Лови.

Каждая строка содержит пять букв с межбуквенным интервалом, равным ширина буквы, чтобы не скучать.Межстрочный интервал выше строка равна высоте букв в этой строке. 14 строк букв увеличиваются в размере геометрически в соотношении 10 √ 10, или 0,1 log единицы. Каждая правильно обозначенная буква в строке из пяти буквы оцениваются в 0,02 логических единицы.

Шкала LogMAR

Острота зрения выражается как логарифм минимального угла разрешения. или logMAR. ²⁸ Это бревно ₁₀ ширины хода на 20 футах.В таблице 5 показана эквивалентность шкал logMAR, Snellen и десятичной шкалы остроты зрения. Также показано соответствующее угловое разрешение черно-белого пара линий. Буква 20/20 составляет 5 угловых минут. Имеет обводку линии 1 угловой минуты. Обводка черно-белой линии растягивается на 2 минуты дуги. Десятичный эквивалент 20/20 = 1. Поскольку log ₁₀ 1 = 0, значение logMAR = 0. Буква 20/200 имеет длину линии 10 минут. дуги. Его значение logMAR равно 1, потому что log ₁₀ 10 = 1.

ТАБЛИЦА 5. Шкалы остроты зрения

0,5/8

9045

тест на расстоянии менее 20 футов, оценка logMAR нижняя четкая линия исправляется добавлением журнала ₁₀ (20 / тестовое расстояние).Например, если расстояние диаграммы составляет 4 фута, log ₁₀ 20/4 = 0,7, и если самая нижняя четкая линия имеет значение logMAR 0,5 (20/63), общее значение logMAR составляет 1,2. Это означает, что обводка линии составляет 10 ^1,2 = 15,85 угловых минут. Поскольку 1 угловая минута соответствует 20/20, знаменатель дроби Снеллена будет 20 × 15,85 = 317. Округление приведет к остроте зрения 20/320.

ДИСКРИМИНАЦИЯ РАССТОЯНИЯ

Восприятие глубины может быть оценкой расстояния, на котором объект находится от наблюдатель или различение относительных расстояний двух или больше объектов, в частности, которые ближе или дальше.Многие монокуляры подсказки к дистанционным суждениям были извлечены из опыта. Эти реплики часто бывают графическими, например перспектива, свет и тень, перекрытие контуры и воздушная перспектива. Параллакс движения, который мы можем наблюдать из движущегося транспортного средства, вызовет появление близких предметов двигаться в обратном направлении при фиксации на большом расстоянии и наоборот.

Две бинокулярные подсказки для определения расстояния — это схождение глаз и стереопсис. Конвергенция требует мышечной деятельности, что плохо обеспечивает указание расстояния до объекта.Стереоскопическое зрение обеспечивает очень чувствительную информацию о глубине на близком расстоянии. Приблизительно 64 мм разделяют два глаза, следовательно, они получают немного разные виды объекта. Это создает несоответствие сетчатки, которое мозг интерпретируется как основательность или глубина. Если глаза зафиксируют точку M на рис. 57, ее изображение попадет в ямку каждого глаза. Изображения более удаленная точка P попадет в носовую ямку обоих глаз. Регионы сетчатки, которые стимулируют P-изображения, не соответствуют друг другу; однако, если несоответствие составляет менее 20 угловых минут, изображения P находиться в пределах области Панума, и мы увидим P как единую точку.Если несоответствие превышает площадь Панума, тем более удаленная точка P будет появляются двойные, когда мы фиксируем точку М. Правый глаз увидит изображение точки P справа от точки M, и левый глаз увидит изображение точки P на слева от точки М. Мы называем это нескрещенной диплопией. Если мы сдвинем точки фиксации к точке P, которая находится дальше точки M, изображения of M будет казаться двойным, когда они выйдут за пределы области Panum. В в этом случае удвоенные изображения M будут пересечены.Право глаз увидит точку M слева от P, а левый глаз увидит точку M справа от P. Несоответствие сетчатки уменьшается с увеличением объекта расстояние и более 2000 футов стереоскопические суждения мало значение.

LogMar	Snellen	Decimal	Угол разрешения (мин. 20/200	0,10	20,00
0,9	20/160	0,13	16,00
0,8	20/125	0.16	12,50
0,7	20/100	0,20	10,00
0,6	20/80	0,25	8,00
6,30
0,4	20/50	0,40	5,00
0,3	20/40	0,50	4,00
90/4563	3,20
0,1	20/25	0,80	2,50
0,0	20/20	1,00	2,00
1,2	1,60
-0,2	20 / 12,5	1,60	1,20
-0,3	20/10	2,00	1,00

Рис. 57. Стереоскопическая острота зрения. Способность различать глубину зависит от угла.

Рисунок 57 иллюстрирует геометрию стереоскопического восприятия глубины. Глаза точка фиксации M на расстоянии d.Точка P на немного другом расстоянии образует угол γ в узловой точке глаза относительно в точку М. Угол γ — это угол распознавания глубины. Значения γ всего 2 секунды дуги. Стереоскопический различение глубины, как и острота нониуса, меньше, чем конуса и объясняется аналогично.

Как глаз фокусирует свет — Science Learning Hub

Человеческий глаз — это орган чувств, приспособленный для видения, реагируя на свет.И роговица, и хрусталик важны для фокусировки света.

Глаз фокусирует свет аналогично тому, как вы используете увеличительное стекло, чтобы сосредоточить солнечные лучи на листе бумаги. Расстояние от увеличительной линзы до листа бумаги — это фокусное расстояние.

Для глаза свет от удаленных объектов фокусируется на сетчатке в задней части глаза.

Глаз размером с мяч для настольного тенниса, поэтому фокусное расстояние должно быть около 2.5 см.

Роговица выполняет большую часть фокусировки

Около 70% отклонения света происходит, когда он входит в роговицу и водную жидкость.

Этот изгиб возможен из-за кривой роговицы, а также из-за изменения показателя преломления, когда свет перемещается из воздуха в роговицу, а затем в водную жидкость между роговицей и радужкой. Воздух имеет показатель преломления 1,00, а водная жидкость за роговицей имеет показатель преломления 1,33.

Если бы изменение показателя преломления было не таким большим, свет не искривлялся бы так сильно.

Это становится заметно, если вы пытаетесь посмотреть на что-нибудь, находясь под водой. Вещи кажутся не в фокусе, потому что роговица предназначена для работы со светом, проходящим в нее из воздуха, а не из воды. Ношение очков для плавания под водой позволяет присутствовать слою воздуха.

Хрусталик и аккомодация

За водной жидкостью находится вторая система линз. Он состоит из выпуклой линзы, мягкой и податливой. Цилиарная мышца — это круговое кольцо мышц, которое крепится по всей длине хрусталика.Эта цилиарная мышца может изменять форму хрусталика, растягивая его по краям. Он прикреплен к хрусталику с помощью зонул (связок, которые могут быть тугими или свободными).

Когда вы смотрите на близкий объект, линза должна стать более округлой на центральной поверхности, чтобы фокусировать световые лучи. Эта способность изменять фокус для объектов крупным планом называется аккомодацией.

Две совершенно противоположные теории аккомодации

Существуют две основные теории изменения формы линзы.

Теория Гельмгольца — предложена в 1855 году. Когда цилиарная мышца сокращается, все зонулярное напряжение снижается. Это позволяет сделать центральную поверхность линзы более округлой (увеличивает ее фокусирующую способность). Когда цилиарная мышца расслабляется, напряжение всех зон увеличивается, что приводит к сглаживанию хрусталика (снижение оптической силы).
Механизм Шахара — предложен в 1992 году. Когда цилиарная мышца сокращается, напряжение экваториальной зоны увеличивается.Это приводит к тому, что центральная поверхность линзы становится более крутой (увеличивает центральную оптическую силу). Когда цилиарная мышца расслабляется, напряжение экваториальной зоны снижается, в результате чего центральная поверхность линзы уплощается (уменьшается оптическая сила).

Механизм Шахара можно продемонстрировать с помощью майларового шара (блестящего серебряного плоского шара, который часто используется с гелием). Если вы посмотрите на свое отраженное изображение на плоской стороне воздушного шара, вы заметите, что оно становится меньше, если вы потянете края воздушного шара наружу.Это потому, что центр воздушного шара становится более выпуклым.

Утрата аккомодации

С возрастом способность цилиарной мышцы изменять форму хрусталика

Человеческий глаз

телескоп Ѳ ptics.net ▪ ▪ ▪ ▪ ▪▪▪▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ СОДЕРЖАНИЕ

◄ 12.4. Окуляр телескопа: сравнительная трассировка лучей ▐ 13.3. Аберрации глаз ►

Свет, проходящий через объектив телескопа и окуляр фокусируется на сетчатке оптикой глаза, после который нейронно обрабатывается в визуальный образ. Следовательно, это оптические среды глаза — роговица, хрусталик и водная жидкость, наполняющая глаз — это определяет окончательную форму волновой фронт достигает фоторецепторов сетчатки.Биоинженерия, глаз оптика далека от высоких стандартов качественного телескопа. Тем не мение, из-за небольшой апертуры и небольшого увеличения вызванные им аберрации обычно не оказывают большого влияния от воспринимаемого качества изображения. Два исключения — расфокусировка глаз. ошибка — которая эффективно исправляется соответствующей расфокусировкой окуляр, таким образом несущественный для пользователя телескопа — и, чтобы в меньшей степени астигматизм глаза.

Размещение глаза на конце окуляра телескопа изменяет свои оптические параметры. Это изменение достаточно существенно, чтобы обосновать установление конкретного срока для этого конкретного способа работа: телескопическая проушина . Самое важное изменение что его диафрагма теперь является выходным зрачком окуляра, а не диафрагмой. Это не только напрямую определяет уровень аберраций глаза из-за к его эффективной апертуре, но также может вызвать дополнительные аберрации в результате смещения упора.Кроме того, в отличие от «невооруженный» глаз, наблюдающий за объектами напрямую, телескопический глаз наблюдает дифрагированное изображение этих объектов. В целом последствия этого не значительны, но должны быть устранены тем не менее.

Нейронный отклик и обработка световых сигналов в глаза значительно различаются в зависимости от их интенсивности и длины волны, что делает его важным предметом для пользователя телескопа.

При оценке свойств телескопического глаза отправной точкой неизбежно являются оптические свойства глаза в одиночестве.

13.1. Человеческий глаз: физические свойства, пропускание и острота зрения

Вся цель визуального телескопа — собирать свет от удаленных объектов и увеличивать падающий свет углы, чтобы эти объекты казались ярче, крупнее и детальнее к глазу. Дополнительным преимуществом большой апертуры телескопа является уменьшение ограничений на качество изображения, налагаемых дифракция.Поскольку свет проходит через телескоп и через глаз оптические свойства последнее может повлиять окончательный образ, созданный мозгом.

Являясь самим оптическим элементом, глаз, как и объектив телескопа, подвергается воздействию дифракция света и волнового фронта аберрации. Физические и оптические свойства человека глаза различаются индивидуально, часто значительно; представленные здесь основаны на экспериментально определенный средние значения ( ФИГ.216 ).

РИСУНОК 216 : Вид сверху поперечный разрез правого глаза человека. Свет, попадающий в глаз, сначала проходит через роговицу (показатель преломления n ~ 1,38), тонкий отрицательный мениск ~ 0,5 мм Радиус ~ 7,8 / 6,5 мм. Передняя камера между роговицей и хрусталиком наполнены водянистой влагой , водянистая жидкость с n ~ 1,33. Радужка — это мышца, образующая круглое отверстие. — зрачок P , апертура глаза — от ~ 2мм до ~ 8 мм в диаметре.Хрусталик двояковыпуклый, состоит из тысяч примерно концентрические слои, с показателем преломления от ~ 1,38 в центр до ~ 1,41 по краям. Изменение в форма линзы, достигнутая действием цилиарной мышцы , позволяет глазам аккомодация, поддерживая фокусировку на сетчатке для различных объектов расстояния. При фокусировке на бесконечность линза имеет толщину ~ 3,6 мм. передний и задний радиусы ~ 10мм и ~ 6мм соответственно, фокусное расстояние ~ 24 мм.Глаз фокусируется через то стекловидное тело , водянистая жидкость (n ~ 1,33) внутри стекловидного тела, на сетчатка, состоящая из слоев клеток и нервной проводки, соединяющей фоторецепторы с мозг через зрительный нерв . Небольшое пятно на сетчатке — ямка centralis — диаметром около 4,5 (1,3 мм), от 4 до 8 оптический центр. Его центральная ~ 1/3, это ямка , область наиболее острого зрения глаз в условиях дневного света (в отличие от внешней области, очень чувствительной к свету низкой интенсивности).Квадрат справа показывает упрощенную схему сегмента сетчатки. Свет падающий на него сначала проходит через плексиформный , внешний слой сетчатки, состоящий из сети нервных клеток и проводки через который мозг контролирует функцию фоторецепторов и получает от них световой вход. Два основных типа Фоторецепторы сетчатки — колбочек, — активны при дневном свете. условия, охватывающие всю фовеолу и большую часть внешней ямки — стержни и , активные в условиях низкой освещенности, преобладающие в широкая область сетчатки, окружающая ямку.Последняя, третья сетчатка слой сосудистой оболочки , который выполняет двойную функцию обеспечения питание фоторецепторов и поглощение оставшихся свет, чтобы предотвратить внутренние отражения.

Дуга сетчатки проходит через центральный меридиан на ~ 32 мм. Наружная область сетчатки с относительно низкой чувствительностью к дневному свету. то желтовато-овальное пятно диаметром ~ 4 мм (около 15) с центром в ~ 3.4мм (почти 12) от оптической оси глаза, называемой макулой , который сходится к ямке , наивысшей чувствительности к дневному свету площадь. От окраин макулы наружу, шириной примерно 20, простирается кольцеобразная область максимальной чувствительности к свет низкой интенсивности.

Коэффициент пропускания света глазами относительно высока в диапазоне 500-700 нм (и за его пределами, в инфракрасном диапазоне), но быстро спадает к синему / фиолетовому концу спектра ( ФИГ.217 ).

РИСУНОК 217 : (A) Диапазон спектрального пропускания глаза, основанный на нескольких мелкомасштабные исследования. Результаты указывают на широкую индивидуальность различия, хотя это также может быть результатом небольших размеров выборки (четыре девяти лицам в четырех отдельных исследованиях) и / или различия в процедуры. Неясно, является ли пропускание глаз, в частности предпочитает средние и длинные волны в визуальном спектр — исключен из спектрального отклика (чувствительности) глаза кривая.Если не, это бы внешне понизило бы актуальный чувствительность глаза к синему / фиолетовому цвету по сравнению с зеленым и красным для как конусы, так и стержни. Поскольку относительное изменение коэффициента пропускания в диапазоне длин волн существенно не меняется с уровнем передачи, это не должно влиять на отдельных восприятие хроматизма. Вариации светопропускания глаз в основном влияют на воспринимаемую яркость, с разницей между высокой и низкой уровень передачи близок к одной величине, примерно равномерно по видимый спектр (возможное исключение — некоторые люди могут иметь способность воспринимать длины волн значительно ниже 400 нм, а некоторые нет).
(B) Поглощение сетчаткой не менее важно, чем коэффициент пропускания света, и окончательный судья о том, сколько света фактически обнаружено. Здесь также есть индивидуальные вариации, но исследование на 28 предметах должно быть репрезентативным для этого аспекта обнаружения света (слева). Разница между полным пропусканием и поглощением заключается в основном в рассеянии света и поглощении другими средами. Как видно на графике, в отличие от общего пропускания, которое остается довольно высоким даже в инфракрасном диапазоне, поглощение сетчаткой неуклонно снижается от своего максимума примерно при 0.51 микрон в сторону более длинных волн. С другой стороны, падение очень похоже на короткие волны.

Глаз фоторецепторы клетки , колбочки и стержни , образуют светочувствительная подкладка сетчатки. Нам нужно, чтобы они чувствовали свет, так же как нам нужны нервы окончания на коже, чтобы ощутить прикосновение. Их размер варьируется от ~ 2 мкм до более 10 мкм, как правило, увеличиваясь к внешней области сетчатки, конусы больше, чем стержни.Доминирующая сетчатка фоторецепторы со средним и маленьким размером зрачка (дневной свет и в помещении) колбочки, а при больших размерах зрачка (в условиях низкой освещенности) доминирующими фоторецепторами являются стержни. Эти два существенно отличаются друг от друга: среди других свойств, их соответствующие пределы разрешения. Глаз Уровень разрешения обозначается как , острота зрения . Это зависит от сетчатки глаза, в зависимости от типа и размера рецептора. Это также функция уровень освещенности ( РИС.218 ).

РИСУНОК 218 : СЛЕВА: приблизительное среднее разрешение конусов и стержней по сетчатка зависит от размера, плотности и типа нервной подключение. Центр ямки (ямки) заселен исключительно с шишками, их плотность приближается к 200 000 на мм. за пределами ямки, плотность конусов быстро уменьшается, а их размер увеличивается, при этом разрешение конуса падает до доли от разрешения фовеолы.Палочки достигают максимальной плотности сразу за пределами ямки; там они почти столько же на мм (что прямо подразумевает размер индивидуальный рецептор) в виде фовеальных колбочек, но их разрешение составляет лишь доля разрешения конуса из-за нейронной конвергенции сигналы от индивидуальных рецепторов (в отличие от индивидуальных обработка сигналов от фовеальных конусов). К ВПРАВО, разрешение в линий на угловые минуты в зависимости от уровня освещенности для фотопический (яркий свет), скотопический (слабый свет) и мезопический (переходные) режимы глаз.Максимальное разрешение стержней несколько больше 5 угловые минуты, часть максимального разрешения конусов. Как уже упоминалось, разрешение стержней хуже из-за ввода нескольких стержней. сливаются до того, как достигнут глазного нерва; цель повышенная чувствительность ценой пониженного разрешения. Конусы, с другой стороны, посылают отдельные входные данные в глазной нерв, максимизируя разрешение, частично жертвуя чувствительностью. С диском Эйри для типичного 2-миллиметрового диаметра зрачка фотопического глаза ~ 1.6 дуги минут, дифракционное разрешение (определяемое как FWHM PSF, или 0,4 диаметра диска Эйри) находится в диапазоне 0,6 ‘- 0,7’ (в лабораторных условиях; не путать с предел в полевых условиях, который составляет в лучшем случае ~ 1 угловую минуту, и обычно несколько больше).

Область наибольшей остроты конуса совпадает с областью наибольшей их плотности и наименьшего индивидуального размера — фовеолы. Зона самая высокая острота зрения находится за пределами макулы, примерно в кольце с центром в ямке, около 10-15 в радиусе.

Самый высокий уровень остроты зрения не совпадает с самым высоким качеством изображения, в с точки зрения уровня контрастности. Для невооруженного глаза изображения на сетчатке высочайшее качество при диаметре зрачка ~ 2 мм (что означает при ярком свете условиях с доминированием шишек), когда комбинированное действие аберрации и дифракция самые низкие. Что касается точечного изображения разрешение, лучше при размере зрачка ~ 4мм (в условиях тусклого освещения), когда конусы еще достаточно активны, дифракционный диск составляет половину размер диска при зрачке 2 мм, а уровень аберрации ~ 0.15 волна RMS по-прежнему не влияет существенно на размер центральной дифракции. диск, следовательно, нет разрешения точечных источников почти одинаковой интенсивности. Однако для большинства других форм детализации разрешение ниже, чем у Размер зрачка 2 мм.

Показанное слева разрешение сетчатки применимо к невооруженному глазу, который формирует собственное дифракционное изображение от точечного источника. Для телескопического глаза точечных источников нет, так как он отображает (через окуляр) диск Эйри, образованный объективом.Следовательно, учитывая уровень аберраций объектива, именно уровень аберраций глаза определяет качество изображения, которое, как правило, способствует меньшему выходной зрачок окуляра (это, в свою очередь, способствует уменьшению диафрагмы, с меньший выходной зрачок для данного номинального увеличения). Однако это эффект, после определенного уровня, перевешивается отрицательными эффектами более высокие увеличения.

13.2. ГЛАЗ НА ТЕЛЕСКОП КОНЕЦ

Со стороны телескопа глаз играет двоякую роль; это оптический элемент и фотодетектор.Оптика глаза, предшествующая сетчатке фоторецепторы определяют качество изображения, формируемого на рецепторах, размер и светочувствительность рецепторов, в сочетании с режимами нейронной обработки их ввода определяют воспринимаемое качество его изображения.

Оптическая часть глаза, состоящая из роговицы, глаза линза и водная жидкость, представляет собой простую систему из двух элементов. Как и следовало ожидать, это генерирует значительные аберрации, как по оси, так и вне ее.Глаз вне оси аберрации обычно не имеют значения, так как фиксация на выбранных объект движением глаз переносит этот объект на визуальную ось, с его изображение падает на ямку. Качество изображения в внешнее поле быстро уменьшается, но это несущественно, так как поле высокой остроты зрения узкая, и увеличивающаяся в размере, и объединенная схема внешних рецепторов сетчатки дальше от центральной сетчатки — в отличие от отдельных цепей фовеальных рецепторов — фактически установить предел остроты зрения для внешнего поля, а не его присущий уровень аберрации.

С другой стороны, аберрация глаза на оси непропорционально малое влияние на воспринимаемое качество изображения. То есть в основном следствие низкого эффективного увеличения (т.е. малый размер диска Эйри на сетчатке) изображения, формируемого глазом. Тем не менее величина аберраций глаза — в частности, дефокусировки и (центральной) астигматизм — обычно достаточно велик, чтобы заметно ухудшить изображение качество в повседневной жизни. К счастью, пользователям телескопов даны два важных ломается: ошибка расфокусировки глаза эффективно исправляется смещением погрешность фокусировки окуляра и эффективный зрачок глаза (определяется выходной зрачок окуляра) при больших увеличениях мал, экспоненциально снижая уровень аберраций глаз.

Расположенный за окуляром телескопа, глаз смотрит на изображение, формируемое объективом, увеличиваемое окуляром. В соответствующая оптическая схема отличается от схемы для глаза, смотрящего на объект напрямую ( РИС. 219 ).

РИСУНОК 219 : Упрощенная схема формирования изображения сетчатки через окуляр телескопа, с тыльной стороной фокальная плоскость объектива почти совпадает с передним фокальным плоскость окуляра.Геометрически, свет из каждой точки A дюйм изображение, сформированное объективом, трансформируется в коллимированный карандаш через окуляр. Эти карандаши сходятся в выходной зрачок окуляра, расположены на роговице и фокусируются глазом на сетчатке (A) . Если ирис больше выходного зрачка, как это обычно бывает, эффективная апертура глаза равна выходному зрачку окуляра, а упор апертуры примерно на роговице; эффективное фокусное расстояние немного увеличивается за счет небольшого угла схождения меньше, чем соответствующие касательные (т.е. высота краевого луча соотношение), почти так же, как если бы диафрагма уменьшилась до размера окуляра. выходной ученик. Упрощенный геометрия изображения показывает, что угловой размер α диска Эйри, помещенного в небо, кажется увеличенным в O / E раз для наблюдения его изображения с расстояния E без окуляра ( O фокусное расстояние объектива), а коэффициент O / EP наблюдается через окуляр фокусного расстояния EP (он эффективно размещает фокальную плоскость на расстоянии, равном ее фокальной длина от глаза).Угловой размер диска Эйри телескопический глаз равен объекту — образ диска Эйри сформировался объективом, помещенным (увеличенным) в окуляр — дается Mα, где M = O / EP — увеличение телескопа (B) . Это создает вопрос, можно ли считать диск Эйри в окуляре точечный источник для глаза. Поскольку для этого требуется объект размером не более ~ 1/4 диаметра диска Эйри, вероятный ответ — «нет», но последствия, если судить по фактическим характеристикам телескопа, не существенный.Неопределенность заключается в определении доли центрального максимумы дифракции, которые эффективно представляют объект, когда воображается оптической системой — в данном случае глазом. Образ яркого диск, по углу равный с диском Эйри системы, имеет почти 90% шире FWHM чем у точечного источника, кольцевая структура которого почти исчезла. Но распределение интенсивности по площади диска Эйри неравномерное; это падает быстро к краям, почти до нуля. Принято считать, что эффективный размер центральных дифракционных максимумов представлен его FWHM, что составляет всего около 0.4 диаметр диска Эйри. Объект этого угловой размер лишь немного увеличил бы центральные максимумы и слегка подавить кольцевую структуру — эффект будет трудно заметить в полевые условия.

Поскольку изображение, сформированное объективом, подвергается его дифракция, любая точка в нем заменяется дифракционной картиной формируется целью. Для длины волны 0,55 мкм угловой размер Эйри диск, образованный объективом, — 4.6 / D в угловых минутах для апертуры диаметр D в мм. То же самое относится и к глазу, если D заменяется на эффективную диафрагму E . Если глаз смотрит на изображение непосредственно в объектив, E намного меньше, чем D , а дифракционный диск, образованный объективом, всегда эффективно точечный источник для глаза. Через окуляр эффективная апертура глаз равен выходному зрачку окуляра, или E = EP / F, где F — фокусное отношение телескопа.Соответствующий угловой Размер диска Эйри составляет 4.6F / EP. Это больше, чем диск Эйри объектива 4.6 / D в / EP, где — телескоп фокусное расстояние. Поскольку это соотношение определяет увеличение телескопа, увеличенная угловая дифрактограмма объектива, сделанная на бесконечности в окуляре, равна угловой дифракционной картине телескопический глаз.

Как показано на фиг.219 B , снизу, это означает, что каждая точка дифракционной картины, отображаемой глазом, заменяется собственной дифракционной картиной того же углового размера. В На практике любая отдельная точка изображенной дифракционной картины в окуляр слишком слаб, чтобы давать заметные центральные максимумы на сетчатка. Как это обычно бывает с расширенными объектами, только кластер точечных источников при наложении их дифрактограмм генерирует энергии, достаточной для формирования мельчайшего обнаруживаемого участка изображения.В Особенность телескопического глаза в том, что он формирует изображение дифракционное изображение, создаваемое объективом и увеличенное окуляром. При угловом размере дифракционной картины на этом дифракционном изображении как у телескопического глаза, последний формирует его изображение на сетчатке основанный на самом маленьком объекте, излучающем сущности несколько больше, чем строгое определение точечного источника. Эффект на его изображение, как упомянутые, почти незначительные.

◄ 12.4. Окуляр телескопа: сравнительная трассировка лучей ▐ 13.3. Аберрации глаз ►

Главная | Комментарии

Что означают все числа

Понимание фокусных расстояний в фотографии — важное знание для получения неизменно отличных изображений. Цифры не говорят всей истории, но они говорят нам кое-что важное.В зависимости от формата нашей камеры, эти числа фокусного расстояния говорят нам, где по шкале от широкоугольного до нормального и телеобъектива находится этот объектив.

Также важно знать, что именно означает называть объектив широкоугольным, телеобъективом, зумом или нормальным? Каких характеристик следует ожидать от этих линз? Как они повлияют на наши изображения?

Сначала мы должны соотнести эти числа с используемым нами форматом.

В качестве примера сначала рассмотрим объектив 50 мм.Это обычное описание объектива «Nifty Fifty» действительно применимо только к полнокадровому 35-мм цифровому или пленочному формату. Если мы используем камеру формата APS-C или MFT, то фокусное расстояние 50 мм будет телефото. Объектив 50 мм, предназначенный для среднеформатных камер, является широкоугольным, а для широкоформатных — чрезвычайно широкоугольным.

Таким образом, ваш предполагаемый формат является важным фактором при определении того, какой объектив обеспечит вашу фотографию. Не все линзы могут даже покрывать различные форматы, что мы также объясним.В этом руководстве мы рассмотрим, что делает объектив широкоугольным, телефото, нормальным или увеличивающим. Начнем с обычных линз.

Что вообще нормально?

Что касается фотографии, то нормальный объектив определяется как фокусное расстояние, равное диагонали формата изображения. Для 35-мм пленочной фотографии прямоугольник 24 мм на 36 мм кадра пленки имеет диагональ примерно 43 мм. Таким образом, согласно этому определению, нормальный объектив для полнокадрового 35 мм равен 43 мм.

Итак, почему объектив 50 мм является наиболее распространенным нормальным фокусным расстоянием для этого формата? Ответ немного сложнее, чем просто сказать, что он имитирует то, что видит глаз.Потому что человеческий глаз сам по себе представляет собой сложный механизм. Глаз имеет очень широкое поле зрения, но наш мозг имеет тенденцию игнорировать ненужную информацию.

В качестве эксперимента вы прямо сейчас смотрите на экран своего компьютера или устройства. Ваше внимание привлекает довольно ограниченное поле зрения. Но, если вы перестанете замечать, ваше периферическое зрение все еще очень широкое. Следовательно, определение нормального как того, что видит глаз, не совсем точное.

Человеческий глаз как оптическая система

Пределы качества изображения

Параксиальные оптические расчеты позволяют получать точечные изображения точечных объектов.Настоящие лучи не попадают в точечный фокус из-за аберраций и дифракции. Хотя аберрации можно свести к нулю; например, параболоидальное зеркало телескопа будет иметь нулевую сферическую аберрацию; на изображение звезды будет влиять дифракция или искривление лучей, поскольку они отражаются от края зеркала. Дифракция ограничивает качество изображения.

Апертура зрачка, дифракция и разрешающая способность

Этот свет состоит из лучей, движущихся по прямым линиям, хорошо подходит для определения положения и размеров объектов и изображений; однако есть ли лучи света? Прямой эксперимент для выяснения этого может заключаться в том, чтобы позволить пучку лучей от точечного источника, такого как звезда, пройти через круглое отверстие.Чем меньше апертура, тем меньше лучей пропускается. Если эти лучи наблюдаются на экране, диаметр пятна также должен уменьшиться. Однако сначала происходит сужение пятна на экране. При определенной настройке диаметра апертуры, по мере того как апертура продолжает уменьшаться, пятно на экране начинает увеличиваться (рис. 39). Это явление, известное как дифракция, ограничивает минимальный размер изображения. Дифракция — это искривление света, вызванное краем апертуры или ободком линзы.Даже идеальный объектив, свободный от аберраций, не сфокусирует свет в точку из-за дифракции. Вместо точечного изображения линза с круглой апертурой или зрачком создает размытие, состоящее из серии концентрических ярких и темных колец (рис. 40 и 41). В центре этой дифракционной картины находится яркое пятно, известное как диск Эйри, названное так потому, что сэр Джордж Эйри, королевский астроном (1801–1892), был первым, кто рассчитал распределение энергии в этой картине. Приблизительно 84% всей энергии дифракционной картины находится в диске Эйри.Оставшаяся энергия распределяется в окружающих кольцах, которые постепенно становятся слабее, как показано в Таблице 5.

Рис. 39. Дифракция из-за уменьшения размера апертуры.

Рис. 40. Диск Эйри и окружающие его кольца образованы круглым отверстием.

Рисунок 41.Дифракция фраунгофера на круглой апертуре. Распределение интенсивности показано справа.

Таблица 5. Распределение энергии по круговой апертуре на дифракционном изображении

9004

50 Первое кольцо

0 0,0016 Независимо от того, насколько хорошо, например, может быть исправлен телескоп, это будет образец изображения звезды. Угловой размер этого рисунка зависит только от длины волны света и диаметра апертуры телескопа или другого оптического устройства.В частности, радиус диска Эйри образует угол по отношению к линзе

, где λ равно длине волны света, а d — диаметр апертуры линзы в тех же единицах, что и длина волны. Это уравнение показывает, что дифракционное размытие увеличивается прямо с длиной волны и обратно пропорционально диаметру апертуры. Изображение источника красного света будет почти в два раза больше диаметра источника синего света. Увеличение диаметра апертуры вдвое уменьшит дифракционное размытие вдвое.

На рисунке 42 показано распределение интенсивности дифрагированных изображений двух звезд в фокальной плоскости телескопа или любой хорошо скорректированной оптической системы. Дифракция ограничивает разрешение оптических систем, от глаза до телескопа на горе. Паломар. Два больших дифракционных изображения будут сливаться вместе и казаться едиными при большем угловом расстоянии, чем две тонкие дифракционные картины. Следовательно, чем меньше апертура, тем грубее разрешение из-за дифракции.Например, если телескоп направить на две звезды одинаковой яркости, будут получены две дифракционные картины. Чем меньше угол между звездами, тем точнее будут изображены узоры. Как показано на Рисунке 42a, изображения двух звезд не разрешаются, когда вершины их узоров разделены углом, меньшим, чем угол радиуса диска Эйри. Интенсивности перекрывающихся дисков складываются, образуя единственный пик (пунктирная линия). Рэлей показал, что звезды разрешимы, когда две звезды были разделены углом, равным радиусу диска Эйри (т.е., пик θ ₁ шаблона 1 приходится на первое темное кольцо шаблона 2, а пик θ ₂ шаблона 2 приходится на первое темное кольцо шаблона 1. Как показано на рисунке 42b, сложение интенсивностей двух перекрывающихся рисунков приводит к провалу в комбинированных рисунках (пунктирная линия), что является достаточным падением яркости для восприятия и делает рисунки разрешимыми. Другие исследователи показали, что для разрешения достаточно даже меньшего провала и, как правило, углового разделения θ = 1.0λ / d используется вместо θ 1,22 / λ d. Длина волны указывается в нанометрах (нм), что равняется миллимикронам, теперь устаревшей единице. Дальнейшее разделение делает их легко разрешимыми.

Второе яркое кольцо	Третье	Яркое кольцо
Энергия	83.9%	7,1%	2,8%	1,5%
Пик Ileum	1,0	0,017	0,0041

Рис. 42. a) Распределения интенсивности для двух неразрешимых точек, разделенных углом менее 1,22λ / D; т.е. меньше радиуса воздушного диска. Пунктирная линия представляет собой комбинированную интенсивность двух рисунков. б) Распределения интенсивности для двух разрешимых точек, разделенных углом 1.22λ / D (критерий Рэлея). Это разделение равно радиусу одного диска; пик одного паттерна приходится на первый минимум другого. Падения комбинированной кривой интенсивности достаточно, чтобы разрешить картины. в) Дальнейшее разделение точек делает их легко разрешимыми.

Например, угловая разрешающая способность (RP) глаза при диаметре зрачка глаза d = 2 мм и λ = 555 нм = 0,000555 мм составляет

Поскольку 1 угловая минута равна 0 .00029 радиан, RP = 0,00034 / 0,00029 = 1,17 угловой минуты. Если используется 1,0 λ / d, RP = 0,000278 радиан, а разрешение становится 0,96 угловой минуты.

У 20/10 Snellen E угол разрешения 1 минута. Это показывает, насколько разрешающая способность глаза в белом свете близка к теоретическому пределу. Уравнение показывает, что разрешающая способность обратно пропорциональна диаметру зрачка. Другими словами, поскольку d находится в знаменателе, если d становится меньше по мере сужения зрачка, то разрешаемый угол становится больше или острота зрения ухудшается.Если бы разрешающая способность глаза зависела исключительно от дифракционных эффектов, то большой зрачок увеличивал бы остроту пропорционально. Зрачок 6 мм должен давать разрешающую способность 0,782 = 0,39 минуты или 24 секунды. Этого не происходит, потому что глаз — не идеальный оптический инструмент. Его аберрации становятся более выраженными по мере расширения зрачка. Еще больше усложняет ситуацию влияние уровня освещенности на остроту зрения и направленную чувствительность элементов сетчатки или эффект Стайлза-Кроуфорда.В результате взаимодействия дифракции, аберраций и освещения сетчатки оптимальная острота зрения достигается в промежуточном диапазоне диаметров зрачка, а именно от 2 до 3 мм.

Человек с нескорректированной миопией получит улучшенную остроту зрения с искусственным зрачком, поскольку его диаметр уменьшается. Это связано с тем, что пятно размытия на сетчатке сужается по мере сужения зрачка и, по сути, увеличивается глубина резкости этого человека. Однако достигается уменьшение размера зрачка, так что размытость из-за дифракции начинает превышать геометрическое размытие, вызванное точечным зрачком.Дальнейшее уменьшение зрачка увеличивает угловую протяженность диска Эйри в соответствии с θ = 1,22λ / d, и разрешающая способность глаза будет уменьшаться.

Ограниченная дифракционная функция передачи модуляции

Разрешение, как правило, измерялось с высококонтрастными (черно-белыми) объектами. На пределе разрешения контраст изображения между черными и белыми линиями снижается до едва различимого уровня. Разрешающая способность не дает информации о контрасте в изображениях более грубых узоров, которые поддаются разрешению.Фотографии обычно содержат широкий диапазон деталей или пространственных частот. Стволы деревьев в лесу — это грубые цели или цели с низкой пространственной частотой, которые легко разрешаются, но листья на деревьях или кора на стволах являются целями с более высокой пространственной частотой. Качество их фотографических изображений зависит от того, насколько они контрастны. Это зависит не только от самой высокой пространственной частоты, которая может быть разрешена только линзой. Как правило, контраст изображения должен быть как можно более высоким на всех пространственных частотах.

Функция передачи модуляции (ФПМ) описывает контраст всех пространственных частот в изображении. В идеале распределение света по изображениям серии полос-мишеней должно быть прямоугольным (т.е. иметь острые края, плоские пики и впадины), несмотря на пространственную частоту. В лучшем случае изображение точки представляет собой дифракционную картину. Аберрации линз еще больше смазывают изображение. Распределение света на изображении называется функцией рассеяния точки. Если объект представляет собой линию (т.е.е., бесконечное количество точек) изображение представляет собой функцию растяжения линии. Рисунок 43. Модуляция описывает распределение света по серии параллельных функций синусоидального рассеяния линии, как показано на рисунке 44. Пиковая и минимальная интенсивности обозначены I _max и I _min.

Рисунок 43. Функции распределения точек и линий.

Рисунок 44.Модуляция синусоидальной волны.

Функция расширения приводит к тому, что острый край объекта имеет округлый профиль яркости изображения. Этот закругленный профиль яркости по обе стороны от грубой прямоугольной волны или полосы будет размытой областью между плоским максимальным (L = 1) и минимальным (L = 0) распределением яркости. По мере того, как оптическая система отображает все более мелкие цели, их профили яркости постепенно становятся все ближе друг к другу и переходят друг в друга.Другими словами, все больше света проникает в темные области (рис. 45). В результате темные области получают освещение, а светлые — теряют. Идеальное прямоугольное волновое распределение яркости изображения ухудшается до синусоидального распределения (рис. 46). По мере того, как целевые полосы становятся более близко расположенными (более высокая пространственная частота), разница между максимальной и минимальной яркостью уменьшается или уменьшается контраст, выражаемый как модуляция. Идеальные мишени для MTF — это не столбики с прямоугольным волновым распределением яркости, а решетки с синусоидальным изменением яркости.Поскольку распределение яркости в их изображениях всегда синусоидальное, их математическая обработка упрощается.

Рис. 45. a) Двухпериодный объект в виде грубой прямоугольной волны. б) распределение яркости в объекте. c) функции растянутого изображения с перекрывающимися линиями. г) функция края результирующего изображения. д) размытые края изображения.

Рисунок 46.а, б, в) Прямоугольные объекты высоких пространственных частот имеют изображения с синусоидальным распределением света. г, д, е) еще более высокие пространственные распределения приводят к ослаблению модуляции. (По материалам «Современная оптическая инженерия» У. Дж. Смита)

Примерно два цикла структуры объекта из черных и белых полос показаны на рисунке 45a. Прямоугольная яркость объекта показана на рисунке 45b. Яркие полосы состоят из бесконечного количества ярких линий. Каждая яркая линия отображается как функция растяжения линии.Функции распределения перекрывающихся линий, как показано на рисунке 45c, приводят к тому, что острый край ярких полосок отображается с закругленным профилем интенсивности, таким образом формируя функцию края на рисунке 45d.