Статьи

Микроскоп (от микро… и греческого  skopeo — смотрю) – это оптический прибор для получения сильно увеличенного изображения изучаемого очень маленького объекта, невидимого невооружённым глазом. При помощи микроскопа можно рассмотреть мелкие детали строения объекта, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза.

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему. И эта система характеризуется определённым разрешением. Что такое разрешение оптической системы? Это наименьшее расстояние между элементами наблюдаемого объекта, при котором эти элементы ещё могут быть отличены один от другого (под элементами объекта мы понимаем точки или линии).

Если объект удален на так называемое расстояние наилучшего видения, которое составляет 250 мм, то для нормального человеческого глаза минимальное разрешение составляет примерно 0,1 мм, а у многих людей — около 0,20 мм.

Примерно это соответствует толщине человеческого волоска. Размеры объектов, таких как микроорганизмы большинства растительных и животных клеток, мелкие кристаллы, детали микроструктуры металлов и сплавов и т.п., значительно меньше 0,1 мм. Такие объекты мы будем называть микрообъекты. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопа определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Оптический микроскоп даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм, т.е. разрешающая способность такого микроскопа составляет около 0,20 мкм или 200 нм.

Когда мы говорим о разрешающей способности микроскопа, мы подразумеваем, точно также как и под разрешающей способностью человеческого глаза, раздельное изображение двух близко расположенных объектов. Надо помнить, что разрешающая способность и увеличение – это не одно и тоже. Например, если при помощи систем визуализации получить со светового микроскопа фотографии двух линий, расположенных на расстоянии менее 0,20 мкм (т.

е. менее разрешающей способности микроскопа), то, как бы мы не увеличивали изображение, линии все равно будут сливаться в одну. Т.е. мы сможем получить большое увеличение, но не улучшим его разрешение. Общее увеличение микроскопа равно произведению линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра. Значения увеличений гравируются на оправах объективов и окуляров. Рассмотрим микроскоп плоского поля (не стереоскопический). Это биологические микроскопы, металлографические, поляризационные. Обычно объективы такого микроскопа имеют увеличения от 4 до 100 крат, а окуляры — от 5 до 16. Поэтому общее увеличение оптического микроскопа лежит в пределах от 20 до 1600 крат. Разумеется, технически возможно разработать и применить в микроскопе объективы и окуляры, которые дадут общее увеличение, значительно превышающее 1600 крат (например, существуют окуляры с увеличением 20 крат, которые в паре с объективом 100 крат дадут увеличение 2000 крат). Однако, обычно это нецелесообразно. Большие увеличения не являются самоцелью оптической микроскопии. Назначение микроскопа состоит в том, чтобы обеспечить различение как можно более мелких элементов структуры препарата, т.е. в максимальном использовании разрешающей способности микроскопа. А она имеет предел, обусловленный волновыми свойствами света. Таким образом, различают полезное и неполезное увеличение микроскопа. Полезное увеличение – это когда можно выявить новые детали строения объекта, а неполезное – это увеличение, при котором, увеличивая объект в сотни и более раз, нельзя обнаружить новых деталей строения объекта.

Еще раз остановимся на понятии разрешающей способности. Разрешающая способность оптических приборов (так же ее называют разрешающая сила) характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличений, которые мы получаем с помощью микроскопа.

Увеличения до 1250 крат называют полезными, т. к. при них мы различаем все элементы структуры объекта. При этом возможности микроскопа по разрешающей способности исчерпываются. Это увеличение получаем при использовании объектива 100 крат, работающего с масляной иммерсией, и окуляра 12,5 крат (полезное увеличение окуляров лежит от 7,5 до 12,5 крат). При увеличениях свыше 1250 крат не выявляются никакие новые детали структуры препарата. Однако иногда такие увеличения используют — в микрофотографии, при проектировании изображений на экран и в некоторых других случаях.

Когда необходимо существенно более высокое полезное увеличение, используют электронный микроскоп. Этот микроскоп обладает существенно более высокой разрешающей способностью, нежели оптический микроскоп. Электронный микроскоп – это прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 10⁶ раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэв и более) в условиях глубокого вакуума.

10 интересных фактов о зрении

Главная — Социальные сети — 10 интересных фактов о зрении

Зрение — наш основной источник информации о мире; человеческий глаз — уникальный инструмент, который воспринимает и передает ее в мозг. 

1. Человеческий глаз в среднем может распознавать около 10 миллионов цветов

Различать разные цвета мозгу позволяют два вида фоторецепторов в наших глазах: палочки и колбочки. Первые отвечают за сумеречное и периферийное зрение, вторые — за цветное. При этом палочек в глазах гораздо больше, чем колбочек (110-125 миллионов и 4-7 миллионов соответственно). 10 миллионов цветов, которые мы можем различать, далеко не предел — это число определяется тремя видами колбочек, каждый из которых реагирует на свет с определенной длиной волны. Из-за определенного вида генетической мутации у некоторых женщин появляется четвертый вид колбочек, что позволяет таким людям видеть еще большее количество оттенков. У некоторых птиц (например, голубей) и насекомых (бабочки) — пять и более цветовых рецепторов, поэтому, возможно, они различают еще больше цветов, чем мы.

2. 576 мегапикселей

Если бы глаз был цифровой фотокамерой, ее матрица имела бы разрешение в 576 мегапикселей. Разумеется, человеческое зрение устроено гораздо более сложно, нежели фотоаппарат. Однако было подсчитано, что разрешение глаза составляет 576 Мп — при условии, что поле зрения равно 120 градусам. На самом же деле наше поле зрения близко к 180 градусам, что “дает” глазам еще больше мегапикселей.

3. Eigengrau — настоящий серый

В конце XIX века психолог Джордж Лэдд предложил термин Eigengrau для обозначения однородного темно-серого цвета, который многие люди видят при полном отсутствии света. Определение, которое переводится с немецкого как “собственный, настоящий серый”, сейчас практически не используется: это явление чаще называют “адаптацией к фону”. Причиной того, что глаз воспринимает цвет при полном отсутствии фотонов света, считается изомеризация зрительного пигмента родопсина.

4. Сканирование сетчатки — более достоверный способ распознавания личности, чем дактилоскопия

Сетчатка глаза — это тонкая ткань, состоящая из нервных клеток. Из-за сложной структуры капилляров, которые снабжают ее кровью, сетчатка глаза каждого человека уникальна; даже идентичные близнецы не имеют одинакового рисунка. Хотя рисунок сетчатки может меняться при диабете, глаукоме или заболеваниях самой сетчатки, обычно он остается неизменным от рождения до смерти, из-за чего сканирование сетчатки считается одним из самых точных и надежных способов идентификации личности.

5. Мозг — главный зрительный орган

Наши глаза действуют как камера — собирают свет и направляют данные в мозг, который обрабатывает полученную картинку. При этом изображение на сетчатке формируется в перевернутом виде, но мозг переворачивает его обратно, для лучшего восприятия. Проводились эксперименты, во время которых люди носили очки, переворачивающие получаемое глазами изображение. Через некоторое время мозг адаптировался, и участники опыта начали видеть нормально, так, как обычно, даже будучи в очках. Зато, когда они снимали призматические очки, мозг выдавал “перевернутую” картинку.

Еще одно доказательство того, что именно мозг работает с получаемым глазами изображением: исследования доказали, что во время глубокой депрессии зрение становится менее контрастным, то есть цвета воспринимаются как более тусклые.

6. Дальтонизм — мужская проблема

Дальтонизм, наследственная или приобретенная неспособность различать один или несколько цветов, встречается у мужчин гораздо чаще, чем у женщин. Причина — в мутации гена в Х-хромосоме. Мужчины имеют только одну Х-хромосому, а женщины — две, поэтому даже если одна из Х-хромосом у женщины будет дефектной, это не повлияет на ее восприятие цвета. Чаще всего (в 95 % случаев) люди, которые страдают дальтонизмом, не различают красный и зеленый цвета; невосприятие синего встречается крайне редко.

7. Слезы бывают разными

Состав слезы меняется в зависимости от причин, которые их вызвали, то есть слезы в результате эмоций отличаются от слез, вызванных раздражением слизистой глаза (из-за пыли, аллергии или лука). “Эмоциональные” слезы содержат больше гормонов на основе белков — пролактин, адренокортикотропный гормон, лейцин-энкефалин. Последний относится к эндорфинам, “гормонам счастья”, которые обладают способностью уменьшать боль. По этой причине ученые предполагают, что механизм, вызывающий слезы из-за эмоций, направлен на улучшение состояния человека.

8. Слепая зона глаза

Каждый здоровый человеческий глаз имеет слепое пятно — область на сетчатке, которая не воспринимает свет. Мы не замечаем эти пятна, потому что они находятся в разных местах на разных глазах, да и мозг “корректирует” картинку, заполняя ее там, где нужно. Слепое пятно можно обнаружить специальными приемами, без использования инструментов.

9. Гетерохромия — глаза разного цвета

Цвет нашей радужки (а также волос и кожи) зависит от концентрации пигмента меланина. Иногда правый и левый глаз могут быть разного цвета — полностью или частично. Это явление называется гетерохромией.

Гетерохромия может быть врожденной или приобретенной, в результате болезни или травмы. У людей она встречается довольно редко, гораздо чаще — у кошек и собак: турецких ванов, турецких ангор, сибирских хасков, австралийских овчарок. Случаи полной гетерохромии зафиксированы у лошадей, коров и буйволов.

10. Правило 20/20/20

Все знают, что глаза устают после долгой работы за компьютером: мы смотрим на яркий дисплей и редко моргаем, в итоге слизистая пересыхает и испытывает дискомфорт. Если длительной работы перед электронным экраном (ПК, планшет, телевизор, не важно) не избежать, не забывайте пользоваться правилом 20/20/20. Согласно ему, нужно каждые 20 минут отвлекаться от работы не менее чем на 20 секунд и смотреть на предметы, которые находятся не ближе 20 футов (6 метров).

Источник

Является ли «разрешение» человеческого глаза «бесконечным»? – Неврологизм

Никакая измеримая физическая величина никогда не бывает бесконечной. Другими словами, только теоретические понятия могут быть окончательно названы бесконечными. Но это, возможно, эпистемологическое утверждение, которое здесь не нужно. Итак, давайте углубимся в мельчайшие детали того, как на самом деле измеряется визуальное «разрешение». Как мы увидим, количество светочувствительных клеток в сетчатке не говорит нам о «разрешении» зрительной системы в целом. В некоторых случаях наше визуальное «разрешение» превосходит разрешение глаза, рассматриваемого изолированно.

Острота зрения [1] – это острота, с которой мы можем различать световые узоры на сетчатке глаза. Это зависит от точного местоположения света, падающего на сетчатку.

Острота зрения измеряется с использованием углов, а не пикселей. Это связано с тем, что пиксели изображения не говорят нам, насколько далеко изображение находится от зрителя во время тестирования. Если мы смотрим на изображение с блочными пикселями, чем дальше оно находится, тем сложнее становится разрешить различия между соседними пикселями. Что остается примерно постоянным, так это наименьший угол, под которым объект находится перед глазом, для которого этот объект распознается. Этот угол измеряется оптометристом с помощью диаграммы, подобной приведенной ниже.

Размер самой маленькой буквы, которую вы можете разобрать, измеренный в дюймах или сантиметрах, не является стабильным измерением. Если вы отодвинете диаграмму, этот размер увеличится. Но угол, образуемый буквой у глаза, остается более или менее постоянным по мере того, как вы отдаляете диаграмму. Это просто еще один способ сказать, что для того, чтобы видеть детали объектов вдали, объекты должны быть намного больше, чем они должны были бы быть, если бы они были прямо перед вами.

На приведенной ниже диаграмме показано, как относительная острота зрения («обратная величина угла зрения в градусах, деленная на фовеальную величину») одного глаза зависит от положения изображения на сетчатке:

«Бесконечное разрешение» означало бы, что относительная острота зрения взлетела бы до бесконечности в центральной ямке — это невозможно, потому что это означало бы, что люди могли бы различать сколь угодно малые промежутки (приближающиеся к нулю градусов) между объектами. Мы знаем, что это неправда.

«Разрешение» центральной ямки, измеряемое как количество колбочек на единицу площади мозаики сетчатки, является ключевым фактором, определяющим остроту зрения. (Число колбочек конечно, и это еще одна причина, по которой зрительная система не имеет бесконечного разрешения.)

Не случайно диаграмма остроты зрения прекрасно коррелирует с графиком плотности колбочек в зависимости от угла зрения от сетчатки — синяя линия на рисунке ниже.

На странице Википедии, посвященной остроте зрения, приведены некоторые соответствующие цифры:

.

«Максимальное угловое разрешение человеческого глаза – 28 угловых секунд или 0,47 угловых минуты, [18] это дает угловое разрешение 0,008 градуса, и на расстоянии 1 км соответствует 136 мм. Это равно 0,94 угловых минуты на пару линий (одна белая и одна черная линия), или 0,016 градуса. Для пары пикселей (один белый и один черный пиксель) это дает плотность пикселей 128 пикселей на градус (PPD)».

Но острота зрения — это еще не все. У людей есть то, что известно как повышенная острота зрения[2] — наша зрительная система в некоторых обстоятельствах может превышать ограничения «разрешения» сетчатки.

Сверхактуальность зависит от типа задачи визуального различения, которую вы выполняете. Один тип задач включает измерение остроты зрения по нониусу[3] — нашей способности определить, выровнены ли два сегмента линии или нет.

Наименьший угол зрения, разделяющий две линии, которые мы оцениваем как «несовмещенные», меньше угла, который вы получаете при измерении нормальной остроты зрения. Удивительно, но этот феномен, несмотря на то, что он известен с конца 1800-х годов, до сих пор не получил адекватного объяснения нейробиологией [4].

Этот отрывок из статьи [5] о сверхостроте зрения показывает, насколько ошеломляющей на самом деле является эта способность:

«В то время как в некоторых задачах (например, при различении двух соседних точек) пороги находятся в диапазоне 30–60 угловых секунд, в других задачах, таких как нониус, порог может быть всего 5 угловых секунд. Пороговое значение в 5 угловых секунд означает, что наблюдатель надежно различает детали размером менее 0,02 мм на расстоянии 1 м или размером с монету в четверть доллара на расстоянии 17 км! Можно лучше оценить поразительную точность этого представления, рассмотрев оптические свойства глаза. В пространственно наиболее чувствительной области сетчатки — центральной ямке — диаметр фоторецепторов находится в пределах 30—60 угловых секунд, а размеры рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки могут быть еще больше. Таким образом, люди могут различать детали с точностью лучше, чем одна пятая размера самого чувствительного фоторецептора. Г. Вестгеймер ввел термин сверхострота зрения для описания таких показателей (Westheimer, 19).81)». [курсив добавлен]

Таким образом, угловое разрешение зрительной системы человека (в отличие от глаза) лучше, чем можно было бы ожидать, если бы мы просто измерили чувствительность светочувствительных клеток глаза. Это разрешение не бесконечно, но, тем не менее, оно довольно удивительно.

---

Примечание

В статье, которую я только что процитировал, есть очень интересный абзац, который лежит в основе моей проблемы с концепцией «разрешения», когда речь идет о зрительной системе (или любой сенсорной системе):

«Сверхострота зрения изучается экспериментаторами уже более ста лет, первое сообщение о верньерной сверхостроте относится к 1892 году. К настоящему времени, вероятно, наиболее интересным моментом в отношении сверхостроты является то, что это не должно вызывать удивления, если рассматривать его в контекст вычислительной нейробиологии зрительной системы. Во-первых, благодаря функции точечного рассеяния оптики глаза очень маленькая световая точка, проецируемая на сетчатку, может активировать до 40 различных фоторецепторов. Таким образом, нет никаких априорных оснований ожидать простой связи между остротой зрения, проявляемой системой, и расстоянием между соседними фоторецепторами. Во-вторых, нет оснований ожидать одинаковых порогов для разных задач, если только не предположить, что первая стадия видения, общая для всех последующих процессов обработки, сводится к внутренней реконструкции внешнего мира каким-то уникальным и достоверным образом». [курсив добавлен]

Последний пункт, который я выделил, имеет решающее значение: человеческое зрение — это не какая-то обработка информации уже «данного» изображения на сетчатке. В отличие от камеры, визуальная информация активно конструируется зрительной системой, в значительной степени на основе того, что делает организм. С этой точки зрения термин «ретинальное изображение» несколько вводит в заблуждение. Свет, падающий на отсоединенную сетчатку, не создает «внутреннего» изображения. И если глаз не совершает постоянно крошечных движений (называемых микросаккадами) по отношению к внешнему образу, внутренний образ в конечном итоге исчезает из-за нейронной адаптации[6] . Зрение — это гораздо больше, чем просто передача изображения от глаза к мозгу. Строго говоря, изображения «в» глазу нет.

Сноски. человеческий глаз обрабатывает пикселей

[5 ] Повышенная острота зрения [pdf]

[6] Микросаккады противодействуют угасанию зрения во время фиксации

Первоначально этот пост был опубликован 17 декабря 2019 г. в качестве ответа на Quora.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Разрешение человеческого глаза (i) чистая мощность пикселя

Многие визуальные технологии, такие как цифровые камеры и даже телевизоры, основаны на мегапикселях или, скорее, на миллионах пикселей в сенсоре/экране. Каково разрешение человеческого глаза? Ответить на этот вопрос непросто, поскольку понятие разрешения имеет ряд аспектов, а человеческий глаз не аналогичен сенсору камеры. Может быть, лучше спросить, сколько пикселей потребуется, чтобы сделать изображение на «экране» достаточно большим, чтобы заполнить все наше поле зрения, чтобы, когда мы смотрим на него, мы не могли обнаружить пикселизацию.

По правде говоря, мы, возможно, никогда не сможем точно определить разрешение зрительной системы человека — глаза органические, а не цифровые. Человеческое зрение стало возможным благодаря наличию фоторецепторов в сетчатке. Эти фоторецепторы, которых в каждом глазу более 120 миллионов, преобразуют электромагнитное излучение в нервные сигналы. Фоторецепторы состоят из палочек и колбочек. Палочки (имеющие форму палочки) обеспечивают скотопическое зрение, отвечают за зрение при слабом освещении и являются ахроматическими. Конусы (конусообразные) обеспечивают фотопическое зрение, активны при высоких уровнях освещения и способны к цветовому зрению. Существует примерно 6-7 миллионов колбочек и около 120-125 миллионов палочек.

Но сколько [мега] пикселей это эквивалентно? Легко предположить, что разрешение в пикселях может быть 125-130 мегапикселей. Может быть. Но тогда многие палочки прикреплены к биполярным ячейкам, что обеспечивает низкое разрешение, тогда как у каждой колбочки есть своя биполярная ячейка. Биполярные клетки стремятся передавать сигналы от фоторецепторов к ганглиозным клеткам. Таким образом, может быть гораздо меньше 120 миллионов стержней, предоставляющих реальную информацию (что-то вроде набора пикселей в градациях серого на изображении и усреднения их значений для создания сверхпикселя). Так что это не продуктивная цифра.

Несколько лет назад Роджер М. Кларк из Clark Vision провел расчет, предполагая поле зрения 120° на 120° и остроту зрения 0,3 угловых минуты. Результат? Он подсчитал, что человеческий глаз имеет разрешение 576 мегапикселей. Расчет достаточно прост:

(120 × 120 × 60 × 60) / (0,3 × 0,3) = 576 000 000

Значение 60 — это количество угловых минут на градус, а 0,3 угловых минуты² — это, по сути, « размер пикселя. Квадратный градус равен 60×60 угловых минут и содержит 40 000 «пикселей». Кажется, огромное число. Но, как отмечает Кларк, человеческий глаз — это не цифровая камера. Снимки мы не делаем (а жаль), а наша система зрения больше похожа на видеопоток. У нас также есть два глаза, обеспечивающие стереоскопическое и бинокулярное зрение с возможностью восприятия глубины. Таким образом, факторов гораздо больше, чем доступно в простом датчике. Например, мы обычно двигаем глазами, и наш мозг, вероятно, создает изображение с более высоким разрешением, чем это возможно с помощью наших фоторецепторов (аналогично тому, как я могу себе представить, как изображение с большим количеством мегапикселей создается цифровой камерой, слегка перемещая сенсор и объединение сдвинутых изображений).

Проблема здесь может заключаться в размере пикселя. В оптимальных условиях просмотра человеческий глаз может различать детали размером до 0,59 угловых минут на пару линий, что соответствует 0,3 угловых минуты. Это число взято из исследования 1897 года — «Die Abhängigkeit der Sehschärfe von der Beleuchtungsintensität», написанного Артуром Кенигом (примерно переводится как «Зависимость остроты зрения от интенсивности освещения»). Более позднее исследование 1990 года (Curcio90) предполагает значение 77 циклов на 9 степень.0069 . Чтобы преобразовать это в угловые минуты за цикл, мы сначала разделим 1 на 77, а затем умножим на 60 = 0,779. Два пикселя определяют цикл, поэтому 0,779/2 = 0,3895 или 0,39. Теперь, если мы используем 0,39 × 0,39 угловых минут в качестве размера пикселя, мы получаем 6,57 пикселей на угловой угол² по сравнению с 11,11 пикселей при остроте зрения 0,3. Это сильно меняет вычисленное значение на  341  мегапикселей (60 % от предыдущего расчета).

Расчет Кларка с использованием 120° также является консервативным, поскольку поле зрения глаз составляет примерно 155° по горизонтали и 135° по вертикали. Если бы мы использовали эти ограничения, то получили бы 837 мегапикселей (0,3) или 495 мегапикселей (0,39). Размер пикселя 0,3 угловых минуты² является оптимальным для просмотра, но около 75% населения имеют зрение 20/20 как с корректирующими мерами, так и без них. Зрение 20/20 подразумевает остроту зрения в 1 угловую минуту, что означает размер пикселя 1×1 угловая минута². Это может означать просто 75  мегапикселей. Есть еще три фактора, которые усложняют это: (i) эти расчеты предполагают равномерную оптимальную остроту зрения, что бывает очень редко, (ii) зрение бинокулярное, а не монокулярное, и (iii) поле зрения, вероятно, не прямоугольное.

Для бинокулярного зрения, при условии, что каждый глаз имеет горизонтальное поле зрения 155° и перекрытие 120° (120° зрения каждого глаза — бинокулярное, остальные 35° — монокулярное).