Что называют пределом разрешения глаза и чему он равен

Разрешение человеческого глаза

Физика > Разрешение человеческого глаза

Читайте, какое разрешение у глаза человека: работа линзы глаза, статическая и динамическая контрастность, диапазон поля зрения глаза, особенности восприятия.

Глаз – орган чувств, обеспечивающий умение видеть. Способен отличить примерно 10 миллионов цветов.

Задача обучения

Основные пункты

Термины

Глаз – орган, реагирующий на свет. Он обеспечивает человеческую способность видеть. За многие процессы восприятия отвечают стержневые и конусные клетки сетчатки. Глазу удается отличить 10 миллионов цветов.

Структура глаза и крупный план сетчатки

Важно понимать, какое разрешение у глаза человека. Статическая контрастность глаза составляет 100 : 1. При движении он регулирует свои механизмы химически и геометрические через управление диафрагмой. Первая темная адаптация осуществляется спустя 4 секунды глубокой и непрерывной темноты. При полной адаптации подключается химическая корректировка, на что уходит 30 минут. Отсюда появляется возможность динамического коэффициента контрастности – 1000000 : 1. Этот процесс нелинейный и многогранный, поэтому если свет прервет его, то все начнется сначала. Полная адаптация основывается на хорошем кровотоке.

В глазе присутствует линза, которая по своему строению и функциональности напоминает те, что используют в оптических приборах. Зрачок играет роль апертуры. Диафрагма останавливает апертуру. Из-за преломления в роговице эффективная апертура отличается от диаметра физического зрачка. Входной зрачок в диаметре занимает 4 мм, хотя может достигать 2 мм при яркой освещенности и 8 мм в темноте. Последний показатель медленно сокращается при старении. У пожилых людей диапазон – 5-6 мм.

Приблизительное поле зрения глаза: 95° от носа, 75° вниз, 60° к носу и 60° вверх, что обеспечивает практически 180-градусное горизонтальное видение спереди. При вращении глазного яблока на 90°, горизонтальное поле зрения достигает 170°. Примерно 12-15° во времени и на 1.5° ниже горизонтального – зрительный нерв или слепое пятно, охватывающее 7.5° и ширину 5.5°.

Источник

IV. Угол зрения. Разрешающая способность глаза.

Размер изображения на сетчатке «b» зависит только от угла β, под которым виден предмет «В». Этот угол называют углом зрения.

Из рисунка следует, чтоtgβ = B/L = b/l. Учитывая эти соотношения, можно записать следующую формулу для размера изображения на сетчатке:

Где l≈17 мм–это расстояние от узловой точки до сетчатки.

Для малых углов зрения ( ) справедлива приближенная формула:

Разрешающая способностьглаза – это свойство глаза видеть раздельно два предельно близко расположенных малых объекта или их детали.

В медицинской практике РС называют остротой зрения.

В клинической медицинской практике различают 2 вида РС:

1. Абсолютная РС (γ ) – характеризуется величиной, обратной предельному углу разрешения:

Предельный угол (φ) – это угол, под которым глаз видит раздельно на расстоянии r, равном 25см, две близко расположенных точки.

(угловые мин.)

х – линейный размер объекта (м)

у – расстояние до объекта (м)

k— коэффициент пропорциональности ≈ 3,438 угловых минут.

2.Относительная РС (V) – характеризуется отношением стандартного

предельного разрешающего угла к фактически разрешенному для

данного расстояния углу.

V= φ_о / φ_факт (безразмерна)

«V» зависит от :

размера объекта, расстояния до него, формы объекта,его цвета,контраста объекта с фоном,освещенности таблицы,особенности глаза.

На практике РС (остроту зрения) определяют при помощи специальных таблиц и знаков (буквы, кольца, различные фигуры), принятых за Международный стандарт.

РС (остроту зрения) определяют с расстояния 25-30 см или с расстояния 5 м.

Источник

Каковы пределы человеческого зрения?

От наблюдения далеких галактик за световые годы от нас до восприятия невидимых цветов, Адам Хэдхейзи на BBC объясняет, почему ваши глаза могут делать невероятные вещи. Взгляните вокруг. Что вы видите? Все эти цвета, стены, окна, все кажется очевидным, как будто так и должно быть здесь. Мысль о том, что мы все это видим благодаря частицам света — фотонам — которые отскакивают от этих объектов и попадают нам в глаза, кажется невероятной.

Эта фотонная бомбардировка всасывается примерно 126 миллионами светочувствительных клеток. Различные направления и энергии фотонов транслируются в наш мозг в разных формах, цветах, яркости, наполняя образами наш многоцветный мир.

Наше замечательное зрение, очевидно, обладает рядом ограничений. Мы не можем видеть радиоволны, исходящие от наших электронных устройств, не можем разглядеть бактерий под носом. Но с достижениями физики и биологии мы можем определить фундаментальные ограничения естественного зрения. «Все, что вы можете различить, имеет порог, самый низкий уровень, выше и ниже которого вы видеть не можете», — говорит Майкл Лэнди, профессор неврологии Нью-Йоркского университета.

Почему мы видим фиолетовый, а не коричневый, зависит от энергии, или длины волн, фотонов, падающих на сетчатку глаза, расположенную в задней части наших глазных яблок. Там находится два типа фоторецепторов, палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цвет, а палочки позволяют нам видеть оттенки серого в условиях низкой освещенности, например, ночью. Опсины, или пигментные молекулы, в клетках сетчатки поглощают электромагнитную энергию падающих фотонов, генерируя электрический импульс. Этот сигнал идет через зрительный нерв к мозгу, где и рождается сознательное восприятие цветов и изображений.

У нас есть три типа колбочек и соответствующих опсинов, каждый из которых чувствителен к фотонам определенной длины волны. Эти колбочки обозначаются буквами S, M и L (короткие, средние и длинные волны соответственно). Короткие волны мы воспринимаем синими, длинные — красными. Длины волн между ними и их комбинации превращаются в полную радугу. «Весь свет, который мы видим, кроме созданного искусственно с помощью призм или хитроумных устройств вроде лазеров, представляет собой смесь разных длин волн, — говорит Лэнди».

Из всех возможных длин волн фотона наши колбочки обнаруживают небольшую полосу от 380 до 720 нанометров — то, что мы называем видимым спектром. За пределами нашего спектра восприятия есть инфракрасный и радиоспектр, у последнего диапазон волн составляет от миллиметра до километра длиной.

Хотя большинство из нас ограничены видимым спектром, люди с афакией (отсутствием хрусталика) могут видеть в ультрафиолетовом спектре. Афакия, как правило, создается вследствие оперативного удаления катаракты или врожденных дефектов. Обычно хрусталик блокирует ультрафиолетовый свет, поэтому без него люди могут видеть за пределами видимого спектра и воспринимать длины волн до 300 нанометров в голубоватом оттенке.

Исследование 2014 года показало, что, условно говоря, все мы можем видеть инфракрасные фотоны. Если два инфракрасных фотона случайно попадают в клетку сетчатки почти одновременно, их энергия объединяется, конвертируя их длину волны из невидимой (например, 1000 нанометров) в видимую 500-нанометровую (холодный зеленый цвет для большинства глаз).

Сколько цветов мы можем видеть?

Здоровый человеческий глаз имеет три типа колбочек, каждый из которых может различать порядка 100 разных цветовых оттенков, поэтому большинство исследователей сходятся во мнении, что наши глаза в общем могут различить примерно миллион оттенков. Тем не менее восприятие цвета — это довольно субъективная способность, которая варьируется от человека к человеку, поэтому определить точные цифры довольно сложно.

«Довольно трудно переложить это на цифры, — говорит Кимберли Джеймисон, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвине. — То, что видит один человек, может быть лишь частью цветов, которые видит другой человек».

Сколько минимум фотонов нам нужно видеть?

Для того чтобы цветное зрение работало, колбочкам, как правило, нужно намного больше света, чем их коллегам-палочкам. Поэтому в условиях низкой освещенности цвет «гаснет», поскольку на передний план выходят монохроматические палочки.

В идеальных лабораторных условиях и в местах сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут быть активированы лишь горсткой фотонов. И все же палочки лучше справляются в условиях рассеянного света. Как показали эксперименты 40-х годов, одного кванта света достаточно, чтобы привлечь наше внимание. «Люди могут реагировать на один фотон, — говорит Брайан Уонделл, профессор психологии и электротехники в Стэнфорде. — Нет никакого смысла в еще большей чувствительности».

Затем ученые зажгли сине-зеленый свет перед лицами испытуемых. На уровне, превышающем статистическую случайность, участники смогли зафиксировать свет, когда первые 54 фотона достигли их глаз.

После компенсации потери фотонов через всасывание другими компонентами глаза, ученые обнаружили, что уже пять фотонов активируют пять отдельных палочек, которые дают ощущение света участникам.

Каков предел самого мелкого и дальнего, что мы можем увидеть?

Этот факт может вас удивить: нет никакого внутреннего ограничения мельчайшей или самой далекой вещи, которую мы можем увидеть. Пока объекты любого размера, на любом расстоянии передают фотоны клеткам сетчатки, мы можем их видеть.

«Все, что волнует глаз, это количество света, которое попадает на глаз, — говорит Лэнди. — Общее число фотонов. Вы можете сделать источник света до смешного малым и удаленным, но если он излучает мощные фотоны, вы его увидите».

К примеру, расхожее мнение гласит, что темной ясной ночью мы можем разглядеть огонек свечи с расстояния 48 километров. На практике, конечно, наши глаза будут просто купаться в фотонах, поэтому блуждающие кванты света с больших расстояний просто потеряются в этой мешанине. «Когда вы увеличиваете интенсивность фона, количество света, которое вам необходимо, чтобы что-то разглядеть, увеличивается», — говорит Лэнди.

Все отдельные звезды, которые мы видим в ночном небе, находятся в нашей галактике — Млечный Путь. Самый далекий объект, который мы можем разглядеть невооруженным глазом, находится за пределами нашей галактики: это галактика Андромеды, расположенная в 2,5 миллионах световых лет от нас. (Хотя это спорно, некоторые индивиды заявляют, что могут разглядеть галактику Треугольника в чрезвычайно темном ночном небе, а она находится в трех миллионах световых лет от нас, только придется поверить им на слово).

Триллион звезд в галактике Андромеды, учитывая расстояние до нее, расплываются в смутный светящийся клочок неба. И все же ее размеры колоссальны. С точки зрения видимого размера, даже будучи в квинтиллионах километрах от нас, эта галактика в шесть раз шире полной Луны. Однако наших глаз достигает так мало фотонов, что этот небесный монстр почти незаметен.

Насколько острым может быть зрение?

Почему мы не различаем отдельных звезд в галактике Андромеды? Пределы нашего визуального разрешения, или остроты зрения, накладывают свои ограничения. Острота зрения — это возможность различать такие детали, как точки или линии, отдельно друг от друга, чтобы те не сливались воедино. Таким образом, можно считать пределы зрения числом «точек», которые мы можем различить.

Теоретически, как показали исследования, лучшее, что мы можем разглядеть, это примерно 120 пикселей на градус дуги, единицу углового измерения. Можете представить это как черно-белую шахматную доску 60 на 60 клеток, которая умещается на ногте вытянутой руки. «Это самый четкий паттерн, который вы можете разглядеть», — говорит Лэнди.

Проверка зрения, вроде таблицы с мелкими буквами, руководствуется теми же принципами. Эти же пределы остроты объясняют, почему мы не может различить и сосредоточиться на одной тусклой биологической клетке шириной в несколько микрометров.

Но не списывайте себя со счетов. Миллион цветов, одиночные фотоны, галактические миры за квантиллионы километров от нас — не так уж и плохо для пузырька желе в наших глазницах, подключенных к 1,4-килограммовой губке в наших черепах.

Источник

Что называют пределом разрешения глаза и чему он равен

Если вы захотите учиться летать, у вас обязательно проверят остроту зрения; будет она меньше единицы — в аэроклуб не примут. Как же ее определяют?

Острота зрения, или разрешающая способность глаза, определяется наименьшим углом, под которым человек еще может видеть раздельно две точки, Когда она равна единице, то угол этот составляет одну минуту; при остроте зрения 0,5 — две минуты, при остроте зрения 0,1 — десять минут. При остроте зрения, равной единице, соответствующее линейное изображение двух точек на сетчатке составляет 0,005 миллиметра, что близко к среднему диаметру одной зрительной клетки — колбочки. Остроту зрения проверяют с помощью специально рассчитанных таблиц.

Индейцы считали, что у человека «хороший глаз», если он видит «за спиною у сквау ребенка», то есть различает около звезды второй величины Мицар (средняя звезда ручки ковша Большой Медведицы) звезду пятой величины Алькор. Расстояние между этими звездами не одна, а около двенадцати угловых минут, но звезды ведь мы воспринимаем не в виде точек.

Гельмгольц дал этому объяснение: «Изображения световых точек, получаемые в глазу, неправильно лучисты. Причина этого лежит в хрусталике, волокна которого расположены лучисто по шести направлениям. Те лучи, которые кажутся нам исходящими из светящихся точек, например из звезд, отдаленных огоньков, — не более, как проявление лучистого строения хрусталика. Насколько этот недостаток глаза всеобщ, видно из того, что всякая лучистая фигура обыкновенно называется звездообразной».

При зрении, равном единице, и достаточном освещении «разрешающая способность» глаза равна 1 минуте (1′). Это значит, что если угол, между прямыми, проведенными от двух точек к глазу, меньше 1′, то глаз воспринимает эти две точки как одну.

При стопроцентном зрении можно различить в виде едва заметной точки предмет с расстояния в 3 428 раз большего его величины.

“За спиной у сквау виден ребенок”

Примерно за четыреста лет до Гельмгольца Леонардо да Винчи дал совет, как увидеть звезды точками, без сияния:

«Посмотри на звезды без лучей. Этого можно достигнуть, наблюдая их сквозь малое отверстие, сделанное концом тонкой иглы и помещенное вплотную к глазу. Ты увидишь звезды столь малыми, что ничто другое не сможет казаться меньше».

Посмотрите на звезды так, как советовал Леонардо да Винчи, и вы убедитесь, что он прав. При этом и «сквау с ребенком» на ручке Большой Медведицы вам будет видна значительно лучше. Вот почему так происходит. Сквозь маленькое отверстие мы пропускаем в глаз лишь тонкий световой пучок. Он проходит через центральную часть хрусталика и потому не изменяется под влиянием его лучистой структуры.

Источник

Разрешающая способность

Разрешающей способностью оптической системы называется минимальное угловое расстояние между двумя точками, которые еще видны раздельно.

Теоретический предел разрешения ограничен дифракцией на входном зрачке системы:

d (рад).

В результате для глаза получится d_гл=1 мин = 60 с.

Эта величина принимается как критерий необходимой разрешающей способности трубы d’ в пространстве изображений. В пространстве предметов ей соответствует величина d = 60/Г (с).

Если теоретический угловой предел разрешения телескопической системы, зависящий от диаметра входного зрачка (D) и в основном определяемый объективом

(секундах, D в мм) равен d = 60/Г,

то увеличение трубы называют полезным

Г_п= 0.43*D (для зеленого света).

По этой формуле определяют разрешающую способность объективов астрономических и геодезических приборов и ее называют астрономическим критерием.

При наблюдении глазом разрешающая способность телескопического прибора ограничивается пределом разрешения глаза:

.

Угловые пределы разрешения телескопа в пространстве изображений (Y¢) и в пространстве предметов (Y) связаны между собой соотношением:

,

причем . Для того, чтобы глаз полностью использовал разрешающую способность телескопической системы, ее полезноевидимое увеличение должно быть

, если .

В общем случае полезное увеличение может иметь значение в пределах:

, если .

Это объясняется тем, что выходные зрачки в телескопических системах различного назначения могут иметь разный диаметр, и разрешающая способность глаза в различных условиях наблюдения также может отличаться от стандартной.

Это означает, что если увеличение трубы Г> Г_п, то все равно глаз не различит мелкие детали изображения, даваемого трубой. (Изображение будет большим, но некачественным при визуальном наблюдении).

Поскольку размер зрачка глаза зависит от освещенности, то снижение пропускания трубы приведет к увеличению зрачки и снижению субъективной яркости. Поэтому коэффициент пропускания простых труб должен быть 80-85%, биноклей 65-75%.

Одним из способов повышения разрешающей способности телескопов является вынос его за пределы земной атмосферы. В космических телескопах на качество изображения не влияет неоднородность атмосферы, кроме того, с их помощью, возможно, проводить исследования в области ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, которые земная атмосфера пропускает слабо. Все это позволит повысить разрешающую способность телескопа в десятки и сотни раз.

Диаметр полевой диафрагмы , т.е. размер сетки, можно рассчитать по формуле:

.

При выполнении габаритного расчета компоненты телескопической системы принимаются бесконечно тонкими. Для простой телескопической системы Кеплера входной зрачок и апертурная диафрагма совпадают с оправой объектива (рис.3.2).

Длинапростой телескопической системы, или расстояние между её компонентами, определяется по формуле:

.

Удаление выходного зрачка

.

Для фокусировки окуляра на сетку используется перемещение окуляра, так называемая диоптрийная наводка окуляра. Близорукий наблюдатель вдвигает окуляр, дальнозоркий – выдвигает. Трубы с диоптрийной наводкой обычно имеют диапазон 5 дптр. Если диоптрийная наводка отсутствует, то наблюдатель работает в очках. В этом случае вынос выходного зрачка должен быть несколько больше. В приборах ночного видения без диоптрийной наводки должен быть наглазник, ограничивающий лучи, выходящие из окуляра и отраженные очковой линзой в сторону наблюдаемого предмета.

Необходимое перемещение окуляра для компенсации недостатков зрения:

,

А_Д– аметропия (дальнозоркости или близорукость) глаза в диоптриях, – расстояние от заднего фокуса окуляра до глаза.

При наблюдении объектов через телескопический прибор глаз должен располагаться в плоскости выходного зрачка, согласованного со зрачком глаза, тогда весь свет, входящий в объектив под разными углами к оси, попадет в глаз.

Главный (основной) луч – это луч, идущий из внеосевой точки предмета и проходящий через центр апертурной диафрагмы (например, выходного зрачка на рис.3.2).

Для телескопической системы видимое увеличение Г (Г_Т), линейное b, угловое g и продольное a увеличения являются постоянными величинами и связаны друг с другом следующими зависимостями:

;

;

.

Для ТС, расположенной в однородной среде, .

Выбор компонентов системы производится по каталогам (табл.3.1 и табл.3.2), которые выдаются на лабораторных занятиях.

Увеличение окуляра зрительной трубы можно определить по формуле .

Выбор окуляра

Такие характеристики окуляра, как фокусное расстояние, диаметр выходного зрачка, его удаление, расстояние от переднего фокуса до первой поверхности и аберрации оказывают решающее значение на характеристики трубы в целом. Поэтому в отличие от объективов, окуляры значительно разнообразнее по конструкции, чем объективы, и состоят из нескольких компонентов. Они отличаются угловым полем зрения и соотношениями между передним фокальным отрезком s_f, выносом выходного зрачка s’_p’и фокусным расстоянием f’_ок. Отметим, что аберрации окуляров носят другой характер – это аберрации наклонных пучков: кома, астигматизм, дисторсия, хроматизм увеличения. Коррекция аберраций требует увеличения числа линз.

– по фокусному расстоянию , которое должно быть как можно ближе к расчетной величине;

– по угловому полю в пространстве изображений , которое должно быть не менее рассчитанного значения;

– по диаметру выходного зрачка , которое должно быть равно или немного больше определенного.

Конструктивные параметры окуляров приведены в табл.3.1.

Источник