Тема: Глаз и зрение с позиций астрономии (Прочитано 15221 раз)

tlgleonid · « : 18 Січня 2010, 13:18:29 »

Среди всех инструментов, которыми человек познает вселенную, глаз играет доминирующую роль. Ведь как известно, органами зрения человек получает около 80 процентов всего информационного потока. При астрономических исследованиях глаз играет особую роль. Ведь это во-первых главный инструмент наблюдения, а во-вторых это простейший астрономический прибор. Возможности человеческого глаза велики и одновременно очень малы. Человек может различать многие тысячи цветов и оттенков, видеть в темноте отдельные фотоны и воспринимать мощный поток света днем, изображение воспринимается миллионами палочек и колбочек. И одновременно из всего спектра электромагнитного излучения человек в состоянии воспринять лишь ничтожную долю, человек своими глазами зачастую видит не то, что видно, а то, что он хочет увидеть. Глаз человека не в состоянии тягаться с ПЗС-матрицей по чувствительности к предельно-слабым доступным объектам или хорошим объективом по разрешающей способности. Так на что же при изучении вселенной может рассчитывать человеческий глаз? Оказывается на достаточно многое и одновременно на очень немногое.
Невооруженный глаз человека может видеть диск Солнца и Луны, наблюдать 5 планет солнечной системы. Кроме того на небесной сфере человеческий глаз способен увидеть около 6000 звезд. Можно глазом увидеть некоторые шаровые и рассеянные скопления, а также некоторые светлые туманности и туманность Андромеды. Примерно раз в десять лет невооруженным глазом можно увидеть яркую комету с пышным хвостом. Можно также увидеть падение метеоров, пролет ярких спутников, таких, как космическая станция Альфа или спутники связи Иридиум, полярные сияния. Но, что бы с помощью глаза, вооруженного современной оптикой можно было увидеть как можно больше, нужно знать о свойствах нашего зрения и уметь ими пользоваться.
Однако, перед тем, как мы начнем разговор о свойствах глаза, было бы полезно познакомиться с его устройством и принципом работы. Если посмотреть на глаз человека, мы увидим выступающее шаровидное тело белого цвета (белки глаза), частично прикрытое веками (верхним и нижним). Не зря весь глаз называют глазным яблоком. В центральной части глазного яблока отчетливо видно цветной круг, который у разных людей может иметь совершенно различный оттенок от голубого до темно-коричневого. Этот кружок называют радужной оболочкой глаза или радужкой. В центре радужки отчетливо видно небольшой черный кружок, размеры которого меняются в зависимости от освещенности. То, что мы видим - всего лишь небольшая часть нашего глаза. Если же мы посмотрим на человеческий глаз в разрезе, то увидим примерно такую картину:

tlgleonid

   Оказывается, глаз находится внутри белковой оболочки или, как ее еще называют, склеры. Это довольно прочная внешняя оболочка, имеющая толщину около миллиметра в передней части глазного яблока переходит в более выпуклую прозрачную оболочку, называемую роговицей. Толщина роговицы составляет лишь пол миллиметра.
   Что бы глазное яблоко обеспечить питательными веществами, под склерой находится еще одна оболочка, состоящая из сети мелких кровеносных сосудов. Эта оболочка, толщиной всего 0.3 миллиметра называется сосудистой оболочкой или хориодеей. В передней части глазного яблока хориодея утолщается и переходит в радужную оболочку. Если быть точным, то помимо кровеносных сосудов радужная оболочка содержит мышечные волокна, соединительные ткани и пигментные клетки. От числа пигментных клеток и зависит цвет глаз. При помощи сокращения или расслабления мышц изменяется размер отверстия - зрачок. Зрачок похож чем-то на диафрагму фотоаппарата, но находится эта диафрагма перед основной линзой глаза - хрусталиком. Хрусталик представляет собой двояковыпуклую линзу, которая и строит изображение предметов на сетчатке.
   Сетчатка - это многослойная внутренняя оболочка глаза, основная функция которой - преобразовать изображение в нервные импульсы и передать их в мозг. Пространство между сетчатой оболочкой и хрусталиком заполнено прозрачным студенистым веществом - стекловидным телом. Между радужкой и роговицей также находится прозрачная жидкость - водянистая влага.
   Нас, в отличие о биологов, мало интересует химический состав жидкостей, пигментов и структура мышечной ткани. Зато нас интересуют оптические свойства каждого из составных частей глазного яблока.
   И так, луч света от звезды попадая в наш глаз в первую очередь проходит через роговицу. Посмотрим на нее внимательнее. Оказывается, радиус кривизны передней поверхности роговицы составляет порядка 7,7 мм, а задней поверхности только 6,8 мм. Фактически, роговица напоминает отрицательную линзу в виде мениска. Ее рассмотреть ее свойства отдельно, то окажется, что фокусное расстояние (в данном случае, это величина отрицательная) составляет -182.5 мм. Но эти цифры относятся только к центральной ее части, размером порядка 3-4 мм. Чем дальше от центра, тем меньше кривизна и больше различных неровностей. Нужно понимать, что в дальнейшем часть светового потока после роговицы будет отсечена зрачком. Напрашивается логичный вывод, что чем меньше будет диаметр зрачка, тем лучшим будет изображение.
   Между зрачком и роговицей, как мы уже знаем, находится водянистая влага. Ее показатель преломления очень близок к таковому для роговицы, по этому, фактически роговица и передняя камера с точки зрения оптики представляют собой практически один цельный объект - сильную положительную линзу Фокусное расстояние этой линзы равно 23.22 мм.
   Пройдя через эту линзу свет попадает в хрусталик - основной оптический элемент глаза. По своей форме он имеет вид двояковыпуклой линзы, состоящей из прозрачных волокон эпителия. Внешне хрусталик напоминает луковицу с множеством упругих оболочек. С возрастом эти оболочки становятся жесткими, мутноватыми и приобретают желтоватый оттенок. Радиус кривизны обоих половинок хрусталика одинаков, при этом фокусное расстояние изолированного хрусталика составляет всего около сантиметра. На самом деле, как и у роговицы, этот радиус в центре выше, чем на периферии. Но даже, если бы этот радиус был бы постоянен, все равно такой упрощенной оптической системе была бы свойственна сферическая аберрация. Суть этой аберрации заключается в том, что фокус для лучей (1), прошедших через центральную часть хрусталика и для лучей (2), прошедших через периферийную область не совпадают. Однако из-за изменения радиуса кривизны и с учетом того, что хрусталик работает вместе с роговицей, как единая оптическая система, величина разности этих фокусов может не только меняться от человека к человеку, но может быть различным даже знак сферической аберрации глаза.

tlgleonid

Опять таки, чем больше открыт зрачок, тем сильнее выражена сферическая аберрация. При сильном открытии зрачка изображение становится как бы размытым. Однако есть еще одно свойство глаза - зависимость величины сферической аберрации от аккомодации. Когда мы смотрим на бесконечность, мышцы наших глаз максимально расслаблены и сферическая аберрация минимальна, а когда мы пытаемся компенсировать непаралельность падающих в глаз лучей, сферическая аберрация возрастает. Это говорит о том, что для получения максимального качества изображения при наблюдении в окуляр необходимо подобрать такое положение окуляра, что бы глаз, будучи максимально расслабленным и сфокусированным на бесконечность видел изображение резким.
Помимо сферической, глазу присуща и хроматическая аберрация. Она проявляется из-за того, что падающий на хрусталик параллельный пучок белого света фокусируется не в одной точке: коротковолновые фиолетовые лучи соберутся ближе к линзе, чем зеленые лучи, а красные лучи соберутся еще дальше. В результате изображение белой точки превращается в подобие окрашенного пятна. Хроматическая аберрация также зависит от диаметра зрачка, и чем шире открыт зрачок, тем она ощутимее.

tlgleonid

Как установил Т. Юнг, хроматическая аберрация несколько ощутимее, чем сферическая. Так, если для зрачка диаметром 4 мм сферическая аберрация равна 1 диоптрии, то хроматическая достигает 1.3 диоптрии. Но на практике в силу разных причин мы не видим цветных каемок вокруг белых предметов. Тем не менее, в сумерках мы ландшафт видим менее резким, чем днем. Ночная близорукость связана с этими двумя аберрациями.
   Самой же неприятной аберрацией оптических элементов глаза является астигматизм. Он вызван целым спектром причин. Виновата и асферичность поверхностей и несоосность хрусталика и роговицы, и неравномерность оптической плотности хрусталика. Астигматизм, создаваемый роговицей, связан с тем, что радиус кривизны в вертикальной и горизонтальной плоскости различен. Если это различие существенно, приходится использовать очки со специальными сфероцилиндричными линзами. В таком случае наблюдатель, при наблюдении объектов в телескоп, вынужден наблюдать в этих очках. К сожалению, компенсировать астигматизм хрусталика вообще невозможно, поскольку он носит очень сложный характер и величина такого астигматизма меняется в зависимости от направления практически хаотичным образом. К счастью, амплитуда этих изменений не очень велика и у большинства людей лежит в пределах от 0.17 до 0.34 диоптрии. Чем выше эта величина, тем хуже качество изображения.
    Наш экскурс в области оптических свойств глаза был бы не полным, если бы не рассмотрели проблему паразитного света. Ведь кроме роговицы свет попадает еще и на радужку и на склеру. Будучи довольно тонкими, они пропускают свет, но не фокусируют его, а рассеивают. Количество света, которое проходит через радужку сильно зависит от цвета глаз. В наиболее выгодном положении находятся люди с темными глазами (кареглазые). У голубоглазых людей количество рассеянного света существенно выше и общий контраст изображения снижается. У альбиносов пигментация отсутствует, в результате чего происходит резкое снижение зрения, поскольку на изображение, построенное глазом, накладывается яркий посторонний фон.
   Но и полезный свет, попадая на сетчатку, также наносит некоторый вред. Ведь клетки сетчатки не являются абсолютно черным телом и спокойно себе рассеивают до 10% падающего на них света. Этот свет также снижает контраст и делает бесплодными попытки некоторых любителей в их борьбе с долями процента рассеянного света внутри трубы телескопа.
   Полезный свет, сфокусированный при помощи оптических элементов глаза попадает на сетчатку. Основными чувствительными элементами, воспринимающими свет, являются колбочки и палочки. Эти два вида рецепторов существенно различаются по своим функциям. Палочки содержат особое вещество, которое разлагается под действием света и называется родопсином или зрительный пурпур. Колбочки содержат другое специальное вещество - иодопсин или зрительный пигмент. Иодопсин также под действием света разлагается. В результате разложения родопсина и иодопсина в нервных волокнах появляется раздражение, которое в виде нервных импульсов передается в мозг.
   Палочки очень чувствительны к свету и воспринимают его в широком диапазоне волн. Из-за этого палочки не воспринимают цветовые оттенки, но зато очень хорошо воспринимают слабые источники света. Колбочки же в свою очередь имеют достаточно низкую чувствительность к свету, но зато у них сравнительно узкая полоса чувствительности. К тому же у человека имеется три вида колбочек: L-колбочки чувствительны к красному цвету и имеют максимальную чувствительность в области 564 нанометра. Это соответствует примерно желто-оранжевому оттенку. М-колбочки имеют наибольшую чувствительность к свету, с длиной волны в 533 нанометра, что соответствует желто-зеленому оттенку. S-колбочки, называемые еще синими колбочками, имеют максимальную чувствительность при 437 нанометрах.

tlgleonid

Естественно, что даже монохроматический свет, в котором присутствуют лишь лучи определенной длины волны возбуждает все три типа палочек, хотя и в равной мере. Особенно это относится к пологим кривым для палочек типа "M" и "L".
Иногда может возникнуть вопрос, а почему именно такие кривые чувствительности? Оказывается, высокоэнергетический ультрафиолет поглощается стекловидным телом и роговицей. Инфракрасные же лучи не воспринимаются потому, что полость глаза с температурой порядка 37 градусов сама излучает инфракрасное излучение, мощность которого при длине волны в 800 нанометров начинает превосходить рассеянный свет Солнца.
Большинство людей имеет эти три типа колбочек, причем кривые чувствительности пигмента у всех одинаковы. Однако встречаются и отклонения. У некоторых мужчин (порядка 8%) и у очень небольшого числа женщин (около 0.5%) один или два типа колбочек обладает очень низкой чувствительностью. Иногда, определенный вид колбочек может и вовсе не работать. В таком случае говорят о дальтонизме или дихроматизме. Чаще всего встречаются те, кто не воспринимает красный или зеленый цвет. Иногда встречаются люди, у которых не работает два или даже все три типа колбочек. Для таких людей мир выглядит черно-белым. А у очень незначительного числа женщин встречается еще и четвертый тип колбочек и для них все цвета выглядят совсем по иному.
Наличие двух видов рецепторов приводит к тому, что мы обладаем как бы тремя видами зрения.
Дневное зрение работает тогда, когда освещенность достаточно велика. При такой освещенности (от одного люкса и выше) на палочки попадает так много света, что весь родопсин распадается и палочки полностью слепнут. Зато мы вовсю воспринимаем свет колбочками.
Если освещенность очень низкая, то мы перестаем совершенно воспринимать цвета, поскольку света недостаточно для возбуждения колбочек. Зато успешно работают палочки и мы видим в темноте мир в черно-белых тонах.
Наконец, различают еще промежуточное или сумеречное зрение. Оно проявляет себя при освещенностях от 0.000001 люкс до 1 люкса. Фактически, это уровень освещенности местности Луной от узкого серпа до полного диска. В этом случае мы различаем цвета, хотя и не столь явно как днем, однако и палочковое зрение также работает.
Поскольку максимальная чувствительность палочек приходится на длину волны в 505 нанометров, а средняя чувствительность колбочек на 550 нанометров, ночью мы практически не различаем красных предметов, зато лучше видим голубые и фиолетовые объекты, хотя и не видим их цвета. Этот эффект носит название эффекта Пуркинье.

tlgleonid

Этот эффект приводит к тому, что мы не видим многие крупные водородные облака, например Петлю Барнарда, Северную Америку, Калифорнию, хотя они проявляются на снимках с помощью ПЗС очень быстро, а на фотографиях любуемся цветом этих красных туманностей. Все дело в том, что для колбочек, эти туманности очень слабы, а палочки не воспринимают свет с длинной волны 650 нанометров.
   В целом, эти эффекты очень хорошо проявляют себя в астрономии. Например, если взглянуть невооруженным глазом на звездное небо, то большинство звезд кажутся белыми. "Какие они белые" - восхищается звездами Мона, героиня фильма "Безымянная звезда". А школьный учитель Марин Мирою рассказывает, что часть из них красные, часть желтые, а некоторые и голубые. Действительно, мы видим только красноватый оттенок у Бетельгейзе или Антареса, а также голубоватый у Веги. Причина в том, что света большинства звезд недостаточно, что бы превысить порог чувствительности колбочек и мы видим их только палочками. Но достаточно воспользоваться телескопом и большинство ярких звезд обретут для нас цвета.
   Аналогичную картину мы наблюдаем и в случае туманностей. Компактные яркие планетарные туманности приобретают для глаза различные оттенки от голубого до бирюзового. В случае более крупных туманностей с более низкой поверхностной яркостью (например "Кольцо" М57 в Лире и туманности Ориона) лишь некоторым людям удается увидеть малоразличимый зеленоватый оттенок. В этом случае яркость туманностей находится на уровне порога чувствительности. Тысячи других туманностей и галактик так и остаются для нас серыми невзрачными пятнами.
   И для восприятия цвета колбочками, и для восприятия света палочками не существует четкого порога, выше которого объект или цвет виден, а ниже нет. Рассмотрим приведенный график. Если звезда очень слабая и мы не уверенны в том, что ее видим, то мы может ввести условную вероятность, что звезда на самом деле существует. Справедливости ради нужно отметить, что могут быть ошибки как первого рода (мы звезду не заметили, хотя она есть), так и второго (мы решили, что видим звезду, а на самом деле ее нет). Для очень слабых звезд процент ошибок будет очень большим. Но чем ярче звезда, тем вероятность ошибки меньше. Обычно под порогом обнаружения принимают такую интенсивность, при которой вероятность ошибки около 50%.

tlgleonid

Когда Гершель открывал новую туманность или открывал новый спутник у Сатурна Кассини, они должны были быть уверенны в существовании объекта, который обнаружили. То есть вероятность ошибки должна приближаться к 0. Любитель же астрономии находится в совершенно иных условиях. Он знает, что туманность или спутник существуют и по этому даже видя объект крайне неуверенно он принимает решение о том, что объект он все-таки увидел. Соответственно, что бы увидеть известный объект требуется менее мощный инструмент, чем для его открытия.
Существуют даже такие явления, как эффект наличия объекта или эффект принадлежности цвета. Если испытуемый уверен, что объект существует, то он может увидеть его даже если он физически нераспознаваем. Если мы уверенны в номере приближающегося автобуса, мы увидим этот номер тогда, когда его еще никто не видит. Вполне может оказаться, что при дальнейшем приближении автобуса у него окажется неожиданно другой номер. Также само наш мозг склонен окрашивать объект, если мы ожидаем от него определенного оттенка. Например, хорошо известен опыт, когда при низкой освещенности показывали испытуемым фигурки ослика и лягушки, вырезанных из одинакового серого картона. Испытуемые видели у лягушки зеленый оттенок, в то время, как ослик им казался монотонно серым. При желании можно увидеть желтые, фиолетовые или красные оттенки у туманностей и галактик, в то время как в реальности колбочками цвет уловлен не был.
Очень часто начинающие любители астрономии выносят телескоп на балкон, при свете электрической лампочки изучают карту окрестностей туманности и наводят на нее телескоп. И при этом, туманности не видно! На самом деле, что бы увидеть туманность, нужно еще, что бы глаза адаптировались к темноте. С необходимостью темновой адаптации мы сталкиваемся и в быту, когда заходим с освещенной солнцем улицы в слабо освещенный подземный переход или выключаем свет в комнате. И лишь спустя какое-то время мы начинаем хорошо различать окружающие предметы.
В темновой адаптации нуждаются как колбочки, так и палочки. Колбочки адаптируются за довольно короткое время (порядка нескольких минут), а палочкам требуются на это десятки минут. Зато, если колбочки после темновой адаптации начинают воспринимать свет в 30-40 раз слабее, палочки становятся способными воспринимать свет слабее в десятки тысяч раз. Необходимость темновой адаптации связана со сложными химическими процессами. Например, в палочках под воздействием света родопсин распадается на ретиналь и бесцветный белок опсин. Под воздействием же яркого света ретиналь превращается в витамин "А". Регенерация витамина "А" в родопсин происходит очень медленно, по этому палочковое зрение восстанавливается так долго.

tlgleonid

Легко понять, что для того, что бы по настоящему увидеть слабые туманности и галактики, необходимо потратить на адаптацию 25-30 минут. При этом любой яркий источник света разрушает темновую адаптацию за доли секунды. Вот почему любители астрономии так боятся ярких огней, вспышек света и сияния экрана ноутбука. Если в наблюдательную программу включено наблюдение слабых галактик и планет, лучше всего отложить наблюдение планет на конец.
   С темновой адаптацией связан целый ряд заблуждений. Бытует мнение, что попадание небольшого яркого источника в поле зрения разрушает адаптацию к темноте полностью. Однако это далеко не так. Дело в том, что адаптируется к темноте не глаз в целом, а каждый рецептор (колбочка или палочка) индивидуально. Естественно, что палочки каждого глаза адаптируются к темноте независимо. Что бы в этом убедится, проведите такой эксперимент. Ночью, в темной комнате, когда глаза полностью адаптировались к темноте закройте полностью один глаз и включите яркий свет. Затем погасите его и откройте закрытый глаз. Вы обнаружите, что глаз, который был закрыт продолжает видеть слабоосвещенные предметы. В то же время заслепленный глаз уже ничего не видит, пока вновь не пройдет темновую адаптацию. Это свойство можно использовать при визуальных наблюдениях. Одним глазом можно использовать, что бы смотреть в окуляр телескопа, в то время как другим можно рассматривать бумажные карты, атласы, записи используя фонарик или работать с ноутбуком. Естественно, что глаз для наблюдений нужно закрыть.
   Многие любители используют другой прием. Поскольку адаптация колбочек и палочек происходит независимо, можно использовать для изучения карт или атласов такой источник света, к которому чувствительны колбочки и не чувствительны палочки. Это свет с длинной волны от 620 до 680 нанометров или красный свет. Используя соответствующий светодиодный красный фонарик, причем даже довольно яркий, мы не разрушим темновую адаптацию палочек. Фонарик должен быть светодиодным, поскольку светодиоды обладают важным свойством - излучать свет в строго определенном диапазоне волн. Но даже очень слабый белый фонарик мгновенно разрушает темновую адаптацию. Особенно опасен зеленый свет, например у лазерных указок. Если мы увидели зеленый луч, направленный в небо, значит темновая адаптация уже серьезно нарушена.
   Еще одно популярное заблуждение заключается в том, что адаптацию к темноте связывают с диаметром зрачка. Понять, что раскрытие зрачка играет несущественную роль можно оценив, насколько больше света соберет полностью раскрытый зрачок. Примем диаметр зрачка при ярком освещении в 2 мм. У некоторых молодых людей в полной темноте зрачок раскрывается до 8мм. Фактически диаметр зрачка увеличивается всего в 4 раза. Это значит, что он может собрать света в 16 раз больше. Чувствительность же человеческого глаза различается в десятки миллионов раз. К тому же скорости расширения и сжатия зрачка несоизмеримы со скоростью темновой адаптации.
   Быстрее всего происходит сужение зрачка. Если в темной комнате резко включить яркий источник света, зрачок полностью сужается за 4-5 секунд. Расширение зрачка происходит медленнее. Так, после выключения света за первые 3-4 секунды зрачок расширяется за несколько секунд до 6 мм, еще за 40 секунд он расширяется до 7мм и лишь за 3 минуты он раскрывается полностью.
   К сожалению, с возрастом максимальный размер зрачка уменьшается, становится меньше.

tlgleonid

Уже к 40-ка годам зрачок редко у кого может расширяться более шести миллиметров. А после 60-ти зрачок раскрывается лишь до 4 мм.
   Размер зрачка зависит не только от возраста, но и от общей освещенности. Иногда на размер зрачка могут повлиять эмоции. У напуганного человека зрачки всегда расширены, а при напряжении - сужаются. Знать размер зрачка полезно, что бы оценить минимальное увеличение, при котором весь свет, собранный телескопом, попал в глаз. Оно принимается равным диаметру объектива, деленному на диаметр зрачка глаза. Однако стремиться к минимальному увеличению не стоит. При большом раскрытии зрачка изображение существенно ухудшается, поскольку становятся велики аберрации глаза. К тому же зрачок редко раскрывается до максимальных размеров. В комнате, освещенной свечкой, зрачок сужается до 6 мм. При наблюдении в пригороде отдельные фонари в состоянии уменьшить размер зрачка до 4-5мм. Уменьшают раскрытие зрачка даже яркие звезды или планеты.
   Еще один неприятный эффект связан с аккомодацией. Чем сильнее мы напрягаем мышцы, что бы исправить неточную фокусировку, тем сильнее сжимается зрачок. Так, если полностью расслабленный глаз при светящей луне имеет зрачок с диаметром 5 мм, то уже при аккомодации в 1 диоптрию размер зрачка уменьшается до 4.2 мм. Если аккомодация достигает 5 диоптрий, зрачок сужается до 3 мм.
   Рассмотренные нами колбочки и палочки на сетчатке распределены крайне неравномерно. В центральной части сетчатки (там где располагается центральная ямка) расположены только одни колбочки, которые располагаются очень плотно. Эта область носит название центральной ямки потому, что здесь действительно находится углубление с диаметром около 0.4 мм. На этот участок приходится около 72 угловых минут. При этом, в центральной ямке располагается около пяти тысяч отдельных колбочек. Центральная ямка находится в середине горизонтально расположенного овального участка сетчатки, называемого желтым пятном. Размеры желтого пятна составляют от 1,4 до 2 мм., что соответствует в угловой мере порядка 5-7 градусов. Желтое пятно носит такое название из соответствующего пигмента. В этом пятне, на равне с колбочками, встречаются и палочки, однако колбочек здесь несравненно больше. От каждой колбочки к мозгу идет свое отдельное нервное волокно, по этому эта область глаза обеспечивает высокое разрешение (порядка одной угловой минуты). На остальных участках палочки становятся преобладающими и густо расположенными. Однако палочки не обеспечивают высокой остроты зрения, поскольку множество палочек соединены с мозгом единым волокном. Всего же глаз содержит около 130 миллионов палочек.
   На сетчатке есть участок, полностью лишенный как палочек, так и колбочек, и нечувствительный к свету. В этом месте выходит из глаза ствол зрительного нерва. Этот круглый участок сетчатки на дне глаза, диаметром около полутора миллиметров, называют диском зрительного нерва. Ему соответствует "слепое пятно".

tlgleonid

Неравномерное распределение колбочек и палочек объясняет, например, почему мы при желании рассмотреть объект или прочитать текст обязательно стараемся смотреть на него в упор. Посмотрите на эту картинку, сосредоточив взгляд в центре (на маленькой букве "А"). Подобрав определенное расстояние до картинки мы сможем увидеть все буквы на ней. Но, достаточно сосредоточить глаз на какой либо другой (более крупной) букве, как мы уже окажемся не в состоянии рассматривать боковым зрением буквы более мелкие.

tlgleonid

   Все вышесказанное очень важно учитывать при визуальных наблюдениях. Так, для обнаружения мелких, но ярких деталей необходимо сфокусировать изображение на желтом пятне. Однако, когда мы хотим увидеть слабую галактику или комету, то лучше всего смотреть не прямо на нее, а несколько в сторону, что бы галактика оказалась на расстоянии в 10-12 градусов от точки, в которую мы смотрим. При этом можно обнаружить объекты существенно более слабые. Это так называемое боковое зрение. Что бы его реализовать, нужно выбрать какую-либо звезду в поле зрения окуляра в стороне от объекта и смотреть прямо на нее. Тогда наши шансы ощутить наличие очень слабого объекта серьезно возрастают. Так, при хороших условиях на равнине человеческий глаз может видеть в центре звезды 6 зв. величины, но с помощью бокового зрения доступной становится 8 зв. величина. Единственно, что нужно стараться, что бы туманность не оказалась в направлении переносицы. Ведь в этом случае ее изображение попадет на слепое пятно и мы ничего не увидим.
   Поле зрения за пределами 30-ти-градусного конуса называют периферийным. Чувствительность периферийного зрения уже меньше бокового и служит нам это зрение для выявления крупных и ярких деталей. Вообще же поле зрения глаза очень велико. Когда говорят о поле зрения, то могут иметь ввиду как поле зрения неподвижного глаза, так и поле зрения с учетом возможности вращения глаза. Даже смотря в широкоугольный окуляр мы можем сфокусироваться на объект, находящийся на самом краю поля зрения. Выделяют отдельно также бинокулярное поле зрения - это такое поле зрения, которое мы воспринимаем двумя глазами одновременно. Диаметр такого поля порядка 60-70 градусов. Из-за особенностей размещения колбочек и палочек и важности бинокулярного зрения мы психологически воспринимаем поле зрения окуляров с полем менее 60 градусов как ограниченное, а если оно составляет менее 30 градусов, может сложиться впечатление наблюдения сквозь замочную скважину. Окуляры с полем зрения свыше 60 градусов соответственно называют широкоугольными и для глаза уже не так принципиально, 66 градусов там или 82.
   Тем не менее, даже в 82-градусный окуляр мы можем видеть границы поля зрения, ведь реальное поле неподвижного глаза все равно больше. Указать точные размеры этих границ невозможно, ведь они зависят не только от высоты переносицы или глубины посадки глазного яблока, но и от степени близорукости, утомления, размера зрачка и т.п. Например, широкий зрачок увеличивает поле зрения, а близорукость его уменьшает. С возрастом поле зрения также уменьшается. В литературе можно встретить различные цифры, но как правило они таковы: по направлению к виску - 90 - 100 градусов, по направлению к носу - 50 - 60 градусов, вверх - 50 - 60 градусов, вниз 60 - 75 градусов. Но даже знать о величине границ глаза недостаточно. Внутри поля зрения есть участки с пониженной чувствительностью и даже без чувствительности, например, слепое пятно. Вот, как выглядит пример промера поля зрения человека:

tlgleonid

Мы можем также, не двигая голову, смещать глазное яблоко по отношению к зрительной оси до 45 градусов, однако как правило комфортные перемещения составляют не более 30 градусов. В этом кроется еще одна причина границы широкоугольности окуляров в районе 60 градусного поля. Глазное яблоко перемещается для того, что бы объект для рассмотрения перевести в зону наилучшей видимости и удерживать его там. Однако даже когда мы смотрим на какую либо планету, наши глаза постоянно совершают различные движения. Да и вообще, глаз - это самый подвижный орган человека. Самые быстрые движения глаз, так называемый тремор, представляет собой колебания глаза с амплитудой порядка угловой минуты и частотой от 30 до 90 Герц. Помимо тремора есть еще и флики. Это непроизвольные быстрые движения с длительностью около 25 миллисекунд и интервалами между ними порядка 0.1-1 секунды. Амплитуда таких скачков от 2 до 60 угловых минут. Самые медленные непроизвольные движения глаза называются дрейфом. Это плавные движения глаз со скоростью около 6 угловых минут за секунду. Амплитуда таких движений составляет до полуградуса, хотя часто и заметно меньше. Все три вида движений мы не осознаем. Возникает вопрос, зачем же все это нужно. Оказывается, если бы можно было стабилизировать движение глаза, то через пару секунд мы бы перестали вообще что-нибудь видеть. Что бы мы могли видеть объект, его яркость для каждого конкретного рецептора должна постоянно меняться. Это осуществляется за счет этих трех видов движения. Благодаря этому явлению центр поля зрения невозможно сфокусировать только на центральной ямке. По этому мы можем видеть даже довольно слабые звезды палочками желтого пятна даже в самом центре поля зрения.
Помимо непроизвольных есть и произвольные движения. Если мы увидели попавшую в поле зрения окуляра звезду, уже через 0.2-0.3 секунды мы начинаем двигать глаз так, что бы ее изображение попало на желтое пятно. Это осуществляется при помощи одного или нескольких скачков. Происходит это за сотые доли секунды. После этого глаз смотрит на объект, совершая лишь непроизвольные движения. Это справедливо только тогда, когда объект неподвижен. Если же он движется, то глаз начинает совершать так называемые прослеживающие движения. При этом глаз начинает следить за объектом плавно со скоростью близкой к скорости движения, лишь иногда совершая небольшие скачки, что бы скорректировать запаздывание или опережение. Причем плавность движения сохраняется вплоть до скоростей в 30-40 градусов за секунду. Этого достаточно для комфортного наблюдения планет в окуляр телескопа без часового ведения даже при очень больших увеличениях. Порог обнаружения глазом движения составляет 5 угловых минут за секунду.
Если же объект совершает неправильные, хаотичные движения, то глазу трудно за ним уследить и изображение такого объекта попадает на разные участки сетчатки. Это плохо для изучения мелких деталей, но очень сильно помогает выявить очень слабые объекты. По этому хорошо работает излюбленный метод наблюдателей туманностей - пошатать трубу телескопа, что бы заметить слабую галактику или туманность.
Наблюдатели слабых туманностей хорошо знают, что чем крупнее телескоп, тем более слабые туманности видны. Тем не менее, такой факт как бы противоречит теории. Теоретически, при одинаковом выходном зрачке телескопа поверхностная яркость галактик остается неизменной. Соответственно, количества света, подающее на одну палочку будет для протяженных объектов одинаковым как для маленького телескопа, так и для очень большого. Но посмотрев на приведенный рисунок, можно заметить, что возможность обнаружить слабое пятнышко растет как с увеличением яркости, так и с ростом его угловых размеров. В Верхнем ряду мы может без труда обнаружить один-два эллипса, в то время, как более мелкие уже не видны.

tlgleonid

Причина этого явления заключается в том, что палочки работают как бы коллективно, а значение яркости усредняется. В чистом виде этот эффект проявляется для предельно слабых объектов на черном фоне. Оказывается, что с ростом угловых размеров абсолютный световой порог снижается по квадратичной зависимости, то есть весть свет с участка сетчатки, на которую проектируется слабый объект палочковым механизмом усредняется. Однако, если угловые размеры объекта уже превосходят 20-30 угловых минут, то рост чувствительности уже отстает от роста плотности и квадратичный закон нарушается. Этот квадратичный закон называют законом Рикко. Когда же размеры объекта достигают десятка градусов, то дальнейшего улучшения видимости уже не происходит. Вот почему крошечные галактики с ростом апертуры становятся видны все лучше и лучше, в то время, как крупные галактики и туманности от увеличения апертуры уже более доступными не становятся.

tlgleonid

На самом деле, в реальности ситуация несколько сложнее. При небольших увеличениях отчетливо видно фон неба, да и при достаточно большом увеличении фон все равно присутствует. Все объекты глубокого космоса мы видим, как сумму яркости объекта и фона. В этом случае становится очень важной величина контраста объекта. Контрастом назовем величину отношения разности яркости объекта и фона к яркости фона. Например, если яркость галактики равна яркости фона, то галактика, наложенная на фон будет иметь удвоенную яркость и соответственно у нее с фоном будет 100% контраст, то есть величина контраста галактики равна единице. Если яркость галактики в 10 раз превышает яркость фона, то контраст будет равен 10 (или 1000%). Исследования по выявлению порогового контраста (минимально необходимого контраста объекта) показали, что пороговый контраст зависит не только от размеров объекта, но и от яркости фона.

logrus

"Естественно, что даже монохроматический свет, в котором присутствуют лишь лучи определенной длины волны возбуждает все три типа палочек, хотя и в равной мере"

Видимо, должно быть "хотя и в раЗной мере"

tlgleonid

Обращают на себя внимание ряд особенностей. Самая заметная из них заключается в том, что с ростом угловых размеров уменьшается величина минимально необходимого для обнаружения контраста. Однако рост этот не беспределен и когда видимые размеры объекта становятся больше нескольких градусов, этот рост замедляется. Также хорошо заметно, что при увеличении яркости фона необходимый для обнаружения контраст также снижается. Наконец, хорошо заметно, что кривые имеют характерный перелом, связанный с тем, что при низких освещенностях хорошо работают только палочки, а при увеличении яркости в процесс включаются и колбочки.
Рассматривая приведенные кривые можно понять, что для крупных туманностей для улучшения их видимости необходимо увеличивать яркость фона. Сделать это можно путем выбора как можно меньшего увеличения. Соответственно, для наблюдений больших диффузных туманностей нужно применять равнозрачковое увеличение. Наблюдение же компактных туманных объектов требует совершенно другого подхода. Наращивая увеличение мы уменьшаем фон, но с другой стороны увеличиваем угловые размеры объекта. Очень компактные объекты требуют максимальных увеличений. В то же время условия наблюдений галактик с небольшими размерами при наращивании увеличения улучшаются до определенного предела, после которого начинают быстро ухудшаться. Судя по графикам, наиболее оптимальным увеличением будет такое, при которых размер галактики для глаза будет порядка градуса. Естественно, что это относится к центральной, наиболее яркой части.
Если посмотреть график контрастной чувствительности внимательнее, можно заметить, что при достаточно больших угловых размерах все кривые имеют почти одинаковый максимум. Собственно говоря, для колбочкового зрения можно построить единый график:

tlgleonid

На приведенном графике видно, что имеются яркости, при которых яркостной контраст достигает 2-3%, и если поверхностная яркость небесного тела близка к оптимальной. У ярких объектов способность различать контраст в яркости снижается. Как говорится, свет слепит глаза. То же можно сказать и о слабых объектах. Тут уже задача не увидеть контраст, а вообще, хоть что-то увидеть.
На графике приведена поверхностная яркость различных объектов при равнозрачковом увеличении (обычно его принимают, как диаметр объектива телескопа, деленный на 6). При применении увеличений в 10 раз больше поверхностная яркость небесных тел снижается в 100 раз. По этому, скажем в рефрактор с объективом 100мм, при равнозрачковом увеличении (18х) яркость Сатурна будет около 100 кд/м2, то с применением увеличения 180х эта яркость будет уже около 1 кд/м2, и при такой яркости малоконтрастные детали на диске будут видны хуже. По этой причине оптимальным будет увеличении несколько меньше. Однако при увеличениях меньше, чем численно равное диаметру объектива телескопа, диск планеты будет небольшим, и мы уже не различим мелкие малоконтрастные детали по причине того, что они станут слишком мелкие. Вот почему оптимальным для Сатурна и Юпитера будет увеличение, численно равное 1D-1.4D. Марс заметно ярче и для него уже оптимальным окажется увеличение порядка 2D. Поверхности Луны и облачного покрова Венеры настолько ярки, что позволяют выставить еще большие увеличения и для их наблюдений допустимо применять ослабляющие свет фильтры. Применение цветных фильтров приводит к ослаблению яркости планет и оптимальные увеличения уменьшаются. Вот почему для небольших телескопов рационально применять слабые фильтры, поглощение которых небольшое (до 25%). Для крупных инструментов оптимальные увеличения часто недостижимы, поскольку обычно атмосфера редко позволяет наблюдать при увеличении больше 300х. Зачастую максимальное увеличение ограничено 200х. В этом случае можно более эффективно применить плотные фильтры, позволяющие рассмотреть диск планеты в определенном свете.
   Данная информация справедлива только для здоровых людей в возрасте от 25 до 50 лет, когда контрастная чувствительность глаза почти постоянна и максимальна по величине. После 50 лет контрастная чувствительность начинает постепенно ухудшаться и к 80 годам он уже заметно ниже. Очень невысокая контрастная чувствительность у детей. Так у детей до 7-8 лет она настолько низка, что не позволяет видеть детали на поверхности Марса, которые видны взрослым людям. К 12 годам способность различать малоконтрастные детали довольно быстро растет, но все равно остается хуже, чем у 80-тилетних людей. Лишь к 18-20 годам эти способности увеличиваются до существенной величины, а к 25-ти годам достигают максимальной величины.
   При наблюдении двумя глазами способность различать контраст увеличивается на 10%. Для периферического зрения эта величина достигает 50%. Благодаря этому бинокуляр или бинокль вероятность увидеть объект или рассмотреть малоконтрастные детали выше, особенно для слабых туманностей. Это справедливо и для бинокулярных приставок, однако в таких приставках световой пучок делится на две части и яркость изображения существенно снижается. По этому, бинокулярную приставку разумно использовать при наблюдении планет в крупные инструменты.
   Все вышесказанное относится к белому свету. Глаз же способен с помощью колбочек еще различать и цветовой контраст, когда разные участки диска имеют одинаковую яркость, но разный оттенок. С точки зрения колористки удобно рассматривать цвет в виде трех параметров: яркость, цветовой тон и насыщенность. С яркостью мы уже знакомы. Цветовой тон выражается в виде значения доминирующей длинны волны. Насыщенность же определяется путем разделения цвета на белый цвет и цвет заданной длинны волны. Соответственно насыщенность - это отношение спектральной составляющей цвета к суммарной составляющей. Насыщенность изменяется от 0 (для серого и белого цветов) до 100% для чистых спектральных цветов.
   Строго говоря, это удобная схема определения цвета для исследования свойств глаза, но она нефизична. Например, если свет туманности состоит из двух чистых спектральных излучений, то он уже не описывается этой схемой. К такому случаю можно отнести пурпурный цвет. Пришлось пойти на ухищрение и считать цветом пурпурных оттенков длину волны дополнительного цвета, смешение с которым приводит к ощущению белого цвета.
   Физические (или калориметрические) системы определяются другим путем. Свет от объекта пропускается через три специальных фильтра и полученные три числа характеризуют цвет объекта. Примером такой системы является RGB, применяемой в видео и фотографии. Реальной же основой для такой системы стали три типа колбочек.
   К сожалению, чувствительность колбочек к цвету различна. Наиболее чувствительны колбочки, воспринимающие зеленый цвет, чуть менее чувствительны "синие" колбочки. Красные же цвета должны быть на порядок ярче, что бы заметили красный цвет. По этому в сумерках мы сначала перестаем видеть красный цвет, затем синий, в то время как желто-зеленые оттенки будут еще различимы.
   Интересно было также узнать, насколько должны отличаться длины волн, что бы глаз увидел разность в цветовых оттенках. Эксперименты показали, что в оптимальных условиях мы можем различить порядка 130 цветовых градаций спектра. При этом все спектральные линии с длинной волны больше 700 нанометров для нас неразличимы. В диапазоне от 650 до 700 нанометров мы различаем лишь около 5 градаций чистого спектрального цвета. Но уже в желтой области глаз способен различить цвет, если длина волны отличается на 0.4 нанометра. В синей и зеленой области спектра чувствительность снова снижается и находится на уровне порядка 1 нанометра для зеленых лучей и 2-3 нанометров для лучей синих. В природе чистые спектральные цвета практически не встречается и цвет объектов тесно связан с их множественным сочетанием. И оказывается, мы способны различать до 20 тысяч различных цветовых оттенков. Именно благодаря такой чувствительности мы и различаем малоконтрастные детали на дисках планет. Нужно понимать, что для различения цветов требуется достаточная яркость (не ниже 20 кандел на квадратный метр) и цвет хорошо различается только той часть сетчатки, где находятся колбочки.
   Восприятие цвета колбочками существенно отличается от такового у палочек. Если палочки способны к коллективному сбору информации, то каждая колбочка работает отдельно. По этому если мы не видим цвет у компактного слабоосвещенного объекта, мы его не увидим и при увеличении угловых размеров но сохранении поверхностной яркости. По этому надеяться увидеть цвет у какой-нибудь туманности в телескоп с большой апертурой не стоит, если этот цвет не виден в малую апертуру. Но даже в случаях, когда цвет воспринимается, он носит субъективный характер. Это связано с так называемой проблемой баланса белого. Что бы ее понять, попробуйте посмотреть на фотографии, снятые на пленку или с балансом белого для солнечного освещения, но в комнате с освещением лампами накаливания. Сразу станет заметной характерная желтизна. Однако в жизни мы ее не замечаем. Это связано с тем, что наш мозг может усреднить средний цветовой фон и считать его нейтральным. В астрономических наблюдениях это может сыграть злую шутку. Когда мы наблюдаем в засвеченном городе, полученный баланс белого искажает для нас цвет небесных объектов. Также, в случае засветки, туманности для глаза окрашиваются в дополнительный цвет. Хорошо ощутить искажение цветов можно, посветив себе ярким цветным (например красным) фонариком в глаз уже в глубоких сумерках. После этого белые, до этого, фонари покажутся нам сине-зелеными.
   Очень сильно искажаются цвета ярких и близких звезд. Например, в тесных парах звезд типа Альбирео голубоватый компонент кажется существенно более голубым, чем есть на самом деле из-за желтого компонента. Дополнительно, проблема связана с компактными размерами звезд. Ведь возможности цветоразличения меняются также в зависимости как от угловых размеров, так и от яркости. Если угловые размеры для глаза менее двух градусов, то цвета становятся сильно искаженными, по этому в калориметрии на таких малых полях измерения не проводят. При угловых размерах от 2 до 5 градусов цветовое восприятие максимально, а с ростом углового увеличения насыщенность света быстро снижается. Цвета протяженных объектов становятся более блеклыми. Так, цвет планет в крупные телескопы кажется менее выраженным при том же размере выходного зрачка телескопа. Неодинаково восприятие цвета в зависимости от яркости. Если при низкой яркости количество различимых оттенков сравнительно невелико, то с ростом яркости оно растет до определенного предела, а затем, при дальнейшем росте яркости, колбочки начнают слепнуть и насыщенность цветов быстро падает. Этот эффект хорошо ощутим при наблюдении ярких цветных звезд. Гранатовая звезда в малые инструменты имеет действительно гранатовый цвет. В 150 мм. инструмент ее цвет уже оранжевый, в 250 - желтый с примесью оранжевого, а в 400мм - желтовато-белый.
   Эта короткая экскурсия будет неполной, если не упомянуть о том, что наше восприятие нелинейно по природе. Изменение яркости мы чувствуем в процентном отношении. По этому незначительное увеличение яркости слабого источника на 10% вызовет такое же ощущение изменения, как изменение яркости на 10% источника яркого. Именно по этому звездная величина выражается через логарифм.

GAW

Отличная и познавательная статья!!!
Спасибо за Ваш труд

Буду ждать продолжения =)

Огарков Сергей

Леня, просьба сделать разъяснение. Если мы видим какой либо предмет например зеленым, то это означает, что он отражает лучи зеленого цвета. Так? Но в данном случае эта информация субъективна. А какой цвет имеет этот предмет на самом деле мы ведь можем и не знать.

LifeIsGood

Цитата: Огарков Сергей від 18 Січня 2010, 16:32:01

Леня, просьба сделать разъяснение. Если мы видим какой либо предмет например зеленым, то это означает, что он отражает лучи зеленого цвета. Так?

Или пропускает.
Цвет - это психофизиологическое понятие. Цвет сам по себе не существует. Есть волны разной длины. А цвет - это то как мы его воспринимаем.

Новини:

Автор Тема: Глаз и зрение с позиций астрономии (Прочитано 15221 раз)