A fény és a látás

A szem felépítése és működése

A receptorok és a látásélesség eloszlása a retinán

A szem felbontóképessége

A szem érzékenysége

A videó megfigyelő rendszerekben, kamerák és a monitorok készítése során a tervezők mindig figyelembe vették az emberi szem és a látás sajátosságait, működési elvét. Az ember az világot az öt érzékszerve segítségével érzékeli. Összes érzékszervünk közül a szem tekinthető a legfontosabbnak, mert az egészséges ember a külvilágból származó információk 60-80 százaléka, a szem segítségével jut el az agyhoz. Ez a legnagyobb hatótávolságú, a leggyorsabb reakciót kiváltó, és a legjobb alkalmazkodó képességgel bíró érzékszervünk. Az emberi agy 40%-a a látással foglalkozik. A világot elsősorban látásunkon keresztül értjük meg.

A fény és a látás

A fénynek van elektromágneses sugárzás, amelynek hullámhossza a kb. 380 nm és 780 nm közötti tartományban mozog. Ez a tartomány az elektromágneses sugárzási spektrumnak a töredékét jelenti, az infravörös és az ultraibolya sugárzás között. Az emberek többsége ebből a szűk tartományból csak a 420 nm és 720 nm közötti fényhullámokat látja, és a spektrum érzékelése sem egyenletes. A legnagyobb hullámhosszúságúak a vörös színek, a hullámhossz csökkenésével a narancs, a sárga, a zöld, a kékeszöld, a kék színen keresztül az ibolya képviseli a legalacsonyabb hullámhosszúságot a látható tartományban. A szem a zöld színnek megfelelő hullámhosszúságú fényre a legérzékenyebb.

A szem felépítése és működése

Az emberi szem belső optikai felépítése nagyon hasonlít a digitális fényképezőgéphez, és a videokamerához. Ezek az eszközök lemásolják a szem felépítését. A kamera, fotókészülék optikája a szaruhártyának, a csarnokvíznek és a szemlencsének felel meg. A szivárványhártya (írisz) a kamera fényrekesze a blende. A szembogár (pupilla) megfelel a blendenyílásnak. Az üvegtesti tér a kamera lencséje és a fényérzékelő elem közti távolság. Az ideghártya (retina), a fényérzékelő elemnek felel meg. A szem két részből álló objektívvel rendelkezik. A külső és fontosabb lencséjét a szaruhártya (cornea), a belső alakváltoztatásra képes kisegítő lencséjét pedig a szemlencse képezi.

A szaruhártya a külvilág felé biztosítja a szem védelmét. A környezetünkből érkező fénysugarak áteresztése, és elsődleges fókuszálásának elvégzése a feladata. A szaruhártya nem veri vissza a fényt, hanem közel százszázalékosan átengedi azt. A szivárványhártya színe határozza meg a szem színét. A szivárványhártya nyílásának, a pupillának az átmérőjét a szemmozgató izmok a szembe jutó fény erősségének függvényében, reflexszerűen változtatják. Napfényben a pupilla szűk, kevesebb fényt enged a szembe, gyenge fényviszonyoknál a pupilla mérete növekszik, és így a szembe több fény jut. A pupillaméret változtatás célja, nem a szembe jutó fény erejének a kiegyenlítése, hanem az, hogy sötétben fényérzékenyebb, világosban pedig élesebb látást biztosítson. A pupilla átmérője normál állapotban 4 mm, de a fénymennyiség intenzitásának függvényében az átmérője 2 mm és 8 mm között, a felülete pedig 1:16 arányban változhat. A sugárizmai segítségével a lencse görbületét meg tudjuk változtatni úgy, hogy a szem képes különböző távolságban levő tárgyakra fókuszálni. A tárgyakról visszaverődő fényt a szaruhártya és a szemlencse együttműködése kicsinyített, fordított állású és valódi, a retinára fókuszálja. Neurológiai szempontból látórendszerünk működése: a szemünket érő fény a retina látósejtjeit ingerelve először kémiai jellé, majd elektromos impulzussá alakul, amit a látóideg rostjai agyunkba vezetnek. A két szemünkkel látott kép egymástól kismértékben eltér, de agyunk térbeli képpé alakítja át. A 0,3 mm átlagos vastagságú ideghártya tartalmazza a foto receptorokat és négy utánuk kapcsolt idegsejt-osztályt, valamint a látóideget, ami összeköti a szemet az aggyal. A retina közvetlen kiterjesztése a központi idegrendszernek, az agy részének tekinthető. A retinán levő, fényt érzékelő receptorokat, az alakjuk alapján pálcikának és csapnak nevezik. A mintegy 110-130 millió pálcika biztosítja a szürkületi és esti fényben történő, valamint az oldalirányú, perifériális látást. Átmérőjűk körülbelül 2 µm, hosszúságuk 60-80 µm és hengeres formájúak. A nappali fényben működő mintegy 5-7 millió csap rövidebb és csonka kúp alakú, legnagyobb átmérőjük mindösszesen 5-6 µm. A pálcikákkal nem látjuk a színeket, viszont rendkívül érzékenyek, adott esetben akár 1-2 foton érzékelésére is képesek. A fényingerekre adott válaszidejük sokkal kisebb, mint a csapoké. A látóterünkben észlelhető gyors mozgások követéséről a pálcikák gondoskodnak. A csapok biztosítják a színes látást. Ezek azt teszik lehetővé, hogy háromféle pigment tartalmú csap van, így beszélhetünk vörös fényre, zöld fényre és kék fényre érzékeny csapokról. A színeknek érzékelése fotokémiai folyamat útján valósul meg. A csapok érzékenysége mintegy ezerszer kisebb, mint a pálcikáké.

A látósejtek közel sem egyenletes eloszlásúak. A szem optikai tengelyének vonalába a látósugárba helyezkedik el, a 2-3 mm átmérőjű sárga folt (macula lutea), ahol a látósejtek koncentrálódnak, ettől távolodva sűrűségük fokozatosan csökken. A sárga folton belül található egy gombostűfejnyi, 0,5-1 mm átmérőjű bemélyedés, ahol a retina vastagsága mindössze 0,1 mm és a legnagyobb a látósejtek sűrűsége. Ez a látógödör (fovea centralis, vagy foveola), 100000 csapsejttel rendelkezik és pálcikamentes. Ha a fovea centralis metszetét erős mikroszkóp alatt nézzük, akkor a csapok méhsejtszerű elrendezésben, szorosan egymáshoz tapadva vannak. Itt a csapok a retina egyéb helyein található csapokhoz képest is jóval vékonyabbak, és sűrűbben helyezkednek el. A látógödör teszi lehetővé az ember számára a kifinomult éleslátást, például egy cérna befűzését egy tűbe, vagy a szálka kiszedését a kézből. Összehasonlítva a telihold képe a retinán körülbelül 0,2 mm átmérőjű pontként képeződik. A sárga foltban pálcikák is vannak. A sárgafolti látás látószöge 12-15 fok a vízszintes, és 3 fok a függőleges síkban. Ugyan a sárgafolti látás is éles, de közel sem annyira, mint a látógödöri. A sárgafolt segítségével tudunk olvasni. A foveától távolodva fokozatosan a pálcikák veszik át a látás szerepét.

A receptorok és a látásélesség eloszlása a retinán

A 2-3 mm átmérőjű látóideg egymillió idegszálat tartalmaz. Ha ezt összevetjük a csapok és pálcikák számával, akkor hasonlóan mint a mai veszteséges képtömörítést végző digitális fényképezőgépeknél, a retinában is az információ tömörítése megy végbe. A receptorok által rögzített kép tömörítése azonban nem egyenletes. A központi mélyedésben minden csapsejthez külön kimenő idegszál csatlakozik, tehát itt nem beszélhetünk tömörítésről, a retina perifériáján viszont akár kétszáz receptorból származó összesített jelet továbbít egy idegrost. Itt már igen jelentős a tömörítés. Másképen megfogalmazva a retina nemcsak érzékeli a fényt, hanem elvégzi a látott kép elő feldolgozását. A retina idegsejtjei a keresztirányú összeköttetések miatt érzékelik az egymás melletti receptorok intenzitáskülönbségét. Az egybefüggő, egyszínű területek képének közel azonos intenzitású jeleit csak összegzett, tömörített formában továbbítja a retina az agy felé. A tárgyak élei, határoló vonalai, valamint a látótérben megjelenő mozgás már nagy intenzitáskülönbséget jelent, és ekkor a retinától is részletes információkat kap az agy. Ha a foveolától kifelé távolodunk a retinán, akkor a színérzékeny csapok számának csökkenésével arányosan csökken a szem színlátó és részletlátó tulajdonsága is, ezzel ellentétbe fokozatosan nő a mozgásérzékelés. A perifériális látószög mindkét oldalra 90 fok.

Érdekes, de csak 1 fokos szögben látunk élesen. Az a tény, hogy ennél sokkal nagyobbnak tűnik az éleslátás területe a szemünk gyors működésének köszönhető, amelynek során a gyors és a lassabb szemmozgások váltogatják egymást. A pásztázó szemmozgások, melyek igazából nem is tudatosulnak bennünk, ennek ellenére a külvilágot statikusnak érezzük. Erről az agyunk gondoskodik. Mert a látás szorosan összefügg az agyunk kategorizálási tulajdonságával, ezért a látást meg kell tanulni. Fiziológiai szempontból a szemünk már születéskor tudna a felnőttkori látás minőségében működni, ennek ellenére egy újszülött, teljesen más képet lát a külvilágról mint egy felnőtt ember. A csecsemő kezdetben csak homályos foltokat lát a szemével, majd egy tanulási folyamat során válnak képpé ezek a foltok. Hónapok, évek keletkezik az agyunkban egy olyan képadatbázis, ami rendkívül jó alakfelismerő tulajdonsággal ruház fel minket. A tárgyakat hároméves korunkra már kis részletekből is nagy biztonsággal ismerjük fel, a képadatbázisban korábban létrehozott mintákkal történő összehasonlítás miatt.

A szem felbontóképessége

Az emberi szem felbontóképessége egészséges emberek és normál fényviszonyok esetén, az éleslátást biztosító látógödöri látásra vonatkozóan, 1 ívperc ami az 1 fok hatvanad része körüli érték. Az átlagosnál sokkal jobb látású embereknél, valamint igen jó fényviszonyok között ez az érték lehet akár 0,5 ívperc is. Szemünk két egymáshoz közeli fekete pontot vagy vonalat akkor képes egymástól elkülönülten látni, ha közöttük 1 ívpercnyi távolság van. Az ívpercben meghatározott felbontóképesség előnye, hogy független a nézés távolságától. A szem felbontóképessége a tisztánlátás távolságában, 25 cm-nél körülbelül 0,08 mm. Egy méter távolságból csak két 0,3 mm-re levő pontot tud a szemünk megkülönböztetni. Tíz méterről ez 3 mm. A szem színfelbontása sokkal rosszabb, mint fekete-fehér felbontása. A színes képpontokra vonatkozóan a felbontóképesség 8-10 ívperc. A retina szélén a látásélesség jelentősen romlik, 1 szögperc helyett lehet akár 1 szögfok is.

A szem érzékenysége

A szem fényérzékenysége széles tartományt ölel át. Az áthidalt tartomány intenzitás különbsége tíz nagyságrendű. Mindenki tudja, hogy erős napsütésben jól látunk, de az már kevésbé ismert, hogy bizonyos körülmények között akár 1-10 foton érzékelésére is képesek vagyunk. Ehhez adaptációra, a látótér fénysűrűségéhez és a színváltozásokhoz történő alkalmazkodásra van szükség. Amikor jó fényviszonyokból csökkent, vagy megvilágítás nélküli területre kerülünk, sötétadaptációról, amikor pedig ellentétesen sötétből világosra kerülünk, úgy világosra adaptálásról beszélünk. A teljes sötétadaptáció 30-60 percet is igénybe vehet, a világosra történő adaptálás viszont csak néhány másodpercig tart. Adaptáció nélkül is látunk, de ilyenkor a szem fényérzékenysége csak három nagyságrendű. A szemlencse rostos szerkezete miatt látjuk az égitesteket csillag formájúnak. Ha fényképet készítünk az éjszakai égboltról, akkor látható, hogy az égitestek világító pontok.