В ежедневието сме свикнали да смятаме, че остротата на зрението е постоянна величина. Ако офталмологът е установил, че човекът вижда „единица“, се предполага, че той вижда еднакво ясно всички предмети с подходящ размер при достатъчно осветление. Само че физиката на светлината и анатомията на човешкото око са по-сложни. Способността да се различават фините детайли зависи пряко от дължината на вълната на светлинните лъчи, с които е осветен обектът.
В късовълновата част на спектъра, в синята и виолетовата, остротата на човешкото зрение рязко спада. Нещо повече, този спад се проявява по различен начин при различните хора: ключова роля тук играе цветът на ириса.
Изследователите от Лабораторията по науки за зрението към Университета на Джорджия, Яо Буабенг и Били Хамънд, проведоха фундаментално психофизично проучване, публикувано в научното списание Attention, Perception, & Psychophysics. Те подробно измериха как точно се променя способността на окото да различава малките обекти в зависимост от дължината на светлинната вълна и установиха защо хората със светли очи губят остротата на зрението си при синя светлина в по-голяма степен, отколкото тези с тъмни очи.
Око, свободна интерпретация
Какво е пространствената разделителна способност и как се измерва
В науката за зрението способността да се виждат дребните детайли се нарича пространствена разделителна способност. Един от класическите начини за нейното измерване е измерването на двуточковия праг.
Същността на метода е много проста: на човека се показват две светещи точки, разположени в непосредствена близост една до друга. Първоначално наблюдателят ги вижда като едно цяло светло петно. След това експериментаторите започват бавно да раздалечават тези точки. В определен момент разстоянието между тях става достатъчно, за да може окото да установи: източниците на светлина са два и между тях има тъмно пространство.
Ъгълът между лъчите, идващи от тези две точки към окото на наблюдателя, се нарича ъглов праг на разделителната способност. Той се измерва в ъглови минути (една ъглова минута е равна на една шестдесета част от градуса). Колкото по-малко е това число, толкова по-голяма е способността на окото да различава микродетайлите. Колкото по-висок е прагът в ъглови минути, толкова по-далеч един от друг трябва да са разположени обектите в пространството, за да не ги бърка човек с едно-единствено размазано петно.
Дълго време точните измервания на пространствената разделителна способност за вълни с различна дължина се сблъскваха с методологичен проблем. Причината е, че човешката ретина реагира неравномерно на спектъра.
Чувствителността на човешката ретина към дължините на вълните, блогът на Майк Мърфи
Зрителната система се е развила под въздействието на слънчевото излъчване, преминало през земната атмосфера. Максималната чувствителност на нашите дневни рецептори се наблюдава в жълто-зелената област с дължина на вълната около 555 nm. Към краищата на видимия спектър, дълбокото синьо (400–450 nm) и тъмночервеното (650–700 nm), чувствителността на окото спада десетки и стотици пъти.
Ако вземем обикновени цветни източници и ги настроим така, че да изглеждат еднакво ярки за човешкото око (това се нарича фотометрично изравняване), ще възникне физическо изкривяване. За да изглежда синята светлина на наблюдателя на пръв поглед толкова ярка, колкото зелената, физическата мощност на синия лъч ще трябва да се увеличи многократно. Но в такъв случай окото ще получи огромна доза лъчиста енергия. Това ще промени диаметъра на зеницата, ще предизвика светлинна адаптация на ретината, ще задейства ефекта на заслепяване и напълно ще изкриви резултатите от теста.
Радиометричният методЯо Буабенг и Били Хаммонд приложиха радиометричния метод, принципа на равната енергия. Те решиха да изследват чистата физика на окото. За целта учените сглобиха оптична система на базата на ксенонова дъгова лампа с мощност 1000 W.
Светлината от лампата преминава през оптична система от лещи и специални интерференционни филтри. Тези филтри изрязваха от широкия спектър тесни ленти светлина с ширина едва 20 nm, с пикове при 420, 460, 500, 540, 580, 620 и 660 nm. Допълнително изследователите използваха бялата светлина от същата лампа.С помощта на клиновиден неутрален светлинен филтър изследователите регулираха физическата мощност на всеки лъч. Независимо от цвета, енергията на светлинния стимул на изхода от апарата винаги беше точно 628 µW. По този начин учените напълно изключиха влиянието на енергийната разлика между цветовете.
Как се проведе експериментътВ проучването участваха шестдесет млади хора (средната възраст е около 23 години). При всички участници беше проверено зрението: то беше нормално или коригирано до нормата без използване на очила или контактни лещи по времето на самия експеримент. Участници с нарушения на цветовото зрение или патологии на роговицата не бяха допускани до тестовете.
Различни цветове на очите
Преди началото на тестването при всеки доброволец беше определено доминиращото око и беше оценена пигментацията на ириса. Цветът на очите беше разделен на четири категории: синьо, зелено, орехово и кафяво. Освен това изследователите отделно оцениха плътността на пигмента в тъканта на ириса, като разделиха очите на светли, средни и тъмни.
Тестовете се провеждаха в затъмнена стая. Недоминиращото око се закриваше с превръзка, а главата се фиксираше на специална стойка с опора за брадичката и челото на разстояние 1,7 m от екрана със стимула.Светлината пада върху непрозрачен екран с два кръгли микроскопични отвора.
В началото на всеки експеримент отворите се затваряха и човекът виждаше една-единствена точка. След това цифров микрометър започваше да разтваря отворите с постоянна малка скорост. Веднага щом участникът виждаше разделянето на точките, той подаваше сигнал и уредът записваше разстоянието. Всеки тест за всяка дължина на вълната се повтаряше три пъти в произволен ред.
Резултатите от експеримента показаха силна зависимост на остротата на зрението от дължината на светлинната вълна.
При обикновена бяла светлина прагът на разделителна способност се оказа минимален, 0,69 ъглови минути. Окото лесно разграничава точките, намиращи се на минимално разстояние една от друга. В червения и оранжевия диапазон (660 и 620 nm) прагът възлизаше на 1,13 и 1,14 ъглови минути.В жълтия и зеления диапазон (580 и 540 nm) показателите практически не се промениха: 1,18 и 1,21 arcmin. При преминаване към синьо-зелена светлина (500 nm) прагът се повиши до 1,95 arcmin.В синия диапазон (460 nm) прагът се повиши до 2,80 ъглови минути. В лилавата зона (420 nm) прагът достигна 3,77 ъглови минути.Разликата между червената и виолетовата светлина е трикратна, а между бялата и виолетовата е над петкратна. За да може човек да види две отделни точки с виолетов цвят, разстоянието между тях трябваше да се увеличи няколко пъти в сравнение с червените точки със същата физическа мощност.
Зависимост на остротата на зрението от дължината на светлинната вълна. По вертикалната ос, минималният ъгъл между две светещи точки, при който окото е в състояние да ги различи (колкото по-ниско е разположена точката на графиката, толкова по-висока е остротата). Във виолетовата зона (420 nm) прагът на различимост се увеличава 3,3 пъти в сравнение с червената светлина и над 5 пъти, в сравнение с бялата светлина (зелената пунктирана линия)
Цветът на очите като фактор за оптична защита
Най-неочакваният резултат от изследването се отнасяше до индивидуалните различия между участниците. Когато авторите сравниха остротата на зрението с характеристиките на ириса, те откриха пряка статистическа зависимост.
Показателите се разпределиха, както следва:
Участниците с кафяви очи показаха среден праг от около 2,05 arcmin. Участниците с орехови очи показаха праг от 1,99 arcmin. Участниците със зелени очи са 2,83 arcmin. Участниците със сини очи показаха рязко влошаване: средният им праг възлизаше на 4,37 arcmin.
плътността на меланина
Когато изследователите съпоставиха цвета на очите със степента на пигментация на стромата, разликата стана още по-забележима. При хората със светлосини очи средният праг на разграничаване на точките скочи до 9,89 arcmin. При виолетова светлина участниците със светли очи виждаха фините детайли почти пет пъти по-зле, отколкото тези с тъмни очи.
Причината за тази разлика се крие в плътността на меланина, естествения тъмен пигмент. Меланинът се съдържа в ириса, както и в съдовата мембрана, която облицова очната ябълка отвътре.
Основната функция на меланина в окото е поглъщането на излишната светлина. При тъмните кафяви очи съединителната тъкан на ириса е наситена с пигмент. Светлината, падаща под коси ъгли или разсейваща се вътре в окото, се поглъща от меланина и се неутрализира напълно. Вътрешното пространство на окото при хората с тъмни очи е защитено от блуждаещите светлинни вълни.
Практически изводи: къде се сблъскваме с този ефектЧовешкото зрение се е формирало в условия на непрекъснат спектър. Слънчевата светлина съдържа едновременно всички дължини на вълните. В такива условия мозъкът ни използва сигналите от червените и зелените колбички, за да очертае ясни граници на обектите, а синият канал използва предимно за оценка на общата осветеност и цвета. Именно затова при бяла светлина не забелязваме оптичните недостатъци на синята част от спектъра.
Само че съвременната техногенна среда е наситена с изкуствени източници на светлина с тесен спектър на излъчване. Данните, получени от учените, посочват няколко области, в които физическите ограничения на окото трябва да се вземат предвид на инженерно ниво:
1. Проектиране на цифрови интерфейсиИзползването на дребен син или лилав шрифт върху черен фон в софтуерните интерфейси, автомобилни екрани или улични терминали е неефективно от физиологична гледна точка. За да прочете тънките сини линии, цилиарният мускул на окото е принуден постоянно да променя кривината на лещата, опитвайки се да фокусира изображението, което поради дисперсията неизбежно се проектира с отклонение. Това води до бързо уморяване на очите. Всяка важна текстова информация трябва да се показва в жълто-зелената, бялата или оранжевата част на спектъра.
2. Автомобилното осветление
Хората със светлосини очи изпитват най-големи проблеми от виолетовата светлина
Съвременните автомобилни фарове (светодиодни и лазерни) често имат цветова температура над 6000 K, което означава изразен пик на мощността в синия диапазон от 450 nm. Светлината от такива фарове създава в очите на шофьорите на насрещното превозно средство мощна завеса от разсеяна светлина. За хората със светлосини очи този фактор създава най-голямо затруднение: поради ниското съдържание на меланин насрещната синя светлина от фаровете намалява способността им да различават контурите на обектите на тъмния път в по-голяма степен, отколкото при шофьорите с кафяви очи.
3. Навигационните указатели и пътни знациИнформационните светлинни знаци, използващи монохромни сини светодиоди, се различават от значително по-малко разстояние, отколкото аналогичните знаци със зелен, жълт или червен цвят и същата физическа мощност. Човек започва да вижда контура на знака, но текстът вътре в него се слива в едно цяло петно поради невъзможността да се разграничат две близко разположени линии.
Експериментът на изследователите от Джорджия потвърди: зрителното възприятие се определя не само от състоянието на рецепторите и нервната система, но и от физичните закони за преминаването на светлината през биологичните структури.
Човешкото око не е пригодено за подробен анализ на изолирана синя светлина, а индивидуалните генетични особености, като цвета на очите, оказват съществено влияние върху това колко ясно възприемаме изкуствено осветената околна среда.