Novosibirsk State University 9
Физические основы диагностики Проф. Ирина Георгиевна Пальчикова Расписание Лекции Суббота 1230 -1500 Практические занятия Среда 1045 -1415 измерительный практикум - 7 недель выездные лекции - 7 недель
Напоминание Длина волны – это расстояние между двумя пиками синусоидальной волны Световое поле изменяется при рассеянии на объектах.
Дифракционные феномены Краевая волна позади полуплоскости
Краевая волна позади полуплоскости
Дифракционные феномены Дифракция на щели Шкала интенсивности Графики распределения интенсивности в поперечном сечении пучка
Описание дифракции Принцип Гюйгенса-Френеля Каждая точка волнового фронта W является вторичным источником световых волн. Последующий волновой фронт W ’ (через время ) строится как огибающая волновых фронтов вторичных источников. P P 1 W W ’ Световое возмущение в заданной точке P является результатом сложения волн, излучённых каждым вторичным источником. (Принцип интерференции Юнга)
Фурье-преобразование и дифракция Фраунгофера Схема наблюдения x 1 , y 1 Положение точки P определяется только углом дифракции – дифракция в параллельных лучах.
Примеры дифракционных картин Фраунгофера Квадратное отверстие a Распределение интенсивности вдоль оси x Картина дифракции на квадратном отверстии.
Примеры дифракционных картин Фраунгофера Круглое отверстие Распределение интенсивности вдоль диаметра фокального пятна Картина дифракции– кружок Эйри.
Оценка характерной ширины спектра. Угловой спектр функции пропускания щели. Направление на первый ноль a 0 0
Кружок Эйри n Размер пятна на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием f, диаметром d, собравшей параллельный пучок моно хроматического света с длиной волны , падающего на линзу вдоль её главной оптической оси.
Напоминание Фотография нити накаливания, полученная с помощью камеры-обскуры. Левое изображение получено, когда отверстие было слишком большим, а правое – когда отверстие было слишком малым.
Одноклеточное животное Основная цель: Распознавание направления на источник света. Фоточувствительная область с непрозрачной задней частью позволяет получать информацию о направлении света путём затенения этого рецептора в определённых направлениях. Euglena плавает по винтовой линии, так что ось stigma-фоторецептора перемещается по кругу, если света приходит больше из одного направления, чем из другого, то Euglena поворачивается в этом направлении.
Глаза в виде чаши
Глаза в виде чаши Глаз в виде чаши не может формировать изображение, потому что каждая точка на сетчатке получает свет от точек предмета.
Глаз в виде камеры обскуры принимает свет через узкое отверстие так что каждая точка сетчатки получает свет от единственной точки предмета. Изображение перевёрнутое и опрокинутое.
Глаз в виде камеры обскуры Nautilus – это единственное животное, которое имеет настоящий глаз в виде камеры обскуры. Этот моллюск относится к осминогам, но имеет скрученную раковину.
Неприятные особенности глаза в виде камеры обскуры С точки зрения геометрической оптики чем меньше размер отверстия, тем менее размыто изображение, по крайней мере в выбранной точке. Дифракция ограничивает разрешающую способность такого глаза. Свет имеет волновые свойства. Когда световые волны проходят через маленькое отверстие, то они отклоняются кнаружи. То есть если отверстие уже некоторого предельного, то изображение точки перестаёт улучшаться. Отверстие очень маленькое и пропускает мало света, поэтому изображение получается тусклым, а контраст – низким.
Линзовый глаз
Линзовый глаз Преимущества В отличие от отверстия, линза одновременно имеет широкую апертуру, пропускает много света, и обеспечивает острую фокусировку. Лучи света от выбранной точки стрелки попадают в единственную точку сетчатки, независимо от того, в какой точке они пересекают линзу. Каждая точка изображения на сетчатке получает свет от единственной точки предмета. Вся апертура собирает свет для каждой точки изображения. Таким образом изображение получается более ярким, чем в камере обскуре. Недостатки Линза должна иметь точную форму, чтобы создавать чёткое изображение. Чтобы скорректировать сферическую и хроматическую аберрации, инженеры используют много линзовые системы из стёкол с различными показателями преломления.
Линзовый глаз Многие глаза в виде чаши заполнены стеклообразной массой, которая защищает фоторецепторы от морской воды. Если небольшая часть стеклообразной массы случайно имеет больший показатель преломления, чем окружающие массы, то она может собирать свет. Это может получиться в результате локализованного увеличения плотности белка. Даже плохая линза – это лучше, чем ничего. Так что естественный отбор предпочтёт такое развитие.
Линзовый глаз Отсутствие аберраций Линзы, у которых показатель преломления изменяется вдоль их диаметра, крайне трудно изготовить оптику, потому что каждый сорт стекла имеет определенную и фиксированную плотность. Однако для биологических систем изготовить линзы с переменным показателем преломления – это легко, потому что линзы могут вырастать из собственного центра. Глаза морских животных, включая рыб и моллюсков, имеют сферические градиентные линзы, которые корректируют аберрации.
Глаза животных, относящихся к различным классам
Особености Глаза для воды • Показатели преломления воды и роговицы близки, поэтому направляет световые лучи главным образом линза. Водные животные, такие как рыбы и моллюски, обычно имеют сферические линзы с градиентом показателя преломления, которые должны длительное время развиваться. Глаза наземных животных Вследствие большой разницы в показателе преломления воздуха и роговицы, роговица становится основной оптической поверхностью. Глаза насекомых Сложный глаз состоит из большого числа гексагональных фасеток, каждая фасетка является роговицей фотоприемной структуры, называемой омматидиумом.
Mirror eyes - found in a few mollusks and arthropods, use mirrors to assist in forming image
Зеркальные глаза Глаза двустворчатых моллюсков используют зеркала для создания изображения. У таких моллюсков – 60 глаз, которыми они детектируют движение. Каждый глаз создает изображение с помощью линзы и зеркала. Зеркало состоит из перемежающихся слоев с высоким и низким показателем преломления.
Оптические и информационнопроцессорные характеристики зрительного анализатора Задачи, которые решает глаз: оценка и восприятие пространства, спектрального состава света, энергии излучения.
Диапазон интенсивностей света, воспринимаемых глазом Физические единицы измерения интенсивности света даются в логарифмической шкале I – интенсивность воспринимаемого света I 0 – интенсивность света, соответствующая темновой адаптации глаза Наименование единицы - белл (в честь знаменитого инженера акустика) Десятая доля белла - децибелл
Интенсивность, д. Б ( 10×lg(I/I 0) ) Психологический коррелят 200 160 Болевой порог 140 Солнечный свет 120 100 80 Белая бумага при свете настольной лампы 60 Экран телевизора 40 Наименьшее освещение при котором различимы цвета 20 0 Пороговая освещённость для тёмно-адаптированного глаза
Модель схематического глаза по А. Гульстранду
Модель схематического глаза по А. Гульстранду
Построение изображения Для иллюстрации угла зрения 30° показан ход краевых лучей. Под одним и тем же углом видны следующие объекты: башня здания высотой 161 м с расстояния 300 м и фотография высотой 13 см с расстояния 25 см.
Глаз человека. Схематическое изображение Острота зрения
Глаз человека. Сетчатка Distribution of rods and cones in the fovea (right) and in the periphery (left) 6 млн колбочек, 120 млн палочек, TV – 250000 элем. , 1, 6 млн нервных волокон
Глаз человека. Сетчатка Reflection off a butterfly retina. The different cones reflect different color lights. The three types of cones are sensitive to different wavelengths of light.
Глаз человека. Сетчатка Rhodopsin, the photopigment found in rods, changes color as it is exposed to more and more light. This is called bleaching Радопсин – ретинен – витамин А
астигматизм существенно снижают остроту зрения. Сюда же относятся и аберрации оптической системы глаза.
Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации. Её определяют под действием светового потока в телесном угле 50° при длине волны 500 нм (максимум чувствительности глаза). В этих условиях пороговая энергия света около 109 эрг/с, что эквивалентно нескольким квантам. Чувствительность глаза зависит от полноты адаптации, от интенсивности источника света, длины волны и угловых размеров источника, а также от времени действия раздражителя. Чувствительность глаза понижается с возрастом из-за ухудшения оптических свойств роговицы и зрачка, а также рецепторного звена восприятия.
Кривые адаптации для различных рецепторов (порог чувствительности в темноте в зав. от длины волны ) Кривая темновой адаптации порог чувствительности (восстановление чувствительности во времени после яркой засветки ) d. B Относительная эффективность рецепторов, % Палочковая адаптация Колбочковая адаптация
Время суммации. Для развития и прекращения реакции на оптическое изображение необходимо время. Интенсивность и продолжительность действия света, их эквивалентность в экспозиции. Фотохимические процессы.
Особенности изображений на экранах
Аккомодация Аккомодационные способности глаза ухудшаются с возрастом
Недостатки зрения
Расстояние наилучшего зрения
Искусственные хрусталики изготавливаются из специальных пластмасс и могут быть бифокальными.
Волокна оптических нервов Фоторецепторы направляют на биполярные клетки сигналы, которые затем перемещаются к ганглиозным клеткам.
Проведение и обработка информации в зрительной системе Три области получают прямые входы от сетчатки: пректальная область, верхние бугры четверохолмия и таламус (латеральные коленчатые ядра). Только коленчатые ядра обрабатывают собственно зрительную информацию.
Дефекты зрения при повреждении путей проведения в зрительной системе
Три параллельных пути проведения и обработки информации. Магноцеллюлярная система – восприятие движения и пространственных связей (стереовосприятие). Таламус Magno-4 B-thick-stripe-MT Parvo-interblob-pale-stripe Blob-thin-stripe-V 4 Парвоцеллюлярная межшариковая система – восприятие формы. Парвоцеллюлярная шариковая система – восприятие цвета.
Три параллельных пути проведения и обработки информации Магноцеллюлярная система – восприятие движения и пространственных связей (стереовосприятие). Нейроны этой системы имеют малое время реакции, но их ответы быстро затухают если раздражитель неподвижный, т. е. система чувствительна только к движущимся объектам. Она не годится для детальной проработки неподвижного изображения и слепа к цвету (не различает границ, выделяющихся только по цветовому контрасту). Парвоцеллюлярная межшариковая система – восприятие формы. Она несёт высокоточную информацию о границах, образуемых контрастными цветами. Хотя нервные клетки первых ступеней этой системы и являются избирательными к цвету, клетки высших уровней реагируют на границы цветов, но не несут информацию о самих цветах, образующих границу. Форма объектов представлена границами. Эта система срабатывает медленно и имеет высокое разрешение, что необходимо, чтобы выделить детали неподвижных объектов. Парвоцеллюлярная шариковая система – восприятие цвета и оттенков серого. Она не обрабатывает информацию о движении и форме или глубине. Эта система обладает в несколько раз меньшей разрешающей способностью, чем межшариковая система.
Основные задачи, которые решает глаз человека n n n Оценка и восприятие пространства, движения Оценка спектрального состава света Оценка энергии излучения
Интерпретация сенсорной информации до уровня сознания Переработка зрительных сигналов в сетчатке Выделение цвета, градаций яркости, контуров, движения Мысленный образ физического объекта Анализ признаков и сравнение с уже известными объектами Различение признаков объекта Знание об объекте
Различение признаков объекта n n n Признаки расстояния и глубины Роль светотени в восприятии формы, перцептивной группировке и движении Использование законов упорядоченности мира в процессе интерпретации зрительных образов. (Твёрдость предметов, планарность, др. )
Признаки расстояния и глубины n Бинокулярная диспаратность
Keep your eyes on the dot. Is it in front, or in back of the cube? In front or in back - That is the question!
Are these two line the same size? The arrowheads are what causes the confusion. If you use a ruler you will see that the lines are the exact same size.
insturctions: Stare at the picture (on the left) for about 45 seconds. Then, stare at the white section of this image (the right section). You should see the Queen again. Keep your concentration, and for those 45 seconds, don't take your eyes off the picture.
"A chameleon" The "eyes" of a chameleon appear to rotate.
"Rotating spiral snakes" Snakes appear to rotate (peripheral drift illusion*1). Gray concentric circles appear to be a spiral (spiral illusion*2).
"Rotating snakes 3" Rings of snakes appear to rotate.
"Chrysanthemums" Flowers appear to expand.
ФОД Задание Задача № 2. Размер Венеры около 1, 3 104 км. Видим ли мы её на небе как точечную звезду или замечаем «кружок» ? Расстояние до Солнца 1, 5 108 км. n Задача № 3. Какова должна быть минимальная длина отрезка на Луне, чтобы глаз человека на поверхности Земли мог отличить его от точки? n
Колориметрия Цветоощущение. Цветовой круг Ньютона, Ломоносова, Гельмгольца. Колориметры. Зрительный пурпур. Теория Геринга, цветное тело. Аномалии цветового зрения. Клинические проявления и диагностика. Типы анамалоскопов
Электромагнитный спектр Монохроматическое излучение Длина световой волны Цветоощущение
Цветоощущение – длина световой волны Границы разных цветов, составленные по репрезентативной выборке экспериментов, проведённых на спектрофотометре. Неравномерность изменения цвета с длиной волны Данные Л. И. Демкиной.
Изменение вдоль спектра способности глаза различать разность цвета Исследования порогов приводят к выводу, что общее число различных оттенков цвета, выделяемых глазом в спектре составляет от 100 до 200.
Смешение цветов n Ньютон впервые поставил эту проблему. При смешении нескольких спектральных цветов можно получить новые цвета, которых в спектре нет (например, пурпурные)
Характеристики цвета • Цветовой тон (колор) - Цвет = • Яркость характеризуется интенсивностью светового потока Ф • Насыщенность или чистота цвета выражает долю чистого спектрального цвета в данном оттенке - p Цветовая насыщенность светового потока определяется отношением долей окрашенного и белого цвета в смеси. Для чистого спектрального цвета p=1, для чисто белого p=0.
Смешивание цветов n n Это сложение световых потоков или яркостей, а не красок палитры. Монохроматические пучки на экране. Пространственное смешение цветов. (Художники пуанталисты). Вертушка для опытов по смешиванию цветов.
Законы смешивания цветов n n n Для каждого спектрального цвета можно подобрать такой другой спектральный цвет, в смеси с которым он дает белый. Такие цвета – взаимно дополнительные (желтый-синий, красный голубовато-зелёный) Смесь двух цветов, отстоящих на цветовом круге друг от друга меньше, чем на 180 , имеет один из цветов, лежащих на круге между смешиваемыми цветами. (Красный +желтый=оранжевый). Одинаковые по виду, но различные по составу цвета, будучи смешаны с другим цветом, дают смесь того же цвета.
Цветовой круг Ньютона n Диаграмма в полярных координатах График взаимно дополнительных спектральных цветов
Система колориметрии, основанная на смешении трех цветов М. В. Ломоносов, 1757 г. Речь на собрании Академии Наук. Любой цвет Белый + Смесь дополнительных цветов спектральный Любой цвет можно получить, смешивая 3 спектрально независимых цвета (красный зелёный синий)
Основные цвета в системе колориметрии
Цветовое уравнение для белого цвета
Сравнение яркостей. n Измерение света Визуальный фотометр: Две белые пластинки (поверхности призмы, покрытые окисью магния), Два источника света, Фотометрическая головка.
Сравнение яркостей Точность выравнивания яркостей значительно повышается, если граница между сравниваемыми полями не видна и при равенстве яркостей совсем исчезает, так что наблюдателю остаётся констатировать видно или не видно границу, разделяющую эти части. Это достигается в фотометрическим кубом специальном устройстве, называемом
Прибор для практического измерения цвета Образец Дополнительный Источник света Колориметр Дёмкиной Фотометрический куб, помещаемый в позицию Б
Графическое представление колориметрической системы. Цветовой треугольник. В вершинах равностороннего треугольника располагаются основные цвета R, G, B, а в центре – белый цвет. Цвета, получаемые смешением двух основных цветов без участия третьего будут располагаться по сторонам треугольника. Всякий цвет, получаемый сочетанием всех трех основных цветов, будет изображаться на диаграмме точкой, лежащей внутри треугольника. Положение этой точки определяется тем, что она представляет собой центр тяжести треугольника, если в его вершинах расположить грузы, веса которых пропорциональны числам r, g, b.
Цветовое зрение n n Согласно трехкомпонентной теории цветового зрения Юнга-Гельмгольца в сетчатке содержатся колбочки трех видов: S-, M- и L-колбочки (реагирующие соответственно на синюю, зеленую и красную части спектра). Первые объективные данные, подтверждающие гипотезу о наличии трех типов рецепторов цветового зрения, были получены с помощью микроспектрофотометрических измерений одиночных колбочек, а также посредством регистрации цвето специфичных рецепторных потенциалов колбочек в сетчатках животных, обладающих цветовым зрением.
Теория оппонентных цветов n Если яркое зеленое кольцо окружает серый круг, то последний в результате одновременного цветового контраста приобретает красный цвет. Явления одновременного цветового контраста и последовательного цветового контраста послужили основой для теории оппонентных цветов, предложенной в XIX в. Герингом. Геринг предполагал, что имеются четыре основных цвета - красный, желтый, зеленый и синий - и что они попарно связаны с помощью двух антагонистических механизмов - зелено-красного механизма и желто-синего механизма. Постулировался также третий оппонентный механизм для ахроматически дополнительных цветов белого и черного. Из-за полярного характера восприятия этих цветов Геринг назвал эти цветовые пары “оппонентными цветами” . Из его теории следует, что не может быть таких цветов, как “зеленовато-красный” и “синевато - желтый”.
Теория оппонентных цветов n Таким образом, теория оппонентных цветов постулирует наличие антагонистических цветоспецифических нейронных механизмов. Например, если такой нейрон возбуждается под действием зеленого светового стимула, то красный стимул должен вызывать его торможение. Предложенные Герингом оппонентные механизмы получили частичную поддержку после того, как научились регистрировать активность нервных клеток, непосредственно связанных с рецепторами. Так, у некоторых позвоночных, обладающих цветовым зрением, были обнаружены “красно-зеленые” и “желтосиние” горизонтальные клетки. У клеток “краснозеленого” канала мембранный потенциал покоя изменяется и клетка гиперполяризуется, если на ее рецептивное поле падает свет спектра 400 -600 нм, и деполяризуется при подаче стимула с длиной волны больше 600 нм. Клетки “желто-синего” канала гиперполяризуются при действии света с длиной волны меньше 530 нм и деполяризуются в интервале 530 -620 нм.
Зонная теория n В свое время между сторонниками каждой из описанных теорий велись жаркие споры. Однако сейчас эти теории можно считать взаимно дополняющими интерпретациями цветового зрения. В зонной теории Крисса, предложенной 80 лет назад, была сделана попытка синтетического объединения этих двух конкурирующих теорий. Она показывает, что трехкомпонентная теория пригодна для описания функционирования уровня рецепторов, а оппонентная теория - для описания нейронных систем более высокого уровня зрительной системы.
Цветовое уравнение
ЦКС МКО RGB Кривые сложения r, g, b (красный, синий, голубой), полученные экспериментальным путем для цветовой системы с основными цветами , соответствующими монохроматическим излучениям с длинами волн 700; 546, 1 и 435, 8 нм
ЦКС МКО XYZ Кривые сложения x, y, z. y соответствует кривой видности глаза и является координатой яркости x содержит информацию о цвете объекта, т. к. координата Z получается из уравнения X+Y+Z=1
ЦКС XYZ
u-v– Модифицированная ЦКС XYZ
Модифицированная ЦКС XYZ
Аномалии цветового зрения n Большинство людей имеют нормальное цветовое зрение, но некоторым свойственны определенные аномалии, такие как недостаток пигментов, содержащихся в колбочках сетчатки и обеспечивающих цветовосприятие. Дефекты восприятия красного и зеленого цветов обычно передаются по наследству, причем преимущественно по мужской линии – генетические аномалии цветового зрения свойственны 5– 8% мужского и 0. 5% женского населения. (Впервые дефект цветового зрения описал английский химик Джон Дальтон после того, как случайно обнаружил, что сам страдает им – однажды он надел вместо черной академической мантии малиновую. С тех пор цветовая слепота стала называться дальтонизмом. )
Аномалии цветового зрения n Аномалиями обычно называют те или иные незначительные нарушения цветовосприятия. Они передаются по наследству как рецессивный признак, сцепленный с X-хромосомой. Лица с цветовой аномалией все являются трихроматами, т. е. им, как и людям с нормальным цветовым зрением, для полного описания видимого цвета необходимо использовать три основных цвета. Однако аномалы хуже различают некоторые цвета, чем трихроматы с нормальным зрением, а в тестах на сопоставление цветов они используют красный и зеленый цвет в других пропорциях. Тестирование на аномалоскопе показывает, что при протаномалии в цветовой смеси больше красного цвета, чем в норме, а при дейтераномалии в смеси больше, чем нужно, зеленого. В редких случаях тританомалии нарушается работа желтосинего канала.
Приобретённый дальтонизм n Развивается на глазу, где поражена сетчатка или зрительный нерв. Свойственно прогрессирующее ухудшение и трудности в различении синего и жёлтого цветов.
Классификация аномалий цветового зрения Аномальный трихроматизм: Протоаномалия (недостаток пигмента L-колбочек и связанная с этим пониженная чувствительность к красноватым тонам) (Распространенность, % мужчины - женщины : 1. 3 - 0. 02) Дейтераномалия (недостаток пигмента M-колбочек, пониженная чувствительность к зеленоватым тонам) (5. 0 - 0. 35) Дихроматизм: Протанопия (отсутствие пигмента L-колбочек и связанная с этим относительная нечувствительность к красному цвету, вследствие чего для восприятия этого цвета необходима его более высокая интенсивность) (1. 3 - 0. 02). Дейтеранопия (отсутствие пигмента M-колбочек, относительная нечувствительность к зеленому цвету) (1. 2 - 0. 01) Тританопия (отсутствие пигмента S-колбочек, относительная нечувствительность к синему и желтому цветам) (0. 001 - 0. 003) Монохроматизм (отсутствие пигментов всех трех типов – цветослепота) (0. 00001 - 0. 00001)
Диагностика аномалий цветового зрения n Специальные полихроматические таблицы Рабкина, изображение на которых состоит из множества цветных кружков и точек, имеющих одинаковую яркость, но различных по цвету. Человеку с частичной или полной цветовой слепотой, не различающему некоторые цвета на рисунке, таблица кажется однородной. Человек с нормальным цветовосприятием способен различать цифры и геометрические фигуры.
Примеры изображений таблиц Рабкина n. Таблица 1. Все нормальные трихроматы, аномальные трихроматы и дихроматы различают в таблице одинаково правильно цифры 9 и 6 (96). Таблица предназначена главным образом для демонстрации метода и для контрольных целей. Таблица 3. Нормальные трихроматы различают в таблице цифру 9. Протанопы и дейтеранопы различают цифру 5.
Анамалоскоп n n Прибор для испытания цветового зрения и выявления его аномалий и их характера. Анамалоскоп Нагеля: половина поля зрения освещена смесью красного и зелёного. Испытуемый изменяет соотношениеих интенсивностей до тех пор, пока его глаз не перестаёт отличать полученный таким образом составной цвет от заданного желтого, видимого в другой половине поля зрения. По полученному соотношению и судят о его цветовом зрении.
Анамалоскоп n n Другие модели анамалоскопов позволяют проводить аналогичные исследования в других частях спектра. Люди с частичной цветовой слепотой (дихроматы) обнаруживают себя тем, что могут подравнять желтый цвет (меняя его интенсивность) любому – от зеленого до красного. Аномалоскоп ГОИ (система Раутиана) позволяет измерить так же пороги цветоразличения для цветов, не различимых дихроматами, испытывая при этом различные рецепторы глаза путём применения светофильтров. Обнаруживается цветослабость.
Профессиональные ограничения при ослаблении цветовосприятия Зрение водителей, моряков, лётчиков и людей любых др. профессий, от которых зависит жизнь других людей. n 1875 г. Швеция г. Лагерлунд, крушение поезда, повлекшее большие жертвы. Машинист не различил красный цвет. n
Скачать презентацию Novosibirsk State University 9 Физические основы диагностики
2_лекц_фод_2009.ppt