Адаптация измерительных структур глаз.

Приспособление глаза к вариациям интенсивности излучений достигается не только за счет регулирования диаметра зрачка, но и путем использования единой для всех фоторецепторов системы адаптации.

Отличительной особенностью строения глаза является то, что фоторецепторы в сетчатках повернуты против движения потоков света. Для того, чтобы свет мог попасть на вход фоторецепторов, он должен пройти сквозь все слои сетчатки, включая: густую сеть нервных волокон и кровеносных сосудов, нейронную структуру, образованную миллионами нервных клеток, пройти между плотно уложенными телами фоторецепторов и повернуть на 180°.

Рис. 26. Измерительная структура глаза человека.

Такое строение глаза приводит к большим потерям информации, вследствие рассеяния излучения и нарушения структуры изображение. Более того, чтобы вывести нервные волокна из зрительного аппарата, в сетчатке имеется большое отверстие, вследствие которого на ней образуется “слепое пятно”. Высшие нервные структуры вынуждены компенсировать влияние отверстия, “закрашивая” слепое пятно. Почему, несмотря на большие потери и затраты, такая конструкция зрительного аппарата для обитателей суши является предпочтительной? Это обусловлено необходимостью защищать фоторецепторы, так как именно в воздушной среде суточные перепады освещенности достигают 10⁸ % !

Системой централизованной адаптации фоторецепторов к изменению яркости световых излучений является адаптивный отражатель - слоистая оболочка, поверхность которой состоит из серебристых кристаллов, способных по сигналам из центра управления поворачиваться, изменяя тем самым его отражающие свойства. Внутренние структуры оболочки способны поглощать и накапливать лучистую энергию, а при определенных управляю­щих воздействиях и излучать её. Отражающие, поглощающие и излучающие свойства этой оболочки меняются в зависимости от яркости поступающего в зрительный аппарат светового потока. Длительность процесса настройки глаза зависит от перепада яркости света и варьируется в пределах 3...15 минут.

С увеличением яркости света коэффициент отражения поверхности адап­тивного отражателя уменьшается по логарифмическому закону. Доля отраженного света, направляемого на измерительные структуры, уменьшается, а избыточ­ная часть светового потока проникает во внутренние слои оболочки и погло­щается ими. При восприятии слабых излучений коэффициент отражения адаптивной обо­лочки близок к единице, и вся лучистая энергия, попадающая на неё, направ­ляется в измерительные структуры глаза. В темноте для повышения чувстви­тельности адаптивная оболочка начинает сама из­лучать световую энергию, которая поддерживает в активном состоянии изме­рительные структуры глаза, вследствие чего они приобретают способность улавливать малые изменения световых сигналов. Именно поэтому в темноте у многих хищных животных во время охоты – активной работы органов зрения – глаза светятся.

У человека свечение глаз зависит от его функционального состояния: больной, ослабленный человек имеет тусклый взгляд и ввалившиеся глаза; у активного здорового человека глаза всегда блестят; в состоянии стресса глаза в глазницах выдвигаются вперед и “горят огнем”.

Светопроводность элементов зрительных аппаратов.

Преобразование светового излучения в эквивалентный видеосигнал осуществляется фоторецепторами. Чувствительным элементом фоторецептора является тонкий полый волосок, диаметр которого в 100-150 раз меньше его длины. Внутри волоска находится множество мембран, ориентированных перпендикулярно его оси, на поверхности которых распределены молекулы вещества, способные ак­тивно поглощать фотоны. Этот процесс сопровождается возникновением в фоторецепторе нервного импульса.

Фоторецепторы отделены друг от друга светопроницаемой средой, толщина которой несколько больше длины волны света, а показатель преломления ниже, чем у всех структурных элементов фоторецепторов, поэтому она играет роль светоизолирую­щей прослойки.

Фоторецепторы воспринимают только те лучи, которые на них направляет адаптивный отражатель. Чувствительные волоски фоторецепторов уложены параллельно друг другу и упакованы в плотный пучок. Световой поток, падающий на его торец, разделяется на три части: одна – проникнет в среду, окружающую волоски; другая – попадает на торцы волосков и отражается обратно в окружаю­щую среду; третья часть – проникнет внутрь волосков, но в нем содержатся лучи, для ко­торых условие полного внутреннего отражения не выполняется, и они рассеются сквозь боковые стенки волоска. Только небольшая часть светового потока пройдет вдоль него и воспримется фоторецепто­ром.

Рис. 27. Свойства фоторецепторов в измерительной структуре глаза.

Таким образом, каждый фоторецептор воспринимает определенную часть светового потока, поступающего с некоторой малой площади изображения, усредняет его и преобразует в эквивалентный сигнал. Участки изображения, попавшие на светоизолирующую среду, не воспринимаются фоторецепторами, и инфор­мация этой части изображения будет потерянной. Вторичное попадание рассеянного излучения на входные торцы во­лосков только вносит помеху в восприятие, так как при рассеивании и многократных отра­жениях структура изображения нарушается. Поэтому причины возникновения погрешностей и искажений информации в этой части зрительного аппарата во многом идентичны техническим волоконно-опти­ческим элементам. Основываясь на этой аналогии можно утверждать, что причинами потерь световой энергии в измерительной структуре глаза являются:

² рассеивание излучения при прохождении сквозь сетчатку;

² мозаичность структуры фоторецепторного поля;

² отражение от торцовой поверхности чувствительных волосков фоторецепторов;

² малая апертура чувствительных волосков фоторецепторов.

Оценка возможных потерь света, вызванных перечисленными выше причинами, показала, что теоретически измерительная структура глаза имеет весьма низкий коэффициент пропускания полезного потока ин­формации. Поэтому в зрительном аппарате должны использоваться специальные способы уменьшения по­терь света.

Рис. 28. Управление величиной зазора в измерительной структуре глаза.

В глазах человека обнаружены несколько способов повышения прямого светопропускания сетчатки. Одним из них является ра­циональное распределение нервных и питающих структур в верхних слоях сетчатки. В частности, в зоне основного обзора сетчатки верхние её слои столь тонки, что образуется углубление. Нервные и питающие элементы этой части сетчатки смещены в другую зону, требования к точности восприятия которой на два порядка меньше.

Вторым способом снижения потерь света является использование в качестве межклеточной среды жидкокристаллического вещества. Жидкие кристаллы имеют регулярную структуру, которая обеспечивает “обтекание” светом препятствий и тем самым зна­чительно повышает светопропускание сетчатки.

Уменьшение апертурных погрешностей в зрительном аппарате также осу­ществляется несколькими способами, например, путем снижения диффузионного рассеяния света при его прохождении от поверхности адаптивного отражателя до торцов чувствительных волосков. Для этого величина зазора между отражающей по­верхностью и торцами волосков фоторецепторов выдерживается в пределах 2...3 мкм, что является оптимальной величиной для волоконно-оптических элементов. На таком расстоянии световой поток не успевает рассеяться.

В зрительном аппарате реализуются и другие способы уменьшения апер­турных потерь: наличие сферической формы торцов волосков, фокусирующие микроструктуры на поверхности адаптивного отражателя, кри­сталлическая регулярная структура жидкости в зазоре и др.

Одним из основных способов уменьшения потерь света в результате обрат­ного отражения от торцов волоска является снижение оптической плотности волосков фоторецепторов до минимального значения, обеспечивающего полное внутреннее отражение излучения.

Устранение мозаичности изображения достигается двумя способами: путем сканирования и спектрального разложения. Для реализации первого способа глазное яблоко совершает высокочастотные колебания, так что изображение непрерывно колеблется по поверхности сетчатки. Из-за этого световые лучи от каждой точки изображения попадают на несколько фоторецепторов. Второй способ реализуется непосредственно в светочувствительных волосках фоторецепторов: если пропускать белый свет сквозь пучок волосков фото­рецепторов, то с другой стороны пучка возникает богато окрашенная моза­ичная картина, которую можно наблюдать через микроскоп. Спектральное разложение фоторецепторами света придает сетчатке свойства волоконно-оптической призмы, которая разворачивает световое излучение от каждой точки изображения в полосу спектра. Ширина полосы спектра такая, что она захватывает несколько соседних фоторецепторов.

Пре­имущество этих двух способов заключается в том, что они обеспечивают не только полное устранение мозаичности, но и значительно увеличивают раз­решающую способность системы воспроизведения изображений, а также сглаживают зернистость структуры светочувствительной системы.