BIOFIZYKA

BIOFIZYKA

NARZĄDU

NARZĄDU

WZROKU

WZROKU

Bilińska Sylwia

Pytania

1) Z czego zbudowane jest oko?
2) Dlaczego widzimy?
3) Jakie wielkości charakteryzują narząd

wzroku?

4) Dlaczego widzimy świat kolorowy?
5) Dlaczego drzewo jest przesunięte kiedy

patrzymy jednym okiem, a jak dwoma to jest
na środku?

6) Po co oku zbroja?

Budowa narządu wzroku

Oko niczym najdoskonalsza kamera filmowa rejestruje obrazy

otaczającego nas

świata i za pośrednictwem nerwu wzrokowego przesyła je do mózgu,
gdzie powstają wrażenia wzrokowe. Jest jednym z najważniejszych

zmysłów,

dzięki niemu odbieramy ok. 80% wrażeń.

Czopki i pręciki

Układ receptorów czopkowych

Układ receptorów czopkowych

-znajdują się głównie wewnątrz dołka

-znajdują się głównie wewnątrz dołka

środkowego (plamki żółtej), gdzie

środkowego (plamki żółtej), gdzie

ich zagęszczenie wynosi około

ich zagęszczenie wynosi około

200 000/mm2, poza dołkiem jest

200 000/mm2, poza dołkiem jest

ich mniej;

ich mniej;

-

odpowiada za dokładne widzenie

odpowiada za dokładne widzenie

drobnych kształtów przedmiotów

drobnych kształtów przedmiotów

-

umożliwia widzenie barwne

umożliwia widzenie barwne

-

zapewnia najwyższą ostrość wzroku

zapewnia najwyższą ostrość wzroku

- liczba czopków na siatkówce jednego

- liczba czopków na siatkówce jednego

oka to około 6 mln. ich szerokość

oka to około 6 mln. ich szerokość

wynosi 4 µm, a długość 40 µm.

wynosi 4 µm, a długość 40 µm.

percepcja czopkowa zachodzi jedynie

percepcja czopkowa zachodzi jedynie

przy dobrym oświetleniu –

przy dobrym oświetleniu – widzenie

widzenie

fotopowe

fotopowe

System pręcików

System pręcików

- jest ich około 120 mln na siatkówce

- jest ich około 120 mln na siatkówce

oka, mają długość około 60 µm i

oka, mają długość około 60 µm i

szerokość 2 µm

szerokość 2 µm

- pozwala na rozróżnianie zarysów

- pozwala na rozróżnianie zarysów

przedmiotów

przedmiotów

- zapewnia orientację przestrzenną

- zapewnia orientację przestrzenną

- umożliwia odbieranie bodźców przy

- umożliwia odbieranie bodźców przy

minimalnym oświetleniu

minimalnym oświetleniu

percepcja pręcików zachodzi przy

percepcja pręcików zachodzi przy

słabym oświetleniu –

słabym oświetleniu –widzenie

widzenie

skotopowe

skotopowe

Budowa siatkówki

Rozkład pręcików i czopków
na siatkówce oka

Czopki i pręciki

Proces widzenia ma charakter

elektrochemiczny. Kiedy w siatkówce

komórki pręcikowe lub czopki zostają

pobudzone światłem, to chemiczna

kompozycja pigmentu zmienia się chwilowo.

Powoduje to bardzo mały prąd elektryczny,

który przechodzi do mózgu poprzez włókna

nerwowe. Około sto pręcików jest

połączonych z pojedynczym włóknem

nerwowym. W efekcie tego grupy pręcików

są wysoce światłoczułe z powodu efektu

sumowania się ich stymulacji. Z drugiej

strony, ostrość jest niska, ponieważ mózg nie

potrafi rozróżnić pojedynczych pręcików w

grupie. W warunkach widzenia wyłącznie

pręcikowego otrzymuje się raczej zamazany

obraz. Pręciki nie rozróżniają kolorów, ale

wrażliwość pigmentu pręcika różni się dla

różnorodnych kolorów widmowych.

Maksymalna wrażliwość występuje przy

falach o długości 507 nm (światło zielone).

Pręciki i czopki umieszczone są na nabłonku

barwnikowym siatkówki

Jak działa oko?

Nad osią symetrii oka znajdują się parametry dotyczące oka
nieakomodującego (oznaczone indeksem o), natomiast pod osią –
akomodującego (oznaczenie indeksem a). Powierzchnie soczewki
zaznaczone są liniami przerywanymi.

Światło wpadające do oka

biegnie przez rogówkę
,komorę przednią oka,
soczewkę i ciało szkliste, by
zakończyć swą podróż na
siatkówce wywołując
wrażenie wzrokowe
przekazywane do mózgu za
pośrednictwem nerwów
łączących się w nerw
wzrokowy.

Jak działa oko?

Układ optyczny z pewnym przybliżeniem uważać

można za centryczny. Środki krzywizn rogówki i

soczewki leżą na prostej zwanej osią optyczną oka.

Występuje jednak rozbieżność osi optycznej i osi

widzenia, która jest wynikiem przesunięcia dołka

środkowego poza oś optyczną oka. W efekcie

występuje obrót osi widzenia względem osi

optycznej średnio o około 5 stopni.

Własności widzenia

Obraz tworzony na siatkówce jest:
• rzeczywisty
• zmniejszony
• odwrócony

Własności widzenia

Układ optyczny:
• soczewka o zmiennej ogniskowej
• rogówka (przesłona) regulująca ilość światła dostającego się

do wnętrza oka.

Oko jest prostą soczewką skupiająca. Promienie świetlne

dochodzące od przedmiotu do soczewki po załamaniu się w

niej tworzą ostry obraz przedmiotu na siatkówce.

Współczynnik załamania jest różny w poszczególnych

warstwach oka. Ponadto występują różne napięcia mięsni

siatkówki powodujące zmianę jej kształtu ( mniej bądź

bardziej wypukła). Dzięki temu zdolność skupiająca oka jest

zmienna. Umożliwia to tworzenie obrazów dalekich lub

bliskich przy praktycznie stałej odległości układu

optycznego od siatkówki.

Własności widzenia

AKOMODACJA -

AKOMODACJA -

zjawisko dostosowania się oka do

zjawisko dostosowania się oka do

oglądania przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach.

oglądania przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach.

Dostosowanie to polega na odpowiednim doborze ostrości widzenia.

Dostosowanie to polega na odpowiednim doborze ostrości widzenia.

Zakres akomodacji (odległość między punktem bliży i

dali wzrokowej) oka człowieka:

Punkt bliży wzrokowej - najbliższy punkt, jaki oko jest

w stanie ostro widzieć dzięki akomodacji soczewki

(ok. 10 cm); określany jako

s

B

Punkt dali wzrokowej - najbliższy punkt powyżej

którego soczewka nie akomoduje (ok. 6 m);

określany jako

s

D

Własności widzenia

ZDOLNOŚĆ SKUPIAJĄCA OKA

ZDOLNOŚĆ SKUPIAJĄCA OKA

Soczewka przy rozluźnionych mięśniach rzęskowych ma zdolność

skupiającą 13D.

Zdolność skupiająca dla typowego oka ludzkiego przy

rozluźnionych mięśniach akomodacyjnych wynosi więc 58,5
dioptrii, a ogniskowa 17,1mm.

Własności widzenia

REFRAKCJA

REFRAKCJA

–

odwrotność odległości

s

D

mierzonej w dioptriach

.

R = 0 to oko jest miarowe , wtedy siatkówka jest

styczna

do płaszczyzny ogniskowej oka nieakomodującego

R = 0 to oko obarczone jest wadą

KROTKO-

bądź

DALEKOWZROCZNOŚCI

.

D

S

R

1



Własności widzenia

ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA OKA-

ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA OKA-

- wyznaczona jest przez gęstość elementów światłoczułych (w oku to

będą czopki i pręciki, w aparacie fotograficznym ziarna w emulsji lub
dołki w sensorze). Własność pozwalająca rozróżnić szczegóły danego
obrazu.

Zdolność rozdzielcza zdrowego oka wynosi około 1 minuty kątowej.

Oznacza to, że detale oglądane pod takim kątem będą jeszcze
rozróżnialne.

Jeżeli na siatkówce oka wyświetlany jest obraz o większej ilości szczegółów

(na określonej powierzchni) niż jego zdolność rozdzielcza to nie
dostrzeżemy całego bogactwa szczegółów obrazu, ponieważ będą one
zlewały się ze sobą

Z drugiej strony jeśli na siatkówce jest wyświetlony nadmiernie (w stosunku

do rozdzelczości obiektywu) powiększony obraz to okiem nie
dostrzeżemy nowych detali a obraz sprawia wrażenie nieostrego,
rozmytego. Takie przesadzone powiększenie określa się teraminem
"puste powiększenie".

Własności widzenia

Kryterium Rayleigha

Kryterium Rayleigha

Przy wizualnej obserwacji dwóch punktów o

jednakowej intensywności, zgodnie z tzw.
kryterium Rayleigha, granicznym
warunkiem rozdzielenia ich obrazów jest
pokrycie się głównego maksimum jednego z
punktów z pierwszym minimum plamki dla
drugiego punktu. Kryterium to odnosi się do
oświetlenia niekoherentnego.

Miarą zdolności rozdzielczej
jest odwrotność kąta

granicznego.

Własności widzenia

ADAPTACJA

ADAPTACJA

Adaptacja pozwala oku widzieć przy różnych

poziomach oświetlenia

Adaptacja zawiera w sobie co najmniej dwa

procesy:

1) Zmiana wielkości

źrenicy.

2) Adaptacja

fotochemiczna.

Więc chodź pomaluj mi

świat…

• Fala elektromagnetyczna mieszcząca się w

zakresie tzw. okna optycznego (ok.400nm-ok..
700nm);

• Promieniowanie, które wniknie do oka w różnym

stopniu wywołuje reakcje elektrochemiczne w
czopkach i pręcikach stając się źródłem bodźców;

• Przyjmuje się maksimum czułości czopków na

550nm, a pręcików na 510nm;

• Za widzenie barw odpowiedzialne są

fotoreceptory czopkowe;

Teoria trzech stymulantów

(Younga-Helmoltza)

Oko zawiera trzy rodzaje czopków każdy ma maksimum

wrażliwości przypadające na inną długość fali:

• typu

X

X – 64 % czopków; · 580 nm – R (pomarańczowo-

czerwony)

• typu

Y

Y- 32 % czopków; · 545 nm – G (zielony)

• typu

Z

Z- 4% czopków; · 440 nm – B (niebieski)

Jednakowe pobudzenie receptorów r : g : b = 1:1:1 odpowiada
wrażeniu bieli, przy dużej sumie sygnałów lub szarości, przy małej
sumie.

Percepcyjnie wszystkie postrzegane kolory powstają jako
kombinacje liniowe trzech barw podstawowych.

Ludzkie oko rozróżnia 35 tysięcy – 8 milionów kolorów

Teoria trzech stymulantów

(Younga-Helmoltza)

Efekt ten polega na tym, że w zależności od intensywności oświetlenia,

zmienia się względna jasność różnych kolorów, odbieranych przez oko.

Przy bardzo niskim poziomie oświetlenia, gdy czopki przestają już

funkcjonować, działanie przejmują pręciki. Kolory niebieskie stają się
wtedy jaśniejsze w porównaniu z barwami czerwonymi.

Efekt Purkyniego

(ślepota zmierzchowa)

Wynika to z faktu, że podczas
widzenia przy dobrym świetle
siatkówka jest bardziej wrażliwa
na długofalowe barwy światła,
a podczas ciemności na

krótkofalowe

Krzywa czułości względnej oka ludzkiego dla

widzenia fotopowego V(λ) i skotopowego V'
(λ)

Widzenie przestrzenne

(spektroskopowe)

-

jest wynikiem interpretacji jakiej dokonuje mózg

porównując dwa, różniące się nieco obrazy pochodzące z
każdego oka niezależnie.

Co daje nam widzenie spektroskopowe?
• perspektywa geometryczna;
• zasłanianie przedmiotów dalszych przez bliższe;
• cienie;
• perspektywa powietrzna (zamglenie);
• pozorna różnica prędkości przesuwającego się krajobrazu;
• nieostrość przedmiotów położonych poza płaszczyzną

fiksacji;

Prawie w każdym przypadku używamy

obu naszych oczu do patrzenia na jeden
cel. Jeżeli obiekt, na który patrzymy jest w
oddali, oczy będą ustawione tak, aby linie
wzroku obu oczu były względem siebie
równoległe. Gdy patrzymy na obiekt
umiejscowiony blisko, linie wzroku obu
oczu będą się przecinały w punkcie celu.
Jest to osiągnięte poprzez obrócenie oczu
do środka, co nazywane jest

zbieżnością

zbieżnością

Widzenie przestrzenne

(spektroskopowe)

Oko uzbrojone

wady wzroku

oko dalekowzroczne

oko dalekowzroczne

• promienie załamane w układzie

optycznym

ogniskują się poza siatkówką
• soczewka skupiająca przesuwa ognisko

na

siatkówkę

oko krótkowzroczne

oko krótkowzroczne

• promienie światła załamane w układzie
optycznym ogniskują się przed siatkówką
• soczewka rozpraszająca przesuwa

ognisko

na siatkówkę

Oko uzbrojone

wady wzroku

Amplituda akomodacji:

Zdolność skupiająca okularu:

Zdolność rozdzielcza:

B

D

s

s

A

1

1





0

1



D

s

-miarowość oka

lR

R

D

k





1

A

l

D

1

1





gdzie l - odległość soczewki od

oka

(dla soczewki korekcyjnej l

= 0)

R - refrakcja

R

D

k



Zdolność skupiająca soczewki:

Oko uzbrojone

wady wzroku

Astygmatyzm -

Astygmatyzm -

wadą polegającą na zniekształceniu

widzenia wskutek niesymetryczności rogówki oka. Jeżeli
promień krzywizny rogówki oka w płaszczyźnie pionowej jest
inny niż w płaszczyźnie poziomej, to promienie świetlne
padające na różne części rogówki załamywane są w różnym
stopniu. Powoduje to, że obraz widziany przez pacjenta jest
nieostry.

astygmatyzm regularnym, gdzie oko posiada dwie ogniskowe.

Po pokazaniu pacjentowi znak krzyżyka, on widzi ostro tylko
jedno jego ramię - pionowe lub poziome.

astygmatyzm nieregularny, cechujący się większą ilością

ogniskowych i spowodowany nierówną powierzchnią rogówki.

Oko uzbrojone

wady wzroku

Daltonizm (

Daltonizm (

Deutenaropia)-

Deutenaropia)-

wada wzroku, odmiana ślepoty

barw, polegająca na nierozpoznawaniu barwy zielonej (lub myleniu jej z
barwą czerwoną) Jest wynikiem braku czopków reagujących na barwę
zieloną. Nazwa „daltonizm” pochodzi od angielskiego chemika Johna
Daltona, który w 1794 r. na własnym przypadku opublikował jej opis.

Zdrowe oko

Deutenaropia

Bibliografia

• „Biofizyka” pod red. prof.dr hab.F.Jaroszyk

• „Zjawiska optyczne w przyrodzie” - W. Bułat

• „Fizjologia człowieka z elementami fizjologii

klinicznej” -W. Z. Traczyk, A. Trzebski

Wykłady:

• prof. B. Kostek,

• dr Iwona Mróz,

• pan Marek Zając,

• prof. dr hab. inż. Krzysztof Patorski

DODATKOWE

DODATKOWE

CIEKAWOSTKI

CIEKAWOSTKI

Teoria Heringa

(antagonistyczna)

W oku istnieją komórki wrażliwe na promieniowanie

trzech par przeciwstawnych barw: czerwonej-

zielonej, żółtej-niebieskiej i białej-czarnej.

• W każdej z nich zachodzi mieszanie impulsów

powodujących powstawanie barw, na które są

wrażliwe.

• Założenie o czterech podstawowych barwach:

czerwonej, żółtej, zielonej i niebieskiej odpowiada

intuicyjnemu odróżnianiu tych barw w widmie jako

barw samodzielnych, niestanowiących wrażenia

mieszaniny jak np. fioletowa czy pomarańczowa.

Para oczu pozwala widzieć nam na

wylot hipoteza Marka Changizi

Do tej pory biolodzy uważali, że największą korzyścią
płynącą z posiadania dwojga oczu jest
trójwymiarowy obraz.

Amerykański uczony Mark Changizi jest jednak

przekonany, że w przypadku m.in. ludzi oraz zwierząt
żyjących w środowiskach leśnych równie ważna była
też zdolność do patrzenia poprzez małe przeszkody -
takie jak na przykład liście. Jego zdaniem właściwości
ludzkiego wzroku pod pewnym względem dadzą się
porównać do promieni rentgenowskich

.

Wyostrzony wzrok

Siatkówka jest czuła na pojedyncze fotony
Gdy ludzkie oko jest całkowicie przystosowane do

ciemności, może ono wtedy, przy korzystnych warunkach,

dostrzec nawet pojedynczy foton. Jest to jedyne

subatomowe zjawisko, które może być dostrzeżone przez

istotę ludzką. Niemniej, niektóre zwierzęta mają jeszcze

bardziej wyostrzoną wrażliwość oka – około sześć do

siedmiu razy w wypadku oka kociego (Rys. 3). Może to być

wytłumaczone poprzez fakt, że źrenica oka kota – przy

pełnym otwarciu – jest o wiele większa w relacji do

ogniskowej, niż u człowieka, co powoduje wyższe

naświetlenie siatkówki przy danym oświetleniu. Dodatkowo

za siatkówką kota jest jeszcze warstwa odbijająca światło,

co oznacza że światło przechodzi przez siatkówkę dwa razy,

dając większą szansę na jego wykrycie.