Biofizyka

Wykład 2 – 20.02.2015

dr. Ewa Tarnowska - Sokołow

Dzięki narządowi wzroku:

• Rozróżniamy przedmioty jaśniejsze od ciemniejszych oceniając ilość światła

• Kształt przedmiotów

• Położenie przedmiotów

• Barwę czyli długość fali elektromagnetycznej

• Odległość przedmiotu

Nośnikiem informacji jest światło – fala elektromagnetyczna w zakresie długości fali od 380 – 700 nm.

$c = 3*10^{8}\frac{m}{s}$ - prędkość światła

$$\ v = \ \frac{1}{\sqrt{E_{r}\mu_{r}}}$$

Gdzie:

E_r – bezwzględna przepuszczalność elektryczna ośrodka.

µ_r – względne przepuszczalność magnetyczna ośrodka…

Energia padającego światła jako kwant promieniowania:

$$E = h\nu = \ \frac{\text{hc}}{\lambda}$$

Gdzie:

h - stała Plancka

ν – częstotliwość

c – prędkość światłą

𝝀 – długość fali

Widzenie - z fizycznego punktu widzenia jest to analiza:

• Amplitudy

• Długości fali

• Rozmieszczenia źródeł światła

Zadania te spełnia aparat który składa się z:

• Oka

• Nerwu wzrokowego

• Właściwych ośrodków nerwowych w mózgu

Aby określić czy zmysł działa prawidłowo należy określić:

• Jaka jest zdolność rozdzielcza oka

• Skąd, dokąd oko widzi ostro

• Jaka najmniejsza energia musi dotrzeć do siatkówki abyśmy odnieśli wrażenie świetlne

• Jaki jest przedział między najmniejszą energią którą oko jest w stanie zarejestrować a tą największą jaką jeszcze zniesie.

• Na czym polega mechanizm widzenia przestrzennego.

Układ optyczny przekształca przestrzeń przedmiotową na przestrzeń obrazową. Oko składa się z:

• Rogówka

• Tęczówka

• Źrenica

• Soczewka

• Plamka żółta – największe skupisko receptorów światłoczułych (szczególnie czopków)

• Plamka ślepa – brak elementów światłoczułych, miejsce ujścia nerwu wzrokowego.

• Siatkówka

Układ optyczny oka:

• Rogówka – n= 1,376

• Ciecz wodnista – n=1,336

• Soczewka – kolejne warstwy załamują światło inaczej – w jądrze 1,40 a na brzegach 1,33

• Ciało szkliste – n=1,336

n cieczy wodnistej = n ciała szklistego

Zdolność skupiająca układu optycznego dla oka jest 73D w tym soczewka to około 20 D. Największą zdolność skupiającą posiada rogówka 42D

Elementem na którym powstaje obraz oglądanych przedmiotów jest siatkówka. Źrenica jest elementem na którym zachodzi zjawisko dyfrakcji.

W oku krótkowzrocznym ognisko jest przed siatkówką a w dalekowzrocznym ognisko jest za siatkówką.

Akomodacja - przystosowanie oka do widzenia przedmiotów znajdujących się blisko i daleko od układu optycznego. Uzyskiwana jest dzięki zmianie promienia soczewki. Gdy x(odległość od przedmiotu) →∞ to soczewka staje się płaska, gdy odległość zmniejsza się to soczewka uwypukla się dzięki mięśniom rzęskowym. Zakres akomodacji oka wzmacniany jest przez zdolność odwzorowania obrazu na siatkówce.

$$A = \frac{1}{S_{D}} - \frac{1}{S_{B}}$$

[A] = 1D

Gdzie:

S_D odleglosc punktu dalekiego

S_D − odleglosc punktu bliskiego 

Soczewka najbardziej płaska gdy D=D_min

Soczewka najbardziej wypukła gdy D=D_max

Dla młodego oka D_B = 10 cm a u 50 latka D_B = 40 cm

Refrakcja oka

$$R = \ \frac{1}{S_{\text{D\ }}}$$

[R] = 1D

Gdy refrakcja oka R = 0 D tzn. S_D = ∞ - oko miarowe

Wada oka:

• Dalekowzroczność – R > 0 (soczewki skupiające)

• Krótkowzroczność – R< 0 (soczewki rozpraszające)

• Astygmatyzm spowodowany jest tym, że rogówka nie jest wycinkiem kuli a w kształcie „piłki do rugby” . jeśli istnieją różnica w sile refrakcji (załamywania) promieni świetlnych w różnych płaszczyznach oka spowodowane to jest różną krzywizną rogówki. (Do korekcji stosuje się soczewki cylindryczne)

• Dalekowzroczność starcza – gdy S_B dąży do S_D zdolność akomodacyjna maleje – ( sztywnienie soczewki powoduje zmniejszenie średniego zakresu akomodacji)

Dyfrakcja w procesie widzenia:

Promienie świetlne trafiające do siatkówki ulegają procesom:

• Załamywania w układzie optycznym oka

• adsorpcja na elementach przeźroczystych oka – ulega 50% światła w zakresie widzialnym i całkowicie UV pochłaniana jest w soczewce. Po usunięciu soczewki widmo widzialne dla oka rozszerza się do 290nm.

• Dyfrakcji na przesłonie – tęczówce

Zdolność rozdzielcza liniowa - liniowa odwrotność najmniejszej odległości dwóch punktów widzianych oddzielnie. Dla oka zdolność rozdzielcza może być obliczana ze wzoru:

$$d = \frac{1}{\alpha} = \frac{d_{z}}{1,22\ \lambda\ }$$

Gdzie:

                                                                                         λ − dlugosc fali swietlnej 

d_z − srednica zrenicy 

Czułość światłoczułych receptorów:

Wpadające światło na siatkówkę wywołuje reakcje fotochemiczne i depolaryzację błony komórkowej. Powstający impuls przekazywany jest do nerwu wzrokowego. Elementami światłoczułymi są: czopki odpowiedzialne za widzenie barwne i pręciki odpowiedzialne za widzenie nocne. W plamce żółtej d = d_max poza plamką żółtą zdolność rozdzielcza maluje.

Dopiero dwa receptory przedzielone jednym niepobudzonym receptorem rozróżnia się dwa punkty oddzielnie

Energetyka procesu widzenia:

W celu wywołania wrażenia wzrokowego do oka musi dotrzeć określona porcja energii świetlnej nie mniejsza od bezwzględnego progu czułości oka. Dla przeciętnego oka wynosi on:

E = 4 * 10⁻¹⁷ J

W skutek odbicia od powierzchni optycznych oraz ośrodkach przeziernych oka do siatkówki dochodzi tylko 40% kwantów z których siatkówka absorbuje jedynie 20% czyli bezwzględny próg czułości siatkówki wynosi 8 kwantów .

Adaptacja do zmiennych warunków oświetlenia:

• Automatyczna regulacja średnicy źrenicy od 2 – 8 mm

• Przystosowanie się komórek fotoczułych. Czopki są mało czułe na światło (gdy dużo światła dociera do siatkówki to dobrze widzimy). Pręciki odpowiedzialne są za widzenie ciemne (skopowe)

Widzenie – rola czopków i pręcików:

• Czopki – największa czułość barwy zielono-żółte (550nm)

• Pręciki – niebiesko – zielone

Widzenie barw odbywa się za pomocą trzech długości fali zmieszanych w różnych stosunkach.

420 nm - widzenie niebieskie – czopki 4%

530 nm – widzenie zielone – czopki 32%

560 nm – widzenie czerwone – czopki 64%

Widzenie przestrzenne możliwe jest dzięki obecności pary oczu.