SOCZEWKI CIENKIE

Soczewkami nazywamy ciała przezroczyste ograniczone dwoma wycinkami powierzchni zakrzywionych. Najczęściej są to powierzchnie kuliste. Środki tych powierzchni kulistych (O₁ i O₂) nazywamy środkami krzywizn soczewki, a promienie (r₁ i r₂) — promieniami krzywizny. Uważamy je za dodatnie, jeżeli rozpatrywana powierzchnia jest wypukła, a za ujemne w przypadku powierzchni wklęsłej. Jedna z powierzchni soczewki może też być płaska — wówczas odpowiedni promień uważamy za nieskończenie wielki. Prosta przechodząca przez punkty O₁ i O₂ jest nazywana główną osią optyczną soczewki.

Jeżeli na dwuwypukłą soczewkę, np. szklaną, ustawioną w powietrzu rzucimy wiązkę światła równoległą do osi optycznej, to po załamaniu stanie się ona wiązką zbieżną i wszystkie załamane promienie przetną oś optyczną w ognisku F. Taką soczewkę nazywamy skupiającą — ma ona dwa ogniska, znajdujące się na osi optycznej symetrycznie po obu jej stronach.

W analogicznej sytuacji soczewka dwuwklęsła przekształci wiązkę równoległą w rozbieżną. Promienie załamane nie przetną się po wyjściu z soczewki. Przecinają się jednak ich przedłużenia, tworząc na osi optycznej po przeciwnej stronie tzw. ognisko pozorne F’. Taką soczewkę nazywamy rozpraszającą. Podobnie jak poprzednia, ma ona dwa symetrycznie rozmieszczone ogniska pozorne.

Warto dodać, że po umieszczeniu soczewki w środowisku o współczynniku załamania większym od materiału, z którego ją wykonano, jej właściwości optyczne ulegają zmianie — soczewka dwuwklęsła skupia promienie świetlne, soczewka dwuwypukła zaś rozprasza je.

Każda soczewka posiada ponadto pewien szczególny punkt, leżący na osi optycznej i mający taką właściwość, że biegnący przezeń promień świetlny nie zmienia swojego kierunku. Nazywamy go optycznym środkiem soczewki (O). Nie musi on znajdować się wewnątrz soczewki (jest tak np. w soczewkach wypukło-wklęsłych i wklęsło-wypukłych).

Odległość OF lub OF’ nazywamy ogniskową soczewki f. Ogniskowa jest wielkością charakteryzującą każdą soczewkę. Zależy od niej wzajemny stosunek odległości przedmiotu (x) i jego obrazu (y) od soczewki. Ogniskowa soczewki skupiającej jest dodatnia, rozpraszającej — ujemna.

Ze względu na grubość soczewki dzielimy na cienkie i grube. Soczewkami cienkimi nazywamy takie, których grubość jest mała w porównaniu z czynną średnicą i z ogniskową soczewki. Wzajemne zależności wartości x, y i ogniskowej f dla tych soczewek charakteryzuje następujący wzór, nazywany wzorem soczewkowym:

gdzie f jest ogniskową soczewki,

x — odległością przedmiotu od środka optycznego soczewki;

y — odległością obrazu od środka optycznego soczewki;

n — względnym współczynnikiem załamania światła soczewki względem ośrodka otaczającego;

a r₁ i r₂ są promieniami krzywizny soczewki.

KONSTRUKCJA OBRAZÓW W SOCZEWKACH CIENKICH

Na wszystkich poniższych rysunkach kolorem ciemnoniebieskim oznaczony został przedmiot, a kolorem czerwonym — jego obraz. Ogniska soczewki zaznaczone są kropkami na osi optycznej.

Soczewki skupiające:

1. Przedmiot znajduje się w odległości x > 2f od optycznego środka soczewki:

Uzyskany obraz jest: rzeczywisty (znajduje się po przeciwnej stronie soczewki niż przedmiot), pomniejszony i odwrócony.

1. Przedmiot znajduje się w odległości x = 2f od optycznego środka soczewki:

Uzyskany obraz jest: rzeczywisty, naturalnej wielkości i odwrócony.

1. Przedmiot znajduje się w odległości 2f > x > f od optycznego środka soczewki:

Uzyskany obraz jest: rzeczywisty, powiększony i odwrócony.

1. Przedmiot znajduje się w odległości x = f od optycznego środka soczewki:

Obraz nie powstaje. Przedmiot znajduje się w jednym z ognisk soczewki. Po przejściu przez soczewkę promienie biegną równolegle do siebie i nigdzie się nie przecinają.

1. Przedmiot znajduje się w odległości x < f od optycznego środka soczewki:

Uzyskany obraz jest: pozorny (znajduje się po tej samej stronie soczewki, co przedmiot), powiększony i prosty.

Soczewki rozpraszające:

Uzyskany obraz jest: pozorny, pomniejszony i prosty.

ZDOLNOŚĆ SKUPIAJĄCA SOCZEWKI I UKŁADU SOCZEWEK

Zdolnością skupiającą (zbierającą) lub rozpraszającą soczewki nazywamy następującą wielkość D:

Zdolność skupiająca soczewki może być dodatnia (soczewki skupiające) lub ujemna (soczewki rozpraszające). Jej wartość wyrażamy w dioptriach (D). Liczba dioptrii jest równa odwrotności ogniskowej (wyrażonej w metrach).

Zdolność skupiająca układu wielu soczewek cienkich, umieszczonych tuż obok siebie, jedna za drugą, na wspólnej osi optycznej, jest sumą zdolności zbierających poszczególnych soczewek (które mogą przyjmować wartości zarówno dodatnie, jak i ujemne):

Jeżeli natomiast układ stanowią dwie soczewki cienkie ustawione w odległości d od siebie, to jego zdolność skupiającą wyrażamy wzorem:

SOCZEWKI GRUBE

Soczewki grube, czyli takie, których grubości nie można zaniedbać w porównaniu z ich średnicą i ogniskową, stanowią większość soczewek rzeczywistych (należy do nich m.in. soczewka oka).

Schemat biegu promieni w soczewce grubej przedstawia rysunek:

Promień 1, padający równolegle do osi optycznej soczewki, załamuje się dwukrotnie na jej powierzchniach, po czym wychodzi z niej przez ognisko soczewki F₂. Przedłużenia promieni padającego i wychodzącego przecinają się w punkcie C₂. Prostopadła do osi soczewki poprowadzona z tego punktu przecina ją w punkcie G₂, zwanym punktem głównym (obrazowym). Płaszczyzna poprowadzona przez punkty C₂ i G₂ nazywana jest płaszczyzną główną (obrazową) soczewki.

Promień 2 biegnie odwrotnie do promienia 1 — przed wejściem do soczewki przechodzi przez ognisko F₁, a wychodzi z soczewki równolegle do osi optycznej. Z przecięcia przedłużeń promieni padającego i wychodzącego wyznaczamy punkt C₁, a prowadząc prostopadłą — punkt G₁. Punkt G₁ nazywa się punktem głównym (przedmiotowym), a płaszczyzna poprowadzona przez punkty C₁ i G₁ — płaszczyzną główną (przedmiotową) soczewki.

Promień 3, padający na powierzchnię soczewki tak, że jego przedłużenie przecina punkt G₁, załamuje się w niej dwukrotnie i wychodzi tak, że jego przedłużenie przecina punkt G₂. Po wyjściu z soczewki biegnie zatem równolegle do swego biegu początkowego, lecz doznaje przesunięcia o odległość a (G₁–G₂). Można wykazać, że odległość ta jest zależna od grubości soczewki d oraz od współczynnika załamania światła, co prezentuje przybliżona zależność:

Odległość a jest zarazem odległością, na jaką rozsunięte są ogniskowe soczewki f₁ (ogniskowa przedmiotowa) i f₂ (ogniskowa obrazowa), definiowane jako odległości F₁–G₁ i F₂–G₂. Ogniskowe te są sobie równe, gdy soczewka umieszczona jest w środowisku jednorodnym. Jeżeli współczynniki załamania światła środowisk, w których biegną promienie świetlne przed wejściem i po wyjściu z soczewki, są różne, wówczas różnią się także ich ogniskowe.

Wzór soczewkowy dla soczewek grubych przybiera wartość:

gdzie f jest ogniskową soczewki (zakładamy, że soczewki umieszczona jest w jednorodnym ośrodku otaczającym);

x — odległością przedmiotu od środka optycznego soczewki;

y — odległością obrazu od środka optycznego soczewki;

n — względnym współczynnikiem załamania światła soczewki względem ośrodka otaczającego;

r₁ i r₂ są promieniami krzywizny soczewki,

a d — jej grubością.

WADY ODWZOROWAŃ SOCZEWEK I ICH KORYGOWANIE

Wady odwzorowań soczewek występują zawsze. Przyczyną tego nie są techniczne niedokładności w ich wykonaniu, lecz prawa fizyki, z których wynika niemożność idealnie dokładnego odwzorowania pewnego skończonego obszaru przestrzeni (przedmiotu) za pomocą wiązek światła załamanego na powierzchni kulistej.

Do najczęściej spotykanych wad soczewek należą: aberracja chromatyczna, aberracja sferyczna i astygmatyzm. Innymi spotykanymi wadami odwzorowań są jeszcze: dystorsja, koma, krzywizna pola obrazu itp.

1. Aberracja chromatyczna.

Wada ta jest wynikiem rozszczepiania światła białego. Wskutek tego procesu punkt wysyłający światło białe nie daje obrazu punktowego, lecz nieskończenie wiele obrazów jednobarwnych, położonych w różnych miejscach i częściowo się pokrywających. Obraz, jaki otrzymujemy na ekranie, jest nieostrą plamką otoczoną barwną obwódką. Kolor zarówno plamki, jak i obwódki, zależy od położenia ekranu względem soczewki.

Z praw załamania wynika, że ogniskowa soczewki dla promieni fioletowych (o mniejszej długości fali) jest krótsza, czyli że ognisko tych promieni znajduje się bliżej, a dla promieni czerwonych (o większej długości fali) — dłuższa, co odpowiada ognisku położonemu dalej. Miarą aberracji chromatycznej jest odległość między tymi ogniskami.

Wadę tę korygujemy, stosując układy optyczne złożone z soczewki skupiającej z lekkiego szkła potasowego (crownu, o małej dyspersji) oraz rozpraszającej ze szkła ołowiowego (flintu, o większej dyspersji). Ponieważ odchylenie promieni wywołane przez obie soczewki zachodzi w przeciwnych kierunkach, przy doborze odpowiednich wartości krzywizn i współczynników załamania rozszczepienie powodowane przez pierwszą z nich może zostać praktycznie zniesione przez drugą.

1. Aberracja sferyczna.

Wada ta polega na tym, że w soczewce w inny sposób ulegają załamaniu promienie brzegowe i osiowe (wiązki światła biegnące najdalej i najbliżej osi optycznej). Promienie brzegowe załamywane są mocniej niż osiowe, co powoduje powstanie dwóch ognisk soczewki i zniekształcenie obrazu. Ulega on rozmyciu, z obrazu punktowego przekształcając się w niewyraźną jasną plamkę.

Wadę tę możemy zmniejszać, stosując odpowiednie przesłony (diafragmy) zasłaniające brzegowe części soczewki. Powoduje to jednak zmniejszanie ilości energii świetlnej przechodzącej przez soczewkę, co odbija się niekorzystnie na jasności obrazu. Ponadto im mniejszy jest otwór, przez który światło przechodzi, tym bardziej znaczące stają się efekty dyfrakcyjne, sprawiające, że obraz staje się nieostry. Dlatego też lepszym sposobem niż stosowanie diafragm jest zestawianie soczewek w układy o odpowiednio dobranych krzywiznach i wzajemnych odległościach.

1. Astygmatyzm.

Wada ta polega na tym, że po przejściu światła przez soczewkę odwzorowaniem pojedynczego punktu stają się dwa odcinki, wzajemnie prostopadłe i nieco od siebie nawzajem oddalone.

Astygmatyzm występuje w dwóch przypadkach. Może być spowodowany techniczną niedoskonałością soczewki — gdy jej powierzchnie nie są idealnie kuliste, lecz np. elipsoidalne, tak że promienie krzywizny soczewki są różne w różnych płaszczyznach. Może również pojawiać się w wyniku skośnego w stosunku do głównej osi optycznej soczewki padania promieni świetlnych (tzw. astygmatyzm wiązek skośnych).

Gdy promienie krzywizny soczewki są niejednakowe, w swoich różnych przekrojach ma ona różne zdolności skupiające, co przekłada się na różne ogniskowe. Każdemu przekrojowi odpowiada zatem inny kierunek i odległość odwzorowania.

Astygmatyzm wiązek skośnych jest znacznie trudniejszy do wyeliminowania, a jego pojawianiu się nie przeciwdziała nawet najdoskonalej kulisty kształt soczewki. Gdy promienie świetlne padają na soczewkę z punktu umieszczonego na jej osi optycznej, kąt obejmujący całą jej średnicę ma dużą rozwartość, a więc krzywizna „widziana” od strony źródła światła jest normalna. Kiedy natomiast światło pada na soczewkę z innego miejsca, promienie obejmują ją pod innym kątem, co powoduje, że każdy z nich przebiega przez fragment o innej pozornej krzywiźnie. Dla każdego elementu wiązki soczewka ma zatem inną zdolność skupiającą i ogniskową. Daje to taki efekt, jak gdyby soczewka miała różne promienie krzywizny.

Ponieważ w przyrządach optycznych nie można zrezygnować z udziału wiązek skośnych w tworzeniu obrazu, celem korekcji astygmatyzmu stosuje się układy soczewek.

UKŁAD OPTYCZNY OKA

Układ optyczny oka składa się z rogówki i soczewki oka, przy czym ośrodki optyczne graniczące z tym układem (powietrze, ciecz wodnista i ciało szkliste) są różne, co powoduje powstawanie różnic ogniskowych obrazowych i przedmiotowych w obydwu soczewkach.

Głównym elementem układu optycznego oka jest soczewka. Ma ona specyficzną budowę, gdyż współczynniki załamania światła w jej poszczególnych warstwach różnią się między sobą (przy czym największy współczynnik załamania obserwujemy w centrum, czyli w jądrze soczewki). Ponadto dzięki napinaniu się i zwalnianiu mięśnia soczewki może się ona stawać bardziej lub mniej wypukła, czyli zmieniać swój promień krzywizny. Zmiana tego promienia pociąga za sobą zmiany zdolności skupiającej oka, co przy praktycznie stałej odległości między układem optycznym a siatkówką oka umożliwia tworzenie na siatkówce odpowiednio ostrych obrazów przedmiotów tak bliskich, jak i dalekich. Zdolność tę nazywamy akomodacją oka.

Akomodacja oka mieści się oczywiście w pewnym zakresie i jest ograniczona skrajnymi położeniami soczewki. Gdy soczewka jest najbardziej płaska, zdolność skupiająca oka jest najmniejsza. Rejestruje ono wówczas obraz najdalej położonego punktu, zwanego punktem dalekim lub punktem dali (D). Gdy soczewka najmocniej się uwypukla, jej zdolność skupiająca rośnie. Na siatkówce pojawia się obraz najbliższego wyraźnie widzianego punktu — punktu bliskiego lub punktu bliży (B). Punkt daleki oka zdrowego człowieka znajduje się w nieskończoności, punkt bliski w młodości w odległości około 10 cm (w miarę starzenia odległość ta powiększa się wskutek sztywnienia soczewki i zmniejszania jej zdolności akomodacyjnej). W optyce często posługujemy się również inną wielkością, tak zwaną odległością dobrego widzenia, wynoszącą około 25 cm, przy której wysiłek akomodacyjny oka jest najmniejszy.

Odwrotność odległości S_D punktu dalekiego od oka nazywana jest refrakcją oka R, mierzoną w dioptriach.

Gdy refrakcja oka jest równa zeru, tzn. S_D → ∞, mówimy, że oko jest miarowe. Dla oka miarowego zdolność skupiająca równa jest refrakcji. W przypadku wad układu optycznego refrakcja staje się dodatnia lub ujemna, a jej wartość jest miarą odpowiedniej wady.

Inną wielkością związaną z odległościami punktu dalekiego i bliskiego od oka jest amplituda akomodacji oka A. Jest ona niezależna od refrakcji, a definiujemy ją jako różnicę między odwrotnościami odległości punktu dalekiego i bliskiego:

Amplituda akomodacji oka maleje z wiekiem.

„Ostrość” obrazu pojawiającego się na siatkówce oka charakteryzujemy, tak jak w przypadku wszystkich innych układów optycznych, wielkością zwaną zdolnością rozdzielczą. Przy opisie zdolności rozdzielczej oka d posługujemy się pojęciem zdolności rozdzielczej kątowej, danej wzorem:

gdzie d oznacza kątową zdolność rozdzielczą oka;

α — kąt, pod jakim widziane są ze źrenicy dwa punkty obserwowanego przedmiotu, jeszcze rozdzielane przez układ optyczny oka (najmniejszemu kątowi odpowiadają obrazy tych punktów na dwóch sąsiadujących czopkach);

d_źr — średnicę źrenicy;

a λ — długość fali światła.

Jak widać, kątowa zdolność rozdzielcza oka jest odwrotnością kąta α.

Wzór powyższy wynika z tak zwanego kryterium Rayleigha, które mówi, że dwa punkty są jeszcze rozdzielane przez układ optyczny, gdy maksimum główne jednego z punktów pokrywa się z pierwszym minimum drugiego. Wymienione maksima i minima odnoszą się do efektów dyfrakcyjnych, związanych z powstawaniem obrazu będącego sumą wielu nakładających się obrazów punktowych.

Zdolność rozdzielcza oka zależy od warunków oświetlenia oglądanego przedmiotu — maleje, gdy zmniejsza się natężenie oświetlenia — a także od budowy układu optycznego oka i od czułości receptorów siatkówki.

Oko ludzkie jest narządem bardzo czułym. Może rozróżniać różne natężenia światła i barw dzięki sprawnym mechanizmom adaptacji. Jeden z nich, o którym warto wspomnieć, to regulacja średnicy źrenicy. Źrenica jest otworem w tęczówce oka, przez który światło dostaje się do jego wnętrza i który dzięki działaniu odpowiednich mięśni może być powiększany lub zmniejszany (odpowiednio dla światła o mniejszych i większym natężeniu). Drugi mechanizm adaptacji wiąże się z czynnością komórek światłoczułych.

WADY WZROKU I ICH KORYGOWANIE

Trzy spotykane wady wzroku, wynikające z niedoskonałości układu optycznego oka, to: krótkowzroczność, dalekowzroczność (nadwzroczność) i astygmatyzm.

Korekcja wad wzroku polega na dobraniu odpowiednich okularów, czyli soczewek, które załamują promienie świetlne jeszcze przed rogówką tak, aby ich kolejne załamanie wewnątrz oka doprowadziło do powstania na siatkówce prawidłowego obrazu.

1. Krótkowzroczność występuje, gdy promienie światła wpadające do oka są załamywane zbyt mocno, w efekcie czego ich ognisko znajduje się przed siatkówką. Powoduje to, że przedmioty znajdujące się daleko od oka są widziane niewyraźnie. Punkt D oka krótkowzrocznego znajduje się bliżej niż w nieskończoności, punkt B — bliżej niż u oka zdrowego. Refrakcja oka krótkowzrocznego jest ujemna.

Wadę tę korygujemy dzięki szkłom (okularom) rozpraszającym.

1. Dalekowzroczność jest efektem zbyt słabego załamywania światła we wnętrzu oka — promienie nie skupiają się na siatkówce, lecz padają na nią w pewnych odległościach jedne od drugich. Przedłużenia promieni skupiałyby się za siatkówką. Powoduje to utrudnienia w widzeniu przedmiotów blisko położonych. Czasami, w skrajnej dalekowzroczności, punkt D oka jest przesunięty daleko poza nieskończoność — wówczas nawet punkty nieskończenie dalekie (np. gwiazdy) nie są widziane dostatecznie wyraźnie. Punkt B oka dalekowzrocznego znajduje się dalej niż u oka zdrowego. Refrakcja takiego oka jest dodatnia.

Wadę tę korygujemy, stosując dodatkowe szkła skupiające.

1. Astygmatyzm oka polega na niedokładnościach w odwzorowaniu obrazu na siatkówce wskutek nieregularności budowy układu optycznego. Występuje on, gdy dla różnych przekrojów głównych oka mamy do czynienia z różnymi wartościami refrakcji.

Wyróżniamy astygmatyzm krótko- i dalekowzroczny. Astygmatyzm krótkowzroczny występuje wówczas, gdy w jednym przekroju głównym oko jest miarowe, a w drugim refrakcja jest ujemna. Jeżeli natomiast oko jest miarowe w jednym przekroju głównym, a w drugim refrakcja jest dodatnia, mówimy o astygmatyzmie dalekowzrocznym. Możemy mieć do czynienia również z astygmatyzmem złożonym: kiedy obydwa przekroje główne oka są niemiarowe. Jeżeli dla obydwu przekrojów R < 0, jest to astygmatyzm złożony krótkowzroczny, jeżeli dla obydwu R > 0 — astygmatyzm złożony dalekowzroczny. (Oczywiście dla obydwu przekrojów głównych wartości refrakcji muszą się różnić. W przeciwnym razie mamy do czynienia nie z astygmatyzmem, ale po prostu z krótko- lub dalekowzrocznością). Istnieje także astygmatyzm złożony mieszany — kiedy w jednym przekroju głównym oka refrakcja jest większa, a w drugim mniejsza od zera.

Astygmatyzm oka koryguje się soczewkami lekko cylindrycznymi lub sferocylindrycznymi (jeżeli ponadto oko jest niewymiarowe). Soczewki te oszlifowane są tak, że w obu przekrojach głównych mają różne zdolności skupiające, dobrane tak, aby korygować refrakcję w odpowiednich przekrojach oka.

WIDZENIE STEREOSKOPOWE

Wiemy z codziennych doświadczeń, że przy pomocy jednego oka nie jesteśmy w stanie precyzyjnie określać odległości i położenia różnych przedmiotów. Za widzenie stereoskopowe, czyli przestrzenne, odpowiada dopiero para oczu. Dzieje się tak dlatego, że zbieżność (konwergencja) osi oczu dla obiektów bliższych jest mniejsza niż dla dalszych. Innymi słowy, gdy patrzymy na obiekty położone blisko nas, główne osie optyczne oczu przecinają się pod nieco większym kątem (α) niż gdy patrzymy na obiekty oddalone (kąt β).

Obrazy przedmiotu przestrzennego, dawane przez oboje oczu, nie są jednak identyczne. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy jedno i drugie oko patrzy nań pod tym samym kątem, tak jak na rysunku powyżej (czyli że przedmiot leży na linii prostopadłej do prostej łączącej oboje oczu). Przesunięcie przedmiotu w prawo spowodowałoby odpowiednio zwiększenie kątów α i β dla prawego, a zmniejszenie ich dla lewego oka. Przy przesunięciu w lewo sytuacja będzie odwrotna.

Wynika z tego różnica między obrazami odbieranymi przez oboje oczu. Miarą widzenia stereoskopowego γ jest bezwzględna różnica kątów widzenia dla obojga oczu dwóch przedmiotów, które odróżniamy jeszcze jako oddalone od siebie. Zwróćmy uwagę, że widzenie stereoskopowe zależy od kąta, pod jakim patrzymy na przedmiot. Wyjaśnia to fakt, dlaczego człowiek widzi przestrzennie tylko w pewnym obszarze przestrzeni z przodu i po bokach głowy.

APARAT RECEPTOROWY OKA

Promienie załamywane w układzie optycznym oka przechodzą przez ciało szkliste i padają na siatkówkę, powodując powstawanie obrazu. Jego przetwarzanie na konkretne wrażenia wzrokowe odbywa się dopiero w mózgu, dokąd impulsy biegną za pośrednictwem nerwu wzrokowego. Wewnątrz oka obraz odbierany jest przez receptory, czyli komórki fotoczułe. Zaliczamy do nich, dokładnie opisane niżej, pręciki i czopki. Receptory te łączą się z zakończeniami rozgałęzień nerwu wzrokowego i do niego przekazują to, co zostanie w nich zarejestrowane. Pręciki rozmieszczone są najgęściej w brzegowych obszarach siatkówki, czopki znajdują się w jej części środkowej.

CZUŁOŚĆ OKA. BEZWZGLĘDNY PRÓG CZUŁOŚCI.

Czułość receptorów świetlnych oka wiąże się z natężeniem światła wpadającego do układu optycznego i rejestrowanego na siatkówce. Jest ona tym większa, im mniejsze natężenie zostaje zarejestrowane jako efekt wzrokowy.

Bezwzględnym progiem czułości nazywa się najmniejszą porcję energii (najmniejsze natężenie światła), której dostarczenie do oka spowoduje rejestrację efektu wzrokowego. Na drodze doświadczeń ustalono, że bezwzględny próg czułości przeciętnego zdrowego oka wynosi ok.
4 · 10^-17 J. Przy długości fali światła λ = 510 nm odpowiada to około 100 kwantom energii, z których jedynie 8 dociera do siatkówki oka (pozostałe ulegają odbiciom od powierzchni optycznych i absorpcji w ośrodkach przeziernych oka). Ponieważ nie padają one na jeden pręcik, a na ich grupę, można przyjąć, że w skrajnym przypadku jeden kwant powoduje pobudzenie jednego pręcika. Bezwzględny próg czułości siatkówki wynosi zatem zaledwie od 1 do 8 kwantów energii świetlnej!

Względnym progiem czułości receptorów oka, czyli pręcików i czopków, nazywamy najmniejszą ilość energii potrzebną do pobudzenia danego receptora. Okazuje się, że jest ona zależna od długości fali światła padającego, co przedstawiają tzw. krzywe wrażliwości widmowej, omówione poniżej.

WIDZENIE SKOTOPOWE I FOTOPOWE

Za widzenie skotopowe, czyli ciemne lub pręcikowe, odpowiadają komórki fotoczułe oka zwane pręcikami. Zawierają one fotopigment rodopsynę, która pod wpływem światła rozkłada się błyskawicznie na cząsteczkę białka i retyninę (pochodną witaminy A). Powoduje to zmniejszanie czułości pręcika, a powstała podczas rozkładu energia zużyta jest na pobudzenie nerwu wzrokowego. W ciemności następuje odtwarzanie fotopigmentu, a zatem czułość pręcika ponownie wzrasta. W związku z dużą wrażliwością tego rodzaju komórek fotoczułych na zmiany natężenia światła, odpowiadają one za rejestrowanie nawet minimalnych zmian tego natężenia. Ma to duże znaczenie dla widzenia w świetle przyćmionym i w ciemności.

Wykres absorpcji światła przez rodopsynę pręcików pokrywa się z tzw. krzywą wrażliwości widmowej w widzeniu ciemnym. Krzywa ta przedstawia zależność względnego progu wrażliwości pręcików na światło w zależności od długości fali padającej. Jej maksimum (maksymalny względny próg wrażliwości pręcików) przypada na fale o długości ok. 500 nm. Oznacza to, że dla fal o tej długości ilość energii potrzebna do pobudzenia pręcika jest największa.

Drugi rodzaj komórek światłoczułych — czopki — działa precyzyjnie tylko przy stosunkowo dużych natężeniach światła padającego, dlatego też mówimy, że czopki biorą udział w widzeniu fotopowym (jasnym, czopkowym). Są one odpowiedzialne za odróżnianie barw i rzeczywiście zachodzi ono tylko przy ich pełnej czynności — oko zaadaptowane do ciemności (widzenie skotopowe) barw nie rozróżnia. Mechanizm widzenia barwnego jest prawdopodobnie procesem ogromnie złożonym, którego jeszcze dokładnie nie poznaliśmy. Na razie wiemy, że z pewnością bierze w nim udział więcej niż jeden rodzaj receptorów lub barwników — prawdopodobnie trzy. Mają one maksimum pochłaniania dla trzech różnych barw i wskutek swoich kombinacji dają wszystkie pozostałe barwy, a także wrażenie światła białego (teoria Younga – Helmholtza i wiele innych).

Krzywa wrażliwości widmowej dla widzenia skotopowego jest przesunięta w stosunku do krzywej dla światła fotopowego w stronę fal o większej długości. Maksimum tej krzywej (maksymalny względny próg wrażliwości czopków) przypada na fale o długości ok. 560 nm. Oznacza to, że ilość energii potrzebna do pobudzenia czopka jest największa dla fal o tej właśnie długości.

Fakt, że krzywe wrażliwości widmowej pręcików i czopków są przesunięte względem siebie, powoduje, że względną jasność oglądanego przedmiotu oko ocenia inaczej przy adaptacji jasnej (widzenie fotopowe) i ciemnej (widzenie skotopowe). Falom o długości 560 nm odpowiada barwa zielonożółta, falom o długości 510 nm — barwa zielona. Tłumaczy to, dlaczego barwy widziane w świetle dziennym jako zielone i niebieskie robią wtedy wrażenie jaśniejszych niż oglądane wieczorem (do wywołania wrażenia wzrokowego potrzebna jest mniejsza ilość energii). Efekt ten nosi nazwę zjawiska Purkinjego