Физиология органа зрения с учетом возрастных особенностей детей
Краткие сведения из физической и физиологической оптики
Свет - это электромагнитное излучение с различными длинами волн - от коротких (красная область спектра) до длинных (синяя область спектра). Природу света изучает раздел физики, называемый оптика. В любых световых явлениях обнаруживается неразрывная связь корпускулярных и волновых свойств света.
Свет - это по определению то, что мы можем видеть. Наблюдения показывают, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Прямая, указывающая направление распространения света, называется световым лучом. На границе раздела двух сред свет может частично отразиться (закон отражения), а также частично пройти через границу раздела и распространяться во второй среде (закон преломления). В большей или меньшей мере отражение света происходит от любых предметов, поэтому мы видим все освещенные тела.
Волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльные пленки и масло бесцветные. При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдается чередующиеся темные и светлые кольца. Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называется дифракцией света.
При прохождении узкого параллельного пучка белого света через стеклянную призму происходит разложение света на пучки разного цвета. Это явление называется дисперсией света.
Световой поток - это поток лучистой энергии, оцениваемый глазом по производимому световому ощущению. Единицей светового потока является люмен (лм), т. е. световой поток, излучаемый точечным источником в телесном угле в 1 стерадиан при силе света, равной 1 канделе (1 кд). Сила света - пространственная плотность светового потока. Единица силы света - кандела (кд). Это сила света, излучаемого в перпендикулярном направлении абсолютно черным телом с площади 1/600000 м2 при температуре затвердевания платины (2046,6°К) и давлении 101325 ньютонов (н) на 1 м2.
Яркость - поверхностная плотность сил света в данном направлении. Единица яркости - кандела на 1 м2 (кд/м2). Это яркость равномерно светящей плоской поверхности, излучающей в перпендикулярном направлении с каждого 1 м2 свет силой в 1 кд (старое название нит). Яркость является величиной, непосредственно воспринимаемой глазом. Однако нормировать освещение непосредственно по яркости в настоящее время из-за сложности расчетов невозможно, поэтому при проектировании и контроле освещения пользуются производной величиной - освещенность.
Освещенность - поверхностная плотность светового потока, определяется тем световым потоком, который падает на освещаемую поверхность и равняется отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Единица освещенности - люкс (лк). Это освещенность 1м2 поверхности при падении на него светового потока в 1 лм. В литературе можно встретить и другие единицы освещенности. Основные единицы, используемые в фотометрии. Единицы световой энергии: 1 люмен-секунда (лм / с)
Единицы светового потока: 1 люмен (лм)
Единицы силы света:
1 кандела = 1кд = 1 лм/ср (1 стерадиан - единица прямого угла: со = . сферы). 1/4
Единицы освещенности: 1 люкс (лк) - метр-кандела= 1 лм/м"
Единицы яркости: 1 нит (нт) = 1 кд/м2. 1 стильб = 1 кд/см2. 1 апостильб (асб) = 1 кд/лм2 (область круга радиусом 1 м). 1 ламберт (лб) = 1 кд/л см2 (область круга радиусом 1 см).
Единицы освещенности сетчатки: 1 троланд - освещенность сетчатки глаза, смотрящего на поверхность, яркость которой равна 1 кд/м2 через зрачок, искусственно суженный до площади 1 мм2. Для упрощения перерасчета одних единиц яркости в другие можно использовать следующие данные:
- 1 нит = 0,3142 миллиламберт.
- 1 ламберт =10 000 апостильб.
- 1 ламберт = 0,318 стильб.
- 1 ламберт = 3183 нит.
Как мы знаем, освещенность создается естественным и искусственными источниками света.
Естественным источником света является Солнце, температура поверхности которого равна примерно 6000°С. Солнце излучает сплошной спектр, совпадающий в основном со спектром излучения черного тела той же температуры. От Солнца на земной шар непрерывно поступает поток излучений мощностью 1,8x10" мВт. Одна треть этого потока мощности отражается от Земли и рассеивается в межпланетном пространстве. Две трети потока излучения Солнца, встречающие на своем пути Землю, нагревают атмосферу, землю и океаны, испаряют воду и вызывают ветер и дождь. Растениями усваивается 0,015%, а людьми в виде топлива и пищи используется лишь 0,002% мощности излучения Солнца, падающего на Землю (И. А. Шульгин, 1967). Однако и эти относительно небольшие мощности радиации Солнца имеют колоссальное значение для Земли и ее обитателей.
Земная атмосфера фильтрует падающее излучение Солнца. Поглощается та часть спектра (ультрафиолетовая и инфракрасная области), которая способна вызвать деструктивно-модифицирующие фотобиологиические реакции у живых организмов (т.е. денатурацию белков). Вследствие этого зрение всех земных обитателей осуществляется в довольно узком диапазоне длин волн от 300 до 800 нм. При воздействии на глаз прямых или рассеянных солнечных лучей возникает ощущение белого света, при разложении этих лучей на отдельные части спектра - ощущение определенного цветового тона или оттенка. Различают хроматические (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый) и ахроматические цвета - от белого до черного с промежуточными серыми. Человеческий глаз различает до 300 различных оттенков серого цвета. Если поверхность абсолютно белая, то она должна отражать падающий на нее свет целиком, если абсолютно черная - поглощать его полностью. И то, и другое возможно лишь теоретически. Самая белая поверхность отражает не более 98% света, а самая черная поверхность максимально поглощает 99% и не менее 1% света отражает. Той или иной светлотой, т. е. большей или меньшей способностью отражать свет, обладают и хроматические цвета. Их различают также по насыщенности или чистоте, под которой понимается интенсивность цветового тона, слабая или сильная окрашенность. К темным относятся поверхности черных или темно-серых тонов, а также окрашенные в красный, коричневый, темно-зеленый или синий цвет, которые имеют коэффициент отражения (отношение отраженного света к падающему) менее 30%.
Светло-серыми условно называют поверхности, окрашенные розовой, желтой, светло-зеленой или светло-голубой краской с коэффициентом отражения от 30 до 60%. К белым относятся все поверхности, которые имеют коэффициент отражения более 60%. К хроматическим цветам относятся все тона и оттенки цветного спектра. Они характеризуются тремя качествами:
1) цветовым тоном, который зависит от длины волны светового излучения; 2) насыщенностью, определяемой долей основного тона и примесей к нему; 3) яркостью или светлотой цвета, т. е. степенью близости его к белому цвету.
Различные комбинации этих характеристик дают множество оттенков хроматического цвета. В природе редко приходится видеть чистые спектральные тона. Обычно цветность предметов зависит от отражения лучей смешанного спектрального состава, а возникающие зрительные ощущения являются следствием суммарного эффекта. Каждый из спектральных цветов имеет дополнительный цвет, при смешивании с которым образуется ахроматический цвет - белый или серый. При смешивании цветов в иных комбинациях возникает ощущение хроматического тона. Все многообразие цветовых оттенков можно получить путем смешивания только трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Цвет зависит от того, какую часть спектра поглощает или отражает предмет. Ньютон уже ясно понимал, что цвет есть атрибут восприятия. Он писал: «Цвет Предмета есть не что иное, как Предрасположение отражать тот или иной вид Лучей в большей степени, чем остальные; цвет Лучей - это их Предрасположение тем или иным способом воздействовать на Органы чувств, их ощущение принимает форму Цветов».
Световая энергия, вызывающая ощущение цвета, обладает двумя основными свойствами: интенсивностью и длиной волны.
Интенсивность определяется по числу фотонов, попадающих на определенную область в единицу времени. Диапазон интенсивностей, воспринимаемых глазом человека огромен - порядка 1016.
Электромагнитные волны различной длины вызывают ощущение цвета от голубого до красного. Глазом может быть виден только свет с длиной волны 400 - 750 нм, воспринимаемый фоторецепторами.
Основные показатели зрения
Зрение характеризуют следующие показатели:
• диапазон воспринимаемых частот или длин волн света;
- • диапазон интенсивностей световых волн от порога восприятия до болевого порога;
- • пространственная разрешающая способность - острота зрения;
- • временная разрешающая способность - время суммации и критическая частота мельканий;
- • порог чувствительности и адаптация;
- • способность к восприятию цветов;
- • стереоскопия - восприятие глубины.
Зрительная система сохраняет следы светового раздражения в течение 150-250 мс после его включения. Это свидетельствует о том, что глаз воспринимает прерывистый свет, как непрерывный, при определенных интервалах между вспышками. Частота вспышек, при которой ряд последовательных вспышек воспринимается как непрерывный свет, называется критической частотой мельканий. Этот показатель неразрывно связан с временной суммацией: процесс суммации обеспечивает плавное слияние последовательных изображений в непрерывный поток зрительных впечатлений. Чем выше интенсивность световых вспышек, тем выше критическая частота мельканий. Критическая частота мельканий при средней интенсивности света составляет 16-20 в 1 с. Порог световой чувствительности - это наименьшая интенсивность света, которую человек способен увидеть. Она составляет 1010-1011 эрг/с. В реальных условиях на величину порога существенно влияет процесс адаптации - изменения чувствительности зрительной системы в зависимости от исходной освещенности. При низкой интенсивности света в окружающей среде развивается темновая адаптация зрительной системы. По мере развития темновой адаптации чувствительность зрения возрастает. Длительность полной темновой адаптации составляет 30 мин. При увеличении освещенности окружающей среды происходит световая адаптация, которая завершается за 15-60 с. Различия темновой и световой адаптации связаны со скоростью химических процессов распада и синтеза пигментов сетчатки.
При большой яркости работают только колбочки, а при малой только палочки. В дневное время глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому свету, а ночью пик смещается в сине-зеленую область. Этот феномен смещения максимума цветовой чувствительности был описан Пуркинье в 1825 году. Исследователь обнаружил, что части дорожных столбов, окрашенные в красные и синие цвета, днем вы глядят одинаковыми по яркости, а на рассвете синий цвет кажется ярче, чем красный. В букете полевых цветов в солнечный день выделяются желтые и красные маки, а в сумерках - синие васильки.
Абсолютная световая чувствительность лежит в основе всех других функций зрения. Она зависит от многих внутренних и внешних факторов, таких как питание, дыхание, кровоснабжение, условия освещенности и адаптации.
Существуют два основных типа нарушений абсолютной световой чувствительности и зрительной адаптации: гипофункция аппарата колбочек сетчатки или «дневная слепота» и гипофункция аппарата палочек или «ночная слепота».
Цветоощущение, как и острота зрения, является функцией колбочкового аппарата сетчатки глаза. Развитие и совершенствование этой функции идет параллельно развитию центрального зрения. Причем появление реакции на различные цвета у маленьких детей происходит в определенной последовательности. Сначала они воспринимают наиболее яркие цвета: красный, желтый, зеленый; несколько позже - фиолетовый, синий.
Цветному зрению в жизни человека принадлежит большая роль. Благодаря этой зрительной функции человек способен воспринимать все многообразие встречающихся в природе цветов. Цвет определенным образом влияет на настроение человека. Так, например, установлено, что красный цвет действует возбуждающе, а зеленый -успокаивающе. Цветовое зрение имеет также большое практическое значение в тех отраслях, где возникает необходимость в различении цветов и их оттенков (транспорт, ткацкая промышленность и др.). Велико значение цветового зрения в искусстве.
