Глава 16 физиологические механизмы зрения

16.1. Физические характеристики света

Зрительная система представляет собой совокупность защит­ных, оптических, рецепторных и нервных структур, воспринима­ющих и анализирующих световые раздражители. С помощью глаз человек воспринимает освещенность (светлоту), цвет, величину, форму предметов, определяет движение и направление предметов при движении, ориентируется в пространстве.

В физическом смысле свет — это электромагнитное излучение с различными длинами волн — от коротких (синяя область спек­тра) до длинных (красная область спектра). Человек воспринима­ет узкую часть диапазона электромагнитных излучений, называе­мую видимым светом. Вместе с тем свет представляет собой также поток дискретных частиц — фотонов, или квантов.

16.2. Психофизические эквиваленты света

Свет состоит из частиц, называемых фотонами, каждую из ко­торых можно рассматривать как пакет электромагнитных волн. Будет ли луч электромагнитной энергии именно светом, а не рент­геновскими лучами или радиоволнами, определяется длиной вол­ны — расстоянием от одного гребня волны до следующего: в слу­чае света это расстояние составляет приблизительно 500 нм, или 0,0005 мм. Видимый нашему глазу свет охватывает электромаг­нитные волны длиной от 400 до 700 нм. Обычно он состоит из сравнительно однородной смеси лучей с различными длинами волн; такую смесь называют «белым светом» (хотя это весьма не­строгое понятие). Для оценки волнового состава световых лучей измеряют световую энергию, заключенную в каждом из последо­вательных небольших интервалов, например от 400 до 410 нм, от 410 до 420 нм и т.д., после чего рисуют график распределения энергии по длинам волн. Для света, приходящего от Солнца, этот график похож на левую кривую на рис. 95. Это кривая без резких подъемов и спадов с пологим максимумом в области 600 нм. Та­кая кривая типична для излучения раскаленного объекта. Поло­жение максимума зависит от температуры источника: для Солнца это будет область около 600 нм, а для звезды более горячей, чем

Солнце, максимум сдвинется к более коротким волнам — к голу­бому концу спектра, т.е. влево на приведенном графике.

Если мы будем каким-то способом фильтровать белый свет, удаляя все волны, кроме одной, дающей узкую спектральную полосу, то получим свет, который называют монохроматическим (см. график на рис. 95, Б).

Когда свет падает на некоторый объект, может происходить одно из трех событий: свет может поглощаться, а энергия его пре­вращаться в тепло, как это бывает, когда что-то нагревается на солнце; он может проходить сквозь объект, если, например, на пути солнечных лучей окажется вода или стекло; либо он может отражаться, как в случае зеркала или любого светлого предмета, например куска мела. Часто происходят два или все три события: например, часть света может поглотиться, а часть — отразиться. Для многих объектов относительное количество поглощенного и отраженного света зависит от длины волны. Зеленый лист расте­ния поглощает длинно- и коротковолновый свет и отражает свет промежуточной области спектра, так что при освещении листа солнечными лучами отраженный свет будет иметь выраженный широкий максимум на средних длинах волн (в области зеленого цвета). Красный объект будет иметь свой максимум, тоже широ­кий, в области длинных волн.

Вещество, которое поглощает часть падающего на него света и отражает остальную часть, называют пигментом. Если какие-то спектральные компоненты в диапазоне видимого света поглоща­ются лучше других, пигмент представляется нам окрашенным. Какой именно цвет мы видим, зависит не только от длины волн,

но также от распределения энергии между разными участками спектра и от свойств нашей зрительной системы. Здесь работают законы как физики, так и биологии.

Через зрительную систему человек получает большую часть информации о внешнем мире. Способность видеть объекты свя­зана с отражением света от их поверхности. Цвет зависит от того, какую часть спектра поглощает или отражает предмет. Главные характеристики светового стимула — его частота и интенсивность. Частота (величина, обратная длине волны) определяет окраску света, интенсивность — яркость. Диапазон интенсивностей, вос­принимаемых глазом человека, огромен: порядка 10^-'⁶ (160 дБ).

Зрение характеризуют прежде всего диапазоном воспринимае­мых частот, или длин волн света, и диапазоном интенсивностей световых волн от порога восприятия в темноте точечного источ­ника света до болевого порога.

Наиболее эффективной является зрительная реакция при дли­не волн, находящихся около! середины видимого спектра. Воздей­ствие различной длины волны уменьшается при приближении к границам видимого спектра. Для скотопического (палочкового, черно-белого) и фотопического (колбочкового, цветного) зрения максимумы чувствительности различны. Максимум видимости в фотопических условиях регистрируется при длине волн 554 нм, а максимум видимости в скотопических условиях расположен бли­же к синему концу спектра, в области 511 нм. Считается, что этот феномен связан с поглощением зрительных пигментов — пурпуров, которые находятся в палочках и обладают спектром погло­щения, сходным с кривой ночного зрения. Границы видимого спектра определены между 400 и 700 нм. При значительной сти­муляции глаза видимый спектр может превышать вышеуказанные пределы. В видимом спектре от 550 до 700 нм чувствительность палочек падает быстрее, чем чувствительность колбочек.

Электромагнитное излучение с короткими волнами (менее 350 — 300 нм) называют ультрафиолетовым; в связи с высоким энерге­тическим уровнем оно вызывает повреждение молекулярных струк­тур. Низкоэнергетические длинноволновые электромагнитные излучения (более 700 — 800) нм) называют инфракрасными. Как ультрафиолетовые, так и инфракрасные лучи не воспринимаются глазом, который чувствителен только к узкой полосе видимого света (от 400 до 700 нм). Тон соответствует цвету (длине волны света) и меняется с изменением длины волны света. Яркость све­та связана с его интенсивностью. Воспринимаемая человеком яр­кость объекта зависит не только от его интенсивности, но и от окружающего фона. Если фигура (зрительный стимул) и фон осве­щены одинаково, т. е. между ними нет контраста, яркость фигуры возрастает с увеличением физической интенсивности освещения. Если контраст между фигурой и фоном увеличивается, яркость

воспринимаемой фигуры уменьшается с увеличением освещен­ности.

Насыщенность цвета зрительного объекта описывается количе­ством монохроматического света (определенной длины волны), добавление которого к белому свету (смесь всех видимых длин волн) обеспечивает получение цветного ощущения, соответству­ющего длине волны монохроматического света, содержащего толь­ко одну частоту.