Ugrás a tartalomhoz

3D megjelenítési technikák

Dr. Fekete Róbert Tamás, Dr. Tamás Péter, Dr. Antal Ákos, Décsei-Paróczi Annamária (2014)

BME-MOGI

Az emberi szem felépítése és működése

Az emberi szem felépítése és működése

Ebben az alfejezetben az emberi szemről és annak számos tulajdonságáról olvashatunk. Szó lesz az érzékelhető elektromágneses sugárzásról, az emberi szem elhelyezkedéséről és a speciális szemmozgásokról, az emberi szem felépítéséről és anatómiájáról, továbbá a retináról, a fotoreceptorokról és végül a látási hibákról.

Az érzékelt elektromágneses sugárzás

Az emberi szem a teljes elektromágneses spektrumból hozzávetőlegesen csupán a 380 és 780 nm közötti hullámhossz-tartományt képes érzékelni. Ez a látható színtartomány az ultraibolyától, az infravörösig terjed. A Földön honos élőlények nagy része ebben a tartományban képes érzékelni a környezetéből érkező sugárzást. Ez nagy valószínűséggel annak köszönhető, hogy a 400 nm alatti sugárzást jó részét a légkör elnyeli, a 800 nm feletti sugárzás nagy része pedig áthatol a tárgyakon. Az általunk látható fény általában összetett fény, amely több, különböző frekvenciájú sugárzást tartalmaz. Ilyen fényt sugároz magából a Napunk is, amelynek spektrumára a törzsfejlődésünk során adaptálódott a látórendszerünk. Amennyiben a fény csak egy hullámhosszú, azt monokromatikus fénynek nevezzük. Léteznek továbbá úgynevezett kvázi monokromatikus sugárzások is, amelyek néhány nanométeres intervallumban tartalmaznak különböző frekvenciájú összetevőket. A nagy frekvenciájú fényhez kisebb hullámhossz érték, míg a kis frekvenciájúhoz nagyobb hullámhossz-érték tartozik.


1.4. ábra - Az elektromágneses spektrum látható tartományának kinagyítása


Az emberi szem elhelyezkedése és a szemmozgások

Az állatvilágban nagyon változatos látószerveket ismerhetünk meg, amelyek elhelyezkedése és felépítése nagymértékben eltér egymástól. Amíg a növényevő állatok szemei úgy helyezkednek el a fejen, hogy a lehető legnagyobb belátható teret legyenek képesek megfigyelni, addig a ragadozók szemei általában a fejük elülső részén helyezkednek el, egymáshoz közelebb, hogy képesek legyenek megbecsülni prédájuk távolságát a sikeresebb vadászat érdekében, ehhez ugyanis három dimenzióban való látásra van szükség.

1.5. ábra - Az emberi látómező

Az emberi látómező


Az emberi szem a fej elülső oldalán helyezkedik el, egymással egy síkban, és egymástól átlagosan 63 mm-es távolságban. Ezzel a látómezőnk közel 90 fokban, sztereo látást tesz lehetővé, tehát eme tartományban mindkét szemünkkel látjuk a tárgyakat, ezen kívül legfeljebb csak az egyik szemünkkel – monokuláris látómező 160 fok, binokuláris látómező 200 fok. Szemünk mozgását a szem körül elhelyezkedő – szemenként – három pár extraokuláris izom teszi lehetővé. Ezek a mozgások jellemzően nem folyamatos, pásztázó mozgások, hanem szakaszosak. Létezik egyirányú – konjunktív – szemmozgás, amely során a két szemünk egy irányba mozog, és létezik ellentétes irányú – vergens – szemmozgás, amely során szemünk a közeledő, illetve távolodó tárgyakra néz. A közvetlenül előttünk lévő tárgya történő fókuszálás a konvergens szemmozgás.

Szemünk két-féle szemmozgást képes kivitelezni. Az egyik egy szakaszos, szaggatott, gyors szemmozgás, amely például olvasáskor vagy a weboldalakon való böngészéskor aktív. A másik egy folyamatos mozgás, amely a mozgó tárgyak követéséhez nélkülözhetetlen. A szakaszos szemmozgás ugrásait szakkádoknak, a megállásait fixációnak nevezzük. A szakkádikus elnyomás következtében a gyors szemmozgások alatt nincs információ-felvétel. A később bemutatott retinális mechanizmusoknál látni fogjuk, hogy a fotoreceptoroknak folyamatos „frissítésre” van szükségük ahhoz, hogy a fixált képet érzékeljék. Ehhez nélkülözhetetlen egyfajta mikroszakkádikus mozgás, amelynek következtében a szem soha nincs teljesen nyugalomban. Amennyiben a mikroszakkádokat kiiktatnánk az észlelt tárgyak elhalványulnának és előbb-utóbb el is tűnnének a látómezőből. A követő szemmozgáskor a mozgás sebessége és iránya folyamatosan változik.


Az emberi szem felépítése, anatómiája

Az emberi szem anatómiáját tekintve végső soron három koncentrikus rétegből – ínhártya, érhártya, retina – két kamrából – elülső szemkamra, üvegtest – a szivárványhártyából, a pupillából és a lencséből áll. Az ínhártya a szem külső, rostos, kemény rétege. Ennek elülső része voltaképpen a szaruhártya –cornea – amelynek már nincs saját vérellátása, az elülső kamrai folyadék táplálja. Optikai szempontból a szaruhártya adja nagy részét a szem dioptriaértékének – kisebb részt ad a szemlencse. Az érhártya a szemgolyó falának közelében tapad, hajszálerei táplálják az ínhártyát. Az elülső szemkamrában található a csarnokvíz, amely a cornea táplálása a szem alakjának fenntartásában is rész vállal – az ínhártya mellett. Az üvegtest a szem tömegének közel egy-harmada. A benne lévő folyadék szintén csarnokvíz, de azzal ellentétben nem újul meg folyamatosan. A szivárványhártya a szemlencse elülső oldalára simul rá és ez adja szemünk jellegzetes színét. A közepén lévő fekete terület a pupilla, amely valójában két izomcsoport közötti kerek rés, nyílás. A pupilla mérete befolyásolja, hogy mennyi fény éri el a retinát. A szemlencse a szivárványhártya mögött helyezkedik el. Átlagosan 9 mm átmérőjű és 4 mm vastag. A szem a szemlencse segítségével képes a fokuszálásra, amelynek következtében élesen láthatunk. Ezt az élesre állítási folyamatot hívjuk akkomodációnak. A lencse alakját, illetve görbületi sugarát a ciliáris izmok segítségével változtatjuk meg. A szemlencsét a lencsefüggesztő rostok tartják a helyén megfeszített állapotban. Közelre nézéskor a ciliáris izmok megfeszülnek, és a lencsefeszítő rostok elernyednek, melynek következtében a szemlencse magától összezsugorodik, ezzel csökkentve a görbületi sugarat. Távolra nézéskor egy ellentétes folyamat játszódik le: a ciliáris izmok elernyednek, a lencsefeszítő rostok megfeszülnek, melynek következtében a szemlencse kinyúlik, ezzel növelve a görbületi sugarat. Ezért van az is, hogy ha elfáradunk a ciliáris izmok nem képesek a feszítésre, így csak „bámulunk a semmibe”, a fókuszunk a távoli célponton marad.


A retina és a fotoreceptorok

A látás receptorai a fotoreceptorok a retinán helyezkednek el. Ezek a receptorok a fényenergiát idegi jelekké alakítják át, majd továbbítják a közelben elhelyezkedő gyűjtősejtekből álló hálózatba. A retinán lévő fotoreceptorokhoz a fény a retinális ganglionsejteken és a gyűjtősejteken – bipoláris, amakrin és horizontális sejtek – keresztül érkezik. A retinán az éleslátás helye az úgynevezett sárgafolt vagy macula – fovea. Ahol a gyűjtősejtek idegrostjai elhagyják a retinát – vakfolt – az agy felé nincsenek fotoreceptorok.

1.8. ábra - A retina felépítése


A retinán lévő fotoreceptorok száma hozzávetőlegesen 130 millió – 120 millió pálcika és 10 millió csap. A receptorok két fő típusa a csapok és pálcikák. A pálcikák több fotont képesen elnyelni több irányból, egy ganglionsejthez több pálcika idegrostja fut be, ezért erősítésük is jobb. Elsősorban a pálcikák felelősek a mozgás és fényesség érzékeléséért. A csapok három altípusát különböztetjük meg. Léteznek rövid, közép és hosszú hullámhosszakra érzékeny csapok, amelyek ezért a látható hullámhossztartományban elhelyezkedő kék, zöld és vörös színekkel azonosíthatóak. A zöld és vörös színekre érzékeny csapok érzékenységi tartományai igen közel vannak egymáshoz, ezért érthető, hogy miért alakulhat ki vörös-zöld színtévesztés. A kék színre érzékeny csapok jóval kevesebben vannak, ezért a kék fényben kevésbé látunk élesen. Az éleslátás helyén szinte csak csapok vannak, a periférián pedig szinte csak pálcikák. Ezért a fényintenzitás és mozgásészlelésünk a periférián, míg a színdiszkriminációs képességünk a foveán a legjobb. A fotoreceptorok sűrűsége a foveán a legnagyobb.

Ha a fotoreceptorokban lévő rodopszin – opszinból és retinalból áll – elnyel egy fotont, megváltozik a fehérje szerkezete és energia szabadul fel. Ezután a sejten belül elindít egy jelátviteli kaszkádot, amely számos fehérjét megváltoztat, majd kinyílnak a receptorsejt nátriumcsatornái és depolarizálódik. A neuronális jelet a fotoreceptor ezt követően a gyűjtősejtekhez továbbítja. A bipoláris, horizontális és amakrin gyűjtősejteken keresztül az ingerület a retinális ganglionsejtekhez továbbítódik – amelyekből 1 millió darab van a retinán – majd a vakfolton keresztül elhagyja a szemet az agy felé.

A tárgyaktól a retináig eljutó fényeloszlás voltaképpen a retinális kép. A tárgyak, amelyekről több foton érkezik fényesebbek, amelyekről kevesebb foton érkezik sötétebbek a látórendszer számára. A külvilág tárgyainak elemi pontjait reprezentáló fényintenzitás-eloszlást képnek hívjuk.

Látási hibák

Végezetül tegyünk említést a látási hibák két alaptípusáról! A normál látású,emmetropiás szem optikai rendszere a tárgyak képét pontosan a retinára képezi le. A nagyobb sugarú lencsével rendelkező, távollátó vagyhiperópiás szem a tárgy képét a retina mögé képezi le ezért a kép nem lesz éles, nem lesz fókuszált. Mivel ez esetben a szemlencse görbületi sugarát csökkenteni, konvexitását növelni kellene, a távollátó szem korrekciója konvex – domború – szemüveggel lehetséges. A rövidlátó, miópiás szem szemlencséjének görbületi sugara kisebb, ezért a tárgy képét a retina elé képezi le. Mivel ez esetben a lencse túlzottan is konvex, a korrekció konkáv lencsével korrigálható. Így a szemlencsét elhagyó sugarak kevésbé lesznek széttartóak, és a leképezés a retinára esik.

1.9. ábra - Akkomodációs hibák (balra: miópiás szem, jobbra: hiperópiás szem, alul: ezek korrekciói)