Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

A látás mechanizmusa

A látás mechanizmusa

A látott kép fogalma

Érzékeljük a bennünket körülvevő világot, és az egyik legtöbb információt tartalmazó érzékelésünk a látás. Az érzet, amit látásunk kelt, az a kép, amit agyunk alkot. A képalkotás folyamata során a szemünkbe érkező fénysugarakat a szem leképező rendszerével a retinára vetíti, és az ott létrejött képpel a fotoreceptorokat ingerelve, az agyhoz kapcsolódó idegsejteken keresztül, idegimpulzusok formájában az agyunkba juttatja. Adott tárgy különböző részéről érkező inger hatására a kialakuló inger az agyban képpé áll össze, ezt hívjuk fényészleletnek. Ennek kialakulásában már mentális folyamatok is helyet kapnak. A fényingertől a fényészleletig tartó úton végigkövetve az egyes látószervek részeinek működését, a következő főbb csoportosítást tehetjük:

  • a szem leképező mechanizmusa;

  • a retinán elhelyezkedő, optikai sugárzást ideg-ingerületté alakító, sejtcsoportok (csapok és pálcikák) mechanizmusa;

  • a csap és pálcika mechanizmust az agy felé továbbító ingerek kialakulása, még a retina szintjén;

  • az idegpályák mechanizmusa a retina és az agy látásfeldolgozó területei között; végül

  • az agyi feldolgozás, melynek során kialakul a látott tárgy mentális képe, hozzárendelődik forma-, mozgás-, színinformáció; asszociációk alakulnak ki már ismert képekkel.

Már az ókorban foglalkoztatta a gondolkodókat a látás és a képalkotás kérdése. Püthagorasz követői a látást a tárgyért nyúló kézhez hasonlították: a lélek sugara a pupillán keresztül éri el a tárgyat, amelyet letapogat, és így ismeri fel az értelem az alakot és a színt. Epikurosz és követői úgy vélekedtek, hogy az ember a környezetében levő tárgyakról leszakadt képet – egy légies ködön keresztül – a pupilláján át érzékeli. Így válik az ember számára láthatóvá a tárgy, és a fény terjedésének sebességével azonos időben érzékeli. Az atomisták szerint a szemlélt tárgyról leszakadt atomok áramlanak a szembe, és így alkot az értelem képet a világról. Arisztotelész szerint a megvilágított tárgyról visszaverődő fény a közvetítő levegőn át érkezik a szemhez. Platón szerint „a látás a lelki kisugárzás és a tárgyról jövő sugár találkozása a pupillánál, és ennek közvetítésével formálódik a tárgy árnyképe”.[27]

Ezek a teóriák az újkori fizika fejlődésével veszítettek a jelentőségükből, és helyüket elsősorban a geometriai optika kiteljesedésével objektív elméletek vették át, de például Arisztotelész elmélete alapul szolgált Huygens (1629–1695) és Cartesius fényhullám elméletének kialakulásában, Epikurosz szemlélete pedig Newton és Gassendi emissziós elméletéhez jelentett kiindulópontot.

A fényérzékelés fejlődése

Az első lépés a fény és a sötétség megkülönböztetése. Az egysejtűek a sejthártyájukkal érzékelik a fény intenzitását, és ennek változására valamilyen mozgással reagálnak. Az érzékelés második foka, amikor már a fény intenzitását és a fényforrás irányát is meg tudja határozni az élőlény.

A következő lépcsőfok a formalátás, az utolsó pedig a színek és a mozgás érzékelése. Az ostoros moszatoknál már szemfoltot is találhatunk. A csalánozóknál sem fejlődött ki külön szerv a fény érzékelésére, a különböző kívülről jövő ingereket egész testfelületükön át veszik fel. Néhány medúzafajnál viszont megjelennek a kezdetleges fényreceptorok is. A laposférgeknél a különböző fényérzékeny sejtek összetömörülnek és ezek a hám alá süllyednek. Így kezdetleges csésze- és gödörszemek alakulhatnak ki.

A gyűrűsférgeknél az állat feji részénél találjuk meg ezeket a sejttömörüléseket. Egyes fajoknál már találkozhatunk bonyolult felépítésű látószervvel (pl. lencseszemmel) is. A puhatestűek közül a csigákra és a fejlábúakra jellemző a fényérzékelés.

A kagylóknál csak néhány fajnál van „szem” a köpeny szélén. A csigák két pár tapogatója közül a hosszabbak végén „ülnek” a gödörszemek. (4.2.2.1. ábra) A fejlábúaknak már kép- és színlátásra alkalmas hólyagszemük van, mely a hám betüremkedéséből alakult ki.

4.2.2.1. ábra

Az ízeltlábúak szeme a pontszem vagy az összetett (facetta-) szem, amely több száz egyszerű szemből áll. (4.2.2.2. ábra)

4.2.2.2. ábra

A rákoknál a facettaszem mellett találunk fényérzékeny dúcidegsejteket is. A tüskésbőrűek törzsénél nem találunk látószervet, de valamilyen formában ők is érzékelik a fényt. Ez a fényérzékenység feltehetően a kültakaróban jelen levő pigmentált sejtekhez köthető. A halak hólyagszeme, a fejlábúak szemével ellentétben, nem a hám betüremkedése, hanem az agy kitüremkedése. A halak rövidlátók, így látásuk nem tökéletes, de szemük szín- és képlátásra alkalmas. A kétéltűek látószerve igen fejlett, de csak a mozgást érzékelik. A hüllők (4.2.2.3. ábra), a madarak és az emlősök látószerve is jól „szervezett”. A kígyók két szemhéja átlátszó és összenőtt, ezért nem pislognak. Egyes madarakban a hipotalamusz bizonyos idegsejtjei érzékelik a koponyatetőn átszűrődő gyenge fényt. Így érzékelik a kakasok is a hajnal közeledését.

4.2.2.3. ábra

A szem

Az emberiszem három rétegből épül fel. (4.2.3.1. ábra) A külső réteg ínhártyából és a szaruhártyából (cornea), a középső az érhártyából, a sugártestből és a szivárványhártyából, a belső réteg pedig az ideghártyából (retina), az ingerfelvevő rétegből áll. Mindhárom réteget „átfúrja” a látóideg. Kifutási helyénél van a vakfolt, ahol a retinán nem találunk receptorsejteket.

4.2.3.1. ábra

A pupillát körülölelő szivárványhártya mögött a szemlencse, a szemlencse és az ideghártya között pedig a kocsonyás üvegtest található. Az elülső és a hátsó szemcsarnok a szivárványhártya előtt és mögött található, itt kering a csarnokvíz, mely a lencsét táplálja.

Akkomodáció

A szemben a fénytörésért főleg a szaruhártya és a lencse a felelős. A szem fénytörő képességét dioptriában (D) adjuk meg. A szaruhártya fénytörő képessége minden pontján azonos, míg a lencsénél ez nincs így. Attól függően változik, hogy a lencse magját vagy réteges köpenyét vizsgáljuk. Ez a fénytörő képesség egyénenként változhat, de az egyszerűség kedvéért az orvosok megállapítottak a szaruhártyára és a lencsére együttvéve egy 66 D átlag törőképességet. A szem alkalmazkodását (akkomodációját) a lencse és a szem izmai teszik lehetővé. Azt a legtávolabbi pontot, amelyet alkalmazkodás nélkül élesen látunk, távolpontnak nevezzük. Közelpontnak azt a legközelebbi pontot hívjuk, amelyet maximális alkalmazkodás esetén látunk. A közelpont fiatal korban egészséges szem esetén 10 cm távolságban, a távolpont a végtelenben van. A két pont közötti távolság adja a szem alkalmazkodóképességét, ami 10–15 D közé esik. A korral a lencse és a lencsefüggesztő rostok is vizet veszítenek, így megváltozik a lencse alkalmazkodóképessége. Emiatt van szüksége az idősebb embereknek „olvasószemüvegre”.[28]

A szem akkomodációja természetesen együtt jár a pupilla nyílásának változásával. Ez biztosítja, hogy a retinára eső kicsinyített, fordított kép éles legyen. Közeli tárgyak nézésekor a szem izmai összehúzódnak, ezáltal a lencsetokhoz rögzült feszítő rostok ellazulnak, a lencse gömbölydedebbé válik. Ekkor a pupillák összeszűkülnek. Távoli tárgyak nézésekor ennek a fordítottja játszódik le. (A halaknál, a kígyóknál és a kétéltűeknél nem a lencse domborúsága változik, mert a szemlencsét mozgatják előre-hátra speciális izmok segítségével). A pupilláknak nem csak ez az alkalmazkodása ismert. A szembogár akkor is összeszűkül, ha világítás éri. Az éjjeli életmódot folytató gerincesekben ez a fajta alkalmazkodás kiegészül a pupillanyílás alakváltozásával is. Ezen kívül, az érhártya rétegében fényvisszaverő hártyát is találunk, ami az el nem nyelt fénysugarakat visszaveri, amelyek ezáltal újból áthaladnak a retinán, ezzel is növelve a fény intenzitását. Ez okozza például a macska vagy a gazella „fénylő” szemét is.

A tárgyak színe

Láttuk korábban, hogy fénynek az elektromágneses sugárzási spektrum kb. 380 nm és 780 nm közötti tartományát nevezzük (4.2.4.1. ábra). E tartományból is az emberek többsége a 420 nm és 720 nm közötti fényhullámokat érzékeli csak.

4.2.4.1. ábra

A szemünkkel (agyunkkal) e tartományon belül különböző színeket észlelünk. A spektrum színeinek hullámhossza és frekvenciája az alábbi táblázatban látható:

4.2.4.2. ábra

Hogy az elektromágneses hullámokspektrumának éppen ezt a kis részét látjuk, az valószínűleg részint a légkör abszorpciója (sugárzáselnyelése) miatt, részint a fényabszorpció-idegingerület mechanizmus reverzibilitása miatt van így. Az elektromágneses hullámok jelentős részét ugyanis a légkör elnyeli, így azok nem érik el a Föld felszínét. Két „ablak” azonban nyílik a világűrre. Az egyik a rádióhullámok tartománya, a másik pedig a látható fényé. A látható fény tartományának sugarai – azaz ami végül az evolúció során láthatóvá lett – igen kis tárgyak felületéről is egyszerű szabályokat követve verődnek vissza, és ráadásul az anyagtól függően általában igen jellegzetes visszaverődési színképet produkálnak, így az ezt érzékelni képes élőlények jól hasznosítható képet kapnak a környezetükről.[29] Másrészről a láthatónál kisebb energiájú (infravörös) fotonok nem váltanak ki elektronfelhő gerjesztést (csak vibrációs, rotációs állapotokat gerjesztenek), nem váltanak ki ingerületet, az UV-tartománybeli fotonoknak az abszorpciója pedig a molekulák szétesését (disszociáció) vagy ionizációt eredményez, vagyis nem lesz reverzibilis a fényérzékelő mechanizmus.

A szín

A szín fogalma a látáshoz szorosan kapcsolódó vizuális érzéklet egyik tulajdonsága. Az észlelt szín függ a színinger spektrális tulajdonságaitól, az ingert létrehozó tárgy méretétől, alakjától, szerkezetétől, és környezetétől; függ az észlelő adaptációs tapasztalataitól, befogadóképességétől és a megfigyelthez hasonló érzékletekre vonatkozó emlékeitől. Ha egy tárgyra színes fényt vetítünk, vagy a tárgy maga színes; vagy mindkét feltétel teljesül, akkor a róla visszaverődő fény spektruma hiányos; egyenlőtlen – vagyis színes. Ezt színes fényingernek nevezzük. Műszeres mérését a színinger metrika feladata ellátni. Az emberi látószerv képes a fénynek ezt a tulajdonságát érzékelni, ekkor a látószervben színes fényérzéklet keletkezik. A látóideg által az agyba továbbított érzékletet az agy feldolgozza, és a látókéregben színes észlelet keletkezik. Az észleletet az emberi agy hangulatának, pszichológiai beállítottságának megfelelően értékeli. Ilyen jelenség például a szukcesszív színkontraszt (a színingerek megítélése azok egymás utánisága alapján). A szín kifejezést önmagában használni megtévesztő. [30]

Az elektromágneses sugárzás emberi szem által látható tartományba eső részére érzékeny a szem retinája, de a különböző hullámhosszú fényekre másként reagál, ez okozza a különböző színüket. Háromfajta érzékelő fotopigmentet lehet megkülönböztetni, melyek érzékenysége a vörös, a zöld és a kék színeknél a legerősebb. A látórendszer fontos tulajdonsága a színállandóság, tehát az agy a színeket nem abszolút módon azonosítja, hanem relatív úton, a környezethez hasonlítva. Egy szín származhat monokromatikus fényből, ha egy adott hullámhosszúságú fénysugarat észlelünk, vagy több fény keverékéből, ha több különböző hullámhosszúságú fénysugár összességét érzékeljük. A szemünk ugyanúgy sárgának érzékeli a sárga színnek megfelelő hullámhosszú fényt, mint a vörös és a zöld színeknek megfelelő hullámhosszú fények keverékét stb. Vannak színek, amelyeknek nincs monokromatikus megfelelője, csak színkeveréssel állíthatók elő, például a bíbor. Azt a színt, amely a teljes spektrumon azonos intenzitású, fehérnek nevezzük. Mivel a legtöbb élőlény, így az emberek látása is a Nap spektrumához igazodott, az érzékelés szempontjából a Napból érkező fényt is fehérnek nevezhetjük, noha ez csak a látható tartományban egyenletes. A fekete szín nem fény, a fény teljes hiánya válthatja ki.[31]

Fényforrások színhőmérséklete

A nagy hőmérsékleten izzított testek fényt bocsátanak ki, amelynek színe függ az izzított tárgy hőmérsékletétől. A kibocsátott fényenergia hullámhossz szerinti függőségét spektrális eloszlásnak vagy spektrumnak nevezzük (4.2.4.3. ábra). Planck 1900-ban közölte le a kísérletileg mért spektrumok elméleti magyarázatát, amelyhez fel kellett tételeznie a h.ν energiájú fotonok létezését. Íme a feketetest sugárzási törvénye:

Az egyenletben Bv(T) a feketetest sugárzásának spektruma (intenzitáseloszlása, W/cm2/nm), ν a fényhullám frekvenciája, h pedig egy természeti állandó mennyiség, a Planck-féle hatáskvantum. Értéke: h = 6,626 10-32 Js.

A spektrum maximumának helye a tárgy hőmérsékletével fordított arányban változik, 6000 K hőmérsékleten (Nap) a maximum 500 nm-en (zöldben) van. Ezt a színképi összetételt értelmezi az agyunk fehérnek. A testünk 300 K-en 10 mikron körüli maximummal sugároz. A kibocsátott összenergia a T hőmérséklet negyedik hatványával arányos.

4.2.4.3. ábra

A gyakorlatban használt fényforrások egyike sem sugároz olyan színképű fényt, mint a Napé. Ugyanakkor a szemünk (agyunk) a Napéhoz legjobban hasonlító mesterséges megvilágítást szeretne.

Egy fényforrásszínhőmérsékletét az általa okozott színérzet és egy hipotetikus feketetest-sugárzó által létrehozott színérzet alapján határozzák meg. Izzólámpák esetében, lévén, hogy a fény izzásból származik, a színhőmérséklet jól egybe esik az izzószál hőmérsékletével. A nem hőmérsékleti sugárzás elvén működő fényforrások, mint például a fénycsövek esetében közvetlen fizikai jelentése nincsen a színhőmérsékletnek. Ezért ilyenkor inkább „korrelált színhőmérsékletről” beszélünk. Elterjedt jelölése: CCT (Correlated Color Temperature).

A különböző színhőmérsékletek befolyásolják az ember hőérzetét és koncentrálóképességét. Tradicionális okokból a színhőmérséklet fordított hőmérsékleti asszociációkat okoz. A kékebb árnyalatok, bár magasabb színhőmérsékletűek, alacsonyabb hőmérséklet érzetét keltik. Hasonlóképp a vörösebb árnyalatok melegebbnek tűnnek. Ennek oka, hogy vörössel az izzást, és tüzet hozzák összefüggésbe, míg a kékkel inkább a jeget vagy a vizet.

A színlátás

Fizikai tanulmányainkból ismert kísérlet: ha a közel ideális fehér fénynek tartott, kb. 5500 K-es napfényt megfelelő szögben egy prizmára bocsátjuk, akkor a fehér fény összetevőire, azaz spektrális színekre bomlik fel. Ha a színspektrumot laboratóriumi körülmények között egy keskeny résen át szemléljük, hozzávetőlegesen 350 különböző színt érzékelhetünk. Ebből arra következtethetnénk, hogy szemünk kb. 350 különböző receptorral (érzékelővel) rendelkezik, amelyek mindegyike csak egy igen keskeny színsávban működik. A valóságban azonban a szemünkben három különböző típusú színérzékelő van.

Az emberi szem a látható spektrumot nem érzékeli egyenletesen. A szem érzékenységi diagramján (4.2.4.4. ábra) jól követhető, hogy a görbének a zöld színnek megfelelő hullámhossz környékén maximuma van. (Ebben a tartományban található egyébként a napsugárzás energiamaximuma is.) A diagramot sok ember szemének érzékenységi görbéjét átlagolva szerkesztették, így a diagram az átlagos emberi szem spektrális érzékenységét jellemzi. Érdemes megemlíteni, hogy a görbe alakja a fényerősségtől nem függ jelentősen.

4.2.4.4. ábra

A szem

4.2.4.5. ábra

Az ember látószervének fő része a szemgolyó, de hozzátartoznak a szemidegek és a folytatásukba eső idegpályák, valamint a szem járulékos szervei (4.2.4.5. ábra). Az emberi szem – a fényképezőgépek optikai rendszerének analógiája szerint – egyszerű, két részből álló gyűjtőlencse típusú objektívvel rendelkezik. A külső a szaruhártya, a belső a szemlencse. A szivárványhártya (írisz), amely a szem színét is meghatározza, a szembe lépő fény mennyiségét csökkenti. A szivárványhártya nyílása a pupilla, melynek átmérője a fényerősségtől függően változik, a fényrekesz szerepét tölti be. A belépő fénysugarak áthaladnak az üvegtesten (corpus vitreum) és a recehártyára (retina) fókuszálódnak. Ezután a központi idegrendszer közreműködésével alakul ki a kép.[32]

A szem recehártyáján elhelyezkedő fényérzékelők (receptorok) fotokémiai reakció segítségével az idegszálakon keresztül információkat továbbítanak az agy megfelelő részeibe. A receptorok egyik fajtája, az ún. pálcikák rendkívül érzékenyek, így elsősorban a gyenge fény felfogására alkalmasak, és nagy felbontást biztosítanak (fekete-fehér formában). A szín feldolgozásában feltehetőleg nem játszanak szerepet. A színes látást az ún. csapok biztosítják, amelyekből három különböző típus létezését tételezik fel. A kék- és vörösérzékelő tulajdonságai ismertek, a zöldérzékelő tulajdonságait illetően feltételezések vannak.

Három monokromatikus fény összekeverésével a spektrum valamennyi színárnyalata kikeverhető. A CIE e fényeket 1931-ben szabványosította. Meghatározták, hogy egy-egy spektrumszín előállításához milyen arányban kell keverni őket. Az eredményt a 4.2.4.6. és 4.2.4.7. ábrákon láthatjuk (spektrális alapszín-összetevő függvények). Az ábrán jól követhető, hogy a látható spektrum szélső értékeit kivéve a görbék átfedik egymást.

4.2.4.6. ábra

4.2.4.7. ábra

Az első színes tv-rendszer kialakítása során (amelynek kifejlesztésében a CBS magyar származású kutatómérnöke, Goldmark Péter is részt vett) mélyreható vizsgálatokat folytattak a szem különleges tulajdonságaira vonatkozóan. Az eddigieken kívül kiderült egy igen fontos dolog, nevezetesen az, hogy a szem színfelbontó képessége lényegesen gyengébb, mint a világosságrészleteket (akromatikus) megkülönböztető képessége. Azaz, az apró színrészleteket összetéveszti a hasonló fényességű szürkével. Tehát bizonyos méretű pontstruktúrán túl már nem érzékeli a szín, csak a szürkeérték változását. Ez a „színtévesztés” természetesen nem független a szem spektrális érzékenységétől. Azaz az 550 nm körüli zöld színt téveszti össze a szürkével legkésőbb; a legtöbb részletet ebben a színtartományban érzékeli. A szem korlátozott színfelbontó képességére vonatkozó felismerés jelentősen befolyásolja a színes rendszerek kialakítását. A vizsgálatok azt jelezték, hogy a kép színtartalmát képviselő információt nem kell teljes sávszélességgel (részletgazdagsággal) átvinni. Ezért a színinformáció sávszélességét kb. 1 MHz-re korlátozták. Az utóbbi időben viszont egyértelművé vált, hogy az 1 MHz sávszélesség nem felel meg a korszerű tv-jelátvitel követelményeinek. Az újabban kifejlesztett tv-átviteli rendszerek, mint pl. a MAC, már mentesek a korábbi rendszerek említett hiányosságaitól.

Komplementer színek

Kiegészítő színeknek (komplementer színeknek) nevezzük azokat a színingereket, amelyek additív vagy szubtraktív keverése akromatikus (színtelen) érzékletet hoz létre. Komplementerek azok a színingerek is, amelyek egymásnak ellentétei. Utóbbi értelmezést esztétikai értelemben használják.

Általános értelmezés szerint színpárok, amelyek a hatosztatú vagy tizenkét osztatú (vagy akár folytonos) színkörben egymással szemben helyezkednek el. Additív színkeverésbenszürkét eredményeznek. A 4.2.4.8. ábrán a Hering-féle színkör látható, amelynek átellenes színei komplementerei egymásnak (red–green, blue–yellow). Jelölések az NCS szerint.

4.2.4.8. ábra

A vörös és zöld keveréke a közhiedelem szerint komplementerei egymásnak, keverésük valójában barnát eredményez. Ennek magyarázata, hogy a magyar nyelvben nincs egyértelmű megfelelője az angol cyan színnévnek (amely valójában zöldeskék). A háromdimenziós anaglif technikában vetített vörös–zöld képet az emberi érzékelés fekete–fehérként érzékeli, ám általános világítási környezetbe helyezve észrevehető, hogy a keverékszín barna.[33]

A színkör általában a telített színeket tartalmazza, és úgy tekinthető, mint a színtér egy síkmetszete. A színtér tehát nemcsak a telített színeket tartalmazza, hanem a telítetleneket is, valamint a sötét és világos színeket is. Ha a színkör két átellenes pontját összekötő átmérő komplementer színeket jelöl ki, ez kiterjeszthető a színtér bármely térbeli átmérőjére is.

Színkeverés

A színes tv-technikában a szem három színérzékelő csaptípusával összhangban a piros (R = red), a zöld (G = green) és a kék (B=blue) alkotja az alapszíneket. Ezek keverékéből bármely, a gyakorlatban használt szín előállítható (4.2.4.9. ábra). A szín előállításának ezt a formáját additív vagy összegező típusú színkeverésnek nevezzük.

4.2.4.9. ábra

Szubtraktív (kivonó) színkeverésnek nevezzük, amikor a fehér fényből kivonunk színeket (hullámhossztartományokat). (4.2.4.10. ábra) Ez történik minden olyan esetben, amikor saját fényforrással nem rendelkező összetevők színei keverednek (pl. papírra felvitt festékeknél). Ilyenkor a megvilágító fehér fény adott spektrumainak elnyelésére való képességek adódnak össze, vagyis egy új színösszetevő új hullámhossztartományt von ki a visszaverődő fényből – innen a kivonó színkeverés elnevezés.

4.2.4.10. ábra