اپتیک چشم

نور-،چشم-،عینک
نور ، چشم ،عینک
۲۶ / ۰۹ / ۱۳۹۷
فصلنامه آموزشی ، خبری و فنی مهندسی علوم و فناوری شیشه
فصلنامه آموزشی ، خبری و فنی مهندسی علوم و فناوری شیشه
۰۹ / ۱۰ / ۱۳۹۷

اپتیک چشم

بینایی

چشم  معادل با دوربین عکاسی است زیرا دارای یک سیستم عدسی ، یک دیافراگم قابل تغییر(مردمک)و شبکیه است که با فیلم عکاسی مطابقت دارد .

سیستم عدسی چشم از چهار سطح واسط منعکس کننده تشکیل شده است :

۱-سطح واسط بین هوا و سطح قدامی قرنیه

۲-سطح واسط بین سطح خلفی عدسی و مایع زلالیه

۳-سطح واسط بین مایع زلالیه و سطح قدامی عدسی

۴-سطح واسط بین سطح خلفی عدسی و مایع زجاجیه

هر کدام از این سطوح یک ضریب انکسار مشخص دارند.ضریب انکسار هوا برابر ۱،ضریب انکسار قرنیه ۳۸/۱ ،ضریب انکسار مایع زلالیه ۳۳/۱ ،ضریب انکسار عدسی(بطور متوسط)۴۰/۱ و ضریب انکسار مایع زجاجیه ۳۴/۱ است.برای بررسی چشم و در نظر گرفتن آن به صورت یک عدسی ساده ، ضرایب انکسار کلیه سطوح را با هم جمع می کنند .این موضوع برای محاسبات ساده مفید است.

دقیقا به همان روشی که یک عدسی شیشه ای می تواند یک تصویر را بر روی صفحه ای از کاغذ متمرکز کند ، سیستم عدسی چشم نیز می تواند یک تصویر را بر روی شبکیه متمرکز کند . تصویر نسبت به شئ هم از بالا به پایین و هم از چپ به راست ، معکوس است . باید دانست که ذهن ما با وجود معکوس بودن جهت تصاویر در شبکیه ، اشیاء را به وضع مستقیم درک می کند .

چشم چگونه اجسام را تغییر می دهد ؟

نور پس از عبور از سیستم عدسی چشم و سپس از مایع زجاحیه وارد شبکیه می شود .

پس از عبور از لایه های مختلف رویی شبکیه ( که به ترتیب از خارج به داخل شامل لایه ی رنگدانه ای یا پیگمان دار-لایه ی لایه ی استوانه ها و مخروطها – لایه ی هسته دار خارجی که محتوی جسم سلولی استوانه ها و مخروطهاست – لایه ی شبکه ای خارجی-لایه ی هسته دار داخلی-لایه ی شبکه ای داخلی-لایه ی سلولهای عقده ای-لایه ی فیبرهای عصب بینایی و غشاء محدود کننده ی داخلی می باشد.) به لایه ی استوانه ها و مخروطها می شود.این سلولها که ضخامت لایه ی آنها به چند صد میکرو متر می رسد ،همان گیرنده های بینایی هستند:

عموما استوانه ها باریکتر و بلندتر از مخروطها هستند . در قسمتهای محیطی شبکیه استوانه ها ۲ تا ۵ میکرومتر قطر دارند در حالیکه قطر مخروطها ۵ تا ۸ میکرومتر است. در قسمت مرکزی شبکیه ناحیه ی بسیار کوچکی به مساحت کمی بیش از ۱ میلیمتر مربع وجود دارد.

در این ناحیه ،بر خلاف قسمتهای محیطی که مخروطهای چاقی دارند،  مخروطهای باریک و بلندی قرار دارند که  حدودا ۵/۱ میکرو متر قطر دارند.این ناحیه منحصرا از مخروطها تشکیل شده است و توانایی ویژه ای برای دید دقیق اجسام دارد.این قسمت از شبکیه است که جزئیات را تشخیص می دهد.در این ناحیه لایه های دیگر مثل رگهای خونی ( و سلولهای عقده ای  ،لایه ی شبکه ای،سلولهای لایه ی هسته دار و..) ،هیچکدام روی مخروطها قرار ندارند و همگی به کناری رانده شده اند.این امر باعث می شود نور بتواند مستقیما به مخروطها برسد و هیچ مانعی در میان نیست در نتیجه دقت بالایی در تشخیص سلولهای مخروطی وجود دارد.این ناحیه موسوم به ناحیه ی Fovea است.

هم استوانه ها و هم مخروطها محتوی مواد شیمیایی هستند که هنگام قرار گرفتن در معرض نور تجزیه می شوند و در جریان این عمل ،فیبرهای عصبی را که از چشم خارج می شوند تحریک می کنند.ماده ی شیمیایی در استوانه ها(رودوپسین) و ماده ی حساس به نور در مخروطها(پیگمانهای مخروطی)اختلاف ناچیزی با هم دارند.مخروطها رنگها را تشخیص می دهند ،این سلولها نسبت به رنگهای آبی ،سبز و قرمز حساس هستند.هر کدام از انواع سلولهای استوانه ای و مخروطی در طول موج مشخصی می توانند نور را جذب کنند.بدین ترتیب شبکیه می تواند رنگهای مختلف را تشخیص دهد.

استوانه ها:

هنگامی که انرژی نورانی بوسیله ی رودوپسین استوانه ها جذب می شود ، رودوپسین ظرف چند تیریلیونیوم ثانیه به ماده ای ناپایدار به نام باتو رودوپسین تجزیه می شود . این ترکیب فوق العاده ناپایدار است و در ظرف چند نانو ثانیه به نام لومی رودوپسین تجزیه می شود . این ماده هم پس از چند مرحله به ماده ای به نام متارودوپسین ۲ تجزیه می شود .متا رودوپسین ۲ همان ماده ای است که تصویر بینایی را به داخل سیستم عصبی مرکزی ارسال می کند.

در استوانه ها در اثر جذب فوتونهای نور ولتاژهای کوچکی در حد میلی ولت تولید می شود.حساسیت این گیرنده های نورانی به اندازه ای است که حتی قادرند تک فوتونها را نیز تشخیص دهند و ولتاژ تولید کنند.

بطور کلی استوانه ها از مخروطها کند تر هستند و پاسخ کند تری به پالسهای نور دارند.هنگامی که یک پالس ناگهانی نور به شبکیه می تابد ولتاژی که در یک سلول استوانه ای القا می شود در طول حدودا ۰٫۳ ثانیه به حداکثر رسیده و برای بیشتر از ۱ دقیقه طول می کشد.اما در مخروطها این تغییرات چهار بار سریعتر به وجود می آیند . با این وجود تصویر بینایی که فقط برای یک میلیونیوم ثانیه بر روی استوانه های شبکیه می افتد، می تواند موجب احساس دیدن آن تصویر گاهی برای بیش از ۱ ثانیه شود.

مخروطها و تشخیص رنگها:

در ابتدای این قسمت بار دیگر یادآوری می کنیم که مواد فوتو شیمیایی موجود در مخروطها تقریبا همان ترکیب شیمیایی رودوپسین موجود در استوانه هاست.تنها اختلاف بین استوانه ها و مخروطها در بخش پروتئینی آنهاست.

تشخیص رنگ در مخروطها با استفاده از سه نوع رنگدانه(پیگمان) محقق می شود:آبیS-cone ، قرمز L-coneو سبز M-cone  که برای تشخیص طول موجهای کوتاه ،بلند و متوسط مناسبند.

S-cone ها با دو نوع مخروط دیگر تفاوتهایی دارند که آنها را از آندو قابل تمییز می کند.این مخروطها نسبت به دو نوع M و L کمی بلند تر هستند.همچنین نحوه ی پخش آنها در شبکبه با دو نوع cone دیگر متفاوت است و از این نظر قابل شناسایی در شبکیه هستند:

یکی از سه نوع پیگمان رنگی در مخروط های مختلف وجود دارد و مخروط ها به صورت انتخابی نسبت به رنگهای مختلف سبز و آبی و قرمز حساس هستند . حداکثر طول موجی که رنگدانه های آبی ،سبز و قرمز می توانند جذب کنند به ترتیب ۴۳۷ ،۵۳۳ و ۵۶۴ نانومتر است.این طول موجها نشان می دهند حداکثر حساسیت نوری هر یک از این سه نوع مخروط چقدر است و چگونه رنگهای مختلف توسط شبکیه تشخیص داده می شود.

وقتی یک نور تک رنگ نارنجی با طول موج ۵۸۰ نانومتر به شبکیه می تابد ،مخروط قرمز را ۹۹درصد (۹۹ درصد حداکثر تحریک آن) و مخروط سبز را ۴۲ درصد تحریک می کند اما مخروط آبی با این نور تحریک نمی شود.به این ترتیب نسبت تحریک این سه نوع مخروط در این مثال ۰ :۴۲ : ۹۹ است.سیستم عصبی این مجموعه از نسبتها را به عنوان احسااس رنگ نارنجی تفسیر می کند.

رنگ دیگری را بررسی می کنیم : آبی.رنگ آبی با طول موج ۴۵۰ نانومتر مخروطهای قرمز را با ارزش تحریکی صفر ،مخروطهای سبز را با ارزش تحریکی صفر و مخروطهای آبی را با ارزش تحریکی ۹۷ تحریک می کند . این مجموعه از نسبتها یعنی ۹۷ :۰ :۰ توسط سیستم عصبی به عنوان رنگ آبی تفسیر می شود . به همین ترتیب نسبتهای ۰ :۸۳ :۸۳ و ۳۶ : ۶۷ :۳۱ به ترتیب به رنگهای زرد و سبز تفسیر می گردند.

در مورد نور سفید باید گفت تحریک تقریبا مساوی کلیه مخروطهای قرمز و سبز و آبی ،احساس دیدن نور سفید را در شخص ایجاد می کند.همانطور که می دانیم نور سفید ترکیبی از کلیه ی طول موجهاست و طول موج مشخصی که با رنگ سفید مطابقت داشته باشد وجود ندارد.در نتیجه احساس رنگ سفید با تحریک شبکیه بوسیله ی ترکیب مناسبی از رنگها که مخروطها را به طور تقریبا مساوی تحریک می کنند، بوجود می آید.

جلوگیری از پراکندگی نور              

وقتی نور به شبکیه می تابد برای اینکه تصویر دقیقی تشکیل شود لازم است بین نقاط تیره و روشن تصویر کاملا کنتراست وجود داشته باشد . برای این منظور رنگدانه ای سیاه رنگ به نام ملانین در خارجی ترین لایهء شبکیه (لایه رنگدانه ای یا پیگمان دار) وجود دارد . این رنگدانه همان عملی را انجام می دهد که رنگ سیاه داخل جعبه دوربین انجام می دهد . بدون وجود این رنگدانه پرتوهای نور در تمام جهات در کره ی چشم پخش می شوند . در اثر فقدان ملانین ، نوری که بر روی شبکیه می تابد بوسیله ی سطح سفید بدون پیگمان شبکیه در تمام جهات بازتاب پیدا می کند در نتیجه یک لکه ی نورانی واحد که در حالت عادی فقط چند استوانه یا مخروط را تحریک می کند ، در تمام جهات بازتاب یافته و تعداد زیادی از گیرنده ها را تحریک می کند . در نتیجه تصاویر وضوح ندارند و تیزبینی به طرز قابل توجهی کاهش پیدا می کنند.


تطابق به تاریکی و نور
  

اگر شخصی برای مدت طولانی در نور شدید قرار بگیرد نسبت زیادی از مواد فوتو شیمیایی هم در استوانه ها و هم در مخروطها تجزیه می شوند . به این علی غلظت مواد شیمیایی حساس به نور باقیمانده در استوانه ها و مخروطها به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و حساسیت چشم به نور نیز بهمان نسبت کاهش می یابد . به این حالت تطابق به نور یا light adaptation  گفته می شود . از طرف دیگر وقتی شخص برای مدت طولانی در تاریکی بماند اجراء تجزیه شده دوباره به پیگمانهای حساس به نور تبدیل می شوند.در نتیجه پیگمان های حساس به نور در شبکیه افزایش می یابند.به این حالت تطابق به تاریکی یا dark adaptation گفته می شود.

بهمین دلیل وقتی شخص از یک مکان روشن به مکان تاریکی می رود ، در ابتدا به دلیل کم بودن غلظت مواد فوتو شیمیایی موجود در شبکیه قادر به دیدن هیچ چیز نیست . با گذشت زمان کم کم اجزاء تجزیه شده به پیگامنهای حساس به نور تبدیل می شوند و شخص می تواند بهتر از قبل اجسام را تشخیص دهد.نمودار زیر میزان افزایش حساسیت شبکیه را پس از گذشت ۵۰ دقیقه نشان می دهد.

محور عمودی حساسیت شبکیه و محور افقی مدت زمان حضور در تاریکی مطلق را نشان می دهد.همانطور که می بینیم پس از یک دقیقه حساسیت به ده برابر افزایش پیدا کره است ! یعنی شبکیه می تواند به نورهایی با شدت بیسار کمتر جواب بدهد.در پایان ۲۰ دقیقه حساسیت به ۶۰۰۰ بار افزایش پیدا می کند.

همانطور که اشاره شد مخروطها حدودا چهار برابر سریعتر از استوانه ها به نور پاسخ می دهند.در نمودار بالا قسمت اولیه ی نمودار که شیب زیادی دارد مربوط به adaptation مخروطهاست.مخروطها سریعا خود را با محیط تاریک تطبیق می دهند اما اثرشان پس از حداکثر ۱۰ دقیقه قطع می شود.استوانه ها دیرتر با محیط تطابق پیدا می کنند اما حساسیت آنها به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد و این افزایش حتی تا چندین ساعت طول می کشد.علت این افزایش فوق العاده زیاد را در قسمت مدار عصبی شبکیه بررسی می کنیم.

این مکانیسم یکی از مکانیسمهای کنترل حساسیت شبکیه است.مکانیسم دیگری نیز برای کنترل حساسیت شبکیه وجود دارد و آن کنترل قطر مردمک چشم است.عنبیه مقدار نوری را که وارد چشم می شود کنترل می کند و بسته به تاریک یا روشن بودن محیط قطر مردمک را تغییر  می دهد. عنبیه میزان نوری را که در تاریکی وارد چشم می شود زیاد می کند و میزان نوری را که در روشنایی شدید به چشم می رسد ،کم می کند.

مقدار نوری که از طریق مردمک وارد چشم می شود متناسب با سطح مقطع مردمک و آن نیز متناسب با مجذور قطر مردمک است.مردمک چشم انسان از نظر قطر می تواند به کوچکی ۱٫۵ میلی متر و به بزرگی ۸ میلی متر شود.در نتیجه میزان نوری که وارد چشم می شود می تواند در نتیجه ی تغییر قطر مردمک ،حدود ۳۰ برابر تغییر کندو در نتیجه میزان adaptation می تواند تا ۳۰ برابر گردد. تفاوتی که adaptation تغییر قطر مردمک باadaptation مواد فوتوشیمیایی چشم دارد این است که برخلاف زمان چندین دقیقه تا چندین ساعتی که برای adaptation آنها لازم است ،adaptation مردمک در جزئی از ثانیه صورت می گیرد.

شبکیه همواره نیاز دارد برای تشکیل دقیق تصاویر هم نقاط روشن و هم نقاط تیره را تشخیص دهد در نتیجه حساسیت آن همواره باید کنترل شود تا اختلالی در تشخیص تصاویر به وجود نیاید.