Podcast o Zdolność rozdzielcza oka i układu wzrokowego

Přepis

Martin: …czyli ten system nerwowy w zasadzie potrafi doliczyć się detali, których same fotoreceptory nie miałyby szansy uchwycić!

Eliška: Czekaj, to niewiarygodne! Czyli nasze oko jest w zasadzie mądrzejsze niż jego własny hardware?

Martin: Dokładnie tak! To fascynujące połączenie optyki i niesamowitego przetwarzania danych w mózgu. Słuchacie Studyfi Podcast.

Eliška: Dobrze, Martinie, weźmy to od podstaw dla wszystkich, którzy przygotowują się do egzaminów. Co dokładnie to jest zdolność rozdzielcza oka?

Martin: Mówiąc prościej, to zdolność naszego systemu wzrokowego do rozróżnienia dwóch bardzo bliskich punktów jako dwóch oddzielnych punktów, a nie jako jednej rozmazanej plamy.

Eliška: Aha, jak patrzę na światła w oddali i próbuję rozpoznać, czy to jeden samochód, czy dwa motocykle obok siebie.

Martin: Dokładnie! I testuje się to na różne sposoby. Na przykład za pomocą kół Landolta – to te kółka z przerwą, w których musisz określić, gdzie jest przerwa.

Eliška: A teraz wracając do tego, co mówiłeś na początku. Że widzimy lepiej, niż powinniśmy, biorąc pod uwagę fizyczną budowę oka.

Martin: Tak, to jest w tym najciekawsze. Standardowa zdolność rozdzielcza oka to około jedna minuta kątowa. Tyle że to nie odpowiada wielkości czopków na siatkówce.

Eliška: Jak to? Spodziewałabym się, że żebyśmy widzieli dwa punkty, światło z nich musi paść przynajmniej na dwa różne czopki, między którymi jest jeden niepodrażniony.

Martin: Dokładnie tak kiedyś myślano. Ale okazało się, że nasz wzrokowy system nerwowy jest znacznie bardziej czuły. Potrafi odróżnić nawet nieznaczne zmiany w rozłożeniu intensywności światła na siatkówce.

Eliška: Czyli mózg jest w zasadzie takim superkomputerem, który analizuje obraz i go ulepsza?

Martin: Można tak powiedzieć. Dlatego na przykład podczas obserwacji równoległych linii w dobrym świetle osiągamy znacznie wyższą rozdzielczość, niż ta standardowa jedna minuta.

Eliška: A jak w to wszystko wpisuje się ostrość wzroku, którą mierzą nam u okulisty?

Martin: Ostrość wzroku, czyli visus, to właściwie tylko odwrotność tego minimalnego kąta rozdzielczości. To praktyczny sposób, żeby tę zdolność wyrazić liczbą.

Eliška: Czyli kiedy u lekarza przeczytam nawet te najmniejsze literki na tablicy, w zasadzie chwalę się tym, jak mały kąt moje oko potrafi rozróżnić.

Martin: Dokładnie tak, to taka twoja wzrokowa supermoc. A tak przy okazji, ta ostrość nie jest stała. Dużo zależy od jasności. Wraz ze wzrostem jasności rośnie też ostrość, ale tylko do pewnego stopnia. Potem światło zaczyna nas oślepiać i ostrość znowu spada.

Eliška: To ma sens. Czyli dobre światło jest kluczowe do nauki. A co z innymi czynnikami? Co na przykład z kolorem światła?

Martin: Świetne pytanie! Skład spektralny światła też odgrywa rolę, podobnie jak średnica źrenicy. Ale to już wchodzimy w kolejny fascynujący obszar…

Eliška: Czyli skoro już rozumiemy, jak soczewka ostrzy, przejdźmy do szczegółów. Co dokładnie to jest „zdolność rozdzielcza oka”? Czy to nie tylko o to chodzi, czy potrzebuję okularów?

Martin: To też, ale jest to bardziej skomplikowane. Zdolność rozdzielcza określa, jak małe detale potrafi rozróżnić nasz układ optyczny. Wyraża się ją jako minimalna wielkość kątowa.

Eliška: A jaka jest ta wartość dla zdrowego oka?

Martin: To jest około jedna minuta kątowa. Oznacza to, że potrafimy rozróżnić dwa punkty, jeśli są od siebie oddalone o co najmniej ten nieznaczny kąt.

Eliška: Dobrze, jedna minuta kątowa. Ale co właściwie to ogranicza? Dlaczego nie widzimy jeszcze mniejszych detali?

Martin: Pierwszym ograniczeniem jest czysto fizyczne – ugięcie światła. Z jego powodu każdy punkt światła w oku nie wyświetla się jako idealny punkt, ale jako mały krążek rozmycia, tak zwany dysk Airy'ego.

Eliška: Czyli obraz zawsze trochę się „rozmywa”?

Martin: Dokładnie! I tutaj wkracza kryterium Rayleigha. Ono w zasadzie mówi, że dwa punkty rozróżnimy tylko wtedy, gdy ich rozmyte krążki nie nakładają się na siebie zbyt mocno.

Eliška: Brzmi logicznie. A oprócz fizyki ogranicza nas też biologia naszego oka?

Martin: Pewnie! Nawet gdyby optyka była doskonała, jesteśmy ograniczeni gęstością komórek światłoczułych, czyli czopków, na siatkówce.

Eliška: Jak to rozumiesz?

Martin: Żebyśmy rozróżnili dwa punkty, ich obrazy muszą paść na dwa różne czopki. Jeśli oba wyświetlą się na tym samym, widzimy je jako jeden.

Eliška: Czyli to jest współdziałanie fizyki i „hardware'u” naszej siatkówki. Fascynujące! Ale na pewno wpływa na to też ilość światła, prawda?

Martin: Zdecydowanie. A właśnie o tym, jak jasność tła zmienia ostrość wzroku, opowiemy sobie zaraz.

Eliška: Dobrze, Martinie, to było świetne. Ale co więc w praktyce wpływa na to, jak ostry obraz ostatecznie widzimy? Dlaczego nasze oko nie jest doskonałe?

Martin: Świetne pytanie! Jednym z głównych czynników jest średnica naszej źrenicy, pupili. Człowiek by pomyślał, że im mniejsza, tym lepiej, jak w aparacie, prawda?

Eliška: Dokładnie! Ostrzejsze zdjęcie, nie?

Martin: No, nie do końca. Przy zbyt małej źrenicy, na przykład 2 milimetry, światło zaczyna się za bardzo uginać, nazywamy to dyfrakcją. A to z kolei rozmywa obraz.

Eliška: A co jeśli jest za duża?

Martin: Przy dużej źrenicy z kolei rosną inne wady optyczne, tak zwane aberracje. Więc istnieje taki złoty środek, optymalna średnica to około 3 do 4 milimetrów.

Eliška: Aha! Czyli ani za dużo, ani za mało. A co na przykład z kolorem światła? Czy odgrywa rolę, czy patrzę na coś niebieskiego czy czerwonego?

Martin: Zdecydowanie! Niebieskie światło ma krótszą długość fali, więc mniej się ugina. To oznacza, że teoretycznie z niebieskim światłem możemy rozróżnić drobniejsze detale niż z czerwonym. To jeden z powodów, dla których płyty Blu-ray są... no, niebieskie.

Eliška: To ma sens! Czyli dlatego nie widzę tak ostro w nocy, kiedy przeważają inne długości fal.

Martin: Dokładnie tak. A żeby sprawdzić, jak dobrze kto widzi, używamy różnych testów. Wszyscy znamy te tablice z literkami u okulisty, tablice Snellena.

Eliška: Jasne, i też te kółka z przerwą, które musimy określić. One są dość podchwytliwe.

Martin: To są koła Landolta. Każda metoda mierzy coś trochę innego, ale cel jest ten sam – ustalić limit naszego oka. A ten limit jest najlepszy bezpośrednio w centrum siatkówki, w dołku centralnym.

Eliška: Tam, gdzie jest najwięcej czopków, prawda?

Martin: Dokładnie. W kierunku na boki, na peryferiach, gęstość czopków spada, a zdolność rozdzielcza się pogarsza. Dlatego peryferyjnie dobrze widzimy ruch, ale detali już nie rozróżnimy.

Eliška: A co z tymi aberracjami, o których wspominałeś? To są te typowe wady wzroku jak astygmatyzm?

Martin: Tak, astygmatyzm to jedna z nich. Potem mamy na przykład aberrację sferyczną, kiedy światło na krawędzi soczewki załamuje się inaczej niż w środku. Albo chromatyczną, kiedy różne kolory załamują się pod innym kątem. To wszystko pogarsza jakość obrazu.

Eliška: Czyli nasze oko to właściwie taki kompromis. A co na przykład z kontrastem? Czy to ma związek z rozdzielczością?

Martin: Ma związek, ale to nie to samo. Rozdzielczość dotyczy detali, czułość kontrastowa to zdolność widzenia obiektów, które słabo świecą lub są we mgle. Możesz mieć świetną rozdzielczość, ale słabą czułość kontrastową.

Eliška: To ciekawe. A jak w porównaniu z naszym okiem wypada na przykład taki mikroskop czy teleskop?

Martin: One są zupełnie gdzie indziej. Mają znacznie większą średnicę obiektywu, więc zbierają więcej światła i mają mniejszy limit dyfrakcyjny. A na przykład mikroskopy elektronowe używają elektronów zamiast światła, co jest jeszcze znacznie krótszą długością fali. Dzięki temu osiągają niesamowite powiększenie i rozdzielczość.

Eliška: Czyli dzisiaj omówiliśmy, że na rozdzielczość oka wpływa wielkość źrenicy, długość fali światła i oczywiście różne wady optyczne. Pokazaliśmy sobie, jak się to mierzy i że najlepiej widzimy centrum siatkówki. A na koniec dowiedzieliśmy się, że choć ludzkie oko jest wspaniałe, to urządzenia łatwo je przewyższają. Martinie, bardzo ci dziękuję za świetne wyjaśnienie!

Martin: Ja dziękuję za zaproszenie, Eliszko. Było super.

Eliška: Wam, drodzy słuchacze, dziękujemy za uwagę w dzisiejszym odcinku Studyfi Podcastu. Trzymajcie się pięknie i słyszymy się znowu następnym razem!

Martin: Do usłyszenia!