Ústav fyzikální elektroniky PřF MU http://www.physics.muni.cz/kof/vyuka/ Fyzikální praktikum pro nefyzikální obory Úloha č. 11: Zrak jarní semestr 2012 1. Lidské oko a geometrická optika Z pohledu geometrické optiky je lidské oko jednoduchá zobrazovací soustava s jednou čočkou. K optické mohutnosti oka přispívá nejvíce rozhraní rohovka – vzduch, které je zakřivené a na němž je poměr indexů lomu největší. Srovnání je v následující tabulce. Akomodace uvolněná maximální Optické mohutnosti rohovka 40 D čočka 19 D 33 D soustava oka 59 D 70 D Tuto skutečnost lze jednoduše demonstrovat, pokud se oko obklopí prostředím jiného indexu lomu – pod vodou. Za této situace je schopnost ostrého vidění znemožněna. Skutečný obraz spojné čočky je převrácený, což je možné velmi snadno demonstrovat s libovolnou spojnou čočkou. Jednoduchým, ale velmi působivým experimentem lze převrácení obrazu ukázat s využitím vlastního oka. 1.1. Převrácení obrazu na sítnici Pomůcky Kartička tmavého papíru s otvorem průměru do 1mm, špendlík. Provedení - varianta A Postavíme se proti jasnému zdroji rozptýleného světla (okno, monitor počítače, ...) Do jedné ruky uchopíme kartičku, do druhé špendlík (za špičku). Kartičku dáme do vzdálenosti 5–10 cm před oko, těsně u oka pak zdola zasouváme špendlík hlavičkou vzhůru tak, aby zornice, špendlík a otvor v kartičce byly v jedné přímce, viz obr. 1.1. Na prosvětleném pozadí otvoru uvidíme převrácený a relativně ostrý obraz špendlíku, viz obr. 1.2. Provedení - varianta B Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 2 Obrázek 1.1: Převrácení obrazu na sítnici – varianta A. Obrázek převzat z http://www.physics.umd.edu/lecdem/ Obrázek 1.2: Schématický obrázek převráceného obrazu špendlíku na sítnici Pokus lze provést i v jednodušší variantě, při které nejsou potřeba vůbec žádné pomůcky. Místo dírky v kartičce vytvoříme malý otvor jako štěrbinu mezi třemi prsty (viz. obr. 1.3). Poté těsně před oko zespodu přisouváme vztyčený prst druhé ruky. Otvor je prstem zastiňován shora, tedy z opačné stany, než je zasouván prst. Aby výsledky měly srovnatelnou kvalitu s provedením ve variantě A, musí být dírka dobře osvětlena zdrojem rozptýleného světla, a prst co nejblíže oku, jinak bude chybět jasný vjem ostrosti obrazu. Interpretace Experiment ukazuje dvě překvapivé skutečnosti: 1. obraz špendlíku je subjektivně převrácený, 2. obraz je ostrý. Oba efekty jsou důsledkem toho, že obraz není vytvořen čočkou, ale stínovou projekcí. Otázka č. 1 Jak funguje stínová projekce s použitím velmi malé dírky? Nakreslete obrázek s chodem paprsků. Stínová projekce s využitím malé dírky Špendlík je příliš blízko k oku – v mnohem menší vzdálenosti než je blízký bod – a tedy zobrazovací soustava oka není schopna na sítnici obraz Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 3 Obrázek 1.3: Malý otvor vytvořený mezi třemi prsty vytvořit. Špendlík je osvětlen malým zdrojem – otvorem – a vrhá na sítnici stín. Jeho ostrost je dána velikostí otvoru v papíru, a nikoliv schopností akomodace oka. Stínový obraz je sice přímý, ale protože lidský mozek interpretuje skutečný převrácený obraz vytvořený rohovkou a čočkou jako přímý, jeví se mu stínový obraz převrácený. Vše je zakresleno na obrázku 1.4. F F’ obraz dírky je za sítnicí, oko vidí dírku neostře špendlík stín špendlíku na sítnici dírka jako bodový zdroj světla oko akomodované na nekonečno Obrázek 1.4: Schéma chodu paprsků při pozorování převrácení obrazu na sítnici Otázka č. 2 Proč je při použití velké dírky obraz špendlíku neostrý? Nakreslete obrázek s chodem paprsků. Stínová projekce s využitím velké dírky Pokud je dírka velká, není již bodovým zdrojem světla, ale plošným. Lze to interpretovat například tak, že stín špendlíku je vytvářen jednotlivými Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 4 body dírky, a to na různých místech sítnice. Proto se stín špendlíku jeví jako neostrý. Situace je schématicky zakreslená na obrázku 1.5. F F’ obraz dírky je za sítnicí, oko vidí dírku neostře špendlík neostrý stín špendlíku na sítnici dírka jako plošný zdroj světla oko akomodované na nekonečno Obrázek 1.5: Schéma chodu paprsků při pozorování převrácení obrazu na sítnici – dírku nelze považovat za bodový zdroj světla 1.2. Převrácení obrazu na sítnici – simulace na optické lavici Optickou situaci z pokusu 1.1. lze ozřejmit simulací na optické lavici. Fyzikálně průhlednější experiment však postrádá působivost pokusu předchozího. Pomůcky Optická lavice, zdroj světla, T-stínítko, stínítko s otvorem o průměru 5 mm, čočka f = 20 cm, bílé stínítko. Provedení Experiment vyžaduje dobré zatemnění. Pokus sestavíme podle obrázku 1.6. T-stínítko osvětlíme zezadu silným zdrojem světla a zobrazíme čočkou na bílé stínítko. Asi 10 cm před čočku vložíme stínítko s otvorem. Zastínění velmi sníží intenzitu obrazu, ale při vhodné vzdálenosti T-stínítka od otvoru zůstane obraz písmene T celý. Je převrácený, jako vždy při skutečném obrazu. Pokud nyní vsouváme zespodu tyčku těsně před čočku, objeví se v místě obrazu její vzpřímený stín. Komentujeme protiklad převráceného obrazu vytvořeného čočkou a přímého stínu. Interpretace Stejná jako u pokusu 1.1., promyslete si podrobněji. 1.3. Otvorová vada oka Pomůcky AAA přípravek Provedení Pokus vyžaduje alespoň mírné zatemnění. Z přiměřené vzdálenosti pozorujeme objekt – prosvětlený AAA přípravek, nebo prezentaci na monitoru, viz obr. 1.7. Nejprve volným okem, potom přes otvor mezi prsty. Pozorujeme změnu ostrosti obrazu. Na „AAA přípravku“ je větší počet písmen „A“ různé velikosti, aby jejich míru čitelnosti bylo možné posoudit z různých vzdáleností od stínítka. Interpretace Kulová lámavá plocha v principu neposkytuje dokonalé zobrazení bodu na bod (a to ani v případě, kdy neuvažujeme vlnové jevy). Okrajové paprsky se lámou více než paprsky paraxiální. Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 5 T - stínítko stínítko s otvorem čočka bílé stínítko tyčka Obrázek 1.6: Simulace převrácení obrazu na sítnici na optické lavici A A A Obrázek 1.7: AAA přípravek – tři velikosti písmene A Otázka č.3 Proč při použití clony dojde k zaostření obrazu? Proč použití malé dírky obraz zaostří? Okrajové paprsky se lámou více, než paprsky paraxiální, tedy ohnisková délka středu čočky je větší než ohnisková délka okrajových částí čočky (pokud je v celé čočce stejný index lomu). Obě ohniska jsou zakreslena na obrázku 1.8. Částečným zacloněním čočky se její aktivní oblast omezí na menší část plochy – sníží se úhlová apertura – což vede sice ke snížení intenzity světla dopadajícího na sítnici, ale současně i k zlepšení ostrosti obrazu. Lidská čočka není ohraničena kulovou plochou, navíc index lomu čočky klesá směrem od optické osy, což obojí otvorovou vadu snižuje. Nicméně ani v oku tato vada není zcela odstraněna. Popsaný experiment je nutné provádět za velmi malého osvětlení, aby zornice oka byla maximálně rozšířena. Pohledem skrz otvůrek mezi prsty se úhlová apertura zmenší a ostrost obrazu se zvětší. 1.4. Otvorová vada oka – simulace na optické lavici Pokuste se sami sestavit experiment na optické lavici tak, abyste demonstrovali změnu ostrosti obrazu se zmenšením apertury čočky. Výsledek svého snažení ukažte vyučujícímu. Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 6 F1 F2 Obrázek 1.8: Okrajové a centrální paprsky mají různá ohniska 1.5. Hloubka ostrosti, pozorování vlastním okem Pomůcky Žádné Provedení : Varianta A pro studenty s normálním zrakem a dalekozraké Snažte se zaostřit z co nejmenší možné vzdálenosti drobný text, vlastním okem bez použití brýlí. Pak text přibližte na zlomek této vzdálenosti – na polovinu až čtvrtinu. Při pohledu přes otvor mezi prsty z obr. 1.3 se obraz opět zaostří a je možné s větším zorným úhlem rozlišit mnohem menší detaily předmětu. Provedení : Varianta B pro studenty krátkozraké Pohled přes otvor mezi prsty umožňuje zaostřit i na vzdálené předměty (např. na nápis na tabuli), na který krátkozraké oko bez brýlí nezaostří. V obou variantách je efekt výraznější za horších světelných podmínek. Interpretace Hloubkou ostrosti myslíme interval předmětových vzdáleností, ve kterém se nám jeví obraz předmětu stále ostrý. Existence nenulové hloubky ostrosti je dána jednak omezeným rozlišením našeho oka – tj. omezenou schopností oka či jiného zobrazovacího prvku ostrost obrazu posoudit – a jednak ohybem světla na vstupní pupile zobrazovací soustavy, který vznik obrazu nevyhnutelně doprovází. Z vlnové teorie zobrazení vyplývá pro hloubku ostrosti vztah: ∆h = ± λ 2 sin2 σ kde λ je vlnová délka a σ úhlová apertura (= úhlová šířka svazku vcházejícího z bodového zdroje do vstupní pupily čočky). Otázka č.4 Jak lze tedy dosáhnout zvětšení hloubky ostrosti? Zkuste nakreslit obrázek. Interpretace hloubky ostrosti Zmenšení průměru vstupní pupily, tedy zmenšení apertury, vede ke zvětšení hloubky ostrosti (viz obr. 1.9). S využitím hloubky ostrosti můžeme dosáhnout ostrého vidění i pro předmět v kratší vzdálenosti, než je blízký bod, a nebo naopak ve větší vzdálenosti než bod daleký. V kapitole 2. budeme hovořit o tom, že bod zaostřený na sítnici není bodem, ale má rozměr Airyho difrakčního disku (viz 2.). Bod v jiné obrazové rovině se nám může jevit na sítnici zaostřený, pokud světelná stopa svazku vytvářejícího obraz bodu před či za sítnicí má na sítnici průměr srovnatelný s velikostí Airyho disku. Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 7 σ ±Δh nezaostřený bod malá apertura zaostřený bod difrakční limit, limit detektoru nezaostřený bod velká apertura Obrázek 1.9: Hloubka ostrosti: nezaostřený bod se zobrazí jako kroužek o průměru závisejícím na průměru vstupní pupily. Experiment je přesvědčivější ve variantě A, pro normální a dalekozraké oko. Ve variantě B splývá s pokusem 1.3.. Oddělení interpretace pokusů 1.3. a 1.5. je problematické, protože v subjektivním vjemu jsou výsledky obou pokusů v podstatě shodné – zlepšení zrakové ostrosti. I fyzikálně se oba efekty částečně překrývají, přesto je však lze odlišit. V případě pokusu 1.3. jde o zaostření v situaci, ve které oko správně akomoduje, ale zobrazení je rozostřeno nedokonalostí optické soustavy. Na druhé straně v pokusu 1.5. je dosaženo ostrého obrazu i v oblasti velmi vzdálené od intervalu akomodace oka. 2. Lidské oko a vlnová optika Člověk vlnovou povahu světla běžně nevnímá. Přesto vlnový jev – difrakce – je tím, co omezuje rozlišení oka. Na zornici dochází k difrakci, v jejímž důsledku se rovinná monochromatická vlna nezobrazí na sítnici jako bod, ale vytvoří difrakční obrazec, viz obr. 2.10. α F´ f D I x Δρ Obrázek 2.10: Difrakce na kruhovém otvoru – rovnoběžný svazek nezaostří čočka v bod, ale vznikne difrakční obrazec Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 8 Je lidské oko optimalizováno? Ve Fraunhoferově aproximaci (dopadající vlnu lze považovat za rovinnou) plyne pro průměr centrálního maxima (tzv. Airyho disku) vztah ∆ρ = 1, 22 λf D/2 kde λ je vlnová délka světla, D průměr difrakčního otvoru a f ohnisková vzdálenost čočky. Po dosazení běžných hodnot dostaneme ∆ρ = 5 µm (opět viz obr. 2.10). S použitím Rayleighova kritéria (dva objekty jsou na hranici rozlišení, jestliže centrální difrakční maximum jednoho padne do prvního minima druhého) vychází pro úhlové rozlišení oka Θ = 1, 22 λ D = 1 . Z fyzikálního pohledu vychází mezní rozlišení lidského oka jedna úhlová minuta. Z technického či biologického hlediska je však prostorové rozlišení zobrazovací soustavy omezeno také hustotou světlocitlivých detektorů – pixelů. Pro oko je rozhodující hustota čípků ve žluté skvrně. Aby byly dva svítící body rozlišeny, musí být dva osvětlené čípky sítnice odděleny jedním čípkem neosvětleným. Střední vzdálenost čípků ve žluté skvrně je asi 2 µm. Mezní rozlišení tedy nastane v případě, kdy středy Airyho disků budou od sebe vzdáleny asi 4 µm, což je hodnota velmi blízká jejich průměru. Je tedy pozoruhodné, že rozlišovací schopnost oka vychází prakticky identická jak z fyzikálního, tak i anatomického pohledu. To znamená, že oko je svojí stavbou optimalizováno tak, aby bylo využito mezí daných fyzikálními zákony. 2.1. Ohyb modrého a červeného světla, přímé pozorování okem Pomůcky Přípravek s modrou a červenou LED diodou, difrakční mřížky z hedvábného šátku a další difrakční objekty. Provedení Pokus je třeba provádět v zatemněné místnosti, úplná tma však není nutná. Z dostatečné vzdálenosti pozorujte svítící přípravek s modrou a červenou diodou. Nejprve přes otvor vytvořený mezi prsty dle obr. 1.3. Vzájemným stiskem prstů je možné měnit velikost otvoru, a tak sledovat vliv velikosti na difrakční obrazec. Ke zřetelnému ohybovému jevu dojde až při velmi malé velikosti otvoru, tedy silném stisku prstů. Zřetelnější je rozdíl mezi difrakčním obrazcem pro červené a modré světlo při pozorování přes difrakční mřížku z hedvábného šátku. Interpretace Velikost difrakčního obrazce je přímo úměrná vlnové délce světla (viz také interpretace pokusu 1.4.). Červené světlo má téměř dvojnásobnou vlnovou délku ve srovnání se světlem modrým, difrakční obrazec pro červené světlo je na stejném otvoru zřetelně širší. 2.2. Ohyb zeleného a červeného světla, difrakce na štěrbině Pomůcky Optická lavice, červený a zelený laser v úhlovém manipulátoru, štěrbina, kruhový otvor s průměrem 50 µm. Provedení Na optickou lavici umístíme za sebe červený a zelený laser tak, aby zadní svítil těsně nad předním. Oba laserové svazky namíříme do stejného místa vertikální štěrbiny, tím vyloučíme vliv nestejné šířky štěrbiny. Na vzdáleném stínítku pozorujeme oba nad sebou umístěné difrakční obrazce. Změnou šířky štěrbiny měníme šířku difrakčních obrazců. Difrakce na kruhovém otvoru je fyzikálně věrnější demonstrací difrakce na oční pupile, experiment je však náročnější na geometrické nastavení. Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 9 Výsledek pokusu srovnejte kvantitativně. Odměřte vzdálenost některého specifického rozměru, například vzdálenost obou minim druhého řádu. Poměr vzdáleností srovnejte s poměrem vlnových délek (λC = 635 nm, λZ = 532 nm). Pozor!! Oba lasery jsou třídy IIIa a je nutné se vyvarovat přímému zasažení oka! Interpretace ohybových experimentů Rozložení intenzity na stínítku při difrakci na štěrbině je ve Fraunhoferově aproximaci dáno vztahem I(x) = Io sin πd x λ r πd x λ r 2 kde d je šířka štěrbiny, r vzdálenost stínítka od štěrbiny a x souřadnice měřená na stínítku. Pro difrakci na kruhovém otvoru platí vztah I(ρ) = Io   2J1 2πR ρ λ r 2πR ρ λ r   2 kde R je poloměr difrakčního otvoru, ρ je polární souřadnice na stínítku a J1 je Besselova funkce 1. řádu – viz obr. 2.11 (průběh funkce 2J1(x) x je velmi podobný funkci sin x x ). 0 5 10-5-10 x 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00 2J₁(x) xsin x x 1,00 0,2 0,4 0,6 0,8 -0,2 0 -10-15 10 155-5 x 1,22ππ Obrázek 2.11: Průběh argumentu intenzitní funkce I(x) při difrakci štěrbině a I(ρ) při difrakci na kruhovém otvoru. Nulové hodnoty těchto argumentů určují polohu minim intenzitních funkcí. Vzájemná vzdálenost minim prvního řádu je v případě štěrbiny rovna ∆x = 2 λ r d a pro kruhový otvor je průměr prvního tmavého kroužku roven ∆ρ = 1, 22 λr R , což je výše uvedený průměr Airyho disku. Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 10 V obou případech jsou vzdálenosti minim (a jiných charakteristických rozměrů) přímo úměrné vlnové délce, což vysvětluje pozorovaný jev. 3. Fyziologie oka 3.1. „Afterimage“ – falešný obraz Pomůcky Počítač Provedení : Varianta A, s využitím barevného vidění Otevřte v počítači soubor vlajka.pdf, viz obr 3.12. Sledujte asi 20 s bez pohnutí očima červený bod uprostřed. Pak přesuňte svůj pohled na čistě bílou plochu. Co uvidíte? Obrázek 3.12: Vlajka pro vytvoření falešného obrazu – sledujte bez pohnutí očima červený bod uprostřed, pak přesuňte pohled na bílou plochu Provedení : Varianta B, dohoň šneka Totéž vyzkoušejte se souborem snek.pdf, viz obr. 3.13, zaměřte se na křížek. Obrázek 3.13: Šnek pro vytvoření falešného obrazu – sledujte bez pohnutí očima křížek, pak přesuňte pohled na hlavu Interpetace Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 11 V interpretaci pokusu varianty A se kombinují dva efekty: zraková únava a mechanismus barevného vidění. Při absorpci fotonu dojde v buňkách k chemické změně. Konkrétně v tyčinkách je opticky aktivní molekula rodopsinu, přesněji její část zvaná retinin, která po absorpci fotonu změní izomerii z cis na trans, viz obr. 3.14. Před další detekcí je nutná rekonstrukce chemických vazeb, která vyžaduje určitý čas. Můžeme tedy říci, že intenzivní detekce oko svým způsobem unavuje. CH3 CH3 N CH3 CH3 CH3 trans retinin CH3 CH3 N CH3 CH3CH3 cis retinin Obrázek 3.14: Izomery retininu Barevné vidění je zprostředkováno trojicí druhů čípků s maximy citlivosti v oblasti červené, zelené a modré barvě. Pokud je určitá část sítnice osvětlena po určitou dobu například červeným světlem, „unaví“ se nejvíce červené čípky. Při následném pohledu na bílé plátno je signál z unavených červených čípků nejslabší a my vnímáme směs zelené a modré barvy, tedy barvu azurovou. Otázka č.5 Interpretujte vznik jednotlivých falešných barev naší vlajky. Interpretace falešných barev naší vlajky Falešný vjem modrého trojúhelníku na státní vlajce je vyvolán tak, že jsou pohledem na žlutou plochu nejvíce unaveny červené a zelené čípky (žlutá je směs zelené a červené). Modré čípky jsou unaveny nejméně, a proto je po osvětlení bílým světlem signál z modrých čípků nejsilnější. Podobně je tomu i v případě jiných barev. Otázka č.6 Na naší státní vlajce není zelená barva. S využitím například programu „Malování“ připravte experiment tak, abyste uviděli falešné zelené pole. Při strnulém zírání na určitý obraz jsou oblasti různě unavených světločivných buněk pevně svázány s povrchem sítnice. Pohneme-li očima, pohne se i falešný obraz. Proto není možné přímo pohlédnout na část obrazu, která je otisknuta mimo oblast nejostřejšího vidění, a proto tedy šnek ve variantě B před přímým pohledem uniká. 3.2. Adaptace na tmu, změna citlivosti sítnice Pomůcky Žádné, pouze možnost zatemnit místnost. Provedení Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 12 Pozorujte asi dvě minuty silně osvětlenou scénu s jedním okem těsně přikrytým rukou. Pak se místnost zatemní a zůstane osvětlena jen velmi slabě. Zakryté oko odkryjte. Nyní je oko, které bylo při silném osvětlení odkryté, jakoby slepé. Rozdíl ve vnímání je zvláště markantní, pokud v šeru střídavě pozorujeme jedním a druhým okem. Interpretace Sítnice zakrytého oka je lépe adaptována na malé osvětlení, než sítnice oka, které pozorovalo silně osvětlenou scénu. Roli hraje také zraková únava nezakrytého oka. Proto při sníženém osvětlení vidí oko, které bylo dříve zakryté, lépe. 3.3. Adaptace na tmu, změna velikosti zornice Pomůcky Krabička od kinofilmu s malým otvorem ve dně. Provedení Jedno oko přikryjeme krabičkou od filmu tak, že k oku přitlačíme volný otvor krabičky a dno s malou dírkou máme přímo naproti oku. Otvor ve dně vidíme jako malý světlý kroužek. Pokud střídavě zakrýváme a odkrýváme druhé volné oko, průměr světlého kroužku se zvětšuje, resp. zmenšuje. Interpretace Oko není schopné zaostřit akomodací na blízký otvor ve dně krabičky. Průměr „obrazu“ otvoru na sítnici tedy není dán velikostí otvoru, ale zejména aktuální velikostí zornice, viz obr. 3.15. sítnice zornice krabička obraz na sítnici Obrázek 3.15: Optické schéma změny průměru zornice při adaptaci na tmu Při adaptaci na osvětlení se zornice obou očí upravují částečně synchronně. Proto při odkrývání a zakrývání volného oka se mění průměr zornice i u oka přikrytého krabičkou a změnu průměru zornice pozorujeme jako změnu velikosti obrazu otvoru ve dně krabičky. Otázka č.7 U většiny lidí je jedno oko „řídící“, podílí se na vidění dominantně. Řídící oko poznáme tak, že pokud do vzdálenosti, v níž pohodlně zaostříme, umístíme svislý předmět (prst, tužku) a řídící oko zavřeme, „odskočí“ obraz tužky stranou. Pokud zůstane řídící oko otevřené a zavřeme druhé oko, obraz se nepohne. Závisí výsledek předchozího experimentu na tom, zda zakrýváme řídící oko, či nikoliv? Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 13 3.4. Adaptace na tmu, změna velikosti zornice – simulace na optické lavici Pokuste se sami sestavit experiment na optické lavici tak, abyste demonstrovali změnu pozorovaného obrazu na sítnici při změně velikost zornice. Výsledek svého snažení ukažte vyučujícímu. 3.5. Reakční doba v centrální a periferní části sítnice Pomůcky Frekvenční generátor, 2 LED diody. Provedení Obě LED diody napájíme z téhož výstupu generátoru. Umístíme je tak, aby jedna byla ve středu zorného pole a druhá na straně, v periferním vidění. Zvyšujeme frekvenci generátoru až do té hodnoty, kdy nerozlišíme, že LED dioda v centru zorného pole bliká. Blikání druhé LED diody však stále lze rozlišit. Interpretace V periferní části sítnice jsou světločivné buňky rychlejší – mají kratší integrační dobu detekce světla. Tento fakt má dobrý evoluční důvod – rychlost reakce zraku v periferním vidění umožňuje registrovat pohyb a reagovat na možné ohrožení. 3.6. Prostorové vidění Pomůcky Počítač, 2 web kamery na posuvné liště, zrcadlový stereoskopický přípravek. Provedení Zapojíme dvě web kamery do USB portů a na počítači spustíme program 3Dskop, který zajistí zobrazení projekce z obou kamer vedle sebe na dvě stejná pole jednoho monitoru. K monitoru přiložíme zrcadlový stereoskopický přípravek, viz obr. 3.16. USB kamery na posuvné liště umístíme nejprve asi 15 cm od sebe. Při pohledu do přípravku nastavíme úhlovým manipulátorem pravé zrcadlo tak, aby dvojobraz výrazného vzdálenějšího objektu v místnosti splynul v jediný obraz. Pozorujeme prostorový vjem, jehož míru můžeme ovlivnit změnou vzdálenosti web kamer. Při změně vzdálenosti obou kamer je nutné úhlovým manipulátorem vždy dostavit splynutí dvojobrazu, protože na rozdíl od dvojice očí nemění kamery vzájemné úhlové nastavení (sbíhavost očí). Interpretace Prostorový vjem při zrakovém vnímání je zajištěn dvojicí očí, kdy každé oko pozoruje scénu pod jiným úhlem. Zrcadlový stereoskop zajistí, že obraz z různých kamer je sledován různýma očima. Změnou vzdálenosti kamer je zaručena změna míry prostorového vnímání. Úhlové doladění zrcadlem je nutné proto, že dvojice kamer nenastavuje sbíhavost automaticky tak jako lidské oči. 3.7. Simulace jednoduchého oka Řada živočichů pro vnímání okolního světa používají orgánů odlišných od komorového oka. Organismy jako červi, larvální stadia hmyzu i dospělí jedinci atd. mají na hlavě jednotlivá jednoduchá očka, tzv. ocelli nebo stemmata. Tyto detektory umožňují detekci světla dopadajícího na ně z určitého prostorového úhlu, avšak nikoliv vznik obrazu. Rozmístěním více detektorů či pouhým pohybem těla a natáčením očka může živočich získávat informaci o svém okolí. Podobně hadi z podčeledi chřestýšovití (nebo i upíři) jsou kromě komorových očí vybaveni jednotlivými, avšak velmi citlivými termoreceptory, kterými jsou schopni ve Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 14 PC kamera 1 soustava zrcadel pozorovatel LCD displej s obrazy scéna kamera 2 Obrázek 3.16: Pomůcky pro demonstraci fungování prostorového vidění svém okolí registrovat zdroje infračerveného záření o vlnových délkách 5 – 30 µm. Tyto detektory ale pracují na zcela odlišném principu (viz obr. 3.17). Složením více tzv. omatidií (300 – 25000) lze vytvořit zrakový orgán, který má schopnosti komorového oka (vnímání tvarů, jasu, pohybu, prostorového umístění). Světlo, které dopadne z příslušného směru na povrch jednotlivého omatidia, je koncentrováno čočkou do tzv. krystalinního kužele, kterým je převedeno až do místa fotoreceptivní buňky. Kombinací více fotoreceptorů lze dokonce dosáhnout i barevného vidění. V tomto experimentu si ukážeme, že postupným natáčením jednoduchého detektoru můžeme zobrazit okolní scénu i bez složeného detektoru a zobrazovací soustavy. Omatidium nahradíme např. fotodiodou, hadí „oko“ zrealizujeme pomocí infračerveného teploměru, registrujícího vlnové délky 8 – 14 µm. Měření výstupu detektoru, jeho natáčení a přenos dat do PC po sériové lince RS-232 zajistí mikrokontroler Atmega128. Získané výsledky budou pouze ilustrativní a nelze srovnávat se schopnostmi skutečného hmyzího/hadího oka. Úkoly: 1. Do vhodné vzdálenosti před oko postavíme kontrastní předmět (osobu, horký vařič, světelný zdroj apod.). 2. Zapneme napájení pro serva a infrateploměr. 3. Zkontrolujeme, zda je deska s mikrokontrolerem připojena přes USB k počítači. 4. Spustíme program Omatidium. 5. Měření spustíme tlačítkem Start. Výsledek pozorujeme v okně programu. Kvalitnější snímek se často objeví až při přeškálování intenzit po dokončení snímání obrazu. Návody pro fyz. praktikum (verze 10. ledna 2012) 15 axon fotoreceptoru čočka krystalinní kužel fotoreceptivní buňka rhabdom vnější dutina vnitřní dutina TG nervová vlákna membrána termoreceptor jednoduchá očka složené oko omatidium termoreceptor Obrázek 3.17: Základní jednotka složeného oka, omatidium, u hmyzu a termoreceptor u chřestýšovitých. Obrázek 3.18: Obraz scény v IR oblasti v odstínu šedi a nepravých barvách používaných u termovize.