Глаза поворот вокруг оси

Описание

Глаз — это широкоугольная оптическая система, т. е. система с большим полем зрения. Поле зрения глаза исследуют с помощью приборов, называемых периметрами.

На рис. 26

Рис. 26. Периметр проекционный ПРП-60

изображен периметр проекционный ПРП-60, изготовляемый и Советском Союзе. Голова испытуемого фиксируется подбородником 7. Исследуемый глаз совмещается с центром дуги 6. Другой глаз прикрывается заслонкой. Испытуемый должен смотреть на фиксационную точку 4, помещенную в середине дуги 6. Проектор 3 и поворотное зеркало 5 дают на дуге 6 изображение тест-объекта — овального светлого пятна. Врач, поворачивая зеркало 5 с помощью барабана 1, смещает тестовое пятно от центра к периферии дуги до тех пор, пока не услышит возгласа испытуемого «не вижу», означающего, что пятно перешло границу его поля зрения. В этот момент врач нажимает на штифт регистрирующего устройства 2 и делает прокол на укрепленном под ним бланке. Такое же измерение делается при отводе тест-объекта в другую сторону по дуге периметра. Затем врач поворачивает дугу вместе с проектором вокруг горизонтальной оси, проходящей через фиксационную точку, и проводит измерения в другом меридиане, потом в третьем и т. Д.

Поле зрения человека зависит от многих факторов: от яркости, размера и контраста тестовой марки, от ее цвета и т. д. Имеются и значительные индивидуальные различия. Все же можно говорить о некоторых средних величинах поля зрения. Наглядное представление о них дает рис. 27.

Рис. 27. Поле зрения каждого из глаз и общее бинокулярное поле

Жирная линия очерчивает поле одного глаза. Белое пространство в середине графика — область бинокулярного зрения. Косо заштрихованные поверхности — поля, видимые только одним глазом.

По рисунку видно, что поле зрения одного глаза по горизонтали в направлении к носу 60°, к виску 90° (всего 150°), по вертикали вверх 50°, вниз 70°.

Суммарное поле зрения обоих глаз по горизонтали 180°. Значит глаза охватывают взглядом одновременно половину горизонта.

Однако острота зрения быстро падает от центра сетчатки к периферии. Зависимость между предельным углом ? (в минутах) и угловым расстоянием и тест-объекта от зрительной оси (в градусах) можно получить по формулам, которыми мы аппроксимировали экспериментальные данные Пинегина и Травниково:

Таким образом, на расстоянии 16° от оси острота зрения уже в 3 раза меньше, чем в центре. Мы видим предмет, но рассмотреть его детально не можем. И здесь помогает подвижность глаз.

Глаза быстро и согласованно поворачиваются в сторону привлекшего внимание предмета и фиксируются на какой-нибудь его точке. Если предмет не очень мал, глаза последовательна останавливаются на ряде его точек, происходит то, что мы называем рассматриванием предмета. При этом в каждой очередной точке фиксации сходятся оси обоих глаз. Перевод глаза на тот или иной предмет, либо на ту или иную точку фиксации происходит по нашей воле — это произвольные движения глаз. В отличие от этого схождение осей обоих глаз нам не приходится регулировать сознательно: конвергенция происходит автоматически. Этот автоматизм исключительно стабилен и точен: даже если точку фиксации заслонить от одного глаза, его ось все равно будет направляться в точку фиксации видящего глаза.

Для регистрации движения глаз применяются разные способы, обзор которых дан в книге Ярбуса. Опишем здесь только некоторые из них.

Электроокулография. Между роговицей и склерой существует некоторая разность потенциалов. Если приложить пару электродов к участкам кожи, расположенным с разных сторон около глаза, разность потенциалов между ними будет изменяться в зависимости от поворота глаза в довольно большом диапазоне пропорционально углу поворота. Измерение угла поворота с помощью электроокулографии можно производить с точностью примерно 1°. Преимущество метода заключается в том, что он не требует жесткого крепления головы испытуемого.

Широко применяются различные оптические методы регистрации, в частности метод роговичного блика.

Роговичный блик — это мнимое изображение источника света, образующееся при отражении его в роговице, как в выпуклом сферическом зеркале. Центр вращения глаза лежит внутри глазного яблока на расстоянии приблизительно 13,5 мм от вершины роговицы, а центр кривизны роговицы — на расстоянии 6,8 мм. Изображение источника света получается приблизительно в фокусе поверхности роговицы, т. е. па расстоянии 3,4 мм от роговицы и 10,1 мм от центра вращения глаза. Поэтому при повороте глаза блик смещается, причем это смещение приблизительно пропорционально углу поворота.

В устройстве, описанном в статье, блик создается осветителем, снабженным фильтром КС-19, пропускающим в основном инфракрасный свет, не раздражающий глаз испытуемого. Роговичный блик с помощью объектива проецируется на фотоприемник, в качестве которого использован инверсионный фотодиод, позволяющий определить угол поворота глаза в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Если такое устройство закрепить на голове испытуемого, чтобы исключить ошибки, связанные со смещением головы, углы поворота глаз можно регистрировать с точностью до 20′.

Появление контактных линз позволило создать устройства, в которых для регистрации поворота глаз используется световой луч, отраженный от зеркальца, укрепленного на контактной линзе или вшлифованного в нее. Ярбус вместо контактной линзы широко применяет различные конструкции легких присосок, укрепляемых на поверхности роговицы анестезированного глаза.

В результате применения различных методов регистрации движение глаз изучено довольно хорошо.

Произвольный поворот глаз на большие углы (более 1°) называют саккадическим движением глаз. В экспериментах часто используют стимулы в виде света ламп, вспыхивающих з разных местах поля зрения. Саккадическое движение производится с большой скоростью. Оно начинается через 0,2 с после включения стимула и происходит со скоростью, которая тем больше, чем больше угол поворота. Полная продолжительность движения мало зависит от его амплитуды и сохраняется в пределах 0,05—0,06 с. Ускорения при саккадическом движении очень велики, так что примерно за сотую секунды достигается уже максимальная для данной амплитуды скорость. При повороте на 10° она равна 300°/с, при повороте на 30°—500°/с.

Два угла поворота зрительной оси определяют две координаты точки, на которую обращен взор. Но мир трехмерен, и зрение должно давать все три координаты каждого предмета. Третья координата — расстояние l до предмета осознается человеком в основном благодаря конвергенции и стереоскопичности зрения.

Как известно, расстояние до предмета, не приближаясь к нему, можно определить геометрическим путем, если известна длина некоторого отрезка — базы. Нужно из каждого конца базы измерить угол, составляемый с базой направлением на объект, и затем по одной стороне (базе) и двум углам построить треугольник, определив таким образом длину двух других его сторон. У человека базой служит расстояние между зрачками. У разных людей оно колеблется в пределах от 52 до 76 мм, и для расчетов его можно принять равным 62 мм.

Из рис. 28

Рис. 28. Схема конвергенции и стереоэффекта

видно, что угол конвергенции а для любой точки пространства равен, параллаксу этой точки по отношению к базе bг. Очевидно, что

При малых углах конвергенции tg(?/2) ? ?/2 и поэтому

При переводе взгляда с точки А на точку А1 угол ? уменьшается, и мы чувствуем, что А1 дальше А. Конвергенция, связанная с определенным напряжением глазных мышц, дает нам возможность оценивать расстояние до точки фиксации. Фактически нам не обязательно переводить взгляд с одной точки на другую, чтобы ощутить разницу в расстояниях до них. Смотря на точку А, мы непосредственно чувствуем большую удаленность точки A1 ощущаем разницу ?l в расстоянии между ними. Это ощущение различия в расстоянии, ощущение трехмерности, рельефа предметов при бинокулярном зрении называется стереоэффектом.

Когда человек смотрит на звездное небо, оси его глаз параллельны и изображения любой звезды в обоих глазах попадают в точки, лежащие на одинаковых меридианах и на равном расстоянии от зрительных осей глаз. Такие точки называются идентичными. Изображения звездного неба на обеих сетчатках совершенно тождественны.

Иначе обстоит дело при наблюдении более близких предметов. В левом глазу (см. рис. 28) изображение точки А, (так же как и точки А) лежит на зрительной оси, а в правом глазу — на расстоянии А’ А1′ от оси. Значит, эти точки неидентичны. Именно эта неидентичность, определяемая разностью параллактических углов ??, создает непосредственное ощущение, что точка А1 дальше точки А.

При взгляде на окружающие нас предметы мы получаем на сетчатках обоих глаз разные изображения, но в мозгу они сливаются в одну трехмерную картину.

Оценим минимальную разницу в расстоянии ?l, ощутить которую дает нам возможность стереоскопическое зрение. Продифференцируем формулу (52):

Считая, что ?? ? ?, а ?l ? l заменим дифференциалы конечными приращениями:

откуда

Способность зрения ощущать разность параллактических углов очень велика. Обычно считают, что минимальная, еще ощутимая разность ?? параллактических углов равна 10″. Отсюда следует, что при l =1 м ?l = 0,8 мм; при l = 10 м ?l = 8 см; при l = 100 м ?l = 8 м.

Мы видим, что из-за квадратичной зависимости при увеличении расстояния погрешность в его оценке быстро растет. При l = 1300 м сам параллакс ? = 10″. Поэтому все предметы, находящиеся на расстоянии 1,3 км и дальше, кажутся нам одинаково удаленными.

В какой-то степени расстояние до близких предметов можно определять и одним глазом. Оценка расстояния при монокулярном зрении производится по напряжению аккомодации, необходимой для отчетливого видения объекта. Однако, глубина резкости при фокусировке глаза довольно велика, что обусловлено малым размером зрачка. В сущности, при монокулярном зрении диаметр зрачка служит базой, а поскольку он значительно меньше расстояния между зрачками, гораздо меньше и точность монокулярного определения расстояния.

При монокулярном зрении нет двух одновременных картин, соответствующих сетчаткам разных глаз, и, следовательно, механизм непосредственного восприятия рельефа вовсе отсутствует. Правда, закрыв один глаз, мы как будто продолжаем ощущать объемность предметов, но это результаты своего рода иллюзии, которой помогает ряд факторов: память (мы только что видели те же предметы двумя глазами), видимый размер предметов, линейная перспектива, загораживание одних предметов другими. Люди, лишенные одного глаза, теряют непосредственное ощущение третьего измерения (глубины) и стараются восполнить этот недостаток большей подвижностью сохранившегося глаза и движениями головы для наблюдения одной и той же картины из разных точек.

Художник, используя линейную и воздушную перспективу, передает на плоском холсте трехмерность лежащего перед ним мира. Интересно отметить, что в силу описанных выше свойств зрения зритель воспринимает картину более рельефной, если смотрит на нее одним глазом.

До сих пор движению глаз мы противопоставляли их фиксацию, т. е. как будто неподвижное состояние. Однако точные исследования показали что глаз никогда не бывает неподвижен. Движется он и при фиксации точки. В процессе фиксации глаз совершает три рода движений:

1. Тремор — колебания зрительных осей глаз с амплитудой около одной угловой минуты и с частотой от 30 до 90 Гц. Направление перемещения и частота при треморе постоянны и хаотически меняются.
2. Дрейф — медленные, также хаотически меняющиеся по скорости и направлению повороты глаз. Скорость движения при дрейфе от нуля до 30 угловых минут в секунду, средняя скорость примерно 6 минут в секунду. Продолжительность одного дрейфа может доходить до двух секунд, но чаще всего лежит в пределах от 0,2 до 0,8 с. Изображение фиксируемой точки перемещается по центральной ямке, но не выходит за ее пределы.
3. Маленькие непроизвольные скачки. В отличие от саккадических движений, производимых сознательно при перемещении точки фиксации, маленькие скачки не ощущаются наблюдателем. Их назначение — приблизить зрительную ось к точке фиксации, от которой ось отошла в процессе дрейфа. Амплитуда маленьких скачков лежит в пределах от 2 до 60′, причем совершаются они обоими глазами строго синхронно и согласованно. Продолжительность этих скачков 0,01—0,02 с. Они, как и дрейф и тремор, совершенно не заметны наблюдателю, которому кажется, что он постоянно фиксирует одну точку неподвижным взором.

Мы узнали, что изображения объектов, на которые смотрит человек, перемещаются по сетчатке довольно сложным, беспорядочным образом. Опыт показывает, что такая подвижность изображения не только полезна, но даже необходима для зрительного восприятия. Экперимент заключается в том, что изображение искусственно делали неподвижным относительно сетчатки.

Дичберн достигал стабилизации с помощью оптической системы, включающей в себя зеркальце на контактной линзе, надетой на глаз. Луч от тест-объекта, прежде чем попасть в глаз, проходил довольно сложный путь, в частности отражался от зеркальца на контактной линзе. А так как зеркальце двигалось вместе с глазом, можно было осуществить компенсацию смещения изображения объекта на сетчатке.

Ярбус достигал той же цели более простым способом. На роговице перед зрачком укреплялась присоска с миниатюрной линзой, в фокусе которой помещался тест-объект в виде укрепленной на той же присоске пластинки молочного стекла с какой-нибудь фигурой на ней. Так как после линзы от каждой точки молочного стекла в глаз входил пучок параллельных лучей, изображение тест-объекта фокусировалось на сетчатке эмметропического глаза без аккомодации. В случае аметропии фокусировка достигалась смещением молочного стекла относительно линзы. Будем называть изображение, неподвижное относительно сетчатки, стабилизированным изображением. Другой глаз при опытах со стабилизированным изображением обычно закрывался черной повязкой. Поэтому о нем мы в дальнейшем говорить не будем за исключением особых случаев, когда его оставляли открытым.

Дичберн и Гинсборг констатировали, что при стабилизации изображения оно перестает быть устойчиво воспринимаемым: испытуемый только временами видит тест-объект, а большую часть времени он остается невидимым.

Ярбус показал, что через 1—3 с после начала опыта тест-объект становится невидимым на все время опыта, длящегося несколько минут. Временные появления тест-объекта в опытах Дичберна и Гинсборга объяснялись, видимо, нарушением стабилизации в условиях их сложной установки. Что же видит испытуемый после исчезновения тест-объекта? По словам испытуемых, перед их глазом было сплошное поле, у некоторых — темно-серое, у других — черное или просто тьма. Ярбус предложил называть это пустым полем, показав, что считать его черным нельзя. Дело в том, что если на молочное стекло отбросить тень тонкого предмета, испытуемый сразу увидит черную тень. Увидит потому, что изображение на сетчатке изменилось. Но видеть черное на черном нельзя. Значит, пустое поле отличается от черного. Для пустого поля характерно, что оно кажется однородным, на нем неразличимы никакие детали.

Если какая-то часть тест-объекта сместится, она сразу станет видимой на 1—3 с, а затем всю картину снова затопит пустое поле.

Видимость можно восстановить не только перемещением тест-объекта или его деталей, но и изменением яркости молочной пластинки. В одной серии опытов тест-объект состоял из молочной пластинки, видимой испытуемым под углом 17й, и черных пятен на ней с угловыми размерами 6′, 4′, 2′, 1,5′ и 1′. Молочная пластинка освещалась прерывистым светом с частотой мельканий от 1 до 50 Гц.

Пока частота мельканий составляла 1—4 Гц, пустого поля не образовывалось и испытуемый на фоне мелькающего круга видел все пять черных .пятен. При частоте 5 Гц самое малое пятно пропадало, слипалось с фоном. При частоте 6 Гц оставалось видимым только самое большое пятно (или два). При частотах 7—9 Гц все пятна исчезали — видимым оставался только мелькающий круг. При частотах 10—11 Гц снова восстанавливалась видимость двух (иногда трех) больших пятен, затем они исчезали и опять оставался видимым только круг. При критической частоте мельканий (в опыте ома была равна 30 Гц) исчезал и круг — образовывалось оплошное пустое поле.

Можно восстановить восприятие и плавным изменением яркости, если это изменение происходит достаточно быстро. В опытах Ярбуса молочное стекло присоски было закрыто черной бумагой, в которой было сделано круглое отверстие диаметром 11°. Этот кружок был пересечем черной нитью толщиной в 3′. При неизменной яркости кружка L0 ом быстро переставал быть видимым— на всем поле зрения устанавливалось пустое поле. Затем яркость кружка начинали менять со скоростью dL/dt. При большой скорости испытуемый начинал видеть и кружок и нить. При несколько меньшей — только кружок. Можно было подобрать такую скорость dL/dt, при которой на фойе кружка были видны только отдельные части нити. Эта скорость и считалась пороговой. Оказалось, что пороговая скорость тем больше, чем больше начальная яркость L0. Но величина

не зависит от начальной яркости. Было установлено, что в описанном опыте с кружком и нитью

Интересно отметить, что от знака dL/dt зависел видимый цвет кружка. При увеличении яркости кружок казался испытуемому оранжеватым, а при уменьшении — синеватым или даже синим.

В естественных условиях быстрые изменения яркости окружающих объектов происходят редко. Далеко не всегда в поле зрения находятся и движущиеся объекты. Поэтому изменения в сетчаточных изображениях происходят в основном вследствие движения глаз, как произвольного, так и непроизвольного в процессе фиксации. И только движение глаз позволяет нам непрерывно видеть окружающий мир.

—-

Статья из книги: Глаз и свет | Луизов А.В.