Пороговая чувствительность сетчатки человеческого глаза к видимому свету
Учёные создали прибор, имитирующий работу человеческого глаза. По ряду параметров он превосходит свой естественный аналог.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature группой во главе с Чжиюном Фанем (Zhiyong Fan) из Гонконгского университета науки и технологий.
Искусственные глаза, выполняющие функции природного органа, могли бы вернуть зрение слепым и слабовидящим людям. Роботам такое чудо техники тоже бы пригодилось. И, похоже, специалисты из Китая и США уже близки к тому, чтобы подарить такое устройство как человеку, так и машине.
Искусственное глазное яблоко по форме похоже на человеческий глаз и имеет все его основные составляющие. В нём есть линза-хрусталик, радужная оболочка, стекловидное тело, чувствительная к свету сетчатка и «нервные волокна», по которым сигнал передаётся «в мозг».
Пройдя сквозь линзу (хрусталик), свет дополнительно фокусируется стекловидным телом, роль которого играет ионная жидкость. Отсюда он попадает на искусственную сетчатку.
Она имеет ту же полусферическую форму, что и сетчатка человека. Это уменьшает площадь светового пятна и помогает ещё лучше фокусировать изображение.
Роль светочувствительных клеток играют нанопроволоки из йодида формамидина-свинца (FAPbI3). Этот материал относится к классу перовскитов. Последние славятся своей способностью вырабатывать электричество в ответ на падающий свет, в связи с чем часто используются в экспериментальных солнечных батареях.
Фотоэлементы расположены в порах мембраны из оксида алюминия, выстилающей внутреннюю поверхность искусственного глаза. От них наружу идут провода («нервные волокна»). Это мягкие эластичные трубки, заполненные жидким сплавом галлия и индия.
Схема искусственного глаза, созданного группой Фаня. Перевод Вести.Наука.
По чувствительности искусственная сетчатка не уступает естественной: при самой низкой измеренной интенсивности каждый фотоэлемент обнаруживал в среднем 86 фотонов в секунду.
Ширина поля зрения у искусственного глаза также почти человеческая: 100 градусов (у неподвижного человеческого глаза она составляет 130 градусов по вертикали, но лишь ничтожную долю этого поля мы видим в цвете и подробностях).
Использованные перовскитные фоторецепторы практически одинаково чувствительны к фотонам разных длин волн. То есть мир, увиденный таким электронным глазом, был бы чёрно-белым.
Но в некоторых отношениях новое устройство превосходит возможности человеческого зрения. Например, она создаёт гораздо более детальное изображение.
Поясним. Чтобы различать тонкие детали, нужно как можно точнее знать, в какие точки сетчатки свет попал, а в какие нет. Эта точность зависит от двух вещей: количества фоторецепторов на квадратный сантиметр и способности системы обрабатывать сигнал каждого рецептора (или хотя бы небольших групп рецепторов) по отдельности.
Электронный глаз превосходит человеческий по обоим параметрам. Во-первых, у него в 46 раз больше фоторецепторов на квадратный сантиметр.
Во-вторых, фотоэлементы в новой системе объединены в пиксели по две-три штуки, и к каждому пикселю подходит отдельный провод. В человеческом же зрительном нерве отдельных волокон в 120 раз меньше, чем светочувствительных клеток на сетчатке. Поэтому лозунг «каждому рецептору отдельную линию связи» более или менее близок к жизни лишь в центральной ямке сетчатки диаметром 0,2–0,4 миллиметра. Только этой крошечной областью мы и различаем тонкие детали изображения. Всей остальной сетчатке остаётся воспринимать мир в виде смутных пятен света и тени.
Электроника в очередной раз обогнала человеческий организм и по быстродействию. Устройству достаточно облучения в течение 19 миллисекунд, чтобы сгенерировать сигнал. А когда вспышка гаснет, фотоэлемент снова готов к работе уже через 24 миллисекунды. Нашей же сетчатке на то и другое требуется по 40–150 миллисекунд.
Одним словом, искусственный глаз выглядит очень многообещающе. Но учёным ещё есть над чем поработать.
Прежде всего, на электронной сетчатке сейчас присутствует всего лишь сотня пикселей. Для полноценного зрения это количество следует увеличить.
Кроме того, получаемое устройство стоит дорого, а изготавливать такую конструкцию сложно. Чтобы сделать такие искусственные глаза массовым продуктом, технологию придётся удешевить.
Отдельной проблемой может стать интеграция этого «органа зрения» с нервной системой человека.
Наконец, срок службы новинки тоже пока неясен. Необходимы длительные испытания, чтобы удостовериться, что система не деградирует в скором времени после внедрения её в организм.
К слову, ранее «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) рассказывали об искусственной радужной оболочке, которая поможет камерам реагировать на свет подобно глазам человека. Писали мы и мозговом имплантате, частично вернувшем слепому зрение.
Источник
 |
Инструкция по выполнению работы
При ознакомлении с демонстрационным вариантом контрольных измерительных материалов 2017 г. следует иметь в виду, что задания, включённые в демонстрационный вариант, не отражают всех вопросов содержания, которые будут проверяться с помощью вариантов КИМ в 2017 г. Полный перечень вопросов, которые могут контролироваться на едином государственном экзамене 2017 г., приведён в кодификаторе элементов содержания и требований к уровню подготовки выпускников образовательных организаций для проведения единого государственного экзамена 2017 г. по физике.
Назначение демонстрационного варианта заключается в том, чтобы дать возможность любому участнику ЕГЭ и широкой общественности составить представление о структуре будущих КИМ, количестве и форме заданий, об уровне их сложности. Приведённые критерии оценки выполнения заданий с развёрнутым ответом, включённые в этот вариант, дают представление о требованиях к полноте и правильности записи развёрнутого ответа.
Эти сведения позволят выпускникам выработать стратегию подготовки и сдачи ЕГЭ.
Инструкция по заполнению бланков ЕГЭ.
1. На рисунке представлен график зависимости пути S велосипедиста от времени t. Найдите скорость велосипедиста в интервале времени от 50 до 70 с.
Ответ:
2. Определите силу, под действием которой пружина жёсткостью 200 Н/м удлинится на 5 см.
Ответ:
3. В инерциальной системе отсчёта тело массой 2 кг движется по прямой в одном направлении под действием постоянной силы, равной 3 Н. На сколько увеличится импульс тела за 5 с движения?
Ответ: на
4. В сосуд высотой 20 см налита вода, уровень которой ниже края сосуда на 2 см. Чему равна сила давления воды на дно сосуда, если площадь дна 0,01 м2? Атмосферное давление не учитывать.
Ответ:
5. На шероховатой поверхности лежит брусок массой 1 кг. На него начинает
действовать горизонтальная сила F,→направленная вдоль поверхности и
зависящая от времени так, как показано на графике слева. Зависимость
работы этой силы от времени представлена на графике справа. Выберите два
верных утверждения на основании анализа представленных графиков.
1)
Первые 10 с брусок двигался с постоянной скоростью.
2)
За первые 10 с брусок переместился на 20 м.
3)
Сила трения скольжения равна 2 Н.
4)
В интервале времени от 12 до 20 с брусок двигался с постоянным
ускорением.
5)
В интервале времени от 12 до 20 с брусок двигался с постоянной
скоростью.
Ответы:
6. Высота полёта искусственного спутника над Землёй увеличилась с 400 до
500 км. Как изменились в результате этого скорость спутника и его
потенциальная энергия?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Запишите выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Скорость
спутника.
Потенциальная энергия
спутника :
7. На гладком горизонтальном столе брусок массой М,
прикреплённый к вертикальной стене пружиной
жёсткостью k, совершает гармонические колебания с
амплитудой А (см. рисунок). Установите соответствие
между физическими величинами и формулами, по
которым их можно рассчитать.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию
из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под
соответствующими буквами.
| ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
| А) период колебаний груза Б) |  |
А.Б:
8. На рисунке изображено изменение состояния
постоянной массы разреженного аргона.
Температура газа в состоянии 1 равна 27 °С.
Какая температура соответствует состоянию 2?
Ответ:
9. В некотором процессе газ отдал окружающей среде количество теплоты,
равное 10 кДж. При этом внутренняя энергия газа увеличилась на 30 кДж.
Определите работу, которую совершили внешние силы, сжав газ.
Ответ:
10. Какую работу совершает идеальный газ
при переходе из состояния 1 в состояние 2
(см. рисунок)?
Ответ:
11. На рисунке показана зависимость давления
газа p от его плотности ρ в циклическом
процессе, совершаемом 2 моль идеального
газа в идеальном тепловом двигателе. Цикл
состоит из двух отрезков прямых и четверти
окружности. На основании анализа этого
циклического процесса выберите два
верных утверждения.
1)
В процессе 1−2 температура газа уменьшается.
2)
В состоянии 3 температура газа максимальна.
3)
В процессе 2−3 объём газа уменьшается.
4)
Отношение максимальной температуры к минимальной температуре
в цикле равно 8.
5)
Работа газа в процессе 3−1 положительна.
Ответы:
12. В цилиндрическом сосуде под массивным поршнем находится
газ. Поршень не закреплён и может перемещаться в сосуде без
трения (см. рисунок). В сосуд закачивается ещё такое же
количество газа при неизменной температуре. Как изменятся
в результате этого давление газа и концентрация его молекул?
Для каждой величины определите соответствующий характер
изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины.
Цифры в ответе могут повторяться.
Давление газа. Концентрация
молекул газа:
13. Электрическая цепь, состоящая из четырёх
прямолинейных горизонтальных проводников (1–2, 2–3,
3–4, 4–1) и источника постоянного тока, находится в
однородном магнитном поле, направленном вертикально
вниз (см. рисунок, вид сверху). Как направлена
относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от
наблюдателя) вызванная этим полем сила Ампера, действующая на
проводник 2–3? Ответ запишите словом (словами).
Ответ:
14. С какой силой взаимодействуют в вакууме два маленьких заряженных
шарика, находящихся на расстоянии 4 м друг от друга? Заряд каждого
шарика 8·10-8 Кл.
Ответ:
15. На рисунке приведён график
зависимости силы тока от времени
в электрической цепи, индуктивность
которой 1 мГн. Определите модуль
ЭДС самоиндукции в интервале
времени от 15 до 20 с.
Ответ:
16. Точечный источник света находится в ёмкости с жидкостью и опускается
вертикально вниз от поверхности жидкости. При этом на поверхности
жидкости возникает пятно, в пределах которого лучи света от источника
выходят из жидкости в воздух. Глубина погружения источника (расстояние
от поверхности жидкости до источника света), измеренная через равные
промежутки времени, а также соответствующий радиус светлого пятна
представлены в таблице. Погрешность измерения глубины погружения и
радиуса пятна составила 1 см. Выберите два верных утверждения на
основании данных, приведённых в таблице.
| Глубина погружения, см | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
| Радиус пятна, см | 12 | 24 | 36 | 48 | 60 | 72 | 84 |
1)
Образование упомянутого пятна на поверхности обусловлено дисперсией
света в жидкости.
2)
Предельный угол полного внутреннего отражения меньше 45°.
3)
Показатель преломления жидкости меньше 1,5.
4)
Образование пятна на поверхности обусловлено явлением полного
внутреннего отражения.
5)
Граница пятна движется с ускорением.
Ответы:
17. Неразветвлённая электрическая цепь постоянного тока состоит из источника
тока и подключённого к его выводам внешнего резистора. Как изменятся при уменьшении сопротивления резистора сила тока в цепи и ЭДС источника?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Запишите выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Сила тока в цепи. ЭДС источника:
18. Заряженная частица массой m, несущая положительный заряд q, движется
перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля B→по
окружности радиусом R. Действием силы тяжести пренебречь.
Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по
которым их можно рассчитать.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца.
| ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
| А) модуль импульса частицы Б) |  |
А.Б:
19. Сколько протонов и сколько нейтронов содержится в ядре 6027Co?
Число протонов. Число нейтронов:
20. Дан график зависимости числа
нераспавшихся ядер эрбия 17268Er
от
времени. Чему равен период полураспада
этого изотопа эрбия?
Ответ:
21. Как изменяются с уменьшением массового числа изотопов одного и того же
элемента число нейтронов в ядре и число электронов в электронной оболочке
соответствующего нейтрального атома?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины.
Цифры в ответе могут повторяться.
Число нейтронов
в ядре. Число электронов
в электронной оболочке
нейтрального атома:
22. Чему равно напряжение на лампочке (см. рисунок), если погрешность
прямого измерения напряжения составляет половину цены деления
вольтметра?
Напряжение. Погрешность:
23. Необходимо экспериментально изучить зависимость ускорения бруска,
скользящего по шероховатой наклонной плоскости, от его массы (на всех
представленных ниже рисунках m – масса бруска, α – угол наклона плоскости
к горизонту, μ – коэффициент трения между бруском и плоскостью). Какие
две установки следует использовать для проведения такого исследования? Запишите в таблицу номера выбранных установок.
Ответы №№:
24. Брусок движется по горизонтальной плоскости
прямолинейно с постоянным ускорением 1 м/c2 под
действием силы F,→
направленной вниз под углом 30° к
горизонту (см. рисунок). Какова масса бруска, если коэффициент трения
бруска о плоскость равен 0,2, а F = 2,7 Н? Ответ округлите до десятых.
Ответ:
25. По параллельным проводникам bc и ad, находящимся в магнитном поле
с индукцией В = 0,4 Тл, скользит проводящий стержень MN, который
находится в контакте с проводниками (см. рисунок). Расстояние между
проводниками l = 20 см. Слева проводники замкнуты резистором с
сопротивлением R = 2 Ом. Сопротивление стержня и проводников
пренебрежимо мало. При движении стержня через резистор R протекает ток
I = 40 мА. С какой скоростью движется проводник? Считать, что вектор B→
перпендикулярен плоскости рисунка.
Ответ:
26. Пороговая чувствительность сетчатки человеческого глаза к видимому свету
составляет 1,65·10–18 Вт, при этом на сетчатку глаза ежесекундно попадает
5 фотонов. Определите, какой длине волны это соответствует.
Ответ:
Источник
Итак, облазив пол интернета я пришёл к выводу, что до сих пор не написано ни одной статьи на русском языке, которая бы поставила точку в описании человеческого глаза по техническим параметрам или покрыла тему более-менее плотно.
Фотографические параметры человеческого глаза и некоторые особенности его строения
Чувствительность (ISO) человеческого глаза динамически изменяется в зависимости от текущего уровня освещения в пределах от 1 до 800 единиц ISO. Время полной адаптации глаза к тёмной обстановке занимает около получаса.
Количество мегапикселей у человеческого глаза составляет порядка 130, если считать каждый фоточувствительный рецептор за отдельный пиксель. Однако центральная ямка (fovea), являющаяся наиболее чувствительным к свету участком сетчатки и отвечающяя за ясное центральное зрение имеет разрешение порядка одного мегапикселя и охватывает около 2 градусов обзора.
Фокусное расстояние равняется ~22-24мм.
Размер отверстия (зрачка) при открытой радужной оболочке равно ~7мм.
Относительное отверстие равняется 22/7 = ~3.2—3.5.
Шина передачи данных от одного глаза до мозга содержит порядка 1.2 миллиона нервных волокон (аксонов).
Пропускная способность канала от глаза до мозга составляет около 8-9 мегабит в секунду.
Углы обзора одного глаза составляют 160 x 175 градусов.
В сетчатке глаза человека содержится приблизительно 100 миллионов палочек и 30 миллионов колбочек. или 120 + 6 по альтернативным данным.
Ко́лбочки — один из двух типов фоторецепторных клеток сетчатки глаза. Свое название колбочки получили из-за конической формы. Их длина около 50 мкм, диаметр — от 1 до 4 мкм.
Колбочки приблизительно в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки (другой тип клеток сетчатки), но гораздо лучше воспринимают быстрые движения.
Различают три вида колбочек, по чувствительности к разным длинам волн света (цветам). Колбочки S-типа чувствительны в фиолетово-синей, M-типа — в зелено-желтой, и L-типа — в желто-красной частях спектра. Наличие этих трех видов колбочек (и палочек, чувствительных в изумрудно-зеленой части спектра) даёт человеку цветное зрение. Длинноволновые и средневолновые колбочки (с пиками в сине-зелёном и жёлто-зелёном) имеют широкие зоны чуствительности со значительным перекрыванием, поэтому колбочки определённого типа реагируют не только на свой цвет; они лишь реагируют на него интенсивнее других.
В ночное время, когда поток фотонов недостаточен для нормальной работы колбочек, зрение обеспечивают только палочки, поэтому ночью человек не может различать цвета.
Па́лочки (англ. rod cells) — один из двух типов фоторецепторных клеток сетчатки глаза, названый так за свою цилиндрическую форму. Палочки более чувствительны к свету и, в человеческом глазе, сконцентрированы к краям сетчатки, что определяет их участие в ночном и периферийном зрении.
В человеческом глазе, приспособленном, преимущественно, к дневному свету, при приближении к середине сетчатки палочки постепенно вытесняются, более подходящими для дневного света, колбочками (второй вид клеток сетчатки) и в центральной ямке не встречаются вовсе. У животных ведущих преимущественно ночной образ жизни (например, кошек) наблюдается противоположная картина.
Чувствительность палочки достаточна, чтобы зарегистрировать попадание одного-единственного фотона, в то время как колбочкам необходимо попадание от нескольких десятков, до нескольких сотен фотонов. Кроме того, к одному интернейрону, собирающему и усиливающему сигнал c сетчатки, как правило, подсоединяются несколько палочек, что дополнительно увеличивает чувствительность за счет остроты восприятия (или разрешения изображения). Такое объединение палочек в группы делает периферийное зрение очень чувствительным к движениям и отвечает за феноменальные способности отдельных индивидов к зрительному восприятию событий лежащих вне угла их зрения.
Из-за того, что все палочки используют один и тот же светочувствительный пигмент (вместо трех, как у колбочек), они в малой степени или совсем не участвуют в цветном зрении.
Также, палочки реагируют на свет медленнее, чем колбочки — палочка реагирует на раздражитель в течение порядка ста миллисекунд. Это делает ее более чувствительной к меньшим количествам света, но снижает способность к восприятию быстротекущих изменений, таких как быстрая смена образов.
Палочки воспринимают свет, преимущественно, в изумрудно-зеленой части спектра, поэтому в сумерках изумрудный цвет кажется ярче, чем все остальные.
Однако следует помнить, что строение фотоаппарата отличается от строения глаза. При съёмке фотоаппаратом или видеокамерой, изображение разбивается на кадры. Каждый кадр «снимается» с матрицы в определенный момент времени, т.е. в процессор попадает готовое изображение.
В то время, как человеческий глаз отсылает в мозг постоянный видеопоток без разбиения по кадрам. Поэтому можно неверно истолковать некоторые параметры, если не разбираться в вопросе более-менее досканально.
В итоге можно сказать, что по чувствительности человеческий глаз догнала почти вся mid-end фототехника, а high-end так и вообще перегнала во много раз. Однако уровень шумов у наиболее распространенной mid-end техники гораздо выше, чем у сетчатки, а качество изображения хуже на порядок.
Так же сетчатка отличается от фотосенсоров тем, что чувствительность на ней меняется для каждого отдельного фоторецептора в зависимости от освещения, что позволяет добиться очень высокого динамического диапазона итоговой картинки. Сенсоры с подобной технологией уже разрабатываются многими компаниями, но пока ещё не выпускаются.
На данный момент ещё не изобретено устройство с размерами человеческого глаза, сопоставимое с ним ни по оптическим, ни по техническим параметрам.
Использованные источники:
https://www.clarkvision.com/imagedetail/eye-resolution.html
https://webvision.umh.es/webvision/
https://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=20:17485
https://ru.wikipedia.org/wiki/Колбочки_(сетчатка)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Палочки_(сетчатка)
https://en.wikipedia.org/wiki/Retina
p.s. точных данных по тем или иным значениям я так и не нашёл, пришлось пользоваться средними, более реальными и наиболее часто встречающимимся данными. Поэтому, если вы найдёте ошибку или сочтете, что разбираетесь в теме лучше, то отпишитесь в комментариях, пожалуйста. Мне будет очень интересно узнать ваше мнение и ваши дополнения.
Источник
