Фокусное расстояние глаза: Камера и человеческий глаз — Главная

Содержание

Камера и человеческий глаз

Почему нельзя просто направить камеру на то, что видишь, и снять это? Этот вопрос кажется простым. Тем не менее, на него очень непросто дать ответ, и для этого потребуется изучить не только то, как камера записывает свет, но и то, как работают наши глаза и почему они работают именно так. Разбираясь в этом, можно открыть для себя что-то новое о нашем повседневном восприятии мира — помимо возможности стать лучшим фотографом.

VS.

Общие сведения

Наши глаза способны окидывать происходящее взглядом и динамически адаптироваться в зависимости от объекта, в то время как камера записывает одиночное неподвижное изображение. Многие считают это основным преимуществом глаз перед камерой. Например, наши глаза способны компенсировать дисбаланс яркости различных предметов, могут смотреть по сторонам, чтобы получить более широкий угол зрения, а также могут фокусироваться на объектах на различных расстояниях.

Однако результат скорее подобен работе видеокамеры — не фото — поскольку наше сознание собирает несколько взглядов в один мысленный образ. Быстрый взгляд наших глаз был бы более честным сравнением, но в итоге уникальность нашей зрительной системы неопровержима, поскольку:

То, что мы видим, является мысленной реконструкцией объектов на основе образов, предоставленных глазами — отнюдь не тем, что наши глаза в действительности увидели.

Вызывает скепсис? У большинства — по крайней мере поначалу. Следующие примеры демонстрируют ситуации, в которых сознание можно заставить видеть нечто отличное от того, что видят глаза:


ложный цвет		полосы Маха

Ложный цвет: наведите курсор на край изображения и смотрите на центральный крест. Отсутствующий кружок будет перемещаться по кругу, и через некоторое время начнёт казаться зелёным — хотя в изображении зелёного цвета нет.

Полосы Маха: наведите курсор на изображение. Каждая из полос покажется чуть темнее или светлее вблизи верхней или нижней границы, соответственно, — несмотря на то, что каждая из них окрашена равномерно.

Впрочем, это не должно помешать нам сравнивать наши глаза и камеры! Во многих случаях честное сравнение всё же возможно, но только если мы принимаем во внимание и то, как мы видим, и то, как наше сознание обрабатывает эту информацию. Последующие разделы проведут границу между этими двумя, насколько возможно.

Обзор различий

Данная статья группирует сравнения по следующим визуальным категориям:

угол зрения
различимость деталей
чувствительность и динамический диапазон

Всё это зачастую считается предметом максимальных отличий глаз от камеры, и как раз по этому поводу возникает больше всего разногласий. Есть и другие характеристики, такие как глубина резкости, объёмное зрение, баланс белого и цветовая гамма, но они не являются предметом данной статьи.

1. Угол зрения

Для камер он определяется фокусным расстоянием объектива (а также размером сенсора). Например, фокусное расстояние телеобъектива больше, чем стандартного потретного, а потому угол зрения меньше:

К сожалению, с нашими глазами не всё так просто. Хотя фокусное расстояние человеческого глаза приблизительно равно 22 мм, эта цифра может ввести в заблуждение, поскольку глазное дно закруглено (1), периферия нашего поля зрения значительно менее детальна, чем центр (2), и к тому же то, что мы видим, является комбинированным результатом работы двух глаз (3).

Каждый глаз по отдельности имеет угол зрения порядка 120-200°, в зависимости от того, насколько строго объекты определены как «наблюдаемые». Соответственно, зона перекрытия двух глаз составляет порядка 130° — она практически настолько же широка, как у объектива типа «рыбий глаз». Однако по эволюционным причинам наше периферийное зрение пригодно только для обнаружения движения и крупных объектов (таких как прыгающий сбоку лев). Более того, настолько широкий угол выглядел бы сильно искажённым и неестественным, будучи снятым камерой.


левый глаз	оба глаза	правый глаз

Наш центральный угол зрения — порядка 40-60° — максимально влияет на наше восприятие. Субъективно это соотносится с углом, в пределах которого вы сможете вспомнить объекты, не двигая глазами. Кстати, это близко к углу зрения «нормального» объектива с фокусным расстоянием 50 мм (если совсем точно, то 43 мм) на камере полного кадра или 27 мм на камере с кроп-фактором 1.6. Хотя он и не воспроизводит полный угол нашего зрения, он хорошо передаёт то, как мы видим, достигая наилучшего компромисса между различными типами искажений:

Сделайте угол зрения слишком большим, — и разница в размерах объектов будет преувеличена, ну а слишком узкий угол зрения делает относительные размеры объектов практически одинаковыми, и вы теряете ощущение глубины. Сверхширокие углы к тому же ведут к тому, что объекты по краям кадра оказываются растянуты.


	искажение перспективы

(при съёмке стандартным/прямолинейным объективом)

Для сравнения, несмотря на то, что наши глаза создают искажённое широкоугольное изображение, мы реконструируем его в объёмный мысленный образ, в котором искажения отсутствуют.

2. Различимость и детальность

Большинство современных цифровых камер имеют 5-20 мегапикселей, что зачастую преподносится как полный провал по сравнению с нашим собственным зрением. Это основано на том факте, что при идеальном зрении человеческий глаз по разрешающей способности эквивалентен 52-мегапиксельной камере (принимая за угол зрения 60°).

Однако эти подсчёты вводят в заблуждение. Лишь наше центральное зрение может быть идеальным, так что в действительности мы никогда не достигаем такой детальности за один взгляд. По мере удаления от центра наши зрительные способности драматически падают — настолько, что всего на 20° от центра наши глаза различают уже всего одну десятую от исходной детальности. На периферии мы обнаруживаем только крупномасштабный контраст и минимум цветов:

Качественное представление визуальной детальности одного взгляда.

Принимая это во внимание, можно утверждать, что один взгляд наших глаз способен различать детали всего лишь сравнимые с 5-15 мегапикселями камеры (в зависимости от зрения). Однако наше сознание в действительности не запоминает образы попиксельно; оно записывает памятные детали, цвет и контраст для каждого изображения по-разному.

В результате, чтобы воссоздать детальный зрительный образ, наши глаза фокусируются на нескольких представляющих интерес предметах, быстро их чередуя. Вот наглядное представление нашего восприятия:


исходная сцена		предметы интереса

Конечным результатом является зрительный образ, детальность которого эффективно приоритизируется на основе интереса. Из этого следует важное для фотографов, но часто оставляемое без внимания свойство: даже если снимок максимально использует всю технически возможную детальность камеры, эта детальность не будет иметь особого значения, если сам по себе снимок не содержит ничего запоминающегося.

К прочим важным отличиям того, как наши глаза различают детали, относятся:

Асимметрия. Каждый глаз способен воспринимать больше деталей ниже линии зрения, чем выше, а периферийное зрение гораздо более чувствительно по направлению от носа. Камеры снимают изображения абсолютно симметрично.

Зрение при слабом свете. В условиях очень слабого света, например, лунного или звёздного, наши глаза фактически начинают видеть монохромно. В таких ситуациях наше центральное зрение к тому же становится менее зорким, чем слегка в сторону от центра. Многие астрофотографы в курсе этого и извлекают из этого преимущества, глядя чуть в сторону от неяркой звезды, если хотят разглядеть её невооружённым глазом.

Малые градации. Различимости малейших деталей зачастую уделяется чрезмерное внимание, однако малые тональные градации тоже важны — и похоже, именно по этой части наши глаза и камеры отличаются сильнее всего. Для камеры увеличенную деталь всегда легче передать на снимке — а вот для наших глаз, хоть это и противоречит интуиции, увеличение детали может сделать её менее видимой. На следующем примере оба изображения содержат текстуру с одинаковым контрастом, однако на изображении справа она не видна, поскольку была увеличена.

	→ больше в 16 раз
мелкая текстура (едва видна)		грубая текстура (не видна)

3. Чувствительность и динамический диапазон

Динамический диапазон является одной из характеристик, по которой глаз зачастую рассматривают как имеющий огромное преимущество. Если рассматривать ситуации, в которых наш зрачок расширяется и сужается, адаптируясь к разнице яркостей, тогда да, наши глаза намного превосходят возможности одиночного снимка (и могут иметь диапазон, превышающий 24 f-ступени*). Однако в таких ситуациях наши глаза динамически адаптируются, как это делает видеокамера, так что это, очевидно, нечестное сравнение.


фокус на фоне	фокус на переднем плане	зрительный образ

Если же вместо этого мы оценим мгновенный динамический диапазон нашего глаза (при неизменной ширине зрачка), то камеры будут выглядеть намного лучше. Аналогию можно получить, глядя на один элемент сцены, дав глазам настроиться и не глядя никуда более. В этом случае как правило говорят, что наши глаза могут воспринимать динамический диапазон порядка 10-14 f-ступеней, что абсолютно перекрывает большинство компактных камер (5-7 ступеней), но на удивление недалеко от возможностей зеркальных камер (8-11 ступеней).

С другой стороны, динамический диапазон нашего глаза зависит также от яркости и контраста предмета, так что вышесказанное справедливо только при обычном дневном свете. При слабом звёздном свете, например, наши глаза могут достичь гораздо более широкого моментального динамического диапазона.

* Динамический диапазон. Наиболее распространённой единицей его измерения в фотографии является f-ступень, так что мы продолжим её использовать. Динамический диапазон описывает соотношение яркостей наиболее яркого и наиболее тёмного предметов в кадре в степенях двойки. То есть, в сцене с динамическим диапазоном в 3 f-ступени белый цвет в 8 раз ярче чёрного (покольку 2³ = 2x2x2 = 8).


фиксация движения	чувствительность к слабому свету

Авторами левого (спички) и правого (ночное небо) снимков являются lazlo и dcysurfer, соответственно.

Чувствительность. Это ещё одна важная зрительная характеристика, которая описывает способность различать нечёткие или быстродвижущиеся предметы. При ярком свете современные камеры превосходят возможности зрения относительно быстродвижущихся объектов, как показано ниже весьма необычно выглядящим результатом скоростной съёмки. Это зачастую возможно для камер со светочувствительностью ISO свыше 3200; эквивалент светочувствительности ISO для человеческого глаза при дневном свете считается равным всего лишь 1.

Впрочем, при слабом свете чувствительность наших глаз существенно возрастает (если дать им не менее получаса на адаптацию). Астрофотографы часто оценивают её диапазоном ISO 500-1000; всё же не настолько высока, как у цифровых камер, но близко. С другой стороны, камеры имеют преимущество в том, что способны посредством длительной выдержки выявлять и ещё более неяркие объекты, тогда как наши глаза не увидят никаких новых подробностей, рассматривая что-нибудь дольше, чем 10-15 секунд.

Итоги и дополнительная информация

Можно возразить, что рассуждения о том, может ли камера превзойти зрение, непоследовательны, поскольку для камер требуется другой стандарт: они нужны для создания реалистично выглядящих отпечатков. Напечатанный снимок не знает, на каких предметах сфокусируется глаз, так что каждая часть кадра должна быть предельно детальна — просто на случай, если она привлечёт внимание. Это в особенности справедливо для больших или рассматриваемых с близкого расстояния отпечатков. Однако можно и возразить, что дать сравнительную оценку возможностям камеры тоже полезно.

В целом, большинство преимуществ нашей зрительной системы проистекают из того факта, что наше сознание способно разумно интерпретировать информацию, передаваемую глазами, тогда как в случае с камерой всё, что у нас есть, — это результат работы сенсора. Но даже в этом случае современные цифровые камеры справляются на удивление неплохо, а по некоторым визуальным характеристикам даже превосходят наши глаза. По-настоящему выигрывает тот фотограф, который способен разумно собрать несколько снимков — и тем самым превзойти даже изображение, реконструированное сознанием.

Дополнительную информацию по данной теме вы можете найти в следующих статьях:

Человеческий глаз

Человеческий глаз — сложная оптическая система. Любая оптическая система – это система линз.Линзы человеческого глаза -роговица и хрусталик. Каждая линза имеет свое фокусное расстояние фокус, на котором формируется четкое изображение при преломлении световых лучей от бесконечно удаленных предметов. Это величина постоянная. В здоровом глазу фокусное расстояние равно 23,5-24 мм. На этом расстоянии располагается сетчатка глаза. Такой глаз видит четко. От сетчатки по зрительному нерву информация об увиденных предметах передается для анализа в головной мозг.

Здоровый глаз – изображение формируется четко на сетчатке глаза, острота зрения 100%, легко читает 10 строчек при проверке остроты зрения.

Основные причины плохого зрения.

Близорукость (миопия — лат. название) – изображение формируется перед сетчаткой. Причиной может быть либо увеличение длины глаза или большая преломляющая сила линз глаза (роговицы или хрусталика), при этом фокусное расстояние будет небольшим. Зрение будет нечетким вдаль.
Дальнозоркость(гиперметропия) – изображение формируется за сетчаткой, фокусное расстояние меньше 23,5-24 мм, роговица слабой оптической силы. Изображение будет нечетким.

Астигматизм – роговица имеет два различных преломления света- разные оптические силы перпендикулярные друг другу, соответственно два фокусных расстояния.Изображение получается не ввиде точки, а ввиде прямой.Изображения частично четкое, частично нет.

Пресбиопия (возрастные изменения) — после 40 лет у любого человека происходят активные изменения в организме. Меняется прозрачность хрусталика, нарушается эластичность тканей, теряется способность фокусировать изображение. Появляется необходимость использовать очки на ближних и средних дистанциях. С годами возрастные изменения прогрессируют и теряется четкость изображения вдаль. Появляется необходимость использовать очки для дали вместе с очками для близи и очками на средних расстояниях.

Близорукость и пресбиопия. Если исходно у человека была близорукость, то после 40 лет он использует очки вдаль и снимает их вблизи, приближая текст близко к глазам. Это приводит к развитию скрытого косоглазия и дискомфорту. Не допустить это возможно только использованием очков для близи.

Дальнозоркость и пресбиопия. Для четкости изображения используются очки с увеличением исходной оптической силой от 0,5 диоптрий и больше в зависимости от возраста. Появляется потребность в дополнительной коррекции на средних расстояниях.

Астигматизм и пресбиопия. В зависимости от исходных данных и возраста к астигматической составляющей буде присоединяться необходимая коррекция для четкости видения на разных дистанциях.

Фокусное расстояние 50мм — не поле зрения человека | Сайт профессионального фотографа в Киеве

Только что попал на очередную статью с распространённой ересью о том, что 50мм соответствует углу человеческого зрения.

Часто полтинник позиционируется как стандартный объектив. Его можно, конечно, использовать как стандартный. Но угол зрения объектива 50мм совершенно не соответствует человеческому зрению.

Давайте подумаем о то, как видит человек, чтобы окончательно разобраться в этом вопросе.

Википедия нам сообщает, что человек двумя глазами видит перед собой примерно на 190 градусов во всех направлениях. Угол зрения объектива 50мм на полном кадре примерно соответствует 50-55 градусам. Соответственно, чтобы полтинник соответствовал углу зрения человека, человек должен будет одеть на себя шоры. Тогда это будет справедливо.

Картинка ниже примерно иллюстрирует человеческое поле зрения.

Чтобы объектив соответствовал нашему полю зрения он должен быть широкоугольным. Если брать полный охват периферического зрения, то это должен быть объектив с фокусным расстоянием примерно 14мм. Если же говорить о зоне комфортного зрения, то фокусное расстояние должно быть примерно 28мм. Но никак на 50мм. Полтинник — это объектив, который существенно сужает видимую область перед собой. Этим можно и нужно пользоваться, но не стоит говорить о полном поле зрения человека.

Если нужен объектив, чтобы ходить и счёлкать перед собой всё «как есть», нужен именно ширик. Недаром камеры во всех смартфонах снабжаются объективом около 30мм.

Есть другой важный нюанс.

Полтинник действительно соответствует человеческому зрению в плане передачи перспективы.

Если одеть объектив с фокусным расстоянием меньше 50мм, перспектива в кадре будет расширятся. Дальние объекты будут выглядеть дальше, чем мы их видим своими глазами.
Если же мы будем использовать телеобъектив, то есть с фокусным расстояниям более 50мм, то объекты вдалеке будут казаться ближе, чем они есть.
И именно 50мм — это золотая середина, которая даёт нам правильную трёхмерную картину в плане перспективы.

Перспектива и угол зрения — разные вещи и не нужно их путать.

Мысли о полтиннике как портретном объективе

Какое фокусное расстояние объектива наиболее близко напоминает перспективу человеческого глаза?

Я помню, как смотрел в видоискатель одним глазом, а вокруг — другим, полагая, что он будет соответствовать «естественному» размеру. Это было около 55 мм. Но это не обязательно правильно …

Плюс это зависит от характера печати! Посмотрите на окончательный вариант. Скажем, фото 4 на 6, на расстоянии чтения. Держите его так, чтобы расстояние до глаза оставалось одинаковым, и оно должно выглядеть точно так же, как проволочная рама (окно) в исходном положении.

Так что это зависит от размера отпечатка и расстояния просмотра. Обрезка изменяет это, а это означает, что вам понадобится более короткая линза, если вы планируете поля для обрезки позже. Современный компьютерный просмотр, вероятно, отличается от «печати», и даже 4 на 6 — это не то, что использовалось для этого.

Если вы хотите, чтобы люди не выглядели смешно, используйте определенную длину телефото.

Задняя часть глаза не является плоской, и проекция не «корректируется» (но отображение того, какой пиксель находится там, где не действует эффект проецирования), так что на самом деле такой вещи нет без специального оборудования. Однако на расстоянии считывания сканирование макулы над «окном» дает эффект, довольно близкий к плоскому, за исключением того, что у вас два глаза, и они не могут совмещаться одновременно, а восприятие корректируется с учетом расположения глаз. против оси вращения головы, и это показывает видимые различия, если вы прослеживаете окно против удержания обычной фотографии.

Но чтобы быть точным в том, что имеется в виду, и чтобы показать, что это правильно, «окно» — это определение, которое нужно использовать. Это то, что делают режиссеры, когда они протягивают руку, чтобы определить углы кадра.

Если отпечаток удерживается таким образом, что лицо человека в натуральную величину (поместите его там, где должно быть окно), оно выглядит нежелательным, если вы находитесь ближе к отпечатку / окну, чем если бы вы обычно смотрели на человека.

Физиология глаза — Офтальмика

Есть люди с очень низким зрением у которых роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело прозрачны, нет нарушений со стороны зрительных путей и мозговых центров, а также световоспринимающих элементов сетчатки. Плохое зрение этих людей обусловлено нечеткостью изображения на сетчатке в связи с рефракционными особенностями глаза. Различают физическую и клиническую рефракцию.

Физическая рефракция — это преломляющая сила оптической системы глаза, выраженная в диоптриях. Диоптрия (дптр) — единица измерения силы оптической системы. Одна диоптрия (1,0 дптр) равна силе двояковыпуклой линзы с фокусным расстоянием 1 метр. Чем короче фокусное расстояние, тем сильнее преломляющая сила линзы и чем слабее преломляющая сила линзы, тем длиннее ее фокусное расстояние. (Линза в 2,0 дптр имеет фокусное расстояние 50 см, в 4,0 дптр — 25 см, в 10,0 дптр — 10 см и т.д.)

В диоптриях можно измерить и преломляющую силу вогнутых линз. Рассчитать силу вогнутых линз можно путем компенсации ими преломления, даваемого выпуклыми оптическими стеклами.

Вогнутая линза, компенсирующая выпуклую линзу в 1,0 дптр, т.е. восстанавливающая параллельное направление преломленного выпуклой линзой параллельного пучка лучей силой в 1,0 дптр., имеет ту же оптическую силу в, но с обратным знаком. Такую вогнутую линзу называют линзой в 1,0 дптр. Линза в -1,0 дптр рассеивает пучок параллельных световых лучей настолько же, насколько их собирает линза в +1,0 дптр.

Светопреломляющий аппарат глаза — это роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело.

Всякая сложная преломляющая система характеризуется своими кардинальными точками, которые и определяют диоптрический эффект системы. В ней имеется шесть кардинальных точек — две фокусных (задняя и передняя), две узловых и две главных.

Фокусные точки — это точки, в которых собираются параллельные лучи, преломившиеся в системе. Следовательно, задний фокус в глазу будет находиться в точке, в которой после преломления собираются параллельные лучи, идущие в глаз спереди. Если на систему глаза упадет параллельный пучок сзади, то после преломления он соберется в передний фокус.

Узловые точки — это точки, через которые лучи проходят, не преломляясь. Главные точки — это точки, где начинается преломление.

В преломляющей системе глаза задняя узловая точка находится близко от передней узловой, а задняя главная — очень близка к передней главной точке, поэтому упростив оптическую систему глаза можно принять, что имеется одна главная точка, расположенная в передней камере в 2 мм от роговицы, одна узловая в 7 мм позади роговицы (немного впереди заднего полюса хрусталика) и две фокусные — задняя (на 23-24 мм кзади от передней поверхности роговицы) и передняя (в 15-17 мм впереди глаза).

Чтобы изучить преломляющую систему глаза, нам нужно определить прежде всего показатели преломления водянистой влаги и хрусталика, радиусы кривизны передней поверхности роговицы, передней и задней поверхностей хрусталика, толщину хрусталика и роговицы, глубину передней камеры и длину анатомической оси глаза.

Радиус кривизны роговицы в среднем — 7,8 мм. Глубина передней камеры — 3,0 мм. Радиус передней поверхности хрусталика — 10 мм, задней — 6 мм. Толщина хрусталика — 3,6-5,0 мм.

Показатель преломления водянистой влаги — 1,33.

Показатель преломления хрусталика — 1,43.

Средняя преломляющая сила глаза у новорожденных 77,0-80,0 дптр (по Е.И. Ковалевскому), у старших детей и взрослых — 60,0 дптр с вариацией в пределах 52,0-68,0 дптр.

Клиническая рефракция — это отношение передне-задней оси глаза к силе преломляющего аппарата.

Если фокус параллельных лучей, преломившихся в системе глаза, окажется на сетчатке, то это значит, что длина фокусного расстояния данной преломляющей системы глаза совпадает с длиной передне-задней оси глаза. Это так называемая соразмерная рефракция — эмметропия (Emmetropia).

Если параллельные лучи, преломившись в линзе, соберутся впереди сетчатки, это значит, что фокусное расстояние не совпадает с длиной передне-задней оси глаза. В данном случае глаз длиннее, чем это требует сила его преломляющего аппарата. Это несоразмерная рефракция — миопия (Myopia).

Если параллельные лучи соберутся сзади сетчатки, т.к. длина фокусного расстояния преломляющего аппарата глаза больше длины передне-задней оси глаза, т.е. преломляющий аппарат слаб для глаза, который короче, чем это нужно для данной системы — это несоразмерная рефракция — гиперметропия (Hypermetropia).

Соответственно расстоянию фокуса аметропического глаза от сетчатки различают слабые, средние и сильные степени аномалий рефракции. При слабой степени аметропии острота зрения нарушается незначительно, хотя не может быть полной из-за небольшого круга светорассеяния (каждая светящаяся точка дает кружок светорассеяния тем большего диаметра, чем дальше расположен фокус от сетчатой оболочки и, следовательно, более низкую остроту зрения). Миопия и гиперметропия включены в понятие аметропия.

При средних степенях аметропии имеет место большая потеря зрения. При высокой степени аметропии острота зрения всегда очень низкая, т.к. фокус очень далеко расположен от сетчатой оболочки.

Миопия:

слабая степень — до 3,0 дптр;
средняя степень — до 6,0 дптр;
высокая степень — свыше 6,0 дптр.

Гиперметропия:

слабая — до 2,0 дптр;
средняя — от 2,0 до 5,0 дптр;
высокая — выше 5,0 дптр.

В миопическом глазу параллельные лучи собираются впереди сетчатки. Такому глазу необходимы лучи, требующие большего преломления, чем параллельные. Тогда преломляющая сила окажется недостаточной чтобы собрать эти лучи в свой главный фокус, т.е. впереди сетчатки, а соберет дальше, т.е. на сетчатке. Такими лучами являются расходящие лучи, расположенные ближе бесконечности. При приближении точки исходящие из нее лучи попадут на сетчатку. Эта точка и будет для данного глаза дальнейшей точкой ясного зрения.

В гиперметропическом глазу параллельные лучи соберутся сзади глаза. Этому глазу надо послать лучи, которые требуют меньшего преломления, чем параллельные. Такими лучами являются сходящиеся лучи до попадания в глаз. Такие лучи должны сходиться еще до глаза, чтобы после преломления в глазу они собирались как раз на сетчатке. Сходящиеся лучи находятся дальше бесконечности, т.е. в отрицательном, не существующем пространстве.

При миопии в 1,0 дптр дальнейшая точка ясного зрения находится на расстоянии метра от глаза. При миопии больше 1,0 дптр — еще ближе. У миопа дальнейшую точку ясного зрения можно определить самым простым способом. Больному предлагают читать книгу в хорошо освещенном помещении. Врач постепенно отходит от него с книжкой в руках. Самое большое расстояние, на котором испытуемый в состоянии еще разбирать шрифт, показывает положение дальнейшей точки ясного зрения.

Что такое Оптическая система глаза

С точки зрения физической оптики, человеческий глаз относят к центрированным оптическим системам, для которых характерно наличие 2-х и более линз, которые имеют одну общую главную оптическую ось.

Оптическая система глаза — это оптический аппарат глаза, в который входят живые линзы (хрусталик и роговица, между которыми находится диафрагма), стекловидное тело и водянистая влага. К ней также относят и слезную жидкость, обеспечивающую прозрачность роговой оболочки. Основные преломляющие поверхности данной системы – это обе поверхности хрусталика и передняя поверхность роговицы. Функция остальных сред, главным образом, состоит в проведении света.

Глаз воспринимает рассматриваемые предметы внешнего мира, анализируя их изображения на сетчатке. В функциональном отношении глаз делится на 2-а ключевых отдела: световоспринимающий и светопроводящий.

К светопроводящему отделу относятся прозрачные среды глаза: роговая оболочка, влага передней камеры, стекловидное тело и хрусталик. Световоспринимающий отдел – это сетчатка. При помощи оптической системы светопроводящих сред изображение предметов воспроизводится на сетчатке.

Отражаясь от рассматриваемых предметов, лучи света проходят через 4-ре преломляющие поверхности: заднюю и переднюю поверхности роговой оболочки, заднюю и переднюю поверхности хрусталика. Проходя через каждую из них, луч отклоняется от первоначального направления, в итоге в фокусе оптической системы мы получаем реальное, но перевернутое на 180 градусов, изображение предмета, на который смотрим. Существует такое понятия, как рефракция, означающее преломление света в оптической системе.

Оптическая ось глаза – это прямая линия, которая проходит через центры кривизны каждой из преломляющих поверхностей. Лучи света, которые падают параллельно данной оси, после преломления соединяются вместе в главном фокусе системы. От бесконечно удаленных предметов идут параллельные лучи, а главным фокусом оптической системы является место на продолжении оптической оси, в котором образуется изображение предметов, которые бесконечно удалены.

Расходящиеся лучи, которые идут от предметов, находящихся на любом конкретном расстоянии, будут собираться в дополнительных фокусах. Расположены они будут дальше, чем главный фокус, поскольку для фокусировки расходящихся лучей нужна дополнительная преломляющая сила, и чем сильнее расхождение падающих лучей, тем она должна быть больше, т. е. она возрастает при приближении источника этих лучей.

Расстояние между главной плоскостью и главным фокусом – это главное фокусное расстояние оптической системы.

Оптическая сила системы зависит от фокусного расстояния. Чем оно короче, тем сильнее преломляет система. Оптическая сила линз измеряется при помощи величины, которая является обратной фокусному расстоянию, называемой диоптрией.

Одна диоптрия (дптр) – это преломляющая сила линзы при фокусном расстоянии один метр. Узнав фокусное расстояние линзы, можно определить ее рефракцию.

Чтоб полностью охарактеризовать оптическую систему глаза, нужно узнать радиусы кривизны, как передней, так и задней поверхностей роговой оболочки и хрусталика, а также толщину хрусталика и роговицы, определить длину анатомической оси глаза, глубину передней камеры и ключевые показатели преломления прозрачных сред.

Измерить вышеописанные величины можно разными методами, которые делятся на 3-и группы: оптические, ультразвуковой и рентгенологический. Оптические методы позволяют измерить отдельные элементы преломляющего аппарата, и определить длину оси путем вычислений. Ультразвуковой и рентгенологический методы дают возможность непосредственно измерить точную длину оси глаза.

Какое фокусное расстояние объектива наиболее близко напоминает перспективу человеческого глаза?

Я помню, как смотрел в видоискатель одним глазом, а вокруг — другим, полагая, что он будет соответствовать «естественному» размеру. Это было около 55 мм. Но это не обязательно верно …

Плюс это зависит от характера печати! Посмотрите на окончательный вариант. Скажем, фото 4 на 6, на расстоянии чтения. Поднимите его, оставив расстояние до глаза одинаковым, и оно должно выглядеть точно так же, как в исходном положении проволочной рамки (окна).

Если вы хотите, чтобы люди не выглядели смешно, используйте определенную длину телефото.

Задняя часть глаза не является плоской, и проекция не «корректируется» (но отображение того, какой пиксель находится там, где не действует эффект проецирования), так что на самом деле такого не бывает без специального оборудования. Однако на расстоянии считывания сканирование макулы над «окном» дает эффект, довольно близкий к плоскому, за исключением того, что у вас два глаза, и они не могут совмещаться одновременно, а восприятие корректируется с учетом расположения глаз. против оси вращения головы, и это показывает видимые различия, если вы проследите окно против удержания обычной фотографии.

Но чтобы быть точным в том, что имеется в виду, и чтобы показать, что оно точное, «окно» — это определение, которое нужно использовать. Это то, что делают режиссеры, когда они протягивают руку, чтобы определить углы кадра.

Если отпечаток удерживается таким образом, что лицо человека в натуральную величину (поместите его там, где должно быть окно), оно выглядит нежелательным, если вы находитесь ближе к окну печати / окну, чем вы бы обычно смотрели на человека.

Камера против человеческого глаза

Эта статья началась после того, как я следил за онлайн-дискуссией о том, дает ли 35-мм или 50-мм объектив полнокадровой камеры поле зрения, эквивалентное нормальному человеческому зрению. Это конкретное обсуждение сразу же погрузилось в оптическую физику глаза как камеры и объектива — понятное сравнение, поскольку глаз состоит из переднего элемента (роговицы), кольца диафрагмы (радужная оболочка и зрачок), линзы и датчика. (сетчатка).

Несмотря на всю впечатляющую математику оптической физики глазного яблока, обсуждение не имело логического смысла, поэтому я много читал по этой теме.

Эта статья не принесет никакой прямой выгоды, которая позволит вам побегать и сделать более качественные фотографии, но она может показаться вам интересной. Вы также можете найти это невероятно скучным, поэтому сначала я дам вам свой вывод в виде двух цитат из Гарри Виногранда:

Фотография — это иллюзия буквального описания того, как камера «увидела» кусок времени и пространства.

Фотография — это не предмет фотографирования. Речь идет о том, как эта штука выглядит на снимке .

В основном, проводя все эти исследования о том, как человеческий глаз похож на фотоаппарат, я действительно узнал, что человеческое зрение не похоже на фотографию. В каком-то смысле это объяснило мне, почему я так часто нахожу фотографии намного красивее и интереснее, чем сама сцена.

Глаз как система камеры

На первый взгляд довольно логично сравнивать глаз с фотоаппаратом.Мы можем измерить длину глаза спереди назад (около 25 мм от роговицы до сетчатки) и диаметр зрачка (2 мм сужен, от 7 до 8 мм расширен) и вычислить числа, похожие на линзы, на основе этих измерений.

Тем не менее, вы найдете несколько других цифр, указанных для фокусного расстояния глаза. Некоторые из них основаны на физических измерениях анатомических структур глаза, другие — на основе оптометрических расчетов, некоторые учитывают, что хрусталик глаза и сам размер глаза изменяются при сокращении различных мышц.

Вкратце, однако, одно из часто называемых фокусных расстояний глаза составляет 17 мм (это рассчитывается на основе значения оптометрической диоптрии). Однако более общепринятое значение составляет от 22 до 24 мм (рассчитывается на основе физической рефракции в глазу). В определенных ситуациях фокусное расстояние может быть больше.

Поскольку мы знаем приблизительное фокусное расстояние и диаметр зрачка, относительно легко вычислить апертуру (диафрагму) глаза. При фокусном расстоянии 17 мм и зрачке 8 мм глазное яблоко должно функционировать как f / 2.1 линза. Если мы используем фокусное расстояние 24 мм и зрачок 8 мм, оно должно быть f / 3,5. На самом деле в астрономии был проведен ряд исследований по измерению диафрагмы человеческого глаза, и полученное число оказалось от f / 3,2 до f / 3,5 (Миддлтон, 1958).

Здесь вы оба, кто дочитал до этого места, вероятно, задались вопросом: «Если фокусное расстояние глаза составляет 17 или 24 мм, почему все спорят о том, являются ли линзы 35 или 50 мм тем же полем зрения, что и человеческий глаз?»

Причина в том, что измеренное фокусное расстояние глаза не является тем, что определяет угол зрения человеческого зрения.Я расскажу об этом более подробно ниже, но главное, что только часть сетчатки обрабатывает основное изображение, которое мы видим. (Область основного зрения называется конусом зрительного внимания, остальное, что мы видим, — «периферическое зрение»).

Исследования показали, что конус зрительного внимания имеет ширину около 55 градусов. На 35-миллиметровой полнокадровой камере 43-миллиметровый объектив обеспечивает угол обзора 55 градусов, так что фокусное расстояние обеспечивает точно такой же угол обзора, что и у людей.Блин, если это не на полпути между 35 мм и 50 мм. Итак, первоначальный аргумент окончен, реальный «нормальный» объектив на 35-мм зеркальной фотокамере — это не 35 мм и не 50 мм, это что-то среднее между ними.

Глаз — это

, а не — Система камеры

Получив ответ на первоначальное обсуждение, я мог бы оставить все в покое и уйти с еще одной довольно бесполезной мелочью, чтобы поразить моих онлайн-друзей. Но НЕЕЕЕЕТ. Когда мне нужно выполнить кучу работы, я почти всегда предпочитаю потратить еще пару часов на чтение статей о человеческом зрении.

Возможно, вы заметили, что в приведенном выше разделе не учтены некоторые аналогии с камерой, потому что, как только вы пройдете простые измерения диафрагмы и объектива, остальные сравнения не будут так хорошо соответствовать.

Рассмотрим датчик глаза, сетчатку. Сетчатка почти такого же размера (диаметр 32 мм), что и сенсор полнокадровой камеры (диаметр 35 мм). Однако после этого почти все изменилось.

Сетчатка человеческого глаза

Первое различие между сетчаткой и сенсором вашей камеры довольно очевидно: сетчатка изогнута вдоль задней поверхности глазного яблока, а не плоская, как кремниевый сенсор в камере.Кривизна имеет очевидное преимущество: края сетчатки находятся примерно на том же расстоянии от линзы, что и центр. У плоского сенсора края дальше от объектива, а центр ближе. Преимущество сетчатки — она должна иметь лучшую «резкость по углам».

Человеческий глаз также имеет намного больше пикселей, чем ваша камера, около 130 миллионов пикселей (вы, владельцы 24-мегапиксельных камер, сейчас чувствуете себя скромными?). Однако только около 6 миллионов пикселей глаза являются конусами (которые видят цвет), а остальные 124 миллиона видят только черно-белое изображение.Но снова преимущество сетчатки. Долгое время.

Но если посмотреть дальше, различия станут еще более заметными…

На сенсоре камеры каждый пиксель отображается в виде регулярной сетки. Каждый квадратный миллиметр сенсора имеет одинаковое количество пикселей и одинаковый узор. На сетчатке есть небольшая центральная область размером около 6 мм (макула), которая содержит самую высокую концентрацию фоторецепторов в глазу. Центральная часть макулы (ямка) плотно заполнена только колбочками (цветочувствительными) клетками.Остальная часть макулы вокруг этой центральной «цветной» области содержит как палочки, так и колбочки.

Макула содержит около 150 000 «пикселей» в каждом квадрате 1 мм (сравните это с 24 000 000 пикселей, распределенных по сенсору 35 x 24 мм в 5DMkII или D3x) и обеспечивает наше «центральное зрение» (конус зрительного внимания 55 градусов, упомянутый выше) . В любом случае, центральная часть нашего поля зрения имеет гораздо большую разрешающую способность, чем даже лучшая камера.

Остальная часть сетчатки имеет гораздо меньше «пикселей», большинство из которых являются только черно-белыми.Он обеспечивает то, что мы обычно считаем «периферическим зрением», то есть то, что мы видим «краем глаза». Эта часть очень хорошо распознает движущиеся объекты, но не обеспечивает достаточного разрешения, например, для чтения книги.

Общее поле зрения (область, в которой мы можем видеть движение) человеческого глаза составляет 160 градусов, но за пределами конуса визуального внимания мы не можем распознавать детали, только широкие формы и движение.

Преимущества человеческого глаза по сравнению с камерой немного уменьшаются, когда мы покидаем сетчатку и возвращаемся к мозгу.Камера отправляет данные каждого пикселя с датчика на компьютерный чип для обработки в изображение. Глаз имеет 130 миллионов датчиков в сетчатке, но зрительный нерв, передающий сигналы этих датчиков в мозг, имеет только 1,2 миллиона волокон, поэтому менее 10% данных сетчатки передаются в мозг в любой момент времени. (Отчасти это связано с тем, что химическим датчикам света в сетчатке требуется время, чтобы «перезарядиться» после стимуляции. Отчасти потому, что мозг все равно не мог обработать такой объем информации.)

И, конечно же, мозг обрабатывает сигналы иначе, чем фотоаппарат. В отличие от прерывистых щелчков затвора камеры, глаз посылает в мозг постоянное видео, которое преобразуется в то, что мы видим. Подсознательная часть мозга (латеральное коленчатое ядро, если вы должны знать) сравнивает сигналы от обоих глаз, собирает наиболее важные части в трехмерные изображения и отправляет их в сознательную часть мозга для распознавания изображений и далее. обработка.

Подсознательный мозг также посылает сигналы в глаз, слегка перемещая глазное яблоко по схеме сканирования, так что резкое зрение желтого пятна перемещается по интересующему объекту. В течение нескольких секунд глаз фактически отправляет несколько изображений, а мозг обрабатывает их в более полное и детальное изображение.

Подсознательный мозг также отклоняет большую часть входящей полосы пропускания, отправляя в сознательный мозг лишь небольшую часть своих данных. Вы можете контролировать это до некоторой степени: например, прямо сейчас ваш сознательный мозг говорит латеральному коленчатому ядру: «пришлите мне информацию только из центрального зрения, сосредоточьтесь на набранных словах в центре поля зрения, двигайтесь слева направо. правильно, чтобы я мог их прочитать ».Прекратите читать на секунду и, не двигая глазами, попытайтесь увидеть то, что находится в вашем периферийном поле зрения. Секунду назад вы не «видели» этот объект справа или слева от монитора компьютера, потому что периферическое зрение не передавалось в сознательный мозг.

Если вы сконцентрируетесь, даже не двигая глазами, вы хотя бы сможете сказать, что объект находится там. Однако, если вы хотите ясно видеть его, вам придется послать другой мозговой сигнал в глаз, переместив конус визуального внимания на этот объект.Также обратите внимание, что вы не можете одновременно читать текст и видеть периферийные объекты — мозг не может обработать такой объем данных.

Мозг не работает, когда изображение достигает сознательной части (называемой зрительной корой). Эта область прочно связана с участками памяти мозга, что позволяет вам «узнавать» объекты на изображении. Все мы пережили тот момент, когда что-то видим, но не осознаем, что это такое, на секунду или две. После того, как мы это узнали, мы задаемся вопросом, почему, черт возьми, это не стало очевидным сразу.Это потому, что мозгу потребовалась доля секунды, чтобы получить доступ к файлам памяти для распознавания изображений. (Если вы еще не испытали этого, просто подождите несколько лет. Будет.)

На самом деле (и это очень очевидно) человеческое видение — это видео, а не фотография. Даже глядя на фотографию, мозг делает несколько «снимков», перемещая центр фокуса по изображению, складывая и собирая их в окончательное изображение, которое мы воспринимаем. Посмотрите на фотографию в течение нескольких минут, и вы поймете, что подсознательно ваш взгляд скользил по ней, получая обзор изображения, сосредотачиваясь на деталях здесь и там, и через несколько секунд осознавая некоторые вещи в нем, которые не были очевидны на первый взгляд.

Так в чем же смысл?

Что ж, у меня есть некоторые наблюдения, хотя они далеки от того, «какой объектив имеет поле зрения, наиболее схожее с человеческим зрением?». Эта информация заставила меня задуматься о том, что меня так привлекает в одних фотографиях, а не в других. Я не знаю, верны ли какие-либо из этих наблюдений, но это интересные мысли (по крайней мере, для меня). Все они основаны на одном факте: когда мне действительно нравится фотография, я провожу минуту или две, глядя на нее, позволяя своему человеческому зрению сканировать ее, улавливая детали или, возможно, размышляя о деталях, которые не видны.

Фотографии, сделанные с «нормальным» углом зрения (от 35 до 50 мм), кажутся, сохраняют свою привлекательность независимо от их размера. Даже изображения веб-формата, снятые с таким фокусным расстоянием, сохраняют суть кадра. Снимок ниже (сделанный на 35 мм) имеет гораздо больше деталей, если смотреть на большое изображение, но суть очевидна даже на маленьком. Возможно, мозгу удобнее распознавать изображение, которое он видит в обычном поле зрения. Возможно, это потому, что мы, фотографы, склонны подсознательно подчеркивать композицию и объекты на фотографии с «нормальным» углом зрения.

Фотография выше демонстрирует кое-что еще, о чем я всегда интересовался: происходит ли наше увлечение и любовь к черно-белой фотографии, потому что это один из немногих способов, которыми плотные конические (только цветные) рецепторы в нашей макуле вынуждены отправлять изображение в оттенках серого? в наш мозг?

Возможно, нашему мозгу нравится смотреть только на тон и текстуру, без того, чтобы данные о цвете забивали узкую полосу пропускания между глазным яблоком и мозгом.

Как и снимки «под обычным углом», телефото и макро снимки часто отлично смотрятся на небольших отпечатках или веб-форматах JPG.У меня есть глаз слона размером 8 × 10 и макро-отпечаток паука такого же размера на стене моего офиса, который даже на другом конце комнаты выглядит великолепно. (По крайней мере, мне они кажутся великолепными, но вы заметите, что они висят в моем офисе. Я повесил их еще в паре мест в доме, и мне тактично сказали, что «они действительно не идут с мебелью для гостиной », так что, может быть, они не всем так хорошо смотрятся.)

Нет хорошей композиции или других факторов, чтобы сделать эти фотографии привлекательными для меня, но я все равно нахожу их интересными.Возможно, потому, что даже при небольшом размере мое человеческое зрение может видеть детали на фотографии, которые я никогда не мог увидеть, глядя на слона или паука «невооруженным глазом».

С другой стороны, когда я получаю хороший широкоугольный или живописный снимок, я даже не удосуживаюсь опубликовать изображение веб-размера или сделать небольшой отпечаток (и я не собираюсь начинать эту статью). Я хочу напечатать БОЛЬШОЙ. Я думаю, возможно, так что мое человеческое зрение может сканировать изображение, выявляя мелкие детали, которые полностью теряются при его уменьшении.И каждый раз, когда я делаю большой отпечаток, даже сцены, в которой я был десяток раз, я замечаю на фотографии вещи, которых никогда не видел, когда был там лично.

Возможно, «видео», которое мой мозг делает во время сканирования отпечатка, дает гораздо больше деталей, и я считаю его более приятным, чем композиция фотографии, когда она напечатана небольшого размера (или которую я видел, когда действительно был на месте).

И, возможно, подсознательное «сканирование», которое мое видение производит на фотографии, объясняет, почему такие вещи, как «правило третей» и выборочная фокусировка, привлекают мой взгляд к определенным частям фотографии.Возможно, мы, фотографы, просто выяснили, как мозг обрабатывает изображения, и воспользовались этим на практике, не зная всей науки.

Но я думаю, что мой единственный реальный вывод таков: фотография — это НЕ то, что мой глаз и мозг видели на месте происшествия. Когда у меня получается хороший снимок, это что-то другое и нечто лучшее, как то, что сказал Виногранд в двух цитатах выше, а также в этой цитате:

Вы видите, что что-то происходит, и начинаете это делать.Либо вы получаете то, что видели, либо что-то еще — и в зависимости от того, что лучше, вы печатаете.

Об авторе : Роджер Чикала — основатель LensRentals. Эта статья изначально была опубликована здесь.

Изображение предоставлено : мой глаз крупным планом с помощью machinecodeblue, глаз Ниха через глаз камеры от моих глаз к вашим глазам 🙂 от slalit, Схема человеческого глаза полностью субъективно, Моя сетчатка левого глаза от Ричарда Мейсонера / Cyclelicious, Хроматическая аберрация (вроде) по moppet65535

Vision — Какое минимальное фокусное расстояние человеческого глаза?

Краткий ответ
Фокусное расстояние среднего здорового взрослого человеческого глаза в ближней точке составляет около 18.5 мм. Молодые люди могут размещать свои линзы дальше до фокусного расстояния около 15,4 мм.

Предпосылки
Фокусное расстояние человеческого глаза — это расстояние между линзой и сетчаткой, когда объект находится в фокусе (рис. 1). Следовательно, ... даже если учесть размытые изображения, часть в этом вопросе не имеет особого смысла. Итак, я сосредоточу свой ответ только на четких изображениях (каламбур).

Линзы глаза толще в центре, чем по краям, и, следовательно, положительные и собирающие линзы.Они формируют перевернутое изображение на светочувствительном слое в задней части глаза — сетчатке (рис.1). Изображение сетчатки формируется двумя линзами: 1) роговицей с фиксированным фокусным расстоянием и 2) линзой глаза, которая представляет собой линзу с переменным фокусным расстоянием за счет изменения формы (рис. 1), называемую аккомодацией, и опосредуется цилиарными мышцами (Kolb, 2012).

Когда цилиарные мышцы расслаблены, фокусное расстояние хрусталика максимально и удаленные объекты находятся в фокусе (бесконечность). Когда цилиарные мышцы сокращаются, они укорачивают фокусное расстояние хрусталика глаза, чтобы сфокусировать более близкие объекты.Две границы этого диапазона называются: дальняя точка , (ресничные мышцы расслаблены) и ближняя точка (максимальная аккомодация) (источник: Университет Колорадо, Боулдер).

Расстояние между хрусталиком глаза и сетчаткой около 20 мм. Когда объект находится далеко от глаза (бесконечность), изображение находится по существу в фокусной точке. Следовательно, фокусное расстояние роговицы и хрусталика глаза должно быть около 20 мм, когда мышцы глаза расслаблены. Сила линзы обратно пропорциональна его фокусному расстоянию в метрах.Следовательно, прочность роговицы и хрусталика в дальней точке составляет примерно 1 / 0,020 = 50 диоптрий (источник: Университет Колорадо, Боулдер).

Когда объект расположен в ближней точке (ближайшая точка, в которой объект может быть четко сфокусирован на сетчатке), фокусное расстояние роговицы и хрусталика глаза должно быть изменено так, чтобы формировалось изображение. на сетчатке, которая все еще находится на расстоянии 20 мм. Типичная ближняя точка у взрослого человека составляет 25 см, что соответствует фокусному расстоянию роговицы и хрусталика глаза 18.52 мм с использованием стандартных правил трассировки лучей линз. Следовательно, сила роговицы и хрусталика глаза теперь должна составлять примерно 1 / 0,01852 = 54 диоптрии. Другими словами, мышцы глаза могут обеспечить диапазон аккомодации в 4 диоптрии (источник: Университет Колорадо, Боулдер).

Дети могут, однако, фокусироваться на точках на расстоянии 6,5 см, , то есть , оптическая сила 15 диоптрий, , то есть , минимальное фокусное расстояние 15,39 мм.

^{Рис.1.Человеческий глаз. Верхняя панель: неприкрытый расслабленный глаз. Нижняя панель: приставной глазок. источник: Khan Academy}

_{Ссылка
— Колб, Общая анатомия глаза. В: Webvision. Организация сетчатки и зрительной системы , Глазной центр Морана (2012)}

Камеры против человеческого глаза

Почему я не могу просто направить камеру на то, что я вижу, и записать это? Это, казалось бы, простой вопрос. Это также один из самых сложных ответов, и он требует не только вникать в то, как камера записывает свет, но и в том, как и почему наши глаза работают именно так.Ответ на такие вопросы может раскрыть удивительное понимание нашего повседневного восприятия мира — в дополнение к тому, что вы станете лучшим фотографом.

VS.

ВВЕДЕНИЕ

Наши глаза могут осматривать сцену и динамически настраиваться в зависимости от объекта, в то время как камеры фиксируют одно неподвижное изображение. Эта черта объясняет многие из наших общепринятых преимуществ перед камерами. Например, наши глаза могут компенсировать это, когда мы фокусируемся на областях с различной яркостью, можем смотреть вокруг, чтобы охватить более широкий угол зрения, или можем поочередно фокусироваться на объектах на разных расстояниях.

Однако конечный результат сродни видеокамере, а не фотоаппарату, которая собирает соответствующие снимки для формирования мысленного образа. Быстрый взгляд наших глаз может быть более справедливым сравнением, но в конечном итоге уникальность нашей визуальной системы неизбежна, потому что:

То, что мы действительно видим, — это реконструкция объектов нашим разумом на основе информации, поступающей от глаз, а не фактического света, получаемого нашими глазами .

Скептически? Большинство — по крайней мере, на начальном этапе.В приведенных ниже примерах показаны ситуации, когда можно обманом заставить разум видеть нечто иное, чем глаза:

Ложный цвет Полосы Маха

Ложный цвет : Наведите указатель мыши на угол изображения и посмотрите на центральный крест. Отсутствующая точка будет вращаться по кругу, но через некоторое время она станет зеленой, хотя на самом деле зеленого цвета на изображении нет.

Полосы Маха : Перемещайте указатель мыши по изображению.Каждая из полос будет казаться немного темнее или светлее рядом с ее верхним и нижним краями, даже если каждая из них равномерно серая.

Однако это не должно мешать нам сравнивать наши глаза и камеры! Во многих условиях справедливое сравнение все еще возможно, но только если мы принимаем во внимание то, что мы видим, и , как наш разум обрабатывает эту информацию. В последующих разделах мы попытаемся различить эти два аспекта, когда это возможно.

ОБЗОР ОТЛИЧИЙ

В этом руководстве сравнения сгруппированы по следующим визуальным категориям:

Угол обзора
Разрешение и детализация
Чувствительность и динамический диапазон

Вышеупомянутое часто понимается как то, где наши глаза и камеры больше всего различаются, и, как правило, также есть место наибольших разногласий.Другие темы могут включать глубину резкости, стереозрение, баланс белого и цветовую гамму, но они не будут в центре внимания данного руководства.

1. УГОЛ ОБЗОРА

В камерах это определяется фокусным расстоянием объектива (наряду с размером сенсора камеры). Например, телеобъектив имеет большее фокусное расстояние, чем стандартный портретный объектив, и, таким образом, обеспечивает более узкий угол обзора:

К сожалению, наши глаза не так просты. Хотя человеческий глаз имеет фокусное расстояние приблизительно 22 мм, это вводит в заблуждение, потому что (i) задняя часть наших глаз изогнута, (ii) периферия нашего поля зрения содержит все меньше деталей, чем центр, и (iii) Воспринимаемая нами сцена — это результат работы обоих глаз.

Каждый глаз индивидуально имеет угол обзора от 120 до 200 °, в зависимости от того, насколько строго человек определяет объекты как «видимые». Точно так же область перекрытия двойного глаза составляет около 130 ° — или почти такой же ширины, как линза «рыбий глаз». Однако по причинам эволюции наше крайнее периферийное зрение полезно только для восприятия движения и крупномасштабных объектов (например, льва, прыгающего с вашей стороны). Кроме того, такой широкий угол выглядел бы сильно искаженным и неестественным, если бы он был снят камерой.


Левый глаз	Перекрытие с двумя проушинами	Правый глаз

Наш центральный угол зрения — около 40-60 ° — это то, что больше всего влияет на наше восприятие. Субъективно это соответствовало бы углу, под которым вы могли вспомнить объекты, не двигая глазами. Между прочим, это близко к «нормальному» фокусному расстоянию 50 мм для полнокадровой камеры (43 мм, если быть точным) или к фокусному расстоянию 27 мм для камеры с 1.6-кратный кроп-фактор. Хотя это не воспроизводит полный угол обзора, под которым мы видим, действительно соответствует тому, что мы воспринимаем как лучший компромисс между различными типами искажений:

Слишком широкий угол обзора и относительные размеры объектов преувеличены, тогда как слишком узкий угол обзора означает, что все объекты имеют почти одинаковый относительный размер, и вы теряете ощущение глубины. Чрезвычайно широкие углы также приводят к тому, что объекты, расположенные по краям кадра, выглядят растянутыми.

(при съемке стандартным / прямолинейным объективом)

Для сравнения, даже если наши глаза фиксируют искаженное широкоугольное изображение, мы реконструируем его, чтобы сформировать трехмерное мысленное изображение, которое, казалось бы, не имеет искажений.

2. РАЗРЕШЕНИЕ И ДЕТАЛИ

Большинство современных цифровых фотоаппаратов имеют разрешение 5-20 мегапикселей, что часто считается недостаточным для нашей собственной визуальной системы. Это основано на том факте, что при зрении 20/20 человеческий глаз способен разрешить эквивалент 52-мегапиксельной камеры (при угле обзора 60 °).

Однако такие расчеты ошибочны. Только наше центральное видение — 20/20, поэтому мы никогда не решаем столько деталей за один взгляд. Вдали от центра наши зрительные способности резко ухудшаются, так что всего на 20 ° от центра наши глаза воспринимают только одну десятую от количества деталей. На периферии мы обнаруживаем только крупномасштабный контраст и минимальный цвет:

Качественное представление визуальных деталей одним взглядом глаз.

Принимая во внимание вышесказанное, один взгляд, таким образом, способен воспринимать только детали, сравнимые с 5-15-мегапиксельной камерой (в зависимости от зрения).Однако наш разум фактически не запоминает изображения пиксель за пикселем; вместо этого он записывает запоминающиеся текстуры, цвет и контраст по каждому изображению.

Таким образом, чтобы составить подробный мысленный образ, наш взгляд фокусируется на нескольких областях, представляющих интерес, в быстрой последовательности. Это эффективно окрашивает наше восприятие:

Конечным результатом является мысленный образ, детали которого эффективно расставлены по приоритетам на основе интереса. Это имеет важное, но часто упускаемое из виду значение для фотографов: даже если фотография приближается к техническим пределам детализации камеры, такие детали в конечном итоге не будут иметь большого значения, если само изображение не запоминается.

Другие важные различия в том, как наши глаза распознают детали, включают:

Асимметрия . Каждый глаз более способен воспринимать детали ниже нашего взгляда, чем сверху, и их периферическое зрение также намного более чувствительно в направлениях от носа, чем к нему. Камеры записывают изображения почти идеально симметрично.

Просмотр при слабом освещении . При очень слабом освещении, например, при лунном свете или свете звезд, наши глаза фактически начинают видеть в монохромном режиме.В таких ситуациях наше центральное зрение также начинает отображать меньше деталей, чем просто вне центра. Многие астрофотографы знают об этом и используют это в своих интересах, глядя только на тусклую звезду, если они хотят увидеть ее без посторонней помощи.

Тонкие градации . Слишком много внимания часто уделяется мельчайшим разрешаемым деталям, но также важны тонкие градации тонов — и именно в них наши глаза и камеры различаются больше всего. С камерой всегда легче разрешить увеличенные детали, но, как это ни парадоксально, увеличенные детали могут фактически стать менее заметными для наших глаз.В приведенном ниже примере оба изображения содержат текстуру с одинаковой степенью контрастности, но она не видна на изображении справа, потому что текстура была увеличена.

Тонкая текстура
(еле видна) →
Увеличено 16X Грубая текстура
(больше не видно)

3. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН

Динамический диапазон * — это та область, в которой глаз часто имеет огромное преимущество. Если бы мы рассмотрели ситуации, когда наш зрачок открывается и закрывается для разных областей яркости, то да, наши глаза намного превосходят возможности изображения с одной камеры (и могут иметь диапазон, превышающий 24 диафрагмы).Однако в таких ситуациях наш глаз динамически настраивается, как видеокамера, так что это, возможно, не совсем справедливое сравнение.


Глаз фокусируется на фоне	Глаз фокусируется на переднем плане	Наш мысленный образ

Если бы мы вместо этого рассмотрели мгновенный динамический диапазон нашего глаза (где раскрытие нашего зрачка не изменилось), то камеры работали бы намного лучше. Это было бы похоже на то, как если бы мы смотрели на одну область в сцене, позволяя нашим глазам приспособиться и не глядя куда-либо еще.В этом случае, по большинству оценок, наши глаза могут видеть где угодно от 10 до 14 ступеней динамического диапазона, что определенно превосходит большинство компактных камер (5-7 ступеней), но удивительно похоже на таковое у цифровых зеркальных камер (8-11 ступеней). останавливается).

С другой стороны, динамический диапазон нашего глаза также зависит от яркости и контраста объекта, поэтому вышесказанное применимо только к типичным условиям дневного света. Например, при просмотре звезд при слабом освещении наши глаза могут приблизиться к еще большему мгновенному динамическому диапазону.

* Количественная оценка динамического диапазона . Наиболее часто используемой единицей измерения динамического диапазона в фотографии является диафрагма, поэтому мы будем придерживаться ее здесь. Это описывает соотношение между самыми светлыми и самыми темными записываемыми областями сцены в степени двойки. Следовательно, сцена с динамическим диапазоном 3 ступени диафрагмы имеет белый цвет, который в 8 раз ярче, чем его черный (поскольку 2 ³ = 2x2x2 = 8).

Фотографии слева (спички) и справа (ночное небо) сделаны lazlo и dcysurfer соответственно.

Чувствительность . Это еще одна важная визуальная характеристика, описывающая способность распознавать очень слабые или быстро движущиеся объекты. При ярком свете современные камеры лучше решают быстро движущиеся объекты, что подтверждается необычно выглядящей высокоскоростной фотографией. Это часто становится возможным благодаря чувствительности ISO камеры выше 3200; эквивалентный дневной свет ISO для человеческого глаза даже считается низким 1.

Однако в условиях низкой освещенности наши глаза становятся намного более чувствительными (при условии, что мы даем им возможность адаптироваться в течение 30+ минут).Астрофотографы часто оценивают это как близкое к ISO 500–1000; все еще не так высоко, как у цифровых фотоаппаратов, но близко. С другой стороны, камеры имеют преимущество в том, что они могут делать более длительные выдержки, чтобы выделить даже более слабые объекты, тогда как наши глаза не видят дополнительных деталей после того, как смотрели на что-то более 10-15 секунд.

ВЫВОДЫ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Кто-то может возразить, что способность камеры превзойти человеческий глаз не имеет значения, потому что камеры требуют другого стандарта: они должны делать реалистичные отпечатки.Напечатанная фотография не знает, на каких областях будет фокусироваться глаз, поэтому каждая часть сцены должна содержать максимум деталей — на всякий случай, когда мы сосредоточимся именно на ней. Это особенно актуально для больших или внимательно просматриваемых отпечатков. Тем не менее, можно также утверждать, что по-прежнему полезно рассматривать возможности камеры в контексте.

В целом, большинство преимуществ нашей зрительной системы проистекает из того факта, что наш разум способен разумно интерпретировать информацию, поступающую от наших глаз, тогда как с камерой все, что у нас есть, — это необработанное изображение.Несмотря на это, современные цифровые камеры работают на удивление хорошо и превосходят наши собственные глаза по нескольким визуальным возможностям. Настоящий победитель — это фотограф, который может грамотно собрать несколько изображений с камеры, превзойдя даже наш мысленный образ.

Дополнительную информацию по этой теме см. В следующих статьях:

Физика глаза | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Объясните формирование изображения на глаз.
Объясните, почему на периферийных изображениях отсутствуют детали и цвет.
Определите показатели преломления.
Проанализируйте аккомодацию глаза для зрения вдаль и вблизи.

Глаз, пожалуй, самый интересный из всех оптических инструментов. Глаз примечателен тем, как он формирует изображения, а также богатством деталей и цветов, которые он может обнаружить. Однако наши глаза обычно нуждаются в некоторой коррекции, чтобы достичь того, что называется «нормальным» зрением, но их следует называть идеальным, а не нормальным.Формирование изображения нашими глазами и обычная коррекция зрения легко анализируются с помощью оптики, обсуждаемой в разделе «Геометрическая оптика».

Рис. 1. Роговица и хрусталик глаза действуют вместе, формируя реальное изображение на светочувствительной сетчатке, которая имеет самую плотную концентрацию рецепторов в ямке и слепом пятне над зрительным нервом. Сила хрусталика глаза регулируется, чтобы обеспечить изображение на сетчатке для различных расстояний до объекта. Здесь показаны слои тканей с разными показателями преломления в хрусталике.Однако для ясности они были опущены на других рисунках.

На рисунке 1 показана основная анатомия глаза. Роговица и хрусталик образуют систему, которая в хорошем приближении действует как единая тонкая линза. Для четкого зрения реальное изображение должно проецироваться на светочувствительную сетчатку, которая находится на фиксированном расстоянии от линзы. Хрусталик глаза регулирует свою силу, чтобы создать изображение на сетчатке для объектов, находящихся на разном расстоянии. Центр изображения приходится на ямку, которая имеет наибольшую плотность световых рецепторов и наибольшую остроту (резкость) в поле зрения.Переменное отверстие (или зрачок) глаза вместе с химической адаптацией позволяет глазу обнаруживать интенсивность света от самой низкой наблюдаемой до 10 ¹⁰ раз большей (без повреждений). Это невероятный диапазон обнаружения. Наши глаза выполняют огромное количество функций, таких как чувство направления, движения, сложных цветов и расстояния. Обработка импульсов зрительного нерва начинается с взаимосвязей в сетчатке и продолжается в головном мозге. Зрительный нерв передает сигналы, полученные глазом, в мозг.

Показатели преломления имеют решающее значение для формирования изображения с помощью линз. В таблице 1 приведены показатели преломления глаза. Наибольшее изменение показателя преломления и изгиб лучей происходит на роговице, а не на линзе. Лучевая диаграмма на рисунке 2 показывает формирование изображения роговицей и хрусталиком глаза. Лучи изгибаются в соответствии с показателями преломления, приведенными в Таблице 1. Роговица обеспечивает около двух третей мощности глаза из-за того, что скорость света значительно изменяется при переходе от воздуха к роговице.Линза обеспечивает оставшуюся мощность, необходимую для создания изображения на сетчатке. Роговицу и хрусталик можно рассматривать как одну тонкую линзу, даже если световые лучи проходят через несколько слоев материала (например, роговицу, водянистую влагу, несколько слоев хрусталика и стекловидное тело), меняя направление на каждой границе раздела. Формируемое изображение очень похоже на изображение, создаваемое одной выпуклой линзой. Это изображение случая 1. Изображения, сформированные в глазу, инвертируются, но мозг снова инвертирует их, чтобы они казались вертикальными.

Таблица 1. Показатели преломления, относящиеся к глазу
Материал	Показатель преломления
Вода	1,33
Воздух	1,0
Роговица	1,38
Водяная жидкость	1,34
Линза	1,41 в среднем (варьируется по всему объективу, наибольшее в центре)
Стекловидное тело	1.34

Рис. 2. Изображение формируется на сетчатке, при этом световые лучи сходятся в большей степени на роговице, а также при входе и выходе из линзы. Лучи сверху и снизу объекта отслеживаются и создают перевернутое реальное изображение на сетчатке. Расстояние до объекта рисуется меньше масштаба.

Как уже отмечалось, изображение должно попадать точно на сетчатку, чтобы обеспечить четкое зрение, то есть расстояние изображения d _i должно быть равно расстоянию от линзы до сетчатки.Поскольку расстояние от линзы до сетчатки не меняется, расстояние изображения d _i должно быть одинаковым для объектов на всех расстояниях. Глаз справляется с этим, изменяя оптическую силу (и фокусное расстояние) линзы, чтобы приспособиться к объектам, находящимся на разных расстояниях. Процесс настройки фокусного расстояния глаза называется аккомодация . Человек с нормальным (идеальным) зрением может четко видеть объекты на расстоянии от 25 см до практически бесконечности. Однако, хотя ближайшая точка (кратчайшее расстояние, на котором может быть получен резкий фокус) увеличивается с возрастом (становится метрами для некоторых пожилых людей), в нашем лечении мы будем считать, что она составляет 25 см.

На рис. 3 показано приспособление глаза для зрения вдаль и вблизи. Поскольку световые лучи от ближайшего объекта могут расходиться и по-прежнему попадать в глаз, линза должна быть более сужающейся (более мощной) для зрения вблизи, чем для зрения вдаль. Чтобы хрусталик был более сужающимся, он становится толще под действием окружающей его цилиарной мышцы. Глаз наиболее расслаблен при наблюдении за удаленными объектами, что является одной из причин того, что микроскопы и телескопы предназначены для получения удаленных изображений. Видение очень далеких объектов называется , полностью расслабленное, , в то время как близкое зрение называется , приспособленное, , при этом самое близкое видение — , полностью приспособленное, .

Рис. 3. Расслабленное и комфортное зрение для удаленных и близких объектов. (а) Световые лучи из одной и той же точки на удаленном объекте должны быть почти параллельны при попадании в глаз и легче сходиться для создания изображения на сетчатке. (б) Световые лучи от близлежащего объекта могут больше расходиться и по-прежнему попадать в глаз. Чтобы собрать их на сетчатке, нужна более мощная линза, чем если бы они были параллельны.

Мы будем использовать уравнения тонкой линзы для количественного исследования формирования изображения глазом.Во-первых, обратите внимание, что сила линзы задается как [latex] p = \ frac {1} {f} \\ [/ latex], поэтому мы переписываем уравнения тонкой линзы как [latex] P = \ frac {1} { d _ {\ text {o}}} + \ frac {1} {d _ {\ text {i}}} \\ [/ latex] и [latex] \ frac {h _ {\ text {i}}} {h_ { \ text {o}}} = — \ frac {d _ {\ text {i}}} {d _ {\ text {o}}} = m \\ [/ latex].

Мы понимаем, что d _i должно быть равно расстоянию от линзы до сетчатки, чтобы получить четкое зрение, и что нормальное зрение возможно для объектов на расстояниях d _o = 25 см до бесконечности.

Эксперимент на вынос: Ученик

Посмотрите на центральную прозрачную область чьего-либо глаза, на зрачок, при нормальном комнатном освещении. Оцените диаметр зрачка. Теперь выключите свет и затемните комнату. Через несколько минут включите свет и быстро оцените диаметр зрачка. Что происходит со зрачком, когда глаз приспосабливается к освещению в комнате? Объясните свои наблюдения.

Глаз может обнаружить впечатляющее количество деталей, учитывая, насколько маленькое изображение на сетчатке.Чтобы получить представление о том, насколько маленьким может быть изображение, рассмотрим следующий пример.

Пример 1. Размер изображения на сетчатке

Каков размер изображения на сетчатке человеческого волоса диаметром 1,20 × 10 ⁻² см, удерживаемого на расстоянии вытянутой руки (60,0 см)? Расстояние между линзой и сетчаткой составляет 2,00 см.

Стратегия

Мы хотим найти высоту изображения h _i, учитывая, что высота объекта составляет h _o = 1.20 × 10 ⁻² см. Мы также знаем, что объект находится на расстоянии 60,0 см, так что d _o = 60,0 см. Для четкого зрения расстояние изображения должно быть равно расстоянию от линзы до сетчатки, поэтому d _i = 2,00 см. Уравнение [латекс] \ frac {h _ {\ text {i}}} {h _ {\ text {o}}} = — \ frac {d _ {\ text {i}}} {d _ {\ text {o}} } = m \\ [/ latex] можно использовать для поиска h _i с известной информацией.

Решение

Единственная неизвестная переменная в уравнении [латекс] \ frac {h _ {\ text {i}}} {h _ {\ text {o}}} = — \ frac {d _ {\ text {i}}} {d_ { \ text {o}}} = m \\ [/ latex] равно h _i:

[латекс] \ displaystyle \ frac {h _ {\ text {i}}} {h _ {\ text {o}}} = — \ frac {d _ {\ text {i}}} {d _ {\ text {o} }} \\ [/ latex]

Перестановка для изоляции ч _i дает

[латекс] \ displaystyle {h} _ {\ text {i}} = — h _ {\ text {o}} \ cdot \ frac {d _ {\ text {i}}} {d _ {\ text {o}} }\\[/латекс].{-4} \ text {cm} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это действительно маленькое изображение не самое маленькое различимое — то есть предел остроты зрения даже меньше этого. Ограничения остроты зрения связаны с волновыми свойствами света и будут рассмотрены в следующей главе. Некоторое ограничение также связано с внутренней анатомией глаза и обработкой информации, происходящей в нашем мозгу.

Пример 2. Диапазон мощности глаза

Рассчитайте оптическую силу глаза при просмотре объектов на максимальном и минимальном расстояниях, возможных при нормальном зрении, при условии, что расстояние от линзы до сетчатки равно 2.00 см (типичное значение).

Стратегия

Для четкого зрения изображение должно находиться на сетчатке, поэтому здесь d _i = 2,00 см. Для дальнего зрения d _o ≈ ∞, а для близкого зрения d _o = 25,0 см, как обсуждалось ранее. Уравнение [латекс] P = \ frac {1} {d _ {\ text {o}}} + \ frac {1} {d _ {\ text {i}}} \\ [/ latex], как написано выше, может можно использовать непосредственно для решения для P в обоих случаях, поскольку мы знаем d _i и d _o.Мощность выражается в диоптриях, где [latex] 1 \ text {D} = \ frac {1} {\ text {m}} \\ [/ latex], поэтому мы должны выражать все расстояния в метрах.

Решение

Для зрения вдаль,

[латекс] \ displaystyle {P} = \ frac {1} {d _ {\ text {o}}} + \ frac {1} {d _ {\ text {i}}} = \ frac {1} {\ infty } + \ frac {1} {0,0200 \ text {m}} \\ [/ latex]

Поскольку [latex] \ frac {1} {\ infty} = 0 \\ [/ latex], это дает [latex] P = 0 + \ frac {50.0} {\ text {m}} = 50.0 \ text {D } \\ [/ latex] (зрение вдаль).

Теперь для близкого зрения,

[латекс] \ begin {array} {lll} P & = & \ frac {1} {d _ {\ text {o}}} + \ frac {1} {d _ {\ text {i}}} = \ frac { 1} {0.250 \ text {m}} + \ frac {1} {0.0200 \ text {m}} \\\ text {} & = & \ frac {4.00} {\ text {m}} + \ frac {50.0} {\ text {m}} = 4.00 \ text {D} +50.0 \ text {D} \\\ text {} & = & 54.0 \ text {D (близкое зрение)} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Для глаза с этим типичным расстоянием от линзы до сетчатки 2,00 см оптическая сила глаза колеблется от 50,0 D (для полного расслабленного зрения вдаль) до 54,0 D (для полного зрения вблизи), что на 8% больше. Это увеличение мощности для близкого зрения согласуется с предыдущим обсуждением и трассировкой лучей на рисунке 3.8% -ная способность к адаптации считается нормальной, но типична для людей в возрасте около 40 лет. У молодых людей больше приспособляемости, тогда как пожилые люди постепенно теряют способность приспосабливаться. Когда окулист определяет проблему аккомодации у пожилых людей, это, скорее всего, связано с жесткостью хрусталика. Хрусталик глаза изменяется с возрастом таким образом, чтобы сохранить способность ясно видеть удаленные объекты, но не позволяет глазу приспособиться к близкому зрению — состояние, называемое пресбиопией (буквально, старшим глазом).Чтобы исправить этот дефект зрения, мы помещаем перед глазом собирающуюся линзу с положительной оптической силой, такую как в очках для чтения. Обычно доступные очки для чтения оцениваются по их оптической силе в диоптриях, обычно в диапазоне от 1,0 до 3,5 D.

Сводка раздела

Формирование изображения глазом адекватно описывается уравнениями тонкой линзы:
[latex] \ displaystyle {P} = \ frac {1} {{d} _ {\ text {o}}} + \ frac {1} {{d} _ {\ text {i}}} \ text {и} \ frac {{h} _ {\ text {i}}} {{h} _ {\ text {o}}} = — \ frac {{d} _ {\ text {i}}} {{d} _ {\ text {o}}} = m \\ [/ latex].
Глаз создает реальное изображение на сетчатке, регулируя его фокусное расстояние и мощность в процессе, называемом аккомодацией.
Для близкого зрения глаз полностью приспособлен и обладает наибольшей силой, тогда как для зрения вдаль он полностью расслаблен и имеет наименьшую силу.
Утрата способности приспосабливаться с возрастом называется пресбиопией, которая корректируется с помощью собирающей линзы для увеличения силы зрения вблизи.

Концептуальные вопросы

Если хрусталик глаза человека удален из-за катаракты (как это делалось с древних времен), почему вы ожидаете, что ему будут прописаны очковые линзы диаметром около 16 D?
Катаракта — это помутнение хрусталика глаза.Он рассеивает или рассеивает свет?
Когда лазерный луч попадает в расслабленный глаз с нормальным зрением для восстановления слезы путем точечной сварки сетчатки с задней частью глаза, лучи, входящие в глаз, должны быть параллельны. Почему?
Как сила сухой контактной линзы соотносится с силой ее прикосновения к слезному слою глаза? Объяснять.
Почему ваше зрение такое размытое, когда вы открываете глаза во время плавания под водой? Как маска для лица обеспечивает четкое зрение?

Задачи и упражнения

Если не указано иное, расстояние от линзы до сетчатки равно 2.00 см.

Какова сила глаза при просмотре объекта на расстоянии 50,0 см?
Рассчитайте силу глаза при просмотре объекта на расстоянии 3,00 м.
(a) Высота шрифта во многих книгах в среднем составляет 3,50 мм. Какова высота изображения отпечатка на сетчатке глаза, когда книга находится на расстоянии 30,0 см от глаза? (b) Сравните размер отпечатка с размерами палочек и колбочек в ямке и обсудите возможные детали, наблюдаемые в письмах. (Система глаз-мозг может работать лучше из-за взаимосвязей и обработки изображений более высокого порядка.)
Предположим, что острота зрения определенного человека такова, что он может четко видеть объекты, образующие изображение высотой 4,00 мкм на его сетчатке. На каком максимальном расстоянии он может прочитать буквы высотой 75,0 см на борту самолета?
Люди, которые выполняют очень детальную работу крупным планом, например ювелиры, часто могут четко видеть предметы на гораздо более близком расстоянии, чем обычные 25 см. а) Какова сила глаз женщины, которая может ясно видеть объект на расстоянии всего 8 см? (б) Каков размер изображения 1.Объект 00 мм, например, надпись внутри кольца, удерживается на таком расстоянии? (c) Каким был бы размер изображения, если бы объект находился на нормальном расстоянии 25,0 см?

Глоссарий

аккомодация: способность глаза регулировать фокусное расстояние известна как аккомодация

пресбиопия: состояние, при котором хрусталик глаза постепенно становится неспособным фокусироваться на объектах, близких к зрителю.

Избранные решения проблем и упражнения

1.52.0 D

3. (а) -0,233 мм; (б) Размер стержней и колбочек меньше высоты изображения, поэтому мы можем различать буквы на странице.

5. (а) +62,5 D; (б) –0,250 мм; (в) –0.0800 мм

Формирование изображения линзами и глазом

Формирование изображения линзой зависит от волнового свойства, называемого рефракцией. Преломление можно определить как изгиб волн, когда они входят в среду, где их скорость отличается. Поскольку скорость света в стеклянной линзе ниже, чем в воздухе, световой луч будет изгибаться при входе и выходе из линзы в зависимости от формы и кривизны линзы.В случае собирающей линзы, такой как показанная ниже двойная выпуклая линза, параллельные лучи будут собираться вместе в одной точке.

Расстояние от объектива до этой основной точки фокусировки называется фокусным расстоянием объектива и обозначается символом f. Для проецирования изображения освещенного объекта можно использовать собирающую линзу. Например, собирающая линза в слайд-проекторе используется для проецирования изображения слайда на экране, а собирающая линза в глазу зрителя, в свою очередь, проецирует изображение экрана на сетчатку в задней части глаз.

Существует геометрическая зависимость между фокусным расстоянием линзы (f), расстоянием от линзы до яркого объекта (o) и расстоянием от линзы до проецируемого изображения (i). Соотношение между расстояниями, показанными на рисунке 2, можно выразить как

Это соотношение будет использоваться для определения фокусного расстояния стеклянной линзы и будет использоваться в качестве основы для качественного исследования формирования изображения глазом с использованием большой модели глаза.

I. Формирование изображения линзой; определение фокусного расстояния.

1. Поместите объектив и белый экран на оптическую скамью так, чтобы расстояние от освещенного «объекта» до линзы можно было измерить на настольной шкале. Отрегулируйте экран, чтобы получить четкое изображение.

Определите расстояние до объекта и расстояние до изображения, o и i, и вычислите фокусное расстояние по соотношению линз. Опишите внешний вид изображения по сравнению с объектом (например,г, больший, меньший, прямостоячий, перевернутый). Отрегулируйте расстояние до объекта на другое значение и повторите процесс с другим набором измерений.

2. Каково среднее значение ваших измерений фокусного расстояния, выраженное в метрах?

3. Сила линзы в диоптриях определяется как S = 1 / f (в метрах). Единица измерения — 1 / м, но ее обычно называют «диоптрия».

Какова сила вашей линзы в диоптриях?

Примечание. Сходящиеся линзы обозначаются как +, а расходящиеся линзы — как -, когда указаны числа диоптрий.Рецепты очков обычно выражаются в диоптриях.

4. Какое число диоптрий у объектива с фокусным расстоянием 0,05 метра? Какое фокусное расстояние линзы +7 диоптрий?

5. Используя среднее значение ваших измерений фокусного расстояния, вычислите расстояние до изображения i, если расстояние до объекта в 1,5 раза больше вашего фокусного расстояния (например, если ваше измеренное фокусное расстояние составляло 10 см, вы должны выполнить расчет для расстояния до объекта, равного 15 см). Для этой компоновки расстояние до изображения и линейное увеличение изображения равны

Измерьте высоту вашего объекта и спрогнозируйте размер изображения, которое будет сформировано при размещении объекта, как описано выше.Теперь произведите фактические измерения расстояния до изображения и размера изображения и сравните их со своими прогнозами.

Прогнозы

Измеренное фокусное расстояние f = _______ см

Расстояние до объекта o = 1,5 x f = _______ см

Прогнозируемое расстояние до изображения i = _______ см

Прогнозируемое увеличение M = i / o = _______ см

Измерения

Размер измеряемого объекта h = _______ см

Измеренное расстояние изображения i = _______ см

Измеренный размер изображения = h ‘= _______ см

Прогнозируемый размер изображения h ‘= _______ см

II.Исследование формирования изображения глазом.

На рисунке показан эскиз модели глаза. В начале эксперимента сетчатка должна находиться в среднем положении, или положении «нормальный глаз». Модель следует наполнить водой на высоту, которая закрывает фиксированный хрусталик модели глаза. Эта фиксированная линза модели глаза представляет роговицу. Помимо роговицы, человеческий глаз имеет еще одну внутреннюю линзу.

1. Поместите объектный свет на расстоянии примерно двух метров от модели глаза, чтобы свет проходил через хрусталик глаза и падал на сетчатку.Найдите линзу, которую поместите в держатель внутри воды модели глаза, что даст вам четкое изображение на сетчатке. Эта внутренняя линза человеческого глаза имеет переменное фокусное расстояние и меняет форму, чтобы вы могли менять фокус вашего глаза с удаленного объекта на близкий. Это изменение фокуса называется «аккомодацией».

Сила линзы для резкого изображения с расстояния 2 метра: _________

2. Переместите объект на расстояние 35 см от передней линзы.Чтобы проиллюстрировать аккомодацию, попробуйте найти линзу, чтобы заменить линзу в воде, которая снова даст вам четкое изображение на сетчатке. Затем внесите небольшие изменения в расстояние до объекта, чтобы получить максимально резкое изображение, и запишите расстояние до объекта и силу линзы, необходимую для его достижения.

Сила линзы для резкого изображения на 35 см: _________

Если вы отодвинули его от 35 см, запишите данные:

Расстояние для максимальной резкости _____________
Сила линзы ___________

Примечание. Теперь на сетчатке должно быть четкое изображение.Положение объекта и модели глаза следует сохранять фиксированными для следующих двух этапов эксперимента.

3. Для имитации дальнозоркости (дальнозоркости) переместите сетчатку модели глаза в переднее положение. Световые лучи должны сходиться к точке за сетчаткой. Найдите корректирующую линзу для этого дефекта. (Линзы для коррекции должны быть размещены в пазах вне модели глаза.).

Число диоптрий для лучшей коррекции ___________

4.Чтобы смоделировать близорукость (миопию), переместите сетчатку назад. Световые лучи должны сходиться к точке перед сетчаткой. Найдите корректирующую линзу для этого дефекта.

Корректирующая линза _______________

5. Снимите корректирующую линзу с передней части модели близорукого глаза и замените ее держателем линзы с металлической пластиной с отверстием. Опишите любые изменения качества изображения, когда это отверстие расположено спереди модели глаза.Будет ли близорукий человек видеть более четкие изображения при тусклом или ярком свете? Почему прищуривают близорукие?

6. Человеческий глаз расслаблен, когда он сосредоточен на удаленных объектах. Судя по вашему опыту в этой лаборатории, приближается ли фокусное расстояние объектива к максимуму или минимуму, когда ваш глаз расслабляется? Означает ли это, что хрусталик глаза более округлый или менее округлый, когда глазная мышца расслаблена?

Оборудование: формирование изображения

Оптическая скамья
Концентрирующая линза и держатель линзы
Изображение с подсветкой и оптическая подставка для его крепления.
Белая карта для экрана и подставки для карты
Модель глаза с комплектом линз
Большой освещенный объект для модели глаза.

Преломление и лучевая модель света

Хотя вся поверхность сетчатки содержит нервные клетки, есть небольшая часть диаметром примерно 0,25 мм, где концентрация колбочек наибольшая. Эта область, известная как fovea centralis , является оптимальным местом для формирования изображения.Глаз обычно вращается в глазнице, чтобы сфокусировать изображения объектов в этом месте. Расстояние от внешней поверхности роговицы (где свет претерпевает большую часть своего преломления) до центральной части ямки на сетчатке составляет примерно 2,4 см. Свет, попадающий в роговицу, должен давать изображение на расстоянии 2,4 см от ее внешнего края. В отличие от камеры, которая может изменять расстояние между пленкой (детектором) и линзой, расстояние между сетчаткой (детектор , ) и роговицей (рефрактор , ) является фиксированным.Расстояние изображения неизменное. Впоследствии глаз должен иметь возможность изменять фокусное расстояние, чтобы фокусировать изображения как близлежащих, так и далеких объектов на поверхности сетчатки. При изменении расстояния до объекта необходимо изменить фокусное расстояние, чтобы расстояние до изображения оставалось постоянным.

Жилье

Способность глаза регулировать фокусное расстояние известна как аккомодация .Поскольку ближайший объект (маленький объект d _{) обычно фокусируется на большем расстоянии (большое изображение} d _{), глаз приспосабливается, принимая форму линзы с более коротким фокусным расстоянием. Это уменьшение фокусного расстояния вызовет большее преломление света и поможет приблизить изображение к системе роговица / хрусталик и к поверхности сетчатки. Таким образом, для близлежащих предметов цилиарные мышцы сокращаются и сжимают линзу, придавая ей более выпуклую форму. Это увеличение кривизны линзы соответствует более короткому фокусному расстоянию.С другой стороны, удаленный объект (большой объект} d _{) обычно фокусируется на более близком расстоянии (маленькое изображение} d _{). Глаз приспосабливается, принимая форму линзы с большим фокусным расстоянием. Таким образом, для удаленных объектов цилиарные мышцы расслабляются, и хрусталик принимает более плоскую форму. Это уменьшение кривизны линзы соответствует большему фокусному расстоянию. В приведенной ниже таблице данных показано, как требуется изменение фокусного расстояния для поддержания постоянного расстояния до изображения, равного 1.80 см.}

Зависимость f от объекта d (изображение d зафиксировано на 1,80 см)

Расстояние до объекта	Фокусное расстояние
0,25 м	1,68 см
1 мес.	1.77 см
3 мес.	1,79 см
100 м	1.80 см
бесконечность	1.80 см

(Приведенные выше значения были рассчитаны с использованием уравнения линзы.Уравнение линзы представляет собой упрощенную математическую модель глаза.)

Способность глаза приспосабливаться автоматическая. Более того, это происходит мгновенно. Сфокусируйтесь на удаленном объекте и быстро переключите внимание на ближайший объект; Обратите внимание на отсутствие заметной задержки в способности глаза сфокусировать близлежащий объект. Проживание — замечательный подвиг!

Диоптрия

Оптика измеряет оптическую силу в единицах, известных как диоптрия. диоптрий — величина, обратная фокусному расстоянию.

диоптрий = 1 / (фокусное расстояние)

Система линз с фокусным расстоянием 1,8 см (0,018 м) представляет собой линзу 56 диоптрий. Система линз с фокусным расстоянием 1,68 см — это линза с диоптриями 60 диоптрий. Здоровый глаз способен фокусировать как удаленные, так и близлежащие объекты без необходимости использования корректирующих линз. То есть здоровый глаз может принимать как малое, так и большое фокусное расстояние; он будет иметь возможность просматривать объекты с большим разбросом по расстоянию.Максимальное изменение силы зрения называется . Сила аккомодации . Если глаз имеет способность принимать фокусное расстояние 1,80 см (56 диоптрий) для просмотра объектов на много миль, а также способность принимать фокусное расстояние 1,68 см для просмотра объекта на расстоянии 0,25 метра (60 диоптрий), тогда его Сила аккомодации будет измеряться как 4 диоптрии (60 диоптрий — 56 диоптрий).

Здоровый глаз молодого взрослого человека имеет аккомодационную способность около 4 диоптрий.По мере того, как человек становится старше, способность аккомодации обычно уменьшается, так как человек теряет способность видеть близлежащие объекты. Отсутствие возможности видеть близлежащие объекты приводит к необходимости использования корректирующих линз. В следующих двух разделах Урока 6 мы обсудим два наиболее распространенных дефекта глаза — близорукость и дальнозоркость.

Вы когда-нибудь задумывались, как выглядела бы диаграмма зрения в кабинете врача, если бы у вас было плохое зрение? Теперь вы можете узнать.Используйте виджет «Несовершенное зрение» и виджет «Глаз » ниже, чтобы увидеть, как будет выглядеть диаграмма Снеллена при несовершенном зрении.

Лечение заболеваний глаз

Общие глазные заболевания и способы их устранения

Четыре распространенных глазных заболевания — это пресбиопия, гиперония, миопия и астигматизм. Эти нарушения вызваны тем, что глаз не преломляет свет должным образом.

Пресбиопия

Глаз может видеть ближе объекты в процессе проживания. Однако с возрастом эта способность ухудшается, поскольку линза становится менее гибкой. Так что вместо возможности регулировать фокусное расстояние с помощью ресничные мышцы фокус формируется за сетчаткой, что приводит к размытому изображение.Это известно как пресбиопия.

Распространенное лекарство от этого расстройства: очки для чтения, в которых используется собирающая линза для уменьшить фокусное расстояние, в результате чего точка фокусировки чтобы снова появиться на сетчатке.

http://holbert.com/eye-disorders/

Гиперония

Гиперония или дальнозоркость — это когда кто-то может видеть объекты далеко, но они не могут видеть объекты вверх Закрыть.Это вызвано слишком коротким глазным яблоком, относительно фокусного расстояния.

Когда глаз пытается рассмотреть объект вблизи, объектив не может вместить достаточно, чтобы произвести изображение на сетчатке, поэтому точка фокусировки оказывается позади сетчатка создает размытое изображение.

Обычное решение этой проблемы — корректирующие линзы, которые выпуклый или сходящийся, что заставляет световые лучи преломляются больше внутрь, уменьшая фокусное расстояние, и размещение фокусной точки на сетчатке.

Близорукость
Миопия, также называемая близорукостью, — это когда кто-то может видеть объекты вблизи, но не может видеть объекты далеко. Это вызвано тем, что глазное яблоко слишком долго относительно фокусного расстояния.

Это приводит к удалению фокальной точки объекты, которые будут производиться перед сетчаткой, что делает изображение размытым.

Обычное средство для лечения этого расстройства — корректирующее. вогнутые или расходящиеся линзы, вызывает увеличение фокусного расстояния, перемещение фокусной точки на сетчатку.

http: // holbert.

Фокусное расстояние глаза: Камера и человеческий глаз

Камера и человеческий глаз

Общие сведения

Обзор различий

1. Угол зрения

2. Различимость и детальность

3. Чувствительность и динамический диапазон

Итоги и дополнительная информация

Человеческий глаз

Основные причины плохого зрения.

Фокусное расстояние 50мм — не поле зрения человека | Сайт профессионального фотографа в Киеве

Какое фокусное расстояние объектива наиболее близко напоминает перспективу человеческого глаза?

Физиология глаза — Офтальмика

Миопия:

Гиперметропия:

Что такое Оптическая система глаза

Какое фокусное расстояние объектива наиболее близко напоминает перспективу человеческого глаза?

Камера против человеческого глаза

Глаз как система камеры

Глаз — это

Так в чем же смысл?

Vision — Какое минимальное фокусное расстояние человеческого глаза?

Камеры против человеческого глаза

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ОТЛИЧИЙ

1. УГОЛ ОБЗОРА

2. РАЗРЕШЕНИЕ И ДЕТАЛИ

3. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН

ВЫВОДЫ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Физика глаза | Физика

Цели обучения

Эксперимент на вынос: Ученик

Пример 1. Размер изображения на сетчатке

Стратегия

Решение

Обсуждение

Пример 2. Диапазон мощности глаза

Стратегия

Решение

Обсуждение

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

Задачи и упражнения

Глоссарий

Избранные решения проблем и упражнения

Формирование изображения линзами и глазом

Оборудование: формирование изображения

Преломление и лучевая модель света

Лечение заболеваний глаз

Добавить комментарий Отменить ответ