Ljus, Optik och Visuellt system

Introduktion:

Denna artikel förklarar kortfattat ljus, elektromagnetisk strålning (EMR) och deras interaktion med det visuella systemet. Elektriska och magnetiska fält är två vibrerande egenskaper hos ljusvågor. Därför kan färgvariation baseras på magnetiska och ljusstyrkan på det elektriska fältet i EMR. Följande formler beräknar elektromagnetiska vågors frekvens, våglängd och energi.

c=λ⋅ν

c=3,00×10^(8) m/s (ljusets hastighet), λ = våglängd i meter, ν = frekvens i Hz

ν=E.h

E = energi i joule (J), h = Plancks konstant = 6,626×10^(−34)J⋅s, ν = frekvens i Hz

Ljus:

Ljus som kinetisk energi är ett av de essentiella energislagen i världen. De primära ljuskällorna i naturen är solen, elektriskt ljus och eld. Det är dock olika teorier inom fysiken som förklarar ljus. Kvantteorin, som beskriver energiöverföring av ljus (energikvantum eller foton), och teorin om elektromagnetisk strålning, som representerar formen av denna överföring, är två välkända teorier som föreslogs av Albert Einstein 1905, James Maxwell år 1865 resp. Synligt ljus bär energi mellan 2,69x10^(-19) J till 5,23x10^(-19) J och täcker en våglängd i intervallet 400–700 nanometer. Ultraviolett strålning, röntgen och gammastrålning har en våglängd under 400 nm och energi mer än 5,23x10^(-19) J. Infraröd strålning, mikrovågor och radiovågor har en våglängd över 700 nm och energi mindre än 2,69x10 ^(-19) J. Ju högre frekvens, desto mer energi bärs av EMR.

Frekvens, s ^(-1) or (1/s):     7.1 X 10^(14)      6.4 X 10^(14)      5.7 X 10^(14)      5.2 X 10^(14)      4.8 X 10^(14)       4.3 X 10^(14)

Färg:                                       lila                     blå                      grön                   gul                     orange                röd

The visibility of EMR is dependent on three parameters that are directly related to each other: energy, frequency, and wavelength. Energy is the leading property of electromagnetic waves, influencing frequency and wavelength. Therefore, from the biological point of view, it is more reliable to consider energy as a crucial factor in optico-visual studies than the wavelength. The mass of energy in EMR has two aspects or dimensions. The first one, magnetic field, determines wavelength/frequency and, in our vision, colors. The second one specifies the wave’s amplitude that implies the magnitude of the electric field. Eyes perceive a wave’s amplitude as brightness (subjective), while photometric measurements detect it as luminance (objective).

Optik:

Reflektion: varje föremål som våra ögon kan se reflekterar ljus från sina ytor eller gränser, förutom föremål som producerar eller sprider (skatter) ljus. Vi kan se ljuset direkt och indirekt (reflekterat). Reflektionen och absorptionen av elektromagnetiska vågor beror på arrangemanget av atomer och molekyler på ytan av olika material. Mängden energi som reflekteras från ett föremåls yta skapar en våg med en specifik frekvens och våglängd. Det är dock en betydande skillnad mellan materialytor och näthinna som en biologisk yta. Dock, synskärpa försämras av den intraokulära reflektionen.

Absorption: olika vävnader och material kan absorbera energin från elektromagnetiska vågor. I det här fallet stannar en viss energimängd av vågor i materialen. Det svarta absorberar och det vita reflekterar alla synliga ljusspektrum. Det är utmanande att veta om de reflekterade eller absorberade vågorna är avgörande och primära faktorer, som bestämmer färgen på objektets ytor. Choroid plexus (pelxus choroideus) mörkfärgade pigment (melanin) absorberar ljuset och förhindrar reflektion.

Transmission: överföring av ljus är förflyttning av elektromagnetiska vågor genom ett material eller vakuum. Ljusenergi, elektrisk och magnetisk, avtar via överföring genom olika material. I ögonen leder denna energi till att vågorna överförs genom intraokulära vävnader och stimulerar receptormolekyler i näthinnans stav- och konceller. Ändå reagerar näthinnan endast på EMR med tillräckliga energinivåer. Intraokulära vävnader minskar vågens energinivå och förlänger EM-våglängderna, vilket förskjuter våglängden till det röda (höger sida av det synliga ljusspektrumet). Det innebär att det visuella systemet ser världen skarpare, mer rödaktig och mörkare. Enligt detta lever vi i en ljusare och mer lilakig (högre amplitud och kortare våglängd) värld än vad våra ögon uppfattar.

Diffraktion: det är ljusets böjning och dess avvikelse från den ursprungliga riktningen. Böjningen uppstår när ljuset passerar genom en liten klyfta eller runt föremålets kant. Liten pupillstorlek resulterar i diffraktion och i viss utsträckning minskar synskärpan.

Dispersion: separationen av ljus till olika våglängder är grunden till spridning som uppstår när ljus passerar glasprismor. Dispersion är relaterad till elektromagnetiska vågors hastighet. Till exempel böjer rött ljus mer än violett på grund av dess högre hastighet. Men i linser orsakar dispersion ett oönskat fenomen som kallas kromatisk aberration som kan försämra bilder i ögonen.

Transformation: tre typiska exempel på ljusomvandling är omvandling till termisk, elektrisk (fotoelektrisk effekt av sol eller fotovoltaiska celler), och kemisk energi (fotosyntes). Dessutom, i det optiko-visuella systemet, omvandlas EM-vågor till neurofysiologiska pulssignaler.

Polarisering: elektrisk fältvektor i ljusvågor rör sig i olika riktningar. Polarisatorer fungerar som filter som tillåter ljusvågor med samma riktning passera.

Spridning (skatter): små partiklar (t.ex. iskristaller, damm, gaser och atmosfäriska partiklar) kan sprida ljus. På detta sätt bryts ljusvågorna och reflekteras i olika riktningar. Detta fenomen förklarar himlens blåa färg.

Refraktion: brytning av vågor som minskar skärpan i vår miljö är beroende av ljusets passage genom olika ytor. Oljan, vattnet och slemhinnan som täcker hornhinnan är de första medierna som bryter ljuset i det optiko-visuella systemet. Därefter bryter hornhinnan, kammarvatten (främre och bakre kammaren), linsen och glaskroppen ljuset i sin tur. Den framträdande rollen för ögonglober är att ta emot EM-vågor och attrahera dem att nå näthinnans gula fläck (med fovea i mitten, som är specialiserad för syn med hög skärpa). Denna egenskap görs av formen av ögonglober, hornhinna och linser och å andra sidan genom konsistens och brytningsindex för olika intra okulära vävnader. Till exempel förvränger en person med astigmatism ljusets brännpunkt framför och/eller bakom näthinnan. I frånvaro av ögonglober kan den höga energinivån hos EM-vågor skada de känsliga fotoreceptorerna i näthinnan, vilket leder till blindhet efter några minuter. Ögonglob med extraokulära muskler har en styrande och modifierande roll i synsystemet. Andra styrande faktorer som nack- och ansiktsmuskler, ögonlock och pupiller hjälper oss att ta emot och leder EM-vågor till gula fläcken i näthinnan.

Visullt system:

Visualisering börjar vid EM-våg med våglängd 360-400 nm och avtar successivt för att nå EM-vågor med våglängd 700-750 nm. Synförmågan börjar med rött, gradvis minskat med orange, gult, grönt, blått och violett. Mänskliga ögon ser röd färg bättre än violett. Aktivering av stav- och konceller i näthinnan etablerar den visuella processen. När ögonlocken är öppna utsätts dessa celler ständigt för energiska vågor. Den lämpliga energinivån som stimulerar näthinnans receptorer är cirka 2,69x10^(-19) J, vilket matchar rött. Tyvärr kunde näthinnans fotoreceptorceller inte reagera mot energin lägre än denna nivå. Därför är det uppenbart att synförmågan i ögonen inte följer normalfördelningen. Kon- och stavcellerna är fotoreceptorceller som ansvarar för synen dagtid (fotopiskt) och nattetid (skotopiskt). De tre typerna av konceller svarar på olika ljusenerginivåer (amplitud); dessutom reagerar de på långa, medelstora och korta våglängder och upptäcker färger. EMR med för låga eller höga elektriska energinivåer stimulerar inte koncellerna på lämpligt sätt; därför saknas färguppfattning vid dessa situationer. Synsystemets reaktion på magnetfältet misslyckas hos patienter med färgblindhet. Däremot, misslyckas synsystemets reaktion på det elektriska fältet hos patienter med nattblindhet (nyctalopi). Synapsnätverket i synnerven på baksidan av ögongloben utvecklar punktbilder till fläckiga och slutligen till panoramabilder. Visuella system är resultatet av att avbilda en tredimensionell värld på en tvådimensionell yta. Detta system är uppbyggt för tredimensionella bilder och panoramabilder, som saknas i mobiltelefoner, surfplattor eller datorer. Upprepat byte från tredimensionell till tvådimensionell syn och vice versa kan resultera i yrsel, dimsyn, huvudvärk eller svindel. Dessa symtom har blivit vanligare hos barn och ungdomar i dagens samhälle. De elektromagnetiska vågorna ändras till neurofysiologiska pulssignaler som leder till den laterala genikulära kärnan (yttre knäkroppen) via optiska nerver, optisk kiasm (synnervkorsning) och optiska banor. Det är oklart om elektromagnetiska vågor rör sig genom optiko-visuella system med samma egenskap, dvs med elektriska och magnetiska fält. Istället, rör sig dessa vågor genom synnerver som innehåller vatten, lösliga och olösliga proteiner och lipider.

 

Sammanfattning:

- Additiv (ljus) kontra subtraktiv (målarfärg eller pigment) färg

- Synskärpa: klarhet eller skärpa i synen

- Visuell perception: färg-, perspektiv- och kontrastbestämning (statisk och dynamisk)

- Visuospatiala funktioner: detektering av avstånd, former, kontur, djup eller hastighet

- Visuell uppmärksamhet: visuell medvetenhet om specifika platser, föremål eller attribut

- Visuoauditiv integration:

- Visuomotorisk integration: öga-hand eller öga-ben-koordination. Konstnärer har bra ögon-hand-koordination och fotbollsspelare har utmärkt ögon-ben-koordination.

- Visuoautonom funktion: bilder eller foton kan leda till olika autonoma reaktioner som hög hjärtfrekvens, svettningar, ändring i pupillstorlek och leder till olika känslor som våld, kärlek, rädsla eller hat.

- Visuellt minne: igenkänning (dorsal och ventral bana) och visuellt tänkande

Optiko-visuellt system är ett komplext system där fysik, medicin och konst möts. Den har olika operativa funktioner som:

Funktion:                                              Lokalisation:

- Reflektion                                          hornhinna

- Diffraktion                                          pupill

- Refraktion                                          hornhinna, lins

- Transmission                                     lins, glaskropp

- Polarisering                                       hornhinna?

- Reaktion                                            kon- och stavceller

- Transformation                                 näthinna, synnerv

- Perception                                         yttre knäkropp? syncentrum

- Tolkning                                             visuell hjärnbark

- Integration                                         visuell hjärnbark

- Memorisering                                   dorsal och ventral bana

Detta system uppfattar världen som skarpare, mörkare och mer rödaktig med sina olika funktioner. Emellertid, är färg den visuella hjärnbarkens tolkning av specifika elektromagnetiska våglängder.

© Copyright Neuropedia Consult AB