H3: 3.2 Het gezichtsvermogen Flashcards
De fysica van het licht
= fysische processen die aanleiding geven tot de gewaarwording
Licht bestaat uit elektromagnetische stralingen, die voort komen uit snelle trillingen/oscillaties van elektrisch geladen materiaal en voortbewegen in golven ( = opeenvolging van pieken en dalen; afstand tussen pieken= golflengte, uitgedrukt in nanometers = miljaarste van een meter )
Het zichtbare licht is slechts een miniem segment van het totale bereik van elektromagnetische straling. Het menselijk oog is enkel gevoelig voor dit specifiek deel van het elektromagnetische spectrum, nl. de zichtbare spectrum. Mensen zijn blind voor gammastralen, X-stralen, ultraviolet, infrarood, radargolven en radio- en tv-golven. Dit komt door de evolutie, omdat het zichtbare licht overvloedig aanwezig is op aarde en op interessante manieren interageert met de oppervlaktes van de objecten waarvoor mensen zich interesseren. Gevoeligheid voor golven buiten het zichtbare spectrum is minder nodig om te overleven omdat bv. ultraviolette stralen grotendeels door atmosfeer geabsorbeerd worden en veel van die andere stralen door dierlijk en plantaardig weefsel heen gaan, zoals X-stralen, of weefsel binnendringen, zoals magnetron stralen.
Lichtintensiteit
Licht komt in energiepakketjes/fotonen. De intensiteit v/h licht hangt af van de sterkte v/d lichtbron en wordt bepaald door de hoeveelheid fotonen die per tijdseenheid een oppervlak bereiken. Hoe meer fotonen hoe intenser het licht.
Wanneer een foton een oppervlak bereikt kunnen drie dingen gebeuren:
- foton wordt teruggekaatst/gereflecteerd
- foton gaat door opp. heen (voorwerp is transparant)
Wnr. foton door een opp. heen gaat verandert de lichtgolf dikwijls van richting (afhankelijk van de dichtheid v/d materie waaruit het foton komt en de materie waarin het foton gaat ), dit heet refractie. - foton wordt geabsorbeerd
Als foton geabsorbeerd wordt wordt het energie ervan ook geabsorbeerd, wat leidt tot allerlei chemische reacties ( afhankelijk van de samenstelling v/d stof die het foton absorbeert )
Bronnen van elektromagnetische golven
De zon is de bel. bron van elektromagnetische golven (dus ook van licht ) op aarde. Andere bronnen zijn sterren en de energie die op aarde zelf opgewekt wordt.
Het meeste licht dat menselijk oog bereikt komt niet rechtstreeks van een lichtbron (= kaars, lamp, tv, zon..) maar van het licht dat door andere opp. gereflecteerd werd.
Uitzonderlijk komen visuele gewaarwordingen ook op andere manieren tot stand: druk op ogen of harde klap op het hoofd, elektrische stimulatie v/d hersenen (vooral v/d visuele cortex => lichtvlekken/fosfenen) en het abnormaal vuren van de neuronen in de visuele cortex (bv. migrainepatienten zien lichtflikkeringen voor een aanval)
Het oog en de gezichtsbanen - Lichtstralen focussen op de retina
De taak v/h oog is om invallende lichtgolven te focussen op de retina (= lichtgevoelige structuur aan de achterkant v/h oog)
Het focussen is nodig omdat de lichtgolven die op voorwerpen schijnen uit vele richtingen komen en in allerlei richtingen weerkaatst worden. Dit zorgt voor overlap tussen de activatie die uitgaat van de verschillende punten op de stimulus. Het zou dus onmogelijk zijn om een scherp beeld te krijgen van het voorwerp.
Route van de stimulus naar de retina
- Lichtgolf gaat door de cornea/hoornvlies (= transparante buitengedeelte aan de voorkant v/d ogen), hier vindt de grootste breking van de golf plaats omdat er een sterk verschil in dichtheid bestaat tussen de lucht buiten de ogen en het vocht binnen de ogen.
- Lichtgolf gaat door het kamervocht (=vloeistof die zich bevindt tussen de cornea en de lens) en de pupil (= een opening in de iris; iris= gepigmenteerde structuur die de ogen hun kleur geeft; de spieren in de iris regelen de grootte v/d pupil: pupil wordt groter in het donker en omgekeerd )
- Lichtgolf dringt dan de lens binnen, waar het verder afgebogen wordt en gefocust op de retina.
De lens v/h oog is elastisch, de dikte ervan wordt geregeld door de ciliaire spieren die de lens meer of minder uitrekken en zo voor accommodatie zorgen. Accommodatie = afstemmen van het oog op voorwerpen die zich op verschillende afstanden bevinden; voor voorwerpen dicht bij =>lens wordt boller omdat de lichtstralen in een grotere hoek gebroken moeten worden, voor voorwerpen ver af =>lens wordt platter omdat lichtstralen minder moeten afgebroken worden. - Lichtgolf gaat verder door het glasachtig lichaam (=een vloeistof ) en bereikt de retina a/d achterkant van de oogbol.
Als de lens perfect functioneert komen alle stralen die vanuit eenzelfde punt op het gefixeerde voorwerp vertrekken, op eenzelfde punt op de retina terecht. Het beeld staat ondersteboven en van links naar rechts gedraaid op de retina. Deze omkeringen worden door de hersenen gecorrigeerd.
Kegeltjes en staafjes activeren in de retina
De retina (= dun weefsel aan de achterkant van de oogbol) bevat 127 miljoen lichtgevoelige receptoren (per oog) die de lichtenergie omzetten in de elektrochemische signalen v/h zenuwstelsel. Deze receptoren bevatten fotopigmenten die chemisch reageren wanneer er fotonen op vallen. De reacties in de receptoren leiden tot neuronale signalen die nar de hersenen gestuurd worden. Dit hele proces waarbij een receptorcel fysische energie omzet in elektrische signalen heet transductie. Bij het zicht bestaat de transductie uit het omzetten van lichtenergie in zenuwimpulsen.
7 mijloenen van de receptoren in elk oog hebben de vorm van een kegeltje, die zijn vooral verantwoordelijk voor de perceptie van kleur. Ze detecteren geen licht van een lage intensiteit en worden enkel geactiveerd door relatief sterk licht. Daarom zijn kleuren moeilijk te onderscheiden in het donker. De concentratie aan kegeltjes is het grootst in de fovea (= centrale gedeelte v/d retina) waar de gezichtsscherpte het grootst is en waar kleuren het best onderscheiden kunnen worden. ( als je object beter wilt zien kijk je er recht op zodat het beeld van het object op de fovea valt )
De resterende 120 mijloen receptoren in een oog zijn staafjes. Die zijn gespecialiseerd in lage lichtintensiteiten en het zien van bewegingen. De staafjes zijn AFWEZIG in de fovea en hebben het grootste concentratie rond de fovea (hoe verder van de fovea hoe lager de concentratie). Staafjes spelen een beperkte rol bij kleurperceptie maar kunnen heel goed licht van een lage intensiteit onderscheiden, zij zorgen voor het nachtzicht. (schippers keken lichtjes naast een zwak brandende ster om zijn zwakke licht beter te detecteren doordat het licht op de plaats in de retina viel waar de staafjes concentratie het hoogst is)
De kegeltjes en de staafjes reageren enkel op het zichtbare spectrum, daarom zien mensen geen ultraviolette of infrarode stralen zonder speciale brillen. Sommige dieren zien wel degelijke stralen: pythonslang ziet infrarode stralen, bijen zien ultraviolette stralen.
Van de ogen naar de hersenen
De retina bestaat uit 3 lagen:
- visuele receptoren: kegeltjes en staafjes; liggen onderaan
- horizontale cellen, bipolaire cellen en amacriene cellen
- ganglioncellen
Bij het overhang door die 3 lagen vind al informatieverwerking plaats: 127 miljoen signalen worden gecomprimeerd tot 1 miljoen. Vooral info over de randen van een opp. (=waar kleur en/of lichtintensiteit plots veranderen) en beweging is belangrijk en wordt naar de hersenen doorgestuurd.
De axonen van de ganglioncellen vormen de oogzenuw. Alle zenuwvezels verlaten het oog door een enkel gat die zo dik is als een potlood. Op deze plaats zijn er geen receptorcellen, daar is er dus een blinde vlek (=deel van het visuele veld dat niet waargenomen wordt) Deze vlek wordt gecompenseerd door het ander oog.
We merken deze blinde vlek niet wanner we een oog sluiten omdat onze hersenen ontbrekende info. actief aanvullen met omringde info. De hersenen doen dit niet enkel voor de blinde vlek maar ook bij scotomen (= delen v/d retina die niet meer functioneren) en zo hebben zulke patienten de indruk dat ze volledig het visuele veld zien.
Nadat de neuronale signalen de retina via de oogzenuw verlaten komen ze samen met die van het ander oog terecht in het chiasma opticum (lijkt op chi, X)
Van daaruit gaan ze naar de primaire visuele cortex in de occipitale lob.
Het grootste deel neuronen in de primaire visuele cortex zijn orientatieselectief en reageren enkel op lijnen met een bep. hellingshoek. De kenmerkdetectoren in de primaire visuele cortex vormen het begin van de objectperceptie.
De info. links van het fixatiepunt wordt naar de rechterhersenhelft gestuurd en omgekeerd (gezichtsbanen worden terug gesplitst in het chiasma opticum). Dit wordt benut door onderzoekers van split-brain patienten om te zien of een bep. helft van de hersenen bep. info kan verwerken.
De splitising van het visuele veld in een linkse en rechtse helft speelt ook een rol bij mensen met goed functionerende corpus callosum: ons geheugen voor gezichten wordt voornamelijk bepaald door het deel v/h gezicht dat we in onze linkse gezichtsveld zien.
Problemen om scherp te zien
Het visuele beeld moet gefocust worden op de retina vooraleer we de wereld duidelijk kunnen waarnemen. Wanneer de cornea en de lens het beeld op een verkeerd brandpunt focussen is correctie m.b.v. een bril nodig om terug goed te kunnen zien.
Wanneer de lichtgolven uit aangrenzende punten overlappen ziet men een wazige beeld van voorwerpen veraf. Dit heet bijziendheid/myopie.
Als de brandpunt niet ver genoeg naar voren ligt, dus als de lens niet bol genoeg kan gemaakt worden om de voorwerpen van dichtbij op de retina te krijgen dan heet dit verziendheid/hypermetropie.
Veel mensen ontwikkelen verziendheid wanneer ze 40, 50 zijn en dan heet het presbyopie, de binnenkant van hun lens kan niet meer bol genoeg gemaakt worden doordat die harder wordt bij het verouderen.
Als de cornea niet perfect bolvormig is heet het astigmatisme.
Al deze aandoeningen kunnen gecorrigeerd worden
m.b.v. een bril of laserstralen behandeling
Helderheid en lichtheidsperceptie
Hoe zwakker een lichtbron, hoe minder fotonen uitgestuurd worden; hoe minder fotonen op een opp. terechtkomen, hoe minder er gereflecteerd worden en hoe donkerder de kamer er voor ons zal uitzien.
De intensiteit van het licht bepaald de helderheid van het licht: hoe intenser een lichtbron hoe helderder het licht.
Helderheid speelt een bel. rol bij belichting: hoeveel lampen moet men in een kamer hebben om een gezellige sfeer te creeren en van welke intensiteit moeten ze zijn? Helderheid speet ook een rol bij het nemen van fotos: overbelicht of onderbelicht.
Bij voorwerpen die zelf geen licht produceren maar invallend licht weerkaatsen, wordt de helderheid van het licht bepaald door de intensiteit van het invallende licht en door de reflectiecoefficient (=het deel van het invallende licht dat gereflecteerd wordt)
Helderheid en lichtheidsperceptie
Wij mensen zijn niet zozeer geinteresseerd in de helderheid van het licht, want onze ogen proberen tot op zekere hoogte de hoeveelheid binnenkomende licht binnen optimale waarden te houden. Bij veel licht worden pupillen kleiner en omgekeerd en ook de receptoren in de retina passen zich aan het licht niveau aan: staafjes zijn actief bij zwak licht, kegeltjes bij sterker licht (hierdoor is men tijdelijk verblind bij een overgang tussen een duistere en een heldere omgeving. De aanpassingen van de ogen aan het licht en duisternis heten licht= en duisternisadaptatie. Een volledige duisternisadaptatie kan tot 30 min duren.
Wat ons mensen meer intereseert dan het absolute helderheidsniveau is de helderheid van een voorwerp ten opzichte v/d omringende voorwerpen; dus ipv. de helderheid van elk voorwerp op zich, het relative helderheidsniveau van de voorwerpen ten opzichte van elkaar want dit bepaalt de lichtheid van een voorwerp. Grijs is wit tov. zwart, maar grijs tov. wit.
Het feit dat de gepercipieerde lichtheid van een voorwerp afhangt van de helderheid v/d omringende voorwerpen wordt gelijktijdig contrast genoemd. Het feit dat lichtheid van een voorwerp gelijk blijft bij verschillende belichtingen, wordt lichtheidsconstantie genoemd. ( een wit kleedje is wit buiten in de zon maar ook in een donkere bioscoop )
Kleurperceptie
Tweede bel. eigenschap van licht is de golflengte. Golflengte bepaalt de kleur. Kleur bestaat niet in de buitenwereld. In de buitenwereld bestaan enkel elektromagnetische golven met een verschillende golflengte en intensiteit, die allemaal dor de zon uitgestoten worden.
Isaac Newton stelde als eerste dat voor ons mensen, wit zonlicht in feite een menging is van verschillende kleuren.
Drie types kegeltjes
De golflengte bepaalt de tint van onze kleurervaring, de soorten kleuren die we kunnen onderscheiden. De gewaarwording van tint is echter gecompliceerder dan een simpele golflengteregistratie: we kunnen nl. meer tinten onderscheiden dan in het zichtbare spectrum aanwezig zijn.
Thomas Young stelde vast dat alle kleurtinten genereerd kunnen worden door drie kleuren met een verschillende intensiteit op elkaar te schijnen: rood, groen en blauw (= primaire kleuren); dit is de trichromatische theorie.
Men heeft drie soorten kegeltjes met elk een verschillend fotopigment. Deze kegeltjes reageren niet alleen op licht van een bep. golflengte maar ook in mindere mate op golflengten die rond deze waarden liggen, daarom zijn ze korte, midden- en lange golflengte kegeltjes. (bv. middengolflengte kegeltjes reageren het sterkst op het groene deel van het spectrum en met steeds minder wordende intensiteit op golflengten aan beide zijden van het groene deel ) Volgens de trichromatische theorie wordt de kleurperceptie bepaald door het relatieve activiteitsniveau van de drie soorten kegeltjes. Elke kleur lokt activiteit uit in alle drie de kegeltjessystemen, maar de specifieke combinatie van activiteitsniveaus defineert de kleur van het licht dat in de ogen schijnt.
Complementaire kleuren en opponente processen
Naast de drie types receptoren is er nog een tweede factor die een rol speelt bij tintperceptie. Dit weten we door bep. fenomenen zoals bv. :
- complementaire kleuren ( rood vs groen, wit vs zwart, geel vs blauw ) ( bewijs= kleuraanbeelden, zwart geel rood worden wit blauw groen )
- geel wordt ervaren als pure kleur al is het geen primaire kleur
Deze voorbeelden plus andere vaststellingen hebben onderzoekers doen besluiten dat op hun weg nvan de ogen naar de hersenen de signalen uit de drie types van egeltjes gehercodeerd worden in drie kanalen met opponente processen. Een kanaal is verantwoordelijk voor de gewaarwording van geel versus blauw, een tweede voor rood vs groen en een derde voor zwart vs wit.
Verklaring voor kleuraanbeelden:
Als je lang naar een groene opp. staart dan wordt het groene component van het rood-groene process uitgeput. De rode blijft ongewijzigd want het wordt niet gestimuleerd. Wanneer je vervolgens naar een witte opp. staart zullen beide het groene en het rode component gestimuleerd worden (wit stimuleert alles) maar omdat het groene systeem uitgeput is zal het niet even sterk kunnen reageren als het rode en helt de balans naar rood toe waardoor je een rode nabeeld krijgt.
Kleurconstantie en -contrast
Er is nog een verwerkingsfase die meespeelt in de kleurperceptie. Deze gebeurt in de hersenen op basis van de signalen die binnenkomen uit de opponente processen. In deze faze worden de kleuren van naast elkaar liggende voorwerpen met elkaar vergeleken, net zoals bij de perceptie van lichtheid gebeurt. Het bel. reden voor dit is het streven naar kleurconstantie (= het streven om kleuren als gelijk te blijven zien ondanks verschillen in belichting )
Belichtingskleur probleem bij fotografen:
onder geel licht ziet alles op de foto geelachtiger
onder blauw licht ziet alles blauwachtiger
dit wordt door de camera gecorigeerd
bij de mensen doen de hersenen dat, zo goed zelfs dat we daar niet van beuwst zijn; ze doen diet door voorwerpen te vergelijken met de kleuren van de omringende vlakken
keerzijde van dit process is dat kleuren anders uitzien tegenover verschillende achtergronden; er is gelijktijdig contrast bij de perceptie van kleuren (net zoals er gelijktijdig contrast is bij de perceptie van lichtheid )
