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视觉（光学）错觉
有关眼睛结构和视觉感觉的简要信息。 视觉错觉百科全书
<< 返回： 目录 >> 转发： 视力的缺点和缺陷 人眼是一个几乎呈球形的身体，位于一侧开口的颅骨腔内。 在无花果。 图 1 显示了眼球的一部分，并显示了眼睛的主要细节。
从外面看，眼球的主要部分被三层外壳所限制。 外部硬壳称为巩膜（希腊语为硬度）或蛋白质壳。 它从四面八方覆盖眼睛的内部内容物，除了前面之外，整个长度都是不透明的。 此处巩膜向前突出，完全透明，称为角膜。 与巩膜相邻的是充满血管的脉络膜。 在眼睛的前部，也就是巩膜进入角膜的地方，脉络膜变厚，以一定角度离开巩膜，到达前房的中部，形成横向虹膜。 如果虹膜的背面只有黑色，眼睛就会呈现蓝色，黑色会透过皮肤发出淡蓝色的光芒，就像手上的静脉一样。 如果有其他有色内含物，这也取决于黑色物质的数量，那么眼睛看起来呈绿色、灰色和棕色等。当虹膜中没有有色物质时（例如，白色兔子） )，那么在我们看来，它是红色的，原因是穿透它的血管中所含的血液。 在这种情况下，眼睛的避光保护很差 - 它们患有畏光症（白化病），但在黑暗中，它们的视力优于深色眼睛。 虹膜将眼睛的前凸段与眼睛的其余部分分开，并有一个称为瞳孔的开口。 眼睛的瞳孔本身是黑色的，其原因与白天邻近房屋的窗户在我们看来是黑色的原因相同，因为从外面穿过它们的光线几乎不会返回。 在每种情况下，瞳孔都会将一定量的光传递到眼睛中。 瞳孔的增大和减小与我们的意愿无关，但取决于光照条件。 眼睛对视野亮度的适应现象称为适应。 然而，在适应过程中起主要作用的不是瞳孔，而是视网膜。 视网膜是第三层内壳，它是光和颜色敏感层。 尽管厚度很小，但它具有非常复杂的多层结构。 视网膜的感光部分由包裹在支持它们的特殊组织中的神经元组成。 视网膜的光敏感度在其整个长度上并不相同。 在与瞳孔相对、视神经稍上方的部分，它的敏感度最高，但越靠近瞳孔，它的敏感度就越来越低，最后立即变成一层薄薄的外壳，覆盖在虹膜内部。 视网膜是沿着眼睛底部的神经纤维分支，然后相互缠绕形成视神经，视神经与人脑相通。 有两种类型的神经末梢排列在视网膜上：一些是茎状且相对较长，称为杆状体，另一些则较短且较粗，称为锥体。 视网膜上大约有 130 亿个视杆细胞和 7 万个视锥细胞。 杆状物和锥状物都非常小，只有在放大 150-200 倍的显微镜下才能看到：杆状物的厚度约为 2 微米（0,002 毫米），锥状物为 6-7 微米。 在与瞳孔相对的视网膜最感光的部分，几乎只有视锥细胞，这里的密度达到每100000平方毫米1万个，每两三个感光元件都与神经纤维直接相连。 这就是所谓的中央窝，直径为 2 毫米。 因此，人眼只能分辨视野中心的最小细节，受限于 0,4 °.1 的角度。 因此，例如，有经验的打磨工可以分辨出 3 微米的间隙，而通常人能够注意到 0,6 微米的间隙。 最靠近中央窝的区域，即所谓的黄点，角度范围为 6-8°。 视杆位于整个视网膜内，其最高浓度出现在距中心 10-12° 的区域。 在这里，一根视神经纤维就占了几十根甚至上百根视杆。 视网膜的外围部分用于空间中的一般视觉定向。 借助 G. Helmholtz 提出的特殊目镜，人们可以在视网膜上看到第二个白点。 这个点位于视神经干部位，由于不再有任何视锥细胞或视杆细胞，视网膜的这个区域对光不敏感，因此被称为盲点。 视网膜的盲点直径为1,88mm，对应视角为6°。 这意味着，如果将这个物体的图像投射到盲点上，则距离 1 m 的人可能看不到直径约 10 cm 的物体。 视杆细胞和视锥细胞的功能不同：视杆细胞高度敏感，但不“区分”颜色，是暮光视觉的装置，即弱光下的视觉； 视锥细胞对颜色敏感，但对光不太敏感，因此是白天的视觉设备。 在许多动物身上，视网膜后面是一层薄薄的、闪闪发光的镜面层，可以增强光线通过反射进入眼睛的效果。 这种动物的眼睛在黑暗中像炽热的煤块一样闪闪发光。 这不是关于完全黑暗，当然不会观察到这种现象。 视觉适应是将眼睛从视锥细胞切换到视杆细胞（暗适应）或相反（光适应）的复杂过程。 同时，改变视网膜细胞中光敏元素浓度的过程，当其灵敏度在暗适应过程中增加数万倍时，以及视网膜在不同阶段的其他性质变化。适应，仍然未知。 适配过程的实际数据定义相当严格，可以在这里给出。 所以，在暗适应的过程中，首先是眼睛对光的敏感度迅速增加，这个过程大约持续25-40分钟，时间长短取决于初期适应的程度。 长时间处于黑暗中，眼睛对光的敏感度增加50000倍，达到绝对光阈值。 以瞳孔上的照度 lux 表示绝对阈值，获得 10-9 lux 数量级的平均值。 这意味着，粗略地说，在完全黑暗的条件下，观察者可以注意到一根硬脂蜡烛发出的光，距离他 30 公里远。 初始适应场的亮度越高，眼睛适应黑暗的速度越慢，在这些情况下使用相对灵敏度阈值的概念。 在从黑暗到光明的反向过渡过程中，从适应到恢复一些“恒定”敏感度的过程只持续5-8分钟，敏感度变化也只有20-40次。 因此，适应不仅仅是瞳孔直径的变化，还包括视网膜和通过视神经与之相连的大脑皮层区域的复杂过程。 紧靠在眼睛瞳孔后面的是一个完全透明的弹性体，包裹在一个特殊的袋子里，袋子通过肌肉纤维系统连接到虹膜上。 该体具有集体双凸透镜的形式，称为透镜。 晶状体的作用是折射光线，使视野中的物体在眼睛的视网膜上形成清晰清晰的图像。 应该注意的是，除了晶状体之外，角膜和眼睛的内腔都充满了折射率不同于统一的介质，参与了视网膜上图像的形成。 整个眼睛及其光学系统的各个部分的屈光力取决于限制它们的表面的半径、物质的折射率以及它们之间的相互距离。 所有这些值对于不同的眼睛都有不同的数值，因此，不同眼睛的光学数据是不同的。 对此，引入示意图或缩小（reduced）眼的概念，其中：屈光面的曲率半径为5,73mm，折射率为1,336，眼长为22,78mm，前面焦距为17,054毫米，后焦距为22,78毫米。 眼睛的晶状体在视网膜上形成（就像哑光板上的相机镜头）我们所看物体的倒像。 这很容易验证。 拿一张厚纸或一张明信片，用别针在上面戳一个小洞。 然后我们将针头朝上，距离眼睛 2-3 厘米，用这只眼睛通过纸上的一个孔看，距离 4-5 厘米，看白天明亮的天空或灯牛奶瓶如果选择了对给定眼睛有利的眼睛和针之间、针和纸之间的距离，那么在光孔中我们将看到如图 2 所示的内容。 XNUMX. 大头针在视网膜上的影子是直的，但大头针的影像在我们看来却是上下颠倒的。 图钉向侧面的任何移动都会被我们视为其图像向相反方向移动。 针头的轮廓不是很清楚，会出现在纸张的另一面。
同样的实验可以用不同的方式进行。 如果在一张厚纸上扎三个孔，位于边长约等于1,5-2毫米的等边三角形的顶点处，然后将针和纸放在眼前，如前所述，则三反图钉的图像将可见。 这三个图像是由于穿过每个孔的光线不相交而形成的，因为孔位于透镜的前焦平面中。 每束光都在视网膜上产生直接的阴影，而每个阴影都被我们感知为倒像。 如果我们把三个孔的纸对着眼睛，一个孔的纸对着光源，那么我们的眼睛就会看到一个倒三角形。 所有这一切都令人信服地证明，我们的眼睛以直接形式感知所有物体，因为大脑会反转它们在视网膜上获得的图像。 回到 20 年代初期，美国人 A. Stratton 和 1961 年加州研究所的教授 Irwin Mood 博士在自己身上进行了一项有趣的实验。 尤其是I. Mud，他戴上了一种特殊的眼镜，它紧贴着他的脸，透过它，他看到的一切就像在照相机的磨砂玻璃上一样。 一连八天，走了几十步，便有晕船的症状，左右颠倒，上下颠倒。 然后，虽然眼镜还在我眼前，但我又看到了所有人看到的一切。 这位科学家重新获得了行动自由和快速定位自己的能力。 他戴着眼镜，骑着摩托车穿过洛杉矶最繁华的街道，开着汽车，驾驶着飞机。 然后莫德摘下了他的眼镜——他周围的世界又一次天翻地覆。 我不得不再等几天，直到一切恢复正常。 实验再次证实，视觉感知到的图像进入大脑的方式与眼睛的光学系统传送到视网膜的方式不同。 视觉是一个复杂的心理过程，视觉印象与其他感官接收到的信号是一致的。 整个复杂系统的建立和开始正常运作需要时间。 正是这个过程发生在新生儿身上，他们起初看到的一切都是颠倒的，只有在一段时间后才开始正确地感知视觉。 由于视网膜不是平面屏幕，而是球形的，因此其上的图像不会是平面的。 然而，我们在视觉感知过程中并没有注意到这一点，因为我们的思想帮助我们如实感知物体。 固定镜头的袋子是环形肌肉。 该肌肉可能处于紧张状态，导致晶状体呈现最小弯曲形状。 当这块肌肉的张力降低时，晶状体在弹力的作用下，其曲率增加。 当晶状体被拉长时，它会在眼睛视网膜上呈现远处物体的清晰图像； 当它没有被拉伸并且其表面的曲率很大时，就会在眼睛的视网膜上获得附近物体的清晰图像。 晶状体曲率的变化和眼睛对远近物体清晰感知的适应是眼睛的另一个非常重要的特性，称为调节。 调节现象很容易观察如下：我们用一只眼睛沿着一根被拉伸的长线看。 同时，为了看到螺纹的近处和远处，我们将改变透镜表面的曲率。 请注意，在距离眼睛最多 4 厘米的地方，根本看不到线； 只有从 10-15 厘米开始，我们才能清楚地看到它。 这个距离对于年轻人和老年人，对于近视和远视是不同的，前者少，后者多。 最后，对于这些人来说，离我们最远、在给定条件下清晰可见的那部分线也会被不同地移除。 近视的人看不到超过 3 m 的线。 例如，事实证明，对于查看相同的印刷文本，不同的人会有不同的最佳视觉距离。 最佳视觉距离是 25-30 厘米，正常眼睛在观察物体细节时所受的压力最小。 角膜和晶状体之间的空间被称为眼睛的前房。 该腔室充满凝胶状透明液体。 晶状体和视神经之间的整个眼睛内部充满了一种有点不同的玻璃体。 作为一种透明的折射介质，这种玻璃体同时有助于保持眼球的形状。 美国天文学家 D. Menzel 在他的《关于飞碟》一书的结论中写道：“无论如何，请记住飞碟：1) 确实存在；2) 它们被看到；3) 但它们根本不是它们的样子被当作”。 这本书描述了观察者看到飞碟或类似异常发光物体时的许多事实，并对大气中的各种光学现象提供了几种详尽的解释。 视野中出现发光或黑暗物体的可能解释之一是眼睛中所谓的内视*现象，如下所示。 *（Ent - 来自希腊语内部。） 有时候，看着白天明亮的天空，或者看着阳光照耀下的纯洁的雪，我们会看到一只眼睛或两只小黑眼圈往下沉。 这不是视错觉或眼睛的任何缺陷。 当凝视非常明亮的背景时，眼睛玻璃体中的小夹杂物（例如，从视网膜血管到达那里的微小血块）会在视网膜上投下阴影并变得可触及。 眼睛的每一次运动，就好像，抛出这些最小的粒子，然后它们在重力的影响下落下。 各种物体，例如灰尘颗粒，都可能出现在我们的眼睛表面。 如果这样一粒尘埃落在瞳孔上，用强光照射，就会像一个轮廓模糊的大亮球。 它可能会被误认为是飞碟，这已经是一种视觉错觉了。 眼睛的活动性是由六块肌肉的活动提供的，这些肌肉一方面附着在眼球上，另一方面附着在眼眶上。 当一个人在不转动头部的情况下检查位于同一额平面上的静止物体时，眼睛要么保持静止（固定），要么快速改变它们的注视点。 A. L. Yarbus 开发了一种准确的方法来确定检查各种物体时眼睛的连续运动。 实验结果发现，眼睛在97%的时间内保持不动，但每次注视动作所花费的时间很少（0,2-0,3秒），并且在一分钟内眼睛可以将注视点向上移动到 120 次。 有趣的是，对于所有人来说，跳跃的持续时间（对于相同的角度）与惊人的精度一致：± 0,005 秒。 跳跃的持续时间不取决于观察者试图“使”跳跃更快或更慢的尝试。 它仅取决于跳跃角度的大小。 双眼跳跃同步进行。 当一个人“流畅地”环顾某个静止的图形（例如，一个圆圈）时，在他看来，他的眼睛似乎在不断地移动。 实际上，在这种情况下，眼睛的运动也是突然的，跳跃的幅度非常小。 阅读时，读者的眼睛不会停留在每一个字母上，而是只停留在四个或六个字母中的一个，尽管如此，我们还是理解了所读内容的含义。 很显然，这是用到了预先积累的经验和视觉记忆的宝物。 当观察一个运动的物体时，凝视过程会随着眼睛的突然运动而发生，所产生的角速度与观察物体的运动角速度相同； 而物体在视网膜上的图像保持相对静止。 让我们简要指出与我们的主题相关的眼睛的其他属性。 在眼睛的视网膜上，获得了正在考虑的物体的图像，并且物体总是在一个或另一个背景下对我们可见。 这意味着视网膜的一些光敏元件受到分布在物体图像表面的光通量的刺激，而周围的光敏元件受到来自背景的光通量的刺激。 眼睛通过与背景的对比来检测所讨论物体的能力称为眼睛的对比敏感度。 物体与背景的亮度之差与背景的亮度之比称为亮度对比度。 当物体亮度增加而背景亮度保持不变时对比度增加，或者当物体亮度保持相同时背景亮度降低。 眼睛辨别物体形状或细节的能力称为辨别力。 如果眼睛视网膜上两个相近点的图像激发了相邻的感光元件（而且，如果这些元件的亮度差高于阈值亮度差），则这两点是分开可见的。 可见物体的最小尺寸由其在视网膜上的图像的最小尺寸决定。 对于正常的眼睛，这个尺寸是 3,6 微米。 这样的图像是从一个大小为 0,06 毫米的物体获得的，该物体距离眼睛 25 厘米。 以视角来判断极限是比较正确的； 对于这种情况，它将是 50 弧分。 对于远距离和明亮发光的物体，极限视角会降低。 在给定条件下，我们将阈值亮度差称为我们眼睛感知到的最小亮度差。 实际上，眼睛检测到的亮度差异为 1,5-2%，在有利条件下可达 0,5-1%。 然而，阈值亮度差异在很大程度上取决于许多原因：取决于眼睛先前适应的亮度，取决于比较表面可见的背景亮度。 已经注意到，与比较表面相比，将深色表面与较暗的背景进行比较更好，相反，将浅色表面与较亮的背景进行比较。 离眼睛足够远的光源，我们称之为“点”，虽然在自然界中没有发光点。 看到这些源头，我们无法说出它们的形状和直径，它们在我们看来闪闪发光，就像遥远的星星。 这种视觉错觉是由于眼睛的辨别力（分辨率）不够敏锐。 首先，由于透镜的不均匀性，穿过它的光线会发生折射，从而使恒星被明亮的光晕包围。 其次，星星在视网膜上的影像非常小，不会与被至少一种非刺激性元素隔开的两个光敏元素重叠。 在光学观测仪器，特别是望远镜的帮助下，眼睛的分辨率得到了提高，例如，通过望远镜，我们可以看到所有行星都是圆形的。 将双眼的轴带到最佳距离感知所需的位置称为会聚。 移动眼睛以更好地观察近处和远处物体的肌肉的作用结果可以观察如下。 如果我们透过窗户的格子看，那么格子的那些不明显的孔对我们来说会显得很大，但是如果我们看这个格子前面的铅笔，那么格子的孔就会显得小得多。 两只眼睛的视网膜上的点，具有刺激性物体在空间的同一点上对我们可见的特性，称为对应点。 由于我们的两只眼睛相距一定距离，并且它们的光轴以某种方式交叉，所以物体在视网膜不同（非对应）区域的图像彼此之间的差异越大，物体越近有问题的是我们。 在我们看来，似乎没有意识的参与，我们自动地考虑了视网膜上图像的这些特征，从中我们不仅可以判断物体的远近，还可以感知浮雕和透视。 我们视觉的这种能力被称为立体效果（希腊立体声——体积、物理性）。 很容易理解，我们的大脑在做与转动视网膜上物体图像时相同的工作。 我们的视觉器官也有一个非常显着的特性：它能分辨出种类繁多的物体颜色。 现代色觉理论通过视网膜上存在三种类型的主要器官来解释眼睛的这种能力。 可见光（长度为 0,38 至 0,78 微米的电磁振荡波）会不同程度地激发这些设备。 经验表明锥形装置对黄绿色辐射（波长 0,555 微米）最敏感。 在微光（杆）视觉装置的作用下，眼睛的最大灵敏度向光谱中紫蓝色部分的较短波长移动 0,45-0,50 微米。 视网膜主要器官的这些兴奋被大脑皮层概括化，我们感知可见物体的某种颜色。 所有颜色通常分为彩色和非彩色。 每种彩色都有色调、色纯度和亮度（红色、黄色、绿色等）。 连续光谱中没有消色差的颜色——它们是无色的，彼此仅在亮度上有所不同。 这些颜色是由日光的选择性反射或透射形成的（白色、全灰色和黑色）。 例如，纺织工人可以区分多达 100 种黑色阴影。 因此，视觉让我们能够判断物体的颜色和亮度、它们的大小和形状、它们的运动和在空间中的相对位置。 因此，对空间的感知主要是视觉的功能。 在这方面，应该考虑另一种确定物体在空间中相对位置的方法——视觉视差法。 到一个物体的距离是通过这个物体被看到的角度来估计的，知道其他可见物体的角度尺寸，或者使用视觉的立体能力，这会产生浮雕的印象。 事实证明，在大于 2,6 公里的距离处，不再感知到地势。 最后，到一个物体的距离可以简单地通过调节变化的程度或通过观察该物体的位置相对于位于我们已知距离的其他物体的位置来估计。 如果对物体的大小有错误的想法，您可能会在确定与物体的距离时犯下很大的错误。 用双眼估计距离比用一只眼睛准确得多。 在确定物体的方向时，一只眼睛比两只眼睛更有用，例如，在瞄准时。 当眼睛检查的不是物体，而是借助透镜或镜子获得的图像时，上述所有确定物体距离的方法即使不是完全不合适，有时也会变得不方便。 通常，图像的尺寸与物体本身的尺寸不一致，因此很明显，我们无法根据图像的表观尺寸来判断距离。 在这种情况下，很难将图像与物体本身分开，这种情况可能会导致非常强烈的视错觉。 例如，通过凹扁豆观看的物体似乎与我们的距离比实际距离大得多，因为它的表观尺寸小于真实尺寸。 这种错觉是如此强烈，以至于它完全抵消了眼睛调节所引导我们到达的距离的定义。 因此，我们只能借助唯一的方法，在没有任何仪器的情况下，判断一个物体的距离，即确定这个物体相对于其他物体的位置。 这种方法称为视差法。 如果观察者站在窗户前（图 3），并且在窗户和观察者之间有一些物体，比如桌子上的三脚架，并且如果观察者进一步移动，例如向左移动, 然后他会看到三脚架好像已经沿着窗口向右移动了。 另一方面，如果观察者透过窗户看某个物体，比如树枝，并朝同一方向移动，那么窗外的物体也会朝同一方向移动。 将窗口换成镜头，通过镜头观察打印的文字图像，就可以判断出这个图像所在的位置：如果在镜头后面，那么当眼睛移动时，它就会向与眼睛相同的方向移动。 如果图像比镜头更靠近眼睛，那么它会向与眼睛移动相反的方向移动。
视觉感知的行为现在被认为是各种过程和转换的复杂链条，仍然没有得到充分的研究和理解。 眼睛视网膜中复杂的光化学过程之后是视神经纤维的神经兴奋，然后传递到大脑皮层。 最后，视觉感知发生在大脑皮层内； 在这里，它们可能与我们的其他感觉相互关联，并根据我们预先获得的经验进行控制，只有在那之后，最初的刺激才会变成完整的视觉图像。 事实证明，我们此刻只看到我们感兴趣的东西，这对我们非常有用。 整个视野总是充斥着各种令人印象深刻的物体，而我们从这一切中产生的意识却只突出了我们当前特别关注的东西。 然而，凡是不期而遇地出现在我们视野中的事物，都能不由自主地引起我们的注意。 例如，在密集的脑力劳动中，摆动的灯会极大地干扰我们：眼睛不自觉地注视着这个动作，这反过来又分散了注意力。 我们的视觉具有最高的带宽，可以向大脑传输比听觉多 30 倍的信息，尽管视觉信号在 0,15 秒内到达大脑，听觉信号在 0,12 秒内到达大脑，触觉信号在 0,09 秒内到达大脑。 应该注意的是，眼睛的所有最重要的特性都是彼此密切相关的； 它们不仅相互依赖，而且在不同程度上表现出来，例如当适应场的亮度发生变化时，即人眼在给定的特定条件下和在给定的时刻适应的亮度时间。 这里所指的人体视觉器官的能力，往往在不同的人身上有不同程度的发育和敏感度。 “眼睛是好奇心的奇迹，”英国物理学家丁达尔说。 作者：Artamonov I.D << 返回： 目录 >> 转发： 视力的缺点和缺陷
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