Protokoll - staff.uni

4. Versuch
Campbell – Versuch
Gruppe 9
13.01.03
Protokoll
Messung des Visuellen Auflösungsvermögens durch Bestimmung der
Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) mit dem „Campbell – Muster“
1. Einleitung:
Die Linsenaugen des Menschen können als eine Art Verlängerung des Gehirns angesehen
werden. Sie nehmen Signale der Außenwelt (Lichtreize) auf, verarbeiten sie und führen sie
weiteren Verarbeitungseinheiten zu. Aufbau eines menschlichen Auges siehe folgende
Abbildung:
Bei einem näheren Blick auf die Netzhaut fallen zwei Bereiche besonders auf. Zum einen der
blinde Fleck (Papille), an dem der Sehnerv (N. opticus) austritt und daher keine
Lichtrezeptoren vorliegen. Zum anderen die Sehgrube (Fovea centralis), in der das höchste
räumliche Auflösungsvermögen möglich ist. Je größer der Abstand des abgebildeten Objekts
von der Sehgrube ist, desto kleiner ist die räumliche Auflösung (Exzentrizität). In der
Sehgrube befinden sich nur Zapfen, welche als Starklichtrezeptoren für das Farbensehen
verantwortlich sind. Die Stäbchen, welche als Schwachlichtrezeptoren v.a. für das HellDunkel-Sehen verantwortlich sind, befinden sich in ihrer höchsten Konzentration in der
Peripherie der Retina.
In der Fovea zentralis befinden sich die kleinsten rezeptiven Felder (nur ein Photorezeptor ist
mit einer Ganglienzelle verschaltet), dies bedingt die hohe räumliche Auflösung. Ein
rezeptives Feld bezeichnet ein Areal der Photorezeptoren auf der Retina, welche mit einer
Ganglienzelle verbunden sind. Rezeptorzellen sind sowohl über Bipolarzellen mit
Ganglienzellen verbunden, als auch über zwischengeschaltete Horizontalzellen, welche dann
die Verbindung zur Ganglienzelle oder anderen Rezeptorzellen herstellen.
An den Horizontalzellen befindet sich der Ort der lateralen Hemmung. Je weiter ein
Rezeptives Feld von der Sehgrube entfernt ist, desto größer der Effekt der lateralen
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Hemmung. Durch diese erscheinen Kontraste zwischen Hell und Dunkel stärker als in
Wirklichkeit.
Über die Horizontalzelle hemmt jeder Photorezeptor seinen direkten Nachbarn. Das hat zur
Folge, dass das Erregungsverhältnis (und dadurch der Kontrast) an den Bipolaren verstärkt
wird. Hell erscheint heller, Dunkel dunkler als in der Realität.
Das Auflösungsvermögen des Auges wird mit Sehschärfetests bestimmt. Die Sehschärfe wird
in Winkelminuten angegeben, wobei die Sehschärfe der Kehrwert des kleinstmöglichen
Sehwinkels ist (Visus).
Eine Methode, Kontrast und Auflösungsvermögen in einem Test zu vereinen, stellt das
„Campbell“-Muster dar, mit dessen Hilfe man eine Modulations-Übertragungs-Funktion
(MÜF) erstellen kann. Anhand dieser MÜF lässt sich die Abhängigkeit zwischen Auflösung
und Kontrast bestimmen, wodurch sich Rückschlüsse auf die Empfindlichkeit der Rezeptoren
und der Qualität der neuronalen Verschaltung der jeweiligen Versuchsperson ziehen lassen.
.
„Campbellmuster“:
Je weiter man auf der x-Achse
nach rechts geht, desto höher
ist die räumliche Frequenz.
Je weiter man auf der y-Achse
nach oben geht, desto geringer
ist der Modulationsgrad.
Die Sehschärfe wird durch vier Faktoren begrenzt: Zum einen ist die Beugung der
elektromagnetischen Strahlung im Auge begrenzt, zum anderen sind die Zapfendichte und ihr
Abstand zueinander von entscheidender Bedeutung. In einem geringeren Maße spielt auch die
Erregungsverarbeitung in Auge und Gehirn eine Rolle.
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2. Material und Methode:
Die folgenden Versuche werden mit Hilfe eines geeigneten Computerprogramms
durchgeführt, mit dessen Hilfe sich oben erwähnte Campbellmuster auf dem Bildschirm
anzeigen lassen. Die Versuchsperson sitzt bei allen Versuchen in einem Abstand von 4m zum
Bildschirm.
Nachdem das Programm auf die Leuchtdichte des Bildschirms geeicht wurde, können die
jeweiligen Versuche durchgeführt werden.
Alle folgenden Versuche werden von allen drei Kursteilnehmern gleichermaßen durchgeführt.
3. Versuche:
3.1. Versuch 1:
Bei Versuch 1 wird eine schnelle Bestimmung der MÜF durchgeführt. Die Versuchsperson
wandert mit dem Auge über das Campbellmuster und bestimmt jene Bereiche des Musters, in
denen sie gerade noch die Kontraste unterscheiden kann. Das Computerprogramm spuckt
daraus eine zugehörige MÜF aus (siehe Anhang 1-3).
3.1.1. Beobachtungen:
In allen Kurven erkennt man ein langsames, aber stetiges Ansteigen der Kurve bei
zunehmenden Frequenzen, die ihr Maximum bei etwa 3 haben. Bei weiter zunehmender
Frequenz fällt die Kurve erst noch langsam, dann aber rapide ab.
3.1.2. Diskussion:
Anhand der Versuchsergebnisse lässt sich erkennen, dass das menschliche Auge sein höchst
mögliches Auflösungsvermögen bei der oben genannten Frequenz zeigt.
Im gewissen Maße kann man die Frequenzen, die man nicht mehr auflösen kann, durch die
Erhöhung des Kontrastes ausgleichen (Kurve sinkt in den unteren Bereich der
Modulationsgrade, man kann aber noch etwas erkennen). Bei noch höheren Frequenzen ist
das Gehirn nicht mehr in der Lage, zwei Punkte als zwei Punkte zu erkennen. Daher
wird nur noch ein grauer Punkt wahrgenommen.
Bei niedrigen Frequenzen fällt die Kurve des MÜF wieder ab, d.h. es ist ein höherer
Modulationsgrad notwendig, um die unterschiedlichen Sinuskurven getrennt wahrzunehmen.
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Versuch 2:
Bei Versuch 2 wird Versuch 1 wiederholt, nachdem die Versuchsperson zuvor eine Minute
auf jeweils eine der fünf Frequenzen (0,48, 1,6, 4,8, 16, 48) adaptiert hat.
3.2.1 Beobachtungen:
Anhand der Werte in Anhang 4-6 kann man erkennen, dass das Auflösungsvermögen im
adaptierten Bereich abgenommen hat. Je weiter eine Frequenz von dem adaptierten Bereich
entfernt ist, desto geringer sind die Abweichungen von der in Versuch 1 erstellten Eichkurve.
3.2.2. Diskussion:
Das menschliche Auge adaptiert auf andauernde eintreffende Reize.
Es besitzt drei verschiedene frequenzabhängige Kanäle, die jeweils für einen bestimmten
Frequenzbereich zuständig sind. Deswegen wird bei der Adaptation einer bestimmten
Frequenz nicht nur diese Frequenz auf dem „Campbellmuster“ schlechter wahrgenommen,
sondern auch der komplette Übertragungsbereich dieses Kanals. Die anderen
frequenzabhängigen Kanäle arbeiten nahezu unbeeinflusst weiter.
(siehe Anhang 4-6, Tabelle 3)
3.2.3. Berechnung des Felddurchmessers:
Laut Skript ist der Durchmesser D eines rezeptiven Feldes
D = 2 x 17 x 103 x tan (1/Musterfrequenz) (in µm).
Wir berechnen den Felddurchmesser, bei dem man mit dem niedrigsten Kontrast und der
höchsten Auflösung auskommt (Hochpunkt der MÜF).
Versuchsperson 1: 0,022/1,33 d.h. bei der Frequenz 1,33 hat die Versuchsperson die höchste
Auflösung.
Aus der Formel ergibt sich für die Größe des rezeptiven Feldes 446,2µm.
Versuchsperson 2: 0,012/5,39
Daraus folgt ein Durchmesser des rezeptiven Feldes von 110,09µm.
Versuchsperson 3: 0,08/2,86
Es ergibt sich ein Durchmesser des rezeptiven Feldes von 207,49µm.
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3.3. Versuch 3:
Im letzten Versuch wird die Modulationsschwelle für fünf räumliche Frequenzen bestimmt.
Die Modulationsschwelle ist die Grenze vom Bereich, an dem man gerade noch
Kontrastunterschied wahrnimmt, zu dem Bereich in dem man keinen Unterschied mehr
feststellt. Die Bestimmung erfolgt durch langsames Erhöhen bzw. Erniedrigen des Kontrastes.
Durch die daraus resultierenden Werte, kann man nun wiederum eine MÜF erstellen. Da das
Computerprogramm die Modulationsgrade in Leuchtdichtewerte umrechnet, wird der
Kontrast nach folgender Formel berechnet:
M = (Lmax – Lmin) / (Lmax + Lmin)
3.3.1. Beobachtungen:
An Anhang 7 läßt sich erkennen, dass die gemessenen Modulationsgrade dem in Versuch 1
anhand des „Campbellmusters“ erstellten Kurven sehr ähnlich sind.
3.3.2. Diskussion:
Wiederum wird aufgezeigt, dass das menschliche Auge bei mittleren Frequenzen das höchste
Auflösungsvermögen besitzt. Dies lässt sich auf dieselben Ursachen zurückführen, die schon
bei 3.1.2. besprochen wurden.