Physiologie

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Kraftfahrzeug Lichttechnik
Physiologie
Karsten Köth
Stand: 2010-10-22
Aufbau des Augapfels
•  Kugelige Gestalt
•  In knöcherner Augenhöhle in
Fettpolstern gelagert
•  Durchmesser: 24 - 26 mm
•  Frei beweglich
•  Von 2 Muskelpaaren
oben / unten
rechts / links
gesteuert
•  Horizontale und vertikale
Bewegungen sehr schnell
•  Schräge Bewegungen sehr
langsam
Querschnitt durch den Augapfel
Gelber Fleck
Blinder Fleck
Aufgaben Binde-, Leder und Taubenhaut
Bauteil
Ort
Aufgabe
Bindehaut
Verbindung von
Ernährung
Augapfel, Augenlieder
Lederhaut
- Opt. dichter Teil
Äußere Hülle
Schutz
- Opt. klarer Teil
(Hornhaut)
Äußere Hülle
Augenfenster
Taubenhaut
bestehend aus
- Aderhaut
Innerhalb Lederhaut
Dunkel pigmentiert
Viele Blutgefäße
Absorption
Streulichtunterdrückung
Ernährung
- Ziliarkörper
(ringförmiger
Muskel)
Krümmungsänderung
der Linse
Scharfeinstellung
- Iris (ringförmiger
Muskel) und
Regenbogenhaut
Vor dem Ziliarkörper
Lässt in ihrer Mitte
Pupille (Iris) frei
Besonderheiten
Empfindlich gegenüber UVStrahlung
Bindehautentzündung
Trübung verringert die
Sehschärfe und erhöht
Blendung
Aufbau der Netzhaut
Schnitt durch Netzhaut
Mikroskopischer Schnitt
•  Dicke: 0,2 - 0,4 mm
•  Liegt lose auf der
Aderhaut
•  Nur an Ziliarkörper und
am Sehnerveneintritt
verwachsen
•  Netzhautablösung
möglich
Das Auge - Empfängertypen
Tagsehen
•  Zapfen
•  Anzahl: 5.000.000
•  Rot : Grün : Blau
4 : 16 : 1
Zapfenarten
•  L-Typ long wave length
•  M-Typ middle wave length
•  S-Typ short wave length
Skotopisch
Dunkel
Mesopisch
10-3 cd/m²
Nachtsehen
•  Stäbchen
•  Anzahl: 100.000.000
rot
570 nm
grün 540 nm
blau 430 nm
Photopisch
10 cd/m²
Hell
Spektrale Empfindlichkeit
Zapfen
1
tritanopic, t(λ)
or
short, s(λ)
V`(λ)-Kurve
0.8
FARBE
GRAU
0.6
0.4
deuteranopic, d(λ)
or
medium, m(λ)
0.2
0
400
500
600
λ in nm
protanopic, p(λ)
or
long, l(λ)
Stäbchen
λ in nm
V()Max = 555 nm
V´()Max = 505 nm
V(λ) - Funktion
Spektrale Empfindlichkeit [rel.]
1
V(λ)
0,5
555 nm
0
380
420
460
500
540
580
620
Wellenlänge [nm]
660
700
740
780
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
700
710
720
730
740
750
760
770
780
0,000039
0,000120
0,000396
0,001210
0,004000
0,011600
0,023000
0,038000
0,060000
0,090980
0,139020
0,208020
0,323000
0,503000
0,710000
0,862000
0,954000
0,994950
0,995000
0,952000
0,870000
0,757000
0,631000
0,503000
0,381000
0,265000
0,175000
0,107000
0,061000
0,032000
0,017000
0,008210
0,004102
0,002091
0,001047
0,000520
0,000249
0,000120
0,000060
0,000030
0,000015
Spektrale Empfindlichkeit
Abhängig von:
•  Messmethode
•  Leuchtdichte
•  Testfeldgröße
•  Ort des Reizes auf
der Netzhaut
/ 1 02] 4 / m m ²
e z e p t o r [10
e n 4/mm
D i c h Dichte
te d eder
r RRezeptoren
Schnittdarstellung der Rezeptorverteilung
18
15
Stäbchen
Stäbchen
12
9
6
3
Zapfen
Zapfen
0
60°
40°
20°
0°
20°
temporal
40°
nasal
Fovea
Blinder
Fleck
60°
80°
Örtliche Verteilung der Rezeptoren
Stäbchen
Zapfen
Macula: 2° in deren Zentrum Fovea: 1,2°
Blinder Fleck
•  Fliege rechts, Frosch links, linkes Auge zudecken
•  Bild mit gestrecktem Arm halten und langsam ans Auge führen
(Frosch dabei anschauen)
•  Bei 30 - 40 cm vor dem Auge verschwindet die Fliege
Optisch aktive Teile
•  Hornhaut
•  Vorderkammer
•  Pupille
•  Linse
•  Glaskörper
Hornhaut
•  Brechzahl (nH = 1,37)
•  Fünf Schichten, reich an Nervenfasern, schmerzempfindlich
• dH = 11 - 12,5 mm (Erwachsener)
optische Zentralzone: dHz = 4 mm
• Krümmungsradius raußen = 7,7 mm, rinnen = 6,8 mm,
Linsenwirkung – Berechnung der Brechkraft
• Vollkommen durchsichtig (keine Blutgefäße)
• Verkratzen -> Streulicht
Vordere Augenkammer
•  Zwischen Hornhaut und Augenlinse
•  Mit Kammerwasser gefüllt
(gebildet vom Ziliarkörper, Abfluss durch den Schlemm´schen
Kanal)
•  Dient zur Versorgung des Auges
•  Erneuerung einmal pro Stunde
•  Leichter Überdruck
•  Brechzahl (nAk = 1,336)
• Erschwerter Flüssigkeitswechsel (Verstopfung) -> Erhöhung
des Augeninnendruckes -> Grüner Star (Glaukom)
Iris und Regenbogenhaut
•  Iris: Ringförmiger Muskel vor der Linse, auf der die
Regenbogenhaut liegt
•  Pigmentierung der Regenbogenhaut bestimmt Augenfarbe
•  Freie Öffnung: Pupille
•  Bei plötzlicher Änderung des Lichteinfalls ändert sich der
Durchmesser der Pupille
•  Einschwingzeit: Bei Tag:
0,2 ... 0,3 s
Bei Nacht: 0,4 ... 0,5 s
•  Durchmesser: Kleiner bei mehr Licht (2 mm < Ø < 8 mm)
•  Erhebliche interindividuelle Streuungen
•  Indikator für psychologische Zustände (Schreck, Angst, ...)
Augenlinse
•  Brechzahl (nL = 1,4)
• Bikonvexer Körper, durch transparente Kapsel eingeschlossen
• Linsenfläche hinten stärker gekrümmt als vorn
(rL im Verhältnis 6 : 10)
•  Aufbau: zwiebelartig, etwa 2.000 Schichten
(mit unterschiedlicher Brechzahl)
außen: n = 1,386; innen n = 1,406
• Folge: Lichtstrahlen verlaufen nicht geradlinig
• Muskeln straff -> Linse flach; Muskeln schlaff -> Linse gewölbt
• Linsensubstanz mit zunehmendem Alter härter und weniger
elastisch
• Trübung: Grauer Star (Katarakt)
Glaskörper
•  Glaskörper = Gallert
•  nG = 1,33 vgl. Wasser: n = 1,4
• Hinter Linse gallertartige Masse, die gesamten Bulbus füllt
• Verunreinigungen: Schattenbildung auf Netzhaut
 Störungen im Gesichtfeld („Fliegende Mücken“)
Sehprozess
Optische Abbildung
Sehobjekt  Netzhaut
Optische Sehbahn
Umsetzung von Lichtreizen und
Widerspiegelung elektrischer Impulse in
Bewusstseinsinhalte
Abbildung
Sehbahn
Optische Abbildung im Auge
Womit erfolgt die optische Abbildung?
?
Abbildung im Auge
•  Optisches System erzeugt von Bildern der Außenwelt
umgekehrte, verkleinerte Bilder auf der Netzhaut
•  Beschreibung einer fehlerfreien optischen Abbildung
im paraxialen Gebiet:
Gaußsche Abbildung
Gaußsche Abbildung
Eigenschaft:
•  Alle Punkte einer Objektebene werden in den Punkten der
zugehörigen Bildebene abgebildet.
•  Liegt das Objekt im Unendlichen, werden die Strahlen so
gebrochen, dass sie sich im Brennpunkt F’ schneiden
1 1 1
+ =
a1 a2 f
Für f1 = f2 = f
Anwendung im Auge:
•  F’ für akkommodationslosen Zustand = Fovea
•  Für Objekte in endlicher Entfernung  Änderung
Brechkraft der Linse
Brechkraft des Auges
Maßzahlen
Brechkraft D [dpt]
Brennweite
Kehrwert der in m gemessenen Brennweite
Entfernung zwischen Hauptebene und Brennpunkt
Brechkraft D der Grenzfläche 1
n1 − n0 n1
D1 =
=
r1
f2
n0 ..
r1 ..
Brechzahl der Lichtquelle
zugewandten Seite
Radius der Grenzfläche
Gesamtbrechkraft D zweier Grenzflächen
D = D1 + D2 −
a1, 2
n1
⋅ D1 ⋅ D2
n1 .. Brechzahl zwischen den Grenzflächen
a1,2 .. Abstand zwischen den Grenzflächen
Brechkraft des Auges - Zahlenwerte
Gullstrand‘sches Ersatzauge
Einzelne Optiken
Hornhaut
Linse, Ruhelage
Linse, maximale Akkommodation
43 dpt
21 dpt
33 dpt
Gesamtsystem
Minimale Akkommodation
Maximale Akkommodation
Akkommodationsbreite
59 dpt
71 dpt
12 dpt
Trübung der Linse
Die Katarakt betrifft rund
99 Prozent aller Menschen
über 65 Jahre.
In Deutschland werden pro
Jahr etwa 600.000
Personen an diesem
Leiden operiert.
Linsentrübung im Auge
Akkommodationsbreite
[Quelle: Handbuch für
Beleuchtung]
Augfehler
[Quelle: W.D. Bockelmann]
Augfehler - Simulation
Sehschärfe 1
Sehschärfe 0,3
Sehleistung im Alter
[Quelle: W. Adrian]
Optische Sehbahn
•  Verbindung zwischen
Rezeptoren und den
Zentren im Gehirn
•  3 Neuronen (Einheit von
Nervenzelle und
Nervenfaser)
Erstes Neuron
Bipolare - Nervöse Strukturen
Zweites Neuron
•  Ganglienzellen und abgehende Nervenfasern
•  Vereinigung im Sehnerv
Sehnerv
• Kein Nerv im eigentlichen Sinn,
sondern Teil des Gehirns
•  Verletzungen nicht regenerierbar
•  Bleistift dick
•  800.000 Einzelfasern
•  Dicke 1-2 µm
•  Anordnung der Einzelfasern:
a) Kurz vor Erreichen des
Chiasma identisch mit Lage und
Anordnung auf der Netzhaut
b) Im Kreuzungspunkt:
Umorganisation, nach Verlassen
im rechten Sehnerv nur noch
Fasern der rechten Netzhauthälfte
Sehnerv
Zweck
•  Zusammengehörige Punkte
des Gesichtsfeldes werden
durch die Abbildung beider
Augen an ein und derselben
Stelle im Gehirn vereinigt
•  Steuerungszentren für linke
Hand in rechter Gehirnhälfte
•  Kürzeste Verbindung
zwischen den visuellen und
motorischen Zentren
-> Orientierung im Raum
Drittes Neuron
1. Nervus Opticus
Visual
Cortex
•  Umfasst die seitlichen Kniehöcker verlassenden Fasern
•  Spalten sich zur Gratiolet´schen Sehstrahlung auf
•  Führen zum Hinterhautlappen des Gehirns
Hinterhauptlappen
Visual
Cortex
Optisches
Chiasma
Eigentlicher Träger der
Sinnesempfindung
Optische Nervenbahnen
•  Jeder Stelle der Netzhaut ist ein bestimmtes Areal der
Hinterhautlappen zugeordnet
•  Weitere Verbindungen zum Thalamus und Hypothalamus
•  Steuerung anderer Körperfunktionen
[Quelle: Kessler]
Pupillen Reflex Weg
parasymphatetic part
[Quelle: Kessler]
Pupillen Reflex Weg
parasymphatetic part
[Quelle: Kessler]
Adaption, Leuchtdichtebereich
Anpassung des Auges über extremen Leuchtdichtebereich:
 
Änderung der Pupillenöffnung  Variation um Faktor 16
 
Übergang von Zapfen- auf Stäbchensehen
 
Änderung der Sehstoffkonzentration in den Empfängern
 
Verschaltung der Sehzellen
 
Absolutblendung bei 106 cd/m2
10-3 cd/m²
10 cd/m²
106 cd/m²
Datentransport
[Quelle: Kessler]
Datentransport
[Quelle: Kessler]
Übertragungsstrecke
108
Rezeptoren
106
Nervenleitungen
1010
Neuronen im
visuellen Kortex
Elektro-physiologische Mechanismen
• Lichtimpuls gelangt auf Netzhaut - Erzeugung einer Erregung
• Antwort der Rezeptoren: Aktionspotentialänderungen
•  Für dunkles Auge: Ruhepotential
• Nach Einschalten:
Negative a-Zacke
Positive b-Zacke
c-Anstieg
• Nach Ausschalten: d-Zacke
Sichtbarmachen
Messung der Spannungsdifferenz zwischen Hornhaut und
Netzhaut
 Elektroretinogramm
Elektroretinogramm (ERG)
[Quelle: Schober]
On-Off-Elemente
Stimulus
Off-Center
Ganglion cell
On-Center
Ganglion cell
On-Off-Amakrine
On-Bipolar Cell
Off-Bipolar Cell
Horizontal Cell
Cones
Vorwiegend
Ganglienzellen
Führen zu
Nervenfasern
3 Typen:
On - Aktionspotential
nach Einschalten
Off - Aktionspotential
nach Ausschalten
On - Off - Nur Einund Ausschaltzacke
Sichtbarmachen der Potentialänderung in der
Sehrinde im EEG (Elektroenzephalogramm)
[Quelle: Kessler]
Signalverarbeitung
Stimulus
Off-Center
Ganglion cell
On-Center
Ganglion cell
On-Off-Amakrine
On-Bipolar Cell
Off-Bipolar Cell
Horizontal Cell
Cones
[Quelle: Kessler]
Elektrische Signale beim Sehvorgang
Ziel der Schaltmechanismen
Wichtig für Verstärkung und Abschwächung, der auf die
Netzhaut fallenden Reize
Divergenz – Abschwächung
Auffächern der aus der Fovea stammenden Impulse
Geringer Fläche der Fovea steht 10.000 mal größere Fläche in
der Sehrinde zur Verfügung - enormes Auflösungsvermögen der
Fovea
Konvergenz – Verstärkung
Zusammenschalten mehrerer Rezeptoren über eine Bipolarund Ganglienzelle
Unterschwelliger Reiz wird durch Art Summationsprozess
überschwellig  große Lichtempfindlichkeit in Peripherie
Augenbewegungen
Tremor (30-150 Hz), Saccaden (0,03..5 s), langsames Driften
Begriffe
Gesichtsfeld
Wahrgenommener Teil der Außenwelt bei ruhig gehaltenem
Blick
Blickfeld
Alle Punkte, die nacheinander angeblickt und ins Zentrum der
Netzhaut abgebildet werden.
Summe aller Punkte, die fixiert werden.
Blicklinie
Verbindungslinie zwischen angeblicktem Punkt und Fovea
Sehfeld Interpretation des jeweils existierenden Gesichtsfeldes
Das Gehirn erzeugt anhand der auf der Netzhaut
abgebildeten Gegenstände und der Seherfahrung der
jeweiligen Person das physiologisch-psychologische Sehfeld.
Literatur
•  Goldstein, E.B.: Wahrnehmungspsychologie
Hrsg.: Manfred Ritter, Heidelberg; Berlin: Spektrum,
Akademischer Verlag. 2002, 2. Auflage
•  Hubel: Auge und Gehirn
Verlag Spektrum der Wissenschaft, 1990
•  Schober: Das Sehen
•  Gregory, L: Auge und Gehirn
(Populäre Darstellung)
•  Trotter, Jörg; Das Auge, DOZ-Verlag, Heidelberg, 2004
•  DIN 5340 Begriffe der physiologischen Optik
•  CIE TC 1-14 Lighting effects on visions.
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