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빛이 없어도 색이 있는 물체를 구별할 수 있는 이유는 무엇입니까?

빛이 없어도 색이 있는 물체를 구별할 수 있는 이유는 무엇입니까?


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막대는 우리가 어둠 속에서 볼 수 있도록 도와줍니다.

물체가 빛을 반사할 때 물체의 색을 볼 수 있습니다.

그러나 어두운 방(모든 색상의 방이지만 조명이 꺼져 있고 밤입니다)에서 잠시 눈을 뜨면 여전히 색상 개체를 구별할 수 있습니다.(별로 명확하지는 않지만)

빛이 없을 때 색상은 어떻게 보입니까?

우리는 뇌가 색깔을 기억할 때 볼 수 있습니까?


당신은 우리가 보는 방식과 그것이 빛과 어떤 관련이 있는지에 대해 많은 오해를 갖고 있는 것 같습니다. 한 번에 한 문장씩 설명하겠습니다.

빛이 없어도 색이 있는 물체를 구별할 수 있는 이유는 무엇입니까?

답변: 질문의 전제가 잘못되었습니다. 우리 그렇지 않다 빛이 없어도 색을 구별할 수 없기 때문에 보다 빛의 존재 없이. 빛은 우리가 볼 수 있게 해주는 것입니다. "본다"는 것은 환경에서 오는 빛을 감지하고 그것을 사용하여 환경이 어떤 것인지 추론하는 행위입니다.

막대는 우리가 어둠 속에서 볼 수 있도록 도와줍니다.

막대가 우리가 어둠 속에서 볼 수 있도록 도와준다고 생각하는 것처럼 들립니다... 빛이 없을 때? 이것은 사실이 아닙니다. 막대와 원뿔 모두 빛을 흡수하므로 우리가 볼 수 있습니다. 막대는 우리가 볼 수 있도록 도와줍니다. 저조도 왜냐하면 그것들은 콘보다 (빛에 !) 더 민감하기 때문입니다. 빛이 없으면 아무것도 볼 수 없습니다.

우리는 빛을 반사할 때 물체의 색을 볼 수 있습니다.

얼마나 많은 빛을 반사하느냐에 따라 달라집니다! 이 문장의 올바른 형태는 "우리는 할 수 있습니다. 물건을 보다 빛을 반사할 때"(더 정확한 표현은 "우리 눈의 빛 수용체, 즉 간상체와 원추체를 유발하기에 충분한 빛을 반사할 때)입니다. 색상을 볼 수 있는지 여부는 원뿔을 구체적으로 트리거하기에 충분한 빛을 반사하는지 여부에 달려 있습니다.

그러나 어두운 방(모든 색상의 방은 조명이 꺼져 있고 밤입니다)에서 잠시 눈을 뜨면 여전히 색상이 있는 물체를 구별할 수 있습니다.(별로 명확하지는 않지만)

물론; 완전히 어두운 방은 없기 때문입니다. 인공 조명의 세계에서는 더욱 그러합니다. 그러나 달이 없는 흐린 밤에도 별과 태양(대기 중 확산을 통해), 반딧불이에서 오는 잘못된 광자가 몇 개 있을 수 있습니다. 우리의 인공 조명 세계에서 공정하기 위해 나는 그것을 경험하지 못했습니다. 내가 아는 한 지하 동굴과 같은 곳에서 진정한 어둠을 얻을 수 있습니다(물론 출구에서 충분히 멀어지면).

기본적으로, 무엇이든 볼 수 있다면 약간의 빛이 있는 것입니다. (글쎄, 당신의 광학 피질 조작 재료가 부족하여 공정하게 할 것입니다).

빛이 없을 때 색상은 어떻게 보입니까?

나는 당신이 지금 이해하기를 바랍니다, 그들은 그렇지 않습니다.

우리는 뇌가 색깔을 기억할 때 볼 수 있습니까?

이것이 실제로 우리가 저조도 환경에서 색상을 인식하는 한 가지 이유일 수 있다고 생각합니다. 그 중 일부는 원뿔을 약간 촉발할 수 있는 충분한 빛이 있다는 것입니다. 하지만 지금 당장 수신하는 정보가 무엇이든 간에 그것이 알고 있는 대로 세상을 보여주는 우리 뇌의 능력을 과소평가하지는 않을 것입니다. 보인다고 합니다.

편집하다

일부 참조:

우리가 막대만을 사용하여 저조도에서 사물을 보는 상태를 "암시(scotopic vision)"라고 합니다.
https://en.wikipedia.org/wiki/Scotopic_vision

"어두운" 환경이 여전히 적은 양의 빛을 포함하는 방법에 대한 일부 출처("빛의 양"에 대한 한 단어는 Lux로 측정되는 "조도"임):
http://www.engineeringtoolbox.com/light-level-rooms-d_708.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Aphotic_zone (이에 대해 @Johnny에게 감사드립니다)

바라건대 마지막 편집

곰곰이 생각해 보니 암소시력이 그 질문과 매우 관련이 있기 때문에 좀 더 말해야겠다고 생각했습니다. "scotopic" 비전은 "photopic" 비전(전체 조명에서 볼 수 있는 비전, 막대가 포화되어 원뿔이 작업을 수행하는 비전)과 반대이며 그 사이에 "mesopic" 비전이라는 중간 범위가 있습니다. 이것은 어두울 때 우리가 경험하는 비전일 가능성이 높지만 여전히 색상을 볼 수 있습니다(이 ~이다 우리의 뇌가 색상을 채우는 것을 무시하는 것도 요인이 될 수 있으며 이 경우 암순응과 함께 발생할 수도 있습니다. 하지만 이에 대한 출처는 찾지 못했습니다.

Mesopic Vision은 낮은 실내 조명이나 가로등에서 별빛에 이르는 조명 조건에서 사용됩니다. 암소시(scotopic vision)는 그보다 더 어두운 휘도와 함께 사용됩니다. 이 페이지는 그것에 관한 모든 것이며 매우 멋진 그림을 포함하고 있습니다. 슬프게도 그것은 pdf이므로 답변에 표시할 수 없습니다.

http://www.visual-3d.com/Education/LightingLessons/Documents/PhotopicScotopiclumens_4%20_2_.pdf


인간의 시각과 색 지각

인간의 스테레오 컬러 비전은 수백 년에 걸친 집중적인 연구와 모델링에도 불구하고 완전히 이해되지 않는 매우 복잡한 과정입니다. 시각은 뉴런, 수용체 및 기타 특수 세포의 네트워크를 통해 두 눈과 뇌가 거의 동시에 상호 작용하는 것을 포함합니다. 이 감각 과정의 첫 번째 단계는 눈에 있는 빛 수용체의 자극, 빛 자극 또는 이미지를 신호로 변환, 시각 정보를 포함하는 전기 신호를 각 눈에서 뇌로 전달하는 것입니다. 시신경. 이 정보는 여러 단계를 거쳐 최종적으로 시각 피질 대뇌의.

인간의 눈에는 각막, 홍채, 동공, 방수 및 유리체, 가변 초점 렌즈, 망막을 비롯한 다양한 광학 구성 요소가 있습니다(그림 1 참조). 함께 이러한 요소는 각 눈의 시야에 들어가는 물체의 이미지를 형성하도록 작동합니다. 물체를 관찰할 때 먼저 볼록부를 통해 초점을 맞춥니다. 각막 및 렌즈 요소, 표면에 반전된 이미지를 형성 망막, 수백만 개의 빛에 민감한 세포를 포함하는 다층 막. 망막에 도달하기 위해서는 각막에 의해 집속된 광선이 연속적으로 통과해야 합니다. 방수 (전방에서), 수정체, 젤라틴 모양의 유리체, 망막의 혈관 및 신경층이 원추세포 및 간상세포의 감광성 외부 분절에 도달하기 전에 도달합니다. 이 광감각 세포는 이미지를 감지하고 이를 일련의 전기 신호로 변환하여 뇌로 전송합니다.

눈 해부학을 설명하는 데 사용되는 광범위한 용어로 인한 일부 오해에도 불구하고 눈의 전체 굴절력의 대부분을 차지하는 것은 수정체가 아니라 각막입니다. 유리처럼 매끄럽고 투명하지만 플라스틱처럼 유연하고 내구성이 있어 안구 외벽의 앞쪽, 강하게 구부러진 투명한 부분은 이미지를 형성하는 광선이 내부로 통과할 수 있도록 합니다. 각막은 또한 미생물, 먼지, 섬유, 화학 물질 및 기타 유해 물질로부터 눈 내부를 보호하는 물리적 장벽을 제공하여 눈을 보호합니다. 수정체보다 너비가 훨씬 얇지만 각막은 눈 굴절력의 약 65%를 제공합니다. 빛을 구부리는 힘의 대부분은 조직의 주변 부분보다 둥글고 얇은 각막 중앙 근처에 있습니다.

눈으로 들어오는 빛을 제어하는 ​​창으로서 각막(그림 2)은 좋은 시력에 필수적이며 자외선 필터 역할도 합니다. 각막은 햇빛에 존재하는 가장 해로운 자외선 파장의 일부를 제거하여 매우 민감한 망막과 수정체를 손상으로부터 보호합니다. 근시와 같이 각막이 너무 휘면 망막에 대한 불완전한 빛 굴절로 인해 멀리 있는 물체가 흐릿한 이미지로 나타납니다. 로 알려진 상태에서 난시, 각막의 불완전성 또는 불규칙성은 불균등한 굴절을 초래하여 망막에 투영된 이미지의 왜곡을 생성합니다.

신체의 대부분의 조직과 달리 각막에는 영양 공급이나 감염으로부터 보호하기 위한 혈관이 없습니다. 가장 작은 모세관조차도 정확한 굴절 과정을 방해합니다. 각막은 눈물과 구조 뒤의 방을 채우는 방수로부터 영양을 받습니다. 각막의 외부 상피층은 수천 개의 작은 신경 종말로 가득 차 있어 각막을 문지르거나 긁을 때 통증에 극도로 민감합니다. 조직 두께의 약 10%를 차지하는 각막 상피층은 이물질이 눈으로 들어가는 것을 차단하는 동시에 산소와 영양소 흡수를 위한 매끄러운 표면을 제공합니다. 각막의 중심층으로 알려진 기질, 조직의 약 90%를 구성하고 상피를 지지하기 위해 강도, 탄력성 및 형태를 제공하는 수분 포화된 섬유질 단백질 네트워크로 구성됩니다. 영양 세포는 기질 층의 나머지 부분을 완성합니다. 기질은 물을 흡수하는 경향이 있기 때문에 내피 조직의 주요 임무는 기질에서 과도한 물을 펌핑하는 것입니다. 이 펌핑 작용이 없으면 기질이 물로 부풀어 오르고 흐릿해지며 궁극적으로 각막이 불투명해져서 눈이 멀게 됩니다.

수정체 또는 수정체의 수정체에 의한 투명도의 부분적 또는 완전한 손실은 다음과 같은 일반적인 상태를 초래합니다. 백내장. 백내장은 전 세계적으로 실명의 주요 원인이며 미국에서 시각 장애의 중요한 원인을 나타냅니다. 성인에서 백내장의 발병은 정상적인 노화, 햇빛 노출, 흡연, 영양 부족, 눈 외상, 당뇨병 및 녹내장과 같은 전신 질환, 스테로이드를 포함한 일부 의약품의 바람직하지 않은 부작용과 관련이 있습니다. 초기 단계에서 백내장으로 고통받는 개인은 세상을 흐릿하거나 초점이 맞지 않는 것으로 인식합니다. 망막에 도달하는 빛의 양이 감소하고 개인이 안개나 연무를 통해 환경을 관찰하는 것처럼 이미지가 흐려짐으로써(회절 및 광산란을 통해) 선명한 시력이 방지됩니다(그림 3 참조). 백내장 수술 중 불투명한 수정체 제거 후 플라스틱 수정체로 교체(안내 렌즈 임플란트), 종종 근시 또는 원시와 같은 관련 없는 상태에 대한 교정된 시력을 초래합니다.

망막의 기능은 디지털 이미지 센서(예: 전하 결합 소자(CCD))와 아날로그-디지털 변환기의 조합과 유사하며, 이는 현대 디지털 카메라 시스템에서 볼 수 있습니다. 로 알려진 눈의 이미지 캡처 수용체 막대 그리고 , 뇌로의 신호 전달을 조정하는 일련의 특수 세포를 통해 시신경 다발의 섬유와 연결됩니다. 각 눈에 들어갈 수 있는 빛의 양은 아이리스, 낮은 조명 수준에서 넓게 열리고 보호하기 위해 닫히는 원형 다이어프램 학생 (조리개) 및 매우 높은 수준의 조명에서 망막.

조명이 변함에 따라 수정체 앞에 위치한 동공의 직경은 약 2~8mm 크기로 반사적으로 변화하여 망막에 도달하는 빛의 양을 조절합니다. 조명이 매우 밝으면 동공이 좁아지고 굴절 요소의 주변 부분이 광학 경로에서 제외됩니다. 그 결과 이미지 형성 광선에 의해 발생하는 수차가 줄어들고 망막의 이미지가 더 선명해집니다. 매우 좁은 동공(약 2mm)은 망막에 점 광원의 이미지를 퍼뜨리는 회절 인공물을 생성합니다.

뇌에서 각 눈의 시신경 신경 섬유는 시신경교차 평행 경로로 이동하는 두 망막의 시각 정보는 상관 관계가 있으며, 이는 디지털 비디오 테이프 레코더의 시간축 보정 생성기의 기능과 유사합니다. 거기에서 시각 정보는 다음을 통해 이동합니다. 시신경 무릎 모양으로 측면 슬상 핵 에서 시상, 여기서 신호는 다음을 통해 배포됩니다. 광학 방사선 둘에게 시각 피질 각 절반의 후면 하단에 위치 . 피질의 하층에서는 각 눈의 정보가 기둥 모양으로 유지됩니다. 안구 우세 줄무늬. 시각 신호가 피질의 상층부로 전달되면서 두 눈의 정보가 합쳐져 ​​양안시가 형성됩니다. 다음과 같은 비정상적인 안과 상태에서 사위 (오정렬) 눈을 포함한 사시 (사시로 더 잘 알려져 있음), 입체시가 방해를 받으며 개인의 자세와 깊이 지각이 방해받습니다. 안과 수술이 필요하지 않은 경우 안경에 장착된 프리즘 렌즈는 이러한 기형 중 일부를 교정할 수 있습니다. 양안 융합 중단의 원인은 두부 또는 출생 외상, 신경근 질환 또는 선천적 결함일 수 있습니다.

NS 중심와 망막의 중심 부근에 위치하며, 망막을 따라 위치한다. 광축 각 눈의. "황색 반점"이라고도 알려진 중심와(1제곱밀리미터 미만)는 작지만 매우 전문화되어 있습니다. 이 영역에는 고밀도의 빽빽하게 채워진 원뿔 세포가 포함되어 있습니다(성인의 경우 제곱밀리미터당 200,000개 이상의 원뿔 세포는 그림 4 참조). 중심와(Central fovea)는 가장 선명한 시야의 영역으로 공간(공간해상도), 대비 및 색상의 최대 해상도를 생성합니다. 각 눈은 약 700만 개의 원추세포로 채워져 있으며, 이 원추세포는 매우 얇고(직경 3마이크로미터) 길쭉합니다. 원추 세포의 밀도는 원추 세포에 대한 간상 세포의 비율이 점차 증가함에 따라 중심와 외부에서 감소합니다(그림 4). 망막 주변에서 두 유형의 광 수용체의 총 수가 크게 감소하여 망막 경계에서 시각 감도의 극적인 손실을 일으킵니다. 이것은 인간이 시야에서 물체를 지속적으로 스캔한다는 사실에 의해 상쇄되어(무의식적인 빠른 안구 움직임으로 인해) 결과적으로 인식된 이미지가 균일하게 선명합니다. 사실, 이미지가 망막에 상대적으로 움직이는 것이 방지되면(광학 고정 장치를 통해) 눈은 몇 초 후에 더 이상 이미지를 감지하지 않습니다.

망막의 바깥 부분에 있는 감각 수용체의 배열은 부분적으로 눈의 다른 영역에서 해상도의 한계를 결정합니다. 이미지를 해결하려면 자극이 덜한 한 줄의 광수용기들이 고도로 자극된 두 줄의 광수용기 사이에 삽입되어야 합니다. 그렇지 않으면 자극이 두 개의 밀접하게 떨어진 이미지에서 비롯된 것인지 또는 두 수용기 열에 걸쳐 있는 단일 이미지에서 비롯된 것인지 구별하는 것이 불가능합니다. 중심와에 있는 원뿔에 대해 1.5~2마이크로미터 범위의 중심간 간격으로 약 3~4마이크로미터의 간격을 갖는 광학 자극은 망막에서 분해 가능한 강도 세트를 생성해야 합니다. 참고로 망막에 형성된 회절패턴의 첫 번째 최소값의 반지름은 550나노미터의 빛과 2밀리미터의 동공직경에서 약 4.6마이크로미터이다. 따라서 망막의 감각 요소 배열은 눈의 한계 해상도를 결정합니다. 라고 하는 또 다른 요인 시력 (작은 물체를 감지하고 분리를 해결하는 눈의 능력)은 용어의 정의 및 시력을 측정하는 방법을 포함하여 많은 매개변수에 따라 다릅니다. 망막 위에서 시력은 일반적으로 약 1.4도의 시야에 걸쳐 있는 중심와에서 가장 높습니다.

막대 세포와 원추 세포의 공간적 배열과 망막 내의 뉴런에 대한 연결이 그림 5에 나와 있습니다. 광색소만 포함하는 막대 세포 로돕신, 가시 스펙트럼 전반에 걸쳐 광범위한 응답을 나타내지만 청록색(약 500나노미터의 파장)에 대한 최대 감도를 나타냅니다. 각 눈에는 약 1억 2,500만~1억 3,000만 개의 간상세포가 있는 가장 일반적인 시각 수용체 세포입니다. 간상세포의 광감도는 원추세포의 1,000배 정도이다. 그러나 막대 자극만으로 생성된 이미지는 흑백 소프트 포커스 사진 이미지에서 볼 수 있는 것과 같이 상대적으로 선명하지 않고 회색 음영으로 제한됩니다. 로드 비전은 일반적으로 암순 또는 어스름 낮은 조명 조건에서 물체의 모양과 상대적 밝기는 구별할 수 있지만 색상은 구별할 수 없기 때문입니다. 이 메커니즘의 어두운 적응 다양한 척추동물의 모양과 움직임을 통해 잠재적인 먹이와 포식자를 탐지할 수 있습니다.

인간의 시각 시스템 반응은 선형이 아닌 대수이므로 놀라운 밝기 범위(인터씬)를 감지할 수 있습니다. 다이나믹 레인지) 10년 이상. 대낮에 인간은 태양의 눈부신 빛으로 물체를 시각화할 수 있는 반면, 밤에는 달이 어두울 때 별빛으로 큰 물체를 감지할 수 있습니다. ~에 한계점 인간의 눈은 약 100-150개의 광자(500나노미터)의 청록색 광자가 동공에 들어가는 것을 감지할 수 있습니다. 밝기의 상위 70 년 동안, 사진 시력이 우세하며 광수용을 주로 담당하는 것은 망막 콘입니다. 대조적으로, 밝기의 하위 40년은 암순 시각은 간상세포에 의해 통제됩니다.

적응 눈은 그러한 극한의 밝기에서도 시력이 작동할 수 있도록 합니다. 그러나 적응이 일어나기 전의 시간 간격 동안 개인은 약 30년에 걸친 밝기 범위를 감지할 수 있습니다. 여러 메커니즘이 눈이 높은 범위의 밝기 수준에 적응하는 능력을 담당합니다. 적응은 밝기 변화 수준에 따라 몇 초(초기 동공 반응에 의해) 또는 몇 분(어두운 적응의 경우)이 걸릴 수 있습니다. 완전한 원추형 감도는 약 5분 안에 도달하는 반면, 중간 정도의 포토픽 감도에서 간상체 세포에 의해 생성되는 전체 스코프 감도로 적응하는 데 약 30분이 걸립니다.

빛에 완전히 적응되면 인간의 눈은 약 400~700나노미터의 파장 응답을 가지며 555나노미터(가시광선 스펙트럼의 녹색 영역)에서 피크 감도를 나타냅니다. 어둠에 적응한 눈은 380~650나노미터 사이의 더 낮은 파장 범위에 반응하며 피크는 507나노미터에서 발생합니다. 포토픽 및 스코픽 비전 모두에서 이러한 파장은 절대적이지 않지만 빛의 강도에 따라 다릅니다. 눈을 통한 빛의 투과는 더 짧은 파장에서 점진적으로 낮아집니다. 청록색 영역(500나노미터)에서 눈에 들어오는 빛의 약 50%만이 망막의 이미지 지점에 도달합니다. 400나노미터에서 이 값은 어린 눈에서도 겨우 10퍼센트로 줄어듭니다. 수정체의 요소에 의한 빛의 산란 및 흡수는 파청색에서 감도의 추가 손실에 기여합니다.

콘은 430, 535 또는 590 나노미터를 중심으로 하는 고유한 파장 응답 최대값으로 각각 "조정된" 세 가지 셀 유형으로 구성됩니다. 개별 최대값의 기초는 각각 특징적인 가시광선 흡수 스펙트럼을 가진 3개의 서로 다른 광색소를 활용하는 것입니다. 광색소는 광자가 감지되면 구조를 변경하여 광자에 반응할 수 있습니다. 트랜스듀신 일련의 시각적 이벤트를 시작합니다. 트랜스듀신은 망막에 존재하는 단백질로 빛 에너지를 전기 신호로 효과적으로 변환할 수 있습니다. 원뿔 세포의 개체군은 간상 세포보다 훨씬 작으며 각 눈에는 이러한 색 수용체가 500만~700만 개 있습니다. 트루 컬러 비전은 원뿔 세포의 자극에 의해 유도됩니다. 세 가지 원추형 수용체 유형 각각에 영향을 미치는 빛의 상대적인 강도와 파장 분포는 첨가물에 필적하는 방식으로 이미지화되는 색상(모자이크)을 결정합니다. RGB 비디오 모니터 또는 CCD 컬러 카메라.

대부분 단파장 청색 복사선을 포함하는 광선은 430나노미터 빛에 반응하는 원뿔 세포를 다른 두 원뿔 유형보다 훨씬 더 크게 자극합니다. 이 광선은 특정 원뿔의 파란색 안료를 활성화하고 그 빛은 파란색으로 인식됩니다. 대부분의 파장이 550나노미터를 중심으로 하는 빛은 녹색으로 표시되고 대부분 600나노미터 이상의 파장을 포함하는 광선은 빨간색으로 시각화됩니다. 위에서 언급했듯이 순수한 원추형 비전은 광시야(photopic vision)라고 하며 실내와 실외 모두에서 정상적인 조명 수준에서 지배적입니다. 대부분의 포유류는 이색성, 일반적으로 푸르스름한 색상 구성 요소와 녹색 색상 구성 요소만 구별할 수 있습니다. 대조적으로, 일부 영장류(특히 인간)는 삼색 적색, 녹색 및 청색광 자극에 상당한 반응을 보이는 색각.

그림 6은 4가지 인간 시각 색소의 흡수 스펙트럼으로, 가시 광선 스펙트럼의 예상되는 빨강, 녹색 및 파랑 영역에서 최대값을 표시합니다. 세 가지 유형의 원추 세포가 모두 동일하게 자극되면 빛은 다음과 같이 인식됩니다. 무채색 또는 흰색. 예를 들어, 정오의 햇빛은 거의 동일한 양의 빨강, 녹색 및 파랑 빛을 포함하기 때문에 인간에게 백색광으로 나타납니다. 햇빛의 색상 스펙트럼을 잘 보여주는 것은 유리 프리즘에 의한 빛의 차단입니다. 굴절 (또는 구부림) 다양한 파장으로 빛을 구성 요소 색상으로 퍼뜨립니다. 인간의 색 지각은 모든 수용체 세포와 빛의 상호 작용에 의존하며, 이 조합은 거의 삼색성 자극을 유발합니다. 조도의 변화에 ​​따라 색 감도가 변하기 때문에 어두운 곳에서는 파란색이 상대적으로 더 밝게 보이고 밝은 곳에서는 빨간색이 더 밝게 보입니다. 이 효과는 손전등을 컬러 인쇄물에 대면 관찰할 수 있습니다. 그러면 빨간색이 갑자기 훨씬 더 밝고 채도가 높아집니다.

최근 몇 년 동안 인간의 색상 시각 감도에 대한 고려로 인해 소방차 및 구급차와 같은 긴급 차량을 완전히 빨간색으로 페인트하는 오랜 관행이 변경되었습니다. 색상은 차량을 쉽게 보고 반응할 수 있도록 의도되었지만 낮은 조명 수준에서는 파장 분포가 잘 보이지 않고 밤에는 거의 검은색으로 나타납니다. 인간의 눈은 특히 밤에 황록색 또는 이와 유사한 색조에 훨씬 더 민감합니다. 이제 대부분의 새 긴급 차량은 적어도 부분적으로 선명한 황록색 또는 흰색으로 도색되어 전통의 이익을 위해 빨간색 하이라이트를 유지하는 경우가 많습니다.

하나 또는 두 가지 유형의 원추 세포만 자극되면 인식되는 색상의 범위가 제한됩니다. 예를 들어, 녹색 빛의 좁은 밴드(540~550나노미터)가 모든 원추 세포를 자극하는 데 사용되면 녹색 광수용기를 포함하는 세포만 반응하여 녹색을 보는 감각을 생성합니다. 노란색과 같은 기본 감색 색상에 대한 인간의 시각적 인식은 두 가지 방법 중 하나로 발생할 수 있습니다. 적색 및 녹색 원추 세포가 580 나노미터의 파장을 갖는 단색 황색 광으로 동시에 자극되면, 원추 세포 수용체는 각각의 흡수 스펙트럼 중첩이 가시광선 스펙트럼의 이 영역에서 거의 동일하기 때문에 거의 동일하게 반응합니다. 동일한 색상 감각은 크게 겹치지 않는 수용체 흡수 스펙트럼 영역에서 선택된 별개의 빨강 및 녹색 파장의 혼합물로 빨강 및 녹색 원추 세포를 개별적으로 자극함으로써 달성될 수 있습니다. 두 경우 모두 결과는 두 가지 다른 메커니즘에 의해 최종 결과가 달성되더라도 빨강 및 녹색 원추 세포를 동시에 자극하여 노란색 감각을 생성하는 것입니다. 다른 색상을 인식하는 능력은 적절한 파장 팔레트를 사용하여 다양한 정도로 하나, 둘 또는 세 가지 유형의 원추 세포를 모두 자극해야 합니다.

인간의 시각 시스템은 각각의 색 색소를 가진 세 가지 유형의 원추 세포와 암소시를 위한 빛을 수용하는 간상 세포를 특징으로 하지만, 색 지각에서 빛의 파장과 광원의 변화를 보상하는 것은 인간의 뇌입니다. 메타머 인간의 두뇌가 동일한 색상으로 인식하는 서로 다른 빛 스펙트럼의 쌍입니다. 흥미롭게도, 인간이 같거나 유사한 것으로 해석하는 색상은 때때로 다른 동물, 특히 새가 쉽게 구별할 수 있습니다.

망막과 뇌 사이에 시각 정보를 전달하는 중간 뉴런은 단순히 감각 세포와 일대일로 연결되어 있지 않습니다. 중심와에 있는 각각의 원추세포와 간상세포는 적어도 3개의 양극성 세포에 신호를 보내는 반면, 망막의 더 말초 영역에서는 많은 수의 간상세포의 신호가 하나의 신경절 세포로 수렴됩니다. 망막 바깥 부분의 공간 해상도는 단일 채널을 공급하는 많은 수의 간상 세포를 가짐으로써 손상되지만 많은 감각 세포가 약한 신호를 포착하는 데 참여하면 눈의 임계값 감도가 크게 향상됩니다. 인간의 눈의 이러한 특징은 다음과 같은 결과와 다소 유사합니다. 비닝 저속 스캔 CCD 디지털 카메라 시스템에서.

망막의 감각, 양극성 세포 및 신경절 세포는 다른 뉴런과도 연결되어 억제 및 흥분 경로의 복잡한 네트워크를 제공합니다. 그 결과 인간의 망막에 있는 500만에서 700만 개의 원추체와 1억 2500만 개의 간상체로부터 오는 신호가 처리되어 약 100만 개의 수초화된 시신경 섬유에 의해 시각 피질로 전달됩니다. 안구 근육은 신경절 세포에 의해 자극되고 조절됩니다. 측면 슬관절체, 망막과 시각 피질 사이의 피드백 제어 역할을 합니다.

망막의 흥분성 및 억제성 경로의 복잡한 네트워크는 배아 발달 동안 뇌의 특정 영역에서 발생하는 신경 세포의 세 층으로 배열됩니다. 이러한 회로와 피드백 루프는 에지 샤프닝, 콘트라스트 향상, 공간 합산, 노이즈 평균화 및 아직 발견되지 않은 일부를 포함하는 기타 형태의 신호 처리를 생성하는 효과의 조합을 초래합니다. 인간의 시각에서 상당한 정도의 이미지 처리가 뇌에서 일어나지만 망막 자체도 광범위한 처리 작업에 관여합니다.

로 알려진 인간 시각의 또 다른 측면에서 색상 불변, 물체의 색상이나 회색 값은 광도의 넓은 범위에서 변하지 않는 것처럼 보입니다. 1672년, 아이작 뉴턴 경은 인간의 시각 감각에서 색 불변성을 증명하고 색 지각과 신경계의 고전 이론에 대한 단서를 제공했습니다. Polaroid Corporation의 설립자인 Edwin H. Land는 레티넥스 색 불변성에 대한 그의 관찰을 기반으로 한 색각 이론. 색상(또는 회색 값)이 적절한 조명 아래에서 보이는 한 색상 패치는 장면의 휘도가 변경되어도 색상이 변경되지 않습니다. 이 경우 장면 전체의 조명 그라데이션은 패치의 인지된 색상이나 그레이 레벨 톤을 변경하지 않습니다. 휘도 수준이 암순 또는 황혼 시각의 임계값에 도달하면 색상 감각이 사라집니다. Land의 알고리즘에서 색상 영역의 밝기 값이 계산되고 장면의 특정 영역에서의 에너지가 해당 파장대에 대한 장면의 다른 모든 영역과 비교됩니다. 계산은 각 파장대(장파, 단파, 중파)에 대해 하나씩 세 번 수행되며 결과로 나오는 밝기 값의 삼중항은 3차원 영역의 위치를 ​​결정합니다. 색 공간 Retinex 이론에 의해 정의됩니다.

색맹이라는 용어는 잘못된 명칭으로, 구어체 대화에서 색을 구별하는 데 어려움을 나타내는 데 널리 사용됩니다. 진정한 색맹 또는 어떤 색도 볼 수 없는 경우는 극히 드물지만 남성의 8%와 여성의 0.5%가 어떤 형태의 색각 결함을 가지고 태어납니다(표 1 참조). 색각의 유전적 결핍은 일반적으로 눈 뒤쪽의 이미징 표면으로 기능하는 신경막인 망막의 광수용기 세포의 결함으로 인해 발생합니다. 색각 결함은 질병의 결과, 특정 약물의 부작용 또는 정상적인 노화 과정을 통해 획득될 수도 있으며 이러한 결함은 광수용기 이외의 눈 부분에 영향을 미칠 수 있습니다.

일반 원뿔과 안료 감도는 개인이 모든 다양한 색상과 미묘한 색조 혼합을 구별할 수 있도록 합니다. 이러한 유형의 정상적인 색각은 다음과 같이 알려져 있습니다. 삼색성 그리고 세 가지 유형의 광수용체 원뿔의 중첩 감도 범위에서 상호 상호 작용에 의존합니다. 경미한 색각 결함은 세 가지 원뿔 유형 중 하나의 색소에 결함이 있고 최고 감도가 다른 파장으로 이동하여 시각 결함이라는 시각 결함이 발생할 때 발생합니다. 변칙적 삼색성, 색각 결함의 세 가지 광범위한 범주 중 하나입니다. 이색성, 더 심각한 형태의 색맹 또는 색 결핍은 색소 중 하나가 흡수 특성에서 심각하게 일탈하거나 특정 색소가 전혀 생성되지 않을 때 발생합니다. 색 감각이 완전히 없거나 단색, 매우 드물지만 전체 색맹(간상 단색)이 있는 개인은 밝기의 정도만 다르며 세상은 검은색, 흰색 및 회색 음영으로 나타납니다. 이 상태는 양쪽 부모로부터 장애에 대한 유전자를 물려받은 개인에게만 발생합니다.

2색체는 일부 색상을 구별할 수 있으므로 단색체보다 일상 생활에서 덜 영향을 받지만 일반적으로 색각에 문제가 있음을 알고 있습니다. 이색성은 세 가지 유형으로 세분화됩니다. 원시, 듀테라노피아, 그리고 삼색맹 (그림 7 참조). 남성 인구의 약 2%는 처음 두 가지 유형 중 하나를 상속받으며 세 번째 유형은 훨씬 더 드물게 발생합니다.

이시하라 색맹 테스트

색맹은 인간의 실명 시력의 정상적인 기능을 방해하는 것으로 유전, 생화학, 신체적 손상 및 질병에서 파생된 조건을 비롯한 여러 조건으로 인해 발생할 수 있습니다. 이 대화형 자습서는 풀 컬러 이미지가 색맹에게 어떻게 나타나는지 탐색 및 시뮬레이션하고 이 이미지를 Ishihara 진단 색맹 테스트와 비교합니다.

Protanopia는 적색 감수성 상실로 인한 적록색 결함으로, 적색, 주황색, 황색 및 녹색 사이의 인지할 수 있는 차이가 부족합니다. 또한 빨강, 주황, 노랑의 밝기가 일반 수준에 비해 현저히 떨어집니다. 감소된 강도 효과로 인해 빨간색 신호등이 어둡게(꺼지지 않음) 표시되고 빨간색 색조(일반적으로)가 검정색 또는 짙은 회색으로 나타날 수 있습니다. Protanops는 종종 감지할 수 있는 색조 차이보다는 겉보기 밝기를 기반으로 빨간색과 녹색, 빨간색과 노란색을 정확하게 구별하는 법을 배웁니다. Green generally appears lighter than red to these individuals. Because red light occurs at one end of the visible spectrum, there is little overlap in sensitivity with the other two cone types, and people with protanopia have a pronounced loss of sensitivity to light at the long-wavelength (red) end of the spectrum. Individuals with this color vision defect can discriminate between blues and yellows, but lavender, violet, and purple cannot be distinguished from various shades of blue, due to the attenuation of the red component in these hues.

Individuals with deuteranopia, which is a loss of green sensitivity, have many of the same problems with hue discrimination as do protanopes, but have a fairly normal level of sensitivity across the visible spectrum. Because of the location of green light in the center of the visible light spectrum, and the overlapping sensitivity curves of the cone receptors, there is some response of the red and blue photoreceptors to green wavelengths. Although deuteranopia is associated with at least a brightness response to green light (and little abnormal intensity reduction), the names red, orange, yellow, and green seem to the deuteranope to be too many terms for colors that appear the same. In a similar fashion, blues, violets, purples, and lavenders are not distinguishable to individuals with this color vision defect.

Color Blindness Incidence and Causes
CLASSIFICATIONCAUSE OF DEFECTINCIDENCE
(%)
Anomalous Trichromacy 6.0
ProtanomalyAbnormal Red-Sensing Pigment1.0
DeuteranomalyAbnormal Green-Sensing Pigment5.0
TritanomalyAbnormal Blue-Sensing Pigment0.0001
Dichromacy 2.1
ProtanopiaAbsent Red-Sensing Pigment1.0
DeuteranopiaAbsent Green-Sensing Pigment1.1
TritanopiaAbsent Blue-Sensing Pigment0.001
Rod MonochromacyNo Functioning Cones< 0.0001
1 번 테이블

Tritanopia is the absence of blue sensitivity, and functionally produces a blue-yellow defect in color vision. Individuals with this deficiency cannot distinguish blues and yellows, but do register a difference between red and green. The condition is quite rare, and occurs about equally in both sexes. Tritanopes usually do not have as much difficulty in performing everyday tasks as do individuals with either of the red-green variants of dichromacy. Because blue wavelengths occur only at one end of the spectrum, and there is little overlap in sensitivity with the other two cone types, total loss of sensitivity across the spectrum can be quite severe with this condition.

When there is a loss of sensitivity by a cone receptor, but the cones are still functional, resulting color vision deficiencies are considered anomalous trichromacy, and they are categorized in a similar manner to the dichromacy types. Confusion often arises because these conditions are named similarly, but appended with a suffix derived from the term anomaly. 따라서, protanomaly, 그리고 deuteranomaly produce hue recognition problems that are similar to the red-green dichromacy defects, though not as pronounced. Protanomaly is considered a "red weakness" of color vision, with red (or any color having a red component) being visualized as lighter than normal, and hues shifted toward green. A deuteranomalous individual exhibits "green weakness", and has similar difficulties in discriminating between small variations in hues falling in the red, orange, yellow, and green region of the visible spectrum. This occurs because the hues appear to be shifted toward red. In contrast, deuteranomalous individuals do not have the brightness loss defect that accompanies protanomaly. Many people with these anomalous trichromacy variants have little difficulty performing tasks that require normal color vision, and some may not even be aware that their color vision is impaired. Tritanomaly, or blue weakness, has not been reported as an inherited defect. In the few cases in which the deficiency has been identified, it is thought to have been acquired rather than inherited. Several eye diseases (such as glaucoma, which attacks the blue cones) can result in tritanomaly. Peripheral blue cone loss is most common in these diseases.

In spite of the limitations, there are some visual acuity advantages to color blindness, such as the increased ability to discriminate camouflaged objects. Outlines, rather than colors, are responsible for pattern recognition, and improvements in night vision may occur due to certain color vision deficiencies. In the military, colorblind snipers and spotters are highly valued for these reasons. During the early 1900s, in an effort to evaluate abnormal human color vision, the Nagel anomaloscope was developed. Utilizing this instrument, the observer manipulates control knobs to match two colored fields for color and brightness. Another evaluation method, the Ishihara pseudoisochromatic plate test for color blindness, named for Dr. Shinobu Ishihara, discriminates between normal color vision and red-green color blindness (as presented in the tutorial and Figure 7). A test subject with normal color vision can detect the hue difference between the figure and background. To an observer with red-green deficiency, the plates appear isochromatic with no discrimination between the figures and the design pattern.

As a natural part of the aging process, the human eye begins to perceive colors differently in later years, but does not become "colorblind" in the true sense of the term. Aging results in the yellowing and darkening of the crystalline lens and cornea, degenerative effects that are also accompanied by a shrinking of the pupil size. With yellowing, shorter wavelengths of visible light are absorbed, so blue hues appear darker. As a consequence, elderly individuals often experience difficulty discriminating between colors that differ primarily in their blue content, such as blue and gray or red and purple. At age 60, when compared to the visual efficiency of a 20-year old, only 33 percent of the light incident on the cornea reaches the photoreceptors in the retina. This value drops to around 12.5 percent by the mid-70s.

Human Eye Accommodation

Accommodation of the eye refers to the physiological act of adjusting crystalline lens elements to alter the refractive power and bring objects that are closer to the eye into sharp focus. This tutorial explores changes in the lens structure as objects are relocated with respect to the eye.

숙소 of the eye refers to the act of physiologically adjusting the crystalline lens element to alter the refractive power and bring objects that are closer to the eye into sharp focus. Light rays initially refracted at the surface of the cornea are further converged after passing through the lens. During accommodation, contraction of the ciliary muscles relaxes tension on the lens, resulting in changes to the shape of the transparent and elastic tissue, while also moving it slightly forward. The net effect of the lens alterations is to adjust the focal length of the eye to bring the image exactly into focus onto the photosensitive layer of cells residing in the retina. Accommodation also relaxes the tension applied to the lens by the zonule fibers, and allows the anterior surface of the lens to increase its curvature. The increased degree of refraction, coupled with a slight forward shift in the position of the lens, brings objects that are closer to the eye into focus.

Focus in the eye is controlled by a combination of elements including the iris, lens, cornea, and muscle tissue, which can alter the shape of the lens so the eye can focus on both nearby and distant objects. However, in some instances these muscles do not work properly or the eye is slightly altered in shape, and the focal point does not intersect with the retina (a condition termed convergent vision). As individuals age, the lens becomes harder and cannot be properly focused, leading to poor vision. If the point of focus falls short of the retina, the condition is referred to as nearsightedness or myopia, and individuals with this affliction cannot focus on distant objects. In cases where the focal point is behind the retina, the eye will have trouble focusing on nearby objects, creating a condition known as farsightedness or hypermetropia. These malfunctions of the eye can usually be corrected with eyeglasses (Figure 8) using a concave lens to treat myopia and a convex lens to treat hypermetropia.

Convergent vision is not totally physiological and can be influenced by training, if the eyes are not defective. Repetitive procedures can be utilized to develop strong convergent vision. Athletes, such as baseball shortstops, have well-developed convergent vision. In every movement, the two eyes have to translate in unison to preserve binocular vision, with an accurate and responsive neuromuscular apparatus that is not usually subject to fatigue, controlling their motility and coordination. Changes in ocular convergence or head motion are considered in the calculations made by the complex ocular system to produce the proper neural inputs to the eye muscles. An eye movement of 10 degrees may be completed in about 40 milliseconds, with the calculations occurring faster than the eye can reach its intended target. Small eye movements are known as saccades and the larger movements from one point to another are termed versions.

The human visual system must not only detect light and color, but as an optical system, must be able to discern differences among objects, or an object and its background. Known as physiological contrast 또는 contrast discrimination, the relationship between the apparent brightness of two objects that are seen either at the same time (simultaneous contrast) or sequentially (successive contrast) against a background, may or may not be the same. In the human visual system, contrast is reduced in environmental darkness and with individuals suffering from color visual deficiencies such as red-green color blindness. Contrast is dependent on binocular vision, visual acuity, and image processing by the visual cortex of the brain. An object with low contrast, which cannot be distinguished from the background unless it is moving, is considered camouflaged. However, colorblind individuals are often able to detect camouflaged objects because of increased rod vision and loss of misleading color cues. Increasing contrast translates into increased visibility, and a quantitative numerical value for contrast is usually expressed as a percentage or ratio. Under optimal conditions, the human eye can barely detect the presence of two percent contrast.

With human vision, an apparent increase in contrast is perceived in a narrow zone on each side of the boundary between two areas of different brightness and/or chromaticity. At the end of the nineteenth century, French physicist Michel Eugéne Chevreul discovered simultaneous contrast. As a special function of human visual perception, the edges or contour of an object are highlighted, setting the object away from its background and easing spatial orientation. When positioned over a bright background, the region at the edge of a dark object appears lighter than the rest of the background (in effect, the contrast is enhanced). With this perception phenomenon, the color with the strongest contrast, the complementary color, is created (by the brain) at the edge. Because the color and its complement are perceived simultaneously, the effect is known as simultaneous contrast. Borders and other lines of demarcation that separate the contrasting areas tend to lessen the effect (or optical illusion) by eliminating marginal contrast. Many forms of optical microscopy, most notably phase contrast illumination, take advantage of these features of the human visual system. By increasing the physical contrast of an image without having to change the object via staining or other technique, the phase contrast specimen is protected from damage or death (in the case of living specimens).

NS spatial frequency response of the human eye can be evaluated by determining the ability to detect a series of strips in a modulated sinusoidal grating. Test gratings feature alternating regions (strips) of light and dark, which increases linearly from higher to lower frequencies along the horizontal axis while contrast decreases logarithmically from top to bottom. The boundary of stripes that can just be distinguished by individuals with normal vision is between 7 and 10 cycles per degree. For achromatic vision, when the spatial frequency is very low (broad line spacing), high contrast is required to detect the sinusoidally varying intensity. As the spatial frequency rises, humans can detect periods with less contrast, reaching a peak of about 8 cycles per degree in the visual field. Beyond that point, higher contrast is again required to detect the finer sinusoidal stripes.

Examination of the modulation transfer function (MTF) of the human visual system reveals that the contrast necessary to detect the luminance variation in standardized sinusoidal gratings increases at both higher and lower spatial frequencies. In this regard, the eye behaves quite differently from a simple imaging device (such as a film camera or CCD sensor). The modulation transfer function of a simple, focused camera system displays a maximum modulation at zero spatial frequency, with the degree of modulation dropping more or less monotonically to zero at the camera's cutoff frequency.

When the luminance of a scene fluctuates periodically several times a second (as it does with television and computer monitor screens), humans perceive an irritating sensation, as though the sequential scenes were disjoined. When the fluctuation frequency increases, irritation increases and reaches a maximum at around 10 hertz, especially when bright flashes of illumination alternate with darkness. At higher frequencies, the scene no longer appears disjointed, and objects displaced from one scene to the next are now perceived to be moving smoothly. Commonly referred to as flicker, the annoying light fluttering sensation can persist up to 50-60 hertz. Beyond a certain frequency and luminance, known as the critical flicker frequency (CFF), screen flicker is no longer perceived. This is the primary reason why increasing the refresh rate of a computer monitor from 60 to 85-100 hertz produces a stable, flicker-free display.

Advances in semiconductor fabrication technology, especially complementary metal oxide semiconductors (CMOS) and bipolar CMOS (BiCMOS) techniques, has led to a new generation of miniature photosensors that feature extraordinary dynamic range and fast response. Recently, arrays of CMOS sensor chips have been arranged to model the operation of the human retina. These so-called eye chips, by combining optics, human vision, and microprocessors, are advancing ophthalmology through the new field of optobionics. Damaged retinas resulting from debilitating visual diseases, such as retinitis pigmentosa 그리고 macular degeneration, as well as aging and injuries to the retina, which rob vision, are being corrected with the implanted eye chips. The silicon eye chips contain approximately 3,500 miniature light detectors attached to metal electrodes that mimic the function of the human rods and cones. The light detectors absorb incident light refracted by the cornea and lens and produce a small quantity of electrical charge that stimulates the retinal neurons. Featuring a diameter of two millimeters (see Figure 9), the replacement retina is half as thick as a typical piece of paper and is implanted into a pocket under the damaged retina.

As an alternative to the eye chip, a retinal prosthesis using a digital signal processor and a camera mounted on a pair of glasses, captures and transmits an image of an object or scene. Wirelessly, the image is sent to an embedded receiver chip near the retinal layers where nerve impulses are sent to the brain. Artificial retinas, however, will not treat glaucoma or vision deficiencies that damage the nerve fibers leading to the optic nerve. As optobionics advances, so does science's understanding of the complex human visual system.

Contributing Authors

Kenneth R. Spring - Scientific Consultant, Lusby, Maryland, 20657.

Thomas J. Fellers 그리고 Michael W. Davidson - National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.


How can a clear object be transparent and visible at the same time?

Clear objects are visible because they bend the light as it passes through. There are four basic things that can happen to light when it hits an object:

  1. Specular Reflection: Think of a mirror or metal spoon. The light bounces off the object's surface like a billiard ball, allowing the original image to be seen in the object.
  2. Diffuse Reflection: Think of raw wood, flowers, or non-glossy painted surfaces. The light bounces off the object's surface in all directions, revealing the shape and color of the object.
  3. Absorption: Think of a black piece of coal or ash. The light enters the object where it is absorbed and converted to heat.
  4. Transmission/Refraction: Think of a glass of water. The light travels straight through the object but the direction it is traveling bends when entering and leaving the object.

In reality, all materials interact with light in all four ways. For instance, consider the hood of a red sports car. Some of the light is reflected specularly (leading to the glare spots you see and the image of trees reflected off the car). Some of the light is reflected diffusely (leading to the red color you see). Some of the light is absorbed (leading to the orange, yellow, green, blue, and violet light you don't see because it is absorbed – if these colors were not absorbed, the car would look white and not red). Also, some of the light is transmitted/refracted (very little actually).

For many materials, there may be one dominant way it interacts with light, so that the other ways are so small that they can be ignored. For instance, water does indeed absorb some red light (that is why the ocean is blue), and water does indeed reflect some light (that is why there is glare from the sun on the water's surface), but for the most part we can think of water as a clear material because transmission/refraction dominates.

Now, the interesting part is that each of the four interactions listed above alters the light. Our brains are able to detect this alteration in the light and deduce the presence and shape of an object from this information. Strictly speaking, we never see an "object". We see "light" that has been altered by an object. That is why it is so difficult to build machines that can see the way humans do: there is a great deal of intelligence required to deduce an object's shape and location from a pattern of light that it has altered.

When it comes to clear objects, we see them because we see the way light bends (refracts) as it passes through the objects. Look closely at a glass cup. When you look at the glass cup, what do you see? You just see an image of whatever is behind the cup, but distorted. Refraction bends the light as it passes through the cup and the background image ends up changed. Your brain is smart enough to be able to deduce the shape of the cup simply by how the background image is distorted.

This leads us to an interesting notion. If the refraction of a a clear material can be mostly canceled, the object can be made virtually invisible. One way to cancel refraction effects is to shape a clear material into a very flat slab with parallel surfaces. When light enters the slab, it bends, but when it leaves the slab out the other side it bends back by the same amount. As a result, the image coming out the other side is undistorted and the slab is effectively invisible. This is the principle behind windows. Windows are made out of clear glass and fashioned to be very flat, so that you can't actually see the window. You see the landscape beyond the window as if the window were not there (windows are not completely invisible because they do reflect a small amount of light which can be detected under the right conditions).


Night Vision And Humans: Why Can't We See Color?

When we are in a fairly dark room, or outside at night away from lights, we can still see, but we can't see the colors of things very well. 왜 그런 겁니까?

Sensing Light

There are two kinds of light-sensitive organs located in the backs of our eyes: rod-shaped and cone-shaped. Both rods and cones are sensitive to light. The difference between them is that the rods allow us to see in very dim light but don't permit detection of color, while the cones let us see color but they don't work in dim light.

When it gets dark the cones lose their ability to respond to light. The rods continue to respond to available light, but since they cannot see color, so to speak, everything appears to be various shades of black and white and gray.

Dim Light

A curious thing is that in dim light you can see more clearly out of the side of your eye, because the light-sensitive rods are more highly concentrated off to the side in the back of your eye.

So, next time you're out on a clear night, notice how little color you can see, and how you can see objects like dim stars better out of the corner of your eye than from the center.


Mixing colours

The primary colours of light are red, green and blue. Mixing these colours in different proportions can make all the colours of the light we see. This is how TV and computer screens work. If you look at a screen with a magnifying glass you will be able to see that only these three colours are being used. For example, red and green lights are used to make our brain perceive the image as yellow.

When coloured lights are mixed together, it is called additive mixing. Red, green and blue are the primary colours for additive mixing. If all of these colours of light are shone onto a screen at the same time, you will see white.

This is different when you are mixing paints. Each colour of paint is absorbing certain colours and reflecting others. Each time another colour of paint is mixed in, there are more colours absorbed and less are reflected. The primary colours for adding paints or dyes, such as for a computer printer, are yellow, magenta and cyan. If you mix all of these colours together, you will absorb all the light and will only see black, because no light will be reflected back to your eyes.

You can easily experiment with this. Hold some coloured cellophane in front of your eyes and have a look around. Notice how some colours are changed and others look similar. Figure out which colours are being absorbed.


Light Absorption and Color Filters

When white light shines on a red object, all of the colors that form the white light are absorbed except red, which is reflected. This is why the object appears red. NS filter is a transparent material that absorbs some colors and allows others to pass through.

Light is the only source of color. Color pigments (paints, dyes, or inks) show color by absorbing certain parts of the light spectrum and reflecting the parts that remain. Color filters work the same way, absorbing certain wavelengths of color and transmitting the other wavelengths.

A yellow color filter will let through only yellow and absorb all other colors. So when blue light is allowed through a blue filter onto a blue object, the object will still reflect blue and therefore appear blue. But when blue light from a blue filter hits a red object, the blue will be absorbed and no light will be reflected, giving the object an appearance of being black.

재료

  • Flashlight
  • Red, blue, and green construction paper
  • See-through colored cellophane paper
  • Camera filters in red, blue and green
  • Masking tape or a rubber band

Research Questions

  • Why did the papers look white, red, blue, and green (respectively) in white light?
  • How did the filters affect the white flashlight beam?
  • Why did the yellow and green papers seem to lose their color when red light was shined on them?

절차

  1. Darken the room as much as possible.
  2. Turn on the flashlight and aim it at the white paper. Observe and record the color of the paper in the data table.
  3. Repeat step 2 with the red, blue, and green pieces of paper.
  4. Place the red filter in front of the beam of the flash light as shown using tape or a rubber band to secure the cellophane paper filter. Shine the filtered beam on the white, red, blue, and green papers and record the colors seen.
  5. Repeat using the blue filter and then the green filter. After each test, record the results.

Digging Deeper

Place a filter in front of the light source. Combine two colored filters. Now combine three colors. Experiment with many different combinations.

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Definitions of Black and White

The correspondence of a color to a specific wavelength is called spectral color. White and black are excluded from this definition because they do not have specific wavelengths. White is not defined as a color because it is the sum of all possible colors. Black is not defined as a color because it is the absence of light, and therefore color. In the visual art world, white and black may sometimes be defined as distinct colors. This is different from the concept of spectral color in physics.


"Blue" Cone Distinctions

The "blue" cones are identified by the peak of their light response curve at about 445 nm. They are unique among the cones in that they constitute only about 2% of the total number and are found outside the fovea centralis where the green and red cones are concentrated. Although they are much more light sensitive than the green and red cones, it is not enough to overcome their disadvantage in numbers. However, the blue sensitivity of our final visual perception is comparable to that of red and green, suggesting that there is a somewhat selective "blue amplifier" somewhere in the visual processing in the brain.

The visual perception of intensely blue objects is less distinct than the perception of objects of red and green. This reduced acuity is attributed to two effects. First, the blue cones are outside the fovea, where the close-packed cones give the greatest resolution. All of our most distinct vision comes from focusing the light on the fovea. Second, the refractive index for blue light is enough different from red and green that when they are in focus, the blue is slightly out of focus (chromatic aberration). For an "off the wall" example of this defocusing effect on blue light, try viewing a hologram with a mercury vapor lamp. You will get three images with the dominant green, orange and blue lines of mercury, but the blue image looks less focused than the other two.


How Vision Works

It's no accident that the main function of the sun at the center of our solar system is to provide light. Light is what drives life. It's hard to imagine our world and life without it.

The sensing of light by living things is almost universal. Plants use light through photosynthesis to grow. Animals use light to hunt their prey or to sense and escape from predators.

­Some say that it is the development of stereoscopic vision, along with the development of the large human brain and the freeing of hands from locomotion, that have allowed humans to evolve to such a high level.In this article, we'll discuss the amazing inner workings of the human eye!

Although small in size, the eye is a very complex organ. The eye is approximately 1 inch (2.54 cm) wide, 1 inch deep and 0.9 inches (2.3 cm) tall.

The tough, outermost layer of the eye is called the sclera. It maintains the shape of the eye. The front sixth of this layer is clear and is called the cornea. All light must first pass through the cornea when it enters the eye. Attached to the sclera are the muscles that move the eye, called the extraocular muscles.

NS choroid (or uveal tract) is the second layer of the eye. It contains the blood vessels that supply blood to structures of the eye. The front part of the choroid contains two structures:

  • NS ciliary body - The ciliary body is a muscular area that is attached to the lens. It contracts and relaxes to control the size of the lens for focusing.
  • NS iris - The iris is the colored part of the eye. The color of the iris is determined by the color of the connective tissue and pigment cells. Less pigment makes the eyes blue more pigment makes the eyes brown. The iris is an adjustable diaphragm around an opening called the pupil.

The iris has two muscles: The dilator muscle makes the iris smaller and therefore the pupil larger, allowing more light into the eye the sphincter muscle makes the iris larger and the pupil smaller, allowing less light into the eye. Pupil size can change from 2 millimeters to 8 millimeters. This means that by changing the size of the pupil, the eye can change the amount of light that enters it by 30 times.

The innermost layer is the retina -- the light-sensing portion of the eye. It contains rod cells, which are responsible for vision in low light, and cone cells, which are responsible for color vision and detail. In the back of the eye, in the center of the retina, is the macula. In the center of the macula is an area called the fovea centralis. This area contains only cones and is responsible for seeing fine detail clearly.

The retina contains a chemical called rhodopsin, or "visual purple." This is the chemical that converts light into electrical impulses that the brain interprets as vision. The retinal nerve fibers collect at the back of the eye and form the optic nerve, which conducts the electrical impulses to the brain. The spot where the optic nerve and blood vessels exit the retina is called the optic disk. This area is a blind spot on the retina because there are no rods or cones at that location. However, you are not aware of this blind spot because each eye covers for the blind spot of the other eye.

When a doctor looks at the back of your eye through an ophthalmoscope, here's the view:

Inside the eyeball there are two fluid-filled sections separated by the lens. The larger, back section contains a clear, gel-like material called vitreous humor. The smaller, front section contains a clear, watery material called aqueous humor. The aqueous humor is divided into two sections called the anterior chamber (in front of the iris) and the posterior chamber (behind the iris). The aqueous humor is produced in the ciliary body and is drained through the canal of Schlemm. When this drainage is blocked, a disease called glaucoma can result.

NS lens is a clear, bi-convex structure about 10 mm (0.4 inches) in diameter. The lens changes shape because it is attached to muscles in the ciliary body. The lens is used to fine-tune vision.

Covering the inside surface of the eyelids and sclera is a mucous membrane called the conjunctiva, which helps to keep the eye moist. An infection of this area is called conjunctivitis (also called pink eye).

The eye is unique in that it is able to move in many directions to maximize the field of vision, yet is protected from injury by a bony cavity called the orbital cavity. The eye is embedded in fat, which provides some cushioning. The eyelids protect the eye by blinking. This also keeps the surface of the eye moist by spreading tears over the eyes. Eyelashes and eyebrows protect the eye from particles that may injure it.

Tears are produced in the lacrimal glands, which are located above the outer segment of each eye. The tears eventually drain into the inner corner of the eye, into the lacrimal sac, then through the nasal duct and into the nose. That is why your nose runs when you cry.

There are six muscles attached to the sclera that control the movements of the eye. They are shown here:


Colored Shadows

When lights of different colors shine on the same spot on a white surface, the light reflecting from that spot to your eyes is called an additive mixture because it is the sum of all the light. We can learn about human color perception by using colored lights to make additive color mixtures.

Video Demonstration

Tools and Materials

  • Red, green, and blue lightbulbs
  • A way to plug in all three lightbulbs at the same time and simultaneously direct their light onto the same white surface
  • A white surface, such as a wall or a piece of white poster board (white paper taped to stiff cardboard also works well)
  • Any narrow solid object such as a pencil or ruler (not pictured)

Assembly

  1. Set up the bulbs and the white surface, which will be your screen, in such a way that the light from all three bulbs falls on the same area of the screen and all bulbs are approximately the same distance from the screen.
  2. For best results, put the green bulb between the red and blue bulbs.

To Do and Notice

Make the room as dark as possible. Then turn on the three colored lights, aim them all at your white screen, and adjust the positions of the bulbs until you obtain the “whitest” light you can make on the screen.

Place a narrow opaque object, such as a pencil, fairly close to the screen. Adjust the distance until you see three distinct colored shadows on the screen.

Remove the object, turn off one of the colored lights, and notice how the color on the screen changes. Put the object in front of the screen again and notice the colors of the shadows. Move the object close to the screen until the shadows overlap. Notice the color of the combined shadows.

Repeat the preceding step with a different bulb turned off while the other two remain on, and then a third time until you’ve tried all the possible combinations. Repeat again with only one color turned on at a time, and then with all three on. Vary the size of the object and the distance from the screen. Try using your hand as an object.

What’s Going On?

Your retina, which covers the back of the eye, contains light receptors called rods and cones. Rods are used for night vision and they only let you see in shades of gray. You have only one type of rod but three types of cones. Cones let you see in color as long as it's not very dark.

All three types of cones respond to a wide range of wavelengths, but one type is the most sensitive to long wavelengths (the red end of the spectrum), one to medium wavelengths, and one to short wavelengths (the blue end of the spectrum). With just these three types of cones, we are able to perceive more than a million different colors.

When a red light, a blue light, and a green light are all shining on the screen, the screen looks white because these three colored lights stimulate all three types of cones in your eyes approximately equally, creating the sensation of white. Red, green, and blue are therefore called additive primaries of light.

With these three lights you can make shadows of seven different colors—blue, red, green, black, cyan, magenta, and yellow—by blocking different combinations of lights (click to enlarge diagram below). When you block two lights, you see a shadow of the third color—for example, block the red and green lights and you get a blue shadow. If you block only one of the lights, you get a shadow whose color is a mixture of the other two. Block the red light and the blue and green light mix to create cyan block the green light and the red and blue light make magenta block the blue light and red and green make yellow. If you block all three lights, you get a black shadow.

You can achieve a similar effect by turning off different lightbulbs. If you turn off the red light, leaving on only the blue and green lights, the entire screen will appear cyan. And when you hold an object in front of the screen, you will see two shadows, one blue and one green. In one place, the object blocks the light coming from the green bulb, leaving a blue shadow in the other location it blocks the light from the blue bulb, leaving a green shadow.

When you move the object close to the screen, the shadows overlap, leaving a very dark (black) shadow where the object blocks both lights. When you turn off the green light, leaving on the red and blue lights, the screen will appear to be magenta, a mixture of red and blue. The shadows will be red and blue. When you turn off the blue light, leaving on the red and green lights, the screen will appear to be yellow. The shadows will be red and green.

It may seem strange that a red light and a green light mix to make yellow light on a white screen. It just so happens that a particular mixture of red and green light stimulates the cones in your eyes exactly as much as they’re stimulated by yellow light—that is, by light from the yellow portion of the rainbow—so your eye can't tell the difference. Whether a mixture of red and green light or yellow light alone—whenever the cones in your eye are stimulated in just these proportions, you'll see the color yellow.

Going Further

If you let light from the three bulbs shine through a hole in a card that is held an appropriate distance from the screen, you will see three separate patches of colored light on the screen, one from each lamp. (Make the hole large enough to get a patch of color you can really see.) If you move the card closer to the screen, the patches of light will eventually overlap and you will see the mixtures of each pair of colors.

If you want to experiment further, find out what happens when you use different colors of paper or poster board for the screen. Try yellow, green, blue, red, or purple paper, and so on.

Resources

Watch this video to see Teacher Institute staff present this activity in a workshop designed to help teachers bring Science Snacks into the classroom.



코멘트:

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  4. Torn

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    실례지만 제가 방해가 되어서 저도 의견을 드리고 싶습니다.



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