第三講：Introduction to Vision

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	**各自在不同波長時Sensitivity不同		**各自在不同波長時Sensitivity不同
	*Sensitivity		*Sensitivity
-	**Threshold之到數	+	**Threshold之倒數
	*monochromatic light		*monochromatic light
	**單一波長之光		**單一波長之光

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在2011年10月10日 (一) 08:25所做的修訂版本

目錄 1 Light 2 Electromagnetic spectrum (p.44 Figure 3.1) 3 The eye and Image(p.45 Figure 3.2) 4 成像 4.1 圖3.3 (p.45)說明 5 年齡與視力(p.46 figure 3.4) 6 近視的矯正 6.1 圖3.5 (p.47)說明 7 感光(p48 Figure 3.6) 8 色素分子模型(p.48 Figure 3.7) 9 Isomerize 10 回到基礎(p.49 Figure 3.8) 11 Hecht et al.(1942) (p.49 Figure 3.9) 11.1 enzyme cascade(p.50 Figure 3.11) 12 Distribution of receptors 13 盲點(p.52 Figure 3.14) 14 「看」盲點 (p.52 Figure 3.15&3.16) 15 MythBuster (Discovery) (P.53 Figure 3.17) 16 暗適應 Dark adaptation (p.53 Figure 3.18) 16.1 三個暗適應曲線 (p.54 Figure 3.19) 17 visual pigment regeneration 18 Spectral sensitivity 18.1 p.58 圖3.21 18.2 p.58 圖3.22 19 Purkinje shift (p.57 圖3.23) 19.1 p.57 圖3.24 20 Retina p.59 圖3.25 21 Neural convergence 21.1 Sensitivity vs Acuity 22 Neural convergence... 22.1 P.61 圖3.29 22.2 先從眼睛的演化來看 23 lateral inhibition (P.63) 23.1 Hermann grid的可能原理 23.2 另一種側抑制錯覺-Mach band (P.64) 23.2.1 Mach band可能原理 23.3 Simultaneous contrast(P.66) 23.3.1 Simultaneous contrast可能原理 23.4 P.67 圖3.41 24 補充議題 25 體驗一下

Light

• 這兒首先有光！
  • 光是什麼？
  • 為什麼是光？
  • 光如何變成可見？

Electromagnetic spectrum (p.44 Figure 3.1)

• 電磁光譜
  • 可見光
    • 紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫
  • 電磁波
    • gamma rays, X-rays, Ultra-violet rays, Visible light, Infrared rays, Radar, FM, TV, AM, AC circuits

The eye and Image(p.45 Figure 3.2)

圖片說明: 杯子影響被視網膜注視，圖中右方為眼睛後方的特寫， 視網膜包含接受器和其他神經元

• 眼睛
  • 光學成像
    • cornea, lens, pupil, retina
  • transduction
    • receptors
      • rods, cones
    • visual pigments

成像

• 其實是純物理的事

• 1/f = 1/v +1/u

• 所以下面的圖，由近視點（near point）可計算眼睛最短焦距
  • 如：near point 20cm 眼球長度2.4cm
  • 焦距：2.26cm

圖3.3 (p.45)說明

• a.光射線從20英呎以外的平行線過來
• b.當移動物體靠近放鬆的眼睛，焦點往後移，光線具焦在眼睛後方
• c.水晶體增加厚度，增加趨光性，以致於把焦點調節回視網膜Ａ上

年齡與視力(p.46 figure 3.4)

圖片說明:縱向線顯示距離和年齡的增加，當焦點大於閱讀舒適的距離時， 就必須配戴眼鏡

• 視力變化與年齡
  • 與lens的彈性有關
    • accommodation
• 另外，與經驗與遺傳有關
  • 遠視hyperopia
  • 近視myopia
    • 假性
    • 軸性
  • far point, near point

近視的矯正

• 假性
  • 點散瞳劑
    • 有效性？？
• 軸性
  • 帶眼鏡
  • 帶隱型眼鏡
  • LASIK (laser-assisted in situ keratomileusis)
    • 不是所有人的適合

圖3.5 (p.47)說明

平行光進入近視眼

• a.焦點落於視網膜之前，造成物體模糊
• b.當光線移近眼睛直到焦點可以落在視網膜上，事也變的清晰
• c.配戴眼鏡後，因為折射落在視網膜上，變的b和c的角度一樣

感光(p48 Figure 3.6)

• 圖片說明:
  • a.桿細胞接收器呈圓盤形
  • b.放大圓盤，裡面有視覺色素分子
  • c.色素分子裡的視蛋白經過圓膜七次
• 感光性視色素分子也附著在視蛋白上

• Transduction
  • 將光線能量轉換成神經電反應
  • 是「光化學」活動
    • 因為光，讓分子變化
    • 分子變化時釋出「電」

色素分子模型(p.48 Figure 3.7)

• 模型的水平部份只顯示視網膜上視蛋白的一小部份，頂端的小分子就是感光視網膜
• 圖中左方顯現視網膜分子在吸收光之前的形狀，右方則是視網膜分子吸收光的樣子。
• 形狀的改變是接收器產生電反應的一個步驟

Isomerize

• 同分異構
  • 分子成員（就其中原子）是不變的
  • 鍵結方式改變
  • 分子中原子之鍵結方式之不同
    • 能量狀態不同
• 在視覺當中
  • 變化是需要能量（尤其由受光後）

回到基礎(p.49 Figure 3.8)

• 第一章
  • 第11頁、圖1.8
  • PP: Psychophysical
  • PH: Physiological
  • 刺激、神經生理運作、知覺經驗與動作

• • 接下主要在PP及PH1

Hecht et al.(1942) (p.49 Figure 3.9)

• 實驗簡易說明：
  • 實驗中有一道含有100光子的光線，其中50光子到達視網膜，其中7光子被視覺色素分子吸收
  • Figure 3.10為結果「示意圖」
• Hecht結論
  • 當光子進入任何一個接受器，桿細胞即被活化

enzyme cascade(p.50 Figure 3.11)

• 進一步的推論
  • 一個色素分子異構化(Isomerization)造成酶連鎖反應(enzyme cascade)
• 當一個視覺色素分子被激發，產生酶連鎖反應

Distribution of receptors

• 有兩種不同接受器
  • Rods / Cones
• 視網膜上不同的位置
  • fovea
  • peripheral retina

p.51 Figure 3.12

• 描述視網膜內的桿細胞(rods)和錐細胞(cones)
• 圖中左方的眼睛是相對於中央凹(fovea)的位置
• 這些位置被重複在右方的圖表內，圖中縱向的咖啡線條內沒有桿細胞和錐細胞，因為這裡是節細胞組成視神經的地方
  • 盲點（blind spot）

盲點(p.52 Figure 3.14)

• 這個地方沒有接受器，沒有感光細胞
• 神經節離開眼球之處

• 為何平常不察覺？
• 如何讓自己發現她？

「看」盲點 (p.52 Figure 3.15&3.16)

Figure 3.15

• 在適當距離
• 你會「看不到」左邊的黑圓
• 因為用左眼注視十字時
• 在適當距離時黑圓投影到盲點

Figure 3.16

• 在適當距離
• 看到不存在的線！

MythBuster (Discovery) (P.53 Figure 3.17)

• Episode 71: Pirate Special 海盜專輯(2007)
  • Pirates wore eyepatches to preserve night vision in one eye.
  • PLAUSIBLE
  • dark adaptation!!

暗適應 Dark adaptation (p.53 Figure 3.18)

dark adaptation實驗方法

• 圖中被固定的點，其焦點落在中央凹上，測試的光落在視網膜周圍

三個暗適應曲線 (p.54 Figure 3.19)

• 暗適應中的三種不同反應曲線
• 圖中紅色：整體的表現
  • 就是我們一般所感受到的
• 紫色：桿狀體的表現
  • 光線投射到網膜周邊
• 綠色：錐狀體的表現
  • 光線投射到中央小窩

visual pigment regeneration

• bleach（漂白？）
  • 圖3.20(p.55)
  • 觀察青蛙視網膜在光線照射下的變化
  • 當opsin（視蛋白）與retinal（視紫素）分離，顏色由紅轉淡

Spectral sensitivity

• Rods / Cones
  • 各自在不同波長時Sensitivity不同
• Sensitivity
  • Threshold之倒數
• monochromatic light
  • 單一波長之光

p.58 圖3.21

• a.可見光和波長的閾值
• b.光譜敏感曲線

兩者互為倒數

p.58 圖3.22

桿狀體與錐狀體之「相對」敏感度

Purkinje shift (p.57 圖3.23)

• Purkinje shift
  • 白天紅花較亮
  • 晚上藍花較亮
• 可以由圖3.22(p.56)來解釋

p.57 圖3.24

更細的Spectral sensitivity

Retina p.59 圖3.25

• 結構
  • rod/cone
  • Amacrine cell
  • horizontal cell
  • bipolar cell
  • ganglion cell

Neural convergence

• 桿狀體如何作到較高的敏感度？
• 接桿狀體的節細胞，接受較多桿狀體的輸入
• 接錐狀體的節細胞，接受較少錐狀體的輸入

p.60 圖3.26

Sensitivity vs Acuity

Neural convergence 愈大敏感度愈高

• 只有好處嗎？
• 請看p.60 圖3.27
• trade-off P.61 圖3.28

Neural convergence...

• 資訊的聚集，就只為了增加敏感度？
• 請回憶上一章的
• p.33 圖2.14到2.16

P.61 圖3.29

鄰近接受器產生抑制作用

先從眼睛的演化來看

• p.62 圖3.30 Limulus (horseshoe crab,鱟）
• P.62 圖3.31 運作原理

lateral inhibition (P.63)

• 側抑制
  • 在神經系統常見的機制
  • 目的：
  • 讓刺激更清楚（真有語病）
  • 也造成「錯覺」
  • Hermann grid（圖3.32）

Hermann grid的可能原理

見 圖3.33

另一種側抑制錯覺-Mach band (P.64)

見 P.65 圖3.35

Mach band可能原理

見P.65~66 圖3.37~3.38

Simultaneous contrast(P.66)

見 圖3.39

Simultaneous contrast可能原理

見 圖3.40

P.67 圖3.41

• A的灰與B的灰是一樣的！
• 不信遮一下 圖3.42
• 原理仍是一樣的！ 圖3.2

補充議題

• 演化與人類網膜
  • fovea
  • 接受器的分佈

體驗一下

P.68 圖3.44

• dark adaptation