第三講:Introduction to Vision

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(三個暗適應曲線 (p.54 Figure 3.19))
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*圖中紅色:整體的表現 *圖中紅色:整體的表現
**就是我們一般所感受到的 **就是我們一般所感受到的
-*綠色:桿狀體的表現+*綠色:錐狀體的表現
**光線投射到網膜周邊 **光線投射到網膜周邊
-*紫色:錐狀體的表現+*紫色:桿狀體的表現
**光線投射到中央小窩 **光線投射到中央小窩

在2011年10月9日 (日) 22:35所做的修訂版本

目錄

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光子被視覺色塑分子吸收
    • 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
  • 綠色:錐狀體的表現
    • 光線投射到網膜周邊
  • 紫色:桿狀體的表現
    • 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之到數
  • 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