نور و بینایی: چشم انسان چگونه می بیند؟ ساختار چشم و دید رنگی

اهمیت نور در بینایی

انسان با استفاده از حواس پنج گانه از محیط اطراف خود اطلاعات به دست می آورد و با آن ارتباط برقرار می کند. یکی از مهم ترین این حواس، و شاید بتوان گفت اصلی ترین آنها، حس بینایی است و نور عامل اصلی عملکرد آن است.

نور، رابط بین انسان و جهان پیرامون است. چشم نور را دریافت می کند، اطلاعات آن را به سیگنال های عصبی تبدیل کرده و به مغز می فرستد. مغز این اطلاعات را تحلیل می کند و برداشت ها و احساسات ما از جهان را شکل می دهد. به همین دلیل، نور تاثیر چشمگیری بر رفتار ما و نحوه ارتباط ما با دیگران دارد.

بینایی نتیجه مستقیم برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با چشم است و بدون نور، هیچ دیدی وجود نخواهد داشت. در این مقاله با نقش نور در بینایی، ساختار چشم، نحوه دیدن رنگ ها و شباهت های چشم با ابزارهای نوری مانند اسپکتروفتومتر آشنا می شوید.

چشم چگونه می بیند؟

ما همواره حجم عظیمی از اطلاعات را از طریق چشم ها دریافت می کنیم و به طور انتخابی به برخی از آنها توجه می کنیم و بقیه را نادیده می گیریم. فرایند دیدن را می توان انتهای زنجیره ای دانست که منبع نور را به چشم، به عنوان یک آشکارساز نوری، متصل می کند.

ما اجسام را می بینیم چون نوری از آنها به چشم ما می رسد. این نور به دو صورت به چشم می رسد:

• جسم خودش منبع نور است: مانند خورشید، لامپ، صفحه نمایش یا شعله شمع.

• جسم نور منبع دیگری را بازتاب می دهد: بیشتر اجسام اطراف ما خودشان نور تولید نمی کنند و ما آنها را از طریق نوری که از سطحشان بازتاب می شود، می بینیم.

ابن هیثم، دانشمند قرن یازدهم میلادی، از نخستین کسانی بود که به درستی توضیح داد که بینایی در اثر ورود نور از اجسام به چشم رخ می دهد، نه اینکه پرتوی از چشم خارج شود.

ساختار چشم و مسیر نور

نور در مسیر خود به شبکیه از چند بخش چشم عبور می کند:

قرنیه

قرنیه لایه شفاف و گنبدی شکل جلوی چشم است. قرنیه مانند یک عدسی همگرا عمل می کند و بیشترین سهم در شکست نور و متمرکز کردن آن را دارد؛ حدود دو سوم قدرت شکست کل چشم مربوط به قرنیه است.

زلالیه

پشت قرنیه، مایع شفافی به نام زلالیه قرار دارد که فضای بین قرنیه و عدسی را پر می کند.

عنبیه و مردمک

عنبیه بخش رنگی چشم است که مانند دیافراگم دوربین عمل می کند. در مرکز عنبیه، دهانه ای به نام مردمک قرار دارد. عنبیه با تنگ و گشاد کردن مردمک، مقدار نور ورودی به چشم را تنظیم می کند: در نور زیاد، مردمک تنگ و در نور کم گشاد می شود.

مردمک سیاه دیده می شود، چون تقریبا همه نوری که وارد آن می شود، توسط شبکیه و لایه های رنگدانه دار پشت آن جذب می شود و تقریبا نوری بازنمی گردد.

عدسی چشم

پس از مردمک، نور از عدسی چشم عبور می کند که یک عدسی همگرای انعطاف پذیر است. عضلات مژگانی با تغییر انحنای عدسی، فاصله کانونی آن را تنظیم می کنند تا تصویر اجسام دور و نزدیک به درستی روی شبکیه متمرکز شود. به این توانایی تطابق گفته می شود.

قرنیه و عدسی با هم کار می کنند تا نور به درستی روی شبکیه متمرکز شود. این دو را می توان مانند یک عدسی محدب در نظر گرفت که تصویری حقیقی و وارونه روی شبکیه ایجاد می کند. مغز این تصویر وارونه را پردازش کرده و آن را راست درک می کند.

زجاجیه

فضای بین عدسی و شبکیه با ماده ای ژله ای و شفاف به نام زجاجیه پر شده است که شکل کره چشم را حفظ می کند.

شبکیه

شبکیه لایه ای از بافت حساس به نور در پشت چشم است. وقتی نور به شبکیه می رسد، سلول های ویژه ای به نام گیرنده های نوری، آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند. پردازش اولیه این سیگنال ها در خود شبکیه آغاز می شود و سپس از طریق عصب بینایی به مغز ارسال می شوند.

در مرکز شبکیه ناحیه کوچکی به نام لکه زرد قرار دارد که در مرکز آن فرورفتگی ای به نام فووه آ وجود دارد. فووه آ بیشترین تراکم گیرنده های مخروطی را دارد و واضح ترین و دقیق ترین دید در این ناحیه است. وقتی مستقیم به چیزی نگاه می کنیم، تصویر آن روی فووه آ می افتد.

گیرنده های نوری: استوانه ای و مخروطی

شبکیه دو نوع گیرنده نوری دارد:

گیرنده های استوانه ای

گیرنده های استوانه ای بسیار حساس به نور هستند و امکان دیدن در نور کم و شب را فراهم می کنند. این گیرنده ها رنگ را تشخیص نمی دهند؛ به همین دلیل در تاریکی همه چیز را تقریبا خاکستری می بینیم. بیشترین حساسیت گیرنده های استوانه ای در حدود ۵۰۰ نانومتر (نور آبی سبز) است.

گیرنده های مخروطی

گیرنده های مخروطی مسئول دید رنگی هستند و در نور کافی بهترین عملکرد را دارند. آنها جزئیات دقیق تر را تشخیص می دهند و به تغییرات سریع تصویر سریع تر پاسخ می دهند. گیرنده های مخروطی سه نوع دارند که هر کدام به ناحیه ای از طیف حساس ترند:

منحنی حساسیت این سه نوع گیرنده پهن است و روی هم می افتد. مغز با مقایسه میزان تحریک این سه نوع گیرنده، رنگ را تشخیص می دهد. به همین دلیل گفته می شود انسان بینایی سه رنگی دارد.

محدوده دید و حساسیت چشم

چشم انسان امواج الکترومغناطیسی را تقریبا در محدوده ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر حس می کند که به آن نور مرئی گفته می شود. حساسیت چشم در همه طول موج ها یکسان نیست:

• در نور روز، چشم بیشترین حساسیت را در حدود ۵۵۵ نانومتر (نور سبز مایل به زرد) دارد.

• در نور کم، که گیرنده های استوانه ای غالب هستند، بیشترین حساسیت به حدود ۵۰۷ نانومتر جابه جا می شود. به همین دلیل در غروب، رنگ های آبی و سبز روشن تر از رنگ های قرمز به نظر می رسند.

چشم می تواند در محدوده بسیار گسترده ای از شدت نور، از نور ضعیف ستارگان تا نور شدید روز، کار کند؛ یعنی شدت هایی که میلیون ها تا میلیاردها برابر با هم تفاوت دارند. سهم مردمک در این توانایی محدود است و شدت نور ورودی را فقط حدود ۱۰ تا ۲۰ برابر تغییر می دهد. بخش اصلی این توانایی به سازگاری شبکیه و جابه جایی بین گیرنده های استوانه ای و مخروطی مربوط است. به همین دلیل وقتی از محیط روشن وارد اتاق تاریک می شویم، چند دقیقه طول می کشد تا چشم به تاریکی عادت کند.

ضریب شکست و قدرت شکست اجزای چشم

ضریب شکست نشان می دهد نور هنگام ورود به یک ماده چقدر کند می شود و مسیرش چقدر خم می شود. این کمیت بدون یکاست و رفتار نور در مرز دو ماده با قانون اسنل توصیف می شود. برای آشنایی بیشتر، مقاله شکست نور را بخوانید.

سیستم نوری چشم بسیار دقیق تنظیم شده است و تغییر کوچک در هر جزء، کل سیستم را تحت تاثیر قرار می دهد. وظیفه اصلی این سیستم، متمرکز کردن نور روی شبکیه است.

• قرنیه، به ویژه سطح جلویی آن، مهم ترین سطح شکست چشم است، چون اختلاف ضریب شکست هوا و قرنیه زیاد است. قدرت شکست قرنیه به ضریب شکست آن (رابطه مستقیم) و شعاع انحنای سطح آن (رابطه معکوس) بستگی دارد. قدرت شکست قرنیه حدود ۴۳ دیوپتر است.

• عدسی دومین ساختار مهم شکست است. نکته جالب این است که ضریب شکست عدسی یکسان نیست و از لبه به مرکز افزایش می یابد؛ این ویژگی ناشی از غلظت پروتئین ها در عدسی است و کیفیت تصویر را بهبود می دهد. قدرت شکست عدسی حدود ۲۰ دیوپتر است و با تطابق تغییر می کند.

• زلالیه و زجاجیه نیز در شکست نور نقش دارند.

• طول محوری کره چشم نیز تعیین کننده مهمی است. تغییر تنها یک میلی متر در طول محوری چشم، حدود سه دیوپتر خطای انکساری ایجاد می کند.

عیوب انکساری و بیماری های رایج چشم

اگر نور به درستی روی شبکیه متمرکز نشود، دید تار می شود:

• نزدیک بینی: کره چشم بیش از حد بلند است یا قدرت شکست آن زیاد است و تصویر اجسام دور جلوی شبکیه تشکیل می شود. با عدسی واگرا اصلاح می شود.

• دوربینی: کره چشم بیش از حد کوتاه است و تصویر پشت شبکیه تشکیل می شود. با عدسی همگرا اصلاح می شود.

• آستیگماتیسم: انحنای قرنیه در جهت های مختلف یکسان نیست و تصویر در همه جهت ها به یک اندازه متمرکز نمی شود.

• پیرچشمی: با افزایش سن، عدسی انعطاف پذیری خود را از دست می دهد و دیدن اجسام نزدیک دشوار می شود.

• آب مروارید: عدسی چشم به تدریج کدر می شود و دید کاهش می یابد.

این توضیحات فقط برای آشنایی عمومی است و برای تشخیص و درمان هر مشکل بینایی باید به چشم پزشک یا بینایی سنج مراجعه کرد.

کوررنگی و تفاوت در دید رنگی

اگر یکی از سه نوع گیرنده مخروطی وجود نداشته باشد یا حساسیت طیفی آن تغییر کرده باشد، فرد در تشخیص برخی رنگ ها دچار مشکل می شود. به این وضعیت کوررنگی گفته می شود. رایج ترین نوع آن، دشواری در تشخیص قرمز و سبز است که حدود ۸ درصد مردان و حدود ۰.۵ درصد زنان را تحت تاثیر قرار می دهد، چون ژن های مربوط به آن روی کروموزوم X قرار دارند.

حتی در افراد با بینایی طبیعی نیز حساسیت گیرنده ها کمی متفاوت است و دو نفر ممکن است یک رنگ را کمی متفاوت ببینند. برخی پژوهش ها نیز از وجود افراد بسیار نادری، عمدتا زنان، با چهار نوع گیرنده مخروطی و دید چهاررنگی خبر داده اند.

پردازش تصویر در مغز

وقتی سیگنال های بینایی به مغز می رسند، تحت پردازش پیچیده ای قرار می گیرند. مغز اطلاعات دو چشم را ترکیب می کند تا تصویری سه بعدی با درک عمق و فاصله ایجاد کند. این فرایند با اطلاعات حواس دیگر مانند شنوایی، لامسه و تعادل نیز ترکیب می شود تا بتوانیم در محیط حرکت کنیم و با آن تعامل داشته باشیم.

مقایسه چشم انسان با اسپکتروفتومتر

چشم معمولا با دوربین مقایسه می شود، اما می توان آن را با ابزارهای اندازه گیری نور مانند اسپکتروفتومتر نیز مقایسه کرد. در یک اسپکتروفتومتر:

1. نور از یک شکاف وارد دستگاه می شود.

2. یک توری پراش یا منشور نور را به طول موج های مختلف تفکیک می کند.

3. یک آشکارساز شدت هر طول موج را جداگانه اندازه گیری می کند.

4. سیگنال دیجیتال شده و طیف نمایش داده می شود.

در چشم نیز اجزای مشابهی وجود دارد:

تفاوت اساسی: چشم طیف را تفکیک نمی کند

با وجود این شباهت ها، یک تفاوت مهم وجود دارد: چشم منشور یا توری پراش ندارد و نور را به طول موج های جداگانه تفکیک نمی کند. چشم فقط سه نوع گیرنده با حساسیت پهن دارد و کل طیف را در سه عدد خلاصه می کند؛ درست مانند یک دوربین رنگی یا یک رنگ سنج سه کاناله. در مقابل، یک اسپکتروفتومتر شدت نور را در صدها یا هزاران طول موج جداگانه اندازه گیری می کند.

نتیجه جالب این تفاوت، پدیده ای به نام متامریسم است: دو جسم با طیف بازتابی کاملا متفاوت ممکن است برای چشم دقیقا هم رنگ دیده شوند، اما زیر نور دیگری متفاوت به نظر برسند. به همین دلیل، در صنایعی که رنگ اهمیت دارد، مانند نساجی، رنگ و پوشش و چاپ، برای مقایسه دقیق رنگ به جای چشم از اسپکتروفتومتر استفاده می شود. برای آشنایی بیشتر، مقاله های دستگاه اسپکتروفتومتر و تفاوت اسپکتروفتومتر جذبی و بازتابی را بخوانید.

محافظت از چشم در برابر نور

نور برای بینایی ضروری است، اما برخی انواع نور می توانند به چشم آسیب بزنند:

• نور فرابنفش خورشید در طولانی مدت می تواند به قرنیه و عدسی آسیب بزند و خطر آب مروارید را افزایش دهد. برای محافظت، از عینک آفتابی با محافظ UV استفاده کنید.

• پرتوهای لیزر حتی با توان کم می توانند به شبکیه آسیب دائمی بزنند. برای آشنایی با نکات ایمنی، مقاله ایمنی لیزر را بخوانید.

• در محیط های کار با مواد شیمیایی، نورهای شدید یا جوشکاری، از عینک ایمنی مناسب استفاده کنید.

• هرگز مستقیم به خورشید نگاه نکنید، حتی در هنگام خورشیدگرفتگی.

سوالات متداول

نور چه نقشی در بینایی دارد؟

ما اجسام را می بینیم چون نوری که از آنها گسیل یا بازتاب می شود به چشم ما می رسد، توسط گیرنده های شبکیه به سیگنال عصبی تبدیل شده و در مغز پردازش می شود.

مهم ترین بخش شکست نور در چشم کدام است؟

قرنیه که حدود دو سوم قدرت شکست کل چشم را دارد.

تفاوت گیرنده های استوانه ای و مخروطی چیست؟

گیرنده های استوانه ای به نور کم حساس هستند و رنگ را تشخیص نمی دهند، اما گیرنده های مخروطی در نور کافی کار می کنند و مسئول دید رنگی و جزئیات هستند.

چشم انسان به چه طول موج هایی حساس است؟

تقریبا ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر، با بیشترین حساسیت در حدود ۵۵۵ نانومتر در نور روز.

آیا چشم مانند اسپکتروفتومتر کار می کند؟

از نظر ساختار شباهت هایی دارد، اما چشم طیف را به طول موج های جداگانه تفکیک نمی کند و فقط سه نوع گیرنده رنگی دارد؛ بنابراین بیشتر شبیه یک رنگ سنج سه کاناله است.

جمع بندی

بینایی نتیجه برهمکنش نور با چشم است. نور پس از عبور از قرنیه، زلالیه، مردمک، عدسی و زجاجیه، روی شبکیه متمرکز می شود. قرنیه بیشترین سهم را در شکست نور دارد و عدسی با تغییر انحنا، تصویر اجسام دور و نزدیک را تنظیم می کند. در شبکیه، گیرنده های استوانه ای دید در نور کم و گیرنده های مخروطی دید رنگی را ممکن می کنند و فووه آ واضح ترین دید را دارد. مغز سیگنال های سه نوع گیرنده مخروطی را مقایسه کرده و رنگ ها را تشخیص می دهد. چشم از نظر ساختار شباهت هایی با اسپکتروفتومتر دارد، اما چون طیف را تفکیک نمی کند، برای اندازه گیری دقیق رنگ و نور به ابزارهایی مانند اسپکتروفتومتر نیاز داریم.

برای آشنایی با محصولات اپتیکی بلورآزما، به بخش محصولات مراجعه کنید.