Der optische Apparat Wahrnehmungstheorie

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1 Referat IA/IV WS 05/06 Christian Lange Einführung/Thema Fakten zum Auge Die Bestandteile des Auges Wahrnehmungstheorie Im tatsächlichen Leben ist der Lichtsinn für den Menschen von sehr großer Bedeutung. Er ist der Leitsinn, der uns eine sichere Orientierung ermöglicht. Wir verlieren diese Sicherheit sofort, wenn wir uns mit geschlossenen Augen bewegen. Im Christum ist das Auge das Sinnbild des Lichts, der Sonne und des Geistes. Es symbolisiert als Instrument des seelisch-geistigen Ausdrucks die geistige Schau und ist der Spiegel der Seele. Auch in der Bibel erscheint das Auge als Symbol der Wachsamkeit, Allwissenheit und behütenden Allgegenwart Gottes. Das Auge als elementarer Bestandteil das Sehens. Im Folgenden möchte ich einige wissenswerte Fakten über das menschliche Auge aufführen, die Bestandteile des optischen Apparates erklären und darauf eingehen, wie man denn nun wirklich sieht. Abschließend erfahren Sie noch etwas über einige Phänomene des Sehens. 70 % aller Sinneszellen des Menschen liegen im Auge Augen der verschiedensten Bauweisen wurden im Laufe der Evo lution schätzungsweise 40 Mal neu entwickelt die ersten Augenorgane gab es bereits vor 505 Mio. Jahren im Erdzeitalter Ordovizium das Scharfsehen konzentriert sich auf nur 0,02 Prozent der Netzhautfläche im Auge rund 200 Grad umfasst unser horizontales Blickfeld die unbewußt gesteuerten Augenfixationen( scharfstellen ) dauern ca. 0,2 bis 0,6 Sekunden das Auge eines Erwachsenen besitzt einen Durchmesser von ca mm und hat ein Gewicht von 7,5 g Für den Ablauf des Sehens ist es wichtig, erst einmal den Aufabu des Auges aufzuzeigen. Die folgenden Abbildung veranschaulicht die einzelnen Bestandteile des Auges. Augenmuskel Bindehaut Lederhaut Regenbogenhaut Hornhaut Aderhaut Netzhaut Sehgrube Blinder Fleck Sehnerv Linse Ziliarkörper Glaskörper 1

2 Lederhaut Augenmuskel Hornhaut Aderhaut Abbildungen von Iris, Glaskörper und Augenlinse Netzhaut Sehnerv Blinder Fleck und Sehgrube Pupille und Regenbogenhaut Augenlinse Ziliarkörper Glaskörper Die Augenwand besteht aus mehreren übereinander liegenden Häuten. Die äußerste, schützende Haut ist die Lederhaut. An ihr setzen sechs Augenmuskeln an, die das Auge in der Augenhöhle verdrehen. Dadurch entstehen die äußerlichen Augenbewegungen. Dort wo das Licht ins Auge eintritt befindet sich die durchsichtige Hornhaut. Diese durchsichtige und gefäßlose Schicht ähnelt in Form und Gestalt einem Uhrglas. Neben der Schutzfunktion dient sie auch als lichtbrechendes Medium (starre Linse). Durch die Anlagerung von reich verzweigten Nervenfaserendungen kommt es bei Defekten der Hornhaut zu heftigen Schmerzreaktionen. Die Hornhaut wird ständig mit Tränenflüssigkeit befeuchtet. Die 2. Schicht ist die Aderhaut, sie ist reich an Blutgefäßen und versorgt die anliegenden Schichten mit Nährstoffen und Sauerstoff. Außerdem gewährleistet sie die Konstanthaltung der Temperatur im Auge. Damit sind die physikalischchemischen Vorgänge im Auge geregelt. Unter ihr liegt die innere Schicht Netzhaut. Sie ist für das Sehen von enormer Bedeutung, denn in dieser durchsichtigen Schicht lagern die Lichtsinneszellen. Der Sehnerv, mit einem Nervenstamm von ca. 1 Mio. Nervenfasern, tritt bei ca. 15 des temporären Gesichtsfeldes aus der Netzhaut aus und unterbricht sie. Hier befinden sich keine Lichtsinneszellen. Diese Stelle nennt man Blinder Fleck. An der Hornhaut gegenüber ist die Stelle für das schärfste Sehen, die Sehgrube, auch Gelber Fleck genannt. Hierbei erwähnenswert ist auch, dass der Sehraum für farbiges Sehen (farbiges Licht) sehr viel kleiner als der für Hell und Dunkel (weißes Licht) ist. Somit liegt der Farbsehraum auch innerhalb des Weißlichtsehraumes. Ins Innere gelangt das Licht durch die Hornhaut und die Pupille. Sie ist die kreisförmige Öffnung der farbigen Regenbogenhaut, der Iris. Durch die Muskelfasern in der Iris kann die Pupille vergrößert und verkleinert werden. Hier wird der Lichteinfall reguliert. Dieser Vorgang, der das Auge an die Umgebung anpasst, heißt Adaption. Man kann also die Iris, in Form und Funktion, mit der Blende einer Kamera vergleichen. Hinter der Iris liegt die sehr elastische Augenlinse. Sie ist bikonvex und fast vollständig transparent. Die Linse besteht aus ungefähr 65% Wasser und 35% Proteinen. Der Linsenkern ist härter als die Großhirnrinde. Sie bringt Lichtstrahlen, die auf Netzhaut treffen in den Brennpunkt. Aufgehängt ist die Linse an den Linsenbändern (Zonulafasern). Diese verlaufen zum ringförmigen Ziliarkörper. Dieser Muskel ist in großem Maße an der Nah- und Fernsehschärfenstellung des Auges verantwortlich. Das Augeninnere ist von dem gallertartigen Glaskörper erfüllt. Er besteht aus 99% Wasser und 1% Fettsubtanz. Dieses Gel macht ca. 66% des Gewichtes des Auges aus. Zusätzlich verhindert der Glaskörper das Einwandern von Fremdzellen. Er verleiht dem Auge die feste und runde Form, die auch Augapfel genannt wird. 2

3 Die Akkomodation des Auges Akkommodation (vom lateinischen accommondare = anpassen) ist die Fähigkeit zur Änderung der optischen Brechkraft der körpereigenen Augenlinse des Auges. Diese Scharfeinstellung des Auges wird durch eine Kombination an Elementen einschließlich der Iris, Linse, Hornhaut und Muskelfasern kontrolliert, die die Form der Linse verändern können so dass, das Auge sowohl nahe als auch ferne Objekte scharf einstellen kann. Fernsicht Nahsicht Kurz- und Weitsichtigkeit Bei der Fernsicht sind die Ziliarmuskeln des Auges erschlafft. Die elastische Augenlinse wird durch den Zug der Zonulafasern (Aufhängebänder der Linse) an der Linsenkapsel zu einer Ellipsenform gespannt. Stellt sich das Auge auf Nahsicht ein, so entspannen sich die Zonulafasern durch den jetzt angespannten Ziliarmuskel. Die Augenlinse verzieht sich nun, durch die elastischen Kräfte der Linsenkapsel, in ihre ursprüngliche kugelförmige Ruheform (mechanischer Memory-Effekt). In manchen Fällen jedoch, arbeiten diese Muskeln nicht richtig oder das Auge ist leicht in der Form verändert und der Brennpunkt liegt nicht auf der Netzhaut. Wenn Menschen altern, wird die Linse härter und kann nicht mehr genau scharf eingestellt werden, welches zu einem Sehverlust führen kann. Wenn der Brennpunkt vor der Netzhaut liegt, wird dieses Kurzsichtigkeit genannt und Menschen mit dieser Einschränkung, können in der Ferne liegende Objekte nicht scharf sehen. Wenn der Brennpunkt hinter der Netzhaut liegt, haben die Personen Probleme Objekte in der Nähe scharf zu sehen und damit eine Weitsichtigkeit. Diese Fehlfunktionen des Auges können normalerweise mit Brillengläsern korrigiert werden. 3

4 Die Augenmuskulatur Saccade Das Scharfsehen konzentriert sich auf nur 0,02 Prozent der Netzhautfläche, in der Sehgrube, dem sogenannten Gelben Fleck. Dies entspricht etwa 2 Grad unseres rund 200 Grad umfassenden horizontalen Blickfeldes. Wir sehen also eigentlich nur den Ausschnitt scharf, den unsere beiden Augen mit ihren Sehachsen fixieren. Beim Betrachten eines Gegenstandes kommt das ruhende und scharfe Bild dadurch zustande, dass die Augenmuskeln, uns meist unbewusst, nacheinander verschiedene Ausschnitte des Objektes vor den Gelben Fleck rücken. Das Auge ruht also beim Betrachten nie, es ist immer in kleinster Bewegung begriffen. Ein Punkt wird für Sekundenbruchteile fixiert, dann springen die Muskeln mit einer ruckartigen Bewegung (Saccade) zu einem nächsten Punkt. Aus diesem Abtasten wird schließlich das deutliche Gesamtbild generiert. Bei ruhiger Betrachtung dauern die einzelnen Fixationen 0,2 bis 0,6 Sekunden, sodass in einer Sekunde 2 bis 5 Saccaden stattfinden, bei schnellerem Blicken werden die Saccaden häufiger und die Fixationszeiten kürzer. Die Wahl der Fixationspunkte und das Muster der Saccaden ist in hohem Maße individuell und steht im Zusammenhang mit den Gewohnheiten und dem Interesse des Betrachters oder der Aufgabenstellung an ihn. Man spricht heute vom Intentionalen Sehen, einem aktiven Vorgang zur Welt hin. Licht Netzhaut Strom Bilderzeugung Menschliche farbliche Stereosehkraft ist ein sehr komplexer Prozess, der noch nicht ganz verstanden ist, trotz hunderten von Jahren intensiver Untersuchungen und Modellierungen. Der Vorgang der Bilderzeugung ist ähnlich eines digitalen Bildsensors (charged-coupled device (CCD)), wie es charakteristisch für moderne digitale Kameras ist. Die Bildrezeptoren des Auges, die Stäbchen und Zapfen, sind modifizierte Nervenzellen, die mit den Fasern des Sehnervs verbunden sind. Eine Serie von spezialisierten Zellen koordinieren die Weitergabe der Signale ans Gehirn. Die in das Auge zugelassene Menge an Licht wird durch die Iris kontrolliert, eine kreisförmige Blende, die sich weit öffnet bei geringer Lichtintensität und sich schließt um die Pupillen, um die Netzhaut bei zu starken Lichtintensitäten zu schützen. 4

5 Lichtsinneszellen in der Netzhaut Es gibt zwei Arten von Lichtsinneszellen im Auge. Sie heißen, begründet durch ihre Form, Stäbchen und Zapfen. Kurz gesagt, sind die Stäbchen für das Hell-Dunkelsehen verantwortlich und die Zapfen für das Farbsehen. Im Auge gibt es ca. 120 Mio. Stäbchen und ca. 6 Mio. Zapfen. Die Sehgrube,bekannt auch als der Gelbe Punkt, ist sehr klein (weniger als ein Quadratmillimeter) aber sehr spezialisiert. Dieses Gebiet enthält die höchste Zapfendichte. Sie ist die Stelle des schärfsten Sehens, welches die größte räumliche-, Kontrast- und Farbauflösung erstellt. Die Dichte der Zapfenzellen nimmt von der Sehgrube zum Rand hin ab. Das Licht ist der Aufbau Stäbchen und Zapfen Pigmente Membranstapel Kern Synapse Stäbchen Zapfen Teil der elektromagnetischen Strahlung, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies sind die elektromagnetischen Wellen im Bereich von etwa Nanometer Wellenlänge. Zapfen bestehen aus drei Zelltypen, jede auf ein bestimmtes Wellenlängenabsorptionsmaximum festgelegt bei 430, 535 und 590 Nanometer. Diese unterschiedliche Empfindlichkeit von Pigmentmolekülen (Blau, Grün-Gelb, Orange-Rot) in verschiedenen Zapfenarten und Stäbchen ist Grundlage des Sehens. Die Intensität der Stimulation jeder der drei Zapfentypen bestimmt die Farbe, Lichtspektrum 400 nm sichtbares Licht 700 nm die gesehen wird, vergleichbar mit einem additiven RGB Monitor oder einer CCD Farbkamera. Wenn zum Beispiel ein schmales Band grünes Licht ( Nm) genutzt wird um alle Zapfenzellen zu stimulieren, werden nur die mit dem grünen Fotorezeptor darauf reagieren um das Sehen von grünem Licht weiterzuleiten. Die Fähigkeit Farben wahrzunehmen, benötigt die Reizung in verschiedenen Graden von einer, zwei oder allen drei Typen an Zapfenzellen mit den passenden Wellenlängen. Während die Zapfen für das Farbsehen verantwortlich sind, registrieren die Stäbchen die Lichtstärke. Die Übergänge zwischen Farben sind fließend, der persönliche Farbeindruck einzeln benennbarer abzählbarer Farben ist subjektiv und durch Sprache, Tradition sowie Denken bedingt. 5

6 Der Simultankontrast Beim menschlichen Sehen wird ein wird ein Bild nicht mit seinen originalgetreuen physikalischen Farbwerten wahrgenommen, sondern immer in Abhängigkeit zu seiner Umgebung. Ende des 19ten Jahrhunderts entdeckte der französische Physiker Michel Eugéne Chevreul diesen sogannten Simultankontrast. Als eine spezielle Funktion menschlichen Sehens werden die Kanten oder Konturen eines Objektes betont, so dass das Objekt vom Hintergrund gehoben wird und eine leichte räumliche Orientierung entsteht. Viele Arten der optischen Mikroskopie, am stärksten die Phasenkontrastmikroskopie, nutzen diese Eigenschaften des menschlichen Sehens. Bezogen auf das Beispiel mit den Dreiecken bedeutet dass, der Kontrast zweier gleichzeitig dargebotenen Reize zu einer subjektiven Farbtäuschung führt. Die Sehzellen, die das graue Dreieck auf hellem Grund sehen werden von disem stärker erregt werden als die, welche das graue Dreick auf dunklem Grund sehen. Es kommt zu einer subjektiven Farbtäuschung. Das graue Dreieck wird unterschiedlich hell, bzw. dunkel wahrgenommen. Größentäuschung durch Helligkeitskontraste Da die gelben Flächen wesentlich heller sind als die Schwarzen, nimmt das Gehirn diese auch als größer wahr. Dadurch entsteht der Eindruck, die horizontalen Linien wären gekrümmt. Die schwarzen Flächen treten hinter den Gelben zurück. Dieses Phänomen hat in der Geschichte der Astronomie schon für einige Verwirrung und Fehler gesorgt. Dasselbe begegnet uns aber auch täglich im Straßenverkehr. Wenn bei Nacht ein Fahrzeug mit Licht auf uns zukommt, wirken die Scheinwerfer größer als sie in Wirklichkeit sind. 6

7 Das Auge in Zahlen Durchmesser des Augapfels: mm bei Erwachsenen Gewicht des Auges: Volumen des Augapfels: Umfang des Augapfels: 7,5 g 6.5 cm3 74,9 mm Beginn der Tränenproduktion: ab ca. 3. Lebenswoche Tränenmenge pro Tag: Dicke der Lederhaut: Dicke der Aderhaut: Dicke der Hornhaut: Durchmesser der Hornhaut: Brechkraft der Hornhaut: Durchmesser Iris: Dicke der Iris: Pupillendurchmesser: Kammerwasserproduktion: Dicke der Linse: Durchmesser der Linse: Brechkraft der Linse: Gewicht der Linse: Volumen des Glaskörpers: Gewicht des Glaskörpers: Dicke der Netzhaut: 1 g 0,3 mm - 1,35 mm 0,1 mm - 0,30 mm 0,5 mm - 0,7 mm 11,2 mm 43 Dioptrien 12 mm 0,5 mm - 3 mm 1,2 mm - 9 mm 2 mm3/ min 3,5 mm - 5,5 mm 6,5 mm - 9 mm Dioptrien 1,74 g 4 cm3 4 g 0,18 mm - 0,56 mm Anzahl Photorezeptoren: Zahl der Stäbchen: Zahl der Zapfen: Durchmesser Sehnerv: 3 mm - 7 mm Nervenfasern im Sehnerv: Sichtbares Licht: 400 nm nm Gesichtsfeld (horizontal): ca

8 Quellenangaben Das neue Taschenlexikon Bertelsmann Lexikon Verlag, 1992 ISBN-Nr Helmut Lortz, Denkzettel Verlag Hermann Schmidt Mainz, 2003 ISBN-Nr Neil A. Campbell, Biologie Spektrum Akademischer Verlag, 2003 ISBN-Nr Karl Gegenfurtner, Gehirn & Wahrnehmung Fischer (Tb.), 2003 ISBN-Nr Pina Lewandrowsky, Visuelles Gestalten mit dem Computer Rowohlt Taschenbuch Verlag, 2002 ISBN-Nr