Licht Optisches Spektrum des Lichts

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1 as Unser Auge ist vergleichbar mit einer Kamera. Voraussetzung für eine gute Sehleistung ist die genaue Fokussierung der Lichtstrahlen auf die Netzhaut (Retina). Auf der Netzhaut wird durch Hornhaut (Kornea) und Linse ein Bild unserer Umwelt entworfen. Lichtempfindliche Photo-Rezeptoren in der Netzhaut tasten das Bild ab und leiten die Information in verschlüsselter Form als Nervenerregung über den Sehnerv weiter an den Hinterhauptslappen in der Grosshirnrinde. Licht Optisches Spektrum des Lichts 1

2 Der anregende Reiz zur Aktivierung der Sensoren sind Lichtstrahlen. Was wir als Licht empfinden, ist eine kleine Bandbreite von elektromagnetischen Wellen. Der für uns sichtbare Ausschnitt der Wellenlängen reicht von ca. 400 bis 760 Nanometer (nm). Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter oder einem Millionstel Millimeter. Der obere Bereich der Bandbreite erscheint uns als ROT, der tiefere Bereich als BLAU. Angrenzende Wellenlängen ausserhalb dieses Bereiches sind für uns Menschen nicht sichtbar, da uns die entsprechenden Sensoren fehlen. Oberhalb im langwelligen Bereich schliessen sich die infraroten Wärmestrahlen an, unterhalb im kurzwelligen Bereich die ultravioletten Strahlen. Fällt eine Lichtquelle (Sonnenlicht oder Lampe) auf Flächen und Gegenstände, werden die Lichtstrahlen wie durch einen Spiegel reflektiert. Reflektiert ein Gegenstand das ganze optische Spektrum, erscheint uns dieser weiss. Absorbiert ein Gegenstand alle Lichtstrahlen, erscheint der Gegenstand schwarz. Der Farbeindruck wird bestimmt durch die dominante Wellenlänge der Lichtstrahlen. Bei der Wahrnehmung von Farben werden zwei unterschiedliche Farbmischungen unterschieden. Die additive Farbmischung Die additive Farbmischung erfolgt bei Mischung von Lichtern, d.h. bestimmte Wellenlängen werden überlagert und kombiniert. Wenn sich z.b. in der Disko drei verschiedene Farbstrahler in den Farben rot, grün und blau überlagern, resultiert in der Schnittmenge weisses Licht. Die subtraktive Farbmischung Die subtraktive Farbmischung erfolgt durch Pigmentmischung, d.h. bestimmte Lichtwellen werden herausgefiltert. Die Pigmente, z.b. bei Malfarben, reflektieren 2

3 nur bestimmte Wellenlängen und absorbieren die restlichen. Werden mehrere Pigmente gemischt, blockieren diese zunehmend mehrere Wellenlängen. Theoretisch werden bei einer Mischung von gelb, türkis (cyan) und magenta alle Lichtwellen herausgefiltert, wir sehen schwarz. Der Versuch, die Mischung mit Wasserfarben herzustellen, wird scheitern. Werden die Farben nicht exakt im richtigen Farbton (Wellenlänge) gemischt (aborbiert), entsteht ein hässliches Matschbraun. Ein Gegenstand mit einer bestimmten Farbe funktioniert wie ein Farbfilter. Ein roter Ball beispielsweise filtert aus dem weissen Licht alle Wellenlängen bis auf die rote Farbe heraus. Der Gegenstand erscheint deshalb rot. Komplementärfarben Als Komplementärfarben bezeichnet man solche Farben, aus deren Mischung (additiv oder subtraktiv) ein Grau entsteht. 3

4 Der Aufbau des Auges 3-D Animation Der Augapfel ist ca. 24 mm lang und 7.5 g schwer. Gut geschützt und mit einer Fettschicht gepolstert, liegt er in der Augenhöhle. Das Augenlid schützt das Auge vor äusseren Einwirkungen und Fremdkörpern. Am Lidrand um die Wimpern hat es mehrere Drüsen, diese bilden die sogenannte Augenbutter, ein Sekret, das ein Überlaufen der Tränenflüssigkeit über die Lidkante verhindert. Die meist eingetrockneten gelblichen Sekretreste im inneren Lidwinkel, reibt man sich am Morgen als Schlaf aus den Augen. Bei jedem Lidschlag verteilt sich durch die Tränenflüssigkeit ein Film über den vorderen Augenabschnitt, um so die empfindliche Hornhaut sauber und feucht zu halten. Durch Austrocknung kann die Hornhaut trübe werden. Das Augenlid schützt und befeuchtet die Hornhaut Die äussere Augenhaut Die äussere Augenhaut besteht aus Lederhaut (Sklera) und Hornhaut (Cornea). Die Lederhaut ist das Weisse der Augen und ist undurchsichtig. Die straffen Bindegewebsfasern halten dem inneren Augendruck stand und sichern Festigkeit und Form des Augapfels. Die Hornhaut ist mit der Lederhaut verwachsen. Sie ist durchsichtig und ausserordentlich berührungsempfindlich. Die Hornhaut besteht aus 5 Zellschichten, die äusserste Schicht (Epithel) ist die Schutzschicht. Sie besteht aus sich schnell teilenden Zellen (3 Tage). Die Hornhaut bildet mit dem Kammerwasser zusammen eine starke sammelnde Fläche. Das Licht wird von den Flächen der Hornhaut gebündelt (75% der Gesamtbündelung des Auges). Die Hornhaut ist deshalb gekrümmt. Zusammen mit der Linse hat sie die Aufgabe, ein scharfes Bild auf der Netzhaut zu erzeugen. Die Hornhaut hat deshalb keine Gefässe, aber viele Nerven. Alle Teile sind in ihrer Dichte sehr homogen um Klarheit zu gewährleisten. 4

5 Die mittlere Schicht Die mittlere Schicht heisst Uvea. Sie ist für die Blutversorgung und Ernährung des Auges zuständig, sowie für die Sekretion des Kammerwassers und für die Menge des einfallenden Lichtes. Die Uvea besteht aus der Aderhaut und der Regenbogenhaut. Die Aderhaut (Choroidea) liegt direkt unter der Lederhaut. Sie ist das Gewebe im menschlichen Körper, welches am dichtesten mit Gefässen, Arterien und Venen, durchzogen ist. In der Aderhaut sind ausserdem zahlreiche Pigmente in der Form schwarzer Farbkörnchen eingelagert. Die Aderhaut ernährt das Auge mit Ausnahme der Netzhaut, dunkelt das Augeninnere gegen das Aussenlicht ab und versorgt die Netzhaut stets mit frischen Sehstoffen, ohne die das Sehen nicht möglich wäre. Die Regenbogenhaut oder Iris ist eine kreisrunde Scheibe, in deren Mitte sich das Sehloch, die Pupille befindet. Die Iris ist die Blende des Auges. Sie reguliert die Lichtmenge, die in das Auge fällt. Wenn es hell ist, ziehen sich die Muskeln in der Regenbogenhaut zusammen und lassen nur eine kleine Öffnung frei. Eine kleine Pupille lässt wenig Licht rein. In der Dämmerung geschieht das Gegenteil, die Öffnung weitet sich aus, es dringt viel Licht ein. Dieser Vorgang heisst Adaption. Unsere Augen übertreffen dabei die beste Kamera. Bei grellem Sonnenschein ist es ca mal so hell wie in einer klaren Sternennacht. Eine Kamera würde unter diesen extremen Bedingungen keine brauchbaren Bilder abbilden. Das Gewebe der Iris ist wie ein Scherengitter strukturiert und daher beweglich. Zur Anpassung der Lichtverhältnisse verengt oder erweitert sich die Pupille von 1.5 mm bis 8 mm (neutral 4mm). Die Augenfarbe der Iris wird durch die unterschiedliche Konzentration von Pigmenten im Bindegewebe bestimmt. Die innere Schicht Die Linse befindet sich direkt hinter der Pupille. Sie ist ein durchsichtiges, leicht gewölbtes Scheibchen aus faseriger Substanz, welches zum Kern hin dichter wird. Die Linse bündelt das Licht und wirft ein Abbild der betrachteten Gegenstände auf die Netzhaut (Retina). Ähnlich wie der Autofokus des Objektivs bei der Kamera, stellt die Augenlinse das Bild scharf ein. Die Veränderung der Linsenkrümmung steuert der Ziliarmuskel, der die Augenlinse ringförmig umgibt. Den Vorgang des Scharfstellens heisst Akkomodation. Wenn wir in die Ferne sehen, ist der Ziliarmuskel entspannt. Die Aufhängefasern der Linse sind gespannt. Sie ziehen die Linse straff, dadurch ist die Augenlinse schwach gekrümmt. Beim Sehen in die Nähe zieht sich der Ziliarmuskel dagegen zusammen, er wird kürzer und dicker. Dadurch sind die Aufhängefasern der Linse nicht mehr so 5

6 stark gespannt, die Augenlinse wird nicht mehr straff gezogen. Durch ihren Eigendruck kann sie sich nun stärker wölben. Dies strengt den Ziliarmuskel an. Daher werden wir nach langem Lesen müde. Mit zunehmendem Alter nimmt die Fähigkeit der Akkomodation ab. Anders als bei der Kamera, bei der zur Fokussierung der Abstand zwischen Linse und Film geändert wird, erfolgt die Scharfeinstellung beim Auge durch die Änderung der Linsenbrechkraft. Je flacher die Linse, umso geringer ist die Brechkraft. Der Glaskörper besteht aus einer klaren gelartigen Substanz, zu 99% aus Wasser, Hyaluronsäure und Kollagen. Die gelartige Substanz ist von einer dünnen Hülle umschlossen und füllt den Augapfel innen im hinteren Teil des Auges aus. Im Glaskörper sind keine Nerven und Blutgefässe. Trübungen und Schlieren im Glaskörper können Schattenbilder auf der Netzhaut erzeugen. Die Augenlinse bricht die einfallenden Lichtstrahlen und projiziert diese durch den kugelförmigen Glaskörper hindurch auf die Netzhaut des Auges. Die Netzhaut ist die eigentliche lichtempfindliche Schicht. Sie besteht hauptsächlich aus Rezeptoren, den Zapfen und Stäbchen. Beides sind Sinneszellen und haben eine 6-eckige Querschnittsfläche. Zapfen und Stäbchen wandeln Licht in elektrische Nervenreize um, die über den Sehnerv ans Gehirn weitergeleitet werden. Die Netzhaut entspricht dem Film in der Kamera. An der Stelle, an welcher der Sehnerv vom Auge austritt, befinden sich keine Sinneszellen. Hier ist folglich eine blinde Stelle im Auge, der sogenannte blinde Fleck. Trotzdem haben wir kein "Loch" in unserem Gesichtsfeld, der fehlende Bildteil wird vom Gehirn mit Informationen aus der Umgebung ergänzt. 6

7 Eine andere wichtige Stelle auf der Netzhaut ist die Fovea oder Makula. Der sogenannt gelbe Fleck ist eine flache Einsenkung in der Mitte des Augenhintergrundes. Diese Stelle der Netzhaut hat ihren Namen von dem gelben Farbstoff Lutein, der dort besonders stark eingelagert ist. In der Mitte des gelben Flecks liegt eine kleine Vertiefung, die so genannte Fovea centralis. Sie ist der Ort des schärfsten Sehens, denn hier sitzen die Lichtrezeptoren so dicht gepackt wie sonst nirgends. Wenn man ein Objekt anschaut, drehen sich die Augen automatisch so, dass das Objekt auf dieser zentralen Vertiefung des gelben Flecks abgebildet wird. Die Fovea befindet sich genau an derjenigen Stelle, an der ein Lichtstrahl, der senkrecht durch die Pupille hindurchtritt, die Netzhaut erreicht. Netzhaut mit Makula (etwas grau) in der Mitte Liegt der Brennpunkt nicht genau auf der Netzhaut, wird die Umgebung unscharf abgebildet. Man spricht von einem Brechungsfehler oder einer Fehlsichtigkeit. Beim kurzsichtigen Auge liegt die Brechkraft der Hornhaut zu hoch, oder das Auge ist zu lang gebaut. In beiden Fällen werden die Lichtstrahlen bereits vor der Netzhaut gebündelt. Der Brennpunkt liegt damit vor und nicht auf der Netzhaut. Kurzsichtige Personen sehen ferne Dinge unscharf, nahe liegende Objekte dagegen scharf. 7

8 Weitsichtigkeit ist das genaue Gegenteil. Für das Auge ist die Brechkraft der Hornhaut zu gering bzw. das Auge ist zu kurz. Die Lichtstrahlen werden erst hinter der Netzhaut gebündelt. Weitsichtige Personen sehen nahe Dinge unscharf, entfernte Objekte dagegen scharf. Die Netzhaut In der Netzhaut werden die Bilder für das Gehirn zusammengestellt. Die Lichtstrahlen, die von einem Gegenstand in das Auge einfallen, werden vom Auge so gesammelt, dass auf der Netzhaut ein umgekehrtes, seitenverkehrtes und verkleinertes Bild entsteht. An der Lichtbrechung sind Linse und Hornhaut beteiligt. Durch die Ziliarbänder wird die Linse in ihrer Lage festgehalten. Durch die Veränderung des Ziliarmuskels wird die Linse entsprechend runder oder flacher. Die extrem lichtempfindliche Innenauskleidung des Auges nennt man Netzhaut oder Retina. Sie ist mit etwa 127 Millionen Lichtrezeptoren besetzt: Nachdem das Licht Hornhaut, Linse und Glaskörper durchquert hat, wandeln die Rezeptoren die Lichtwellen in Nervenimpulse um. Die Netzhaut (Retina) besteht aus 3 Schichten: den Photorezeptoren, bestehend aus Stäbchen und Zäpfchen den bipolaren Zellen den Ganglienzellen 8

9 Für das Farbsehen sind die Zapfen-Rezeptoren zuständig, für das Hell-Dunkel-Sehen die Stäbchen. Interessanterweise ragen die Zapfen und Stäbchen nicht ins Augeninnere, sondern sie wachsen auf der hinteren Netzhautschicht und zeigen nach aussen. Die Stäbchen sind zuständig für das Sehen in der Dämmerung. Sie reagieren sensibel auf Hell-Dunkel, grobe Umrisse und Bewegungen. Stäbchen sind auf schwache Lichtquellen spezialisiert. Menschen, die keine Stäbchen haben, sind nachtblind. Das Pigment der Stäbchen, welches auf Lichtwellen reagiert, heisst Rhodopsin und benötigt zur Re-Synthese Vitamin A. Stäbchen werden im grün-blau Bereich optimal angeregt. Ein menschliches Auge hat ca. 120 Millionen Stäbchen. 9

10 Die wesentlich unempfindlicheren Zapfen-Photorezeptoren brauchen etwa 30-fach höhere Lichtintensität um zu reagieren. Sie ermöglichen das Bewegungssehen bei Tage und vermitteln die Wahrnehmung von Farbe Dabei reagieren unterschiedliche Zapfen spezifisch auf bestimmte Wellenlängen des Lichts. Die L-Zapfen (langwellig) sind rotempfindlich, die M-Zapfen (mittelwellig) grünempfindlich und die K- Zapfen (kurzwellig) blauempfindlich. Auf der Netzhaut befinden sich insgesamt drei bis sechs Millionen Zapfen. Bei ganz wenig Licht verschwindet die Farbe. Das liegt daran, dass die Zapfen für das Farbensehen relativ wenig lichtempfindlich sind. Werden dagegen alle drei Zapfensorten auf der Netzhaut gleichzeitig gereizt, entsteht im Gehirn der Farbeindruck Weiss (s. additive Farbmischung S. 2). Die Verteilung der Zellen auf der Netzhaut Stäbchen und Zapfen sind auf der Netzhaut nicht gleichmässig verteilt. Die meisten Zapfen sind in der Fovea centralis (s. S. 7). Weil die Farbrezeptoren hier dicht an dicht stehen und auch die nachfolgenden Nervenzellen besonders zahlreich sind, sieht das menschliche Auge an dieser Stelle besonders scharf. In der Dunkelheit ist die selbe Stelle für uns blind, da sich hier keine Stäbchen befinden. Zum Rande der Netzhaut hin nimmt die Zahl der Zapfen ab und die der Stäbchen zu. Deshalb nimmt man am Rande des Gesichtsfelds auch meist nur Schatten wahr und keine Farben. Führt man zum Beispiel einen bunten Gegenstand von hinten oder von der Seite an eine Person heran die nach vorne schaut, kann diese zunächst die Form erkennen und erst später die Farbe. Bei Personen, die eine Farbfehlsichtigkeit haben, fällt eine Zapfensorte aus. Das linke Bild zeigt die Farbwahrnehmung einer Person ohne Einschränkung, das rechte Bild die Wahrnehmung einer Person mit Rot-Grün-Sehschwäche. 10

11 Die bipolaren Zellen kombinieren die Impulse aus Stäbchen und Zäpfchen und senden diese an die Ganglienzellen weiter. Die bipolaren Zellen haben einen langen faserartigen Fortsatz (Axon). Die Ganglienzellen integrieren die Impulse der Bipolarzellen zu einer einzigen Impulsrate. Die Axone der Ganglienzellen werden gebündelt und laufen als Sehnerv (Nervus opticus) zum Zentralen Nervensystem. Ganglienzellen unterscheiden sich hinsichtlich Geschwindigkeit. Die Y-Zellen sind mit 40 m/s die schnellsten Zellen. Sie feuern nur kurz und sind spezialisiert auf Bewegungen. Die X-Zellen erreichen 20 m/s und feuern solange wie sie gereizt werden. Sie kommen am häufigsten vor und sind zuständig zur Erkennung von Texturen. Beispiele von Texturen Die W-Zellen sind mit der Geschwindigkeit von 10 m/s die langsamsten und reagieren auf komplexe Muster. Meist sind mehrere Stäbchen mit einer Bipolarzelle verknüpft Sie addieren ihre Signale, um die Chance zu erhöhen, eine Reaktion in ihrer gemeinsamen Bipolarzelle auszulösen. Das geht allerdings auf Kosten der räumlichen Auflösung. Die Stäbchen- Bipolarzellen haben keinen direkten Kontakt zu Ganglienzellen. 11

12 Das Ausgangssignal der Netzhaut wird durch laterale Verschaltungen vorverarbeitet. Insbesondere gibt es zwei unterschiedliche Gruppen von Zellen: solche, die vor allem auf Form und Farben reagieren und solche, die auf die Detektion von Bewegung spezialisiert sind. Die Information aus diesen beiden Populationen von Ganglienzellen werden im weiteren Verlauf der Sehbahn getrennt verarbeitet. Die Weiterleitung visueller Signale Die Axone der Retina-Ganglien sammeln sich im blinden Fleck und bilden den Sehnerv (Nervus Opticus). Der Sehnerv leitet die Informationen von der Netzhaut an das Gehirn zur Auswertung der elektrischen Signale weiter. Das gewaltige Bündel aus Nervenfasern ist ein halber Zentimeter dick. Wie die Netzhaut gilt auch der Sehnerv als Teil des Gehirns. Zunächst werden die Signale zum Chiasmus Opticus geleitet. Dort werden nasale Anteile in die gegenüberliegende Hirnhälfte geleitet. Temporale Anteile bleiben auf der gleichen Seite. Somit werden die beiden Hälften des visuellen Feldes in die jeweils gegenüberliegende Hirnhälfte projiziert, d.h. das linke Gesichtsfeld in die rechte Hemisphäre und umgekehrt. Hinter dem Chiasmus Opticus führen zwei visuelle Pfade weiter in die Areale des Hinterlappens (schwarz und rot eingezeichnet). 12

13 Der primäre visuelle Pfad führt über den Bereich Corpus geniculatum laterale. Von dort aus werden die Signale fächerartig in den primären visuellen Kortex nach Area 17 ausgestrahlt. Die Funktion dieses Areals besteht in der Feinwahrnehmung von Mustern und Farben. Der sekundäre visuelle Pfad führt über den Bereich Colliculi superioris nach Area 18 und 19. Dieses System ist für die Bewegungssteuerung des Blickes zuständig und ortet die Objekte im Raum. Aus der Kombination der Sinneseindrücke beider Augen entsteht das räumliche Bild. Die Sehnerven unserer Augen sind Träger der elektrischen Sehimpulse und überkreuzen sich teilweise. Somit gelangen Informationen aus beiden Augen in eine jeweilige Hälfte des Grosshirns. Die visuelle Sehrinde (Cortex) besteht aus über 100 Millionen Nervenzellen (Neuro- 13

14 nen). Diese Neuronen haben weitgehend unbekannte Antworteigenschaften. Da die visuelle Sehrinde mit tausenden von Nervenzellen aus anderen Bereichen des Gehirns im Kontakt steht, sind Sinneswahrnehmungen, aber auch sämtliche Speicherinformationen im Gehirn miteinander verbunden. Elektrische Reize werden zu Wahrnehmungen. Wir sehen! Es war einmal das Leben, ein Zeichentrickfilm über das Auge in 3 Teilen 1) 2) 3) Total phänomenal Ein Video über Superaugen Hier kannst du in einem Buch mit einer Lupe das Auge entdecken Ein Lückentext zum Thema Auge Buchtipp: Willi wills wissen - Wie unsere Augen sehen. Baumhaus: Frankfurt a.m. (2008). Facit Visuelle Information wird von lichtempfindlichen Rezeptoren im Auge in Nervenimpulse umgewandelt. Diese werden in das Gehirn weitergeleitet und dort zu Sinnesempfindungen interpretiert. Die Repräsentation dieser Reize im Gehirn ist sehr effizient und auf die Art der Umgebungsreize optimal abgestimmt. Die visuelle Verarbeitung dient in erster Linie dazu, unsere Interaktionen mit der Umwelt zu steuern. 14