Kraftfahrzeug Lichttechnik Physiologie

Transkript

1 Kraftfahrzeug Lichttechnik Physiologie Karsten Köth Stand:

2 Aufbau des Augapfels Kugelige Gestalt In knöcherner Augenhöhle in Fettpolstern gelagert Durchmesser: mm Frei beweglich Von 2 Muskelpaaren oben / unten rechts / links gesteuert Horizontale und vertikale Bewegungen sehr schnell Schräge Bewegungen sehr langsam

3 Querschnitt durch den Augapfel Gelber Fleck Blinder Fleck

4 Aufgaben Binde-, Leder und Taubenhaut Bauteil Ort Aufgabe Besonderheiten Bindehaut Lederhaut - Opt. dichter Teil - Opt. klarer Teil (Hornhaut) Taubenhaut bestehend aus - Aderhaut - Ziliarkörper (ringförmiger Muskel) - Iris (ringförmiger Muskel) und Regenbogenhaut Verbindung von Augapfel, Augenlieder Äußere Hülle Ernährung Schutz Empfindlich gegenüber UV- Strahlung Bindehautentzündung Äußere Hülle Augenfenster Trübung verringert die Sehschärfe und erhöht Blendung Innerhalb Lederhaut Dunkel pigmentiert Viele Blutgefäße Krümmungsänderung der Linse Vor dem Ziliarkörper Lässt in ihrer Mitte Pupille (Iris) frei Absorption Streulichtunterdrückung Ernährung Scharfeinstellung

5 Aufbau der Netzhaut

6 Schnitt durch Netzhaut Mikroskopischer Schnitt Dicke: 0,2-0,4 mm Liegt lose auf der Aderhaut Nur an Ziliarkörper und am Sehnerveneintritt verwachsen Netzhautablösung möglich

7 Das Auge - Empfängertypen Tagsehen Zapfen Anzahl: Rot : Grün : Blau 4 : 16 : 1 Nachtsehen Stäbchen Anzahl: Zapfenarten L-Typ long wave length rot 570 nm M-Typ middle wave length grün 540 nm S-Typ short wave length blau 430 nm Skotopisch Mesopisch Photopisch Dunkel 10-3 cd/m² 10 cd/m² Hell

8 Spektrale Empfindlichkeit Zapfen tritanopic, t(λ) or short, s(λ) FARBE V`(λ)-Kurve GRAU 0.4 deuteranopic, d(λ) or medium, m(λ) λ in nm protanopic, p(λ) or long, l(λ) Stäbchen λ in nm V( ) Max = 555 nm V ( ) Max = 505 nm

9 V(λ) - Funktion 380 0, , , Spektrale Empfindlichkeit [rel.] 1 0, nm Wellenlänge [nm] V(λ) 410 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,000015

10 Spektrale Empfindlichkeit Abhängig von: Messmethode Leuchtdichte Testfeldgröße Ort des Reizes auf der Netzhaut

11 Schnittdarstellung der Rezeptorverteilung D i c h Dichte t e d e der r R Rezeptoren e z e p t o r [10 e n 4 /mm / ] / m m ² Stäbchen Zapfen Stäbchen Zapfen temporal nasal Fovea Blinder Fleck

12 Örtliche Verteilung der Rezeptoren Stäbchen Zapfen Macula: 2 in deren Zentrum Fovea: 1,2

13 Blinder Fleck Fliege rechts, Frosch links, linkes Auge zudecken Bild mit gestrecktem Arm halten und langsam ans Auge führen (Frosch dabei anschauen) Bei cm vor dem Auge verschwindet die Fliege

14 Optisch aktive Teile Hornhaut Vorderkammer Pupille Linse Glaskörper

15 Hornhaut Brechzahl (n H = 1,37) Fünf Schichten, reich an Nervenfasern, schmerzempfindlich d H = 11-12,5 mm (Erwachsener) optische Zentralzone: d Hz = 4 mm Krümmungsradius r außen = 7,7 mm, r innen = 6,8 mm, Linsenwirkung Berechnung der Brechkraft Vollkommen durchsichtig (keine Blutgefäße) Verkratzen -> Streulicht

16 Vordere Augenkammer Zwischen Hornhaut und Augenlinse Mit Kammerwasser gefüllt (gebildet vom Ziliarkörper, Abfluss durch den Schlemm schen Kanal) Dient zur Versorgung des Auges Erneuerung einmal pro Stunde Leichter Überdruck Brechzahl (n Ak = 1,336) Erschwerter Flüssigkeitswechsel (Verstopfung) -> Erhöhung des Augeninnendruckes -> Grüner Star (Glaukom)

17 Iris und Regenbogenhaut Iris: Ringförmiger Muskel vor der Linse, auf der die Regenbogenhaut liegt Pigmentierung der Regenbogenhaut bestimmt Augenfarbe Freie Öffnung: Pupille Bei plötzlicher Änderung des Lichteinfalls ändert sich der Durchmesser der Pupille Einschwingzeit: Bei Tag: 0,2... 0,3 s Bei Nacht: 0,4... 0,5 s Durchmesser: Kleiner bei mehr Licht (2 mm < Ø < 8 mm) Erhebliche interindividuelle Streuungen Indikator für psychologische Zustände (Schreck, Angst,...)

18 Augenlinse Brechzahl (n L = 1,4) Bikonvexer Körper, durch transparente Kapsel eingeschlossen Linsenfläche hinten stärker gekrümmt als vorn (r L im Verhältnis 6 : 10) Aufbau: zwiebelartig, etwa Schichten (mit unterschiedlicher Brechzahl) außen: n = 1,386; innen n = 1,406 Folge: Lichtstrahlen verlaufen nicht geradlinig Muskeln straff -> Linse flach; Muskeln schlaff -> Linse gewölbt Linsensubstanz mit zunehmendem Alter härter und weniger elastisch Trübung: Grauer Star (Katarakt)

19 Glaskörper Glaskörper = Gallert n G = 1,33 vgl. Wasser: n = 1,4 Hinter Linse gallertartige Masse, die gesamten Bulbus füllt Verunreinigungen: Schattenbildung auf Netzhaut Störungen im Gesichtfeld ( Fliegende Mücken )

20 Sehprozess Optische Abbildung Sehobjekt Netzhaut Optische Sehbahn Umsetzung von Lichtreizen und Widerspiegelung elektrischer Impulse in Bewusstseinsinhalte Abbildung Sehbahn

21 Optische Abbildung im Auge Womit erfolgt die optische Abbildung??

22 Abbildung im Auge Optisches System erzeugt von Bildern der Außenwelt umgekehrte, verkleinerte Bilder auf der Netzhaut Beschreibung einer fehlerfreien optischen Abbildung im paraxialen Gebiet: Gaußsche Abbildung

23 Gaußsche Abbildung Eigenschaft: Alle Punkte einer Objektebene werden in den Punkten der zugehörigen Bildebene abgebildet. Liegt das Objekt im Unendlichen, werden die Strahlen so gebrochen, dass sie sich im Brennpunkt F schneiden 1 a a 2 = 1 f Für f 1 = f 2 = f Anwendung im Auge: F für akkommodationslosen Zustand = Fovea Für Objekte in endlicher Entfernung Änderung Brechkraft der Linse

24 Brechkraft des Auges Maßzahlen Brechkraft D [dpt] Kehrwert der in m gemessenen Brennweite Brennweite Entfernung zwischen Hauptebene und Brennpunkt Brechkraft D der Grenzfläche 1 n n 1 0 D 1 = = r1 n f 1 2 n 0.. r 1.. Brechzahl der Lichtquelle zugewandten Seite Radius der Grenzfläche Gesamtbrechkraft D zweier Grenzflächen D = D a 1,2 1 + D2 D1 D2 n1 n 1.. Brechzahl zwischen den Grenzflächen a 1,2.. Abstand zwischen den Grenzflächen

25 Brechkraft des Auges - Zahlenwerte Gullstrand sches Ersatzauge Einzelne Optiken Hornhaut 43 dpt Linse, Ruhelage 21 dpt Linse, maximale Akkommodation 33 dpt Gesamtsystem Minimale Akkommodation 59 dpt Maximale Akkommodation 71 dpt Akkommodationsbreite 12 dpt

26 Trübung der Linse Die Katarakt betrifft rund 99 Prozent aller Menschen über 65 Jahre. In Deutschland werden pro Jahr etwa Personen an diesem Leiden operiert.

27 Linsentrübung im Auge

28 Akkommodationsbreite [Quelle: Handbuch für Beleuchtung]

29 Augfehler [Quelle: W.D. Bockelmann]

30 Augfehler - Simulation Sehschärfe 1 Sehschärfe 0,3

31 Sehleistung im Alter [Quelle: W. Adrian]

32 Optische Sehbahn Verbindung zwischen Rezeptoren und den Zentren im Gehirn 3 Neuronen (Einheit von Nervenzelle und Nervenfaser)

33 Erstes Neuron Bipolare - Nervöse Strukturen

34 Zweites Neuron Ganglienzellen und abgehende Nervenfasern Vereinigung im Sehnerv

35 Sehnerv Kein Nerv im eigentlichen Sinn, sondern Teil des Gehirns Verletzungen nicht regenerierbar Bleistift dick Einzelfasern Dicke 1-2 µm Anordnung der Einzelfasern: a) Kurz vor Erreichen des Chiasma identisch mit Lage und Anordnung auf der Netzhaut b) Im Kreuzungspunkt: Umorganisation, nach Verlassen im rechten Sehnerv nur noch Fasern der rechten Netzhauthälfte

36 Sehnerv Zweck Zusammengehörige Punkte des Gesichtsfeldes werden durch die Abbildung beider Augen an ein und derselben Stelle im Gehirn vereinigt Steuerungszentren für linke Hand in rechter Gehirnhälfte Kürzeste Verbindung zwischen den visuellen und motorischen Zentren -> Orientierung im Raum

37 Drittes Neuron 1. Nervus Opticus Visual Cortex Umfasst die seitlichen Kniehöcker verlassenden Fasern Spalten sich zur Gratiolet schen Sehstrahlung auf Führen zum Hinterhautlappen des Gehirns

38 Hinterhauptlappen Visual Cortex Eigentlicher Träger der Sinnesempfindung Optisches Chiasma Optische Nervenbahnen Jeder Stelle der Netzhaut ist ein bestimmtes Areal der Hinterhautlappen zugeordnet Weitere Verbindungen zum Thalamus und Hypothalamus Steuerung anderer Körperfunktionen [Quelle: Kessler]

39 Pupillen Reflex Weg parasymphatetic part [Quelle: Kessler]

40 Pupillen Reflex Weg parasymphatetic part [Quelle: Kessler]

41 Adaption, Leuchtdichtebereich Anpassung des Auges über extremen Leuchtdichtebereich: Änderung der Pupillenöffnung Variation um Faktor 16 Übergang von Zapfen- auf Stäbchensehen Änderung der Sehstoffkonzentration in den Empfängern Verschaltung der Sehzellen Absolutblendung bei 10 6 cd/m cd/m² 10 cd/m² 10 6 cd/m²

42 Datentransport [Quelle: Kessler]

43 Datentransport [Quelle: Kessler]

44 Übertragungsstrecke 10 8 Rezeptoren 10 6 Nervenleitungen Neuronen im visuellen Kortex

45 Elektro-physiologische Mechanismen Lichtimpuls gelangt auf Netzhaut - Erzeugung einer Erregung Antwort der Rezeptoren: Aktionspotentialänderungen Für dunkles Auge: Ruhepotential Nach Einschalten: Negative a-zacke Positive b-zacke c-anstieg Nach Ausschalten: d-zacke Sichtbarmachen Messung der Spannungsdifferenz zwischen Hornhaut und Netzhaut Elektroretinogramm

46 Elektroretinogramm (ERG) [Quelle: Schober]

47 On-Off-Elemente Stimulus Off-Center Ganglion cell On-Center Ganglion cell On-Off-Amakrine On-Bipolar Cell Off-Bipolar Cell Horizontal Cell Cones Vorwiegend Ganglienzellen Führen zu Nervenfasern 3 Typen: On - Aktionspotential nach Einschalten Off - Aktionspotential nach Ausschalten On - Off - Nur Einund Ausschaltzacke Sichtbarmachen der Potentialänderung in der Sehrinde im EEG (Elektroenzephalogramm) [Quelle: Kessler]

48 Signalverarbeitung Stimulus Off-Center Ganglion cell On-Center Ganglion cell On-Off-Amakrine On-Bipolar Cell Off-Bipolar Cell Horizontal Cell Cones [Quelle: Kessler]

49 Elektrische Signale beim Sehvorgang

50 Ziel der Schaltmechanismen Wichtig für Verstärkung und Abschwächung, der auf die Netzhaut fallenden Reize Divergenz Abschwächung Auffächern der aus der Fovea stammenden Impulse Geringer Fläche der Fovea steht mal größere Fläche in der Sehrinde zur Verfügung - enormes Auflösungsvermögen der Fovea Konvergenz Verstärkung Zusammenschalten mehrerer Rezeptoren über eine Bipolarund Ganglienzelle Unterschwelliger Reiz wird durch Art Summationsprozess überschwellig große Lichtempfindlichkeit in Peripherie

51 Augenbewegungen Tremor ( Hz), Saccaden (0,03..5 s), langsames Driften

52 Begriffe Gesichtsfeld Wahrgenommener Teil der Außenwelt bei ruhig gehaltenem Blick Blickfeld Alle Punkte, die nacheinander angeblickt und ins Zentrum der Netzhaut abgebildet werden. Summe aller Punkte, die fixiert werden. Blicklinie Verbindungslinie zwischen angeblicktem Punkt und Fovea Sehfeld Interpretation des jeweils existierenden Gesichtsfeldes Das Gehirn erzeugt anhand der auf der Netzhaut abgebildeten Gegenstände und der Seherfahrung der jeweiligen Person das physiologisch-psychologische Sehfeld.

53 Literatur Goldstein, E.B.: Wahrnehmungspsychologie Hrsg.: Manfred Ritter, Heidelberg; Berlin: Spektrum, Akademischer Verlag. 2002, 2. Auflage Hubel: Auge und Gehirn Verlag Spektrum der Wissenschaft, 1990 Schober: Das Sehen Gregory, L: Auge und Gehirn (Populäre Darstellung) Trotter, Jörg; Das Auge, DOZ-Verlag, Heidelberg, 2004 DIN 5340 Begriffe der physiologischen Optik CIE TC 1-14 Lighting effects on visions.