nabbla (nabbla1) wrote,
nabbla
nabbla1

Categories:

Глаз совы - не то, чем кажется

- Как все в природе мудро устроено! Заметили? Ведь дырочки на шкурке у кошки именно там, где у кошки глазки!
башорг #397561


Сова способна повернуть голову на 270° жаворонку с перфоратором

Интересная дискуссия у нас возникла с vorona_n и acantharia по поводу больших "анимешных" глаз в природе.

Если спросить астронома, как диаметр объектива влияет на угловое разрешение, он ответит: чем больше - тем лучше! В телескопах стараются добиться того, чтобы все аберрации были малы по сравнению с размытием из-за дифракции.

Спросишь фотографа - он порекомендует для наибольшей четкости прикрыть диафрагму на 1-2 позиции.

А вот человеческий глаз видит наиболее чётко, когда зрачок сужен почти до конца: до 2-3 мм, тогда как в темноте он расширяется обычно до 6-7 мм, у отдельных людей - до 8-9 мм. Проблема в больших аберрациях довольно-таки простой оптической системы глаза: в нём всего одна линза (хрусталик), фокусное расстояние составляет 22 мм (приведённое на "воздух", глазное яблоко заполнено жидкостью, поэтому реальное фокусное расстояние меньше), т.е относительное отверстие изменяется от 1:3 до 1:11. Ясное дело, что на одной линзе "далеко не уедешь", надо её диафрагмировать посильнее, и лишь вблизи 2 мм дальнейшее уменьшение зрачка начинает вредить: дифракция возрастает быстрее, чем уменьшаются аберрации.

HumanAcuity.png
(взято из [1])

Вроде бы всё логично - природа много красивых вещей придумала, но многолинзовые объективы, просветлённую оптику, тяжелые флинты и прочие кроны реализовать "в мясе" не очень-то получится.

Но тут возникает один маленький вопрос: а как получается, что у сов диаметр зрачка может достигать 15 мм, и видят они лучше человека, как в плане четкости, так и по чувствительности, при том что голова у них заметно меньше нашей?

human_humiliation.png

(как совам проверяли зрение, см [2])
Owl_at_optometrist.png

Предупреждение: после того, как вы заглянете под кат, совы для вас никогда не станут прежними.

Один очевидный способ улучшения всех оптических характеристик - увеличение всех геометрических размеров, простое масштабирование. Дифракция очень быстро становится незначительной, тогда как света начинает приходить больше в k2 раз (k - линейное увеличение размера) с того же телесного угла. Если на сетчатке будут применяться те же самые палочки и колбочки, то теперь их влезет гораздо больше, что повысит угловое разрешение. Аналог из фотографии - переход от смартфонов и "мыльниц" с маленькими матрицами (и столь же маленькими линзами) к кропнутым зеркалкам, от них - к полноформатным зеркалкам, а потом - вперёд на средний и крупный формат. Крупноформатный объектив с отн. отверстием 1:3.5 и малоформатный (35 мм) с таким же отверстием - вещи ну абсолютно не сопоставимые, хотя казалось бы - оптическая схема та же, линз немного.

Из живущих в наше время животных, самый большой глаз - у гигантского кальмара. Диаметр его глаза составляет 27 см, а диаметр зрачка - 9 см. Это позволяет ему уловить даже самый слабый свет, вызываемый биолюминесценцией живущих на глубине существ.


Типичный подход "судовиков" - для них масса меряется в тоннах, а размеры - в кубометрах, подумаешь, глаз размером в мячик! А вот авионики традиционно бьются за каждый грамм - ну нельзя такие глазки в сову запихивать, её участь от этого станет вдвое печальнее, чем в известной поговорке. Даже глаза человеческого размера в голове совы займут очень приличный объём, а мы уже знаем, что зрачок 15 мм (1:1,5) для них лишён смысла - света мы поймаем много, но одна линза не сможет сформировать из него сколько-нибудь чёткое изображение.

SphericOwl.jpg

Надо сказать, что глаз животного с одной линзой работает значительно лучше большинства объективов (созданных человеком) на одной линзе за счет нескольких "ноу-хау", которые оптикам ещё только предстоит в полной мере освоить.

На всех иллюстрациях изображают, что в глазу ровно одна линза - хрусталик. Это не так: роговица глаза также работает как линза, пусть с небольшой оптической силой, так что система на самом деле получается двухлинзовой.

Что куда более необычно: показатель преломления хрусталика не является постоянным: он максимален по центру и плавно падает к краям, так что хрусталик является образцом градиентной оптики. Правильный выбор этого градиента позволяет серьёзно уменьшить в первую очередь сферические и хроматические аберрации изображения. Кома (в значении аберрации), астигматизм (в значении аберрации 3-го порядка, т.е проявляющийся лишь в стороне от оптической оси) и дисторсия не так страшны для глаза, поскольку ему вовсе не обязательно захватить всю картинку целиком за один раз. Он наведётся на один объект, разместив его в желтом пятне (области на сетчатке, где разрешение и цветовая чувствительность глаза максимальны), тогда как для периферийного зрения можно позволить себе некоторые искажения. Кривизна поля изображения может быть скомпенсирована кривизной светочувствительной области, но делается ли эта компенсация в реальности (совпадает ли кривизна сетчатки с кривизной поля) - сказать не могу. В [3] попробовали изготовить градиентную линзу, имитирующую хрусталик глаза, с отн. отверстием 1:2,2, и такая линза оказалась гораздо лучше стандартной (из стекла с постоянным показателем преломления), но, конечно, значительно хуже современных многолинзовых объективов. В [4] определяют параметры хрусталика хрюшек (как именно распределён показатель преломления) и приходят к выводу (среди прочего), что без градиента хрусталик имел бы положительную сферическую аберрацию, тогда как с градиентом она становится небольшой отрицательной, компенсирующей положительную сферическую аберрацию роговицы.

Кстати, форма зрачка - это своего рода попытка правильно диафрагмировать градиентный хрусталик. Круглый зрачок хорош с точки зрения дифракции, но он может закрыть целиком крайние области, "превратив" хрусталик в обычную стекляшку. В [5] исследуют этот вопрос, но последовательной картины выстроить, как обычно, не получается. Многое всё-таки определяется волей случая.
SlitPupil.png

Итак, что остаётся бедной сове? Если человеческий глаз имеет диаметр 24 мм и максимальный размер зрачка около 7 мм, то глаз совы должен был бы иметь диаметр вдвое больше (15/7), т.е 48 мм, и таких два - они элементарно всю башку займут, даже у филина, ну не складывается картина.

Оказывается, что глаз совы вовсе не похож на шарик или на яблоко, он вытянут в длину, напоминая скорее фотоаппарат - спереди тубус объектива, а сзади фотоприёмник. Как будто переднюю часть глаза оставили без изменения, а сетчатку отнесли подальше, пропорционально увеличив в размерах, чтобы сохранить поле зрения. Раз увеличилось фокусное расстояние, то теперь можно увеличить и диаметр зрачка, так что всё складывается как надо.


Недостаток этого подхода очевиден - такой глаз не повращаешь особенно - и действительно, у совы глаза закреплены в черепе жестко. На картинке можно видеть, что даже такие глаза занимают очень приличную часть черепа (комментарий к картинке - загляни сове в ухо, а увидишь глаз!), а уж заставь их вращаться - вообще места бы не осталось, да и попробуй их повращай при такой форме! Сова может смотреть только прямо. Надо куда-то посмотреть - крути всю голову, для того совам и нужна такая подвижная шея, допускающая поворот на 270°, иначе просто никак.
stock_owl_skull_lateral2_by_coyotlprole.jpg

Литература:
[1] Josef F. Bille,C.F.H. Harner,Frieder (ред) - Aberration-Free Refractive Surgery: New Frontiers in Vision - 2012

[2] Wolf M. Harmening a,*, Michael A. Vobig b, Peter Walter b, Hermann Wagner a - Ocular aberrations in barn owl eyes- 2007

[3] G. Beadie,1,* James S. Shirk,1 A. Rosenberg,1 Paul A. Lane,1 E. Fleet,1 A. R. Kamdar,2 Y. Jin,2 M. Ponting,2 T. Kazmierczak,2 Y. Yang,2 A. Hiltner,2 and E. Baer2 - Optical properties of a bio-inspired gradient refractive index polymer lens - 2008.

[4] Judith Birkenfeld ⇑, Alberto de Castro, Sergio Ortiz, Daniel Pascual, Susana Marcos - Contribution of the gradient refractive index and shape to the crystalline lens spherical aberration and astigmatism - 2013


[5] Olle E. Lind*, Almut Kelber and Ronald H. H. Kröger - Multifocal optical systems and pupil dynamics in birds - 2008

[6]William J. Donnelly III and Austin Roorda - Optimal pupil size in the human eye for axial resolution - 2003 - решают обратную задачу - при каком диаметре зрачка лучше всего получится рассмотреть сетчатку. Ясно, что при том же диаметре и сетчатка хорошо рассмотрит мир.

Рекомендую интересные статьи сохранить на диск: они могут в какой-то момент исчезнуть из открытого доступа под давлением Elsevier и прочих фантастических тварей.



На тему мудрого устройства животных писал про пингвинов: https://nabbla1.livejournal.com/77562.html
Tags: #397561, зверушки, маньяк-эколог, странные девайсы
Subscribe

  • Ремонт лыжных мостиков

    Вернулся с сегодняшнего субботника. Очень продуктивно: отремонтировали все ТРИ мостика! Правда, для этого надо было разделиться, благо народу…

  • Гетто-байк

    В субботу во время Великой Октябрьской резни бензопилой умудрился петуха сломать в велосипеде. По счастью, уже на следующий день удалось купить…

  • А всё-таки есть польза от ковариаций

    Вчера опробовал "сценарий", когда варьируем дальность от 1 метра до 11 метров. Получилось, что грамотное усреднение - это взять с огромными весами…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 16 comments

  • Ремонт лыжных мостиков

    Вернулся с сегодняшнего субботника. Очень продуктивно: отремонтировали все ТРИ мостика! Правда, для этого надо было разделиться, благо народу…

  • Гетто-байк

    В субботу во время Великой Октябрьской резни бензопилой умудрился петуха сломать в велосипеде. По счастью, уже на следующий день удалось купить…

  • А всё-таки есть польза от ковариаций

    Вчера опробовал "сценарий", когда варьируем дальность от 1 метра до 11 метров. Получилось, что грамотное усреднение - это взять с огромными весами…