Фасеточные глаза. Сколько кадров в секунду видит муха и сколько у неё глаз У всех насекомых сложные фасеточные глаза

Глаз насекомого при большом увеличении похож на мелкую решетку.

Это потому, что глаз насекомого состоит из множества маленьких "глазков"-фасеток. Глаза насекомых называют фасеточными . Крошечный глазок-фасетка называется омматидий . Омматидий имеет вид длинного узкого конуса, основание которого - линза, имеющая вид шестигранника. Отсюда и название фасеточного глаза: facette в переводе с французского означает "грань" .

Пучок омматидиев составляет сложный, круглый, глаз насекомого.

Каждый омматидий имеет очень ограниченное поле зрения: угол обзора омматидиев в центральной части глаза - всего около 1°, а по краям глаза - до 3°. Омматидий «видит» только тот крошечный участок находящегося перед глазами предмета, на который он "нацелен", то есть куда направлено продолжение его оси. Но так как омматидии тесно прилегают друг к другу, а их оси в круглом глазу расходятся лучеобразно, то весь сложный глаз охватывает предмет в целом. Причём изображение предмета получается в нем мозаичным, то есть составленным из отдельных кусочков.

Число омматидиев в глазу у разных насекомых различно. У рабочего муравья в глазу всего около 100 омматидиев, у комнатной мухи - около 4000, у рабочей пчелы - 5000, у бабочек - до 17 000, а у стрекоз - до 30 000! Таким образом, у муравья зрение весьма посредственное, тогда как огромные глаза стрекозы - два радужных полушария - обеспечивают максимальное поле зрения.

Из-за того, что оптические оси омматидиев расходятся под углами 1-6°, четкость изображения насекомых не очень высока: мелких деталей они не различают. Кроме того, большинство насекомых близоруки: видят окружающие предметы на расстоянии лишь нескольких метров. Зато фасеточные глаза отлично умеют различать мелькания (мигания) света с частотой до 250–300 герц (для человека предельная частота около 50 герц). Глаза насекомых способны определять интенсивность светового потока (яркость), а кроме того, они обладают уникальной способностью: умеют определять плоскость поляризации света. Эта способность помогает им ориентироваться, когда солнца не видно на небосклоне .

Насекомые различают цвета, но совсем не так, как мы. Например, пчелы «не знают» красного цвета и не отличают его от чёрного, но зато воспринимают невидимые для нас ультрафиолетовые лучи, которые расположены на противоположном конце спектра . Ультрафиолет различают также некоторые бабочки, муравьи и другие насекомые. Кстати, именно слепостью насекомых-опылителей нашей полосы к красному цвету объясняется любопытный факт, что среди нашей дикорастущей флоры нет растений с алыми цветками.

Свет, идущий от солнца, не поляризован, то есть его фотоны имеют произвольную ориентацию. Однако, проходя через атмосферу, свет поляризуется в результате рассеивания молекулами воздуха, и при этом плоскость его поляризации всегда направлена на солнце

Кстати...

Кроме фасеточных глаз у насекомых есть еще три простых глазка диаметром 0,03-0,5 мм, которые располагаются в виде треугольника на лобно-теменной поверхности головы. Эти глазки не приспособлены для различения объектов и нужны для совсем другой цели. Они измеряют усредненный уровень освещенности, который при обработке зрительных сигналов используется в качестве точки отсчета («ноль-сигнала»). Если заклеить насекомому эти глазки, оно сохраняет способность к пространственной ориентации, но летать сможет только при более ярком свете, чем обычно. Причина этого в том, что заклеенные глазки принимают за «средний уровень» черное поле и тем самым задают фасеточным глазам более широкий диапазон освещенности, а это, соответственно, снижает их чувствительность.

Швейцарские учёные удалось воспроизвести глаз мухи, так называемый искусственный фасеточный глаз.
Фасеточные глаза, состоящие из множества узких светочувствительных конусов, называемых омматидиями, характерны для насекомых и ракообразных.

Такие глаза имеют ряд преимуществ и недостатков по сравнению с человечиским. Глаз мухи имеет меньшее разрешение, чем глаз позвоночных, то есть картинка улавливаемая данным глазом будет не четкая. А из преимуществ - они менее инерционны (некоторые насекомые способны воспринимать мелькания с частотой до 300 Гц), не требуют фокусировки и могут различать не только цвет, но и направление поляризации света. Если в двух словах – то картинка быстрая, разнообразная, насыщеная но не четкая. Команда учёных из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создала прототип искусственного фасеточного глаза, который использует преимущества такой конструкции.

Камера как глаз у мухи (фасеточный глаз)

Искусственный глаз, который учёные назвали CurvACE (CURVed Artificial Compound Eyes), состоит из 630 «омматидиев», каждый из которых представляет собой светочувствительный элемент и микролинзу, фокусирующую на него узкий пучок света. Глаз имеет угол обзора 60 градусов в вертикальной и 180 - в горизонтальной плоскости. По вертикали углы зрения разных омматидиев заданы формой микролинз, а по горизонтали - изгибом подложки, на которой расположен глаз. Такая форма продиктована технологией изготовления - светочувствительные элементы формируются на твёрдом кристалле, который затем разрезается на узкие полоски.

Камера как глаз у мухи (фасеточный глаз)

Глаз имеет объём всего 2,2 кубических сантиметра и весит 1,75 грамма. При промышленном производстве современный уровень техники позволит уменьшить его размеры как минимум вдвое. Основное назначение глаза - системы визуальной навигации для роботов. Глаз обладает высокой чувствительностью и динамическим диапазоном - каждый омматидий может индивидуально приспосабливаться к уровню освещённости. Такой глаз нельзя ослепить солнечным бликом. В сочетании с высоким быстродействием (прототип может выдавать до 1500 кадров в секунду), малыми размерами, отсутствием искажений по краям поля зрения и возможностью относительно просто добиться кругового или даже сферического обзора это делает его идеальным инструментом для определения положения робота в пространстве, детектирования препятствий и предотвращения столкновений. Наверное первые образцы таких камер мы увидим на автомобилях с автоуправлением и различных роботах.

По своим характеристикам CurvACE приблизительно соответствует глазу плодовой мушки дрозофилы. Так же как и глаз насекомого, содержащий внутри нервный узел, осуществляющий первичную обработку изображения, СurvACE включает в себя микроконтроллер, который обрабатывает сигнал с сенсоров с помощью алгоритмов оптического потока, а так же акселерометр и гироскоп.

Собственно электронная начинка и составляет большую часть массы и объема глаза - сам массив CMOS-сенсоров с микролинзами имеет толщину 1 мм и весит 0,36 грамма. Возможность придавать фасеточной камере любую форму и отсутствие больших линз открывают множество возможностей: такие «глаза» можно встраивать в стены помещений, в одежду или мебель для использования в системах умного дома или видеонаблюдения. Комбинируя омматидии разного типа в одном сенсоре, можно создать камеру, которая будет видеть одновременно в разных диапазонах. Некий праобраз всевидещего глаза, новая беда для параноиков и чудо находка для спецслужб.

Каждый человек хотя бы раз в жизни, пытался поймать муху. Скорей всего подобная затея была обречена на провал. Это связано с реакцией насекомого. Скорость реагирования мухи можно объяснить ее необычным зрением. На первый взгляд может показаться, что ничего особенного в насекомом нет, но это не так. Попробуем во всем разобраться.

Человек – существо, обладающее бинокулярным зрением, позволяющим фокусироваться на выбранном объекте. Муха отличается от любого млекопитающего. Насекомое просматривает пространство в пределах 360 градусов. Каждый глаз наблюдает за своей зоной, равной 180 градусам.

Особенность зрения мухи заключается в том, что она целенаправленно просматривает пространство, в котором находится. Это объясняется тем, что насекомое имеет на голове 2 выпуклых глаза.

Важно: острота зрения у насекомого в 3 раза выше, чем у человека.

Крылатый вредитель видит движения в замедленном виде. Подобное явление можно сравнить с эпизодом из кинофильма «Матрица», когда главный герой уклоняется от летящих пуль, зависающих в воздухе.

Строение глаз насекомого

Чтобы понять строение органов зрения, необходимо воспользоваться микроскопом. После увеличения видно, что внутри глаза расположено огромное количество мелких «глазиков», напоминающих медовые соты. Такой орган зрения называется фасеточным.

Важно: в каждом выпуклом глазе насчитывается около 3 тыс. фасеток.

Каждая фасетка передает изображение в мозг насекомого, после чего формируется общий пазл. В отличие от человека, с его бинокулярным зрением, мухи не видят четкой картинки. При этом они способны улавливать даже незначительные движения. Таким образом, насекомое может избегать опасности.

Благодаря своему строению глаз, мухи способны видеть оттенки, которые на доступны человеку. Это же касается и ультрафиолета. Благодаря «особенным» органам зрения, крылатый вредитель видит мир более радужно.

Несмотря на свои уникальные глаза, муха не способна видеть в темное время суток. Поэтому насекомые ночью спят. Еще одной особенностью зрения вредителя является то, что они не способны различать крупные объекты. Например, человека. При этом они отчетливо видят движение руки.

Благодаря своим фасеткам, муха способна видеть перемещающиеся объекты с высокой четкостью изображения. Насекомое воспринимает 300 кадров в секунду. Для сравнения можно отметить человеческое зрение, которое видит только 16 кадров. Благодаря особенному строению глаз, муха не только своевременно замечает приближающуюся опасность, но и прекрасно ориентируется в пространстве во время полета.

Сколько глаз у мухи?

Чтобы полностью сложилась картинка и можно было понять, как видят мухи, необходимо определить точное количество глаз. Как было рассмотрено выше, у насекомого имеется несколько органов зрения, а именно:

2 фасеточных;
3 простых, небольшого размера.

Первый вид глаз позволяет своевременно определять угрозу, а оставшиеся помогают фокусироваться на конкретной цели. Фасеточные «очки» размещены по бокам. Что касается дополнительных глаз, то они расположены в верхней части головы – на темечке.

У самцов органы зрения расположены ближе друг к другу. У самок лоб немного шире, поэтому глаза разведены в стороны. Несмотря на физиологические отличия, в обоих случаях насекомое просматривает пространство на 360 градусов.

Глаза и IT-технологии

Изучив строение органов зрения мухи, исследователи из университета Иллинойса сумели разработать фасеточную камеру. Внешне она напоминает глаз насекомого, состоящий из 180 камер-фасеток.

Каждая крошечная линза оснащена собственным фотодатчиком. Поэтому микрокамеры работают автономно друг от друга. Каждый фрагмент, отснятый камерой, отправляется в микропроцессор, где и формируется панорамная картинка. Ширина готового изображения соответствует углу обзора равному 180 градусам.

Важно: подобное изобретение не нуждается в фокусировке.

Объекты расположенные в непосредственной близости с камерами видны также отчетливо, как и те, что расположены на расстоянии. При необходимости форму «электронного глаза мухи» можно изменить. Это возможно благодаря эластичному полимеру, из которого изготовлено устройство.

Благодаря исследованию такого насекомого как муха, удалось получить уникальную камеру, которая может быть использована в видеонаблюдении. Также подобные устройства могут быть задействованы при создании новых компьютеров и ноутбуков.

Удивительное зрение

Проанализировав структуру глаза мухи, можно отметить на сколько удивительным зрением обладает насекомое. Вредитель не просто просматривает пространство на 360 градусов, но и мгновенно реагирует на опасность.

Зрение «домашней» мухи можно сравнить с высококлассной системой слежения. К тому же исследования насекомого позволили разработать новейшие технологии, которые решат многие проблемы.

В процессе эволюции зрения у некоторых животных возникают довольно сложные оптические приборы. К таким, безусловно, можно отнести глаза фасеточные. Они сформировались у насекомых и ракообразных, некоторых членистоногих и беспозвоночных. Чем отличается фасеточный глаз от простого, каковы его основные функции? Об этом поговорим в нашем сегодняшнем материале.

Глаза фасеточные

Это оптическая система, растровая, где отсутствует единая сетчатка. А все рецепторы объединены в небольшие ретинулы (группы), образуя выпуклый слой, не содержащий более никаких нервных окончаний. Таким образом, глаз состоит из множества отдельных единиц - омматидий, объединяющихся в общую систему зрения.

Глаза фасеточные, присущие, к отличаются от бинокулярных (присущих в том числе и человеку) плохим определением мелких деталей. Зато они способны различать колебания света (до 300 Гц), тогда как для человека предельные возможности - 50 Гц. А еще мембрана такого типа глаз имеет трубчатую структуру. Ввиду этого глаза фасеточные не имеют таких особенностей рефракции, как дальнозоркость или близорукость, для них неприменимо понятие аккомодации.

Некоторые особенности строения и зрения

У многих насекомых занимают большую часть головы и фактически неподвижны. К примеру, глаза фасеточные у стрекозы состоят из 30 000 частиц, образуя сложную структуру. У бабочек - 17 000 омматидиев, у мухи - 4 тысячи, у пчелы - 5. Наименьшее количество частичек у муравья рабочего - 100 штук.

Бинокулярное или фасеточное?

Первый тип зрения позволяет воспринимать объем предметов, их мелкие детали, оценивать расстояния до объектов и их расположение по отношению друг к другу. Однако человека ограничивается углом в 45 градусов. Если обзор необходим более полный, глазное яблоко осуществляет движение на рефлекторном уровне (либо мы повернем голову вокруг оси). Фасеточные глаза в виде полусфер с омматидиями позволяют видеть окружающую действительность со всех сторон, не поворачивая органов зрения или головы. Причем изображение, которое передает при этом глаз, очень похоже на мозаику: одной структурной единицей глаза воспринимается отдельный элемент, а вместе они отвечают за воссоздание полной картины.

Разновидности

Омматидии имеют анатомические особенности, в результате чего и различаются их оптические свойства (к примеру, у разных насекомых). Ученые определяют три вида фасета:

Кстати, некоторые виды насекомых имеют смешанный тип фасеточных органов зрения, а у многих, кроме рассматриваемых нами, имеются еще и простые глаза. Так, у мухи, к примеру, по бокам головы расположены парные фасеточные органы довольно больших размеров. А на темени есть три простых глаза, выполняющих вспомогательные функции. Такая же организация органов зрения и у пчелы - то есть всего пять глаз!

У некоторых ракообразных фасеточные глаза как бы сидят на подвижных выростах-стебельках.

А у некоторых амфибий и рыб имеется еще и дополнительный (теменной) глаз, который различает свет, но обладает предметным зрением. Сетчатка его состоит только из клеток и рецепторов.

Современные научные разработки

В последнее время глаза фасеточные - предмет изучения и восторга ученых. Ведь такие органы зрения, ввиду своего оригинального строения, дают почву для научных изобретений и изысканий в мире современной оптики. Основные преимущества - широкий обзор пространства, разработка искусственных фасеток, используемых преимущественно в миниатюрных, компактных, секретных системах наблюдения.

Возможно, будет полезно почитать: