水中視力

水中視力とは、水中にある物体を見る能力であり、いくつかの要因によって大きく左右される。水中では、水中を通過する距離に応じて光が急速に減衰するため、自然光のレベルが低くなり、物体が見えにくくなる。物体と観察者との間の光の散乱によっても物体はぼやけ、コントラストも低下する。これらの影響は、光の波長、水の色や濁度によって異なる。脊椎動物の目は通常、水中視力または空気視力に最適化されており、人間の目も同様である。空気視力に最適化された目の視力は、直接接触して水中に浸漬すると、空気と水の屈折率の違いによって著しく悪影響を受ける。角膜と水の間に空気層を設けることで補正できるが、スケールと距離の歪みという副作用がある。ダイバーはこれらの歪みを補正する方法を学ぶ。人工照明は、近距離での照明を改善するのに効果的である。^[1]

立体視力、つまり異なる物体の相対的な距離を判断する能力は、水中では大幅に低下しますが、これは視野の影響を受けます。ヘルメットのビューポートが小さいために視野が狭くなると、立体視力が大幅に低下し、それに伴い手と目の協調性が失われます。^[1]透明水での非常に近距離では、マスクの平面レンズによる屈折による拡大により距離が過小評価されますが、腕の届く範囲を超える遠距離では、濁度の影響を受けて距離が過大評価される傾向があります。相対的および絶対的な奥行き知覚は、水中では低下します。コントラストの喪失により過大評価が生じ、近距離では拡大効果が過小評価の原因となります。^[1]ダイバーは、時間と練習を重ねることで、これらの影響にかなり適応できます。^[1]

光線は、ある媒体から別の媒体に移動するときに曲がります。曲がる量は、2 つの媒体の屈折率によって決まります。1 つの媒体が特定の曲面形状をしている場合、その媒体はレンズとして機能します。角膜、眼球体液、水晶体が一緒になってレンズを形成し、画像を網膜に焦点を合わせます。ほとんどの陸生動物の目は、空気中での視覚に適応しています。しかし、水は角膜とほぼ同じ屈折率 (どちらも約 1.33) を持っているため、角膜の焦点を合わせる特性が実質的に失われます。水に浸かると、画像は網膜に焦点を合わせる代わりに、網膜の後ろに焦点を合わせられ、遠視により非常にぼやけた画像になります。^[2]これは、マスクやヘルメットの中に閉じ込められた水と角膜の間に空気層を設けることで大部分回避されます。

水は吸収により光を減衰させ^[2]、光が水を通過すると、色が選択的に水に吸収されます。色の吸収は、水と溶解物質の濁度によっても影響を受けます。水は赤色光を優先的に吸収し、黄色、緑色、紫色の光もそれほど吸収しないため、水に最も吸収されない色は青色光です^[3] 。粒子と溶解物質は異なる周波数を吸収する可能性があり、これが深度での色に影響を及ぼし、多くの沿岸水域で典型的に緑色になり、多くの淡水の川や湖が溶解した有機物のために暗赤茶色になるなどの結果になります^{[1] 。}

視程とは、一般に、人間、動物、または器具が特定の環境下で物体を光学的に検出する能力を予測する用語であり、物体または光を識別できる距離の尺度として表現されることがあります。^[4]視程に影響する要因には、照明、光路長、散乱を引き起こす粒子、特定の色を吸収する溶解色素、屈折率に影響する塩分および温度勾配などがあります。^[5]視程は任意の方向で、さまざまな色のターゲットに対して測定できますが、黒色のターゲットの水平視程は変数を減らし、水中の視程に関する単純かつ堅牢なパラメータの要件を満たします。^[4]水面からの視程を現場で推定するための器具があり、これによりダイビング チームが起こりうる合併症について知ることができます。

水中環境の照明は水の特性によって制限されます。{{expand section}|日光、生物が発する光、人工照明}}

• 人工照明の場合は、自然光よりも光源が視聴者に近い可能性が高いため、後方散乱の影響が大きくなります。

水の屈折率は空気と大きく異なり、これが目の焦点合わせに影響します。ほとんどの動物の目は水中または空中の視覚に適応しており、他の環境では適切に焦点を合わせられません。^[要出典]

魚の目の水晶体は非常に凸型で、ほぼ球状であり、その屈折率はすべての動物の中で最も高い。これらの特性により、光線を適切に焦点合わせ、網膜上に適切な像を形成できる。この凸レンズは、写真における魚眼レンズの名前の由来となっている。^[6]

平らなダイビングマスクを着用することで、人間は水中をはっきりと見ることができます。^{[2] [7] [8]}マスクの平らな窓は、空気の層によって目と周囲の水を隔てています。水から平らな平行窓に入る光線は、窓の素材自体の中では方向をほとんど変えません。^[2]しかし、これらの光線が窓から出て平らな窓と目の間の空間に入ると、屈折がかなり顕著になります。視界の経路は、水槽で飼われている魚を見るのと同じように屈折（曲がり）ます。直線偏光フィルターは、周囲の光を制限し、人工光源を暗くすることで、水中での視認性を低下させます。^[1]

平らなスキューバマスクやゴーグルを着用すると、水中の物体は実際よりも33％大きく（塩水では34％大きく）、または25％近くに見えます。^[2]また、糸巻き型歪みと横方向の色収差も目立ちます。ダブルドームマスクは、一定の制限はあるものの、水中での自然な大きさの視界と視野を復元します。^{[2] [9]}

ダイバーは、ダイビングマスクやヘルメットの下にコンタクトレンズを着用できます。紛失のリスクはマスクやヘルメットの安全性に依存しますが、ヘルメットを着用している場合は非常に低くなります。フレーム付きレンズは、一部のヘルメットやフルフェイスマスクで着用できますが、新鮮で乾燥したガスの流れがない場合、曇りを取るのが困難です。フレームはヘルメットやマスクに取り付けることも、通常の方法で頭に装着することもできますが、ダイビング中に位置がずれても調整できません。

マスクの外側に着用するメガネは、レンズ表面と接触する空気と水の屈折率が異なるため、水面外と水中で屈折が異なります。

ダイビングマスクには、視力を改善するために光学補正が必要なダイバー用のレンズを取り付けることができます。補正レンズは片側が平らに研磨され、マスクレンズの内側の面に光学的に接着されています。これにより、レンズの曲面がどちらの場合も空気と接触するため、水面上でも水面下でも同量の補正が得られます。この用途には二重焦点レンズも利用できます。一部のマスクは取り外し可能なレンズで作られており、さまざまな標準補正レンズを装着できます。マスクの内側に貼り付けることができるプラスチック製の粘着レンズは、マスクが長時間浸水すると外れてしまうことがあります。コンタクトレンズはマスクやヘルメットの下に着用できますが、マスクが浸水すると紛失するリスクがあります。^{[9] [10]}

近視の人でも、水中ではほぼ正常に見えます^[要出典]。水中写真撮影に興味のあるスキューバダイバーは、暗い場所で焦点を近くに合わせるため、普段の生活で老眼の症状に気づく前に、ダイビング中に老眼の変化に気づくことがあります。 ^[11]

東南アジアのモケン族は、水中で焦点を合わせて小さな貝類やその他の食料を拾うことができる。[ 12 ^]ギスレンらは、モケン族と訓練を受けていないヨーロッパの子供たちを比較し、モケン族の水中視力は訓練を受けていないヨーロッパの子供たちの2倍であることを発見した。^[13] 1か月の訓練を受けたヨーロッパの子供たちも、水中で同レベルの視力を示した。^[14]これは、空気中での観察に慣れた通常の訓練を受けていない目が水中に沈んだときに起こる通常の散瞳（散瞳）ではなく、 収縮によるものである。 ^[15]

水は吸収によって光を減衰させます^[2]。吸収は周波数の関数として変化します。言い換えれば、光が水中をより長い距離通過するほど、色は選択的に水に吸収されます。色の吸収は、水の濁度や溶解物質によっても影響を受けます。

水は赤色光を優先的に吸収し、黄色、緑色、紫色の光もそれほどではないが吸収するため、水に最も吸収されない色は青色光である。^[3]粒子と溶解物質は異なる周波数を吸収する可能性があり、これが深部での色に影響を及ぼし、多くの沿岸水域では典型的に緑色になり、多くの淡水河川や湖沼では溶解有機物により暗赤褐色になる。^[1]

蛍光塗料は、人間の目が比較的鈍感な高周波光を吸収し、より検出しやすい低周波光を放射します。放射された光と反射された光が組み合わさり、元の光よりもかなり目立ちます。最も目立ちやすい周波数は水中で最も急速に減衰する周波数でもあるため、より長い波長が水によって減衰されるまで、短距離では色のコントラストが大幅に向上します。^[1]

水中での視認性を高めるために最適な色は、ルリアらによって示され、アドルフソンとベルゲから以下のように引用されている。^{[2] [7]}

A. 視界の悪い濁った水（河川、港湾など）の場合

1. 自然光の場合：

a. 蛍光黄色、オレンジ色、赤色。

b. 通常の黄色、オレンジ、白。

2. 白熱灯照明の場合：

a. 蛍光色と通常の黄色、オレンジ色、赤、白。

3. 水銀光源の場合：

a. 蛍光黄緑色と黄オレンジ色。

b. 通常の黄色と白。

B. 中程度の濁度がある水（海峡、湾、沿岸水域）用。

1. 自然光または白熱光源の場合：

a. 黄色、オレンジ色、赤色の蛍光色。

b. 通常の黄色、オレンジ、白。

2. 水銀光源の場合：

a. 蛍光黄緑色と黄オレンジ色。

b. 通常の黄色と白。

C. 清水（南水、^{[説明が必要]}沖合の深海など）用。

1. どのようなタイプの照明でも蛍光塗料が優れています。

a. 遠距離から見ると、蛍光グリーンと黄緑になります。

b. 視聴距離が短い場合、蛍光オレンジが最適です。

2. 自然光の場合：

a. 蛍光塗料。

b. 通常の黄色、オレンジ、白。

3. 白熱光源の場合：

a. 蛍光塗料。

b. 通常の黄色、オレンジ、白。

4. 水銀光源の場合：

a. 蛍光塗料。

b. 通常の黄色、白。

水の背景で視認性の限界にある最も難しい色は、灰色や黒などの暗い色です。

視認性は、一般的には、人間または機器が特定の環境内で物体を検出する能力を予測する用語であり、物体または光を識別できる距離の尺度として表現されることがあります。^[4] 550 nm の光に対する水の光学特性の値に基づく純水の理論的な黒体視認性は、74 m と推定されています。^[16]日光で十分に照らされた比較的大きな物体の場合、物体の水平視認性は、明所視光線減衰係数 (目のスペクトル感度) の関数です。この関数は、4.6 を明所視光線減衰係数で割った値であると報告されています。^[4]

視程に影響を与える要因としては、水中の粒子（濁度）、塩分濃度勾配（塩分躍層）、温度勾配（サーモクライン）、溶存有機物などがある。^[5]

特定の波長における水平面での距離によるコントラストの減少は、その波長のビーム減衰係数に直接依存することが分かっています。黒色ターゲットの固有のコントラストは -1 であるため、水平方向の黒色ターゲットの視認性は単一のパラメータに依存します。これは他の色や方向では当てはまりません。そのため、黒色ターゲットの水平視認性は最も単純なケースであり、このため、比較的単純な機器で測定できるため、水中視認性の基準として提案されています。^[17]

ダイバーの視程を左右する明所視光線減衰係数は、人間の目で知覚される自然光の減衰ですが、実際には、1 つまたは複数の波長帯の減衰係数を測定する方が簡単で一般的です。デイビス-コリーによって導き出された明所視光線減衰係数で割った関数 4.8 は、広範囲の典型的な沿岸水域および内水域の状況と視界条件で平均誤差 10% 未満の視程値を与えることが示されており、約 530 nm ピークの単一波長帯の光線減衰係数は、いくつかの小さな調整を加えることで、多くの実用的な目的において全可視スペクトルの適切な代理値となります。^[17]

水中の視程の標準的な測定方法は、セッキ円盤が見える距離である。水中の視程の範囲は通常、濁度によって制限される。非常に透明度の高い水では、視程は約 80 メートルまで広がることがあり^[18] 、南極の東ウェッデル海の沿岸ポリニヤでは、79 メートルのセッキ深度の記録が報告されている。^[18]他の海水では、50 から 70 メートルのセッキ深度が時折記録されており、1985 年には東部で 53 メートル、熱帯太平洋で最大 62 メートルの記録がある。このレベルの視程は、表層の淡水ではめったに見られない。^[18]オレゴン州のクレーター湖は透明度が高いことでよく引き合いに出されるが、2 メートルの円盤を使用した場合のセッキ深度の最高記録は 44 メートルである。^{[18]南極の}マクマード乾燥谷の湖やアイスランドのシルフラ湖も、例外的に透明度が高いと報告されている。^[要出典]

視認性は任意の方向で、また様々な色のターゲットで測定できるが、黒色のターゲットの水平視認性は変数を減らし、水中視認性に関する単純で堅牢なパラメータの要件を満たしており、機雷掃討部隊や爆発物処理部隊の作戦上の決定に使用できる。^[4]

水中の視程を測定する機器は、基本的に対象物と観測者の間の水面を通る光の透過率を測定して損失を計算するもので、透過率計と呼ばれます。既知の強度と波長分布を持つ光源から、既知の距離の水面を通過して校正済みの光度計に透過される光の量を測定することで、水の透明度を客観的に定量化できます。^[19] 532 nm（緑）の波長は、人間の視覚スペクトルのピークとよく一致しますが、他の波長を使用することもできます。^[4]透過率計は、粒子濃度が低いほど感度が高く、比較的透明な水の測定に適しています。^[20]

濁度計は濁った水中の浮遊粒子を測定するのに使用され、透過率計よりも直線的な応答を示します。水の濁度、または曇り度は相対的な尺度です。これは浮遊粒子の特性、照明、および機器の特性に応じて変化する見かけの光学特性です。濁度は濁度標準を基準とした濁度計単位、またはホルマジン濁度単位で測定されます。^[20]

比濁計は浮遊粒子によって散乱された光を測定し、主に粒子サイズと濃度の一次効果に反応します。メーカーによって異なりますが、比濁計はビーム軸から約90°から165°の範囲で散乱光を測定し、通常は約660nmの波長の赤外線を使用します。この波長は水に急速に吸収されるため、表面近くを除いて周囲の日光による光源の汚染はほとんどありません。^[20]

低視程とは、潜水媒体が濁っていて、人工照明を使っても近距離では物体がはっきりと見えないダイビング環境を指します。この用語は、媒体が透明な場合に単に照明が不足していることを意味するのには通常使用されません。ゼロ視程は、ダイバーがマスクまたはヘルメットの外側を実質的に何も見ることができず、ライトが点灯しているかどうかを確認するためにビューポートにライトを当てる必要があり、通常の視力を持つ人が通常の計器を読み取ることができない状態を表すために使用されます。(一部のマスク一体型ヘッドアップ ディスプレイは判読できる場合があります)

NOAAは運用上の目的で低視程を次のように定義しています。「ダイビング仲間との視覚的なコンタクトが維持できなくなったとき。」^[21]

DAN-南アフリカは、視界が限られている状態とは「3メートル以上離れた場所で仲間を識別できない」状態であると示唆している。^[22]

• スネルの法則 – 屈折角の公式
• ダイビングマスク – 水中の視界を改善するビューポートを備えた防水空気充填フェイスカバー
• 水中コンピュータビジョン – コンピュータビジョンのサブフィールド
• 水中写真 – 写真のジャンル

• Chou, B; Legerton, JA; Schwiegerling, J. 「水中視力の向上: コンタクト レンズとその他のオプションにより、患者は安全に水中での視力を最大化できます」。Contact Lens Spectrum (2007 年 6 月) 。2009 年 6 月 27 日閲覧。^{[永久リンク切れ‍ ]}