El espectro electromagnético Visibilidad espectral Fisiología del ojo

El espectro electromagnético
Visibilidad espectral
Fisiología del ojo
Clase del 15 de abril de 2008
M.L. Calvo
Física de la Visión, Máster de Física Biomédica, UCM.
Frecuencia (Hz)
Radiaciones ionizantes
1021
1019
1016
1014
1013
1010
108
móviles
106
Sensibilidad espectral:
Fundamentos
•
La curva de visibilidad espectral del ojo humano se obtiene
considerando que éste es un detector espectral.
•
La definición de detector está asociado a la emisión de radiación por
una fuente luminosa.
•
La caracterización de una fuente luminosa se realiza a través de
medidas radiométricas y fotométricas.
•
Las unidades fotométricas se expresan como valores absolutos de
energía.
•
Se supone que el ojo humano es un detector homogéneo: con
detección equalizada del brillo o radiancia: B (brigtness).
•
El brillo es una magnitud para la percepción visual que tiene una
correspondencia con la luminancia (magnitud fotométrica).
Magnitudes radiométricas y fotométricas
fundamentales
Magnitud radiométrica Unidad
Magnitud fotométrica
Unidad
____________________________________________________________________
Energía radiante (Qe)
Flujo radiante (Pe)
Julio (J)
Vatio (W)
Energía luminosa (Qv)
Flujo luminoso (Pv)
Lumen/s (lm/s)
Lumen (lm)
Intensidad radiante (Ie) Vatios/estereorradián (W/sr) Intensidad luminosa (Iv) Candela (lm/sr)
Irradiancia (Me)
(Exitancia radiante)
W/m2
Iluminancia (Ev)
Lux (lm/m2)
Radiancia (Le)
W(srXm2)
Luminancia (Lv)
Cd/m2
____________________________________________________________________
Iluminación desde una fuente puntual
Normal a δS
θ
O
Ω
r
δS
P
La energía detectada en δS se define mediante la intensidad radiante en
una dirección dada.
Intensidad radiante
• Definición:
Flujo radiante (We) emitido por unidad de ángulo sólido (sr) desde una
fuente puntual isótropa.
• Parámetros físicos
• La medida de la intensidad radiante (al igual que el brillo) implica la
determinación del tiempo de detección, el área del detector, la
direccionalidad de la emisión detectada, el ángulo sólido definido por el
cono de luz y la energía emitida y propagada (en el vacío).
• La medida está asociada al tipo de detector:
1) Térmico: Por ejemplo, un bolómetro
2) Condiciones de la superficie: Efecto fotoeléctrico.
El sistema visual humano actúa como
detector de fotones
De acuerdo con la Física Cuántica, la energía de una onda
electromagnética está cuantificada, es decir, sólo puede existir en valores
discretos.
La unidad básica para la energía de una onda electromagnética es el
fotón.
La energía E de un fotón es proporcional a la frecuencia de emisión de la
onda:
E = h ν;
h es la constante de Planck;
h = 6,626 x 10-34 J s.
• Rango de energía (J) de los fotones ópticos:
3 × 10-19 < E ≤ 5 × 10−19
Curva de visibilidad relativa del ojo humano
(observador universal)
El comportamiento de
la respuesta espectral
del ojo humano es el
resultado de un
proceso de evolución
de su comportamiento
como sistema
biológico.
Sistema que tiene un
alto grado de
adaptación al entorno.
Vλ es el valor recíproco del flujo de energía que produce la misma sensación de
brillo, como función de la longitud de onda.
Comportamiento espectral de las fuentes de radiación de
nuestro entorno
Radiación del cuerpo negro
Rango dinámico del sistema visual humano
Eficiencia luminosa (lm/w)
Adaptación del sistema visual al
nivel luminoso
Escotópica (bastones)
Fotópica (conos)
Longitud de onda (nm)
El ojo humano y la retina
Sección longitudinal y fondo de
ojo
Respuesta del sistema visual como detector espectral
El sistema visual humano: Estructura de la fóvea
• Fotones visibles --> carga eléctrica
• Los impulsos nerviosos son de
naturaleza electro-química
• El cerebro actúa como sistema
procesador de la información neuronal
Organización de la retina
• 5 tipos de células
–Fotorreceptores
• Conos y bastones
–Células horizontales
–Células bipolares
–Células amacrinas
–Celulas ganglionares
Distribución de fotorreceptores: Conos y
bastones
Bastones
Blind spot
Rods
Fovea
100
180
Fovea
140
Miles de conos/mm2
Miles de bastones/mm2
140
Blind spot
Fovea
Thousands of cones per
square millimeter
Thousands of rods per
square millimeter
180
Cones
Conos
100
60
20
0
60
Blind spot
20
0
60
40
20
0
20
40
60
Distance on retina from fovea (degrees)
Grados
60
40
20
0
20
40
Distance on retina from fovea (degrees)
Grados
60
Diseño de la capa retiniana
Señales que son
procesadas
El diseño no es óptimo—La formación del camino visual
necesita un número muy alto de neuronas. (El proceso evolutivo
sigue activo)
Estructura en detalle
Otros ejemplos en la naturaleza
La estructura del ojo
de un pulpo es
comparable a la del
ojo humano.
Ello proporciona un
ejemplo de
evolución
Diferencia
fundamental: los
receptores están en
la primera capa
epititelial.
Morfología de los fotorreceptores de la retina
La retina está compuesta de dos tipos de células altamente diferenciadas (fotoreceptores):
- 150 millones de bastones, sensibles al brillo luminoso.
- 7 millones of conos, responsables de la percepción del color (tricromo), concentrados en
la mácula.
La fovea es una región que presenta un empaquetado celular con alta densidad de
conos.
Trasducción
Luz
Señal
neuronal
“rojos” 64%
1,35 mm desde el
centro de la retina
“verdes” 32%
“azules” 2%
8 mm desde el centro
de la retina
Fotorreceptores
Niveles de recepción y procesado de
la información visual:
• Estructura en capas
• Procesado masivo de señales
• Outer Plexiform Layer (OPL):
Compresión de datos, detección de
bordes.
• Inner Plexiform Layer (IPL):
Procesado temporal de señales.
• Acción equivalente a un operador
diferencial espacio-temporal.
•Reducción de datos:
100 millones de receptores
1 millón de fibras nerviosas
Modelos para el procesado de la
información visual
• Aproximaciones Analíticas que predicen
procesos biológicos complejos
•
Proceso de la información visual:
• Se supone que todos los procesos son lineales
Caracterización del sistema: Respuesta del sistema
Estudio de casos particulares: Procesado de imágenes
• Evaluación de la imagen
• Calidad
• Interpretación de las funciones visuales
: