El espectro electromagnéticoEl espectro electromagnéticoVisibilidad espectralVisibilidad espectral

Fisiología del ojoFisiología del ojo

Clase del 15 de abril de 2008

M.L. Calvo

Física de la Visión, Máster de Física Biomédica, UCM.

1021 1019 1016 1014 1013 1010 108 106

Frecuencia (Hz)

móviles

Radiaciones ionizantesRadiaciones ionizantes

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 demedidas 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 Magnitudes radiométricasradiométricas y fotométricas y fotométricas fundamentalesfundamentales

Magnitud radiométrica Unidad Magnitud fotométrica Unidad____________________________________________________________________

Energía radiante (Qe) Julio (J) Energía luminosa (Qv) Lumen/s (lm/s)

Flujo radiante (Pe) Vatio (W) Flujo luminoso (Pv) Lumen (lm)

Intensidad radiante (Ie) Vatios/estereorradián (W/sr) Intensidad luminosa (Iv) Candela (lm/sr)

Irradiancia (Me) W/m2 Iluminancia (Ev) Lux (lm/m2)(Exitancia radiante)

Radiancia (Le) W(srXm2) Luminancia (Lv) Cd/m2

____________________________________________________________________

Iluminación desde una fuente puntual

P

δS

O

Normal a δS

θ

r

La energía detectada en δS se define mediante la intensidad radianteintensidad radiante en una dirección dada.

Ω

Intensidad radianteIntensidad radiante

•• Definición:Definición:

Flujo radiante (We) emitido por unidad de ángulo sólido (sr) desde una fuente puntual isótropa.

• Parámetros físicosParámetros 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 El sistema visual humano actúa como detector de fotonesdetector 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:-19 193 10 5 10E −× < ≤ ×

Curva de visibilidad relativa del ojo humano Curva de visibilidad relativa del ojo humano (observador universal)(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 Comportamiento espectral de las fuentes de radiación de nuestro entornonuestro entorno

Radiación del cuerpo negroRadiación del cuerpo negro

Rango dinámico del sistema visual humanoRango dinámico del sistema visual humano

Adaptación del sistema visual al Adaptación del sistema visual al nivel luminosonivel luminoso

Escotópica (bastones)

Longitud de onda (nm)

Efic

ienc

ia lu

min

osa

(lm/w

)

Fotópica (conos)

El ojo humano y la retina

SecciónSección longitudinal y longitudinal y fondofondo de de ojoojo

Respuesta del sistema visual como detector espectralRespuesta del sistema visual como detector espectral

El El sistemasistema visual visual humanohumano: : EstructuraEstructura de la de la fóveafóvea

• Fotones visibles --> carga eléctrica

• Los impulsos nerviosos son de naturaleza electro-química

• El cerebro actúa como sistemaprocesador de la información neuronal

OrganizaciónOrganización de la retinade la retina

• 5 tipos de células–Fotorreceptores

• Conos y bastones–Células horizontales–Células bipolares–Células amacrinas–Celulas ganglionares

DistribuciónDistribución de de fotorreceptoresfotorreceptores: : ConosConos y y bastonesbastones

Thou

sand

s of

rods

per

sq

uare

mill

imet

er

Blind spotFovea

60 40 20 0 20 40 60

180

140

100

60

20

0

180

140

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60

20

060 40 20 0 20 40 60

Distance on retina from fovea (degrees)

FoveaBlind spot

Thou

sand

s of

con

es p

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squa

re m

illim

eter

Distance on retina from fovea (degrees)

Fovea

Blind spot

Rods ConesBastones

Conos

Mile

s de

bas

tone

s/m

m2

Mile

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con

os/m

m2

Grados Grados

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 evolutivosigue activo)

Estructura en detalleEstructura en detalle

La estructura del ojode un pulpo escomparable a la del ojo humano.

Ello proporciona un ejemplo de evolución

Diferenciafundamental: losreceptores están en la primera capaepititelial.

Otros ejemplos en la naturalezaOtros ejemplos en la naturaleza

Morfología de los fotorreceptores de la retinaMorfología de los fotorreceptores de la retinaLa 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.

“rojos” 64%

“verdes” 32%

“azules” 2%

1,35 mm desde el centro de la retina

8 mm desde el centro de la retina

Luz

Tras

ducc

ión

Señal neuronal

FotorreceptoresFotorreceptores

Niveles de recepción y procesado de Niveles de recepción y procesado de la información visual: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

• Aproximaciones Analíticas que predicen procesos biológicos complejos

• :

•

Modelos para el procesado de la Modelos para el procesado de la información visualinformación visual

Proceso de la información visualProceso 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