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El espectro electromagnético Visibilidad espectral Fisiología del ojo humano Clase del 10 de abril de 2012 M.L. Calvo Física de la Visión, Máster de Física Biomédica, UCM.

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El espectro electromagnéticoVisibilidad espectral

Fisiología del ojo humano

Clase del 10 de abril de 2012

M.L. Calvo

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

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1021 1019 1016 1014 1013 1010 108 106

Frecuencia (Hz)

móviles

Radiaciones ionizantes

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Aspectos que determinan el espectrovisible

• Espectro de emisión de El Sol– Temperatura,

composición atómica• Transmisión de la

atmósfera– Scattering, absorción por

gases de efectoinvernadero

• Absorción por elementosópticos– Macula lutea (mancha

amarilla, yellow spot)– Filtro espectral

• Pigmentos visuales– Retinal + Opsinas

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Aspectos que determinan el espectrovisible

• Espectro de emisión de El Sol– Temperatura, composición

atómica• Transmisión de la

atmósfera– Scattering, absorción por

gases de efectoinvernadero

• Absorción por elementosópticos– Macula lutea (mancha

amarilla, yellow spot)– Filtro espectral

• Pigmentos visuales– Retinal + Opsinas

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Aspectos que determinan el espectrovisible

• Espectro de emisión de El Sol– Temperatura, composición

atómica• Transmisión de la

atmósfera– Scattering, absorción por

gases de efectoinvernadero

• Absorción porelementos ópticos– Macula lutea (mancha

amarilla, yellow spot)– Filtro espectral

• Pigmentos visuales– Retinal + Opsinas

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Aspectos que determinan el espectrovisible

• Espectro de emisión de El Sol– Temperatura, composición

atómica• Transmisión de la

atmósfera– Scattering, absorción por

gases de efectoinvernadero

• Absorción por elementosópticos– Macula lutea (mancha

amarilla, yellow spot)– Filtro espectral

• Pigmentos visuales– Retinal + Opsinas

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Mecanismo de absorción de un fotón

• Suponemos un infinitesimal de la sección retiniana que contiene los pigmentos visuales: dx.

• La intensidad elemental es: . N: número de moléculas contenidas en dx. : sección eficaz diferencial: Ley de Beer-Lambert.

• El mecanismo no es uniforme. Depende de la visión fotópica o escotópica.• En visión escotópica la tasa de rodopsina puede reducirse por

isomerización térmica. El rendimiento visual baja.

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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).

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Magnitudes radiométricas y fotométricas fundamentales

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

____________________________________________________________________

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Iluminación desde una fuente puntual

P

S

O

Normal a S

r

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

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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.

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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 ; 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

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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.

V es el valor recíproco del flujo de energía que produce la misma sensación de brillo, como función de la longitud de onda.

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Comportamiento espectral de las fuentes de radiación de nuestro entorno

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Radiación del cuerpo negro

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Eficiencia luminosa fotópica

C.I.E. Photopic Luminous Efficiency Function:

• The 1931 Y function is a linear combination of red, green, and blue cone responses, with negligible weight to blue and heavier weight to green and red.

• The X function is a linear combination of all three, with more red than blue, and the green's coefficient being negative.

•The Z function is close to just the blue cone response.

•Chromaticity coordinates (lower case x, y, and z) for a given wavelength are X, Y, and Z divided by the sum of all three. For non-monochromatic light, add up the X, Y, and Z for each wavelength, then divide these three totals by the sum of all three. In 1988 CIE updated the Photopic Luminous Efficiency Function because the 1931 function did not sufficiently weight the higher blue response of young people.

Definición: Relación entre el flujo luminoso y el flujo radiante(lm/W)  (para una longitud de onda de emisión dada de unafuente).

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Rango dinámico del sistema visual humano

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Adaptación del sistema visual al nivel luminoso

Escotópica (bastones)

Longitud de onda (nm)

Efic

ienc

ia lu

min

osa

(lm/w

)

Fotópica (conos)

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El ojo humano y la retina

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Sección longitudinal y fondo de ojo

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Respuesta del sistema visual como detector espectral

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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

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Organización de la retina• 5 tipos de células biológicas

1. Fotorreceptores• Conos y bastones

2. Células horizontales3. Células bipolares4. Células amacrinas5. Células ganglionares

Integran la señal visual en una región espacial finita. Se define un “campo receptivo”. (Barlow 1953; Hartline 1938; Kuffler 1953).

Células neuronales

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Distribución de fotorreceptores: Conos y bastones

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

100

60

20

060 40 20 0 20 40 60

Distance on retina from fovea (degrees)

FoveaBlind spot

Thou

sand

s of

con

es p

er

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

s de

con

os/m

m2

Grados Grados

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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 durante todo el proceso vital)

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Estructura en detalle

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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.

Otros ejemplos en la naturaleza

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Morfología 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

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Fotorreceptores

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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

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Aproximaciones Analíticas que predicen procesos biológicos complejos

:

Modelos para el procesado de la información visual

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