El espectro electromagnético Visibilidad espectral Fisiología del ojo

Transcripción

1 El espectro electromagnético Visibilidad espectral Fisiología del ojo Clase del 17 de mayo de 2010 M.L. Calvo Física de la Visión, Máster de Física Biomédica, UCM.

2 Radiaciones ionizantes Frecuencia (Hz) móviles

3 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).

4 Magnitudes radiométricas y fotométricas fundamentales Magnitud radiométrica Unidad Magnitud fotométrica Unidad Energía radiante (Q e ) Julio (J) Energía luminosa (Q v ) Lumen/s (lm/s) Flujo radiante (P e ) Vatio (W) Flujo luminoso (P v ) Lumen (lm) Intensidad radiante (I e ) Vatios/estereorradián (W/sr) Intensidad luminosa (I v ) Candela (lm/sr) Irradiancia (M e ) W/m 2 Iluminancia (E v ) Lux (lm/m 2 ) (Exitancia radiante) Radiancia (L e ) W(srXm 2 ) Luminancia (L v ) Cd/m 2

5 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.

6 Intensidad radiante Definición: Flujo radiante (W e ) 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.

7 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 J s. Rango de energía (J) de los fotones ópticos: 3 10 < E

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

9 Comportamiento espectral de las fuentes de radiación de nuestro entorno

10 Radiación del cuerpo negro

11 Rango dinámico del sistema visual humano

12 Adaptación del sistema visual al nivel luminoso Eficiencia luminosa (lm/w) Escotópica (bastones) Fotópica (conos) Longitud de onda (nm)

13 El ojo humano y la retina

14 Sección longitudinal y fondo de ojo

15 Respuesta del sistema visual como detector espectral

16 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

17 Organización de la retina 5 tipos de células biológicas 1. Fotorreceptores Conos y bastones 2. Células horizontales 3. Células bipolares 4. Células amacrinas 5. Células ganglionares Células neuronales Integran la señal visual en una región espacial finita. Se define un campo receptivo. (Barlow 1953 ; Hartline 1938; Kuffler 1953).

18 Distribución de fotorreceptores: Conos y bastones Thousands of rods per square millimeter Miles de bastones/mm Fovea Blind spot Fovea Blind spot Distance on retina from fovea (degrees) Grados Thousands of cones per square millimeter Miles de conos/mm Bastones Rods Cones Conos Fovea Blind spot Distance on retina from fovea (degrees) Grados

19 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)

20 Estructura en detalle

21 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.

22 Morfología de los fotorreceptores de la retina La retina está compuesta de dos tipos de células altamente diferenciadas (fotoreceptores): 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. Luz Trasducción rojos 64% verdes 32% azules 2% 1,35 mm desde el centro de la retina Señal neuronal 8 mm desde el centro de la retina

23 Fotorreceptores

24 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

25 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