Física de la visión: luz y captación de imágenes
La luz está compuesta por fotones, que pueden comportarse como partículas u ondas. Cada fotón tiene una frecuencia que corresponde a la energía del fotón. El proceso por el que los fotones forman una imagen en nuestro cerebro es bastante complejo, pero podemos desglosarlo de la siguiente manera:
- Los fotones son emitidos por el Sol. Viajan por el espacio y entran en la atmósfera, donde impactan con los objetos a su paso. Los fotones con frecuencias más altas tienen energías más altas, y los fotones con frecuencias más cortas tienen energías más pequeñas.
- Cuando los fotones impactan en un objeto, se reflejan. Según la estructura de los átomos del objeto, algunos fotones se reflejarán y otros se absorberán. Los colores que vemos son los fotones reflejados por los objetos.
- Los fotones reflejados con determinadas energías entran en nuestros ojos a través de la córnea, que las lentes del interior de nuestros ojos enfocarán.
- Las lentes proyectan el rayo de luz formado por los fotones en la parte posterior del ojo.
- Finalmente, los fotones excitarán unas células especiales conocidas como células de cono o células de bastón, cada una de las cuales responde a una gama distinta de energías de los fotones. Estas gamas se interpretan como colores en nuestro cerebro.
Física del ojo y la visión
A continuación veremos la estructura del ojo humano y cómo podemos ver.
El ojo
El ojo es un órgano complejo compuesto por lentes, músculos, nervios y tejido. Capta la luz incidente y la convierte en una señal eléctrica que se envía al cerebro. He aquí algunas de las partes principales del ojo:
- Iris. Es la zona que rodea la abertura del ojo, y tiene un color que depende de factores genéticos. Esta zona se cierra o se abre para permitir que entre más o menos luz en el ojo.
- Lentes. Las lentes son una estructura semitransparente situada directamente detrás de la abertura principal de los ojos. Su única función es concentrar los rayos de luz para modificar el enfoque de las imágenes a distintas distancias. La refracción también está presente en las lentes.
- Córnea. Es la parte frontal y cristalina del ojo que permite la entrada de la luz.
- Pupila. La parte negra situada en el centro del ojo es la pupila. Es la abertura por la que entra la luz.
- Humor vítreo. Esta sustancia gelatinosa llena el ojo y se encuentra entre el cristalino y la retina.
- Cuerpo y músculo ciliar. El músculo ciliar se encarga de cambiar el tamaño del foco del ojo cuando enfocamos un objeto cercano. El cuerpo ciliar, que contiene el músculo ciliar, produce un líquido llamado humor acuoso. El humor acuoso retiene la presión interna del ojo y transporta nutrientes.
- Retina. La retina es la superficie situada detrás del ojo que se encarga de la percepción, y está llena de células de conos y bastones.
- Nervio óptico. Es el nervio que envía la señal al cerebro.
Física de la visión
Estudiemos brevemente cómo somos capaces de ver.
Control de la cantidad de luz
Para que podamos ver se necesita cierta cantidad de luz. Una abertura llamada pupila regula la cantidad de luz que entra en el ojo. Esta abertura es circular, y puedes verla de color negro cuando te miras los ojos en el espejo.
El radio de la abertura está regulado por el iris, que está conectado al músculo ciliar. El músculo se expandirá y contraerá en función de las condiciones de luz. Cuando la intensidad es mayor, los músculos se contraen, y cuando es menor, los músculos se expanden.
Formación de una imagen enfocada
La luz que entra en el ojo atraviesa la córnea. La córnea alterará su forma en función de la distancia del objeto. En este caso, cuando el músculo ciliar se contrae, cambia la forma de las lentes, y esto modificará la distancia a la que podemos enfocar un objeto.
Sensibilidad del ojo
El fotodetector del ojo es la retina. En ella hay unos 130 millones de células sensibles a la luz. Cada célula reacciona a la luz procedente de un único punto pequeño. Un fotopigmento es una sustancia que se encuentra en las células sensibles a la luz. Las moléculas de fotopigmento absorben la luz y excitan la célula, lo que da lugar a un impulso eléctrico que viaja a través de una red de neuronas hasta el nervio óptico y, en última instancia, al cerebro.
Hay dos tipos principales de células sensibles a la luz: los bastones y los conos.
- Losbastones son células especializadas que nos ayudan a ver en la oscuridad. Son sensibles a una amplia gama de longitudes de onda del espectro. También tienen poca resolución y son mucho más sensibles a los fotones entrantes que las células de los conos. A pesar de ello, producen colores blancos y negros.
- Los conos son células especializadas de tres tipos: conos rojos, verdes y azules. Cada tipo de célula responde a una gama distinta de frecuencias luminosas (longitudes de onda). También pueden dividirse en conos L (sensibles al rojo y al amarillo), conos M (sensibles al verde) y conos S (sensibles al azul).
El ojo humano puede captar imágenes tanto en entornos oscuros como brillantes. La pupila se abre hasta unos 8 mm con poca luz y se contrae hasta 1,5 mm cuando se expone a una mayor luminosidad.
Visión en color
Las células de los bastones y los conos pueden detectar ondas electromagnéticas con longitudes de onda comprendidas entre 380 nanómetros y 750 nanómetros (nm). Las células de los bastones son sensibles a casi toda la gama de longitudes de onda, con una respuesta máxima a 500 nm. Las células de los conos, por su parte, contienen uno de tres fotopigmentos, cada uno con un rango de respuesta de frecuencia/longitud de onda particular, con su propio pico y recepción.
Uno de estos fotopigmentos de una célula cónica puede absorber un fotón de luz cuando llega a la retina. La longitud de onda de la luz influye en la probabilidad de absorción. Una determinada longitud de onda excitará uno de los tres tipos de células de cono en una proporción específica. Esto permite al cerebro reconocer las longitudes de onda y generar el sentido del color.
Resolución espacial
La resolución espacial de un ojo es su capacidad para ver un objeto con mayor detalle. En el ojo humano, esta resolución equivale aproximadamente a un arco por minuto, que es un grado entre 160. Esta resolución nos permite ver objetos a un kilómetro, que están separados por no menos de 30 cm. Si utilizamos la analogía de una cámara fotográfica, la resolución global del ojo humano es de más de 576 megapíxeles por ojo.
Física de la Visión - Puntos clave
- La visión en el ojo es posible gracias a los fotones emitidos por el Sol. Una vez emitidos, los fotones inciden sobre diversos objetos y, en sus interacciones, parte de los fotones se reflejan y parte se absorben. La frecuencia de los fotones reflejados es lo que da lugar a los colores que vemos.
- El ojo es un órgano complejo. Sus partes incluyen la pupila, el iris, las lentes, la córnea, la retina, el nervio óptico, el músculo ciliar, el cuerpo ciliar y el humor vítreo.
- Hay dos tipos principales de células sensibles a la luz: los bastones y los conos.
- Los bastones son células especializadas que nos ayudan a ver en la oscuridad.Producen los colores blanco y negro.
- La visión en color es posible gracias a la diferente sensibilidad de las células de los conos. Los conos se dividen en tres tipos con un rango de sensibilidad diferente, y el cerebro utiliza cada rango para interpretar los colores.
Imágenes
1. Diagrama que muestra las partes del ojo. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagram_showing_the_parts_of_the_eye_CRUK_326.svg
2. Vista general de los fotorreceptores de la retina. 3.Sensibilidades espectrales de los fotorreceptores del ojo humano. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Overview_of_the_retina_photoreceptors_(b).png
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