JUSTIFICACIÓN
Dentro de todos los órganos de los sentidos que comprende el cuerpo humano, la vista es uno de los más complejos e importantes, es precisamente en este sentido donde se centra la mayor atención, casi que el resto de los sentidos pasan desapercibido ante éste.
Pues bien, su complejidad radica en que toda la maquinaria que se emprende para que este proceso se pueda llevar a cabo comprende varios fenómenos físicos sobre los cuales es nuestro propósito investigar.
El ojo humano llamado también globo ocular es un órgano que detecta la luz, siendo ésta la base del sentido de la vista. Tiene como función principal, traducir las ondas de luz en impulsos nerviosos que se transmiten al cerebro. El ojo humano es un sistema óptico positivo o convergente que forma una imagen invertida del mundo externo sobre la capa sensible de la retina, situada al fondo del globo ocular. Trabajaremos en comprender el funcionamiento de la estructura óptica y formación de la imagen por el sistema óptico del ojo humano.
Generalidades del ojo humano
El ojo humano es un sistema óptico positivo o convergente que forma
una imagen invertida del mundo externo sobre la capa sensible de la retina,
situada al fondo del globo ocular.
La cornea es transparente y aproximadamente esférica con un radio de curvatura de aproximadamente 8 mm. La esclera es un tejido fibroso denso, blanco y opaco que tiene una función principalmente protectora y es casi esférica con un radio de curvatura aproximado de 12 a 13 mm.
En el ojo se sit˙an un determinado n˙mero de ejes. La Figura 1.1.
muestra dos de estos: el eje óptico y el eje visual. El eje óptico se define
generalmente como la línea que une los centros de curvatura de las superficies
refractivas. Sin embargo, el ojo no tiene una simetría de rotación perfecta, y
por lo tanto incluso si las cuatro superficies refractoras tuvieran simetría
rotacional, los cuatro centros de curvatura no serían co-lineales. Así, en el caso
del ojo, se define el eje óptico como la línea que más se ajusta a través de estos
puntos no co-lineales. El eje visual se define como la línea que une el objeto de
fijación o interés y la fóvea, y que pasa a través de los puntos nodales.
LA CÓRNEA, de mayor curvatura que el globo ocular, es una estructura altamente transparente en forma de menisco. Una capa muy fina de fluido lacrimal cubre normalmente la superficie anterior, pero es demasiado fina para EL SISTEMA ÓPTICO OCULAR 15 afectar de forma apreciable a la potencia y se puede ignorar en este contexto. Vista de frente, la córnea tiene un di·metro alrededor de 12 mm, ligeramente más pequeño verticalmente que horizontalmente.
Receptores especializados
LA CÓRNEA, de mayor curvatura que el globo ocular, es una estructura altamente transparente en forma de menisco. Una capa muy fina de fluido lacrimal cubre normalmente la superficie anterior, pero es demasiado fina para EL SISTEMA ÓPTICO OCULAR 15 afectar de forma apreciable a la potencia y se puede ignorar en este contexto. Vista de frente, la córnea tiene un di·metro alrededor de 12 mm, ligeramente más pequeño verticalmente que horizontalmente.
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| Recuperada de:https://image.jimcdn.com/app/ cms/image/transf/none/path/ sbe36f93943303560/image/i941ed5230892a973/ version/1471971124/image.jpg |
LA CÁMARA ANTERIOR, es la cavidad situada detrás de la córnea y delante del iris y del cristalino. Está rellena de un incoloro cuyo contenido en agua es del 98% por lo que se denomina humor acuoso y que a diferencia de los otros medios ópticos que componen el ojo presenta un índice de refracción perfectamente definido en toda su extensión siendo por ello un medio homogéneo.
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| Recuperado de: http://nahui.com.pe/wp-content/ uploads/2014/09/Iridotomia1.jpg |
EL IRIS Y LA PUPILA El borde libre del iris está situado casi tangencialmente a la primera superficie del cristalino, su función es regular la cantidad de luz que pasa hacia la retina a través de la pupila. …esta es una abertura central circular que varía de di·metro en función del nivel de iluminación pasando desde 2-3 mm con luz brillante hasta alrededor de 8 mm en condiciones de oscuridad. aún 20 óptica Fisiológica considerando, situaciones de idéntica iluminación existen importantes variaciones individuales en los di·metros pupilares. Así, alrededor de los 25 años el di·metro puede estar entre 3 mm y 6 mm en el
ojo adaptado a la luz.
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| Recuperado de:http://www.biometria.gov.ar/ media/3804/intro%20ref_ir_fig1y2.jpg |
LA LENTE DEL CRISTALINO El cristalino, que está contenido en una cápsula elástica, es una lente biconvexa de potencia dióptrica variable que puede enfocar a diferentes distancias gracias al mecanismo de la acomodación y cuya característica principal es su heterogeneidad física y óptica (Figura 1.4). La superficie anterior está en contacto con la cara posterior del iris y está bañada por el humor acuoso, mientras que la superficie posterior está en contacto con el humor vítreo, un gel transparente que ocupa el segmento posterior del ojo y cuyo índice refractivo se puede considerar igual al del humor acuoso 1,336.
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| Recuperada de: https://espanol.kaiserperma nente.org/static/health-encyclopedia/es-us/kb/ media/medical/hw/s_h9991849_001.jpg |
Potencia equivalente y distancias focales
En cualquier sistema óptico centrado con una determinada potencia
equivalente, existen tres pares de puntos cardinales situados sobre el eje óptico,
los puntos focales, los puntos principales y los puntos nodales. Las posiciones
de estos puntos cardinales en el ojo dependen de su estructura y del nivel de
acomodación. Para un ojo enfocado al infinito, las posiciones aproximadas de
estos puntos cardinales se muestran en la Figura 1.1. Estos puntos cardinales
están definidos ˙nicamente para la zona paraxial y son los siguientes:
1- Puntos focales (F y Fí). La luz procedente del foco objeto emerge,
después de la refracción en el ojo, paralela al eje óptico. Los rayos
procedentes de una distancia infinita que inciden en el ojo
paralelos al eje óptico pasan todos ellos por el punto focal imagen
Fí.
2- Puntos principales (H y Hí). Son puntos conjugados (uno imagen
del otro), cuyo aumento lateral es +1. Es decir, si se situara un
objeto en uno de estos puntos, se formaría una imagen derecha
del mismo tamaño en el otro punto.
3- Puntos nodales (N y Ní). También son puntos conjugados sobre
el eje para los cuales el aumento angular es la unidad positiva.
Tienen la propiedad de que todo rayo que entra en el sistema por
el punto nodal objeto, formando con el eje un ángulo u, sale del
sistema pasando por el punto nodal imagen Ní, formando con el
eje un ángulo uí igual a u. Este rayo se conoce como rayo nodal, y
cuando el punto fuera del eje es el punto de fijación, el rayo se
puede llamar eje visual
El espectro electromagnético
Las ondas electromagnéticas se diferencian en su frecuencia y su longitud de onda. en conjunto de todas las ondas constituye el espectro electromagnético. El espectro electromagnético se divide en partes que reciben nombres diferentes, aunque no existe una separación clara entre ellas.
Radiación infrarroja
El modelo de visión de Kepler interpretó de forma satisfactoria muchos aspectos del proceso físico de la visión. Sin embargo, también adolece de limitaciones y errores propiciados por el desconocimiento en su época de aspectos sobre la fisiología del ojo y del papel que juega el cerebro en la construcción de las imágenes.
El diagrama muestra un esquema del ojo humano que viene a ser un cuerpo esférico de unos 2’5cm de diámetro. El orificio por donde entra la luz se llama pupila y tiene un diámetro entre 2mm y 8mm que se regula según la intensidad de luz. La capa más externa del ojo se llama esclerótica y consta de una membrana blanca, llamada córnea, que en su zona anterior es abombada y transparente .
La primera matización que hemos de hacer al modelo de visión de Kepler es que es la córnea y no el cristalino quien produce casi toda la convergencia de los haces de luz incidentes.
La luz penetra en el ojo a través de la córnea, atraviesa la pupila y después el cristalino. Éste está constituido por una materia gelatinosa (de índice de refracción 1’4) y se puede considerar una lente biconvexa, que provoca una segunda convergencia. Esta segunda convergencia realiza una especie de “ajuste fino” del haz, de tal forma que, mediante un proceso instintivo, se modifica la curvatura del cristalino propiciando que la imagen se produzca en la retina (acomodación).
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| Imagen de: Crates. Dominio público.
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Tipos de ondas electromagnéticas
Rayos gamma
Su longitud de onda (λ) < 0.1Å, donde 1Å es igual a 10-10 m. Se originan en las desintegraciones nucleares que emiten radiación gamma. Son muy penetrantes y muy energéticos.
Rayos X
Se producen por oscilaciones de los electrones próximos a los núcleos.
0.1Å < λ < 30 Å
Son muy energéticos y penetrantes, dañinos para los organismos vivos, pero se utilizan de forma controlada para los diagnósticos médicos.
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| Imagen de: Paul Hermans. Creative commons. |
Rayos UVA (Ultravioletas)
Se producen por saltos electrónicos entre átomos y moléculas excitados.
30Å < λ < 4000 Å
El Sol es emisor de rayos ultravioleta, que son los responsables del bronceado de la piel. La radiación ultravioleta es absorbida por la capa de ozono, y, si se recibe en dosis muy grandes, puede ser peligrosa ya que impide la división celular, destruye microorganismos y produce quemaduras y pigmentación de la piel.
Luz visible
Es la pequeña parte del espectro electromagnético a la que es sensible el ojo humano.
400 nm < λ < 750 nm
Se producen por saltos electrónicos entre niveles atómicos y moleculares.
Los cables de fibra óptica permiten utilizar la luz visible para transmitir grandes volúmenes de información a grandes distancias, sobre todo con el uso del láser (luz monocromática y coherente).
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| Imagen de Horst Frank. Creative commons |
Radiación infrarroja
Es emitida por cuerpos calientes y son debidas a vibraciones de los átomos.
10-7 m < λ < 10-3 m
La fotografía infrarroja tiene grandes aplicaciones: en medicina (termografías), en la industria textil se utiliza para identificar colorantes, en la detección de falsificaciones de obras de arte, en telemandos, estudios de aislantes térmicos, cocina vitrocerámica halógena, etc.
- En la foto se observa la fotografía en infrarrojos de un perro.
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El satélite meteorológico Meteosat realiza de noche fotografías infrarrojas.
Radiación de microondas
Son producidas por vibraciones de moléculas.
0.1 mm < λ < 1 m
Se utilizan en el radar, en radioastronomía, banda UHF de televisión, enlaces de telefonía móvil y en hornos eléctricos.
Ondas de radio
Son ondas electromagnéticas producidas por el hombre mediante dispositivos electrónicos, sobre todo circuitos oscilantes, y se detectan mediante antenas.
1 cm < λ < 1 km
Se emplean en radiodifusión (sistemas de radio y televisión).
Recepción de la luz en el ojo humano
Documental sobre el ojo humano
La Vista (DC- Cuerpo Humano al Límite) - Completo
El modelo de visión de Kepler interpretó de forma satisfactoria muchos aspectos del proceso físico de la visión. Sin embargo, también adolece de limitaciones y errores propiciados por el desconocimiento en su época de aspectos sobre la fisiología del ojo y del papel que juega el cerebro en la construcción de las imágenes.
El diagrama muestra un esquema del ojo humano que viene a ser un cuerpo esférico de unos 2’5cm de diámetro. El orificio por donde entra la luz se llama pupila y tiene un diámetro entre 2mm y 8mm que se regula según la intensidad de luz. La capa más externa del ojo se llama esclerótica y consta de una membrana blanca, llamada córnea, que en su zona anterior es abombada y transparente .
La primera matización que hemos de hacer al modelo de visión de Kepler es que es la córnea y no el cristalino quien produce casi toda la convergencia de los haces de luz incidentes.
La luz penetra en el ojo a través de la córnea, atraviesa la pupila y después el cristalino. Éste está constituido por una materia gelatinosa (de índice de refracción 1’4) y se puede considerar una lente biconvexa, que provoca una segunda convergencia. Esta segunda convergencia realiza una especie de “ajuste fino” del haz, de tal forma que, mediante un proceso instintivo, se modifica la curvatura del cristalino propiciando que la imagen se produzca en la retina (acomodación).
En la acomodación se contrae un músculo, llamado ciliar, haciendo que disminuya la tensión sobre los unos ligamentos suspensores que sostienen el cristalino. A medida que disminuye esta tensión, el cristalino se hace más esférico y así aumenta su poder de refracción. La capacidad de acomodación del ojo humano está limitada por las características físicas del cristalino y la capacidad de contracción del músculo ciliar. Un ojo medio (también llamado ojo emétrope) puede acomodar objetos situados entre "el infinito" (el músculo ciliar está relajado y el ojo presenta la mínima convergencia) y a 25cm del ojo (el músculo ciliar produce la máxima convergencia). Dichos puntos reciben el nombre de punto remoto y punto próximo respectivamente.
Para la recepción de la imagen hay en la retina unas células especializadas, llamadas conos y bastones, que son sensibles a los rayos luminosos. Los conos, en un número del orden de siete millones, son sensibles a detalles finos de contraste, color y forma. Se activan en buenas condiciones de iluminación o luz "diurna". La mayor parte de los conos se encuentran en una depresión cerca del polo posterior del globo ocular, conocida como fóvea. Por su parte, los bastones, en número del orden de 100 millones, se localizan en las partes más periféricas de la retina y se activan cuando reciben luz tenue o "nocturna". Los bastones no son capaces de distinguir el detalle fino o el color. Por eso, con baja iluminación es difícil distinguir los colores o ver límites precisos.
Los conos y los bastones generan impulsos eléctricos al recibir la luz, existiendo en la retina otros dos grupos de células que se encargan de transmitir esos impulsos nerviosos originados por los conos y bastones al cerebro. Los axones de uno de estos grupos forman las fibras del nervio óptico, que abandona la región posterior del globo ocular un poco hacia el lado nasal del centro del mismo. Así pues, los impulsos se propagan al cerebro a través del nervio óptico y es ahí, en el cerebro, donde se realiza la construcción de la imagen y se interpreta lo que vemos mediante un proceso bastante complejo. Como veremos más adelante, nada tiene que ver este proceso con la simple recepción de una supuesta imagen acabada.
Ametropía compensada: convergencia a través de la lente oft·lmica
Cuando se llevan gafas para visión lejana de forma constante que se utilizan en visión próxima, la acomodación ocular necesaria ya se ha visto que difiere de la acomodación oft·lmica, mientras que la cantidad de convergencia necesaria para mirar un punto objeto en la línea media depende no sólo de la distancia del objeto al ojo sino también de la potencia y distancia de la lente oft·lmica al ojo.
Ejemplo:
Un miope bilateral con una dp de 66 mm se compensa con lentes de -6,00 D a 14 mm del punto principal del ojo. Calcular la convergencia y acomodación necesaria cuando miran un objeto en el plano medio a una distancia de 400 mm del plano de la lente. Asumir que los centros de rotación de los ojos están a 26 mm de este plano.
De la Figura 10.5 en visión lejana:
FL = -6,00 D
f' = -166,67 mm
r = f' - d = -166,67 - 14 = -180,67 mm
R = -5,53 D
Ametropía compensada con lentes de contacto
Ametropía compensada con lentes de contacto
Utilizando los datos del ejemplo anterior, se puede calcular la
convergencia y acomodación necesaria cuando la compensación se realiza con
lentes de contacto (Figura 10.6).
Ignorando pequeñisimas diferencias, se puede tomar como distancia de
fijación desde la lente de contacto hasta el objeto B, la misma que en el
ejemplo anterior HA = - 414 mm. La acomodación ocular es por lo tanto
1000/414 o 2,42 D. La convergencia (en ∆) es la misma que para el ojo
emétrope, es decir:
en este caso
q = sL - z = -426 mm
Q = -2,35 D
y C = -2,35 . 6,6 = 15,51 ∆
C/A = 15,51/2,42 = 6,41 ∆/D
Por lo tanto, aunque el usuario de lentes de contacto en este ejemplo
tiene que converger más y acomodar más que el usuario de gafas, la relación de
las dos funciones es virtualmente la misma para ambos.
Los valores típicos de z (desde la lente oftálmica hasta el centro de
rotación del ojo) van desde 25 a 30 mm, mientras que los valores típicos de d
oscilan entre 12 y 15 mm.
En general, el mayor cambio en la relación convergencia/acomodación
ocurre cuando se lleva la primera compensación. Después, los cambios en la
264 óptica Fisiológica
compensación prácticamente no influyen hasta que la acomodación empieza a
disminuir en la presbicia.
AMETROPIAS
Una ametropía es un defecto de refracción del ojo, que impide que las imágenes se enfoquen adecuadamente en la retina.
- Clasificación de las ametropías
Las ametropias se dividen en dos categorías principales: ametropías esféricas y astigmatismo.
En las ametropias esféricas el sistema refractivo del ojo es simétrico alrededor de su eje óptico y el error refractivo del ojo es el mismo en todos los meridianos. El ojo es capaz de formar una imagen nítida de un punto objeto lejano sobre su foco imagen. Sin embargo, como este no coincide con la fóvea la imagen del punto sobre la retina será un punto desenfocado que tendrá unas dimensiones tanto mayores cuanto mayor sea la distancia que separa la retina del foco imagen. Cuando el foco imagen del sistema óptico del ojo se encuentra detrás de la retina el proceso se llama hipermetropía y cuando el foco imagen (F´) está delante de la retina, el proceso se denominamiopía.
En el astigmatismo la potencia refractiva del ojo varía en los diferentes meridianos, los rayos procedentes de un mismo punto objeto no van a reunirse en un mismo foco, sino en focos diferentes según el meridiano del ojo que atraviesen.
En las ametropias esféricas el sistema refractivo del ojo es simétrico alrededor de su eje óptico y el error refractivo del ojo es el mismo en todos los meridianos. El ojo es capaz de formar una imagen nítida de un punto objeto lejano sobre su foco imagen. Sin embargo, como este no coincide con la fóvea la imagen del punto sobre la retina será un punto desenfocado que tendrá unas dimensiones tanto mayores cuanto mayor sea la distancia que separa la retina del foco imagen. Cuando el foco imagen del sistema óptico del ojo se encuentra detrás de la retina el proceso se llama hipermetropía y cuando el foco imagen (F´) está delante de la retina, el proceso se denominamiopía.
En el astigmatismo la potencia refractiva del ojo varía en los diferentes meridianos, los rayos procedentes de un mismo punto objeto no van a reunirse en un mismo foco, sino en focos diferentes según el meridiano del ojo que atraviesen.
Miopía
Es el estado refractivo de un ojo que tiene una potencia refractiva excesiva para su longitud axial o bien una longitud axial excesiva para su potencial refractiva. En un ojo miope la imagen se encuentra por delante de la retina y su punto remoto es real, encontrándose por delante del ojo.
Hipermetropía
Un ojo hipermétrope tiene su foco imagen por detrás de la retina y su punto remoto es virtual, situándose también por detrás de ella.
Astigmatismo
La cornea y las superficies del cristalino son los factores principales que contribuyen a que al menos exista un ligero grado de astigmatismo en la mayoría de los ojos humanos, siendo el astigmatismo corneal la mayor causa del astigmatismo acular.
La superficie refractiva única tendrá diferentes curvaturas y diferentes potencias en los dos meridianos principales mutuamente perpendiculares. Para distinguirlos al meridiano de máxima curvatura se le designa por 1 y al meridiano de mínima curvatura por 2.
por lo tanto:
F1= potencia del ojo en el meridiano principal más potente.
F2= potencia del ojo en el meridiano principal más débil.
La superficie refractiva única tendrá diferentes curvaturas y diferentes potencias en los dos meridianos principales mutuamente perpendiculares. Para distinguirlos al meridiano de máxima curvatura se le designa por 1 y al meridiano de mínima curvatura por 2.
por lo tanto:
F1= potencia del ojo en el meridiano principal más potente.
F2= potencia del ojo en el meridiano principal más débil.
Laboratorio virtual sobre la vision:
CONCLUSIONES
* La física explica los fenómenos de espejos y la refracción y difracción que esta provoca en la visión
* La acomodación de una imagen viene dada desde la formación de rallos lumínicos que penetran el iris y permiten la visión de objetos.
* A partir de la física se pueden diseñar métodos que ayuden a las distintas enfermedades humanas.
Bibliografía y cibergrafía
- http://eprints.sim.ucm.es/14823/1/Puell_%C3%93ptica_Fisiol%C3%B3gica.pdf
- http://personal.us.es/jcortes/Material/Material_archivos/Articulos%20PDF/Color.pdf
- http://personales.unican.es/perezvr/pdf/Vision%20Luz%20y%20Color.pdf
- http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Vision/Luz-vision08.htm
- http://eprints.sim.ucm.es/14823/1/Puell_%C3%93ptica_Fisiol%C3%B3gica.pdf
- http://optolyva.blogspot.com.co/2015/07/ametropias-una-ametropia-es-un-defecto.html
Integrantes
Daniel Gusman
Ana Milena Henao
Esteban Rueda Sepúlveda
Daniel Gusman
Ana Milena Henao
Esteban Rueda Sepúlveda
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