a.a. 2005/2006 Laurea Specialistica in Fisica Corso di Fisica Medica 1 La vista 28/3/2006

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2 Visione della luce La luce è una forma di energia elettromagnetica siamo soliti definire "luce visibile" una radiazione elettromagnetica composta da onde la cui lunghezza va dai 380 ai 780 nanometri intervallo all'interno del quale i nostri occhi "vedono" qualcosa la tecnologia umana sfrutta comunemente λ che vanno da diversi chilometri (onde radio a bassa frequenza) a frazioni di nanometri (raggi X e γ), quanto è ristretta la gamma di frequenze cui i nostri occhi sono sensibili!

3 Gamma di frequenze

4 Occhio coni e bastoncelli L organo di senso più utile

5 Gli animali Molti animali hanno sistemi visivi in grado di vedere radiazioni ultraviolette (λ < 380 nm) altri sono sensibili nella gamma infrarossa (> 780 nm) altri ancora hanno una sensibilità molto più elevata della nostra alle nostre stesse frequenze potendo quindi vedere in condizioni che per noi sono di buio quasi assoluto la maggior parte degli animali vede in toni di grigio (come in una pellicola in Bianco/Nero) minor numero di informazioni da ciò che vedono

6 Sistema visivo Due obiettivi uguali (i bulbi oculari) ciascuno dei quali è una macchina fotografica visione tridimensionale del mondo percezione esatta della distanza di un oggetto Un insieme di muscoli e tendini è in grado di ruotare gli occhi (obbietivi) in tutte le direzioni per alcune decine di gradi inseguendo automaticamente un oggetto in movimento e mantenendo l'allineamento ottimale tra i due occhi per consentire la visione stereoscopica (se errato: strabismo)

7 Macchina fotografica Un sistema idromeccanico automatico per la pulizia dell'elemento frontale (palpebra, ciglia, sistema lacrimale) uno schema ottico di due lenti in due gruppi elementi apocromatici (non aberrazione colori) asferici (due sfere disassate!) con lente posteriore con geometria variabile diaframma automatico (iride) posto tra i due elementi (cornea e cristallino) fissi la lunghezza focale è circa 15 mm l'apertura massima è circa f/2

8 Ma ancora di più Due camere piene di due diversi fluidi di trasmissione e compensazione in grado di mantenere caratteristiche molto stabili al variare della pressione e della temperatura (umor vitreo, umor acqueo) Un sensore elettromagnetico multistrato con la stessa curvatura dell'immagine e quindi a planeità di campo (retina) dove ogni strato (rete sanguigna superficiale, coni, bastoncelli, fovea) svolge una funzione specifica

9 Funzioni Specificità: filtro (rete sanguigna superficiale) sensori per basse intensità di luce (bastoncelli) sensori per alte intensità di luce (coni) zona ad alta risoluzione di pochi millimetri di lato (fovea) decine di milioni di elementi sensibili (quanti megapixel avete detto che ha la vostra nuova fotocamera digitale?) ampia zona circostante principalmente usata per "visione laterale" (percezione del moto)

10 Trasmissione Un insieme di cavi per la trasmissione dei segnali rilevati (nervo ottico) Un ottimo sistema di elaborazione dati euristico tavole di compensazione dinamiche aggiornamento in tempo reale memoria storica sottosistemi paralleli di processamento delle immagini in base alla natura degli elementi che le compongono (lati, superfici, forme,...) filtraggio spaziale e temporale adattamento dinamico del bilanciamento dei colori, della luminosità, del contrasto

11 La visione Le radiazioni elettromagnetiche visibili: passano attraverso la cornea (con rifrazione) attraversano l'umor acqueo vengono parzialmente tagliate dall'iride incontrano il cristallino (focalizzazione raggi) la sua curvatura elastica viene costantemente modificata da appositi muscoli (rifrazione) Dopo questa seconda rifrazione, i raggi si incontrano nel punto focale posto all'intero della cavità oculare (piena di umor vitreo) e poi formano l'immagine sul fondo dell'occhio (retina)

12 Elaborazione La luce passa allora attraverso una fittissima rete di vasi sanguigni molto sottili incontra le terminazioni nervose delle cellule sensibili (coni e bastoncelli) Che trasformano le onde elettromagnetiche in impulsi elettrici che attraverso il nervo ottico arrivano al cervello, dove avviene l'elaborazione finale

13 Coni e bastoncelli Nell'Ottocento, si scoprì che i sensori della retina hanno caratteristiche di sensibilità diverse bastoncelli hanno un'elevata sensibilità alla luce di qualsiasi "colore" sensibilità maggiore nella zona centrale dello spettro visibile, attorno al giallo-verde coni hanno una sensibilità differenziata: dal rosso cupo al giallo (coni del rosso) dall'arancio al verde/bluastro (coni del verde) verde/bluastro al viola estremo (coni del blu) ecco il perché dei colori del semaforo!

14 Curva sensibilità Parziale sovrapposizione alla risposta dei tre tipi di coni e la curva di sensibilità non è uniforme la nostra visione è necessariamente data dalla composizione di risposta alla luce rosso/arancio, giallo/verde, e blu/viola sistema RGB

15 Colori primari Nel 1861 James Maxwell dimostrò che qualsiasi colore visibile è ottenibile come composizione dei tre soli colori primari Rosso R, Verde G e Blu B variandone opportunamente le intensità Ogni colore visibile all'occhio umano può essere quindi riprodotto (tristimulus) con combinazione opportuna di luci di colore Rosso, Verde, Blu il principio si chiama sintesi additiva, ed è ampiamente usato in tutti i campi della tecnologia dai televisori a colori alle fotocamere digitali

16 Focalizzatore La vista è il senso su cui facciamo maggior affidamento: non crediamo se non vediamo! Vedere significa infatti trasformare la radiazione luminosa in impulsi nervosi che il cervello può interpretare La finestra da cui entra la luce è la pupilla l'iride la allarga e la restringe come il diaframma di una macchina fotografica, a seconda della quantità di luce presente nell'ambiente la luce attraversa il cristallino, il globo oculare e va a formare sulla retina un'immagine capovolta

17 Illusioni ottiche La vista però a volta ci può ingannare, perché le immagini che vediamo creano confusione nel nostro cervello Alcuni artisti, come Dalì o Escher, hanno giocato con queste immagini creando dei capolavori La cascata di Escher Il sogno illustrato da Dalì in Io ti salverò di Hitchcock

18 Difetti della vista Il miope vede bene da vicino e male da lontano spesso questi pazienti socchiudono le palpebre e strizzano gli occhi per cercare di mettere a fuoco un oggetto a distanza Utile l'apporto vitaminico (vitamina A ed E) per migliorare l atrofismo della retina La presbiopia è il contrario: immagine formata al di là della retina (invecchiamento fisiologico) L astigmatismo è invece di un difetto della rifrazione dell occhio dovuto all irregolarità della sfericità corneale (punto macchia)

19 Miopia E un difetto di vista che si verifica quando l'occhio è più lungo del normale In questo tipo di difetto di vista il sistema di lenti dell'occhio non riesce a mettere a fuoco le immagini sulla retina ma davanti ad essa

20 Cura dei difetti Lenti convergenti o concave montate su occhiali 1/f = (n-1) (1/R 1 +1/R 2 ) La capacità di una lente di mettere a fuoco un oggetto si chiama potere e si misura in diottrie P = 1/f P è il potere, f è la distanza dalla lente in cui una immagine all'infinito viene messa a fuoco

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