occhio umano

OCCHIO UMANO
La luce entra nell’occhio
attraverso la cornea, è rifratta
dal cristallino e l’immagine si
forma sulla retina.
Quest’ultima non è per niente
uniforme. Vi è una macchia, nel
centro del campo visivo, nella
quale abbiamo la maggior
acutezza visiva: fovea o macula.
Le parti laterali dell’occhio non
sono altrettanto efficenti, per
vedere i particolari, come il
centro. Vi è anche una macchia
cieca, dove terminano i nervi.
LENTE SOTTILE
Una lente sottile è formata da un mezzo trasparente
racchiuso da due superfici sferiche
I raggi paralleli provenienti da una sorgente (oggetto) sono
rifratti dalla lente e si verificano due possibilità:
essi convergono in uno stesso punto (Fuoco)
essi divergono in modo che i loro prolungamenti provengano
dallo stesso punto (Fuoco)
CRISTALLINO
LENTE CONVERGENTE
I fuochi di una lente sottile sono due punti situati
simmetricamente rispetto alla lente a distanza pari
alla distanza focale
lente convergente
COSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (1)
I raggi di luce uscenti da un punto (oggetto) attraversano
la lente e convergono in un punto (immagine)
I due punti, oggetto ed immagine, si
chiamano punti coniugati e le loro
posizioni p e q soddisfano l’equazione
1 1 1
+ =
p q f
IMMAGINE
COSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (2)
f si chiama distanza focale
ed il suo segno è tale che
1 1 1
+ =
p q f
f > 0  lente convergente
f < 0  lente divergente
Potere di convergenza
o potere diottrico
1
D=
f
Si misura in diottrie con la distanza
focale misurata in metri
I poteri
diottrici
sono
addittivi
COSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (3)
I triangoli ASO e A’S’O sono simili e quindi
Ingrandimento
lineare
'
'
'
AS
AO q
=
=
AS
AO p
OTTICA DELLA VISIONE
Parametrici fisici
Indice di rifrazione
Umor acque 1.34
Cristallino 1.43
Umor vitreo 1.34
Raggi di curvatura
Cornea 0.8 cm
Cristallino (ant) 1.0 cm
L’immagine si crea
sulla retina
Cristallino (post) 0.6 cm
Diametro del globo oculare
22-24 cm
ACCOMODAMENTO
Si definisce accomodamento dell’occhio la variazione del
suo potere diottrico prodotta dalla tensione dei muscoli ciliari
con conseguente variazione della curvatura del cristallino
L’accomodamento consente la formazione sulla retina di
immagini nitide
Punto remoto: distanza dell’oggetto, quando i muscoli ciliari
sono rilassati (infinito)
Punto prossimo: distanza dell’oggetto, quando i muscoli
ciliari sono contratti al massimo (10 cm)
Visione distinta: distanza minima dell’oggetto, che consente
la visone distinta senza eccessivo sforzo (25 cm)
DIFETTI VISIVI
MIOPIA: sistema oculare troppo
convergente (si corregge con lenti
divergenti)
IPERMETROPIA: sistema
oculare poco convergente (si
corregge con lenti convergenti)
DIFETTI VISIVI
PRESBIOPIA: difficoltà a focalizzare oggetti vicini a
causa della ridotta elasticità del cristallino (dovuta
all’età)
ASTIGMATISMO: non perfetta sfericità della cornea,
che presenta diversi raggi di curvatura zonali
DALTONISMO: riduzione o assenza di sensibilità ad
uno o più colori fondamentali
MICROSCOPIO (1)
L’occhio ha una distanza di visione ottimale di ~25 cm, quindi una
lente di ingrandimento deve tentare di mettere l’immagine virtuale a
25 cm.
Per l’ingrandimento lineare m abbiamo
25 cm
25 cm
m=
= 1+
p
f
f misurata in cm
quindi m aumenta al diminuire di f. Per esempio
f = 1 cm
⇒
m = 26 volte
⇒
p = 0.96 cm
Questo è un limite all’uso delle lenti di
ingrandimento: oggetti troppo vicini!!
MICROSCOPIO (2)
Il microscopio è costituito da due lenti convergenti: (1) obiettivo,
(2) oculare. La (1) produce una immagine reale dell’oggetto e la (2)
una immagine virtuale dell’immagine reale dell’oggetto.
q2 immagine
virtuale
dell’immagine
reale
dell’oggetto
1 1 1
+ =
p1 q1 f1
d
p1 f
1
si sceglie p1 >≈ f1
p2 ≈ 25 cm
oggetto
f1 f 2
q1
m2 = 1 +
d=18 cm p2=2.7 cm f1=0.5 cm f2=3 cm
q1+p2=d → q1~15.3 cm
15.3  25 
M=
1 +  ≈ 285
0.51 
3
q1 q1
≅
m1 =
p1 f1
f2
immagine
reale
dell’oggetto
25
≈9
3
25 cm
m2 = 1 +
f2
q1  25 cm 

M = m1m2 = 1 +
f1 
f2 
LA RETINA (1)
Gli oggetti situati più densamente
alla periferia della retina sono i
fotorecettori detti bastoncelli.
RETINA
Avvicinandoci alla fovea aumenta
la densità di un altro tipo di
fotorecettori detti coni e nella
fovea stessa ci sono solamente
cellule coniche strettamente
raggruppate.
Ciascuno dei fotorecettori non è connesso con
una fibra al nervo ottico, ma è collegato a
quattro tipi di cellule nervose. Quest’ultime
vanno sia verso il nervo ottico, sia sono
connesse “orizzontalmente” fra di loro.
L
U
C
E
LA RETINA (2)
LA RETINA (3)
Il segnale luminoso è già “pensato” a livello dell’occhio,
nel quale avvengono, a livello della retina, alcuni
fenomeni di funzione cerebrale.
Immagini: osservare e percepire (1)
Il sistema visivo è un insieme di processi fisici e
fisiologici che rendono disponibile all’osservatore un
mondo percepito, che tuttavia, in generale, sarà
diverso da una rappresentazione completa e veridica
del mondo fisico.
In generale, la percezione visiva è una
rappresentazione incompleta perché un sistema in
grado di codificare tutte le proprietà degli oggetti
esterni (e di farlo rapidamente, per offrire un
efficace supporto all’azione) sarebbe molto difficile
da realizzare e forse, non del tutto conveniente.
Immagini: osservare e percepire (2)
Consideriamo un esempio classico della parzialità della
percezione visiva, il cosiddetto quadrato di Mach.
Osserviamo la figura
Pur essendo geometricamente identiche, le
due forme appaiono diverse.
Immagini: osservare e percepire (3)
Questa differenza dipende probabilmente dal modo in cui la
forma viene rappresentata all’interno del sistema visivo:
non come una sorta di immagine fotografica (in tal caso
dovrebbe valere l’invarianza alla rotazione), ma come una
descrizione strutturale riferita agli assi cardinali dello
spazio percettivo.
Nella forma a sinistra gli angoli retti sono salienti e
l’allineamento dei lati con la verticale e l’orizzontale rende la
struttura molto stabile; mentre nella forma di destra ciascun
angolo appare come una punta di ampiezza non ben definita,
orientata in una delle direzioni cardinali.
Immagini: osservare e percepire (4)
La rappresentazione della forma, cioè la
visione, non è semplicemente una foto, ma
una rappresentazione nella quale convivono:
i principi fisici dell’ottica
la fisiologia dei recettori e delle cellule
nervose della retina
la fisiologia del cervello
Immagini: osservare e percepire (5)
A livello geometrico un quadrato gode di molte proprietà:
quattro lati uguali e quattro angoli uguali (quindi retti),
diagonali uguali bisecantesi ad angolo retto, diagonali
coincidenti con le bisettrici degli angoli.
A livello percettivo sono rappresentate solo alcune di queste
proprietà, in funzione dell’orientamento:
nell’orientamento canonico sono rappresentate le proprietà che
il quadrato geometrico condivide con l’insieme dei rettangoli
(angoli retti e diagonali uguali ma non necessariamente
bisecantesi ad angolo retto);
in quello obliquo sono rappresentate le proprietà che il
quadrato geometrico condivide con l’insieme
dei rombi (diagonali bisecantesi ad
angolo retto ma non necessariamente uguali).
Immagini: osservare e percepire (6)
Il quadrato di Mach è anche un buon esempio di
percezione non veridica (oltre che incompleta). La
forma di destra appare più grande di quella di
sinistra, probabilmente perché la grandezza percepita
dipende in qualche modo dall’ingombro degli attributi
salienti, che sono sempre gli elementi allineati con gli
assi cardinali (lati a sinistra e diagonali a destra).
Nel quadrato di Mach si produce un’illusione
della grandezza visiva.
Immagini: grandezza di un oggetto
Nell’illusione di
Ebbinghauss, un
cerchio sembra più
o più piccolo a
seconda delle
dimensioni dei
cerchi che lo
circondano.
Immagini: effetto Thatcher
Nell’effetto Thatcher, un ritratto capovolto
sembra normale, ma risulta alterato se lo
raddrizziamo.
COLORE & INTENSITA’ (1)
Un fenomeno interessante è l’adattamento dell’occhio al
buio.
Se entriamo nel buio da una zona fortemente
illuminata, non possiamo vedere bene per un po’, ma
gradualmente le cose appaiono sempre più visibili e
finalmente possiamo vedere qualcosa dove non avevamo
potuto vedere niente prima.
Se l’intensità della luce è molto bassa, le cose che
vediamo non hanno colore.
Questa visione, con adattamento al buio, è dovuta
quasi eslusivamentea i bastoncelli, mentre la visione
nella luce brillante è dovuta ai coni.
COLORE & INTENSITA’ (2)
Nebulosa ad Anello
(4100 a.l.)
Nebulosa del Granchio
(6500 a.l.)
COLORE & INTENSITA’ (3)
Il picco di
sensibilità dei coni
è nel giallo.
Il picco di
sensibilità dei
bastoncelli è nel
verde.
Una cosa rossa
(λ~650 nm)
possiamo vederla
se è molto
illuminata, ma è
praticamente
invisibile
nell’oscurità.
CONI
BASTONCELLI
EFFETTO PURKINJE (1)
Due pezzi di
carta colorata,
rossa e blu, in
cui il rosso
appare più
luminoso del blu
in buona luce,
appariranno,
nell’oscurità,
completamente
invertiti.
CONI
BASTONCELLI
EFFETTO PURKINJE (2)
Questo effetto si verifica perché la curva di
sensibilità dei coni nella retina ha un
massimo in prossimità del colore verde
chiaro-giallo (circa 555nm), mentre quella
dei bastoncelli, che sono più sensibili alla
luce ma non distinguono i colori, ha un
massimo in corrispondenza della luce verdeblu (circa 510 nm), i coni di conseguenza
saranno più sensibili alla luce tendente al
rosso mentre i bastoncelli a quella tendente
al blu.
CONI & BASTONCELLI (1)
I coni ed i bastoncelli non
sono uniformemente
distribuiti nella retina:
(1) non ci sono bastoncelli
nella fovea;
(2) la densità dei coni
diminuisce andando ai lati del
campo di vista.
I bastoncelli sono 120 milioni, i coni 7 milioni
La periferia della retina è molto sensibile al moto e quindi
per oggetti che sono visti “con la coda dell’occhio”, la
visione non è nitida , ma l’allerta è rapida.
I bastoncelli sono 4000 volte più veloci dei coni.
Dentro di noi le connessioni sono fatte in modo da
accorgersi velocemente se qualcosa si agita a lato del
campo visivo.
CONI & BASTONCELLI (2)
Bastoncelli: Cellule fotosensibili particolarmente efficaci a basse
intensità luminose, sono incapaci di distinguere i colori e si trovano in
tutta la retina esclusa la fovea.
Coni: Cellule fotosensibili il cui funzionamento è garantito solo ad “alta”
luminosità, sono in grado di distinguere determinati colori e si trovano
principalmente nella fovea.
MISURA DELLA SENSAZIONE DEL COLORE (1)
Consideriamo la visione con i coni e la loro
caratteristica principale: il colore.
Come sappiamo, la luce bianca può essere
separata da un prisma in un intero spettro di
lunghezze d’onda che ci appare composta di
differenti colori; questo è
quello che i colori sono,
naturalmente: apparenze.
I diversi colori dipendono
dalla distribuzione
spettrale della luce.
MISURA DELLA SENSAZIONE DEL COLORE (2)
Tre differenti luci colorate, non
importa quali(*), possono essere
mischiate nella giusta proporzione
per produrre qualsiasi colore
(*)
Tranne se uno dei tre può essere
ottenuto mescolando gli altri due.
MISURA DELLA SENSAZIONE DEL COLORE (3)
R
V
B
C = αR + βV + γB
PIGMENTI E DALTONISMO (1)
Per la biofisica della visione del colore, la teoria
più semplice, proposta da Young e Helmholtz,
suppone che nell’occhio vi siano tre diversi
pigmenti con diversi spettri di assorbimento.
Sappiamo che vi sono persone daltoniche (~8%
della popolazione maschile e ~0.5% di quella
femminile), che hanno una alterata percezione
del colore. Ci sono dei daltonici che si chiamano
dicromatici, per i quali qualsiasi colore è
costruito con solamente due colori primari.
PIGMENTI E DALTONISMO (2)
L’idea più ovvia è che i daltonici dicromatici
siamo privi di uno dei tre pigmenti.
Se è così devono esistere tre tipi di daltonici
dicromatici.
Esistono tre tipi di daltonismo dicromatico:
1.protanope – confonde il rosso con il verde ed
anche con il blu (comune)
2.deuteranope – confonde il rosso con il verde
(comune)
3.tritanope – confonde il giallo con il blu (molto
raro)
PIGMENTI E DALTONISMO (3)
42
37
58
Le persone dotate di normale capacità di
discriminazione dei colori, nei riquadri
leggono rispettivamente i numeri: 42, 37 e 58.
Quelle affette dalle più comuni forme di daltonismo
leggono: 2, 7, 58.
PIGMENTI E DALTONISMO (4)
Il primo pigmento scoperto è la
porpora retinica, che si trova
nell’occhio di tutti i vertebrati e la
cui curva si sensibilità praticamente
si sovrappone a quella dell’occhio
adattato al buio. Questo è il
pigmento dei bastoncelli e non ha niente a che vedere
con la visione del colore.
Intorno agli anni ’70 sono stati scoperti due pigmenti
relativi a coni ed è stato scoperto il pigmento mancante
per l’occhio protanope.
I lavori fatto sull’occhio deuteranope non mostrano la
mancanza di un definito pigmento.
PIGMENTI
Percentuali di
popolazione dei
tre tipi di coni:
Cono S (4%)
Cono M (32%)
Cono L (64%)
Attualmente conosciamo gli spettri di
assorbimento dei tre tipi di coni e dei
bastoncelli (*) nella retina umana
PERCEZIONE DEL COLORE (1)
Studi condotti (2009) dagli scienziati cognitivi mostrano
che linguaggio e percezione dei colori sono strettamente
connessi.
L'idea che la lingua parlata possa influire sulla percezione è
tutt'altro che recente: venne infatti avanzata per la prima
volta da Sapir e Whorf nel 1956.
L'Ipotesi di Sapir-Whorf (SWH), altresì conosciuta come
ipotesi della relatività linguistica, afferma che la
categorizzazione linguistica non sia solo frutto del nostro
modo di organizzare l'esperienza, ma ne è, al contempo, la
discriminante: chi, infatti, "conosce" linguisticamente il
mondo in un certo modo ne sarà influenzato di conseguenza,
ovverosia il modo di esprimersi influenza il modo di pensare.
PERCEZIONE DEL COLORE (2)
Ora abbiamo prove sicure di tale connessione.
Usando tecniche di imaging neuronale, siamo
riusciti a mostrare che le regioni cerebrali che
mediano i processi linguisitici partecipano alle reti
neuronali attivate da decisioni percettive.
In funzione della lingua parlata, a dei soggetti viene
chiesto di decidere se due quadrati siano dello
stesso colore. Alcuni quadrati sono colorati con una
tinta facile da nominare (come "rosso" o "blu") ed
altri con colori per i quali l'attribuzione di un nome
appare più difficile.
PERCEZIONE DEL COLORE (3)
I risultati ottenuti con la tecnica di neuro-imaging, hanno
mostrato che la percezione di entrambi i tipi di colore
coinvolge le stesse regioni corticali notoriamente associate
alla visione dei colori.
Tuttavia, la percezione dei colori facili da nominare evoca,
rispetto a quelli "difficili", un'attivazione molto più forte di
due ulteriori aree che sono responsabili della ricerca delle
parole, suggerendo che per i colori che abbiano un proprio
specifico nome in una certa lingua ci sia uno stretto legame
fra elaborazione del linguaggio e percezione dei colori.
Se nella lingua parlata dal soggetto, esistono due nomi
per i due colori a confronto il riconoscimento è più rapido
e soprattutto più sicuro, rispetto al caso nel quale non ci
sia una differenza linguistica.
Effetto Stroop: un’illusione del colore
Si mostrano parole che descrivono colori semplici
scritte in colori non corrispondenti e si chiede di
dire rapidamente di che colore sono le parole.
La funzione complessa comprensione ha priorità
sulla funzione apparentemente semplice del
riconoscimento dei colori.
VISIONE (1)
La messa a fuoco della luce è
fatta principalmente dal
sistema cornea-cristallino.
La cornea devia la luce verso
l’asse ortogonale ad essa, cioè
verso la zona della fovea.
Il cristallino è una lente
convergente che si restringe o
si allarga cambiando fuoco e
permettendo quindi il formarsi
sulla retina di immagini di oggetti che si trovano a
distanze diverse dal cristallino stesso.
L’iride (il cosiddetto colore dell’occhio) stringendosi o
allargandosi regola la quantità totale di luce all’interno
dell’occhio.
VISIONE (2):
VISIONE (3):
VISIONE (4)
Alcune delle fibre del nervo
ottico (A) non vanno
direttamente alla corteccia
visiva del due emisferi
cerebrali (B), ma entrano
nel cervello medio (H) e
ritornano all’occhio.
Queste fibre misurano
1) la luce media e regolano
l’iride
2) se l’immagine è confusa
regolano il cristallino
3) se l’immagine è doppia
regolano la visione
binoculare
VISIONE (5)
L’iride ha due sistemi di muscoli:
un muscolo circolare (L) che chiude l’iride; esso agisce
rapidamente ed è connesso con brevi fibre al cervello
(sistema parasimpatico);
muscoli radiali (S) che tirano e fanno dilatare l’iride; essi
agiscono lentamente e sono connessi con lunghe fibre che
provengono dal tratto toracico del midollo spinale (sistema
simpatico).
VISIONE (6)
Alcune delle fibre del nervo ottico
del lato sinistro dell’occhio destro
corrono attraverso il chiasma
ottico (B), mentre quelle del lato
sinistro dell’occhio sinistro curvano
e fanno la stessa strada.
Il lato sinistro del cervello riceve
le informazioni che provengono dal
lato sinistro di ciascun bulbo
oculare, cioè dal lato destro del
campo visivo, mentre il cervello
destro fa il contrario.
GLI OCCHI COMPOSTI (1)
Gli insetti hanno come organi per
la visione i cosiddetti occhi
composti.
Essi sono costituiti da più
unità ottiche autonome
coordinate detti ommatidi,
ognuno dei quali costituito da una corniola
trasparente prodotta da cellule specializzate
dell'epidermide, un cristallino anch'esso secreto
da cellule epidermiche e con al di sotto otto
neuroni vicini a formare un cilindro "retinula"
sensibile alla luce. Il numero degli ommatidi varia
a seconda della specie da uno a 20.000.
GLI OCCHI COMPOSTI (2)
Negli insetti diurni ogni ommatide
è completamente isolato dagli
altri in modo che ogni unità
percepisce un immagine di poco
diversa dall'altro, si viene a
formare così un mosaico di
minuscole immagini tanto più
definito quanto più sono gli ommatidi: questo tipo di
visione viene detto per apposizione.
Negli insetti notturni invece l'occhio è strutturato per
ricevere più luce possibile, la luce che penetra in un
ommatide può essere captata anche dall'organo visivo
adiacente come raggio obliquo perché riflesso da cellule
pigmentate che rivestono l'interno degli organi visivi:
questo tipo di visione viene chiamata per superposizione.
GLI OCCHI COMPOSTI (3)
La percezione dei colori non è la stessa che si nota nei
vertebrati. Per esempio un ape riesce a vedere differenze
di colori da 650 a 300 nm con notevole attenzione per gli
ultravioletti, mentre un uomo vede da 800 a 400 nm
Un fiore visto dall’occhio umano..
...ed ecco come un ape vede lo stesso
fiore, meno definito ma grazie alla
sensibilità agli ultravioletti riesce a
vedere le linee guida che conducono
l‘insetto verso il nettare.
ALTRI OCCHI
Tutti gli invertebrati hanno
occhi scarsamente sviluppati o
occhi composti, ma tutti i
vertebrati hanno occhi molto
simili al nostro.
Una notevole eccezione è il
polipo. Esso ha un occhio uguale.
In esso la retina è una parte
del cervello che è uscita, nello
stesso modo dei vertebrati,
durante lo sviluppo embrionale,
ma in essa le cellule sensibili
alla luce sono all’interno e le
cellule che fanno il calcolo sono
dietro di esso e non “a rovescio”
come nel nostro caso.
L
U
C
E
L
U
C
E