Física Óptica: Visión y Luz

Biofísica de los Sentidos - Visión

• La biofísica de los sentidos estudia cómo los organismos intercambian materia y energía con el entorno, recibiendo información del medio externo y generando millones de respuestas. La información circula principalmente por señales eléctricas y mensajeros químicos.
• Los órganos de los sentidos transducen diferentes tipos de información (táctil, térmica, lumínica, sonido, química, etc.) en señales eléctricas que se conducen a áreas específicas del sistema nervioso central (SNC).
• La transducción de estímulos sensitivos en impulsos nerviosos es un proceso donde la modificación de la permeabilidad iónica de la membrana genera un potencial de receptor (amplitud máxima 100mV). Cuando este potencial supera el umbral, desencadena potenciales de acción en la fibra adscripta.
• La transducción sensorial es el proceso por el cual un estímulo del medio (presión, luz, sustancias químicas) activa un receptor y convierte la energía en eléctrica. La conversión implica la apertura o cierre de canales iónicos, causando un flujo de iones a través de la membrana.
• La cadena visual comprende: recepción y transducción en el ojo, transmisión de señales a través de las vías nerviosas y la recepción e interpretación en la corteza occipital.
• Las etapas del fenómeno visual son: refracción de la luz por los medios transparentes del ojo (córnea, humor acuoso, cristalino y humor vítreo) para formar la imagen en la retina; procesos fotoquímicos en la retina que transforman energía lumínica en química y luego en impulsos eléctricos hacia el SNC e integración e interpretación de la información en la corteza cerebral (color, forma, tamaño, dimensión, ubicación, Es Psicofísica de la visión).
• Las ondas son la transmisión de energía entre dos puntos; existen dos tipos: con transporte de materia (ej: un proyectil de un arma, movimiento de electrones por un conductor) y sin transporte de materia (ej. ondas sonoras, luz, ondas de radio).
• El movimiento ondulatorio es la propagación de una propiedad física o una perturbación descrita por un campo a través de un medio, que puede ser un campo electromagnético (caso de ondas electromagnéticas), el desplazamiento transversal de una cuerda(caso de ondas elásticas).

Ondas

• La transmisión de energía entre dos puntos se puede dar de dos maneras: con transporte de materia, o por movimiento ondulatorio.
• Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío y llevan asociadas campos eléctrico y magnético que vibran perpendicularmente entre sí y a la dirección de la onda.
• Las ondas mecánicas necesitan de un medio elástico para propagarse, como las ondas sonoras.
• Las ondas pueden clasificarse como transversales (la oscilación es transversal a la dirección de propagación) o longitudinales (la oscilación es paralela a la dirección de propagación).
• Ejemplos de ondas mecánicas son las ondas sonoras, las ondas superficiales y las ondas sísmicas.
• Ejemplos de ondas electromagnéticas son la luz visible, las microondas, los rayos X y los rayos gamma.

Naturaleza Cuántica de las Radiaciones Electromagnéticas

• La teoría cuántica de Planck postula que la radiación electromagnética está compuesta por cuantos o fotones, la unidad cuántica de energía.
• Los fotones se comportan como ondas y como partículas.
• La energía de un fotón es proporcional a su frecuencia. (E=h.f) donde E es la energía, h es la constante de Planck, y f es la frecuencia de la onda electromagnética.
• La velocidad de los fotones en el vacío es la velocidad de la luz (c = 3 x 10$^8$ m/s).

Fotón

• Un fotón es la unidad fundamental de la radiación electromagnética.
• Cada fotón tiene una energía proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética (E=h.f).
• Los fotones vibran en forma de ondas pero se comportan como partículas individuales.

Luz, espectro visible

• El espectro visible es una parte del espectro electromagnético.
• Las longitudes de onda entre 400 y 780 nm son visibles para el ojo humano.

Modelo Corpuscular de Newton

• Newton propuso que la luz está compuesta por partículas (corpúsculos) lanzadas a gran velocidad por los emisores.
• Explica la propagación rectilínea, la reflexión y la refracción de la luz.
• La reflexión implica que la luz choca con una superficie y rebota manteniendo el ángulo de incidencia igual al ángulo de reflexión.
• La refracción consiste en un cambio de dirección de la luz al pasar de un medio a otro con diferente índice de refracción.
• Newton erróneamente creía que la velocidad de la luz en el agua era mayor que en el aire.

Modelo Ondulatorio de Huygens

• Huygens postuló que la luz es un fenómeno ondulatorio que se propaga en un medio sutil llamado éter.
• Explica la propagación rectilínea, la reflexión y la refracción de la luz usando el principio de Huygens, donde cada punto del frente de onda puede considerarse como una nueva fuente de ondas.

Propiedades de la luz

• Reflejo: Cambio de dirección de la luz al chocar con una superficie. La reflexión especular ocurre sobre superficies lisas y la difusa sobre superficies rugosas.
• Refracción: Cambio de dirección de la luz al pasar de un medio a otro con diferente índice de refracción.
• Difracción: Curvatura de la luz al pasar por una abertura o alrededor de un obstáculo.
• Interferencia: Superposición de dos o más ondas de luz, que pueden reforzarse o cancelarse mutuamente, creando patrones de luz y oscuridad.
• Polarización: Los fotones oscilan en un solo plano.
• Dispersión: Variación de la velocidad de la luz según las longitudes de onda, generando dispersión de la luz blanca en un prisma en sus colores constituyentes.

Lentes

• Una lente es un medio transparente limitado por dos superficies, no necesariamente paralelas.
• Las lentes son esféricas o cilíndricas.
• Existen lentes convergentes y divergentes.
• Una lente convergente hace converger los rayos de luz, mientras que una lente divergente los dispersa.
• Los elementos de una lente esférica delgada son dos superficies esféricas, el centro óptico, el eje óptico, el foco objeto (f) y el foco imagen (f'). Se cumplen las siguientes características para los rayos que pasan por o son paralelos al eje óptico.

Imágenes

• Las imágenes se forman cuando la luz procedente de un objeto atraviesa una lente.
• Las imágenes pueden ser reales o virtuales.
• Las lentes convergentes forman imágenes reales e invertidas en ciertas circunstancias y virtuales en otras situaciones dependiendo de la posición del objeto.
• Las lentes divergentes producen imágenes virtuales, derechas y más pequeñas.

Poder dióptrico

• El poder dióptrico es la inversa de la distancia focal de una lente en metros (P = 1/f).
• Se mide en dioptrías.

Microscopio compuesto

• Utiliza dos lentes convergentes (objetivo y ocular).
• El objetivo forma una imagen real, invertida y aumentada de un objeto pequeño.
• El ocular magnifica la imagen creada por el objetivo.

Microscopio electrónico

• Usa electrones en lugar de luz para formar imágenes de objetos diminutos.
• Permite alcanzar mayores aumentos que los microscopios ópticos debido a la menor longitud de onda de los electrones.

El ojo

• El ojo está constituido por varios elementos que trabajan como lentes para enfocar la luz en la retina.
• Córnea, humor acuoso, cristalino y humor vítreo, juntos forman una lente concavoconvexa principal encargada de refractar la luz.
• El iris funciona como un diafragma, regulando la cantidad de luz que ingresa al ojo.
• La retina actúa como una pantalla sensible para la formación de imágenes.

Índices de Refracción

• El índice de refracción (IR) es una constante que describe la velocidad de la luz en un medio dado respecto a la velocidad en el vacío.
• En el ojo, la córnea y el cristalino tienen los mayores índices de refracción, lo que determina su función de lente para enfocar la luz.
• Los valores numéricos de los índices de refracción para cada elemento del ojo son proporcionados junto con descripciones de refracción.

Ojo reducido

• Los diferentes medios refringentes del ojo (córnea, humor acuoso, cristalino y humor vítreo) se pueden modelar como una lente gruesa biconvexa.
• La distancia focal anterior y la distancia focal posterior pueden ser calculados y usadas en el modelo.
• La cara anterior de la córnea es la principal responsable de la refracción en el ojo.

Defectos de la visión

• Presbicia: Disminución de la elasticidad del cristalino a la edad.
• Miopía: Imagen se forma delante de la retina, debido a un exceso de convergencia.
• Hipermetropía: Imagen se forma detrás de la retina, debido a un defecto en la convergencia.
• Astigmatismo: La córnea o el cristalino no son esféricos, causando distorsiones en la imagen.

Agudeza visual

• Capacidad de distinguir dos puntos separados como tales.
• La agudeza visual máxima se da en la fóvea de la retina.
• La fóvea tiene células fotorreceptoras (conos) densamente empaquetados, con una alta resolución espacial.

Campo visual

• Porción del espacio que cada ojo puede ver.
• La córnea y el cristalino enfocan la parte derecha del campo visual en la mitad izquierda de la retina y viceversa.
• La hemirretina nasal de cada ojo recibe la misma información que la temporal del otro ojo.

Campimetría

• Método para estudiar el campo visual utilizando un perímetro.
• El perímetro es un arco metálico que cubre una porción del campo visual para medir los límites de la visión.

Retina

• La retina está compuesta por diferentes capas de células.
• Las neuronas fotorreceptoras (conos y bastones) convierten la luz incidente en impulsos nerviosos.
• El epitelio pigmentario de la retina juega un papel importante en la función de absorción de luz y en la regeneración de pigmentos visuales.

Células de la retina

• Las células ganglionares, bipolares, horizontales y amacrinas son neuronas que se interconectan en la retina para procesar la información visual formando sinapsis.
• Los conos y bastones son células receptoras que convierten la luz en señales eléctricas, que son llevadas a través de las células bipolares a las células ganglionares al nervio óptico.

Capas de la retina

• Estructura de la retina con diferentes capas (epitelio pigmentario, conos y bastones, capa nuclear externa, capa plexiforme externa, capa nuclear interna, capa plexiforme interna, y capa de fibras nerviosas).