Sensibilidad luminosa espectral del sistema visual PERCEPCIÓN VISUAL Tema 3 Profesora María Cinta Puell Grado Óptica y Optometría Universidad Complutense de Madrid Universidad Complutense de Madrid 1noviembre de 2018 Contenido  Métodos de medición de la eficiencia luminosa.  Funciones de eficiencia luminosa fotópica y escotópica.  Funciones de sensibilidad espectral fotópica y escotópica.  Relación entre sensibilidad espectral y absorción espectral de fotopigmentos.  Fotometría y radiometría: magnitudes fotométricas fundamentales.  Iluminación de la retina  Efecto Stiles-Crawford: selectividad direccional de la luz Universidad Complutense de Madrid 2 Sensibilidad luminosa espectral  La luminosidad que observamos de una determinada radiación depende de  la cantidad de energía  la longitud de onda  Radiaciones con:  la misma energía (intensidad) pero  diferente longitud de onda  producen diferente sensación luminosa (brillo) Universidad Complutense de Madrid 3 Métodos de medida de la eficiencia luminosa  Medida de la eficiencia luminosa  Cantidad mínima de energía que produce sensación luminosa  Fotometría: se comparan dos estímulos compuestos por diferentes longitudes de onda  Métodos  Fotometría directa heterocromática  Fotometría intermitente heterocromática Universidad Complutense de Madrid 4 Fotometría directa heterocromática Tarea del observador: Ajustar la radiancia de la muestra (longitud de onda variable) para que iguale la luminosidad de la longitud de onda estándar Esta tarea se repite para cada longitud de onda del espectro Universidad Complutense de Madrid 5 E λ555 E λ630 Disposición de los estímulos para un experimento de igualación de brillo directo Campo semi-circular para igualaciones de luminosidad Fotometría directa heterocromática Dos fuentes luminosas de igual radiancia E1 = E2 Si las fuentes tienen igual longitud de onda L1 = L2 Para radiaciones de diferentes longitud de onda L1 ≠ L2 Para igualar en luminosidad o brillo: E1 . V1 = E2 . V2 V1 y V2 = números positivos Para todas las longitudes de onda E1 . V1 = Ei . Vi E1 λ1 E2 λ2 E1 λ1 Ei λi Universidad Complutense de Madrid 6 Fotometría directa heterocromática  Es difícil igualar el brillo de dos estímulos de colores diferentes  Para evitar las diferencias notables de color en los semicampos:  Fotometría directa heterocromática paso a paso  5 nm de diferencia entre ambos semicampos Universidad Complutense de Madrid 7 Fotometría intermitente heterocromática 8 Dos estímulos monocromáticos se alternan en el tiempo con una frecuencia determinada y se produce la fusión de colores (solo se ve un color) Tarea del observador: • ajustar la luminosidad de uno de los estímulos para minimizar la percepción de parpadeo. • en ese momento, las longitudes de onda estándar y de muestra tienen la misma luminancia. El procedimiento se repite en todo el espectro para obtener una función de luminosidad fotópica (resultados fiables) Universidad Complutense de Madrid La fotometría heterocromática produce la función de eficiencia luminosa fotópica (Vλ) Vi V1 λ1 λi Curva con los valores de Vi medidos para un observador Curva de eficiencia luminosa del observador Curva normalizada a la unidad 555 Universidad Complutense de Madrid 9 Eficiencia luminosa Vλ para cada longitud de onda Función de eficiencia luminosa fotópica Vλ = f (λ) Curva de eficiencia luminosa fotópica, Vλ, del observador patrón CIE-1924 555 Universidad Complutense de Madrid 10 Una función de luminosidad o una función de eficiencia luminosa describe la sensibilidad espectral promedio de la percepción visual humana del brillo. Algunos valores de la curva de eficiencia luminosa fotópica del observador patrón Longitud de onda (nm) 400 480 510 555 610 700 Sensibilidad relativa (Vλ) 0,0004 0,139 0,503 1 0,503 0,004 Función de luminosidad fotópica Universidad Complutense de Madrid 11 El máximo de eficiencia luminosa fotópica es a 555 nm (amarillo-verde) Función de eficiencia luminosa escotópica 507 Universidad Complutense de Madrid 12 La eficiencia luminosa es máxima para 507 nm (verde-azul) Funciones de luminosidad fotópica y escotópica Datos normalizados: • el valor máximo de cada curva se establece en 1 • Los picos de las curvas están al mismo nivel. 13Universidad Complutense de Madrid Ejemplo: Condiciones fotópicas para = 555 nm vλ = 1 y para = 620 nm vλ = 0,3 Igualación: E556 . v556 = E620 . V620 Sí E555 = 100 w/sr . m2 100 . 1 = E620 . 0,3 E620 = 333 w/sr . m2 Condiciones escotópica para = 556 nm v 'λ = 0,6 y para = 620 nm v 'λ = 0,1 Sí E555 = 100 w/sr . m2 100 . 0,6 = E620 . 0,1 E2 = 600 w/sr . m2 Igualación en visión fotópica y escotópica con una radiación de 555 nm y otra de 620 nm Universidad Complutense de Madrid 14 100 λ555 333 λ620 100 λ555 600 λ620 Funciones de sensibilidad espectral  La curva de sensibilidad espectral fotópica tiene un brillo máximo a 555 nm (amarillo-verde)  La curva de sensibilidad espectral escotópica tiene un brillo máximo a 507 nm (verde-azul) 15 La sensibilidad espectral es la eficiencia relativa de detección de luz en función de la longitud de onda (terminología neurociencia visual) Sensibilidad espectral relativa escotópica Escala logarítmica Sensibilidad: inversas de las energías necesarias para una igualación normalizadas a la unidad Universidad Complutense de Madrid 16 Sensibilidad pico 505 nm 7 6 5 4 3 2 1 400 500 600 700 Longitud de onda (nm) Lo g se ns ib ilid ad λ1 λ2 Para una energía determinada λ1 se verá más brillante que λ2 Sin embargo, si la intensidad de λ2 se aumenta, λ2 se percibirá con igual brillo que λ1 Sensibilidad espectral escotópica Sin percepción de color 17 7 6 5 4 3 2 1 400 500 600 700 Longitud de onda (nm) Lo g se ns ib ilid ad Conos Bastones Pico 555 nm (verde/ amarillo) Sensibilidad espectral fotópica 18Universidad Complutense de Madrid Sensibilidad espectral fotópica y escotópica Sensibilidades de los dos sistemas medidos en condiciones de oscuridad con fotopigmentos totalmente regenerados. El sistema escotópico es más sensible que el sistema fotópico Universidad Complutense de Madrid 19 Pico 555 nm (verde/ amarillo) Relación entre sensibilidad espectral y absorción espectral de fotopigmentos La capacidad de detectar estímulos en condiciones escotópicas está determinada por las características de absorción de la rodopsina. 20 Sensibilidad espectral escotópica (o o o ) Absorción espectral de rodopsina ( __ ) Relación entre la sensibilidad espectral fotópica y la absorción espectral de los fotopigmentos de los conos Espectros de absorción fotopigmentos: • cianolabe (conos S) • clorolabe (conos M) • eritrolabe (conos L) Sensibilidad espectral fotópica: Adición de los espectros de absorción de los conos M y L. Los conos en S contribuyen poco o nada a esta función. 21 Relación entre la sensibilidad espectral fotópica y la absorción espectral de los fotopigmentos de los conos 22Universidad Complutense de Madrid Sensibilidad espectral de la visión humana 23 La melanopsina en las células ganglionares fotosensibles integra la información de la luz (fotorrecepción circadiana), pero es más sensible a la parte azul del espectro. Pigmento macular (xantofilas, pico ~ 460 nm). El 25 - 33% de la luz que entra al ojo se absorbe por gránulos del pigmento melanina en el EPR y la coroides. Esto reduce la luz dispersa y protege de las lesiones fóticas. La sensibilidad espectral máxima en condiciones de luz diurna es ~ 555 nm. Por la noche, el pico se desplaza a ~ 507 nm, cerca del pico de la rodopsina (505 nm) Universidad Complutense de Madrid Efecto Purkinje Purkinje notó que las flores amarillas y rojas de su jardín parecían más brillantes que las azules justo antes del atardecer. 24 Unos minutos después, las flores azules parecían más luminosas. Universidad Complutense de Madrid 7 6 5 4 3 2 1 400 500 600 700 Longitud de onda (nm) Lo g se ns ib ilid ad Conos Bastones desplazamiento Purkinje Desplazamiento Purkinje Universidad Complutense de Madrid 25 La luminosidad de los estímulos de longitud de onda más corta aumenta si las condiciones de luminancia cambian desde fotópica a escotópica (y viceversa) Efecto Purkinje E1 λ507 E1 λ555 E2 λ507 E2 λ555 Parece más luminoso Parece más luminoso Estímulos muy tenues que emiten la misma cantidad de fotones. Detectados por el sistema escotópico. La intensidad de cada estímulo se incrementa en la misma cantidad hasta que los detecta el sistema fotópico. 26Universidad Complutense de Madrid Fotometría y radiometría  Radiometría  Potencia producida por una fuente de radiación, independientemente de su efecto en la visión.  Fotometría  Efecto que esta radiación tiene en el sistema visual.  La base para las mediciones fotométricas es la curva de eficiencia luminosa fotópica (Vλ)  El observador de referencia fotométrico permite definir las magnitudes fotométricas a partir de las radiométricas 27Universidad Complutense de Madrid La eficacia visual de una fuente que emite una radiación monocromática de radiancia Le, se expresa por su equivalente fotométrico, la luminancia, L. La luminancia expresa la luminosidad visual que genera la radiancia Le, a través de su valor en la curva de eficiencia luminosa La luminancia se define por la expresión: L = Km . Vλ . Le Km = coeficiente constante (683 lm / w) Le = w / sr . m2 L = lm / sr . m2 = cd/m2 Fotometría y radiometría Universidad Complutense de Madrid 28 Magnitudes fotométricas fundamentales 29Universidad Complutense de Madrid Magnitudes fotométricas fundamentales E F S = L I S = Flujo luminoso (F) Intensidad luminosa (I) Luminancia (L) Iluminancia (E) Ω = FI en todas direcciones dirección determinada E = I x cos ά / d2 Universidad Complutense de Madrid 30 Flujo luminoso (F) Ejemplo: distribución espectral de un estímulo compuesto de tres λ Flujo radiante Flujo luminoso 5 W de 475 nm 0,1 . 680 lumen/watio . 5 W = 340 lúmenes 2,5 W de 555 nm 1,0 . 680 lumen/watio . 2,5 W = 1700 lúmenes 2,5 W de 600 nm 0,62 . 680 lumen/watio . 2,5 W = 1054 lúmenes Nº total de lúmenes = 3094 lúmenes 31 El flujo o potencia luminosa se determina calculando el número de lúmenes producidos por cada λ y luego sumando estos valores. El sistema fotométrico es aditivo: ley de la aditividad de Abney Las otras magnitudes fotométricas se definen a partir de sus magnitudes radiométricas: ∫= 760 380 λλλ dXVKX em X = magnitud luminosa Xeλ = magnitud radiométrica espectral correspondiente La luminancia total de una radiación compuesta o de un espectro continuo es la suma de las luminancias componentes (Ley de Abney): Fotometría y radiometría Universidad Complutense de Madrid 32 ∫= 760 380 λλλ dLVKL em Niveles de luminancia (cd/m2) a los cuales puede estar sometido el ojo 33Universidad Complutense de Madrid Iluminancia retiniana La luz que alcanza la retina de un ojo con una pupila grande es mayor que en el caso de un ojo con una pupila pequeña. La iluminación de la retina tiene en cuenta el área de la pupila Er = L . Sp Er = Iluminancia retiniana en trolands L = Luminancia de la fuente luminosa observada cd/m2 Sp = Superficie pupilar en mm2 Unidad: troland (td) es la iluminancia de la retina producida por un campo de luminancia de 1 cd/m² observado con una pupila de 1 mm² de superficie. Si la iluminación de la retina en un experimento se especifica como un número dado de trolands, la cantidad de luz en todas las retinas será la misma independientemente del diámetro de la pupila. Universidad Complutense de Madrid 34 Iluminancia retiniana Universidad Complutense de Madrid 35 Efecto Stiles-Crawford A y B son fuentes con igual luminancia Centro pupila Universidad Complutense de Madrid 36 La probabilidad de que la luz sea absorbida por el fotorreceptor es mayor para la luz que entra por el centro de la pupila que para la luz que entra por la periferia. Efecto Stiles-Crawford Los rayos de luz inciden perpendiculares a la superficie de los conos y producen una imagen más luminosa. Los rayos de luz inciden oblicuos a la superficie de los conos y son menos eficientes. Universidad Complutense de Madrid 37 Efecto Stiles-Crawford: selectividad direccional a la luz Eficacia luminosa relativa de los rayos de luz según su punto de entrada en la pupila en visión foveal y fotópica Universidad Complutense de Madrid 38 Posición del estímulo en la pupila (mm) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 40 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Lo g se ns ib ilid ad re la tiv a (lu m in os id ad ) Conos Bastones Efecto Stiles-Crawford En condiciones escotópicas, el ángulo con el cual los rayos de luz inciden en los bastones no afecta a la sensibilidad luminosa (no hay sensibilidad direccional) 39Universidad Complutense de Madrid Efecto Stiles-Crawford Los conos apuntan hacia el centro de la pupila, maximizando su efectividad. Los conos apuntan hacia la pupila descentrada, maximizando su efectividad. Ojo adaptado con LC que tiene una pupila descentrada. Los conos son móviles y se orientan a la luz. 40Universidad Complutense de Madrid Los conos actuan como guía de ondas Efecto Stiles-Crawford Cuando el rayo de luz entra ortogonal la efectividad para blanquear los fotopigmentos es máxima y aumenta el brillo percibido. 41Universidad Complutense de Madrid Sensibilidad luminosa espectral del sistema visual Contenido Sensibilidad luminosa espectral Métodos de medida de la eficiencia luminosa Fotometría directa heterocromática Fotometría directa heterocromática Fotometría directa heterocromática Fotometría intermitente heterocromática� La fotometría heterocromática produce la función de eficiencia luminosa fotópica (Vλ)� Función de eficiencia luminosa fotópica� Función de luminosidad fotópica� Función de eficiencia luminosa escotópica � Funciones de luminosidad fotópica y escotópica Ejemplo: Funciones de sensibilidad espectral Sensibilidad espectral relativa escotópica Sensibilidad espectral escotópica Sensibilidad espectral fotópica Sensibilidad espectral fotópica y escotópica Relación entre sensibilidad espectral y absorción espectral de fotopigmentos Relación entre la sensibilidad espectral fotópica y la absorción espectral de los fotopigmentos de los conos Relación entre la sensibilidad espectral fotópica y la absorción espectral de los fotopigmentos de los conos Sensibilidad espectral de la visión humana� Efecto Purkinje Desplazamiento Purkinje Efecto Purkinje Fotometría y radiometría Fotometría y radiometría� Magnitudes fotométricas fundamentales Magnitudes fotométricas fundamentales� Flujo luminoso (F)� Fotometría y radiometría Niveles de luminancia (cd/m2) a los cuales puede estar sometido el ojo Iluminancia retiniana� Iluminancia retiniana Efecto Stiles-Crawford� Efecto Stiles-Crawford Efecto Stiles-Crawford: �selectividad direccional a la luz� Efecto Stiles-Crawford Efecto Stiles-Crawford Efecto Stiles-Crawford