Fisiologia e Biofísica da Visão

16-02-2011 12:08

Biofísica da visão

    Luz

    Na antiguidade, alguns filósofos acreditavam que a luz era composta de minúsculas partículas que se alinhavam em linha reta e que possuíam uma velocidade muito grande. A primeira pessoa a contrariar essa idéia foi Leonardo da Vinci, em meados do ano 1500d.C. Leonardo da Vinci comparou o fenômeno do eco, que é de características ondulatória, com fenômenos da reflexão da luz. Devido à grande semelhança entre esses fenômenos, ele levantou a hipótese de que a luz seria uma onda e não um conjunto da partículas.

    Mais tarde, no século XVII, essas duas teorias ganharam dois fortes adeptos. Newton defendia a idéia dos antigos filósofos gregos, dando a ela o nome de modelo corpuscular da luz. C. Hughens, um físico holandês, defendia a teoria de Leonardo da Vinci a ela dando o nome de modelo ondulatório da luz.

    Finalmente, no início do século XIX, Young observou o fenômeno da interferência.

    Como a interferência é um fenômeno caracteristicamente ondulatório, a teoria corpuscular de Newton estava começando a cair por terra.

    Em 1862, estudando o fenômeno da refração, o físico francês Foucault conseguiu medir medir a velocidade da luz na água. Newton dizia que esse valor seria maior do que a velocidade da luz no ar, devido a uma força de atração F, que provocaria uma mudança na direção do movimento das partículas do feixe luminoso. Foucault observou exatamente o contrário: a velocidade da luz, na água, era menor do que a sua velocidade no ar. Sendo as assim as teorias de Newton sobre o assunto foram abandonadas.

    Dualidade Onda-Partícula

    Em 1901 Max Plank, e Albert Einstein (efeito fotoelétrico), em 1905, iniciaram a formulação da teoria dos quanta. Segundo essa teoria, a radiação eletromagnética é emitida e se propaga descontinuamente, em pequenos pulsos de energia, chamados pacotes de energia, quanta ou fótons. Assim, a onda eletromagnética apresenta um caráter corpuscular. 

    Entre os sistemas que desempenham funções sensoriais, a visão apresenta aspectos biofísicos peculiares. O globo ocular e seus acessórios tratam a luz em seus dois aspectos fundamentais. que são: 

    A luz como onda - Há um meio refratos que forma imagem de objetos iluminados, ou luminosos.

    A luz como partícula (fóton) - uma película fotossensível transforma a energia eletromagnética do pulso luminoso em pulso elétrico.

    Os pulsos elétricos são levados ao cérebro, onde provocam sensações psicofísicas conhecidas como visão.

    Luz como onda

    Para efeitos comuns, não relativísticos, a luz se propaga simplesmente em linha reta. No vácuo, sua velocidade é uma das mais importantes constantes universais, e é a velocidade máxima que a matéria pode atingir: v=3.108m/s.

    No ar, água, outros líquidos, corpos transparentes, a velocidade da luz diminui, a velocidade é tanto menor quanto maior é o índice de refração do meio.

    Refração da luz

    Experiências demonstram que, ao passar através de meios diferentes, a luz sofre uma mudança na sua direção de propagação. Isso acontece, porque a velocidade da luz varia de acordo com o tipo de meio em que ela se propaga.

    A refração da luz é, por definição, uma mudança na direção de propagação de um feixe luminoso, ao passar de um meio para outro. Esse fenômeno ocorrerá somente quando a velocidade de propagação da luz nesses dois meios for diferente e, se o raio incidente não penetro outro meio em um ângulo perpendicular a ele.

    Lei de Snell

    O matemático holandês, Snell, observou que, para dois meios diferentes, o senq1 sobre o senqresultava em uma constante. É claro que essa constante varia para cada par de meios diferentes.

    sabendo que essa constante é igual ao quociente entre as velocidades de propagação da luz nesses dois meios temos:

    senq1/senq2 = v1/v2 

    Se pegarmos um caso específico, em que o meio 1 é o vácuo e o meio 2 é outro qualquer, temos:

    senq1/senq2 = c/v

   c é a velocidade da luz no vácuo.

   v é a velocidade da luz naquele meio

Esse quociente, c/v, é denominado de índice de refração e é representado por "h".

    h = velocidade da luz no vácuo/ velocidade da luz no meio.

    como a velocidade da luz no vácuo é maior do que em qualquer outro meio, o valor de é sempre maio que 1, com exceção do ar atmosférico, pois a velocidade é aproximadamente igual à velocidade da luz no vácuo  (v=3.108m/s). 

   Tabela 1 - Índice de refração n os diferentes meios

Substância

h

Substância

h

Vácuo

1,00000

Córnea

1,38

Ar

1,0003

Cristalino

1,40

Água

1,3330

Glicerol

1,4730

Humor Aquoso

1,33

Benzeno

1,5012

Humor Vítreo

1,34

Vidros Diversos

1,4 – 2,0

Diamante

2,417

Gelo

1,31

 

Cores

É importante definir, antes de prosseguirmos, que ao nos referirmos à cor de um objeto, estamos supondo que ele esteja sendo iluminado. A luz branca é, na verdade, uma composição de várias cores, cada uma com um índice de refração diferente e um comprimento de onda l também diferente.

Cor

h

Vermelho

1,513

Amarelo

1,517

Verde

1,519

Azul

1,528

Violeta

1,532

    Uma maneira de comprovar a composição da luz branca é fazer um feixe e raios atravessar um prisma de vidro.

    Visão das cores

A observação de um objeto que apresenta coloração branca pode estar relacionada a dois fatores:

1º- Pode ser decorrente da incidência de todos os comprimentos de onda do espectro, na faixa do visível.

2º - pode estar ligado à percepção das cores denominadas complementares.

Para o nosso cérebro, nas duas maneiras a sensação é de estar visualizando a cor branca. Uma melhor compreensão só é possível após definir o que vem a ser cor e qual o mecanismo de detecção que possuímos.

Cor

A luz é composta por comprimentos de onda visível que varia para os humanos na faixa dos 400 aos 750nm. A luz composta pelo somatório destes comprimentos de onda nos dão a sensação visual do branco. Um objeto será percebido como branco se todos os raios do espectro baterem nele e forem refletidos. Caso contrário, isso é, se objeto absorver todos os comprimentos de onda não havendo reflexão de qualquer comprimento de onda na faixa do visível, objeto será percebido como preto (o preto é o grau máximo de redução da intensidade luminosa do branco).Portanto a cor é uma sensação psicofisiológica que está associada ao comprimento de onda e à maneira de percebê-los.

Cor monocromática como o próprio nome diz é composta de um único comprimento de onda e é específico para cada cor. Um exemplo é o arco-íres que é decorrente do fenômeno da difração da luz exercido pelas gotículas de água dispersas na atmosfera. O vermelho,laranja,azul,verde,amarelo,azul e violeta, são cores monocromáticas com comprimentos de ondas específicos.

Cor policromática é a mistura de elementos com pigmentos diferentes que ao sofrerem a incidência da luz branca absorvem alguns comprimentos de onda e refletem outros, estes outros somados é que darão a sensação de cor vermelho, amarelo, etc. poderá inclusive o espectro refletido não existir o comprimento de onda da cor observada e é nesse momento que entra em ação a parte psicofisiológica  do nosso cérebro. Dependendo de características  pigmentos são encontrados comercialmente em todos os produtos coloridos.

 

 ÓPTICA DA VISÃO

 

1. O olho humano

 

O globo ocular humano é constituído por diversos meios transparentes (córnea, humor aquoso, cristalino, humor vítreo), separados entre si por superfícies que são aproximadamente esféricas. Exteriormente está rodeado quase completamente por uma membrana opaca branca chamada esclerótica, à exceção da zona frontal - a córnea - que é transparente e mais acentuadamente convexa. A íris é um diafragma, cuja abertura é a pupila, pela qual a luz penetra no olho. O cristalino é uma lente biconvexa elástica (pode variar de forma, constituindo uma lente de potência variável) sendo acionada pelos músculos ciliares. O cristalino divide a região interna do olho em duas câmaras, que contêm os meios humor aquoso e humor vítreo. A retina é uma membrana delgada transparente, sensível à luz, onde se formam imagens reais dos objetos observados pelo olho. A parte central da retina é a fóvea e apresenta sensibilidade máxima à luz, proporcionando uma visão nítida dos objetos. A retina é uma ramificação do nervo óptico. As células nervosas, através deste, enviam as informações visuais ao cérebro.

Fig. 1 Globo ocular humano

 

2. O olho como sistema óptico

 

O olho humano pode ser analisado através de um modelo simples, que equivale opticamente aos efeitos produzidos pela córnea, pelo cristalino e pelos humores aquoso e vítreo. Tal sistema é designado por olho reduzido, sendo constituído basicamente por uma lente que representa os diversos meios ópticos que formam o olho e um alvo que representa a retina.

Fig. 2 O olho como sistema óptico.

 

O funcionamento do olho humano é muito semelhante ao funcionamento de uma câmara fotográfica. De um objeto real situado diante da lente L (objetiva), o sistema óptico conjuga uma imagem real sobre um alvo sensível à luz (retina).

Fig. 3 Semelhança entre o funcionamento do olho humano e o funcionamento de uma máquina fotográfica.

 

Quando o objeto varia a sua distância em relação à lente, a imagem continua a formar-se sobre a retina. Isso é possível devido à ação dos músculos ciliares, que alteram as curvaturas das faces dos cristalino. Este mecanismo de ajuste da imagem sobre a retina é designado por acomodação visual. Graças à acomodação visual, as imagens dos objetos situados a diferentes distâncias situam-se sempre sobre a retina.

 

Quando o objeto se situa muito longe do olho (objeto no infinito - ponto remoto PR), o foco-imagem da lente coincide com a retina. Esta situação corresponde ao estado de repouso do olho, isto é, à ausência de tensão nos músculos ciliares; portanto, o objeto é observado sem esforço visual. Devido a este fato, é bastante repousante observar uma paisagem à distância.

Fig. 4 O ponto remoto é o ponto mais afastado do olho que pode ser visto nitidamente. Para o olho normal, o ponto remoto situa-se no infinito.

 

Se o objeto se aproximar mais e mais do olho, ele pode ser visto com nitidez, devido ao mecanismo de acomodação, até chegar a uma distância em que parece desfocado. A distância mínima, a partir da qual o olho não é capaz de focar nitidamente a imagem sobre a retina, é designada por distância mínima de visão distinta e, nesse caso, a tensão dos músculos ciliares é máxima na acomodação. O ponto mais próximo do olho que pode ser visto nitidamente é designado por ponto próximo PP. O ponto próximo situa-se aproximadamente a 25 cm do olho, para o olho normal (esta distância aumenta com a idade).

Fig. 5 O ponto próximo para um olho normal.

 

3. Defeitos visuais

 

Até agora analisamos o princípio de funcionamento do olho humano como sistema óptico, para o caso do olho normal ou emétrope, ou seja, o olho capaz de focar na retina feixes de raios paralelos, sem necessidade de acomodação, isto é, o foco imagem encontra-se na retina. Quando isto não acontece, o olho diz-se amétrope.

 

i) Miopia

 

A miopia é uma anomalia de visão onde os raios paralelos que provêm do infinito convergem para um ponto antes da retina; isto ocorre devido a uma excessiva convergência do cristalino. O olho míope tem o seu ponto remoto mais próximo do que o olho normal, e não no infinito. A correção da miopia é feita através de lentes divergentes, de modo que, associando ao olho uma lente divergente, a convergência da associação diminui.

Fig. 6 Olho normal, olho míope e olho míope corrigido.

 

A distância da lente divergente ao olho é pequena; podemos então concluir que a distância do ponto remoto ao olho é igual à distância focal da lente divergente, ou seja, o ponto remoto do míope deverá coincidir com o foco-imagem da lente divergente. A finalidade da lente divergente é, pois, fazer com que os raios de luz que incidem no olho pareçam originar-se do ponto remoto PR. O ponto próximo de um olho míope encontra-se mais perto do olho do que no caso de um olho normal.

 

Sem utilização de lentes corretoras, o olho míope não pode ver nitidamente os objetos que se encontram entre o seu ponto remoto e o infinito, mas apenas os que se encontram dentro da sua zona de acomodação.

Fig. 7 Zona de acomodação do olho míope e do olho normal.

 

ii) Hipermetropia

 

A hipermetropia é uma anomalia de visão onde os raios que provêm de um objeto no infinito formam o seu foco num ponto atrás da retina; isto ocorre devido à pouca convergência do cristalino. Se um hipermétrope observa um objeto no infinito, para que a imagem se forme sobre a retina, ele deve exercer um esforço visual através dos músculos ciliares utilizando, portanto, o mecanismo de acomodação visual. A correção da hipermetropia é feita através de lentes convergentes de modo que, associando ao olho uma lente convergente, a convergência da associação aumenta.

 

O ponto próximo de um hipermétrope encontra-se mais afastado do olho do que no caso de um olho normal. No caso de um objeto (A) colocado a 25 cm do olho, a lente convergente fornece uma imagem (A') situada sobre o ponto próximo do hipermétrope.

Fig. 8 Olho normal, olho hipermétrope e olho hipermétrope corrigido.

 

iii) Presbiopia

 

A presbiopia costuma ocorrer em pessoas de idade avançada (daí esta anomalia ser conhecida por "vista cansada").

 

Fundamentalmente, o fenômeno consiste num aumento gradual da distância mínima de visão distinta como conseqüência da diminuição da elasticidade do cristalino e dos músculos ciliares.

 

Uma lente convergente corrige o defeito, fazendo com que objetos próximos sejam vistos com nitidez. Deste modo, é comum uma pessoa idosa ter necessidade de usar óculos com lentes bifocais: a parte inferior, de natureza convergente, corrige a presbiopia; a parte superior corrige outro tipo de defeito.

 

iv) Astigmatismo

 

O astigmatismo é uma anomalia de visão caracterizada pela forma não esférica da córnea. O olho astigmático forma sobre a retina as imagens dos objetos sem nitidez ocasionando, portanto, uma visão sombreada dos objetos observados. A correção do astigmatismo é feita através de lentes cilíndricas.

 

Robortella, Avelino e Edson, ÓPTICA GEOMÉTRICA, volume IV, Editora Ática, 1984 (ligeiramente adaptado).

 

FONTE: http://paginas.ucpel.tche.br/~mflessa/bi12.html