Optica: El ojo humano

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Introducción

El ojo humano es sin duda el instrumento óptico más importante que existe, y al igual que los instrumentos ópticos diseñados por el hombre, el ojo humano también tiene sus limitaciones. El ojo puede considerarse como una disposición de doble lente positiva que forma una imagen real en una superficie fotosensible. Al parecer, esta idea fue propuesta, de manera rudimentaria, por Kepler (1605) quien escribió: “Afirmo que la visión se produce cuando la imagen del… mundo… se proyecta sobre la… retina cóncava”. Otros estudios serios se hicieron en el siglo XIX, principalmente por Helmholtz, cuyo trabajo monumental está en el libro Optik. Estos estudios del siglo XIX culminaron con los estudios de Allvar Gullstrand, que le valieron el Premio Nobel en Fisiología y Medicina en 1911 por sus investigaciones matemáticas sobre la refracción de la luz a través del medio transparente del ojo.


La estructura del ojo humano

El ojo humano está anatómicamente formado por los elementos que se ilustran en la figura (Fig.1). El ojo es una masa gelatinosa casi esférica contenida dentro de una envoltura dura y flexible, la esclerótica. Excepto por la porción frontal o córnea que es transparente, la esclerótica es blanca y opaca. La córnea es el primer elemento refractor del ojo, sobresale del cuerpo de la esfera y su superficie curva (que está ligeramente aplastada reduciendo así la aberración esférica) sirve como el primer y más fuerte elemento convexo del sistema de lentes. Normalmente la córnea es transparente y su poder refractor se debe a que su índice de refracción es mayor que el del aire. Por cierto una de las razones por las que no podemos ver bien debajo del agua () es que el índice está demasiado cerca del de la córnea () para que pueda permitir una refracción adecuada.

Fig.1 "Componentes anatómicas del ojo"

Desde la córnea, la luz pasa a través de una cámara llena con un fluido acuoso denominado humor acuoso () que nutre la parte anterior del ojo.

En el humor acuoso está sumergido un diafragma conocido como iris que sirve como diafragma de apertura cuya función es controlar la luz que entra en el ojo a través de su agujero o pupila. El iris es el que le da el color a los ojos y recibe su nombre del hecho de que tiene una gran variación en color de una persona a otra. Hecho de músculos circulares y radiales, el iris puede dilatar (mydriasis) o contraer (myosis) la pupila dentro de una gamma que va de unos 2 mm en luz brillante hasta unos 8 mm en la oscuridad, ésto para controlar la cantidad de luz que llega a la retina (Fig. 2).

Fig.2 "Dilatación y contracción de la pupila"

Inmediátamente después del iris se halla el cristalino, es una lente flexible cuya curvatura o poder de convergencia puede ser cambiada a voluntad para enfocar la imagen sobre la retina, a este proceso se le llama acomodación, del cual hablaremos más adelante. el núcleo del cristalino es más denso que la corteza exterior y por lo tanto tiene un índice de refracción mayor.

El cristalino es una masa compleja de capas fibrosas rodeada por una membrana elástica. Su estructura es similar a la de una cebolla transparente, formada aproximadamente por 22,000 capas muy finas. Debido a su estructura laminar, los rayos que lo cruzan siguen trayectorias formadas por diminutos segmentos discontinuos. Cuando el cristalino pierde su transparencia hablamos de una catarata. La única cura posible para una catarata es extraer quirúrgicamente el cristalino.

Detrás de éste hay otra cámara llena con una substancia gelatinosa transparente hecha de colágeno (un polímero proteínico) y ácido hialurónico (un concentrado de proteínas), denominada humor vitreo () que da sustento al globo ocular. Cabe observar que el humor vítreo contiene pequeñas partículas de tejido flotando en él (muscae volitantes), las cuales se observan en ocasiones al ver el cielo azul o a través de instrumentos ópticos. La presencia de estas partículas es casi siempre normal, en especial en ojos miopes, y nada se puede hacer para quitarlas, por lo que deben simplemente ignorarse.

Al interior de la dura membrana esclerótica se halla una envoltura interna, la coroides, bien provista de conductos sanguíneos y bien pigmentada con melanina, que absorbe la luz parásita al igual que la cubierta de pintura negra en el interior de una cámara. Una capa delgada de células receptoras luminosas reviste gran parte de la superficie interior de la coroides: se trata de la retina.

La retina es el elemento sensible de ojo en el cual se forma la imagen. En la retina se transforma la energía luminosa en estímulos nerviosos.

El ojo humano tiene dos clases de células fotorreceptoras: los bastones y los conos (Fig. 3). Unos 125 millones de ellas están entremezcladas de manera no uniforme sobre la retina. En algunos casos el conjunto de bastoncillos tiene las características de una película en blanco y negro. Si bien es extremadamente sensible, funcionando con luz demasiado débil, es incapaz de distinguir el color y las imágenes que retransmite no están bien definidas. Por el contrario, el conjunto de 6 ó 7 millones de conos puede imaginarse como si fuera un a película de color de baja velocidad. Funciona con luz brillante proporcionando vistas detalladas y en color, siendo sin embargo bastante sensible con niveles de luz bajos.

Fig.3 "Bastones y conos"

La gamma normal de longitud de onda de la visión humana oscila entre 390 nm y 780 nm aproximadamente.

La zona de salida del nervio óptico no contiene receptores, siendo insensible a la luz; por esta razón se denomina punto ciego

Cerca del centro de la retina existe una pequeña depresión de 2.5 a 3 mm de diámetro, conocida como la mancha amarilla o mácula cuyo número de conos es más que el doble del de los bastoncillos y en cuyo centro se halla una pequeña región libre de bastones de unos $0.3 mm$ de diámetro, llamada fóvea centralis

Aquí los conos son más delgados y están más densamente empaquetados que en ningún otro lugar en la retina. Puesto que esta zona proporciona la información más clara y detallada, el globo ocular se mueve continuamente de tal forma que la luz que llega de área al objeto de interés primario cae en esta zona. (Fig.4).

La fóvea es sensible al color y nos permite ver detalles muy finos. Sin embargo, la fóvea es muy insensible a bajos niveles luminosos; es por esta razón que una estrella muy débil en el cielo nocturno se distingue con más claridad cuando no se la ve directamente.

Sin la fóvea, el ojo perdería entre 90 y 95% de su capacidad, reteniendo tan sólo la visión periférica.


Acomodación

El enfoque fino o acomodación del ojo humano es una función que desempeña el cristalino suspendido en posición detrás del iris mediante unos ligamentos que están conectados con los músculos ciliares. Por lo general, dichos músculos están relajados y en ese estado empujan hacia afuera radialmente en la red de finas fibras que fijan el borde del cristalino. Así éste hace que el cristalino flexible adquiera una configuración bastante plana, aumentando su radio que, a su vez, aumenta su distancia focal. Con los músculos completamente relajados, la luz de un objeto al infinito se enfocará en la retina. Cuando el objeto se acerca más al ojo, los músculos ciliares se contraen, liberando la tensión externa sobre la periferia del cristalino que entonces sobresale ligeramente por sus propias fuerzas elásticas. Al hacerlo, la distancia focal disminuye de tal forma que se mantiene constante (Fig. 5)

Fig. 5 "la luz procedente de un objeto lejano y de un objeto cercano se enfocan sobre la retina"

El punto más cercano que un ojo puede enfocar se denomina punto próximo. En un ojo normal podría ser de 7 cm para un adolescente, 25 cm par un adulto joven y aproximadamente de 100 cm para una persona de mediana edad. Al diseñar instrumentos visuales se tiene en cuanta este fenómeno de tal manera que el ojo no haga esfuerzos innecesarios.


Anteojos

Las gafas fueron inventadas probablemente durante el siglo XIII, quizás en Italia. Se trataba de lentes biconvexas, un poco distintas a la lupa o a la lente de leer portátiles. Curiosamente, todavía en el siglo XVIII no se consideraba correcto llevar gafas en público tanto es así que son muy escasas las personas que aparecen en las pinturas de esa época con las gafas puestas.

En la óptica fisiológica se habla habitual y oportunamente de la potencia dióptrica, , de una lente que es simplemente el inverso de la distancia focal. Cuando se expresa en metros, la unidad de potencia es el inverso del metro o dioptria, representado por el símbolo . Por ejemplo, si una lente convergente tiene una distancia focal de + 1 metro, su potencia es +1D; con una distancia focal de -2 metros (una lente divergente) . Ya que una lente delgada de índice en el aire tiene una distancia focal que viene dada por

su potencia es

Podemos sentir hacia dónde nos movemos considerando, de manera aproximada, que cada superficie de una lente desvíe los rayos entrantes. Una lente convexa que desvíe fuertemente los rayos en ambas superficies tiene una distancia focal corta y un gran potencial dióptrica. La distancia focal para dos lentes delgadas en contacto viene dada por

Esto significa que la potencia combinada es la suma de las potencias individuales, es decir

Entonces, una lente convexa con que esté en contacto con una lente negativa de da como resultado ; la combinación se comporta como una lámina paralela de vidrio. Asimismo, podemos imaginar una lente, por ejemplo, una lente doble convexa, si estuviera compuesta de dos lentes plano-convexa en contacto íntimo con una otra. La potencia de cada una de ellas es, para la primera lente plano-convexa(

mientras que para la segunda

Estas expresiones pueden definirse igualmente bien proporcionando las potencias de las superficies respectivas de la doble lente convexa inicial. Dicho de otro modo, la potencia de cualquier lente delgada es igual a la suma de las potencias de sus superficies.

La potencia del cristalino rodeado por aire es alrededor de +19D. La córnea proporciona aproximadamente +43 de las +58.6 dioptrías totales del ojo intacto sin acomodación.

Un ojo emétrope es capaz de enfocar rayos paralelos sobre la retina mientras se halla en la condición de relajamiento, es decir, esa condición cuyo segundo punto focal se encuentra en la retina. Para el ojo sin acomodación, el punto lejano es el punto objeto cuya imagen se halla en la retina. Por el contrario, cuando el punto focal no se halla en la retina, el ojo es amétrope (padece, por ejemplo, hipermetropía, miopía o astigmatismo)


Presbicia

El fenómeno de acomodación nos permite enfocar con claridad objetos cercanos cambiando la potencia dióptrica del cristalino por medio de los músculos ciliares. El poder de acomodación se va perdiendo con la edad. Conforme pasa el tiempo el cristalino pierde paulatinamente su flexibilidad haciéndose cada vez más difícil enfocar en la retina objetos cercanos al ojo. Este defecto que comienza a ser apreciable después de los 40 y los 50 años de edad, se llama presbicia, y popularmente recibe el nombre de vista cansada.


Miopía-Lentes negativas

la miopía es la condición donde el foco de los rayos paralelos se halla enfrente de la retina. Las imágenes de objetos distantes caen enfrente de la retina, el punto lejano está más cerca que el infinito y todos los puntos más alejados de él aparecerán borrosos. Esta es la razón por la cual la miopía a veces recibe el nombre de vista corta. Mientras más grande sea la miopía, más corta será la distancia a la que los objetos aparezcan bien definidos Debido a esto, la lente de las gafas debe proyectar imágenes relativamente cercanas de objetos distantes, por ésta razón se introduce una lente negativa que hará diverger ligeramente los rayos (Fig. 6).



Fig. 6"Ojo miope corregido con una lente negativa"





Supongamos que un ojo tenga un punto lejano de 2 m. No habrá ningún problema si la lente de las gafas acercara los objetos distantes a más de 2 m. Si la imagen virtual de un objeto en el infinito se forma con una lente cóncava a 2 m, el ojo verá el onjeto claramente con el cristalino sin acomodación. Utilizando la aproximación para lentes delgadas tenemos

y mientras que .

En estos cálculos se pasa por alto la distancia entre la lente correctiva y el ojo, de hecho, se aplica más a las lentes de contacto que a las gafas. Por lo general la separación entre la lente y el ojo se hace igual a la distancia del primer punto focal del ojo a la córnea.


Hipermetropía-Lentes positivas

La hiperopia (hipermetropía) es el defecto que hace que el ojo relajado enfoque la imagen de objetos muy lejanos detrás de la retina. Un ojo hipermétrope puede ver con claridad los objetos simplemente aumentando su potencia mediante acomodación, pero entonces el ojo nunca estará relajado. La vista lejana, como podría llamarse, a menudo se debe a un acortamiento del eje antero-posterior del ojo (el cristalino se halla demasiado cerca de la retina). Para aumentar la refracción de los rayos, se coloca una lente positiva enfrente del ojo. Fig.7.

Fig.7 "Ojo hipermétrope corregido con una lente positiva"

Supongamos que el punto próximo de un ojo hipermétrope sea de 125 cm. Para qu un objeto a +25 cm tenga su imagen en , de tal forma que pueda verse como si el ojo estuviera normal, la distancia focal deberá ser

o y La lente correctiva posibilita que el ojo relajado vea los objetos en el infinito. La persona hipermétrope puede "ver" cómodamente el punto lejano, y cualquier lente puesta en un punto cualquiera delante del ojo con una distancia focal oportuna valdrá.








Aportación por: UsuarioEmmanuel Jairo Estrada Modesto 17:21 30 mar 2012 (UTC)