Luce - Dipartimento di Psicologia

Psicologia Generale I
La luce
La scomposizione della luce
(Newton, 1704)
z
Newton dimostrò che la luce bianca è
composta da tutti i colori
l
dello
ll spettro. Un
sottile fascio di luce passando attraverso
un prisma viene scomposto perché le
differenti lunghezze d’onda vengono
deviate in maniera diversa ( i raggi ad onda
corta subiscono una deviazione
d
maggiore
rispetto a quelli ad onda lunga).
1
Rifrazione
z
z
Quando la luce attraversa un mezzo materiale la
sua velocità
l ità è più
iù b
bassa di quella
ll che
h avrebbe
bb nell
vuoto. Dato che la lunghezza d’onda dipende anche
dalla velocità della luce, ne deriva che la
lunghezza d’onda diminuirà. La velocità della luce
diminuisce in funzione della “densità” del mezzo
che attraversa (espresso da un indice di
rifrazione).
Il fenomeno della rifrazione dipende da questo
fatto. Su questo rallentamento della luce si basa il
funzionamento dei prismi e delle lenti
Spettro visibile
z
z
z
Newton distinse nello spettro sette colori:
rosso, arancione, giallo,
ll verde, azzurro,
indaco e violetto.
Sette colori come le sette note musicali,
come i sette giorni della settimana. Sette è
p
un numero speciale.
Di fatto si tratta di una categorizzazione
percettiva. L’arancione e l’indaco non si
vedono.
Conseguenze dell’esperimento
di Newton
1. L’esperienza del colore dipende dalla luce
e come vedremo in seguito dalle
ll proprietà
à
dell’occhio e del sistema nervoso. I colori
quindi non sono una proprietà degli
oggetti.
z
Wolfang Goethe (1749-1832) scrisse un libro
(Farben lehre, 1792) per confutare la scoperta
di Newton sostenendo che i colori
appartengono agli oggetti (come del resto
risulta dalla nostra esperienza)
2
Conseguenze dell’esperimento
di Newton
2. I colori che noi consideriamo puri
corrispondono ad un miscuglio
l di
lunghezze d’onda diverse. Questo fatto
non dovrà essere dimenticato quando
studieremo il funzionamento della visione
z Il prisma di Newton è un esempio di
spettroscopio, cioè
è di strumento che permette
di vedere separatamente le componenti di una
sorgente luminosa.
Minima intensità visibile
z
z
z
Il nostro sistema visivo è sensibile ad un
si
singolo
l fotone
f t
((che
h equivale
i l alla
ll fi
fiammella
mm ll
di una candela a 30km di distanza)
Per percepire una variazione di luminosita’
servono da 5 a 7 fotoni
Frequenza ed intensità sono legate: quanto
minore è la lunghezza d
d’onda
onda tanto
maggiore è l’intensità (la luce viola è molto
più energetica della luce rossa: sono i raggi
ultravioletti che provocano le scottature).
Intensità
z
z
Accanto alla frequenza (colori) l’altra
proprietà
à rilevante
l
è ll’intensità
à (che
(
nella
ll
nostra esperienza viene identificata con la
chiarezza). Dal punto di vista fisico
l’intensità è data dal numero di fotoni
(quantità discrete di energia) nell’unità di
tempo.
L’intensità si misura attraverso il
fotometro. L’unità di misura è la candela e
la candela al metro quadro.
Ottica inversa
z
z
Non siamo interessati nella luce di per se ma negli
oggetti
tti
Gli occhi ricevono una distribuzione di luce
riflessa dagli oggetti nell’ambiente che dipende
da:
z
z
z
z
⇒
Proprietà delle superfici degli oggetti
Distanza dall’occhio all’oggetto
D
gg
Posizione relativa
Sorgente di luce
Lo stesso oggetto può produrre molte diverse
distribuzioni di luce (problema dell’ottica inversa)
3
Perché la luce e’ un buon
stimolo per la visione?
z
z
z
z
z
Ci permette di vedere oggetti a distanza
E’ presente in abbondanza
Si muove velocemente
Tende a viaggiare in linea retta
Interagisce con gli oggetti in modi utili
generando
d utili
tili informazioni
i f m i i
La luce e’ veloce
z
z
z
La luce si muove velocemente, molto
velocemente
l
m t
Gli stimoli che si muovono velocemente
sono ideale per un senso ‘a distanza’.
Velocità della luce = 300,000 km/s.
z
z
Il suono e’’ circa
i
1000 volte
l più
iù llento.
z
Il vantaggio di essere
sensibile alla luce
z
Raccolta rapida di informazioni
z
z
z
z
Un organismo capace di utilizzare la luce può avere accesso
i t t
istantaneamente
t ad
d iinformazioni
f
i i provenienti
i ti d
da sorgenti
ti molto
lt di
distanti
t ti (
il suono viaggia a circa 1200 km/h o 340 m/s mentre la luce a 300000
km/sec)
Nonostante la velocità elevatissima della luce il mondo che noi vediamo
non esiste più, appartiene irrimediabilmente al passato a causa dei tempi
di elaborazione e trasmissione del segnale visivo (100 ms dalla retina alla
corteccia visiva a cui si deve aggiungere il tempo di elaborazione). A ciò
si deve aggiungere il tempo per spostare il focus dell’attenzione (200500ms) e il tempo di reazione motoria.
Come faccio allora a sincronizzare evento fisico, evento percettivo e
evento motorio? Si pensi ad esempio al gesto di afferrare un oggetto
che ci è stato lanciato la volo.
Un’ipotesi: noi costruiamo (ci inventiamo) il presente che vediamo sulla
base dell’immediato passato che abbiamo a disposizione
Più di 7 volte attorno all’equatore in un secondo.
La luce e il suono sono spesso non sincronizzati.
Il vantaggio di essere
sensibile alla luce
z
La luce conserva traccia dell’interazione
con gli
l oggetti
z
Il flusso ottico o la matrice ottica ambientale
conserva traccia delle interazioni con gli
oggetti (riflessione, rifrazione, diffusione,
assorbimento) e dato che la luce viaggia in linea
retta queste tracce non sono caotiche
retta,
caotiche, ma
possiedono una regolarità che può essere
rilevata nella visione (geometria proiettiva).
4
Illuminazione puntiforme e
diffusa
z
z
L’illuminazione naturale è puntiforme (il sole è una
sorgente
t di lluce puntiforme).
tif
) C
Con questo
t ti
tipo di
illuminazione si ha un netto contrasto tra luce e
ombra. Con più sorgenti puntiformi si hanno le
ombre multiple.
L’illuminazione diffusa non produce ombre e quindi
rende assai difficile p
percepire
p
la corporeità
p
degli
g
oggetti. Sulla neve con il cielo coperto è difficile
percepire le ondulazioni del terreno quando si sta
sciando.
Interazione della luce con gli
oggetti.
z
z
Nel vuoto la luce si propaga in linea retta
mentre nell’ambiente
ll
naturale
l interagisce
con gli oggetti e le superfici che incontra
sul suo cammino.
Le interazioni sono diverse a seconda del
p di materiale:
tipo
z
z
Trasparenti o parzialmente trasparenti
Opachi
Sorgenti di luce
z
z
z
Il tipo di
oscillamento del
materiale emittente
determina la
lunghezza d’onda.
Ci sono molte
sorgenti di
d lluce
visibile
Principalmente la
luce proviene dal
sole
Luce: interazioni
z
Molto di cio’ che vediamo e’ dovuto al modo
in cui la
l luce
l
interagisce con gli
l oggetti
nell’ambiente.
z
z
z
z
Rifrazione
Riflessione (diffusa e speculare)
Assorbimento
Trasmissione
5
Riflessione
Riflessione
Noi sappiamo che
esistono gli
oggetti perché la
luce riflette su
di loro e dentro i
nostri occhi.
occhi
La distribuzione di luce che raggiunge i nostri occhi
cii può
ò dare
d
informazioni
i f
i i sulla
ll ttessitura
it
d
della
ll
superficie riflettente
Assorbimento
Trasmissione
Ciascuna superficie ha un profilo di assorbimento
caratteristico
tt i ti – la
l quantità
tità di lluce assorbita
bit a
ciascuna lunghezza d’onda. Questo ci da
l’informazione del colore della superficie riflettente
– il colore che vediamo e’ la luce riflessa.
Le superfici possono anche avere un profilo di
t
trasmissione
i i
caratteristico
tt i ti – La
L quantità
tità di luce
l
trasmessa a ciascuna lunghezza d’onda. Questo da
informazione sul colore della superficie, ma in
particolar modo sulla sua opacità/trasparenza.
6
Luce e superfici opache
z
z
Quando la luce colpisce una superficie non solo
viene assorbita ma anche riflessa (riflessione).
(riflessione)
Dalla luce riflessa dipendono la chiarezza e il
colore degli oggetti.
La chiarezza degli oggetti dipende dalla quantità
di luce che illumina l’oggetto e dalla percentuale di
luce riflessa dall’oggetto (un oggetto che riflette
solo il 10% della luce incidente e che normalmente
appare nero, quando è illuminato selettivamente
da una luce molto intensa può apparire bianco:
Esperimento di Gelb)
Sommario:
Luce e proprietà degli oggetti
z
z
Il colore delle superfici dipende dalle
l
lunghezze
d’onda riflesse.
l
La consistenza di una superficie (liscio,
rugoso, ruvido) dipende dalla diffusione
parziale della luce causata dalla grana della
p
(differenza
(
tra uno specchio
p
superficie
illuminato e un maglione).
Ottica di base: Riflessione
z
z
z
z
z
z
Oggetti chiari: alta riflettanza
Oggetti a colori scuri: bassa riflettanza
Cambi improvvisi indicano discontinuità nelle
superfici
Cambi graduali: superfici curve
Oggetti opachi riflettono in molte direzioni
Superfici speculari riflettono la luce in un
stretto intervallo di direzioni
Psicologia Generale I
Ottica fisiologica
7
La struttura dell’occhio
z
z
z
z
La struttura influenza come e cosa si può vedere
Gli occhi dell’uomo differiscono da quelli di altri
animali
La struttura è importante: difetti inducono problemi
visivi
In natura possiamo trovare strutture diverse:
z
z
z
Perché gli occhi si muovono?
z
z
z
z
z
Occhi laterali
z Massimizzano il campo visivo
visivo, minimizzano la visione binoculare
binoculare.
-> Prede.
Occhi frontali
z Massimizzano la visione binoculare, riduce il campo visivo ->
Predatori.
Strutture ottiche singoli
Occhi composti
Area fotosentitiva
L’occhio: motilità
z
Gli occhi: dove metterli
Muscoli oculari
z
Mancanza di visione panoramica (per animali con
occhi frontali)
Poco acuità e sensitività nella periferia
N.B. non tutti gli animali possono muovere gli
occhi indipendentemente dalla testa (e.g., gufo)
4 muscoli retti
organizzati in 2
coppie:
z
z
z
superiore/inferiore
(sopra/sotto)
laterale/mediale
(
(esterno/interno)
/i
)
2 muscoli obliqui
(superiore/inferiore)
8
Muscoli degli occhi
z
z
z
z
L’occhio: stabilizzazione
z
La retina trasmette solo informazioni sui
cambiamenti nell’immagine retinica.
z
Riduce la quantità di informazione trasferita
al cervello.
z
Elimina la percezione di fenomeni non voluti
– in particolare l’immagine dei vasi sanguigni!
I muscoli sono ben costruiti per muovere
l’
l’occhio,
hi ma essii non sono ben
b disegnati
di
ti per
tenerlo fermo.
L’occhio si muove continuamente e sottostà a
piccoli tremori oculari (microsaccadi).
Questi tremori sono usati per mettere a fuoco
ll’immagine
immagine retinica.
retinica
Le immagini stabilizzate diventano grigie
dopo pochi secondi!
Eye tremor
9
Movimenti oculari
z
Congiuntivi: entrambi gli occhi si muovano nella
stessa
t
direzione.
di i
z
z
z
saccadi: molto veloci (20/50 ms) & accurati; usati per
fissare un bersaglio periferico.
Inseguimento lento: lento; mantiene la fissazione su un
bersaglio in movimento (meno di 30º/s).
z
Usati per seguire un oggetto che si muove in profondità.
Coordinato strettamente con accomodamento.
Struttura
L’occhio umano è molto
simile ad una macchina
fotografica
z
z
z
z
Orbita: depressione dell’osso nel cranio,
coperto
t da
d spessii d
depositi
iti di grasso
Palpebre: pieghe del tessuto che si muovono
relativamente una all’altra
z
Vergenza: gli occhi si muovono in direzioni opposte.
z
z
Come sono protetti gli occhi
Entrambi sono strumenti
ottici che formano
un’immagine ribaltata
facendo passare la luce
attraverso un’apertura di
dimensione variabile e
focalizzandola su una
superficie
p
bidimensionale
sensitiva alla luce usando
una lente trasparente
z
z
Chiudere gli occhi pulisce e inumidisce l’occhio
per prevenire la secchezza (uno ogni quattro
secondi)
riduce la luce quando vogliamo
Lacrime: proteggiamo l’occhio dai batteri,
trascina via la sporcizia
Il principio della camera
oscura
z
z
La camera oscura fu scoperta da Alhazen
(965-1038) e perfezionata da Giovan Battista
Della Porta (1535-1615).
Solo nel 1600 ci si rese conto che l’occhio
funzionava come una camera oscura (C.
Schneider 1625; Cartesio 1637, Diottrica))
Ma l’analogia è limitata
z
Gli occhi lavorano meglio
quando si muovono
10
Perché occorrono delle lenti
z
In principio se il foro è sufficientemente
piccolo le immagini sono a fuoco sul fondo
della camera. Tuttavia con un foro piccolo la
quantità di luce che si può sfruttare è molto
piccola. Uno strumento per rilevare un
segnale debole è necessariamente delicato
(si rompe facilmente).
L’occhio: Anatomia
z
z
z
Sferico
24 mm diametro
3 strati concentrici
z
z
z
Tunica fibrosa
Tunica vascolare
Retina
Strato esterno: tunica fibrosa
z
Sclera – Il ‘bianco’ del collo
z
z
Denso e solido materiale, spesso 1mm
Cornea – bulbo trasparente
z
z
z
2/3 del potere riflettente dell’occhio
Ordinato gruppo di fibre
Nessun vaso sanguigno
11
Sclera
z
z
L’uomo è l’unico animale con la sclera visibile
e ben
b contrastata
t t t con il di
disco scuro dell’iride.
d ll’i id
Questo ci permette di valutare con grande
precisione la direzione dello sguardo altrui.
Nella zona del contatto visivo la precisione è
di circa 1 grado di angolo visivo
Importanza di una corretta valutazione della
direzione dello sguardo nelle situazioni di
interazione sociale (corteggiamento, attacco
e difesa, interazione madre bambino)
Cornea
z
z
Il disco centrale della parte visibile è
estroflesso (toccare per rendersi conto;
curvatura maggiore rispetto al globo oculare).
In questa regione la sclera diventa
trasparente e di chiama cornea.
La cornea è il p
primo sistema di messa a
fuoco delle immagini (curvatura + rifrazione
=> lente convessa).
Strato intermedio: Tunica
vascolare
z
Coroide –strato denso (.2
mm) struttura spugnosa che
contiene i vasi sanguigni.
z
z
z
z
2/3 è appoggiata al bulbo
Procura nutrimento
Riduce i riverberi della luce.
Corpo ciliare
z
Produce l’umor acqueo
12
Coroide
z
z
Membrana molto vascolarizzata che svolge funzione
di nutrimento.
nutrimento Contiene un pigmento nero che ha la
funzione di assorbire la luce, eliminare i riverberi e
migliorare così la qualità dell’immagine
NB. Per gli animali notturni non è molto conveniente
la poca luce a disposizione. Per questa ragione il
loro occhio facilita in una certa misura i fenomeni di
riverbero per sfruttare al massimo la poca luce a
disposizione Alcuni animali notturni possiedono uno
disposizione.
strato retinico chiamo tapetum che riflette
parzialmente la luce (gli occhi del gatto illuminati dai
fari dell’automobile sembrano emettere luce!)
I compartimenti dell’occhio
z
z
L’umor acqueo viene ricambiato abbastanza
velocemente (ogni 4 ore) e porta il nutrimento alla
cornea (che non è vascolarizzata). Se il drenaggio
non funziona bene si ha un aumento della pressione
che può portare alla cecità (l’umor acqueo viene
secreto in continuazione dal corpo ciliare) =>
glaucoma
Nell’umor acqueo possono essere presenti delle
impurità che notiamo quando guardiamo un campo
omogeneo come il cielo sereno. Se le macchie sono
solidali con i movimenti dell’occhio riguardano l’umor
vitreo o la retina
I compartimenti dell’occhio
z
Camera esterna/anteriore:
z
z
z
E’ piena di umor acqueo – trasporta
nutrienti e prodotti di scarto.
La produzione di troppo umor acqueo
aumenta la pressione intraoculare,
uccidendo I fotorecettori retinici.
(Glaucoma)
Camera interna/vitrea
z
E riempita di umor vitreo – mantiene la
forma dell’occhio.
Iride
z
Iride – estensione del corpo
ciliare
ili
fformata
t d
da d
due strati
t ti
z
z
z
z
Strato anteriore pigmentato da
colore agli occhi (serve a rendere
opaco l’iride per diminuire apertura)
strato posteriore vascolarizzato
Negli albini, poiché manca il
pigmento, l’iride appare rossa.
Muscolo anulare che forma la
pupilla
13
Pupilla
Riflesso di Whytt
z
z
Pupilla - Apertura delimitata dall’iride:
dall iride:
z Foro con due gruppi di muscoli
antagonisti (circolari e radiali)
z Sotto controllo del sistema autonomico.
z I muscoli dell’iride modulano le
dimensioni della pupilla in funzione
dell’intensità della luce (più piccola per
una luce più forte)
z diametro variabile compreso tra i 2 e gli
8 mm, a seconda della luce ambientale
e dell’età.
z Diminuzione della dimensione migliora
la chiarezza e la profondità di campo.
Cristallino
z
La luce che entra nell’occhio è utilizzabile
solo se è focalizzata sulla retina. Siccome la
pupilla è molto grande, occorre un sistema di
lenti per la messa a fuoco dell’immagine. La
cornea fa la maggior parte del lavoro. Il resto
è fatto dal cristallino; una lente che ha la
caratteristica di avere una messa a fuoco
variabile ottenuta cambiando la curvatura
(Processo di accomodazione)
Costrizione immediata della pupilla in
risposta ad una luce molto intensa. L’assenza
di questo riflesso è un segno diagnostico di
possibili danni al sistema nervoso centrale
Cristallino
Messa a fuoco interna dell’occhio
(diam. 9mm; spessore 4 mm).
z E’ curvo da entrambi i lati.
z E’ formato da tre parti:
z
z
z
capsula (copertura elastica)
St t epiteliale
Strato
it li l
Lente vera e propria
14
Cristallino
z
Capsula - Zonula
z
z
z
Cristallino
z
Modera il flusso dell’umor acqueo
mantenendo la trasparenza
Cambia la forma della lente e quindi
il suo potere ottico:
accomodamento.
Lente vera e propria
z
z
Stato epiteliale
z
produce fibre che vengono aggiunte
alla superfice della lente
z
Continua a crescere:
Quadruplica la sua
dimensione, diminuisce la sua
elasticità
Dovrebbe essere trasparente:
p
composto da fibre proteiche
perfettamente allineate
Un’opacità della lente è
chiamata cataratta
Componenti ottiche
dell’occhio
z
z
z
z
Cornea: alto potere ottico (2/3), fisso.
Lente: potere ottico più basso, variabile
(accomodamento).
Camere acquee e vitree: assorbimento dei
riverberi.
Tipicamente il potere ottico totale
Tipicamente,
corrisponde alla lunghezza dell’occhio.
15
Ottica: Lenti & immagini
z
z
Una lente è uno strumento ottico che può
produrre un’immagine di un oggetto ad una
determinata distanza
L’immagine è prodotta dall’altro lato rispetto
all’oggetto
Ottica: Lenti & immagini
z
z
Una lente convessa converge
la luce;
Una lente concava diverge la
luce.
Ottica: Lenti & immagini
z
z
Un lente
convesso
converge la luce
Lunghezza
focale: distanza
quale una
alla q
fonte di luce
puntiforme viene
riprodotta
Ottica: Lenti & immagini
z
z
Lente più convessa, fuoco più vicino
Dato un grado di convessità
z
z
z
Oggetti lontani, meno divergenza fuoco più vicino
Oggetti vicini, divergenza alta, fuoco più lontano
L’accomodamento aumenta la convessità e può
mettere a fuoco oggetti
gg
vicini sullo stesso p
piano
degli oggetti lontani
16
Ottica: Lenti & immagini
Emmetropia
z
L’occhio ha la
lunghezza esatta per
l’ottica dell’occhio
z
Oggetti distanti (meno
divergenti) sono
focalizzati sulla retina
L’accomodamento
aumenta la convessità e
può mettere a fuoco
oggetti vicini sullo stesso
piano degli oggetti lontani
Near point: Distanza
minima per cui la tua
lente può proiettare
un’immagine a fuoco
dell’oggetto sulla
retina
Disturbi della rifrazione
z
z
z
z
Presbiopia: con l’età il cristallino perde di elasticità (capacità di
gonfiarsi)) p
g
per cui risulta difficoltoso mettere a fuoco g
gli oggetti
gg
vicini.
Ipermetropia: occhio troppo corto. I sintomi sono simili a quelli
della presbiopia
Miopia: occhio troppo lungo (o difetti rifrattivi della cornea e del
cristallino) Eziologia: contribuiscono probabilmente sia fattori
genetici che un eccesso di visione a distanza ravvicinata
Astigmatismo: disturbo dovuto all’aberrazione sferica ( quando la
curvatura della cornea non è uniforme e simmetrica), il potere
ottico cambia con l’orientamento.
Ipermetropia
z
z
z
z
z
Occhio troppo corto
L’immagine
L
immagine si potrebbe
mettere a fuoco olra la
retina retina
Sulla retina l’immagine è
sfuocata
Gli oggetti lontani sono
messi a fuoco meglio
Correzioni:
z
z
accomodamento
Lente convessa
17
Miopia
Presbiopia
z
z
z
z
z
z
Occhio troppo lungo
L’immagine è formata
davanti alla retina
Sulla retina l’immagine
è sfuocata
Gli oggetti vicini sono
messi a fuoco meglio
Correzione:
z Lenti concave
Astigmatismo
z
z
z
z
Potere ottico cambia con
l’ i t
l’orientamento.
t
Dovuta a curvature cornelai
variabili.
Diagnosticata presto con una
tabella.
Le lenti correttive compensano
le variazioni nel potere ottico
con l’orientamento
z
La nostra abilità di
mettere
tt
a fuoco
f
glili
oggetti vicini è
migliore
nell’infanzia e
declina con il
p dovuta alla
tempo
sclerosi della lente.
Correzione:
z Lente convessa
Astigmatismo
Conseguenze percettive
C
tti d
dell’astigmatismo
ll’ ti
ti
è uno sfuocamento
f
t
pronunciato specialmente in un’orientamento, come illustrato
nelle foto
18