Biofísica da visão

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Biofísica da Visão
)
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Reflexão da luz
: os raios de luz incidem sobre os objetos e são refletidos aos olhos. O ângulo do raio incidente = ângulo do raio refletido. 
Reflexão regular (raios refletidos de modo organizado - superfície regular)
Reflexão difusa (raios refletidos de modo desorganizado - superfície irregular)
Maioria das reflexões é difusa, devido a irregularidade dos objetos. 
Refração da luz
Ao passar através de meios diferentes, a luz sofre uma mudança na sua direção de propagação, devido à velocidade da luz que varia de acordo com o tipo de meio em que ela se propaga. Ou seja, é um fenômeno que ocorre quando a luz altera sua velocidade ao mudar de meio de propagação. 
 
Ocorre quando velocidade de propagação da luz nesses dois meios for diferente e, se o raio incidente não penetrar no outro meio em um ângulo perpendicular a ele
. Desse modo, quando a incidência é oblíqua na interface entre os meios materiais transparentes, a refração é acompanhada de desvio de direção, o que não ocorre quando a incidência é perpendicular. 
) (
Luz: forma de energia radiante (radiação eletromagnética) que sensibiliza os órgãos visuais. Se propaga pelos meios materiais e também na ausência da matéria (vácuo). A velocidade da luz no vácuo é de aproximadamente 3.10
8
 m/s.
)
 (
Se o raio incidente estivesse no meio 2 em vez de estar no meio 1, a situação seria inversa e o ângulo de refração seria maior do que o ângulo de incidência.
 
Observação: quanto menor for o ângulo de refração 
2 em relação ao ângulo de incidência 
1, mais refringente será o meio 2 em relação ao 1. 
 
) (
O raio incidente, o raio refratado e a reta normal à interface no ponto de incidência permanecem a um mesmo plano. Logo, pode-se tratar o fenômeno apenas em duas dimensões. 
Ainda na figura, vemos que o ângulo 
2 é menor que o ângulo 
1, pois o raio de luz se aproxima da reta normal ao ser refratado, desviando-se de sua direção original.
 Isso acontece porque a velocidade da luz no meio 2 é menor do que no meio 1. quando isso ocorre, dizemos que o meio 2 é mais refringente que o meio 1.
  
) (
Ao tratar da refração, sempre refere-se a um raio de luz que incide sobre uma interface, ou superfície, que divide os dois meios com características diferentes, como o ar e a água, ou o ar e o vidro. 
Na imagem acima, pode-se ver a representação de um raio de luz sofrendo refração ao atravessar a interface entre os meios 1 e 2. o raio incidente é aquele que incide sobre a interface e o raio refratado aquele que emerge da interface. O ângulo que o raio incidente forma com a reta normal à interface é chamado de ângulo de incidência (
1) e o ângulo que o raio refratado faz com a normal é chamado ângulo de refração (
2). 
 
Observação: a refração está relacionada com a mudança de velocidade entre os meios, não com o desvio. Ou seja, pode não haver desvio no raio refratado, mas se houver mudança de velocidade ocorre refração. 
)
 (
Como a 
velocidade da luz no meio e o índice de refração são inversamente proporcionais
, quanto maior a velocidade (v) da luz no meio, menor será o índice de refração. 
) (
 
Cores
: no vácuo, todas as cores apresentam a mesma velocidade. No entanto, em meios materiais, cada cor da luz visível irá se propagar com uma velocidade diferente. Assim, o índice de refração de um meio também será diferente para cada cor de luz. 
O raio refratado na cor violeta é o que sofre maior desvio, enquanto o raio na cor vermelha desvia menos em relação ao raio incidente
. Isso ocorre porque, ao atravessar o meio, a luz de cor vermelha apresenta velocidade maior do que a de cor violeta. 
) (
Tanto a reflexão como a refração são interações da luz com a matéria. Quando a luz incide em objetos, a reflexão, a refração e a absorção podem acontecer ao mesmo tempo. Mesmo assim, um fenômeno não interfere no outro, pois o que ocorre é que parte dos raios de luz do feixe reflete e parte deles refrata. 
A refração nas lentes e a absorção na retina
 
Índice de refração
: razão entre a velocidade da luz no vácuo em um determinado meio é denominada índice de refração do meio (n).
Em ótica, a 
lei de Snell
, ou simplesmente
 lei de refração
, resume-se a uma expressão que dá o desvio angular sofrido por um raio de luz ao passar para um meio com índice de refração diferente do qual ele estava percorrendo. 
) (
Sendo n1 e n2 os índices de refração do meio e os ângulos 
1 e 
2 referentes, respectivamente, ao raio incidente e ao refratado.
Fenômenos que dependem da refração da luz
Formação de imagens
: ao atravessar um sistema de dioptros, um raio de luz sofre desvios, o que permite a formação de uma imagem virtual do objeto que está sendo observado. É o que ocorre com um peixe dentro da água, que, do lado de fora, vemos como se estivesse mais próximo da superfície do que realmente está. 
Raios luminosos que o peixe reflete sofrem refração ao passarem para o ar até o olho do observador.
 
Cérebro interpreta esses raios em trajetória retilínea. Onde os raios se cruzam é o local onde se formará a imagem virtual do peixe, que na verdade está localizado abaixo da imagem.
)
 (
Lentes esféricas
Comportamento óptico das lentes 
Trata-se de um sistema óptico constituído por três meios homogêneos e transparentes separados por duas superfícies, sendo pelo menos uma delas não plana. Dois desses meios são, normalmente, o ar, e um deles, o que está posicionado entre os outros dois meios é, em geral, vidro. Chamam-se 
lentes esféricas
 aquelas com uma superfície esférica e uma plana ou com duas superfícies esféricas. 
 
Lentes
: dispositivos constituídos por um meio transparente, que pode ser o vidro, quartzo ou plástico para deixar passar a luz através deles.
 
Tipos de lentes
:
Convergentes ou positivas:
 pelo menos uma das suas superfícies é convexa, com raio de curvatura conhecida. 
Divergentes ou negativas
: pelo menos uma das suas superfícies é côncava, com raio de curvatura conhecido.
) (
Cones e as cores 
Cones e bastonetes
: receptores sensoriais excitados pela luz. Transformam energia luminosa em sinais neuronais que são transmitidos ao encéfalo. 
Bastonetes
: relacionados com a visão claro-escuro (intensidade luminosa - branco ao preto). 
Rodopsinas
 
Cones
: percepção das cores, cada um com uma afinidade em determinado intervalo de comprimento de onda. 
Fotopsinas
 Sistema RBG (três tipos de cones)
Azul: intervalo entre ± 400 a ± 530 nm; 
Verde: intervalo entre ± 450 a ± 630 nm; 
Vermelho: intervalo entre ± 480 a ± 750 nm.
As cores que enxergamos são resultantes das misturas dos sinais gerados pelos três diferentes tipos de cones mais os sinais gerados pelos bastonetes. 
 
Teste de cores de Ishihara (daltonismo)
) (
Luz
: co
mposta por comprimentos de onda visíveis. 
Para humanos: 400 a 750nm. 
Cores
: absorção e reflexão da luz de determinados comprimentos de onda. 
Branco
: reflete todos os comprimentos de onda. 
Preto
: absorve todos os comprimentos de onda. 
Demais cores
: absorve todos os comprimentos de onda e reflete aquela determinada cor. Ex: violeta absorve todos os comprimentos de onda e reflete o violeta. 
Cor: sensação psicofisiológica que está associada ao comprimento de onda e à maneira de percebê-lo. 
)
 (
Qualquer outra reta, além do 
eixo principal
, que passe pelo centro óptico de uma lente é chamada
 eixo secundário
 da lente. 
O ponto sobre o eixo principal para onde se dirigem os raios que incidem paralelamente ao eixo principal de uma lente convergente é chamado foco da lente. A distância entre esse ponto e o centro óptico é denominada 
distância focal (f)
. É chamado de 
foco principal objeto F
 da lente o ponto do eixo principal cruzado pela direção dos raios de luz incidentes na lente, os quais emergem paralelamente a este eixo, ou seja, formando uma imagem imprópria. No caso das lentes divergentes, os raios não atravessam o eixo propriamente, por isso sua natureza é virtual. 
 
Distância focal de uma lente
 - os raios de luz entram paralelos no olho e começam a ser curvados pelo sistema de lentes que os fazem ser desviadospara o centro, em um ponto chamado de ponto focal ou foco.
) (
Observação
: nas lentes convergentes, tanto o foco principal objeto quanto o foco imagem têm natureza real, pois são definidos pelo cruzamento dos raios de luz. Nas lentes divergentes, o cruzamento se dá na direção dos raios de luz, ou por seu prolongamento, e não pelos raios de luz em si, por isso, ambos os focos, objeto e imagem têm natureza virtual. 
) (
O 
foco principal da imagem F'
 da lente é o ponto do eixo principal cruzado pela direção dos raios emergentes da lente quando sua incidência é paralela ao eixo principal, ou seja, quando o objeto é impróprio. Em uma lente convergente, o foco imagem tem natureza real e, em uma lente divergente, o foco imagem tem natureza virtual. 
) (
Observação
: o comportamento óptico da lente depende do meio em que está imersa. Se uma lente de bordas espessas estiver imersa em um meio com índice de refração maior do que o material que a constitui, ela será convergente. 
 
Quando uma lente tem espessura desprezível em relação às outras distâncias que estão sendo consideradas, dá-se a ela o nome de lente delgada. 
 
O ponto F representa o ponto para onde os raios incidentes, paralelamente ao eixo principal da lente, convergem (no caso das lentes convergentes) ou de onde divergem (no caso das lentes divergentes), o ponto O é o 
centro óptico
 da lente e é definido pelo cruzamento da lente com o eixo principal. 
) (
Tipos de lentes 
Bordas finas:
 
a
- lente biconvexa: duas faces convexas.
 
b
- lente plano-convexa: uma face plana e outra convexa. 
 
c
-lente côncavo-convexa: face côncava (com maior curvatura) e uma convexa
.
Bordas gross
as: 
d
- lente bicôncava: duas faces côncavas. 
 
e
- lente plano-convexa: uma face plana e outra côncava. 
 
f
- lente convexo-côncava: face convexa (com maior curvatura) e uma côncava. 
 
) (
Lente é convergente quando faz raios que incidem paralelamente ao eixo principal da lente convergirem (encontram-se) para um ponto. Quando os raios incidentes divergem (afastam-se) após atravessar a lente, esta é divergente. 
)
 (
Olho normal pode focalizar nitidamente objetos localizados em distâncias que vão desde o infinito até próximo aos 15 cm a sua frente. Isto é resultado da ação conjunta do cristalino e do músculo ciliar e é denominado acomodação visual.
) (
Formação da imagem no olho
) (
Defeitos do olho humano 
Etapas dos fenômenos da visão de objetos
Estímulo causado pela luz proveniente do objeto
Recepção do olho, onde se forma a imagem na retina
Sensação de visão que corresponde ao processamento das informações transmitidas do olho para o cérebro. 
) (
Propriedades das lentes delgadas
Algumas direções específicas nas quais raios de luz podem incidir sobre uma lente merecem ser destacadas. Os raios que incidem nessas direções são chamados raios notáveis.
Todo raio de luz que incide paralelamente ao eixo principal de uma lente refrata em uma direção que passa pelo
 foco principal imagem da lente. 
"Paralelo pelo foco"
Todo raio de luz que incide na lente em uma direção tal que passa pelo foco principal objeto da lente refrata paralela
mente ao eixo principal
. 
"Pelo foco paralelo" 
Todo raio de luz que incide na direção de algum eixo da lente, primário ou secun
dário, não sofre desvio
. 
Formação da imagem 
Objeto AB se encontra a uma distância o da lente, e sua imagem A´B´ encontra-se a uma distância i. 
Dioptria
 
 
Lentes convergentes: poder de convergência (D). 
 
- Quando menor for a distância focal, maior será o poder de convergência da lente. Esses valores são inversamente proporcionais. 
 
- Cálculo de quantas dioptrias uma lente precisa ter para que a imagem caia na retina do olho do paciente, corrigindo o defeito de localização. 
 
- Quanto mais uma lente curvar os raios de luz, maior será seu “poder refrativo”. Esse poder é medido em uma unidade chamada de dioptria. 
)
 (
Ameotropias oculares
Olho normal (emetrope)
: quando em repouso forma na retina uma imagem de objetos situados no infinito; 
Olho amétrope
: ponto remoto não está situado no infinito e dá origem a dois tipos de defeitos:
Miopia (braquiometropia)
: dificuldade em enxergar objetos distantes.
Imagens focalizadas na parte anterior à retina. 
Causas: globo ocular pode ser grande demais ou uma das lentes do olho pode ter um poder de convergência maior do que deveria. 
Indicação: uso de óculos de lentes divergentes ou cirurgia.
Hipermetropia
: dificuldade de enxergar objetos próximos. 
Imagens: focalizadas atrás da retina. 
Causas: globo ocular muito pequeno. 
Indicação: lente convergente para aumentar o poder de convergência do raio luminoso. 
)
 (
Outras alterações de visão 
Presbiopia "vista cansada"
: com avanço da idade, o cristalino vai ficando cada vez menos elástico, perdendo seu poder de convergência. A imagem, muitas vezes, cai atrás da retina, fazendo com que as pessoas percebam uma imagem mal focalizada. Nestes casos, recomenda-se o uso de óculos de lentes convergentes. 
Astigmatismo
: alterações na córnea (imperfeição na curvatura da córnea), que apresenta curvatura irregular, ou do cristalino, que apresenta forma irregular. É recomendado o uso de lentes cilíndricas esféricas.
 
Catarata
: é um tipo de anormalidade na visão causada pelo aparecimento de áreas opacas ou nubladas no cristalino. Isso acontece quando as fibras proteicas que formam o cristalino se degradam (desnaturam e coagulam), formando áreas opacas. Para corrigir essa anormalidade, normalmente é feita uma cirurgia, em que ocorre a substituição do cristalino opaco por uma lente artificial.
Quando a imagem projetada sobre a retina não é focada corretamente (está fora de foco) por um problema no sistema de lentes dos olhos, chamamos esse problema de
 erro de refração
. Quando isso acontece, a pessoa normalmente enxerga uma imagem distorcida e desfocada. Esse tipo de problema geralmente pode ser corrigido com o uso de lentes corretivas, seja através de óculos ou de lentes de contato e, mais recentemente, com cirurgias corretivas. Os erros de refração mais comuns são: hipermetropia, miopia, astigmatismo e catarata.
O sistema de lentes do olho focaliza uma imagem na retina. Essa imagem focalizada é invertida e reversa.
 
)
	
 (
Meios refratores do olho
1. 
Interface ar-córnea (convergente)
2. 
Interface córnea-humor aquoso (divergente)
3. 
Interface humor aquoso-cristalino (convergente)
4. 
Interface cristalino-humor
 
vítreo (convergente)
Como resultado, a refração dos meios dioptros será convergente. 
) (
Sistema de lentes no olho
Os olhos são dotados de um sistema de lentes que servem para focar a imagem bem em cima da retina. Quanto melhor o foco, melhor será a nitidez da imagem formada. A primeira lente desse sistema, a mais externa, é a córnea. Quando os raios luminosos atingem os nossos olhos, eles são primeiramente refratados (desviados) por essa primeira lente. Em seguida os raios luminosos, já no interior do olho, atingem uma segunda lente, chamada de cristalino. 
O 
cristalino é formado por uma cápsula elástica preenchida por um líquido proteico transparente
. Ele está suspenso por ligamentos que fazem a ligação da cápsula com músculos que podem se contrair ou relaxar. A ação desses músculos faz a tensão dos ligamentos presos ao cristalino aumentar ou diminuir, alterando a espessura da lente.
 
Os raios de luz sofrem a primeira curvatura, na córnea, depois na face externa do cristalino e, finalmente,na face interna do cristalino, focando a imagem na retina. 
- 
Conduzir a luz e focalizar as imagens até os fotossensores
- Reduzir o ofuscamento
- Adaptar a visão a diferentes condições de luminosidade
- Conduzir as informações visuais para o sistema nervoso central
) (
Quando o sinal neural decorrente da imagem é processado, o próprio cérebro nos faz enxergar a imagem na posição correta.
A retina é a camada com terminações nervosas do olho que é encarregada de traduzir a energia luminosa focada pelo sistema de lentes sobre ela em impulsos nervosos que são transmitidos ao cérebro, que processa essa informação gerando a sensação visual. Os receptores sensoriais da retina são os cones e os bastonetes. Além dessa camada nervosa, também existe a camada pigmentar, que é constituída pelo pigmento melanina e serve para absorver os raios luminosos que atravessam a retina, impedindo que eles se reflitam de volta para o olho e ofusquem a visão.
)
 (
Diâmetro pupilar 
Íris: 
controla a quantidade de luz que entra no olho. Orifício no centro da íris é a pupila. 
Em ambientes com muita luz, a íris se fecha, diminuindo o diâmetro da pupila (
miose
), diminuindo a entrada de luz, enquanto em ambientes com pouca luz a íris se abre, aumentando o diâmetro da pupila (
midríase
), permitindo maior entrada de luz no olho.
 
Cones: variação de cores e formas
Bastonetes: variação de brilho (claro e escuro)
) (
Estrutura geral do olho
A anatomia funcional do olho é formada pelas seguintes camadas:
Íris
: anterior à porção globo ocular, formato esférico, pigmentada, determina a cor dos olhos.
Pupila
: localizada na parte central da íris, orifício por meio do qual a luz penetra no olho. Varia de tamanho (contrátil) dependendo da quantidade de luz que chega aos olhos. 
Esclera
: envoltório externo, camada externa fibrosa do globo ocular. 
Nervo óptico
: responsável pela condução dos estímulos visuais ao cérebro. 
Córnea
: é a parte transparente que permite a passagem da luz para o interior do olho. 
Cristalino
: lente translúcida (formato biconvexo).
Coroide
: camada rica em vasos sanguíneos. 
Humor aquoso
: líquido que fica antes do cristalino, na câmara anterior. 
Humor vítreo
: estrutura gelatinosa que fica depois do cristalino. 
Retina
: camada nervosa que contém as células responsáveis pela conversão da energia luminosa em impulsos nervosos. 
Músculo ciliar
: onde o cristalino está suspenso. Mecanismos que auxiliam a contração e relaxamento do cristalino na acomodação visual. 
Fóvea
: para onde luz é convergida, área de maior concentração de células fotossensíveis. 
Ponto cego
: pequena área da retina que não contém receptores de luz. 
) (
Mecanismo de acomodação 
Conforme visto, o 
cristalino é uma lente de dioptria variável
, composto por uma cápsula elástica cheia de um líquido proteico transparente. Quando essa cápsula está relaxada, sem qualquer tensão, ele assume uma forma mais esférica, ficando mais “forte”, com mais dioptrias. Quando a cápsula está sendo tensionada, ocorre o inverso, o cristalino fica mais “fino” e menos esférico, com menos dioptrias.
 
Os chamados ligamento suspensores estão presos em torno do cristalino, puxando as bordas para fora. Esses ligamentos estão presos na outra extremidade, no músculo ciliar. A contração das fibras desse músculo relaxa os ligamentos suspensores, diminuindo assim a tensão sobre o cristalino. Ou seja, quando o músculo ciliar contrai, o cristalino relaxa e ganha “força” (dioptrias); quando o músculo relaxa, aumenta a tensão sobre os ligamentos tensores, que puxam o cristalino, deixando-o mais fino, com menos dioptrias. Quando
 focalizamos objetos mais próximos, o músculo ciliar relaxa e o olho ganha dioptrias, aumentando o seu poder refrativo. O inverso acontece quando olhamos para objetos distantes.
)