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Fisiologia dell'occhio

L'occhio come sistema ottico

Per la descrizione della percezione visiva dell'uomo non basta descrivere l'occhio in quanto sistema ottico. La percezione effettiva non consiste tanto nella riproduzione dell'ambiente sulla retina, quanto nell'interpretazione di questa riproduzione; nella distinzione di oggetti con caratteristiche costanti anche quando si trovano in ambienti differenti.

Sistemi ottici

Sistemi ottici

Aberrazione sferica. Gli oggetti raffigurati sono distorti per la curvatura della retina.

Sistemi ottici

Aberrazione cromatica. Raffigurazione non nitida dovuta alle diverse rifrazioni dei colori dello spettro cromatico.

Occhio e macchina fotografica

L'approccio per illustrare il procedimento di percezione è quello del raffronto tra l'occhio ed una macchina fotografica: nella macchina fotografica l'immagine inversa di un oggetto viene proiettata sulla pellicola attraverso un sistema di lenti regolabili; il diaframma regola la quantità della luce. Dopo lo sviluppo e l'inversione dell'ingrandimento si ha un'immagine visibile e bidimensionale dell'oggetto. Allo stesso modo nell'occhio si ha la proiezione sul fondo dell'occhio di un'immagine inversa attraverso una lente deformabile, l'iride assume la funzione del diaframma e la retina, sensibile alla luce, assume il ruolo della pellicola. Dalla retina l'immagine viene trasportata dal nervo ottico fino al cervello dove, nella regione del cervello detta corteccia visiva, viene nuovamente raddrizzata per prenderne coscienza.
Nell'occhio ci sono differenze tra l'effettiva percezione e l'immagine sulla retina. Ciò è dovuto alla distorsione dell'immagine dovuta dalla proiezione sulla superficie curva della retina e dall'aberrazione cromatica - i raggi di luce di diverse lunghezze d'onda hanno diverse rifrazioni, quindi attorno agli oggetti si formano degli anelli di colore. Questo errore viene corretto dal cervello nell'elaborazione dell'immagine.

Sistemi ottici

Percezione costante di una forma nonostante la modifica dell'immagine sulla retina per il cambiamento di prospettiva

Prospettiva

Quando vengono percepiti degli oggetti con una data disposizione nello spazio, sulla retina si hanno delle immagini in prospettiva distorte. Si ha così ad esempio che un rettangolo visto da una data angolazione assume un'immagine trapezoidale sulla retina. Tale immagine potrebbe anche essere una superficie trapezoidale vista da davanti. Viene percepita però solo una forma, il rettangolo che effettivamente ha dato luogo all'immagine. Questa percezione di una forma rettangolare rimane addirittura costante quando l'osservatore o l'oggetto si muovono, anche se la forma dell'immagine proiettata sulla retina cambia continuamente al variare della prospettiva.

Ricettori

Ricettori

Ricettori

Esistono due tipi diversi di ricettori: i coni ed i bastoncelli. La loro distribuzione non è uniforme. C'è un punto, detto "punto cieco", in cui non vi sono ricettori, perch lì i fasci dei nervi ottici sfociano nella retina.

Ricettori

Numero N di coni e bastoncelli sul fondo dell'occhio in funzione dell'angolo visivo

Densità dei ricettori

Sulla retina c'è un'area caratterizzata da una densità di ricettori particolarmente elevata, detta fovea, situata nel punto focale del cristallino. In quest'area centrale si trova una quantità estremamente elevata di coni, mentre la densità dei coni è molto minore nelle aree periferiche. Lì si trovano invece i bastoncelli, che sono completamente assenti nella fovea.

Ricettori

Sensibilità relativa alla luce di coni V e bastoncelli V' in funzione della lunghezza d'onda

Bastoncelli

Tra i due sistemi quello che nella storia dell'evoluzione si è sviluppato per primo è quello dei bastoncelli. Le sue caratteristiche consistono in una elevata sensibilità alla luce ed una grande capacità di percezione del movimento a tutto campo. D'altra parte con i bastoncelli non è possibile distinguere i colori, la nitidezza della visione è limitata e non si può focalizzare la vista su di un oggetto, ossia non lo si può osservare meglio portandolo al centro del campo visivo. Vista la sua grande sensibilità alla luce il sistema dei bastoncelli è attivato per la vista notturna in presenza di un illuminamento inferiore a circa 1 lx; le particolarità della vista notturna - soprattutto la mancata percezione dei colori, la limitata nitidezza e la migliore visibilità di oggetti poco luminosi nella periferia del campo visivo - vengono spiegate riconducendole alle caratteristiche del sistema a bastoncelli.

Ricettori

Sensibilità dei coni ai colori dello spettro di luce in funzione delle lunghezze d'onda.

Coni

I coni costituiscono un sistema con caratteristiche differenti, che definisce la nostra vista in presenza di maggiore intensità della luce, ossia in presenza di illuminazione diurna o artificiale. Il sistema a coni è dotato di una minore sensibilità alla luce ed è concentrato nell'area centrale del fondo dell'occhio ed attorno alla fovea. Permette di distinguere i colori e di vedere con nitidezza gli oggetti osservati e focalizzati, la cui immagine viene indirizzata sulla fovea. A differenza dei bastoncelli non consentono di percepire in modo omogeneo l'intero campo visivo; il punto di percezione ottimale è il centro del campo visivo stesso. Il margine del campo visivo non è comunque ininfluente; se vi vengono percepiti dei fenomeni interessanti lo sguardo viene immediatamente rivolto verso tale punto per focalizzarlo nella fovea ed essere meglio percepito. Uno dei motivi più importanti per il direzionamento dello sguardo, oltre al presentarsi di movimenti o di colori o forme che attraggono l'attenzione, è la presenza di una maggiore luminanza: lo sguardo e l'attenzione delle persone vengono cioè guidati dalla luce.

Adattamento

Adattamento

Illuminamenti tipici E e luminanze tipiche L per luce diurna ed illuminazione artificiale

Adattamento

Giorno e notte

Una delle prestazioni più notevoli dell'occhio è la sua capacità di adattarsi alle diverse condizioni di illuminazione; possiamo percepire l'ambiente che ci circonda sia al chiaro di luna che sotto la luce del sole, anche se gli illuminamenti in un caso sono 100000 volte maggiori che nell'altro. La capacità dell'occhio si estende addirittura ad un ambito ancora maggiore - viene percepita anche la debole luce di una stella nel cielo notturno, anche se nell'occhio raggiunge un illuminamento di soli 10-12 lx.

Adattamento

Fasce di luminanza L della visione con bastoncelli (1), della visione mesopica (2) e della visione con coni (3). Luminanze (4) e luminanze preferite (5) negli ambienti interni. Soglia visiva assoluta (6) e soglia dell'abbagliamento assoluto (7)

Luminanza

La capacità di adattamento agli illuminamenti è resa possibile solo in piccola parte dalla pupilla; la gran parte dell'adattamento è opera della retina. Le aree di diversa intensità luminosa sono percepite dal sistema di coni e bastoncelli; il sistema di bastoncelli è efficace nella visione notturna (visione scotopica), i coni permettono la visione diurna (visione fotopica), mentre nelle fasi intermedie, come il crepuscolo, entrambe i sistemi di ricettori sono attivi (visione mesopica).
Pur essendo in grado di percepire una gamma molto ampia di luminanze, per la percezione dei contrasti in ciascuna situazione dell'illuminazione si hanno dei limiti molto più ristretti. Ciò è dovuto al fatto che l'occhio non può coprire l'intera gamma di luminanze allo stesso tempo, ma si adatta di volta in volta ad una data fascia di luminanze ristretta nella quale può attuare una percezione differenziata. Gli oggetti dotati di una luminanza eccessiva per una data situazione di adattamento, abbagliano, appaiono cioè come un chiarore indifferenziato; gli oggetti di luminanza troppo ridotta appaiono al contrario come una zona scura indifferenziata.

Adattamento

Tempo di adattamento

Il riadattamento a situazioni più luminose avviene in modo relativamente rapido, mentre l'adattamento al buio richiede un tempo sensibilmente maggiore. Dei chiari esempi a tal proposito sono la sensazione di abbagliamento nel passaggio da una sala buia di un cinema alla luce diurna, oppure la cecità provvisoria nell'entrare in un ambiente dall'illuminazione minima. Il fatto che i contrasti di luminanza possono essere elaborati in una data misura dall'occhio ed il fatto che l'adattamento ad un nuovo livello di illuminazione richiede del tempo hanno degli effetti nella progettazione illuminotecnica; ad esempio si può avere la programmazione di diversi gradi di luminanza in un dato ambiente o l'adattamento del livello di illuminazione alle aree vicine.