Due parole sulla luce

La luce è una forma di energia elettromagnetica; in particolare, siamo soliti definire "luce visibile" una radiazione elettromagnetica composta da onde la cui lunghezza va dai 380 ai 780 nanometri: l'intervallo all'interno del quale i nostri occhi "vedono" qualcosa. Considerando che la tecnologia umana sfrutta comunemente lunghezze d'onda che vanno da diversi chilometri (onde radio a bassa frequenza) a frazioni di nanometri (raggi X e Gamma), abbiamo così un'idea di quanto ristretta sia la gamma di frequenze cui i nostri occhi sono sensibili!

Rappresentazione schematica delle radiazioni elettromagnetiche.
La zona di sensibilità dell'occhio è ristrettissima (linea nera compresa tra UV e IR)
e contiene tutti i colori visibili.

In effetti, molti animali hanno sistemi visivi in grado di vedere radiazioni ultraviolette (lunghezze d'onda minori di 380 nanometri), altri sono sensibili anche alla gamma infrarossa (più di 780 nanometri); altri ancora hanno una sensibilità molto più elevata della nostra alle nostre stesse frequenze, potendo quindi vedere in condizioni che per noi sono di buio quasi assoluto.

Tuttavia, pochi animali sono in grado di vedere a colori!

Riferendoci al mondo della fotografia, possiamo dire la maggior parte degli animali vede in toni di grigio, come una pellicola in Bianco/Nero; quindi, anche se molti di essi possono vedere quando noi non possiamo, estraggono un minor numero di informazioni da ciò che vedono.

Questo ci riporta alla fisiologia della visione.

Come funzionano i nostri occhi?

In effetti, il nostro sistema visivo è più correttamente descritto come "insieme occhi-cervello", dato che una gran parte dei processi che permettono la visione avvengono in aree apposite del nostro encefalo.

D'altra parte, in un mondo di fotografia digitale, la cosa non ci sorprende: cosa sarebbero le nostre digicam senza il processore che ricombina e processa i segnali che arrivano dai sensori? A pensarci bene, potrebbe essere un interessante spunto per nuovi articoli!

Tornando a noi, il nostro sistema visivo è composto da:

• Un insieme di muscoli e tendini in grado di ruotare gli obiettivi in tutte le direzioni per alcune decine di gradi, inseguendo automaticamente un oggetto in movimento e mantenendo l'allineamento ottimale tra i due obiettivi per consentire la visione stereoscopica
• Due obiettivi uguali (i bulbi oculari), ciascuno dei quali ha:
  • Un sistema idromeccanico automatico per la pulizia dell'elemento frontale (palpebra, ciglia, sistema lacrimale)
  • Uno schema ottico di due lenti in due gruppi (ma ehi, sono elementi apocromatici, asferici e il posteriore è a geometria variabile!) con diaframma automatico posto tra i due elementi (cornea, cristallino, con l'iride che fa da diaframma); la lunghezza focale è di circa 15mm, l'apertura massima circa f/2
  • Due camere piene di due diversi fluidi di trasmissione e compensazione in grado di mantenere caratteristiche molto stabili al variare della pressione e della temperatura (umor vitreo, umor acqueo)
  • Un sensore elettromagnetico multistrato con la stessa curvatura dell'immagine e quindi a planeità di campo (retina), dove ogni strato svolge una funzione specifica: filtro (rete sanguigna superficiale), sensori per basse intensità di luce (bastoncelli), sensori per alte intensità di luce (coni); questo sensore ha una zona ad alta risoluzione di pochi millimetri di lato (fovea), dotata di varie decine di milioni di elementi sensibili (quanti megapixel avete detto che ha la vostra nuova digicam?), e un'ampia zona circostante usata principalmente per la "visione laterale" e la percezione dei movimenti
• Un insieme di cavi per la trasmissione dei segnali rilevati (nervi ottici)
• Un sistema di elaborazione dati euristico dotato di impressionanti funzionalità, con tavole di compensazione dinamiche che si aggiornano in tempo reale, memoria storica, sottosistemi paralleli di processamento delle immagini in base alla natura degli elementi che le compongono (lati, superfici, forme, ...), filtraggio spaziale e temporale, adattamento dinamico del bilanciamento dei colori, della luminosità, del contrasto; e tante, tante altre funzioni che ancora dobbiamo capire!

Principali elementi costitutivi dell'occhio

In base a tutto ciò, credo sia intuitivo capire che la visione umana è una faccenda estremamente complessa. Per quanto la tecnologia legata all'immagine si sia evoluta (sia nel mondo analogico che in quello digitale), è improbabile che in un prossimo futuro si riescano a capire e sfruttare tutte le caratteristiche del nostro sistema visivo: il trattamento delle immagini (in particolare, a colori) rimarrà un mondo di approssimazioni e compromessi. Ma non scoraggiamoci!

Non molto tempo fa, nell'Ottocento, si scoprì che i sensori della nostra retina hanno caratteristiche di sensibilità diverse; in particolare, i bastoncelli hanno un'elevata sensibilità alla luce, di qualsiasi "colore" sia (in realtà, hanno una sensibilità maggiore nella zona centrale dello spettro visibile, attorno al giallo-verde); i coni hanno una sensibilità minore, ed inoltre sono differenziati in tre sottotipi: ci sono coni sensibili quasi esclusivamente al terzo inferiore dello spettro (dal rosso cupo al giallo), che per comodità chiameremo "coni del rosso", altri che rispondono quasi solo nel terzo centrale dello spettro (dall'arancio al verde/bluastro) che chiameremo "coni del verde", altri infine che hanno sensibilità prevalentemente nell'ultimo terzo della gamma visibile (dal verde/bluastro al viola estremo).

NOTA - Quando parliamo di "terzo inferiore" o "superiore" dello spettro ci riferiamo alle frequenze elettromagnetiche; molte illustrazioni però, come quella che vedete qui sotto, riportano lo spettro in funzione della lunghezza d'onda della luce, che è l'inverso della frequenza, con il blu che occupa la parte iniziale del grafico e il rosso la parte finale.

Curva di sensibilità dell'occhio ai vari colori

C'è una parziale sovrapposizione alla risposta dei tre tipi di coni e la curva di sensibilità non è uniforme (siamo più sensibili al giallo/verde e assai poco al blu), ma per il momento limitiamoci a pensare in questi termini semplificati:

• I bastoncelli danno una visione monocromatica, ma "vedono" anche con pochissima luce
• I coni del rosso rispondono solo alla luce rossa e arancio
• I coni del verde rispondono solo alla luce gialla e verde
• I coni del blu rispondono solo alla luce blu e viola