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Luz y Visin

Gua preparada por:

Ing. Pablo Ruben Ixtaina e-mail: pixtaina@yahoo.com

1. Visin.

En el proceso de visin intervienen dos conceptos que conviene definir y diferenciar como primer paso en el estudio:

Un estmulo luminoso.

La sensacin o percepcin visual.

El estmulo luminoso o en forma ms simple la luz, rige en gran medida todas las actividades hu-manas. El sol es la fuente principal de luz, aunque no debe sorprender que desde tiempos remotos el hombre haya intentado producirla por medios artificiales: fuego, antorchas, velas, lmparas elc-tricas.

Podemos ensayar una definicin de luz, desde el punto de vista de la tecnologa de la iluminacin, como la energa radiante que puede evaluarse visualmente, en otras palabras, aquella energa que produce percepcin visual. Acercndonos ms a la fsica, encontramos que la luz es una por-cin del espectro electromagntico, con longitudes de onda limitadas entre aproximadamente 380 y 760 nanometros. Las ondas electromagnticas, con sus propias frecuencias, reflejadas o emitidas por los diversos objetos, activan el sistema visual humano, y tornan a estos objetos visibles.

Definida en trminos de radiacin electromagntica, la luz puede ser convenientemente medida. En funcin de nuestros intereses, hablaremos de intensidad luminosa, flujo, densidad de flujo, direc-cin de los rayos luminosos, etc., todos parmetros posibles de medir o calcular en forma ms o menos exacta. En este sentido, podremos afirmar, por ejemplo, que la cantidad de luz sobre una determinada superficie es de x lux, aseveracin sta que podr ser verificada por diversos observa-dores, siempre que sus herramientas de clculo y medicin sean las adecuadas.

No sucede lo mismo con la percepcin visual, el otro concepto involucrado en la visin. sta es cien por cien subjetiva; no hay manera de registrarla o medirla, ms all de la sensacin del propio individuo. Tomemos por ejemplo dos personas leyendo esta gua: si bien no habr dudas con res-pecto al texto ledo, el tipo y forma de letra, tamao de las pginas, etc., no hay modo alguno de verificar que ambos perciben exactamente lo mismo. Es el blanco del papel igual para ambos?, ven las dimensiones en perfecta coincidencia? Como el lenguaje es el nico medio para comunicar sus experiencias, ste impondr el lmite de conocimiento al que podr llegar un observador exter-no. Que la inmensa mayora percibimos (visualmente) prcticamente lo mismo del mundo que nos rodea es evidente, ya que si no fuera as no podramos desenvolvernos cotidianamente. Si embargo, cuando se exploran lo limites o umbrales de percepcin, la subjetividad se pone de manifiesto: la escena claramente visible para unos, se torna apenas discernible para otros sujetos; los conceptos de

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nivel cmodo y agradable, confortable, justo lo necesario, aparecen, en trminos de estmulo luminoso, como variables con muy alto rango de incertidumbre para su definicin.

Podemos concluir este primer punto afirmando que no existe una relacin lineal y biunvoca entre estmulo luminoso y percepcin visual. Si aproximaciones que, en determinadas circunstancias, permiten asegurar a qu nivel de iluminacin una tarea visual podr ser realizada correctamente por un muy alto nmero de personas. Para conocer ms sobre los lmites de tales aproximaciones, es que se torna necesario introducirnos al sistema visual humano.

2. Sistema visual humano.

Abordaremos el tema de la fisiologa de la visin con la rigurosidad necesaria para el fin propuesto, esto es, tratar de establecer un vnculo entre estmulo luminoso y percepcin visual; el anlisis pro-fundo de la cuestin excede en mucho al objeto de esta gua. Con este criterio, podemos emplear el esquema de la figura 1 para representar el proceso visual.

Figura 1. El proceso visual

La luz reflejada o emitida por los objetos del campo visual reciben un primer acondicionamiento en los ojos. stos pueden considerarse como transductores, que transforman el estmulo luminoso en un impulso nervioso, que se desplaza a travs del nervio ptico estimulando una cierta regin del cerebro. ste es sin duda el sustento fsico de la percepcin visual. Ahora bien, para la pregunta de cmo se conforma la imagen que percibimos, no hay una respuesta nica ni acabada. El fenmeno es complejo, y en el trnsito de la fisiologa hacia la psicologa encontramos varias teoras que in-tentan explicarlo. Tomaremos tan solo que en la percepcin el aprendizaje juega un papel preponde-rante, y como tal est fuertemente ligado a lo social y cultural. Si pudiramos consultar a un monje del medioevo, que pasaba largas noches en penumbra duplicando cuidadosamente ejemplares de la Biblia, qu considera como buena iluminacin, obtendramos seguramente una respuesta bastante diferente a la de un ejecutivo de nuestros das.

El ojo humano

El ojo forma parte del sistema nervioso central, pudindoselo considerar como una extensin del encfalo. Los globos oculares se encuentran protegidos por las rbitas seas del crneo y estn ro-deadas de tejido adiposo conectivo. Se abre hacia el medio externo una sexta parte del ojo y el resto

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se encuentra dentro de la rbita. Los prpados les proporcionan proteccin adicional, y se encuen-tran cubriendo las superficies expuestas de los ojos.

Figura 2. Corte horizontal de un ojo humano

La figura 2 muestra un corte esquemtico horizontal de un ojo humano izquierdo (el nervio ptico se ramifica hacia el interior del cerebro). Se puede observar que el globo ocular es una esfera hueca compuesta por tres capas de tejido. La esclertica es una cubierta exterior que tiene funcin protec-tora; est compuesta por tejido conectivo, duro, blanco y fibroso. La porcin anterior de la escler-tica es conocida como crnea. La crnea es transparente, de manera que los rayos luminosos pue-dan penetrar en el ojo. La esclertica contiene terminaciones nerviosas sensitivas al dolor y carece de vasos sanguneos.

La membrana media o coroides es una capa vascular, contiene muchos vasos sanguneos y un pig-mento pardo oscuro. Por su parte anterior, un cuerpo ciliar forma una zona circular de la cual se extienden los ligamentos suspensorios del cristalino (msculos ciliares). Unido al cuerpo ciliar y delante del cristalino se encuentra el iris, parte pigmentada de estructura circular, unida al cuerpo ciliar. Su abertura central (pupila), de dimetro variable, permite el ingreso de luz al interior del ojo.

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Figura 3. Pupila, iris y crnea

El cristalino es una membrana transparente, cuyo cometido es enfocar, a modo de lente, los rayos luminosos sobre la superficie posterior del ojo. Por medio de los msculos ciliares que la suspen-den, puede variar su curvatura, acomodando automticamente la visin para diferentes distancias.

La membrana interna o retina es una capa incompleta que no tiene porcin anterior. En la retina existen dos tipos de clulas especializadas, sensibles a los rayos luminosos: los conos y bastones. En ellas, la incidencia de luz induce reacciones qumicas generadoras de estmulos nerviosos. Exis-ten otros grupos de clulas nerviosas en la retina, que se encargan de transmitir los impulsos nervio-sos originados por los conos y bastones hacia el nervio ptico, el cual abandona la regin posterior del globo ocular, un poco hacia el lado nasal de su centro. El llamado punto ciego es la porcin de la retina por donde sale el nervio ptico y que carece de conos y bastones.

Figura 4. Corte de la retina, mostrando conos, bastones y fibras nerviosas

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Los conos, en un nmero aproximado de siete millones, son los que se encargan de la visin diurna. Requieren relativamente alta intensidad de luz para activarse y brindan sensacin de color. Su con-centracin es mxima (alrededor de 150000 por mm2) en una pequea regin, de aproximadamente 0,5 mm de dimetro, ubicada en el centro de la retina: la fvea. La densidad de conos decrece rpi-damente en la medida que nos alejamos de la fvea, hasta desaparecer en la periferia de la retina.

Los bastones, alrededor de 100 millones, se localizan en mayor nmero y concentracin en las par-tes ms perifricas de la retina, estando ausentes en la zona foveal. A diferencia de los conos, los bastones son mucho ms sensibles a la luz y no dan impresin de color.

3. Fisiologa de la visin

Como ya se mencion, los bastones y conos de la retina son clulas nerviosas especializadas que solo son estimuladas por los rayos luminosos. Para que podamos percibir una imagen los rayos lu-minosos deben penetrar en el ojo y deben ser enfocados sobre la retina. El ojo se comporta como una cmara oscura, la luz es refractada por el cristalino que proyecta una imagen ntida sobre la pared posterior.

Figura 5. Formacin de imgenes en el ojo

La imagen que corresponde a la lnea central de visin se forma en la zona foveal de la retina. All es descompuesta en decenas de miles de impulsos nerviosos por los conos que, en dicha regin, se encuentran altamente concentrados. El rea cubierta se conoce como campo detallado de visin, pequea porcin que queda definida cuando el observador fija la vista dentro de una escena vi-sual. Es un cono realmente estrecho, cubriendo un ngulo de alrededor de un minuto (aproximada-mente la superficie de uno de los pulgares visto a la distancia del brazo extendido). Tendremos so-bre esta zona visin de detalle, con diferenciacin de colores.

El campo detallado es interior a otro cono ms amplio, el campo general o perifrico de visin. ste es un cono irregular, que alcanza en trminos medios 30 hacia arriba, 45 hacia abajo y 65 a ambos lados. La forma de nuestro rostro enmarca estos lmites. La percepcin en este cono est dada por los estmulos generados principalmente por bastones y los conos situados fuera de la zona

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foveal. Como la concentracin de stos disminuye rpidamente en la medida que nos alejamos ha-cia la periferia de la retina, la visin que obtendremos en la zona perifrica ser de siluetas o con-junto, sin detalle y con escasa sensacin de colores. A pesar de ello esta percepcin global es ex-tremadamente importante ya que nos permite tener un conocimiento general de la escena que nos rodea.

Lo anterior es vlido para la llamada visin diurna o fotpica que ocurre para niveles altos de ilu-minacin, ya que como se dijo los conos son relativamente poco sensibles. La visin diurna se al-canza con niveles de luminancia mayores a 3 cd/m2, en trminos ms simples, en todas aquellas situaciones en las que percibimos detalles y colores.

Para niveles bajos de iluminacin (menores a 0,06 cd/m2), la luz que llega a la fvea resulta insufi-ciente para activar a los bastones, por lo que perdemos la imagen all formada. La situacin es co-nocida como visin nocturna o escotpica y es la tendramos, por ejemplo, contemplando un pai-saje nocturno a la luz de la luna. No hay percepcin de detalles y sensacin de colores, la imagen es tan solo de siluetas en una escala de grises, correspondiendo a los estmulos nerviosos generados por los bastones. Entre ambas regiones (fotpica y escotpica) hay una zona de transicin, para la cual el nivel de detalle y color se incrementa en la medida que aumenta la iluminacin.

Acomodacin

Al mirar un objeto a una distancia menor de seis o siete metros, los rayos luminosos deben ser so-metidos a un mayor grado de desviacin o refraccin para que sean enfocados delante de la retina. Esta funcin se denomina acomodacin, y es realizada por el cristalino mediante la alteracin de su distancia focal. La acomodacin se logra por la contraccin del msculo ciliar, que disminuye la tensin sobre los ligamentos suspensores que sostienen el cristalino. A medida que disminuye esta tensin, el cristalino se hace ms esfrico o ms grueso, aumentando as su poder de refraccin.

El punto prximo de visin es el ms cercano en el que puede estar un objeto en relacin con el ojo y todava permanecer enfocado. Vara, para personas con visin normal, entre 6 y 8 centmetros. Con la edad, el cristalino va perdiendo gradualmente su elasticidad y como consecuencia su poder de refraccin. Resulta entonces muy comn que, en personas mayores de cincuenta aos, el punto prximo de visin se encuentre ms all de los 50 cm, produciendo lo que se conoce como presbi-cia.

Adaptacin

El ojo humano tiene la extraordinaria propiedad de ajustarse automticamente a la iluminacin en cada caso particular. En un medioda de verano por ejemplo, el nivel de iluminacin exterior puede alcanzar los 100.000 lx, mientras que en una noche de luna llena, menos de 1 lx; en ambas situacio-nes tenemos (con distinto grado de claridad) impresiones visuales, lo que nos indica que el sistema visual puede responder a variaciones de niveles que pueden alcanzar relaciones de 105. Esta capaci-dad se denomina adaptacin.

Cuando el ojo se encuentra sometido a una luz intensa, la pupila se contrae, reduciendo el paso de los rayos luminosos; por el contrario, la pupila se dilata en la oscuridad, de modo de captar la mayor cantidad posible de energa luminosa. Esta propiedad de la pupila constituye un primer mecanismo en el proceso de adaptacin. Sin embargo, en trminos promedio, el dimetro de la pupila vara en-

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tre 2 y 8 mm (luz y oscuridad). Esto nos da una relacin de reas, entre pupila en mxima dilatacin y cerrada de 16, proporcin evidentemente insuficiente para controlar variaciones de luz del orden de 105.

La propia fotoqumica de la retina es la encargada de regular la respuesta para el amplio rango de variacin posible del estmulo luminoso. El proceso es complejo, con particularidades para el caso de conos o bastones. En forma bastante simplificada, podemos explicar el fenmeno partiendo de una sustancia a la que llamaremos S, presente en los fotoreceptores de la retina (consideraremos en forma indistinta conos o bastones). Ante la incidencia de luz, la sustancia S se disgrega en dos nue-vos compuestos inicos, A y B.

SA

B

Luz

Impulsonervioso

Figura 6. Fotoqumica de la retina

La aparicin de A y B estimula los terminales nerviosos, que a travs del nervio ptico activan la regin cerebral. Ahora bien, estos iones son altamente inestables, y tienden a combinarse para gene-rar nuevamente la sustancia S. El esquema completo se muestra en la figura 7.

SA

B

Luz

Impulsonervioso

Figura 7. Fotoqumica de la retina

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Supongamos una situacin estable, con una intensidad constante de luz incidiendo sobre la retina. En tal caso tendremos una cantidad determinada de A y B disociadas, y consecuentemente cierta estimulacin nerviosa. Si la luz se incrementa, aumentarn tambin las cantidades de los compues-tos disociados. Ahora bien, en un volumen limitado, el incremento de la concentracin de A y B produce una mayor velocidad de combinacin en S, por lo que en el nuevo equilibrio, las cantida-des presentes (y por lo tanto la estimulacin nerviosa) sern mayores, pero no al nivel del aumento en la luz. Por otra parte, la cantidad de S es finita; en la medida que esta sustancia se va disociando, hay menos presente para formar A y B, lo que atena tambin el incremento en la iluminacin.

Ambos fenmenos dan como resultado un amplio rango de adaptacin y consecuentemente, una falta de linealidad en la respuesta: si, por ejemplo, aumentamos 10 veces la iluminacin, la sensa-cin visual ser de incremento, pero de mucha menor cuanta. Esto ltimo debe tomarse con extre-ma precaucin, ya que como dijimos en un comienzo, la percepcin visual entra en el terreno de lo psicolgico y por ende no puede cuantificarse al nivel del estmulo luminoso. De todas formas, to-das las experiencias (subjetivas) de percepcin marcan este fenmeno: los cambios son percibidos en forma muy atenuada con respecto al estmulo, al punto que alteraciones en la iluminacin de un 10 o 20% son notados por un nmero muy pequeo de individuos.

El proceso de adaptacin producido en la retina es relativamente lento: algunos segundos para el pasaje a un nivel de iluminacin mayor (que se manifiesta como un encandilamiento) y un tiempo mayor (hasta 30 segundos o ms) para el cambio inverso. Un ejemplo tpico de esta ltima adapta-cin es el ingreso al cine cuando la pelcula ya se est proyectando. En un primer momento vemos tan solo la pantalla, pero en la medida que pasa el tiempo comenzamos a percibir algunas luces te-nues que permanecen encendidas, y luego las siluetas los objetos que nos rodean.

Para concluir este punto, diremos que no es totalmente clara la funcin de la pupila. Probablemente, por ser ms rpida que el proceso en la retina sirva como un primer control en la adaptacin, para evitar la excesiva molestia que provocaran los cambios bruscos de nivel. Hay tambin indicios de que la pupila cumple otra funcin ms importante: el cristalino es una lente muy imperfecta. Posee aberraciones cromticas y geomtricas, sobretodo en su periferia. Dichas imperfecciones distorsio-nan la imagen en la retina, hecho que evidentemente se corrige en el proceso psquico de visin. En forma obviamente involuntaria, y dependiendo del cuadro visual, la pupila tratara de optimizar el rea expuesta de cristalino de modo que los rayos luminosos atraviesen mayoritariamente el centro de la lente.

Agudeza visual

La agudeza visual es la facultad de distinguir los detalles de los objetos. Se mide frecuentemente descubriendo la distancia ms pequea a la que pueden apreciarse dos lneas como tales y no como una lnea nica, pudiendo caracterizarse por un ngulo mnimo de visin. La figura 8 muestra un objeto tpico para la evaluacin de la agudeza:

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Figura 8. Objeto para evaluar la agudeza visual.

La prueba consiste en determinar la orientacin de la abertura de la figura, para distancias crecientes de observacin. El lmite o umbral se obtiene como un ngulo mnimo de observacin , ms all del cual el objeto de prueba se percibe como cerrado. Es comn caracterizar la agudeza con el co-eficiente S, definido como la inversa del ngulo crtico:

S = 1/ [1/min]

El ngulo crtico que define la agudeza visual depender de la iluminacin del objeto de prueba. Ms an, lo definitorio es el contraste entre el objeto y el fondo sobre el que es visto. La figura 9 muestra los resultados de una experiencia realizada con el objeto de la figura 8, empleando un con-traste negro sobre blanco. Considerando que la luz reflejada por la figura negra tiende a cero, el contraste queda fijo y el nico parmetro pasa a ser la luz reflejada por el fondo, nivel indicado en el eje horizontal.

S

Luminancia del fondo en cd/m2

ngulocrticoen min

0,01 0,1 1 10 100 1000

mxima agudeza = 2,46

de la mximaagudeza

Figura 9. Evaluacin de la agudeza visual.

observador

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Experiencias como la de la figura 9 demuestran que el incremento en la iluminacin mejora la agu-deza visual, hasta un cierto lmite (del orden de 100 cd/m2), ms all del cual no se obtienen au-mentos sustanciales. Obviamente el conocimiento de tales lmites resultan de gran importancia, ya que permitirn definir los niveles de alumbrado en forma razonable, atendiendo a criterios de eco-noma en el uso de la energa.

Sensibilidad espectral. Color.

En el punto 1 de la gua se mencion que lo llamado luz se corresponda con una dada regin del espectro de las ondas electromagnticas, comprendida entre aproximadamente 380 y 760 nm. La frecuencia o rango de frecuencias de un dado rayo luminoso determina la propiedad que denomi-namos color. La capacidad de ver colores es exclusiva de la visin diurna, y se debe a que los conos generan estmulos nerviosos que el sistema psquico es capaz de interpretar como distintos de acuerdo la frecuencia de la luz. Evidentemente esta propiedad es comn para la mayora de las per-sonas, de modo que, por ejemplo, casi todos asociamos el color rojo con frecuencias cercanas lmite superior del espectro (760 nm). Obviamente, la excepcin a este enunciado es el conocido dalto-nismo; quienes lo sufren poseen una sensibilidad distinta y una consecuente perturbacin en la vi-sin del color.

La luz considerada como blanca est compuesta por radiaciones de mltiples frecuencias dentro del espectro visible. Cuando tal luz ilumina un objeto de color (tomemos verde por ejemplo), ste refle-jar las longitudes de onda correspondientes a dicho color, absorbiendo todas las restantes. De este modo se ver verde, puesto que esta luz ser la que llega al ojo.

La propiedad de diferenciar distintas longitudes de onda es propia de los conos, no existiendo en los bastones. En funcin de la intensidad de luz, los bastones generarn estmulos solo interpretables como distintos niveles de grises, de aqu que la llamada visin nocturna sea en blanco y negro.

En cuanto a la sensibilidad, las experiencias demuestran que la intensidad de los estmulos genera-dos por conos y bastones depende tambin de la longitud de onda (o frecuencia) de la luz. Cabe aqu una nueva mencin a lo dicho al comenzar este apunte: la percepcin es puramente subjetiva, por lo que no puede cuantificarse. Las experiencias efectuadas consistieron en presentar a los suje-tos luces con determinada distribucin espectral (color), variando su intensidad hasta que el obser-vador consideraba que era igual a la de otro color tomado como referencia. Experimentos como el descrito fueron realizados sobre un nmero grande de personas, en diversos centros de estudio, con-cluyendo que tanto para visin nocturna y diurna exista un pico de sensibilidad, aproximadamente en el centro del espectro visible, para luego decaer hacia ambos extremos. Se descubri adems una diferencia entre la sensibilidad de conos y bastones: estos ltimos son ligeramente ms sensibles a los azules y violetas, y prcticamente insensibles a los rojos.

El conocimiento de la sensibilidad espectral es de mxima importancia, ya que define lo que consi-deramos como luz, esto es, la regin visible del espectro. Las experiencias efectuadas sobre este campo arrojaron una alto grado de dispersin, que podemos considerar como lgico si pensamos en el carcter subjetivo de la percepcin, sumado al hecho de que el sistema visual de distintos indivi-duos no tiene porque tener exactamente la misma respuesta. De esta forma, y con el objetivo de uniformar la definicin de luz, es que la Comisin Internacional de Alumbrado propuso, a princi-pios del siglo pasado, una estandarizacin de las curvas de sensibilidad espectral del ojo, comn-mente conocidas como curva V (visin diurna) y V (nocturna).

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Figura 10. Sensibilidad estandarizada de conos y bastones.

Como puede observarse en la figura 10, la sensibilidad mxima para conos se encuentra en 555 nm (amarillo verdoso), con lmites de visin en 380 nm (violeta) y aproximadamente 760 nm (rojos).

La curva de sensibilidad para bastones adopta la misma forma, pero se encuentra desplazada 55 nm hacia la zona de los azules violceos. La figura 11 muestra en detalle la sensibilidad para visin diurna. Como veremos en captulos posteriores, la curva V definir las llamadas magnitudes fo-tomtricas, empleadas en la cuantificacin del estmulo luminoso.

La curva V se interpreta de la siguiente manera: supongamos una lmpara monocromtica, que emite una determinada energa a 555 nm. Si dentro del mismo campo visual colocamos otra fuente, tambin monocromtica, radiando, por ejemplo, a 470 nm (azul) y con la misma potencia, el obser-vador la notar como 10 veces menos intensa. Dicho en otras palabras, la luz azul debera tener 10 veces ms potencia que la de 555 nm para que sea vista con la misma intensidad.

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Figura 11. Curva V .

4. Conclusiones

Finalizaremos la presente gua con algunas conclusiones derivadas de los conceptos vistos, y orien-tadas a esclarecer ms la funcin visual.

El ojo es sensible a la luz que incide sobre su retina. De este modo, si pretendemos evaluar un sistema de iluminacin con el objetivo de determinar visibilidad, deberemos caracterizar el es-tmulo luminoso cuantificando (en la medida de lo posible) esta iluminacin.

El sistema visual posee un muy amplio rango de adaptacin. Es sensible y brinda percepciones para niveles de iluminacin que pueden variar en relaciones de 106. Probablemente a causa de esta facultad, su respuesta no es lineal. Si duplicamos el nivel de alumbrado de, por ejemplo,

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un puesto de trabajo, el usuario notar un incremento, pero de mucha menor cuanta. Ms an, variaciones de luz del orden del 20% o incluso el 30%, pasarn desapercibidas para un gran nmero de personas.

En relacin con lo anterior, el sistema visual tiene escasa capacidad para discriminar niveles absolutos. Un sujeto podr decir si considera suficiente o no una iluminacin, pero difcilmente si el nivel es de 200, 300 o ms lux.

Como contrapartida, el sistema visual es extremadamente sensible al contraste y a la diferencia de niveles, siempre que se encuentren dentro del campo visual o su entorno inmediato. En la misma lnea de visin, la sensibilidad puede alcanzar a discriminar diferencias del orden del 0,1%; esta facultad fue empleada en los inicios de la luminotecnia para disear equipos de me-dicin basados en la vista del operador, con excelentes resultados.

Finalmente, la propiedad anterior indica que los cambios de nivel en zonas cercanas son inme-diatamente detectados, e inclusos pueden complicar la visin. Tomemos por ejemplo una ruta iluminada artificialmente, es comn observar franjas oscuras en las zonas intermedias entre dos columnas de alumbrado. Si bien el nivel all puede no ser excesivamente bajo, su efecto de sombra frente al nivel mayor circundante tiende a enmascarar los objetos presentes, que pue-den incluso no detectarse. Como caso contrario, en una noche de luna llena, la impresin es de claridad, gracias a la alta uniformidad de luz, y a pesar de su bajo nivel.