Visión fotópica, mesópica y escotópica

Introducción

Desde hace ya algún tiempo está teniendo lugar a nivel mundial un acalorado debate científico sobre si el espectro luminoso de determinadas fuentes de luz tiene o no ventajas en determinadas condiciones de bajos niveles de iluminación. Los términos “Visión Mesópica” y “Visión Escotópica” son claves en esta controversia. La discusión es especialmente importante en el campo del alumbrado exterior, tanto de vías de circulación de vehículos como de áreas residenciales, dónde usualmente se utilizan niveles de iluminación relativamente bajos. Hoy en día, este debate está más de actualidad que nunca, debido a que con la irrupción de la tecnología de la inducción es posible la producción de todo tipo de colores y todos los diferentes tonos de la luz blanca.

En esta discusión en ocasiones afloran algunos “sin-sentidos”. A menudo la razón principal es una falta de conocimientos sobre la materia, probablemente comprensible, debido a que en ella entran en juego muchos, diferentes y complicados aspectos.

Hacer una comparación directa entre visión fotópica y visión escotópica, sin tener en cuenta el estado de adaptación del ojo, como en el caso de alumbrado viario, nos puede lleva a sacar conclusiones equivocadas. Otro error frecuentemente cometido, es tener en cuenta un solo aspecto de la visión mesópica. Debemos considerar todos los aspectos, tanto de la visión directa (“on-line”) como de la visión indirecta (“off-line”), conjuntamente con la contribución que un determinado espectro luminoso, debido a un mejor reconocimiento del color, puede aportar al rendimiento visual, aún en condiciones de bajos niveles de iluminación. A veces las condiciones de uniformidad de luminancias comúnmente utilizadas en las investigaciones sobre el terreno, son simplemente erróneas e incorrectamente utilizadas en las circunstancias que se dan en el caso anteriormente mencionado del alumbrado viario. Por último, pero no por ello menos importante, con frecuencia se obvia el hecho de que las condiciones de transmitancia espectral del ojo humano cambian considerablemente con la edad, hecho que podría tener serias consecuencias para los usuarios de mayor edad de las vías de circulación, tanto si son conductores como si son peatones.

Probablemente este año la CIE acometa una importante y extensa publicación sobre este tema, centrándose especialmente en aspectos de la visión indirecta en condiciones de visión mesópica. Mientras esto nos ayuda a orientar el debate en la dirección adecuada, podría suceder que los lectores olviden tener en cuenta alguno de los agentes que intervienen.

Con el fin de sentar las bases fundamentales sobre este asunto, este texto ha sido escrito en un lenguaje lo más asequible y resumido posible, sin entrar en detalles demasiado científicos. No se darán conclusiones generales sobre la conveniencia o no, de determinados espectros de fuentes de luz para su uso en alumbrado público. Los lectores de esta publicación podrán sacar sus propias conclusiones con los fundamentos vertidos en él.

1. Visión Fotópica.

Los conos son células sensibles a la luz que están concentradas en la fóvea de la retina del ojo. En la parte externa de la fóvea el número de conos disminuye drásticamente (Figura 1). La fóvea es el área de la retina en el cual se forma una imagen muy nítida de la reducida área inmediata a la dirección de visión: se llama visión “central” o visión “on-line”. Los conos presentan su máximo nivel de actividad con la adaptación a luminancias de entre 3 y 10 cd/m2 y superiores. Cuando hablamos de visión fotópica se hace posible la percepción del color, ya que disponemos de conos sensibles a cada uno de los tres colores primarios: rojo, verde y azul. La sensibilidad espectral en condiciones de visión fotópica está representada por la curva V (lambda) y alcanza su máxima sensibilidad en la longitud de onda del entorno de los 555nm, correspondientes al color amarillo-verdoso (Figura 2). En consecuencia las fuentes de luz con un alto contenido de amarillo en su espectro, pueden tener una alta eficacia. Normalmente todas las magnitudes de alumbrado (flujo luminoso, intensidad luminosa, luminancia, iluminancia, etc.) están definidas en función de su eficiencia según el espectro fotópico.

Fig. 1: Densidad de conos y bastones en la retina del ojo.

Fig. 2: Curva Fotópica V(lambda) – - – - , y curva escotópica V ‘(lambda) .……..

2. Visión escotópica.

Los bastones son también células fotosensibles de una muy alta sensibilidad, cuya concentración se incrementa en el área exterior (periferia) de la retina. Su máxima concentración tiene lugar a 15° desde la dirección de la visión; el área central de la fóvea no contiene apenas bastones (Figura 1). Los bastones son por tanto importantes para la visión “periférica” o visión “off-line”. Debido a que muchos de los bastones están conectados entre sí, la imagen formada a través de ellos no será muy definida. Su
adaptación y mayor actividad es posible en niveles de luminancias de entre 0,01 y 0,003 cd/m2 e inferiores y hablaremos de visión escotópica (nota 1). La visión del color es imposible sólo con los bastones. La sensibilidad espectral con visión escotópica está representada por la curva V’(lambda) y alcanza su máxima sensibilidad en la longitud de onda del entorno de los 505nm, correspondientes al color azul-verdoso: en comparación con la curva V(lambda) la curva esta desplazada hacia el extremo del espectro correspondiente al color azul (Figura 2).

Para definir que efectivo es el espectro de una determinada fuente de luz en condiciones de visión escotópica, se suele utilizar el ratio S/P: relación para un determinado espectro entre su luminancia escotópica (de acuerdo a la curva V’(lambda)) y su luminancia fotópica (de acuerdo a la curva V(lambda) (nota 2). En la Tabla 1 se dan los valores S/P típicos para las diferentes fuentes de luz comúnmente utilizadas en alumbrado vial (notas 3,4).

	TEMPERATURA DE COLOR	FUENTE DE LUZ	RATIO S/P
	Amarillo-blanco	Sodio Alta Presión	0,65
	Blanco cálido	Halogenuro metálico	1,25
	Blanco cálido	LED	1,30
	Blanco día	Inducción magnética	1,96
	Blanco frío	Halogenuros metálicos	1,80
	Blanco frío	LED	2,15
	Blanco frío	Inducción magnética	2,25

Tabla. 1: Ratios S/P aproximados para diferentes fuentes de luz.

3. Visión Mesópica

En condiciones de adaptación a niveles de entre 10 y 0,003 cd/m2 tanto los conos como los bastones están activos. Para la adaptación desde altos a bajos niveles de iluminación la actividad de los bastones adquiere una importancia crucial. La sensibilidad espectral total se desplaza gradualmente en la dirección de menores longitudes de onda, es decir en la dirección del color azul. Este efecto de adaptación dependiente es también llamado el “efecto Purkinje”. Con el fin de determinar las consecuencias prácticas de este desplazamiento gradual de la sensibilidad espectral, en el área de la visión mesópica tenemos que distinguir entre visión directa (“foveál”) y visión indirecta (“periférica”).

3.1. Visión mesópica directa (On-line)

Debido a que la fóvea apenas contiene bastones, son los conos contenidos en ésta los que aquí juegan un papel determinante. Realmente la curva V(lambda) proporciona una buena predicción del rendimiento de la tarea visual para niveles de adaptación superiores a 0,01 cd/m2. En este caso son aplicables los parámetros luminosos habituales de la visión fotópica. Incluso las calles débilmente iluminadas presentan niveles de iluminación (muy) superiores a 0,1 cd/m2 (ver nota 1).

3.2 Visión mesópica indirecta (Off-line)

Esencialmente, determinar el comportamiento real a la sensibilidad espectral de un sistema visual bajo circunstancias de visión mesópica indirecta, es tremendamente difícil, si no imposible. En consecuencia el único procedimiento posible, es tratar de determinar el efecto de diferentes espectros luminosos sobre los criterios de rendimiento. Para el alumbrado viario adquiere mayor relevancia por la necesidad de ejecución de tareas. Rea y Bullough [1] en USA utilizaron el criterio del tiempo de reacción de los motoristas. Un consorcio Europeo de cinco laboratorios independientes llamado MOVE, utilizó un criterio de tres etapas: Puede un objeto ser visto por un motorista, en que tiempo puede ser visto y, finalmente, si este puede ser reconocido (notas 5,6). Usualmente las investigaciones sobre visión periférica se realizan para ángulos aproximados de 10°. En un Comité Técnico (TC 1-58 “Visual performance in the mesopic range”) de la Comisión Internacional de Iluminación CIE ambas partes (y alguna más) trabajan conjuntamente para definir las bases de este tipo de investigaciones y unificar el sistema de medición fotométrica de la visión mesópica (nota 7). A modo de ilustración sobre los efectos del espectro de una fuente de luz sobre la visión indirecta en visión mesópica la Tabla 2 nos muestra los resultados del modelo de MOVE [2]. El porcentaje diferencial entre la luminancia calculada según el modelo de MOVE y la luminancia fotópica de fuentes de luz con diferentes valores S/P vendrán dados para los diferentes adaptación de luminancias. Comparando el sodio a alta presión (ratio S/P de 0,65) con el blanco día de la Inducción (rátio S/P de 1,96) y con blanco-frío de Inducción (ratio S/P de 2,25) para un nivel de adaptación de 0,3 cd/m2, se demuestra que los niveles de iluminación con la luz blanco-día de la Inducción son efectivamente superiores 10 + 13 = 23 %. Igualmente con la luz blanco-frío de la Inducción los niveles son también superiores 10 + 29 = 39 % que para el sodio a alta presión. Por supuesto estos valores se refieren exclusivamente a la visión indirecta.

3.3. Visión del color en el rango de visión mesópica

Como ya hemos dicho, los conos, que posibilitan la visión del color, permanecen parcialmente activos en el rango de visión mesópica. De esta forma, en el alumbrado vial podríamos esperar que el reconocimiento de los colores contribuya a un mayor rendimiento visual. Efectivamente, algunas investigaciones relativamente recientes demuestran que el reconocimiento de las caras humanas con una luz blanca con un índice de rendimiento de color Ra superior a 50, es mucho más fácil que con sodio a alta presión con un Ra aproximado de 25: con luz blanca sólo es necesario la mitad del nivel de iluminación para tener la misma posibilidad de identificación [5,6]. Es importante destacar que en este caso lo determinante es el índice de rendimiento en color y no la temperatura de color. Tanto el blanco-día como el blanco-frío de la luz blanca de la Inducción presentan esta ventaja. Un estudio previo de Boyce arroja resultados sin sensibles diferencias [7]. Fotios desde la Universidad de británica de Sheffield publicó un nuevo estudio sobre esta materia [8]. La nueva norma del Reino Unido BS 5489 permite la reducción de la iluminancia media cuando se utiliza una fuente de luz con un índice de rendimiento en color superior a 60.

3.4 Efectos de la edad en la visión mesópica

Los estudios de MOVE anteriormente mencionados, al igual que otros similares, han sido llevados a cabo con sujetos con edades comprendidas de 20 a 35 años. El cristalino del ojo humano se vuelve ligeramente amarillo con la edad. Una de las consecuencias es una pérdida de visión de los colores azul y verde (longitudes de onda cortas). La Figura 3 nos muestra la transmisión del ojo para el grupo de edad de 60 – 69 en relación con el grupo de edad de 20 – 29. Por supuesto la absorción del componente azul de la luz blanca-azulada que se produce en la lente de personas de edad avanzada que ha amarilleado disminuirá la cantidad total de luz que llegará a los bastones y a los conos. La luz blanco-azulada (valor S/P elevado) es por tanto menos efectiva para las personas de avanzada edad, tanto en el caso de visión directa como de visión indirecta, que la luz blanco-cálida. Debido a que este efecto de absorción del azul minimiza el efecto de un mayor ratio S/P, las ventajas de la luz blanca- azulada para la visón mesópica indirecta anteriormente descritas, son probablemente totalmente ignoradas por los conductores de mayor edad (nota 8). En estos momentos se están llevando a cabo estudios para cuantificar de forma más precisa el efecto de la edad.[3]

		Luminancia de adaptación fotópica (cd/m2)
	S/P	0,03	0,3	3
	0,65	-24%	-10%	-3%
	1,00	0%	0%	0%
	1,96	29%	13%	4%
	2,25	64%	29%	9%

Tabla 2: Diferencia porcentual entre la luminancia efectiva y la luminancia fotópica para la visión indirecta mesópica para diferentes fuentes de luz caracterizadas por su ratio S/P. Fuente [2].

 3.3. Visión del color en el rango de visión mesópica.

Como ya hemos dicho, los conos, que posibilitan la visión del color, permanecen parcialmente activos en el rango de visión mesópica. De esta forma, en el alumbrado vial podríamos esperar que el reconocimiento de los colores contribuya a un mayor rendimiento visual. Efectivamente, algunas investigaciones relativamente recientes demuestran que el reconocimiento de las caras humanas con una luz blanca con un índice de rendimiento de color Ra superior a 50, es mucho más fácil que con sodio a alta presión con un Ra aproximado de 25: con luz blanca sólo es necesario la mitad del nivel de iluminación para tener la misma posibilidad de identificación [5,6]. Es importante destacar que en este caso lo determinante es el índice de rendimiento en color y no la temperatura de color. Tanto el blanco-día como el blanco-frío de la luz blanca de la Inducción presentan esta ventaja. Un estudio previo de Boyce arroja resultados sin sensibles diferencias [7]. Fotios desde la Universidad de británica de Sheffield publicó un nuevo estudio sobre esta materia [8]. La nueva norma del Reino Unido BS 5489 permite la reducción de la iluminancia media cuando se utiliza una fuente de luz con un índice de rendimiento en color superior a 60.

3.4 Efectos de la edad en la visión mesópica.

Los estudios de MOVE anteriormente mencionados, al igual que otros similares, han sido llevados a cabo con sujetos con edades comprendidas de 20 a 35 años. El cristalino del ojo humano se vuelve ligeramente amarillo con la edad. Una de las consecuencias es una pérdida de visión de los colores azul y verde (longitudes de onda cortas). La Figura 3 nos muestra la transmisión del ojo para el grupo de edad de 60 – 69 en relación con el grupo de edad de 20 – 29. Por supuesto la absorción del componente azul de la luz blanca-azulada que se produce en la lente de personas de edad avanzada que ha amarilleado disminuirá la cantidad total de luz que llegará a los bastones y a los conos. La luz blanco-azulada (valor S/P elevado) es por tanto menos efectiva para las personas de avanzada edad, tanto en el caso de visión directa como de visión indirecta, que la luz blanco-cálida. Debido a que este efecto de absorción del azul minimiza el efecto de un mayor ratio S/P, las ventajas de la luz blanca- azulada para la visón mesópica indirecta anteriormente descritas, son probablemente totalmente ignoradas por los conductores de mayor edad (nota 8). En estos momentos se están llevando a cabo estudios para cuantificar de forma más precisa el efecto de la edad.[3]

Fig. 1: Transmisión del cristalino humano para el grupo de edad 60–70 relativo al grupo de edad 20–30. < Calculado en base a la referencia nº [4].

4. Luminancia de adaptación en las condiciones del Alumbrado vial

Cuando en las secciones anteriores se ha utilizado la expresión “luminancia de adaptación” se refiere a la uniformidad de luminancia de un área suficientemente grande del fondo del objeto de la tarea. En las condiciones del alumbrado vial la luminancia del campo de visión no es uniforme. Por razones de simplicidad con frecuencia la luminancia media de la superficie de la calzada es erróneamente tomada por la luminancia de adaptación. Muchas otras luminancias del campo de visión (con frecuencia de valor elevado) juegan un papel destacado. Pensemos en el brillo de las luminarias del alumbrado público, en los faros de un vehículo, en las señales luminosas o en la luz reflejada en diferentes superficies. Todos ellos incrementarán la luminancia de adaptación a un valor superior a la luminancia media de la superficie de la calzada. En consecuencia la visión se traslada en la dirección de la visión fotópica que se integrará con el valor medio que viene exclusivamente de la superficie de la calzada. Esto podría ser especialmente importante para el alumbrado residencial y de áreas donde la visión de los peatones que caminan por las calles, con frecuencia puede dirigirse directamente a las zonas de mayor luminancia. El caso de los motoristas es diferente cuya visión se dirige principalmente a la zona frontal inferior.

Les recomendamos que consulten también la monografía complementaria sobre: Lúmenes pupila y factor S/P.

NOTAS

1. La luna llena, en latitudes no tropicales proporciona una iluminancia horizontal y a nivel del mar, da alrededor de 0,3 lux. De promedio sobre una superficie asfaltada esto resulta de 0,02 a 0,03 cd/m2, y por lo tanto demasiado “brillante” para la visión escotópica. En las calles débilmente iluminadas de áreas residenciales hay un nivel medio de entre 0,2 y 0,5 cd/m2, demasiado brillo para la visión escotópica.
2. Como ejemplo, tomemos teóricamente una fuente de luz monocromática de longitud de onda de 500 nm. En la Figura 2 podemos ver que el valor relativo escotópico V’(lambda) es 0,99 y el valor relativo fotópico V(lambda) 0,30. Para convertir estos valores relativos en absolutos han de multiplicarse, respectivamente, por la máxima sensibilidad del ojo en visión escotópica (1,700) y en visión fotópica (0,683). Así en este ejemplo el valor del ratio S/P es igual a (0,99 * 1,700) / ( 0,30 * 0,693) = 8,1. Para luz no-monocromática no debe ser seguido este procedimiento; debe realizarse el cálculo para todas las longitudes de onda contenidas en el espectro de dicha fuente de luz.
3. Los dispositivos LEDs de color (verde o azul) tienen mayores ratios S/P pero, aún así, no deben utilizarse para un alumbrado vial convencional debido a la impresión anti-natural, por un pobre rendimiento en color (ver sección 3.3 “ visión del color en la gama mesópica”) y la ineficiencia del ojo en personas de edad avanzada (ver sección 3.4 “efectos de la edad en visión mesópica”).
4. En ocasiones hemos visto en distintas publicaciones que el ratio S/P es utilizado como una característica única de la visión mesópica. Esta es una práctica engañosa e induce a errores. Como se describe bajo el apartado “visión mesópica” el efecto del espectro en la gama mesópica es dependiente tanto de la naturaleza del espectro de la fuente de luz (y por tanto de su ratio S/P) como del nivel de la luminancia de adaptación.
5. Debido a que los bastones no nos proporcionan una imagen muy nítida, la suposición debe hacerse en la dirección de que después de detectarse una imagen indirecta “desdibujada” , los ojos , para tener un reconocimiento efectivo del objeto, se re-enfocan directamente sobre él.
6. El proyecto MOVE recibió el reconocimiento Walsh-Weston Award 2008 de la “Society of Light and Lighting in UK”.
7. Mayo 2009: Fue publicado como sistema CIE para la visión fuera de línea mesópica.
8. Hoy en día las lentes artificiales utilizadas en operaciones de cataratas, con frecuencia son del tipo “ blue-block” para proteger la retina del ojo. Como este tipo de lentes tienen un filtro azul-verde similar a la lente natural de un cristalino de 50 años de edad, una vez más su transmisión es inferior a la de la lente natural del grupo de edad más joven de 20-30.