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La Luz y el Ojo Humano
Muchos de los equipos
electrónicos están pensados y desarrollados para suministrar
cierta clase de información susceptible de ser percibida por
alguno de los sentidos de la persona humana, en especial el oído
y la vista.
La Luz
El experimento de
Newton, muestra que al hacer pasar un rayo de luz blanca a
través de un prisma, ésta se descompone en colores que van desde
el rojo al violeta, pasando por el naranja, amarillo, verde,
azul y añil. Puede afirmarse que la luz blanca no existe como
tal en la Naturaleza, sino que es la suma de todo el conjunto de
radiaciones visibles que, al integrarse en nuestro ojo, nos
producen la sensación de blanco.
Si aislamos uno solo, de entre los colores que atraviesan un
prisma, y que, a su vez, se le hace pasar por otro prisma más
para ver en qué se descompone, se comprobará que el color
resultante es el mismo que se había introducido. Se habrá
aislado, una radiación monocromática pura.
Estas radiaciones monocromáticas son ondas de tipo
electromagnético, que se caracterizan, al igual que las ondas
electromagnéticas, por su longitud de onda y una frecuencia
determinada; entre ambas se establece la siguiente relación:
donde "c" representa la velocidad de la luz que es,
aproximadamente, de 300.000 Km/s en el vacío absoluto.
Con un instrumento que mida la energía radiada por un objeto
emisor de luz blanca, se obtiene una curva que indica la
composición espectral de dicha luz blanca. Al estudiar este
espectro, se observará que más allá de los dos extremos en los
que el ojo humano es capaz de percibir sensaciones, el
instrumento sigue midiendo una cierta energía procedente de
radiaciones cuya longitud de onda no es perceptible por el
mismo.
El experimento de Newton demuestra
que la luz blanca no existe, sino que es una percepción
subjetiva de nuestro cerebro debido a nuestro sistema de visión.
Los radiaciones luminosas
que nuestro ojo es capaz de percibir constituyen una pequeño
franja del conjunto de las ondas electromagnéticas.
Las radiaciones
electromagnéticas que percibe el ojo humano, conforman una
pequeña banda que va desde los 3,85xlO8 MHz., a los
7,9xlO8 MHz.
A las radiaciones por debajo del rojo se las denomina
infrarrojas, y a las superiores al violeta, ultravioletas.
Estas radiaciones electromagnéticas se transmiten en forma de
"cuantos de energía" (son los denominados fotones) que,
dependiendo del foco que los emite, tienen una frecuencia
determinada. La energía que portan los fotones es directamente
proporcional a la frecuencia de la señal emisora y a una
constante llamada constante de Plank. De tal manera que:
donde "h" es la
constante de Plank y "f' la frecuencia del fotón.
Toda radiación
electromagnética, visible o no, transporta una cierta cantidad
de energía que depende de la propia energía del fotón y del
número de fotones recibidos.
Estas cantidades de energía, tanto emitidas como recibidas, han
sido ponderadas y delimitadas creándose unidades para que puedan
ser medidas.
Si se dispone de una esfera con un cierto radio "R", que se toma
como unidad, y en cuyo centro existe un punto emisor radiando
fotones en todas direcciones y con la misma intensidad y que
forma un cono sólido desde el centro de la esfera a su
superficie. La base de este cono no será plana, sino que tendrá
una cierta curvatura, y su superficie se mide en
estereorradianes. El estereorradián es el ángulo que proporciona
una unidad de superficie de la base del cono formado. Si el
radio de la esfera tuviese 1 m. de longitud, un estereorradián
será aquel ángulo que formaría un cono con una superficie en la
base de 1 m2
La intensidad del foco emisor se mide en "candelas" y
proporciona la cantidad de luz emitida que pasa por el ángulo
sólido de un estereorradián. A la cantidad de energía que
atraviesa la superficie del cono sólido en la unidad de tiempo
se le denomina flujo luminoso, y se mide en "lumen".
La candela, el lumen y el estereorradián guardan relación entre
sí, de tal manera que:
1 candela = 1 lumen / 1 estereoradián
Si se sitúa en el lugar
del cuerpo receptor de luz, la cantidad de flujo luminoso
recibido por una unidad de superficie se le denomina iluminación
y viene expresada en "lux", estableciéndose la equivalencia
siguiente:
1 lux = 1 lumen / 1 m2
El Ojo Humano y la Visión
La estructura de una
cámara fotográfica es comparable con la constitución del ojo
humano. La cámara negra del ojo está constituida por una esfera
llena de un líquido denominado humor vítreo, el objetivo lo
constituyen la córnea y el cristalino; el diafragma, el iris con
la pupila; la superficie fotosensible, la retina; y el
obturador, sería el párpado.
Si se comienza por la recepción de una imagen, se puede afirmar
que lo que llega al ojo sólo es la luz reflejada por los
objetos, excepción hecha de los cuerpos emisores.
Partes del ojo humano
Así, dependiendo de la
intensidad luminosa que llegue al ojo humano, la pupila se
ajusta de forma automática e involuntario, abriendo o cerrando
más o menos la apertura del iris para que la imagen recibida al
pasar por el cristalino se proyecte sobre la retina.
El cristalino es una lente biconvexa de foco variable que
proyecta la imagen sobre la retina llevándola al punto de la
misma en que la imagen es más nítida y con un correcto enfoque.
La córnea es una membrana que envuelve al ojo y que encierra el
humor acuoso, un líquido viscoso aposentado delante de la pupila
que, junto al humor vítreo contenido en la cámara posterior,
sirve para mantener turgente al ojo.
De todos los componentes del ojo, el más importante es la
retina. Es aquí donde se realiza la percepción de la imagen. Es
la décima capa de una película formada por diez. Las nueve
primeras están compuestas de neuronas, en su mayor parte, y son
atravesadas sin ningún tipo de dificultad por los fotones
provenientes del exterior.
La retina está constituida por una enorme cantidad de captadores
fotosensibles, cada uno de los cuales da en cada momento
información correspondiente de la intensidad y el color de la
radiación incidente. Estos captadores fotosensibles son de dos
tipos: conos y cilindros o bastones; se los conoce con estos
nombres debido a su forma. Los conos y los cilindros son las
terminaciones de una gran cantidad de fibras nerviosas que
forman el nervio óptico, el cual se encarga de transmitir todas
las informaciones a las superficies estriadas del cerebro
situadas en el lóbulo occipital. Los conos poseen un enlace
nervioso individual con el cerebro, mientras que los bastones
van unidos a un mismo conducto nervioso por grupos que pueden
llegar a ser miles de ellos. De aquí que los conos den mensajes
sensoriales más precisos y que los bastones tengan una mayor
sensibilidad, incluso con niveles de energía luminosa muy bajos.
Curva de sensibilidad
relativa del ojo en función de las longitudes de onda de las
radiaciones percibidas.
Esfera con un foco puntual de radiación
uniforme y omnidireccional. Angulo sólido, cuya unidad es el
estereorradian, desde el que se ve una superficie (S ) desde el
foco puntual: es la superficie que determina en la esfera de
radio unidad la figura geométrico que tiene por vértice el punto
y, cuyas aristas, pasan por el contorno de la superficie.
Todo lo que se sabe
acerca de la recepción de una imagen por el ojo, y la
interpretación que de ella realiza el cerebro, se ha obtenido de
una manera experimental estudiando y comparando el
comportamiento del ojo ante los estímulos a que era sometido.
Examinando al microscopio la superficie de la retina se
comprueba que la densidad de los conos es mucho mayor que la de
los bastones en una zona situada en el extremos opuesto de la
pupila, denominada mancha amarilla. La parte central de esta
zona, denominada fóvea, está desprovista totalmente de bastones,
mientras que la densidad de conos es máxima.
En la fóvea, los conos son de tres tipos diferentes dependiendo
del tipo de radiación a la que sean sensibles.
Estos conos permiten realizar la percepción cromática de las
imágenes. Los bastones son los encargados de la luminancia, o
visión monocroma (de blanco y negro). Este hecho, junto con la
mayor sensibilidad de los bastones, explica el porqué, ante
bajos niveles de iluminación, se dejan de percibir los colores,
y la imagen que nos queda es en blanco y negro (a la noche todos
los gatos son pardos).
Los conos y los cilindros están inmersos en un medio líquido que
toma instantáneamente color blanco ante la presencia de fotones,
volviendo más lentamente a su estado inicial cuando se produce
el cese de fotones en la fuente emisora. Este retardo en la
vuelta al estado inicial, se admite que es debido al proceso
inverso de la reacción fotoquímica que se produce ante la
presencia de fotones y tiene una duración de, aproximadamente,
50 x 10-3 seg.
Curva de Sensibilidad Relativa
La sensibilidad del ojo
con respecto a las radiaciones colorimétricas no es uniforme en
toda la banda del espectro visible, es decir, para tener la
misma sensación subjetiva de intensidad luminosa de dos colores
diferentes, una de dichas intensidades será más elevada que la
otra, dependiendo de la posición de su frecuencia dentro del
espectro.
El experimento del trébol de Young muestra cómo se realizó la
mezcla aditiva de tres colores primarios, rojo, verde y azul, y
que pueden producir la sensación de blanco.
Esta diferencia de sensibilidad queda
expresada en la siguiente tabla:
|
l
(nm)
|
Vl
|
l
|
Vl
|
l
|
Vl
|
|
475
|
0.1126
|
515
|
0.6082
|
645
|
0.1382
|
|
480
|
0.1399
|
520
|
0.7100
|
650
|
0.1070
|
|
485
|
0.1693
|
550
|
1.0000
|
655
|
0.0816
|
|
490
|
0.2080
|
600
|
0.4900
|
660
|
0.0610
|
|
495
|
0.2586
|
625
|
0.3210
|
665
|
0.0446
|
|
500
|
0.3230
|
630
|
0.2650
|
700
|
0.0010
|
|
505
|
0.4073
|
635
|
0.2170
|
750
|
0.0001
|
|
510
|
0.5030
|
640
|
0.1750
|
770
|
0.0000
|
Integración de la visión
Para entender mejor esta
propiedad se puede partir de un pequeño experimento:
Se dirigen tres focos de
luz, uno rojo, otro verde y otro azul, hacia la superficie de un
mismo plano, de tal manera que haya una zona donde incidan los
tres focos a la vez. También habrá áreas en las que sólo incida
un foco y sectores donde lo hagan dos. En las zonas donde hay
varios colores incidentes, el ojo (o más bien el cerebro, ya que
es aquí donde se produce esta característica) es incapaz de
distinguir los colores que inciden sobre la zona, puesto que lo
que se percibe es la integración de dichos colores. Así, por
ejemplo, en la zona donde incidan los tres focos se tendrá la
sensación de blanco, mientras que en las zonas de dos colores se
percibe, según el caso, la mezcla de ambos. Cuando la mezcla de
colores está formada por radiaciones situadas en los dos
extremos del espectro visible, el rojo y el violeta, la
impresión coloreada que se percibe no corresponde con ninguna de
las radiaciones monocromáticas que se obtiene cuando se hace que
la luz solar atraviese un prisma. Se obtiene, así, una gama de
colores subjetivos denominada gama de los púrpuras.
Al igual que esta
sensación subjetiva, hay tres parámetros psicofísicos que hace
diferenciar una percepción coloreada de otra.
La luminancia
En una imagen en blanco
y negro (monocromática) se atribuye más luminancia, brillo, a
sus partes blancas que a las grises, y más a las grises que a
las negras. Si ahora se observa una imagen en color, se
establecen las mismas diferencias entre las partes muy
iluminadas y las que quedan en la sombra, independientemente del
color que tengan. El ojo no responde de igual manera ante igual
intensidad de iluminación de dos colores diferentes; y así, ante
dos colores con diferente iluminación, se produce la sensación
de que tienen la misma. A la energía luminosa percibida se le
denomina luminancia y es diferente de la realmente emitida.
Los experimentos realizados demuestran que el ojo puede
distinguir cerca de mil niveles de luminancia diferentes, desde
el umbral de percepción hasta el de deslumbramiento.
El Tono o Matiz
El Tono se puede definir
como el atributo que permite diferenciar y separar la longitud
de onda predominante de la señal recibida, es decir, la visión
distinta de los colores cromáticos. Son, aproximadamente, 250
tonos diferentes los que el ojo humano es capaz de distinguir, a
los que hay que añadir los correspondientes a la gama de los
púrpuras.
Fases en que se puede
dividir el fenómeno de la visión.
Saturación
La saturación da la
noción de pureza de color o, lo que es lo mismo, la mayor o
menor mezcla de blanco con el color cromático, proporcionando la
posibilidad de distinguir un color vivo de un color pálido.
La cantidad de colores distinguibles, en función de su tono y
saturación, es del orden de 20.000. Por lo tanto, la cantidad de
estímulos visuales distinguibles, en función de estos tres
parámetro, supera el millón, y quedan perfectamente definidos en
función de los mismos.
Agudeza visual
Debido a que los
elementos perceptores, conos y bastones, de la superficie de la
retina no están unidos unos a otros, sino que hay una cierta
distancia entre ellos (alrededor de 2 x 10-6 m. en la
zona más densa), dos fuentes concretas, próximas entre sí,
proyectarán su imagen sobre el mismo cono, con lo que el cerebro
sólo recibirá una información sensorial. Al ser la distancia
focal del cristalino de 2 cm., el mínimo ángulo que pueden
formar los dos rayos luminosos para tener una percepción
separada es de medio minuto. Aunque, habitualmente, se toma como
media el ángulo de 1 minuto.
Este límite de agudeza visual es muy importante en el campo de
la televisión, ya que no tiene mucho sentido reproducir imágenes
con una definición por encima de este ángulo separador.
Por otro lado, aprovechando esta cualidad del ojo, podemos
conseguir que con tres puntos muy próximos entre sí con
información de color, tan sólo se pueda percibir la integración
de los tres puntos luminosos. Esta es la base de los sistemas de
televisión en color actualmente explotados.
Memoria visual
El efecto que se produce
en la retina al incidir los fotones de luz sobre el líquido en
el que están inmersos los conos y bastones, y el tiempo que
tarda, aproximadamente, una imagen en desaparecer, como tal
efecto percibido, una vez que ha cesado el estímulo es de 50 x
10-3 seg.
como media. Si antes de que transcurra este tiempo, el ojo
recibe un nuevo estímulo, la impresión visual que se tendrá será
la suma de las dos. Si el tiempo de separación es mayor de 50 x
10-3 seg. la visión es distinta, produciéndose el
efecto de parpadeo.
Esta propiedad es utilizada en la reproducción de imágenes
animadas, tanto en televisión, donde se proyectan 25 imágenes
por segundo, como en el cine, donde la velocidad es de 24
imágenes.
La memoria visual es válida también para estímulos de
cromaticidad diferentes, donde la suma de estímulos sucesivos
producirá la misma sensación que la ocasionada por una radiación
continua compuesta por diferentes radiaciones que coinciden con
el grupo de estímulos sucesivos. Si se divide un círculo en
siete sectores, cada uno de ellos con uno de los colores del
espectro visible y se lo hace girar por el eje que pasa por su
centro a una velocidad suficiente, se percibirá un blanco
grisáceo, indicando que se ha realizado una integración de los
colores.
El aprovechamiento de estas características del ojo para el
desarrollo de los sistemas de televisión ha sido determinante a
la hora de conseguir equipos de un diseño no demasiado
complicado y con costos no muy elevados. |
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 Aunque
el ojo es denominado a menudo el órgano de la visión, en realidad,
el órgano que efectúa el proceso de la visión es el cerebro; la
función del ojo es traducir las ondas electromagnéticas de la luz en
un determinado tipo de impulsos nerviosos que se transmiten al
cerebro a través del nervio óptico.
El
globo ocular es una estructura esférica de aproximadamente 2,5 cm de
diámetro con un marcado abombamiento sobre su superficie anterior.
La parte exterior, o la cubierta, se compone de tres capas de
tejido: la capa más externa o esclerótica tiene una función
protectora, cubre unos cinco sextos de la superficie ocular y se
prolonga en la parte anterior con la córnea transparente; la capa
media o úvea tiene a su vez tres partes diferenciadas: la coroides
—muy vascularizada, reviste las tres quintas partes posteriores del
globo ocular— continúa con el cuerpo ciliar, formado por los
procesos ciliares, y a continuación el iris, que se extiende por la
parte frontal del ojo. La capa más interna es la retina, sensible a
la luz.
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La
córnea es una membrana resistente, compuesta por cinco capas, a
través de la cual la luz penetra en el interior del ojo. Por detrás,
hay una cámara llena de un fluido claro y húmedo (el humor acuoso)
que separa la córnea de la lente del cristalino. En sí misma, la
lente es una esfera aplanada constituida por un gran número de
fibras transparentes dispuestas en capas. Está conectada con el
músculo ciliar, que tiene forma de anillo y la rodea mediante unos
ligamentos. El músculo ciliar y los tejidos circundantes forman el
cuerpo ciliar y esta estructura aplana o redondea la lente,
cambiando su longitud focal.
El
iris es una estructura pigmentada suspendida entre la córnea y el
cristalino y tiene una abertura circular en el centro, la pupila. El
tamaño de la pupila depende de un músculo que rodea sus bordes,
aumentando o disminuyendo cuando se contrae o se relaja, controlando
la cantidad de luz que entra en el ojo.
Por
detrás de la lente, el cuerpo principal del ojo está lleno de una
sustancia transparente y gelatinosa (el humor vítreo) encerrado en
un saco delgado que recibe el nombre de membrana hialoidea. La
presión del humor vítreo mantiene distendido el globo ocular.
La
retina es una capa compleja compuesta sobre todo por células
nerviosas. Las células receptoras sensibles a la luz se encuentran
en su superficie exterior detrás de una capa de tejido pigmentado.
Estas células tienen la forma de conos y bastones y están ordenadas
como los fósforos de una caja. Situada detrás de la pupila, la
retina tiene una pequeña mancha de color amarillo, llamada mácula
lútea; en su centro se encuentra la fóvea central, la zona del ojo
con mayor agudeza visual. La capa sensorial de la fóvea se compone
sólo de células con forma de conos, mientras que en torno a ella
también se encuentran células con forma de bastones. Según nos
alejamos del área sensible, las células con forma de cono se vuelven
más escasas y en los bordes exteriores de la retina sólo existen las
células con forma de bastones.
El
nervio óptico entra en el globo ocular por debajo y algo inclinado
hacia el lado interno de la fóvea central, originando en la retina
una pequeña mancha redondeada llamada disco óptico. Esta estructura
forma el punto ciego del ojo, ya que carece de células sensibles a
la luz.
Funcionamiento del ojo
En
general, las cámaras fotográficas sencillas funcionan como los ojos
de los animales. La lente del cristalino forma en la retina una
imagen invertida de los objetos que enfoca y la retina se
corresponde con la película sensible a la luz.
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El
enfoque del ojo se lleva a cabo debido a que la lente del cristalino
se aplana o redondea; este proceso se llama acomodación.
En un ojo normal no es necesaria la acomodación para ver los objetos
distantes, pues se enfocan en la retina cuando la lente está
aplanada gracias al ligamento suspensorio. Para ver los objetos más
cercanos, el músculo ciliar se contrae y por relajación del
ligamento suspensorio, la lente se redondea de forma progresiva. Un
niño puede ver con claridad a una distancia tan corta como 6,3 cm.
Al aumentar la edad del individuo, las lentes se van endureciendo
poco a poco y la visión cercana disminuye hasta unos límites de unos
15 cm a los 30 años y 40 cm a los 50 años. En los últimos años de
vida, la mayoría de los seres humanos pierden la capacidad de
acomodar sus ojos a las distancias cortas. Esta condición, llamada
presbiopía, se puede corregir utilizando unas lentes convexas
especiales.
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Las
diferencias de tamaño relativo de las estructuras del ojo originan
los defectos de la hipermetropía o presbicia y la miopía o cortedad
de vista.
Debido
a la estructura nerviosa de la retina, los ojos ven con una claridad
mayor sólo en la región de la fóvea. Las células con forma de conos
están conectadas de forma individual con otras fibras nerviosas, de
modo que los estímulos que llegan a cada una de ellas se reproducen
y permiten distinguir los pequeños detalles. Por otro lado, las
células con forma de bastones se conectan en grupo y responden a los
estímulos que alcanzan un área general (es decir, los estímulos
luminosos), pero no tienen capacidad para separar los pequeños
detalles de la imagen visual. La diferente localización y estructura
de estas células conducen a la división del campo visual del ojo en
una pequeña región central de gran agudeza y en las zonas que la
rodean, de menor agudeza y con una gran sensibilidad a la luz. Así,
durante la noche, los objetos confusos se pueden ver por la parte
periférica de la retina cuando son invisibles para la fóvea central.
El
mecanismo de la visión nocturna implica la sensibilización de las
células en forma de bastones gracias a un pigmento, la púrpura
visual o rodopsina, sintetizado en su interior. Para la producción
de este pigmento es necesaria la vitamina A y su deficiencia conduce
a la ceguera nocturna. La rodopsina se blanquea por la acción de la
luz y los bastones deben reconstituirla en la oscuridad, de ahí que
una persona que entra en una habitación oscura procedente del
exterior con luz del sol, no puede ver hasta que el pigmento no
empieza a formarse; cuando los ojos son sensibles a unos niveles
bajos de iluminación, quiere decir que se han adaptado a la
oscuridad.
En la
capa externa de la retina está presente un pigmento marrón o
pardusco que sirve para proteger las células con forma de conos de
la sobre exposición a la luz. Cuando la luz intensa alcanza la
retina, los gránulos de este pigmento emigran a los espacios que
circundan a estas células, revistiéndolas y ocultándolas. De este
modo, los ojos se adaptan a la luz.
Nadie
es consciente de las diferentes zonas en las que se divide su campo
visual. Esto es debido a que los ojos están en constante movimiento
y la retina se excita en una u otra parte, según la atención se
desvía de un objeto a otro. Los movimientos del globo ocular hacia
la derecha, izquierda, arriba, abajo y a los lados se llevan a cabo
por los seis músculos oculares y son muy precisos. Se ha estimado
que los ojos pueden moverse para enfocar en, al menos, cien mil
puntos distintos del campo visual. Los músculos de los dos ojos
funcionan de forma simultánea, por lo que también desempeñan la
importante función de converger su enfoque en un punto para que las
imágenes de ambos coincidan; cuando esta convergencia no existe o es
defectuosa se produce la doble visión. El movimiento ocular y la
fusión de las imágenes también contribuyen en la estimación visual
del tamaño y la distancia.
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Músculos extrínsecos del ojo
Vista lateral del ojo, donde se
puede observar los músculos extrínsecos unidos directamente al
globo ocular que permiten el movimiento del ojo. Los cuatro rectos
están alineados con sus puntos de origen, mientras que los dos
oblicuos se insertan en la superficie ocular formando un ángulo.
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Estructuras protectoras
Diversas estructuras, que no forman parte del globo ocular,
contribuyen en su protección. Las más importantes son los párpados
superior e inferior. Estos son pliegues de piel y tejido glandular
que pueden cerrarse gracias a unos músculos y forman sobre el ojo
una cubierta protectora contra un exceso de luz o una lesión
mecánica. Las pestañas, pelos cortos que crecen en los bordes de los
párpados, actúan como una pantalla para mantener las partículas y
los insectos fuera de los ojos cuando están abiertos. Detrás de los
párpados y adosada al globo ocular se encuentra la conjuntiva, una
membrana protectora fina que se pliega para cubrir la zona de la
esclerótica visible. Cada ojo cuenta también con una glándula o
carúncula lagrimal, situada en su esquina exterior. Estas glándulas
segregan un líquido salino que lubrica la parte delantera del ojo
cuando los párpados están cerrados y limpia su superficie de las
pequeñas partículas de polvo o cualquier otro cuerpo extraño. En
general, el parpadeo en el ojo humano es un acto reflejo que se
produce más o menos cada seis segundos; pero si el polvo alcanza su
superficie y no se elimina por lavado, los párpados se cierran con
más frecuencia y se produce mayor cantidad de lágrimas.
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En
los bordes de los párpados se encuentran las glándulas de Meibomio
que tienen un tamaño pequeño y producen una secreción sebácea que
lubrifica los párpados y las pestañas. Las cejas, localizadas
sobre los ojos, también tienen una función protectora, absorben o
desvían el sudor o la lluvia y evitan que la humedad se introduzca
en ellos. Las cuencas hundidas en el cráneo en las que se asientan
los ojos se llaman órbitas oculares; sus bordes óseos, junto al
hueso frontal y a los pómulos, protegen al globo ocular contra las
lesiones traumáticas producidas por golpes o choques.
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