About the optics of the eye

Transkript

1 About the optics of the eye Peter Unsbo Kungliga Tekniska Högskolan Biomedical and x-ray physics Visual Optics

2 Innehåll Optiska begränsningar i ögat Hur mäter man ögats aberrationer? Hur skriver man vågfrontsrecept? Hur påverkas synen? Aberrationskorrektion? Supersyn?

3 Synprocessen A Objekt. Avbildning Ögats optik ger en bild av det man tittar på på näthinnan. Perfekt öga A Bild. Sampling Näthinnans receptorer läser av bilden och skickar informationen till hjärnan.. Perception Informationen bearbetas i syncentrum i hjärnan

4 Ögats optiska begränsningar Defokusering Brytningsfel Aberrationer Diffraktion Spridning Korrigerat öga

5 Ögats optiska begränsningar Defokusering Aberrationer Monokromatiska Kromatiska Diffraktion Spridning Aberrationer Aberrationer

6 Ögats optiska begränsningar Defokusering Aberrationer Diffraktion Diffraktion Spridning

7 Ögats optiska begränsningar Defokusering Aberrationer Diffraktion Spridning Spridning (PSF > ) Cornea 0%, ~/λ Lins 0% Iris 5% Retina 5%

8 Hur ger man ett mått på ögats aberrationer? I Bildplanet (näthinnan) PSF MTF I Pupillplanet Strålarnas avvikelse Vågfrontsaberrationer

9 Vågfrontsaberrationer Svårt att mäta inne i ögat! Referens Vågfront Vänd på ljuset! Vågfrontssensor Vågfrontsaberration Relälinser

10 Hartmann-Shack sensorn Matris med mikrolinser Perfekt vågfront CCD detektor

11 Hartmann-Shack sensorn Matris med mikrolinser Verklig vågfront CCD detektor

12 Hartmann-Shack sensorn CCD-detektorns bild Vågfrontskarta (höjd i mikrometer) PSF (6mm pupill)

13 Hartmann-Schack sensorn

14 Exempel på vågfrontsaberrationer H L J S

15 Zernikepolynom Uppsättning standardvågfronter Z m n ( ρ, θ ) = N ( ρ n +...) cos( m sin( m θ θ ) ) Radiellt polynom Zernike- polynom Vinkel- funktion

16 Zernikepolynom Exempel: Z - (Vertikal koma) Z ( ρ, θ ) = 8(ρ ρ) sin( θ ) =

17 PSF Bild 0 Z0 Vanlig benämning: Medelvärde Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

18 PSF Bild - Z Zernikepolynom Vanlig benämning: Lutning m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

19 PSF Bild Z Vanlig benämning: Lutning Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

20 PSF Bild - Z Vanlig benämning: Astigmatism Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

21 PSF Bild 0 Z Vanlig benämning: Defokus Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

22 PSF Bild Z Vanlig benämning: Astigmatism Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

23 PSF Bild - Z Vanlig benämning: Trefoil Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

24 PSF Bild - Z Vanlig benämning: Koma Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

25 PSF Bild Z Vanlig benämning: Koma Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

26 PSF Bild Z Vanlig benämning: Trefoil Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

27 PSF Bild - Z Vanlig benämning: Quadrafoil Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

28 Zernikepolynom Vanlig benämning: Sekundär r astigmatism PSF Bild - Z m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

29 PSF Bild 0 Z Vanlig benämning: Sfärisk aberration Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

30 Zernikepolynom Vanlig benämning: Sekundär r astigmatism PSF Bild Z m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

31 PSF Bild Z Vanlig benämning: Quadrafoil Zernikepolynom m = vinkelfrekvens n = radiell ordning 0 5 6

32 Zernikekoefficienter = Högre ordningar

33 Hur mycket aberrationer brukar man ha? Högre ordnings (HO) RMS = =. μm m (0.5 μm m vid 6 mm pupill) Normalt HO RMS < 0.5 μm m vid 6 mm pupill

34 Vågfrontsrecept Mode Z 0 Z Z Z Z Z Z Z Z 0 Z Z Z Analysdiameter Total RMS Högre ordn. RMS :e ordn. RMS :e ordn. RMS Coeff [μm] mm.57 μm 0.6 μm 0.60 μm 0.0 μm Benämning Astigm. 5 /5 Defokus Astigm. 0 /90 Vertikal trefoil Vertikal koma Horisontell koma Sned trefoil Quadrafoil Sekundär astigm Sfärisk aberration Sekundär astigm Quadrafoil

35 Hur påverkas synen? Visus,0,0,0 Diffraktionsgräns Normal syn Näthinnans begränsning Aberrationer 0,5 6 8 Pupill diameter [mm]

36 Hur påverkas synen? Hög kontrast

37 Hur påverkas synen? Hög kontrast mm pupil

38 Hur påverkas synen? Hög kontrast mm pupil

39 Hur påverkas synen? Hög kontrast 6 mm pupil

40 Hur påverkas synen? Hög kontrast 7,7 mm pupil

41 Hur påverkas synen? Mörkerkörning mm pupil

42 Hur påverkas synen? Mörkerkörning mm pupil

43 Hur påverkas synen? Mörkerkörning 6 mm pupil

44 Hur påverkas synen? Mörkerkörning 7,7 mm pupil

45 Aberrationskorrektion Vi behöver ett recept påp korrektionen Korrektion Recept = vågfront = zernikekoefficienter! Deformerad vågfront

46 Adaptiv optik (AO) Deformerbar spegel Aberrationsfri bild av näthinnan

47 The Rochester Adaptive Optics Ophthalmoscope Med vänligt tillstånd av Austin Roorda

48 Utan adaptiv optik Med adaptiv optik JW right eye deg eccentricity image wavelength = 550 nm April, arc min (8.6 µm) Med vänligt tillstånd av Austin Roorda

49 Adaptiv optik Coming soon.

50 Sätt att minska ögats aberrationer Vågfront = Recept Laserkirurgi Korrektion Kontaktlinser Intraokulärlinser (Glasögon) Deformerad vågfront

51 Okorr. öga (-, -0.75, 0, 6 mm pupill, RMS = 0.5 μm)

52 Sfärisk korrektion, 6 mm pupill

53 Sfär +cyl korrektion

54 Sfär +cyl korrektion

55 Sf+cyl+sf ab korrektion

56 Sf+cyl+sf ab korrektion

57 Sf+cyl+sf ab+trefoil korrektion

58 Sf+cyl+sf ab+tref+koma korrektion

59 Sf+cyl+sf ab+tref+koma+sek koma korrektion

60 Fullständig korrektion

61 MTF Viss bildkvalitet Objekt Kontrast i bild MTF = 0 MTF Kontrast i objekt

62 MTF Objekt MTF 0. Ingen aberrationskorrektion Bild Spatialfrekvens [cykler/grad]

63 MTF Inga aberrationer Korrektion av endast monokromatiska aberrationer MTF 0. Korrektion av endast kromatisk aberration 0.0 Neural tröskel Ingen aberrationskorrektion x. x Spatialfrekvens [cykler/grad]

64 Begränsande faktorer för supersyn Tappavståndet i fovea Kromatisk aberration Spridning Dynamiska förändringar i ögat Ackommodation Förändringar i linsen 0 cykl/grad