About the optics of the eye Peter Unsbo Kungliga Tekniska Högskolan Biomedical and x-ray physics Visual Optics
Innehåll Optiska begränsningar i ögat Hur mäter man ögats aberrationer? Hur skriver man vågfrontsrecept? Hur påverkas synen? Aberrationskorrektion? Supersyn?
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
Ögats optiska begränsningar Defokusering Brytningsfel Aberrationer Diffraktion Spridning Korrigerat öga
Ögats optiska begränsningar Defokusering Aberrationer Monokromatiska Kromatiska Diffraktion Spridning Aberrationer Aberrationer
Ögats optiska begränsningar Defokusering Aberrationer Diffraktion Diffraktion Spridning
Ögats optiska begränsningar Defokusering Aberrationer Diffraktion Spridning Spridning (PSF > ) Cornea 0%, ~/λ Lins 0% Iris 5% Retina 5%
Hur ger man ett mått på ögats aberrationer? I Bildplanet (näthinnan) PSF MTF I Pupillplanet Strålarnas avvikelse Vågfrontsaberrationer
Vågfrontsaberrationer Svårt att mäta inne i ögat! Referens Vågfront Vänd på ljuset! Vågfrontssensor Vågfrontsaberration Relälinser
Hartmann-Shack sensorn Matris med mikrolinser Perfekt vågfront CCD detektor
Hartmann-Shack sensorn Matris med mikrolinser Verklig vågfront CCD detektor
Hartmann-Shack sensorn CCD-detektorns bild Vågfrontskarta (höjd i mikrometer) PSF (6mm pupill)
Hartmann-Schack sensorn
Exempel på vågfrontsaberrationer H L J S
Zernikepolynom Uppsättning standardvågfronter Z m n ( ρ, θ ) = N ( ρ n +...) cos( m sin( m θ θ ) ) Radiellt polynom Zernike- polynom Vinkel- funktion
Zernikepolynom Exempel: Z - (Vertikal koma) Z ( ρ, θ ) = 8(ρ ρ) sin( θ ) =
PSF Bild 0 Z0 Vanlig benämning: Medelvärde Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild - Z Zernikepolynom Vanlig benämning: Lutning m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild Z Vanlig benämning: Lutning Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild - Z Vanlig benämning: Astigmatism Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild 0 Z Vanlig benämning: Defokus Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild Z Vanlig benämning: Astigmatism Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild - Z Vanlig benämning: Trefoil Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild - Z Vanlig benämning: Koma Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild Z Vanlig benämning: Koma Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild Z Vanlig benämning: Trefoil Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild - Z Vanlig benämning: Quadrafoil Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
Zernikepolynom Vanlig benämning: Sekundär r astigmatism PSF Bild - Z m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild 0 Z Vanlig benämning: Sfärisk aberration Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
Zernikepolynom Vanlig benämning: Sekundär r astigmatism PSF Bild Z m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
PSF Bild Z Vanlig benämning: Quadrafoil Zernikepolynom m = vinkelfrekvens -6-5 - - - - 0 + + + + +5 +6 6 7 7 8 8 5 5 9 9 6 6 0 0 5 7 8 n = radiell ordning 0 5 6
Zernikekoefficienter = + + + 0 0 0-0.9 + + + 0.99 7.0-0.09 + + + + + 0.050-0.08.096 0.09 0.07 + + + Högre ordningar -0.0-0.057-0.0 + + + + -0.67 0. -0. + + + + -0.09-0.00 0.065
Hur mycket aberrationer brukar man ha? Högre ordnings (HO) RMS = 0 0 0 0.99 7.0-0.09-0.67 + 0. + -0. + -0.9 + 0.050 + -0.08 +.096 + 0.09 + 0.07 + -0.09 + -0.00 + 0.065 + -0.0 + -0.057 + -0.0 +. =. μm m (0.5 μm m vid 6 mm pupill) Normalt HO RMS < 0.5 μm m vid 6 mm pupill
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] 0.85.7-0.6-0.007-0.7-0.0709 0.0660-0.00 0.00 0.97 0.07 0.06 5.798 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
Hur påverkas synen? Visus,0,0,0 Diffraktionsgräns Normal syn Näthinnans begränsning Aberrationer 0,5 6 8 Pupill diameter [mm]
Hur påverkas synen? Hög kontrast
Hur påverkas synen? Hög kontrast mm pupil
Hur påverkas synen? Hög kontrast mm pupil
Hur påverkas synen? Hög kontrast 6 mm pupil
Hur påverkas synen? Hög kontrast 7,7 mm pupil
Hur påverkas synen? Mörkerkörning mm pupil
Hur påverkas synen? Mörkerkörning mm pupil
Hur påverkas synen? Mörkerkörning 6 mm pupil
Hur påverkas synen? Mörkerkörning 7,7 mm pupil
Aberrationskorrektion Vi behöver ett recept påp korrektionen Korrektion Recept = vågfront = zernikekoefficienter! Deformerad vågfront + 0.99 0. + 7.0 + + + -0.09-0. -0.9 + + + + + + -0.67 0.050-0.08.096 0.09 0.07
Adaptiv optik (AO) Deformerbar spegel Aberrationsfri bild av näthinnan
The Rochester Adaptive Optics Ophthalmoscope Med vänligt tillstånd av Austin Roorda
Utan adaptiv optik Med adaptiv optik JW right eye deg eccentricity image wavelength = 550 nm April, 997 0 arc min (8.6 µm) Med vänligt tillstånd av Austin Roorda
Adaptiv optik Coming soon.
Sätt att minska ögats aberrationer Vågfront = Recept Laserkirurgi Korrektion Kontaktlinser Intraokulärlinser (Glasögon) Deformerad vågfront
Okorr. öga (-, -0.75, 0, 6 mm pupill, RMS = 0.5 μm)
Sfärisk korrektion, 6 mm pupill
Sfär +cyl korrektion
Sfär +cyl korrektion
Sf+cyl+sf ab korrektion
Sf+cyl+sf ab korrektion
Sf+cyl+sf ab+trefoil korrektion
Sf+cyl+sf ab+tref+koma korrektion
Sf+cyl+sf ab+tref+koma+sek koma korrektion
Fullständig korrektion
MTF Viss bildkvalitet Objekt Kontrast i bild MTF = 0 MTF Kontrast i objekt
MTF Objekt MTF 0. Ingen aberrationskorrektion Bild 0.0 0 0 0 0 0 50 60 Spatialfrekvens [cykler/grad]
MTF Inga aberrationer Korrektion av endast monokromatiska aberrationer MTF 0. Korrektion av endast kromatisk aberration 0.0 Neural tröskel Ingen aberrationskorrektion x. x. 0 0 0 0 0 50 60 Spatialfrekvens [cykler/grad]
Begränsande faktorer för supersyn Tappavståndet i fovea Kromatisk aberration Spridning Dynamiska förändringar i ögat Ackommodation Förändringar i linsen 0 cykl/grad