auto Frontofokometr

PRZYRZĄDY
OPTOMETRYCZNE [01]
Dr Jacek Pniewski, kod w USOS: 1100-2BO07
Sezon 2015/2016, semestr zimowy, wtorki 13.15-15.00
Kalendarz zajęć
• Październik: 6, 13, 20, 27
• Listopad: 3, 10, 17, 24
• Grudzień: 1, 8, 15, 22
• Styczeń: 12, 19, 26
Razem 15 wykładów
Konsultacje: wtorki, czwartki (wskazany e-mail uprzedzający)
http://optometria.fuw.edu.pl
Warunki zaliczenia przedmiotu
• Założenia: Znajomość zagadnień optyki
geometrycznej i fizjologicznej, umożliwiająca
zrozumienie działania urządzeń omawianych na
wykładzie.
• Efekty uczenia: Student zna budowę i działanie
urządzeń optometrycznych omówionych na
wykładzie.
• Kryteria oceniania: Ocena końcowa zależy od
wyniku uzyskanego na egzaminie końcowym oraz
wykonania zadań zespołowych.
Orientacyjny plan działania
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Wstęp historyczny i fizyczny
„Akcesoria” do podmiotowego pomiaru refrakcji i innych parametrów widzenia: foroptery, kasety okulistyczne
soczewek, rzutniki/wyświetlacze optotypów, stereo testy, testy barwne, skrzyżowane cylindry, okulary
polaryzacyjne, flippery
Skiaskopia statyczna i dynamiczna
Refraktometria (różne konstrukcje, w tym autorefraktometry)
Przyrządy do pomiaru topografii rogówki: keratoskopy (Placido, komercyjne keratoskopy) i keratometry
(Scheiner, konstrukcje Javala-Schiøtza i Bauscha and Lomba, urządzenia typu wavefront detection: obiekty
fazowe, interferometria, detektory Shacka-Hartmanna itp.)
Mikroskopia konfokalna i skaningowa (laserowa)
Gonioskopia bezpośrednia i pośrednia (soczewki gonioskopowe, trójlustro Goldmanna itp.)
Funduskopia (soczewka Koeppego, Goldmanna, Hruby’ego, Volka itp.) i funduskamery
Angiografia fluoresceinowa
Perymetria (kinetyczna i statyczna, progowa i nadprogowa, kampimetria, wzgórze widzenia, test Amslera itp.)
Tonometria (tonometry impresyjne – Schiotza, aplanacyjne – Goldmanna, air-puff, przez powiekowe itp.)
Pachymetria (kontaktowa, bezkontaktowa, OLCR – Optical Low Coherence Reflectometry, USG)
Tomograf OCT i SOCT
Oftalmoskopy (bezpośrednie, pośrednie, wizuskopy, stereoskopowe, konfokalne)
Biomikroskopia, lampa szczelinowa (typu Zeissa i Haagstreita)
Optometry (m.in. Badala, barwne, Scheinera itp.)
Przyrządy do pomiaru okularów (sferomierze, dioptromierze – frontofokometry lunetowe, dioptromierze
elektroniczne, polaryskopy)
Pupilometry
Polaryskopy, polarymetry
TYTUŁEM WSTĘPU
Przedmiot zainteresowania operatora
przyrządów optometrycznych
Uwaga!
• Wbrew pozorom, przyrządy optometryczne nie służą
tylko do pomiaru wady refrakcji samego oka, ale często
też analizują pozostałe „etapy” w procesie widzenia, na
przykład zdolność do akomodacji, czy widzenia
stereoskopowego.
• Badaniu poddawane są nie tylko optyczna funkcja oka,
lecz również stan narządu, na przykład kąt tęczówkoworogówkowy, tarcza nerwu wzrokowego itp.
• Wynik badania nie musi być powtarzalny i zależy od
stanu psychofizycznego osoby badanej oraz warunków
otoczenia.
Badanie zewnętrznej części oka
• Lupa + mikroskop (XIX wiek).
• Biomikroskop + Lampa szczelinowa (początek XX w.)
Lampa szczelinowa, Zeiss Gullstrand, produkcja 1941
Rodenstock Slit Lamp – RO 5000 EH
Dlaczego oczy zwierząt „świecą”?
• Dawniej istniał pogląd, że oczy zwierząt emitują światło,
tym intensywniejsze im bardziej pobudzone jest
zwierzę.
• Pogląd ten został obalony przez Prevosta
(1818), który pokazał, że nie można zobaczyć światła
pochodzącego z oka zwierzęcia, gdy zamkniemy się
z nim w zaciemnionym pokoju.
• W tym samym czasie Gruithuisen odkrył, że
oczy niektórych zwierząt (np. psów i kotów) zawierają
unikalną warstwę za siatkówką, lucidum tapetum, która
odbija światło i jest odpowiedzialna za pozorne
świecenie oczu zwierząt.
Oko ludzkie (źrenica) wydaje się czarne
• Dlaczego źrenica jest czarna – problem, który zwrócił uwagę już
uczonych rzymskich.
• Purkinje (w 1823 r.) zaobserwował, że w pewnych warunkach
oświetlenia ludzkiego oka można zobaczyć odblask. Zjawisko
odkryte niezależnie przez Cumminga (w 1846 r.) i przez Brucke
(w 1847 r.).
• Idea: obserwator musi znajdować się na drodze promieni
padających. Brucke prawie wynalazł oftalmoskop, spoglądając
przez rurkę umieszczoną w płomieniu świecy. Prawie.
• Podejrzewa się, że Purkinje używał jakiegoś urządzenia typu
oftalmoskopu, podobnie Charles Babbage w 1847.
• Procent światła odbijanego przez siatkówkę oka
– to zależy…
Budowa czopków i pręcików
• Pytanie: jak przebiega proces
zamiany energii światła
padającego na impuls nerwowy.
• Na to proste pytanie nie ma
wyczerpującej odpowiedzi.
POWTÓRKA...
Fala elektromagnetyczna
• Zaburzenie rozchodzące się w przestrzeni, w postaci
pola elektromagnetycznego.
• Elektryczna i magnetyczna składowa fali indukują
się wzajemnie. Zmienne pole E indukuje pole H,
a zmienne pole H indukuje pole E.
Widmo fal elektromagnetycznych
Żródło: http://commons.wikimedia.org
Polaryzacja liniowa
• Drgania wektora pola E odbywają się w określonej płaszczyźnie,
w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali.
• Liniowo spolaryzowaną falę płaską rozchodzącą się w kierunku
z można przedstawić jako złożenie (superpozycję) dwóch fal
spolaryzowanych liniowo w kierunkach x i y, przy czym mogą
one być zgodne lub przeciwne w fazie. Kierunek polaryzacji
jest określany przez stosunek amplitud drgań w kierunkach
składowych.
• Światło widzialne spolaryzowane można otrzymać np. poprzez
„wycięcie” jednej ze składowych pola E (pochłanianie wzdłuż
określonego kierunku), poprzez odbicie (kąt Brewstera),
rozpraszanie.
wikipedia.org
Prawo Malusa
• Natężenie światła spolaryzowanego, przepuszczonego
przez polaryzator liniowy zależy od kwadratu kosinusa kąta
pomiędzy płaszczyzną polaryzacji światła padającego
a kierunkiem przepuszczania polaryzatora.
E||  E0 cos
I  I 0 cos 
2
Polaryzacja eliptyczna
• Powstaje przez złożenie dwóch fal spolaryzowanych
liniowo w płaszczyznach prostopadłych do siebie.
Ex  E0 x cost   x 
E y  E0 y cost   y 
wikipedia.org
Światło
spójne
(koherentne)
niespójne

monochromatyczne
polichromatyczne


?



Przykład

?
?

?
Światło
spójne
(koherentne)
niespójne

monochromatyczne
polichromatyczne


Laser



Przykład

X
Lampa gazowa

Żarówka
Dwójłomność (naturalna)
•
Zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (także
rozdwojenia promienia świetlnego).
•
Zjawisko dwójłomności odkrył w 1669 roku Rasmus Bartholin a wyjaśnił
Augustin J. Fresnel w pierwszej połowie XIX w wieku. Dwójłomność wykazuje
wiele substancji krystalicznych, a także wszystkie ciekłe kryształy. Przykładami
substancji dwójłomnych mogą być kryształy rutylu i kalcytu.
•
Miarą dwójłomności jest różnica między współczynnikiem załamania promienia
nadzwyczajnego ne, a współczynnikiem załamania promienia zwyczajnego no.
n  ne  n0
wikipedia.org
Dwójłomność
•
Zjawisko to wynika z faktu, że substancja
jest anizotropowa, co oznacza, że
współczynniki przenikalności elektrycznej ε
i wynikająca z niego prędkość światła, a co
za tym idzie współczynnik załamania
światła, w krysztale zależą od kierunku
drgań pola elektrycznego fali
elektromagnetycznej (polaryzacji fali).
•
W krysztale takim istnieje oś optyczna. Jest
to kierunek, w którym biegnące światło
nie rozdziela się na dwa promienie,
ponieważ prędkość światła poruszającego
się w tym kierunku nie zależy od kierunku
polaryzacji. Kierunek tej osi nie zależy od
kształtu kryształu. Istnieją kryształy jednoi dwuosiowe.
wikipedia.org
Półfalówka
•
Przepuszcza całe padające na nią światło zmieniając tylko stan jego polaryzacji.
•
Nie polaryzuje światła niespolaryzowanego.
•
Światło spolaryzowane liniowo zamienia na światło spolaryzowane liniowo w
kierunku, który jest odbiciem polaryzacji światła padającego względem jednej z osi
(szybkiej).
•
Zmienia światło spolaryzowane kołowo prawoskrętnie na światło spolaryzowane
kołowo lewoskrętnie i odwrotnie.
s  d  ne  n0   dn
wikipedia.org
Ćwierćfalówka
• Przepuszcza całe padające na nią światło i zmienia tylko stan jego
polaryzacji.
• Nie polaryzuje światła niespolaryzowanego.
• Światło spolaryzowane liniowo zamienia na światło spolaryzowane
eliptycznie zależnie od kąta polaryzacji względem osi szybkiej płytki i tak
w szczególności:
– gdy oś płytki (szybka lub wolna) pokrywa się z kierunkiem polaryzacji światła, nie
zmienia polaryzacji,
– gdy płaszczyzna polaryzacji światła tworzy kąt 45° z osią płytki, to światło
zmienia polaryzację na kołową,
• zmienia światło spolaryzowane kołowo na światło spolaryzowane
liniowo.
http://www.olympusmicro.com
Pryzmat Nicola
•
Pryzmat polaryzujący utworzony z romboedrycznego kryształu szpatu islandzkiego
(kalcyt CaCO3), odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na dwie części i
sklejonego balsamem kanadyjskim.
•
Oś optyczna (na schemacie odcinek OP) jest równoległa do powierzchni na którą
pada promień. Promień światła po wejściu do kryształu, rozszczepia się więc na
dwa promienie spolaryzowane w kierunkach wzajemnie prostopadłych: zwyczajny.
•
Współczynnik załamania balsamu kanadyjskiego wynosi nbk = 1,550, ma wartość
pośrednia między współczynnikiem załamania dla promienia zwyczajnego no =
1,658 i dla nadzwyczajnego ne = 1,486. Balsam jest więc dla promienia zwyczajnego
optycznie rzadszy, a dla nadzwyczajnego gęstszy. Kąt przecięcia pryzmatu jest tak
dobrany, aby kąt padania A na powierzchnię balsamu, był dla promienia
zwyczajnego większy od kąta granicznego całkowitego wewnętrznego odbicia.
wikipedia.org
Położenie płaszczyzn głównych układu
• Położenie płaszczyzn głównych całego układu jest wyznaczone
przezxH   xF   f  xH  xF  f
• Z rysunku i wcześniejszych wyliczeń
 d

f1f 2  f 2   
d 

  f 1   sF  f 1  
  f1 
f1 
f2 


df 
df
sH   sF   f   
sH 
f1
f2
sF   f 2  xF   
Przysłona aperturowa
Przysłona aperturowa
Promień aperturowy
Kąt aperturowy
Przysłona polowa
•
Pole widzenia układu optycznego zależy od przysłony polowej.
•
Promień polowy przechodzi przez przedmiot i środek przesłony aperturowej.
Przysłona polowa
Promień polowy
Pole widzenia
Kąt polowy
Winietowanie
• Dla dużej źrenicy wejściowej apertura dla przedmiotów
punktowych poza osią układu zmniejsza się.
• Pęk promieni traci symetrię.
• Efektywne pole widzenia odpowiada zwykle winietowaniu
nie większemu niż 50%.
AKCESORIA
Kaseta okulistyczna soczewek
Przykładowa zawartość wg normy PN-EN ISO 9801
Element
Oznaczenie
Kolor
Soczewki sferyczne i cylindryczne dodatnie
+
czarny
Soczewki sferyczne i cylindryczne ujemne
−
czerwony
Szkła pryzmatyczne
Δ
biały
Cylinder Maddoxa
MR
Szczelina stenopeiczna
I lub SS
Pinhola (okluder)
 lub PH
Zasłona
 lub BL
Soczewka matowa
Krzyż
Filtr czerwony/zielony
Filtr polaryzacyjny
FL
 Lub CL
RF, GF
PF
Gotowe zestawy
Oprawa próbna
• Oprawa powinna być dobrze umocowana na głowie
osoby badanej.
• Niezbędna jest regulacja długości zauszników,
pozycji nanośnika oraz rozstawu szkieł.
• Konieczna jest możliwość
wstawienia minimum trzech szkieł
próbnych, z regulowanym obrotem.
Foropter
Urządzenie, które wraz z rzutnikiem optotypów
zastępuje (choć nie całkowicie) przyrządy:
• tablicę optotypów;
• kasetę okulistyczną;
• oprawę do szkieł próbnych;
• pupilomierz.
Przykład – NIDEK, mod. RT-5100
Przykład – NIDEK, mod. RT-5100
Measurable range
Sphere
Cylinder
Axis
PD
Rotary prism
Auxiliary lenses
Cross cylinder lens
Occluder
Pinhole plate
Red maddox rod
Red / Green filter
PD check lens
Polarizing filters
Fixed cross cylinder lens
Spherical lenses for retinoscope
Dispersion prism
Visual field
-29.00 to +26.75 D (0.12 / 0.25 / 0.50 to 3.00 D increments)
-19.00 to +16.75 D (cross cylinder test, prism test)
0.00 to ±8.75 D (0.25 / 1.00 / 2.00 / 3.00 D increments)
0 to 180º (1 / 5 / 15º increments)
48 to 80 mm (far mode)
50 to 74 mm (near working distance of 35 cm)
54 to 80 mm (far PD possible for 100% convergence)
0 to 20Δ (0.1 / 0.5 / 2Δ increments)
±0.25, ±0.50, ±0.25 D Auto-cross
ø2 mm
Right eye: horizontal, Left eye: vertical
Right eye: red, Left eye: green
Right eye: 135º / Left eye: 45º, Right eye: 45º / Left eye: 135º
±0.50 D (fixed with the Axis set at 90º)
+1.5 D / +2.0 D
Right eye: 6ΔBU / Left eye: 10ΔBI, Right eye: 3ΔBD / Left eye: 3ΔBU
40º (VD = 12 mm), 39º (VD = 13.75 mm)
Przykład, Huvitz HDR-7000
Rzutniki/wyświetlacze optotypów
W połączeniu z foropterem oraz okularami
polaryzacyjnym i służą m.in. do określania i korekcji
ostrości wzroku, a także widzenia obuocznego
(forie i tropie, fiksacje)
Przykład, Huvitz CCP-3100
Kontrast – próba definicji
• Różnica własności wizualnych obiektu w stosunku
do innych elementów obrazu, umożliwiająca
odróżnienie go od innych obiektów oraz od tła.
• Określana zwykle poprzez kolor i jasność.
• Wzrok jest bardziej czuły na różnicę jasności niż na
jasność bezwzględną, dzięki czemu świat jest
„podobny” niezależnie od natężenia oświetlenia.
• Istnieją różne definicje kontrastu, które można
stosować do różnych obrazów.
Miara kontrastu
• Kontrast Webera
I  Ib
V
Ib
• Kontrast Michelsona
I max  I min
V
I max  I min
• Błąd średniokwadratowy
1 N 1 M 1
2
I ij  I 
V


MN i 0 j 0
Funkcja czułości na kontrast
Funkcja czułości na kontrast
Ocena czułości na kontrast
B. Drum, D. Calogero and E. Rorer,
Assessment of visual performance
in the evaluation of new medical
products, Drug Discovery Today:
Technologies 4(2), 2007.
FACT
Modulation Transfer Function
Funkcja przenoszenia kontrastu
http://www.imatest.com
C f  
I max  I min
C f 
; MTF  f   100 % 
I max  I min
C 0
http://www.microscopyu.com
Point Spread Function
• Funkcja rozmycia punktu
• Obrazuje jakość
odwzorowania układu
optycznego.
• Dla układu bezaberracyjnego
większa źrenica umożliwia
poprawienie zdolności
rozdzielczej.
Funkcja rozmycia punktu układu
ludzkiego oka w funkcji średnicy
źrenicy.
MTF a PSF
• Funkcja rozmycia punktu determinuje zakres częstości
optycznych, które może przenosić układ optyczny („gęstość”
modulacji).
• Im szersza funkcja rozmycia punktu, tym szybciej maksima
modulacji nakładają się na siebie.
• Wpływa to bezpośrednio na zdolność rozdzielczą układu
optycznego.
http://www.microscopyu.com