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OPTICA adaptativa en Astronomía y Visión lo.um.es [email protected] Las Fronteras de la Física Benasque, Julio 2004 Pablo Artal · LABORATORIO DE OPTICA UNIVERSIDAD DE MURCIA Murcia ÓPTICA (Fotónica) ÓPTICA (Fotónica) - Aplicación de la Física en (casi) todas las demas ciencias y la tecnología - Optica ultra-rápida/ultra-intensa - Experimentos en óptica cuántica - Imágenes bio - Micromanipulación - Cristales fotónicos - y mucho más… - Proporciona las herramientas necesarias para entender fenómenos físicos en la frontera ¿Que es la Óptica Adaptativa? ¡Tecnología para corregir las aberraciones ópticas y obtener “mejores” imágenes! - Optica adaptativa Sistema óptico “perfecto” (sin aberraciones) Sistema óptico REAL (con aberraciones) 1 Óptica Adaptativa ABERRACION DE ONDA frente de onda real Arquimedes de Siracusa frente de onda “perfecto” (esfera) De las aplicaciones militares... Óptica Adaptativa ESO_ 4 telescopios de 8 m en Chile a astronómicas... Óptica Adaptativa “Camberra Times”, Australia …y a las aplicaciones en el ojo. La resolución de los grandes telescopios está limitada por la atmósfera... Posibles soluciones: Hubble space telescope (HST) límite de difracción en un telescopio de 10 m (~λ/D): ~ 0.01 arcsec en el “mejor cielo posible”: ~ 0.5 arcsec Gamma Perseus (binaria 0.2 arcsec) Telescopios espaciales NAOS (Chile) Óptica adaptativa 2 How does adaptive optics help? Measure details of blurring from “guide star” near the object you want to observe Calculate (on a computer) the shape to apply to deformable mirror to correct blurring Light from both guide star and astronomical object is reflected from deformable mirror; distortions are removed Adaptive optics increases peak intensity of a point source Schematic of adaptive optics system Lick Observatory No AO No AO With AO Intensity With AO How to measure turbulent distortions (one method among many) Theoretical principle: f’ wavefront microlenses CCD The displacements of the spots produced by a microlens array are proportional to the wave-front local slopes (derivative) Feedback loop: next cycle corrects the (small) errors of the last cycle Keck AO system performance on bright stars is spectacular! A 9th magnitude star Imaged H band (1.6 µm) WA estimation: Fitting the WA derivative to obtain the coefficients of an expansion (Zernike or Taylor polynomials) Hartmann-Shack wavefront sensor Without AO FWHM 0.34 arc sec Strehl = 0.6% With AO FWHM 0.039 arc sec Strehl = 34% 3 Neptune in infra-red light (1.65 microns) With Keck adaptive optics 2.3 arc sec Without adaptive optics European Southern Observatory: 4 8-m Telescopes in Chile May 24, 1999 June 27, 1999 NAOS - the AO system for the Very Large Telescope in Chile VLT NAOS AO first light Cluster NGC 3603: IR AO on 8m ground-based telescope achieves same resolution as HST at 1/3 the wavelength Hubble Space Telescope WFPC2, λ = 800 nm Gran Telescopio Canarias NAOS AO on VLT λ = 2.3 microns Telescopios “gigantes” (>30 metros) Mayores telescopios actuales (10 m) λ/D ~ 0.02 arcsec (1 µm) con OA Telescopios en planificación (30-100 m) λ/D ~ 0.007 arcsec (1 µm) (30 m) con OA California Extremely Large Telescope (CELT) 30 m 4 Óptica Adaptativa en el ojo lo⋅um 1994-2004: 10 years of research http://lo.um.es Sistema visual Sistema visual Retina Óptica del ojo Cortex escena imagen retiniana Agudeza visual Resolución del sistema visual (Agudeza visual): inverso del ángulo subtendido por el detalle más pequeño discernido ángulo visual (a) a=arctan (s/d) gato ~ 0.1 mosca 0.01 lince luna ~ 30´ hombre ~ 1 trazo de letra ~ 1´ + águila ~ 2.5 5 Óptica del ojo: Óptica del ojo: no es perfecta: Óptica del ojo: no es perfecta: Óptica del ojo: no es perfecta: Además de desenfoque y astigmatismo… Además de desenfoque y astigmatismo… Óptica del ojo: no es perfecta: Aberraciones del ojo 1800 1900 Aberraciones: límite físico a la visión! 1950 1990 (un poco de historia) Helmholtz “...si un fabricante tratara de venderme un aparato de óptica con una calidad tan mala como la del ojo, lo rechazaría directamente y le reprendería por su poco cuidado” 6 Aberraciones del ojo 1800 (un poco de historia) Helmholtz 1900 Gullstrand (1911) Aberraciones del ojo 1800 (un poco de historia) Helmholtz 1900 Gullstrand (1911) medida de aberraciones Ames and Proctor (1921) 1950 1950 Arnulf et al.; Ivanoff; Koomen et al. (40’s) Smirnov (1961) 1990 1990 ABERRACION DE ONDA n aberración de onda Óptica Adaptativa! Zernike polynomials R m ( ρ ) cos(mθ ) si m ≥ 0 m n Z n ( ρ ,θ ) = Rnm ( ρ ) sin( mθ ) si m < 0 0 frente de onda real 1 m Rn ( ρ ) : polynomial with degree ≤ n 2 3 4 frente de onda “perfecto” (esfera) De las aberraciones a las imágenes retinianas... = 5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 m How to measure ocular aberrations? 7 Hartmann-Shack (H-S) wave-front sensor Aberrations from Double-Pass images (Santamaría et al., J.Opt.Soc.Am.A.,1987; Artal, et al. J.Opt.Soc.Am.A.,1988) Theoretical principle: wave aberration f’ wavefront microlenses CCD The displacements of the spots produced by a microlens array are proportional to the wave-front local slopes (derivative) WA estimation: Fitting the WA derivative to obtain the coefficients of an expansion (Zernike or Taylor polynomials) double-pass retinal images University of Murcia-high dynamic range Hartmann-Shack wave-front sensor How are the aberrations in normal eyes? OCULAR WAVE-FRONT It depends on different factors... • Intersubject variability • Pupil size • Accommodation • Eye torsions • Retinal eccentricity • Age... ? Inter-subject variability (Castejón-Mochón et al., Vision Res., 2002) RMS:0.10 µm RMS:0.25 µm RMS:0.22 µm RMS:0.40 µm 8 Effect of pupil diameter on the WA OCULAR wave-aberration 7 mm 0.3 microns 0.2 0.1 7 mm 5.8 mm 0.0 -0.1 -0.2 4.6 mm -0.3 5 6 7 8 9 3 mm 10 11 12 13 14 15 Zernike terms wave-aberration (-defocus) 5.5 mm pupil subject SM (26 years old) retinal image (PSF) Aberrations increases with retinal eccentricity 15º (Guirao and Artal, Vision Res.,1999) 30º PA FV AN NN Mean 0,16 |Zernike Coefficient| Aberrations change with accommodation 0,14 0,12 0,1 45º 0,08 0 15 30 45 Degrees 60 Aberrations increase with age (Artal et al., JOSAA, 1993; Guirao, González, Redondo, Geraghty, Norrby & Artal, IOVS, 1999) young old Aberrations in (some) pathological eyes 9 Aberrations in normal versus pathological eyes Penetratingkeratoconus Keratoplasty (PK) normal Location (sources) of ocular aberrations (Artal, Guirao, Berrio & Williams, Journal of Vision, 1, 2001) (0.14 µm) (0.99 µm) (0.89 µm) How to estimate aberrations of the eye the lens aberrations in vivo? aberrations of the lens aberrations of the cornea lens = eye - cornea lens = eye - cornea (Artal and Guirao, Opt.Lett., 1998; Artal et al., JOV,2001) (Artal and Guirao, Opt.Lett., 1998; Artal et al., JOV,2001) = ? = = ? = 10 Estimating ocular aberrations lens = eye - cornea (Artal and Guirao, Opt.Lett., 1998; Artal et al., JOV,2001) ? = - = - (Prieto, Vargas, Goelz & Artal, J.Opt.Soc.Am.A.,2000) Hartmann-Shack wave-front sensor (University of Murcia-high dynamic & real-time sensor) Estimating corneal aberrations Estimating corneal aberrations (Guirao & Artal, J.Opt.Soc.Am.A., 17, 2000) (Guirao & Artal, J.Opt.Soc.Am.A., 17, 2000) c nm Z corneal elevations (z) at a sample of points over the pupil n ρ r r z (r ,θ ) = θ L ∑ ∑ anm Z nm (r ,θ ) (lens _ cm c"m n n OCULAR wave-aberration )!! CORNEAL wave-aberration _ both centered with respect to the geometric center of the pupil c nm n' d' Figure 1 X s' Z W (r ,θ ) = n n =0 m= −n = z X θ ...fitted to a Zernike polynomials expansion INTERNAL wave-aberration CORNEAL wave aberration Y z Y m m c'm n = c"n −cn W = n z + n’ d’ - n’ s’ z(r,θ) L n ∑ ∑ cnm Z nm (r ,θ ) n =0 m =−n The lens (partially) compensates for the corneal aberrations in young subjects (Artal, Guirao, Berrio & Williams, Journal of Vision, 1, 2001) 11 anterior cornea ) internal surfaces complete eye microns (lens 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 cornea lens 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Zernike terms of the lens in older subjects (Artal, Guirao, Berrio & Piers, J.Opt.Soc.Am.A., 19, 137, 2002) Aberration increases with age! eye 1.0 microns Aberrations 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Age Aging disrupts the aberration balance! cornea eye microns 1.0 Aging disrupt this aberration balance, explaining the degradation of ocular optics (Artal, Guirao, Berrio & Piers, J.Opt.Soc.Am.A., 19, 2002) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Age 12 Corrección de las aberraciones Corrección de las aberraciones del ojo (algo más de historia...) del ojo (algo más de historia...) sXIII desenfoque sXIII desenfoque 1800 1800 astigmatismo (Young) 1960 1960 1990 1990 200? 200? Corrección de las aberraciones Corrección de las aberraciones del ojo (algo más de historia...) del ojo (algo más de historia...) sXIII desenfoque sXIII desenfoque 1800 astigmatismo (Young) 1800 astigmatismo (Young) aberraciones de alto orden 1960 propuesta (Smirnov) 1960 ? 1990 1990 OA: primeras demostraciones 200? 200? OA: realizaciones prácticas Óptica Adaptativa en el ojo corrector Ojo sin aberraciones Ojo aberrado + + = = wave-front generator real-time wave-front sensor 13 Test or retinal imaging ~ 8000 € membrane mirror deformable mirror H-S sensor IR diode laser H-S sensor ~ 2500 € LO·UM closed-loop real-time (25 Hz) AO for the human eye (Fernández, Iglesias & Artal, Optics Letters, 2001) Corrector device: 37 channels membrane deformable mirror (MDM) from OKO 23 24 25 26 22 11 12 13 27 21 10 3 4 14 28 20 9 2 1 5 15 29 37 8 7 6 16 30 36 19 18 17 31 35 34 33 32 Low-cost key components! Mirror control procedure . . . . Influence Functions Matrix (IFM) desired voltages of (SVD) mirror surface actuators V1 V2 V3 V4 V5 V6 Static correction in an artificial eye (Zhu et al., App. Opt.,1999) Closed-loop AO in artificial turbulence (Patterson et al., Opt.Exp.,2000) Closed-loop astronomical AO (Dayton et al. Opt.Comm,2000) Wave-front generator 37 channels membrane deformable mirror from OKO (Holland) 1.5 0.4 (µm) [ IFM ]−1 x = Closed-loop correction in subject PA 0 -1.5 1.5 0 -0.6 (µm) AO OFF-ON -1.5 14 Closed-loop aberration correction in subject PA Microns Closed-loop correction in a younger eye (subject ES; 4.3 mm pupil) (SLM) LO·UM_AO 0.5 0.4 0.3 RMS 0.2 0.1 0 -0.1 0 1 2 3 4 5 Time (sec.) -0.2 -0.3 (5.5-mm pupil) Best theoretical correction: RMS = 0.08 µm 6 ABERRATIONS GENERATION SLM coma generation range OKO mirror coma generation range Measured coma C(3,1) LC-SLM 6 5.5 mm pupil 4 2 C(3,1) Ideal 0 -2 -4 -6 -6 -4 -2 0 2 Induced coma C(3,1) 4 6 microns AO OFF-ON C3,-1 = 1µm C3,-1 = 3.25µm imagen retiniana 15 Aplicaciones de la Óptica Adaptativa en en ojo: - mejorar la visión - imágenes de la retina - simular la visión A. Roorda and D.R. Williams, Nature, 397, 520-522, 1999 (Courtesy Austin Roorda & David Williams) (Cortesía de David Williams) LO·UM_AO_Scanning laser ophthalmoscope LO·UM AO-SLO MDM Fa st sc a nne r LD Pinhole PMT Angular scan HS Slow sc a nne r 16 Results from University of Houston AO_SLO Results from University of Houston AO_SLO (Courtesy Austin Roorda) (Courtesy Austin Roorda) AO-UH OCT system LO·UM-University of Vienna (2004) Aplicaciones de la Óptica Adaptativa en en ojo: - mejorar la visión - imágenes de la retina - simular la visión LO·UM-University of Vienna (2004) 17 El beneficio visual de la corrección es quizás modesto en ojos normales... Imágenes retinianas (en ojos normales) SIN CORRECCION CON CORRECCION (0.14 µm) … pero puede ser muy importante en ojos con altos niveles de aberración queratocono (0.99 µm) Imágenes retinianas (en ojo con cornea transplantada*) CON CORRECCION SIN CORRECCION (parcial) … pero puede ser muy importante en ojos con altos niveles de aberración tras transplante de cornea (0.89 µm) ¿Es posible la corrección “práctica” de aberraciones? ¿Con... lentes de contacto? ¿Con... lentes intraoculares? ¿Con... cirugía refractiva? 1º 18 aberraciones del ojo aberraciones del ojo forma de la cornea forma de la cornea Lente “customizada” ojo + lente sin aberraciones perfil de aberration Superficie posterior aberración total Z z Y ρ r θ X ¿Es posible la corrección “práctica” de aberraciones? ¿Con... lentes de contacto? ¿Con... lentes intraoculares? ¿Con... cirugía refractiva? 19 IOL with good optical quality eye cornea IOL matching the cornea eye ¿Es posible la corrección “práctica” de aberraciones? ¿Con... lentes de contacto? ¿Con... lentes intraoculares? ¿Con... cirugía refractiva? Spectra of Zernike modes with and without paralyzed accommodation for 4.7 mm pupil ? control del perfil de ablation Limits of Ocular aberrations are static dynamic!! corrections! Even if perfect STATIC corrections were possible... they will be limited by... 20 Aberrations change with gaze Aberrations change over time (eye torsion) (Hofer, Artal, Singer, Aragón & Williams, J.Opt.Soc.Am.A. 2001) 0.2 no torsion torsion 2 Hz 0.12 D !! Aberrations increase with age (Artal et al., JOSAA, 1993; Guirao, González, Redondo, Geraghty, Norrby & Artal, IOVS, 1999) young old Real-time aberration correction Spectra of Zernike modes with and without paralyzed accommodation for 4.7 mm pupiloptics) (Adaptive • electro-optical AO spectacles? wave-front sensor wave-front corrector microns 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 4 6 8 10 Zernike term 12 14 Aberrations change subject SM with accommodation (26 years old) wave-aberration (-defocus) 5.5 mm pupil retinal image (PSF) Practical implementations??? Spectra of Zernike modes with and without paralyzed • Automaticaccommodation correction for of 4.7 defocus mm pupil Example of LO·UM prototype of automatic-focus corrector for presbyopia Liquid crystal lens DISTANCE CHANGE FOCUS 21 Limits of adaptive corrections!! additional limits to vision... Even if perfect ADAPTIVE corrections were possible... they will be limited by... Chromatic aberration Intraocular scattering from aberrations (HS) wave-aberration (5 mm) from double-pass (OQAS) pre-cataract eye!!! Retinal and neural limits CSF 20/20 aberration corrected aliasing (under-sampling) normal white-light PSF 20/10 spatial frequency monochromatic PSF white-light PSF 60 c/deg = frec. Nyquist 22 Even if possible... would you really need an ideal "perfect“ correction? Some possible beneficial effects for vision of aberrations: • Driving accommodation... • Avoiding aliasing artifacts • Color vision may need aberrations... WARNING Visual performance may take advantage of aberrations! ...good VISION may require a residual normal level of ocular aberrations. • The visual system may be adapted to the own eye’s aberration pattern... Aplicaciones de la Óptica Adaptativa en en ojo: - mejorar la visión - imágenes de la retina - simular la visión LO·UM_OA_simulador visual 23 SIMULADOR VISUAL de Óptica Adatativa Diseño/testeo interactivo de nuevos sistemas en Óptica Oftálmica. SIMULADOR VISUAL Spectra of Zernike modes with and without paralyzed accommodation for 4.7 mm pupil de Óptica Adatativa Predecir/medir la visión SIMULADOR VISUAL Spectra of Zernike modes with and without paralyzed accommodation for 4.7 mm pupil de Óptica Adatativa Predecir/medir la visión ¿Cual es el futuro de la Óptica Adaptativa en aplicaciones oftálmicas? OA-forópteros del siglo XXI • Nuevos oftalmoscopios de alta resolución... • Detección precoz de enfermedades de la retina • Micro-cirugía de alta precisión • Seguimiento de nuevas terapias • Mejora de la cirugía refractiva... • Nuevas lentes de contacto, intraoculares… • “Gafas” opto-electrónicas para presbicia o casos especiales… • Forópteros de OA … y más! 24 [email protected] lo⋅um 1994-2004: 10 years of research http://lo.um.es 25