Pablo Artal

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