ES2265225B1 - DEVICE AND METHOD FOR DIFFUSION MEASUREMENT (SCATTERING) IN OPTICAL SYSTEMS. - Google Patents
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Abstract
Polarímetro de imagen para determinar cuantitativamente el nivel de scattering en cualquier sistema óptico, en particular en el ojo humano. El instrumento utiliza como núcleo un sistema oftalmoscópico de doble paso que incorpora una unidad analizadora de estados de polarización compuesta por una lámina retardadora rotatoria y un polarizador lineal. Manteniendo fija la polarización en el brazo de entrada, para cada una de las orientaciones independientes del eje rápido de la lámina retardadora, la cámara o detector de intensidad registra una imagen del plano de la retina. A partir de dichas imágenes se calcula el vector de Stokes de la luz que emerge del ojo y con éste el grado de polarización, parámetro directamente relacionado con el scattering.Image polarimeter to quantitatively determine the level of scattering in any optical system, particularly in the human eye. The instrument uses as its core a double-pass ophthalmoscopic system that incorporates a polarization state analyzer unit composed of a rotating retarder sheet and a linear polarizer. Keeping the polarization fixed on the input arm, for each of the independent orientations of the fast axis of the retarder sheet, the camera or intensity detector records an image of the plane of the retina. From these images, the Stokes vector of the light emerging from the eye is calculated and with it the degree of polarization, a parameter directly related to scattering.
Description
Dispositivo y método para medida de difusión (scattering) en sistemas ópticos.Device and method for diffusion measurement ( scattering ) in optical systems.
La invención que aquí se describe se encuadra dentro del campo de la Óptica Visual y la Oftalmología. En este campo las aplicaciones más importantes van orientadas a estudios sobre el envejecimiento del sistema visual y a la detección precoz de cataratas, así como a la mejora del diagnóstico del glaucoma y al seguimiento de pacientes sometidos a cirugía refractiva o implantados con lentes intraoculares.The invention described herein is framed within the field of Visual Optics and Ophthalmology. In this field the most important applications are oriented to studies on the aging of the visual system and early detection of cataracts, as well as to the improvement of the diagnosis of glaucoma and to the follow-up of patients undergoing refractive surgery or implanted with intraocular lenses.
Las aberraciones oculares y la difusión intraocular (en adelante scattering) contribuyen conjuntamente al deterioro de la imagen retiniana en el ojo humano. Aunque la presencia de scattering en ojos de sujetos jóvenes normales es baja, ésta aumenta con la edad, la presencia de patologías oculares y tras intervenciones de cirugía refractiva (I. IJspeert, J. K., de Waard, P. W., van der Berg, T. J., de Jong, P. T. (1990). The intraocular straylight function in 129 healthy volunteers; dependence on angle, age and pigmentation. Vision Research, 30(5), 699-707). El scattering intraocular aumenta de manera muy notoria sobre los valores normales si ocurren pérdidas de transparencia de los medios oculares, en especial en el cristalino (cataratas).Ocular aberrations and intraocular diffusion (hereinafter scattering ) contribute together to the deterioration of the retinal image in the human eye. Although the presence of scattering in the eyes of normal young subjects is low, it increases with age, the presence of ocular pathologies and after refractive surgery interventions (I. IJspeert, JK, de Waard, PW, van der Berg, TJ, de Jong, PT (1990). The intraocular straylight function in 129 healthy volunteers; dependence on angle, age and pigmentation. Vision Research , 30 (5), 699-707). Intraocular scattering increases significantly over normal values if loss of transparency of the ocular media occurs, especially in the lens (cataracts).
Hace más de un siglo que se sabe que el ojo sufre de aberraciones. A largo de todo ese tiempo se han desarrollado diferentes técnicas, objetivas y subjetivas, para medirlas, pero por el contrario en la literatura no existe un método robusto ampliamente aceptado para la medida de manera objetiva del scattering intraocular.It has been known for more than a century that the eye suffers from aberrations. Throughout that time, different techniques, objective and subjective, have been developed to measure them, but on the contrary in the literature there is no robust method widely accepted for the objective measurement of intraocular scattering .
Hasta la fecha, la mayoría de las determinaciones de scattering intraocular se han llevado a cabo usando métodos subjetivos que se combinan con medidas de agudeza visual y de sensibilidad al contraste (Bailey, J., Bullimore, M. A. (1991). A new test for the evaluation of disability glare. Optometry and Vision Science, 68, 911-917). Este tipo de medidas requieren la participación activa y prolongada del observador, y pueden estar influenciadas por otros factores. por ello no son las más adecuadas en un entorno clínico que requiere rapidez y precisión.To date, most intraocular scattering determinations have been carried out using subjective methods that are combined with visual acuity and contrast sensitivity measures (Bailey, J., Bullimore, MA (1991). A new test for the evaluation of disability glare, Optometry and Vision Science , 68, 911-917). These types of measures require the active and prolonged participation of the observer, and may be influenced by other factors. Therefore, they are not the most appropriate in a clinical setting that requires speed and precision.
Por otra parte, el oftalmólogo hace uso de la lámpara de hendidura para la observación rutinaria de la catarata. Una vez observada, su clasificación y análisis son puramente subjetivos (sistema denominado LOCS III (Chylack. L.T., Wolf, J. F., Singer. D. M., Leske, M. C., Bullimore, M. A., Bailey, 1. L., Friend, J., McCarthy, D., Wu, S. Y. (1993), The Lens Opacities Classification System III. Archives of Ophthalmology, 111,831-836)) basándose en parámetros como el color, el aspecto o la localización. Para ello el oftalmólogo ha de estar especializado en este tipo de diagnóstico y por su naturaleza intrínseca, puede diferir entre profesionales. Una caracterización del grado de catarata es de gran relevancia para determinar el momento adecuado de la cirugía.On the other hand, the ophthalmologist makes use of the slit lamp for routine observation of the cataract. Once observed, its classification and analysis are purely subjective (system called LOCS III (Chylack. LT, Wolf, JF, Singer. DM, Leske, MC, Bullimore, MA, Bailey, 1. L., Friend, J., McCarthy , D., Wu, SY (1993), The Lens Opacities Classification System III. Archives of Ophthalmology , 111,831-836)) based on parameters such as color, appearance or location. For this, the ophthalmologist must be specialized in this type of diagnosis and due to its intrinsic nature, it may differ among professionals. A characterization of the degree of cataract is of great relevance to determine the appropriate moment of surgery.
La contribución conjunta de las aberraciones ópticas y el scattering afecta a la calidad de imagen retiniana. La técnica de doble paso (DP), basada en registrar la imagen de un punto proyectado sobre la retina aporta información sobre aberraciones y scattering conjuntamente. La contribución de las aberraciones está localizada en la parte central de la imagen, de forma que cuanto más aberrado sea el ojo más extensa será esta parte. Por su parte, el efecto del scattering se sitúa preferentemente en las zonas más periféricas de la imagen de DP, alejadas de la parte central, de forma que cuanto mayor sea la cantidad de luz que contribuye a esta parte de la imagen, mayor será la presencia del scattering.The joint contribution of optical aberrations and scattering affects retinal image quality. The double-pass (DP) technique, based on recording the image of a projected point on the retina, provides information on aberrations and scattering together. The contribution of aberrations is located in the central part of the image, so that the more aberred the eye is, the more extensive this part will be. For its part, the effect of scattering is preferably located in the most peripheral areas of the DP image, away from the central part, so that the greater the amount of light contributing to this part of the image, the greater the presence of scattering
Es posible separar estas contribuciones en las imágenes de DP midiendo simultáneamente aberraciones e imágenes de DP. La combinación proporciona una medida de la cantidad y la distribución angular de la luz que ha sufrido scattering en el ojo. Sin embargo, la obtención de resultados satisfactorios precisa de un control riguroso de las condiciones experimentales y de unos niveles altos de luz para aumentar la señal-ruido en la zona de las colas de las imágenes de DP. Westheimer y Liang (Westheimer, G. and Liang, J. (1994). Evaluating diffusion of light in the eye by objective means. Invesrigative Ophthalmology and Visual Science (suppl), 35, 2652-2657) combinaron medidas subjetivas y objetivas comprobando que el scattering intraocular aumenta con la edad. En la parte objetiva utilizaron imágenes de DP y definieron un índice de difusión como la relación entre la luz en las colas y la luz en la parte central.It is possible to separate these contributions in the DP images by simultaneously measuring aberrations and DP images. The combination provides a measure of the amount and angular distribution of the light that has suffered scattering in the eye. However, obtaining satisfactory results requires a rigorous control of the experimental conditions and high levels of light to increase the signal-noise in the area of the tails of the DP images. Westheimer and Liang (Westheimer, G. and Liang, J. (1994). Evaluating diffusion of light in the eye by objective means. Invesrigative Ophthalmology and Visual Science (suppl) , 35, 2652-2657) combined subjective and objective measures proving that Intraocular scattering increases with age. In the objective part they used DP images and defined a diffusion index as the relationship between the light in the tails and the light in the central part.
También se ha propuesto utilizar el tamaño de los spots de las imágenes de Hartmann-Shack para el análisis del scattering intraocular (Applegate, R. A., Thibos, L. N. (2000). Localized measurement of scaner due to cataract. Investigative Ophthalmology and Visual Sciences (suppl), 41, S3). Haciendo uso de un ojo artificial que puede introducir diferentes niveles de scattering, Cox et al. han mostrado que aun manteniéndose constantes las aberraciones, la extensión de la imagen de DP aumenta con el nivel de scattering introducido (Cox, M. J., Atchison, D. A., and Scott, D. H. (2003). Scaner and its implications for the measurement of optica] image quality in human eyes. Optometry and Vision Science, 80, 58-68).It has also been proposed to use the spot size of Hartmann-Shack images for the analysis of intraocular scattering (Applegate, RA, Thibos, LN (2000). Localized measurement of scaner due to cataract. Investigative Ophthalmology and Visual Sciences (suppl ) , 41, S3). Making use of an artificial eye that can introduce different levels of scattering , Cox et al . have shown that while aberrations remain constant, the extent of the DP image increases with the level of scattering introduced (Cox, MJ, Atchison, DA, and Scott, DH (2003). Scaner and its implications for the measurement of optica] image quality in human eyes Optometry and Vision Science , 80, 58-68).
Todos los intentos de evaluación objetiva del scattering han resultado poco robustos y no existe todavía una alternativa eficaz y adecuada para aplicaciones clínicas. En este contexto, es sin duda ventajoso proponer un nuevo método de medida objetiva del scattering intraocular que sea fácilmente adaptable a instrumentación de tipo clínico. Este método será, por una parte independiente de las aberraciones oculares y, por otra no tendrá el inconveniente de requerir bajos niveles de luz de las zonas de la imagen que contienen la información sobre el scattering y que en muchos casos se confunden con el ruido.All attempts at objective evaluation of scattering have proved to be not very robust and there is still no effective and adequate alternative for clinical applications. In this context, it is undoubtedly advantageous to propose a new method of objective measurement of intraocular scattering that is easily adaptable to clinical instrumentation. This method will be, on the one hand independent of the ocular aberrations and, on the other hand, it will not have the disadvantage of requiring low levels of light of the areas of the image that contain the information about the scattering and that in many cases are confused with the noise.
La presente invención se refiere a un aparato (polarímetro de imagen en DP) y a un método objetivo de medida del scattering. Puesto que los efectos de despolarización de un sistema óptico están ligados a la presencia de scattering, el método aquí expuesto se basa en medidas polarimétricas de DP. En particular es objeto de la invención la determinación del "grado de polarización (GDP)" de la luz que emerge del ojo como estimador objetivo y cuantitativo del nivel de scattering intraocular presente. La obtención del GDP requiere cuatro imágenes de DP, asociadas a cuatro estados de polarización independientes de los elementos colocados en el brazo de registro del sistema experimental.The present invention relates to an apparatus (DP image polarimeter) and an objective method of scattering measurement. Since the depolarization effects of an optical system are linked to the presence of scattering , the method presented here is based on polarimetric measurements of DP. In particular, it is an object of the invention to determine the "degree of polarization (GDP)" of the light emerging from the eye as an objective and quantitative estimator of the level of intraocular scattering present. Obtaining GDP requires four PD images, associated with four independent polarization states of the elements placed in the registration arm of the experimental system.
El método presenta la particularidad de que es independiente de las aberraciones oculares y de que simultáneamente a la determinación del nivel de scattering intraocular, proporciona también información objetiva sobre la calidad de imagen retiniana obtenida directamente de las imágenes de DP registradas. Además, no requiere la participación activa del sujeto como en previos dispositivos encontrados en la literatura.The method has the particularity that it is independent of the ocular aberrations and that simultaneously to the determination of the level of intraocular scattering , it also provides objective information on the quality of retinal image obtained directly from the recorded DP images. In addition, it does not require the active participation of the subject as in previous devices found in the literature.
El polarímetro de imagen permite determinar cuantitativamente el nivel de scattering en cualquier sistema óptico, en particular en el ojo humano. E] instrumento utiliza como núcleo un sistema oftalmoscópico de doble paso que incorpora una unidad analizadora de estados de polarización compuesta por una lámina retardadora rotatoria y un polarizador lineal. Manteniendo fija la polarización en el brazo de entrada, para cada una de las orientaciones independientes del eje rápido de la lámina retardadora, la cámara o detector de intensidad registra una imagen del plano de la retina. Dicho eje rápido es aquel con respecto al cual la fase de una de las dos componentes de la luz que incide es adelantada con respecto a la otra. A partir de dichas imágenes se calcula el vector de Stokes de la luz que emerge del ojo y con éste el GDP, parámetro directamente relacionado con el scattering. Aunque a lo largo de la invención se muestra una aplicación especial en el campo de la Oftalmología, ésta también puede aplicarse a otro tipo de sistema ópticos, bien en transmisión, bien en reflexión. Además, la óptica del sistema puede ajustarse a voluntad para que el plano conjugado con el sistema de registro pueda ser cualquier otro, pudiendo medir el efecto del scattering en múltiples circunstancias.The image polarimeter allows quantitative determination of the level of scattering in any optical system, particularly in the human eye. The instrument uses as a core a double-pass ophthalmoscopic system that incorporates a polarization state analyzer unit composed of a rotating retarder sheet and a linear polarizer. Keeping the polarization fixed on the input arm, for each of the independent orientations of the fast axis of the retarder sheet, the camera or intensity detector records an image of the plane of the retina. Said fast axis is that with respect to which the phase of one of the two components of the light that falls is advanced with respect to the other. From these images, the Stokes vector of the light emerging from the eye and with this the GDP, a parameter directly related to scattering, is calculated. Although a special application in the field of ophthalmology is shown throughout the invention, it can also be applied to other types of optical systems, either in transmission, or in reflection. In addition, the optics of the system can be adjusted at will so that the plane conjugated with the registration system can be any other, being able to measure the effect of scattering in multiple circumstances.
Un primer aspecto de la invención se refiere a un dispositivo para medida de difusión (scatrering) en sistemas ópticos determinando un parámetro, "grado de polarización", caracterizado porque comprende:A first aspect of the invention relates to a device for diffusion measurement ( scatrering ) in optical systems determining a parameter, "degree of polarization", characterized in that it comprises:
primeros medios de polarización lineal para generar luz linealmente polarizada;first linear polarization means for generate linearly polarized light;
una unidad analizadora de estados de polarización que comprende:a state analyzer unit of polarization comprising:
- medios generadores para generar 4 estados de polarización independientes; ymedia generators to generate 4 independent polarization states; Y
- segundos medios de polarización lineal;second means linear polarization;
al menos primeros medios de registro para registrar una señal de entrada para cada una de los cuatro estados de polarización independientes.at least first means of registration for record an input signal for each of the four states of polarization independent.
Los medios generadores pueden comprender:The generating means may comprise:
al menos una lámina rotatoria; yat least one rotating blade; Y
medios de orientación configurados para orientar la lámina rotatoria con un eje rápido según cuatro orientaciones independientes.orientation means configured to orient the rotating blade with a fast axis according to four orientations independent.
El dispositivo de la invención puedeThe device of the invention can
comprender cuatro láminas; ycomprise four sheets; Y
tener los medios de orientación configurados para orientar cada lámina con un eje rápido según cada orientación independiente.have the orientation means configured to orient each sheet with a fast axis according to each orientation Independent.
Los medios de registro pueden comprender detectores seleccionados entre:The means of registration may comprise detectors selected from:
detectores de imagen para registrar una imagen de doble paso para cada orientación de la lámina;image detectors to register an image double step for each orientation of the sheet;
detectores de intensidad para registrar una señal de intensidad para cada orientación de la lámina;intensity detectors to register a intensity signal for each orientation of the sheet;
y combinaciones de los mismos.and combinations thereof.
El dispositivo de la invención puede además comprender una pluralidad de separadores de haz y una pluralidad de polarizadores lineales.The device of the invention can also comprise a plurality of beam separators and a plurality of linear polarizers.
El dispositivo de la invención puede además comprender cuatro detectores, tres separadores de haz y dos polarizadores lineales.The device of the invention can also comprise four detectors, three beam separators and two linear polarizers.
Los detectores pueden ser detectores de intensidad seleccionados entre: fotomultiplicadores, detectores de avalancha, dispositivos capaces de registrar señales de intensidad durante un tiempo determinado y combinaciones de los mismos.The detectors can be detectors of intensity selected from: photomultipliers, detectors Avalanche, devices capable of recording intensity signals for a certain time and combinations thereof.
El dispositivo puede además comprender primeros medios de enfoque que comprenden una primera lente fija y una segunda lente móvil para conjugar un plano de interés del sistema óptico a medir con un plano que contiene los medios de registro.The device may also comprise first focusing means comprising a first fixed lens and a second mobile lens to conjugate a plane of interest of the system optical to be measured with a plane containing the recording means.
El dispositivo de la invención puede además comprender segundos medios de enfoque configurados para permitir una corrección de foco variando la distancia del camino óptico entre la primera lente y la segunda lente de forma manual y de forma automática.The device of the invention can also understand second focusing means configured to allow a focus correction varying the distance of the optical path between the first lens and the second lens manually and of automatically
El dispositivo de la invención, las cuatro orientaciones del eje rápido de la lámina \lambda/4 pueden estar configuradas para generar estados de polarización independientes.The device of the invention, the four Rapid axis orientations of the sheet λ / 4 may be configured to generate polarization states independent.
En un caso concreto, las orientaciones del eje rápido de la lámina \lambda/4 pueden ser -45º, 0º, 30º y 60º.In a specific case, the axis orientations Rapid sheet λ / 4 can be -45 °, 0 °, 30 ° and 60 °.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método para medir difusión (scattering) en sistemas ópticos en reflexión mediante el dispositivo de la invención.A second aspect of the invention relates to a method for measuring diffusion ( scattering ) in optical systems in reflection by the device of the invention.
Un tercer aspecto de la invención se refiere a un método para medir difusión (scattering) en sistemas ópticos en transmisión mediante el dispositivo de la invención.A third aspect of the invention relates to a method for measuring diffusion ( scattering ) in optical systems in transmission by means of the device of the invention.
Con el instrumento de esta invención, se puede utilizar el parámetro GDP obtenido, como estimador del grado de scattering intraocular del ojo en todo tipo de aplicaciones de interés en Oftalmología, como por ejemplo, evaluación de la calidad visual tras diversas cirugías refractivas o evaluación del grado de cataratas.With the instrument of this invention, the GDP parameter obtained can be used as an estimator of the degree of intraocular scattering of the eye in all types of applications of interest in Ophthalmology, such as, for example, evaluation of visual quality after various refractive surgeries or evaluation of the degree of cataracts
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un conjunto de figuras en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of said description, a set of figures where, with an illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:
Figura 1.- Muestra el esquema general del polarímetro de imagen en DP realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.Figure 1.- Shows the general scheme of the DP polarimeter made in accordance with the purpose of The present invention.
Figuras 2A y 2B.- Muestran dos alternativas para corregir la ametropía esférica del observador (miopía o hipermetropía), prescindiendo de dos espejos (figura 2A) y de tres (figura 2B).Figures 2A and 2B.- They show two alternatives for correct the spherical ametropia of the observer (myopia or hyperopia), dispensing with two mirrors (figure 2A) and three (figure 2B).
Figura 3.- Muestra una vista frontal de cuatro láminas \lambda/4 montadas sobre el mismo soporte para proporcionar 4 estados de polarización independientes. Este soporte junto con el polarizador lineal de la Figura 1 forman una unidad analizadora alternativa.Figure 3.- Shows a front view of four λ / 4 sheets mounted on the same support for Provide 4 independent polarization states. This stand together with the linear polarizer of Figure 1 form a unit alternative analyzer.
Figura 4.- Muestra cuatro imágenes de DP en un ojo real. Cada imagen corresponde a un estado independiente en la unidad analizadora del sistema experimental.Figure 4.- Shows four DP images in one real eye Each image corresponds to an independent state in the analytical unit of the experimental system.
Figura 5.- Muestra el esquema de un divisor de amplitud utilizado como unidad analizadora en un polarímetro.Figure 5.- Shows the scheme of a divider of amplitude used as an analyzer unit in a polarimeter.
Figura 6.- Muestra el esquema del procedimiento experimental utilizado para calcular el GDP en las imágenes de DP.Figure 6.- Shows the procedure scheme experimental used to calculate the GDP in the images of DP.
Figura 7.- Muestra los perfiles radiales de intensidad correspondientes a cuatro imágenes de DP.Figure 7.- Shows the radial profiles of intensity corresponding to four DP images.
Figura 8.- Muestra el perfil radial del GDP correspondiente a las imágenes de la Figura 7, calculado usando las ecuaciones [4] y [5].Figure 8.- Shows the radial profile of the GDP corresponding to the images in Figure 7, calculated using the equations [4] and [5].
Figura 9.- Muestra el esquema general del polarímetro en transmisión realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.Figure 9.- Shows the general scheme of the polarimeter in transmission performed in accordance with the purpose of the present invention
La invención que aquí se describe proporciona un método objetivo para la determinación del scattering del ojo, o de cualquier otro sistema óptico en reflexión o en transmisión. La información que se obtiene es cuantitativa y difiere en gran medida de los métodos conocidos en el estado de la técnica.The invention described herein provides an objective method for the determination of eye scattering , or of any other optical system in reflection or in transmission. The information obtained is quantitative and differs greatly from the methods known in the state of the art.
Más concretamente, el sistema experimental de la presente invención se basa iluminar el ojo (o cualquier sistema óptico bajo estudio) utilizando luz linealmente polarizada y se muestra en la Figura 1. La luz procedente de un diodo láser 1 (u otro tipo cualesquiera de fuente de luz adecuada) se filtra espacialmente, se expande y colima con una lente convergente antes de pasar el primer polarizador lineal 2 (o cualquier otro dispositivo que por métodos mecánicos, magnéticos, ferroeléctricos o electro-ópticos produzca luz linealmente polarizada) y de reflejarse en la lámina separadora 3, para entrar en el ojo 4. Dicho primer polarizador lineal 2 en el brazo de entrada convierte un estado de polarización genérico de la luz que emite el diodo láser 1 en luz linealmente polarizada.More specifically, the experimental system of the present invention is based on illuminating the eye (or any system optical under study) using linearly polarized light and shown in Figure 1. The light from a laser diode 1 (or any other type of suitable light source) is filtered spatially, it expands and collimates with a converging lens before of passing the first linear polarizer 2 (or any other device that by mechanical, magnetic, ferroelectric methods or electro-optical produce linearly polarized light) and of reflected in the separator sheet 3, to enter the eye 4. Said first linear polarizer 2 on the input arm converts a generic polarization state of the light emitted by the laser diode 1 in linearly polarized light.
Este haz de entrada tiene un diámetro de 1.5 mm, limitado por una apertura circular fija 5. La apertura circular 5 puede sustituirse por un diafragma que permite cambiar el tamaño del haz incidente sobre el ojo 4. La elección de 1.5 mm se ha hecho en base a que las propiedades de polarización de la córnea para ese tamaño de pupila se pueden considerar constantes. Otros tamaños de esta abertura también podrían utilizarse. Si la fuente de iluminación utilizada emite un haz colimado, el sistema prescindiría del filtro espacial y de la lente colimadora.This input beam has a diameter of 1.5 mm, limited by a fixed circular opening 5. Circular opening 5 can be replaced by a diaphragm that allows resizing of the incident beam over the eye 4. The choice of 1.5 mm has been made based on that the polarization properties of the cornea for that Pupil size can be considered constant. Other sizes of This opening could also be used. If the source of lighting used emits a collimated beam, the system it would dispense with the spatial filter and the collimating lens.
Aunque el estado de polarización del haz incidente se ha elegido vertical, esta polarización lineal puede tener cualquier orientación entre 0º y 180º.Although the polarization state of the beam incident has been chosen vertical, this linear polarization can have any orientation between 0º and 180º.
El sistema en cuestión utiliza luz procedente de un diodo láser 1 de longitud de onda correspondiente a] infrarrojo cercano (780 nm). Sin embargo se podría utilizar cualquier otra longitud de onda del espectro visible (entre 360 y 780 nm), ya sea procedente de una fuente coherente como un láser o similar, o de cualquier otro tipo de fuente cuasimonocromática (diodo superluminiscente o similar).The system in question uses light from a laser diode 1 of wavelength corresponding to] infrared close (780 nm). However you could use any other wavelength of the visible spectrum (between 360 and 780 nm), either from a coherent source such as a laser or similar, or from any other type of quasi-chromatic source (diode super luminescent or similar).
La óptica ocular hace que el haz que incide sobre el ojo 4 converja sobre la retina y se forme la imagen de un punto luminoso. Parte de la luz que llega a la retina es absorbida y parte es reflejada de vuelta. Una cámara CCD 6 registra dicha luz. El objetivo 7 de 50 mm de distancia focal forma la imagen del punto luminoso de la retina (denominada imagen de DP o imagen aérea) sobre el CCD de la cámara 6. En este camino de salida el haz se refleja en los espejos 8, 9 y 10 (orientados a 45º con respecto al eje óptico del sistema), pasa por la primera lente 11 y la segunda lente 12 y atraviesa la unidad analizadora 13 de estados de polarización formada por una lámina 130 retardadora de cuarto de onda (\lambda/4) que gira sobre si misma para orientar su eje rápido 130a en las direcciones adecuadas para el objetivo de la invención, y un polarizador lineal 131.Eye optics causes the beam to hit over eye 4 converge on the retina and form the image of a bright spot Some of the light that reaches the retina is absorbed and part is reflected back. A CCD camera 6 registers said light. The 50mm focal length 7 lens forms the image of the bright spot of the retina (called DP image or image aerial) on camera CCD 6. On this exit path the beam It is reflected in mirrors 8, 9 and 10 (oriented at 45º with respect to to the optical axis of the system), passes through the first lens 11 and the second lens 12 and passes through the analyzer unit 13 of states of polarization formed by a sheet 130 quarter retarder wave (λ / 4) that rotates on itself to orient its axis fast 130a in the right directions for the purpose of the invention, and a linear polarizer 131.
La pupila artificial 14 funciona como pupila de salida efectiva y está conjugada con la pupila real del ojo por medio de la primera lente 11 y la segunda lente 12. En la invención aquí descrita las distancias focales de dichas lentes han sido 190 mm y 200 mm respectivamente. Estas focales pueden ser diferentes de las aquí utilizadas, pero siempre teniendo en cuenta que el cociente entre ellas proporciona el aumento lateral entre pupilas. Aunque la pupila artificial 14 tiene un tamaño fijo de 5 mm, de nuevo se puede utilizar una diafragma iris de diámetro variable para poder cambiar el tamaño de la pupila de salida efectiva a elección del experimentador. La distancia focal del objetivo 7 no está solamente limitada a 50 mm, sino que puede cambiarse por cualquier otra (con el correspondiente desplazamiento de la cámara CCD 6), siempre teniendo en cuenta que esta focal marca la extensión de la imagen retiniana registrada.The artificial pupil 14 functions as a pupil of effective exit and is conjugated with the real pupil of the eye by middle of the first lens 11 and the second lens 12. In the invention described here the focal lengths of these lenses have been 190 mm and 200 mm respectively. These focal points may be different. of those used here, but always keeping in mind that the quotient between them provides lateral increase between pupils. Although the artificial pupil 14 has a fixed size of 5 mm, of again an iris diaphragm of variable diameter can be used to be able to change the size of the effective exit pupil to choice of the experimenter. The focal length of objective 7 does not it is only limited to 50 mm, but it can be changed by any other (with the corresponding camera displacement CCD 6), always taking into account that this focal mark marks the extension of the registered retinal image.
Los espejos 9 y 10 están montados sobre un soporte móvil formando el denominado corrector de foco 15, que permite variar la distancia (camino óptico) entre la primera lente 11 y la segunda lente 12 para compensar la ametropía esférica del sujeto (miopía o hipermetropía). La corrección del foco se puede hacer de forma manual o automatizada, caso en el cual el soporte móvil ha de estar acoplado a un motor controlado por ordenador. E] mismo efecto se conseguiría si la lente 12 se pudiera desplazar a lo largo del eje óptico del sistema (manual o automáticamente), caso en e] cual se podría prescindir de los espejos 8-10 o de 9 y 10 tal y como indican las Figura 2A y 2B.Mirrors 9 and 10 are mounted on a mobile support forming the so-called focus corrector 15, which allows to vary the distance (optical path) between the first lens 11 and the second lens 12 to compensate for the spherical ametropia of the subject (myopia or farsightedness). Focus correction can be do it manually or automatically, in which case the support mobile must be coupled to a computer controlled engine. AND] the same effect would be achieved if the lens 12 could move to along the optical axis of the system (manually or automatically), case in e] which mirrors could be dispensed with 8-10 or 9 and 10 as indicated in Figure 2A and 2B.
Un espejo adicional 16 y una cámara de vídeo con su objetivo forman el denominado sistema auxiliar de control pupilar 17 que permite alinear la pupila del observador con el haz de entrada en todo momento.An additional mirror 16 and a video camera with Its objective is the so-called auxiliary control system pupil 17 which allows the observer's pupil to align with the beam of entry at all times.
La unidad analizadora 13 consta de una lámina \lambda/4 130 que gira seguida de un segundo polarizador lineal 131 paralelo al primer polarizador 2. El primer polarizador 2 y el segundo polarizador 131 pueden no ser paralelos, pero si lo son se optimiza la señal que llega al sistema de registro. La generación de 4 estados de polarización independientes en la unidad analizadora 13 depende de la orientación del eje rápido 130a de la lámina \lambda/4 130. Pruebas previas en el laboratorio de los inventores han mostrado que las orientaciones -45º, 0º, 30º y 60º (tomando como referencia un eje horizontal paralelo a la mesa óptica sobre la cual está montado el sistema) son las óptimas para producir 4 estados independientes en la unidad analizadora 13. Si el segundo polarizador 131 no está en posición horizontal o vertical las orientaciones óptimas de la lámina \lambda/4 130, han de ser las mismas, pero referidas a la orientación del eje de transmisión del segundo polarizador 131.The analyzer unit 13 consists of a sheet λ / 4 130 rotating followed by a second linear polarizer 131 parallel to the first polarizer 2. The first polarizer 2 and the second polarizer 131 may not be parallel, but if they are optimizes the signal that reaches the registration system. The generation of 4 independent polarization states in the unit analyzer 13 depends on the orientation of the rapid axis 130a of the sheet λ / 4 130. Previous tests in the laboratory of inventors have shown that the orientations -45º, 0º, 30º and 60º (taking as reference a horizontal axis parallel to the optical table on which the system is mounted) are optimal for produce 4 independent states in the analyzer unit 13. Yes the second polarizer 131 is not in horizontal or vertical position the optimum orientations of the sheet λ / 4 130, must be the same, but referred to the orientation of the transmission shaft of the second polarizer 131.
El giro de la lámina \lambda/4 130 en su soporte para colocar el eje en la posición adecuada, se puede realizar de forma manual o automática. En éste último caso el soporte de éste puede ir unido a un engranaje y éste a su vez a un motor, de forma que el giro se pueda realizar controlado por software en el ordenador a través de la tarjeta correspondiente. También se pueden colocar cuatro láminas \lambda/4 130 sobre un soporte tipo revólver 132a de forma que cada una tenga la orientación adecuada y el soporte gire para colocar la lámina que se precisa en cada ocasión (Figura 3). Como alternativa, la lámina \lambda/4 130 puede ser sustituida por cualquier dispositivo que permita el análisis del estado de polarización de un haz de luz: parejas de cristales líquidos, células Pockels, moduladores fotoelásticos, retardadores ferroeléctricos o cualquier otro dispositivo que pueda producir 4 estados de polarización independientes.The rotation of the sheet λ / 4 130 in its support to place the shaft in the proper position, you can Perform manually or automatically. In the latter case the This bracket can be attached to a gear and this in turn to a motor, so that the rotation can be performed controlled by software on the computer through the corresponding card. Four λ / 4 130 sheets can also be placed on a Revolver type support 132a so that each one has the proper orientation and the stand rotate to place the sheet that it is required each time (Figure 3). As an alternative, the sheet λ / 4 130 can be replaced by any device that allow analysis of the polarization state of a light beam: pairs of liquid crystals, Pockels cells, modulators photoelastic, ferroelectric retarders or any other device that can produce 4 polarization states independent.
Para cada estado de polarización independiente generado en la unidad analizadora 13 se registra una imagen de DP de 1 segundo de duración (el tiempo de exposición puede ser modificado oportunamente). La Figura 4 muestra un ejemplo de cuatro imágenes de DP polarimétricas correspondientes en un sujeto joven para las cuatro orientaciones de la lámina \lambda/4 130 antes citadas.For each state of independent polarization generated in the analyzer unit 13 a DP image is registered 1 second duration (exposure time can be timely modified). Figure 4 shows an example of four corresponding polarimetric PD images in a young subject for the four orientations of the sheet λ / 4 130 before cited.
Las imágenes se registran utilizando una cámara CCD. El plano de la CCD está conjugado con el plano de interés (la retina en el caso del ojo). Dicha cámara integra la energía que le llega durante el tiempo de exposición durante el cual el obturador está abierto. Cualquier cámara o dispositivo de registro de imágenes que pueda integrar en un tiempo definido (por software o por hardware) la luz que le llega, puede servir como sistema de registro.Images are recorded using a CCD camera. The plane of the CCD is conjugated with the plane of interest (the retina in the case of the eye). Said camera integrates the energy that comes to it during the exposure time during which the shutter is open. Any camera or image recording device that can integrate in a defined time (by software or hardware ) the light that comes to it, can serve as a recording system.
En la presente invención se puede adaptar el conjunto "unidad analizadora 13+ sistema de registro" por el denominado sistema divisor de amplitud (Figura 5). Este consta de cuatro cámaras CCD (CCD-1 18, CCD-2 18, CCD-3 18 y CCD-4 6), tres separadores de haz (dos no polarizantes -19a y 19b- y un dicroico -20-), una lámina \lambda/4 130 y dos polarizadores lineales (segundo polarizador 131 y tercer polarizador 21). En este caso el separador de haz dicroico 20 transmite y refleja luz polarizada lineal horizontal y vertical, respectivamente. El tercer polarizador 21 hace que sobre CCD-3 incida luz lineal polarizada a 45º. Finalmente el eje rápido 130a de la lámina \lambda/4 130 y el segundo polarizador 131 forman 45º, lo cual indica que el conjunto funciona como un polarizador circular.In the present invention the set "analyzer unit 13+ registration system" by the called amplitude dividing system (Figure 5). This consists of Four CCD cameras (CCD-1 18, CCD-2 18, CCD-3 18 and CCD-4 6), three beam separators (two non-polarizers -19a and 19b- and a dichroic -20-), one λ / 4 130 sheet and two linear polarizers (second polarizer 131 and third polarizer 21). In this case the dichroic beam separator 20 transmits and reflects polarized light horizontal and vertical linear, respectively. The third polarizer 21 makes light fall on CCD-3 linear polarized at 45º. Finally the fast shaft 130a of the blade λ / 4 130 and the second polarizer 131 form 45 °, which indicates that the set works as a circular polarizer.
En la invención aquí descrita el sistema de registro de imágenes se puede cambiar por un sistema de registro de intensidades. Esto se puede llevar a cabo utilizando cualquier tipo de detector de intensidad: fotomultiplicador, fotodiodo de avalancha o similar, de forma que integre la intensidad que le llega al área activa en el tiempo de exposición correspondiente. En el caso de utilizar un detector, el polarímetro dejaría de proporcionar información espacialmente resuelta de forma que solamente se obtendría información de un "punto extenso" conjugado de la retina, cuyo tamaño dependerá de las focales de las lentes colocadas en el sistema. Si el sistema incorporase el divisor de amplitud descrito en el párrafo anterior, serían necesarios cuatro detectores que sustituyan a las cuatro cámaras.In the invention described herein the system of Image registration can be changed by a registration system intensities This can be done using any type Intensity detector: photomultiplier, photodiode avalanche or similar, so that it integrates the intensity that it reaches the active area in the corresponding exposure time. In In the case of using a detector, the polarimeter would stop provide spatially resolved information so that only information from an "extensive point" would be obtained conjugate of the retina, whose size will depend on the focal points of the lenses placed in the system. If the system incorporated the amplitude divider described in the previous paragraph, would be four detectors needed to replace the four cameras
El funcionamiento detallado de la invención es el siguiente (un esquema general del procedimiento se muestra en la Figura 6). El haz de luz linealmente polarizado en dirección vertical por acción de P1 tiene un vector de Stokes asociado S_{IN}= [1, -1, 0, 0]^{T}, donde el índice T indica traspuesto. Esta luz realiza un doble paso en el ojo, atravesando los medios oculares y reflejándose en la retina. Las propiedades de polarización del ojo en DP están contenidas en una matriz de Mueller 4x4 (M=m_{ij}) cuyos elementos son números reales. Así, el vector de Stokes de la luz que emerge del ojo, S_{OUT}, será resultado de:The detailed operation of the invention is the following (a general outline of the procedure is shown in the Figure 6). The linearly polarized beam of light in the direction vertical per share of P1 has an associated Stokes vector S_ {IN} = [1, -1, 0, 0] T, where the T index indicates transposed. This light performs a double step in the eye, going through the ocular means and reflected in the retina. The properties of polarization of the eye in DP are contained in a matrix of Mueller 4x4 (M = m_ {ij}) whose elements are real numbers. Thus, the Stokes vector of the light emerging from the eye, S_ {OUT}, will be result of:
Este vector de Stokes contiene información sobre las propiedades de polarización del ojo y en particular sobre la despolarización, directamente ligada al scattering. Esta luz procedente del ojo atraviesa la unidad analizadora 13 formada por la lámina \lambda/4 130 y el polarizador vertical (con matrices de Mueller, M_{\alpha} y M_{P}), de forma que el vector de Stokes que finalmente llega al sistema de registro, S_{F}, es:This Stokes vector contains information on the polarization properties of the eye and in particular on depolarization, directly linked to scattering . This light coming from the eye passes through the analyzer unit 13 formed by the λ / 4 130 sheet and the vertical polarizer (with Mueller, Mα and MP matrices), so that the Stokes vector that finally reaches the registration system, S_ {F}, is:
donde c=cos2\alpha_{i} y s=sen2\alpha_{i}; y \alpha_{i} (i = 1, 2, 3, 4) son los ángulos que forman el eje rápido 130a de la lámina \lambda/4 130 con la referencia horizontal. Para la invención que aquí se presenta, estos ángulos se han elegido como: -45º, 0º, 30º y 60º. Sin embargo estas orientaciones podrían ser cualesquiera otras que permitan generar cuatro estados independientes en la unidad analizadora 13 (-45º, 0º, 45º y 90º; -60º, -30º, 0 y 45º; etc).where c = cos2 \ alpha_ {i} and s = sen2α_ {i}; and α_ {i} (i = 1, 2, 3, 4) are the angles forming the rapid axis 130a of the sheet λ / 4 130 with the horizontal reference. For the invention presented here, These angles have been chosen as: -45º, 0º, 30º and 60º. But nevertheless these orientations could be any others that allow generate four independent states in the analyzer unit 13 (-45º, 0º, 45º and 90º; -60º, -30º, 0 and 45º; etc).
Sea M_{UA} la matrix 4x4 auxiliar en la cual cada fila corresponde a la primera fila de las matrices M_{P\alpha} correspondientes a cada una de las cuatro orientaciones de la lámina \lambda/4 130. Entonces se verifica:Let M_ {UA} be the auxiliary 4x4 matrix in which each row corresponds to the first row of the matrices M_ {Pα} corresponding to each of the four sheet orientations λ / 4 130. Then it verify:
donde I_{i}; son las intensidades de cada pixel de las imágenes de DP registradas para cada orientación de la lámina \lambda/4 130.where I_ {i}; are the intensities of each pixel of the DP images registered for each blade orientation λ / 4 130.
El objetivo de la invención es estimar la contribución del scattering intraocular mediante el cálculo del parámetro GDP que depende directamente de los elementos del vector de Stokes, S_{OUT}.The objective of the invention is to estimate the contribution of intraocular scattering by calculating the GDP parameter that depends directly on the elements of the Stokes vector, S_ {OUT}.
Conocidas las intensidades de las cuatro imágenes de DP registradas, los cuatro elementos espacialmente resueltos del vector de Stokes se podrán calcular como:Known the intensities of the four Registered DP images, the four elements spatially Stokes vector solved can be calculated as:
Finalmente el GDP espacialmente resuelto (mapa) se obtendrá como:Finally the spatially resolved GDP (map) It will be obtained as:
[5]GDP = \frac{(S^{2}_{1} + S^{2}_{2} + S^{2}_{3})^{1/2}}{S_{0}}[5] GDP = frac {S2 <1> + S2 <2> S2 {3}) {1/2} {S_ {0}}
que toma valores entre 0 (luz despolarizada, que ha sufrido mucho scattering) y 1 (luz totalmente polarizada, que no ha sufrido scattering alguno).which takes values between 0 (depolarized light, which has suffered a lot of scattering ) and 1 (fully polarized light, which has not suffered any scattering ).
Otra opción es calcular el perfil radial de intensidad de cada imagen de DP (Figura 7). A partir de ellas y utilizando [4] y [5] se calcularía el GDP para cada punto del perfil radial (Figura 8).Another option is to calculate the radial profile of intensity of each DP image (Figure 7). From them and using [4] and [5] the GDP for each point of the radial profile (Figure 8).
La tercera opción es calcular la intensidad luminosa en un área de la zona central de la imagen. En ese caso, los valores de intensidad para cada imagen de la serie corresponderían a las I_{i} antes citadas. Tras ellos las ecuaciones [4] y [5] permitirían la obtención del GDP.The third option is to calculate the intensity bright in an area of the central area of the image. Then, intensity values for each image in the series would correspond to the I_ {i} mentioned above. Behind them the Equations [4] and [5] would allow obtaining GDP.
Si en lugar de utilizar una cámara CCD se utiliza un detector, las I_{i} registradas no corresponden a 4 imágenes, sino a 4 valores de intensidad. De esta forma, no hay resolución espacial y por tanto el GDP pasa de ser una mapa 2-D a un simple valor numérico.If instead of using a CCD camera you use a detector, the registered I_ {i} do not correspond to 4 images, but at 4 intensity values. In this way, there is no spatial resolution and therefore GDP goes from being a map 2-D at a simple numerical value.
En el caso de utilizar como unidad analizadora y sistema de registro el sistema divisor de amplitud de la Figura 5, la matriz auxiliar M_{UA} será:In the case of using as an analyzer unit and registration system the amplitude divider system of Figure 5, the auxiliary matrix M_ {UA} will be:
Esta configuración hace que sobre las cuatro cámaras incidan estados de polarización independientes y por tanto se pueda reconstruir el vector de Stokes utilizando la ecuación [4] y teniendo en cuenta [6]. Con la ecuación [5] se calcularía de nuevo el GDP.This setting makes about four cameras affect independent polarization states and therefore Stokes vector can be reconstructed using equation [4] and considering [6]. With equation [5] it would be calculated as New GDP.
Aunque la presente invención se ha centrado en la medida de scattering presente en el ojo, también puede utilizarse en otras muestras y sistemas, tanto en reflexión como en transmisión. El procedimiento sería en ambos casos el mismo que se ha descrito. El esquema correspondiente al dispositivo en transmisión se muestra en la Figura 9.Although the present invention has focused on the measure of scattering present in the eye, it can also be used in other samples and systems, both in reflection and in transmission. In both cases, the procedure would be the same as described. The scheme corresponding to the device in transmission is shown in Figure 9.
Claims (11)
- medios generadores para generar 4 estados de polarización independientes; ymedia generators to generate 4 independent polarization states; Y
- segundos medios de polarización lineal (131);second means linear polarization (131);
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EC2A | Search report published |
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