Lentes del siglo 21

Foto de la cubierta. La visualización de la matriz de celdas de cristal líquido en un dispositivo de óptica adaptativa programado para funcionar como una lente de una dioptría esférica

Profesionales de la Optometría rutinariamente miden y corrigen sólo tres tipos de imperfecciones ópticas de los ojos: desenfoque, astigmatismo, y la desviación prismática. No es sorprendente que el sistema biológico óptico del ojo tenga numerosas aberraciones refractivas, como el coma, la aberración esférica y el astigmatismo oblicuo, además de muchas otras anomalías irregulares propias de cada ojo individual. Aunque muchos de estas aberraciones de refracción de "orden superior" se han medido en los laboratorios de investigación utilizando una variedad de técnicas psicofísicas y objetivas, han sido ampliamente ignoradas por la profesión de optometrístas por dos razones principales. En primer lugar, estos métodos de diagnóstico utilizados en el laboratorio son demasiado exigentes para la práctica clínica habitual y, en segundo lugar, los lentes oftálmicos adecuados para la corrección de estas aberraciones de alto orden no han estado disponibles. Sin embargo, los recientes avances en la investigación de la óptica visual han mostrado una manera de superar estas dos limitaciones en la práctica de optometría actual. Estos avances allanan el camino para una ampliación en el ámbito de la práctica de la optometría la cual tiene un dominio tradicionalmente fuerte en la óptica visual y los lentes oftálmicos correctivos.

La más prometedora de las nuevas metodologías para la caracterización de los ojos se obtiene de una medición detallada de un centenar o más de las aberraciones de refracción, además de las tres aberraciones fundamentales de desenfoque, astigmatismo, y la desviación prismática. Toda esta información puede ser obtenida en una fracción de segundo al tomar un flash fotográfico con un solo destello de luz reflejada por un rayo láser enfocado en la retina. Este dramático incremento en el alcance de la evaluación oftalmológica de los ojos se logra utilizando un nuevo tipo de aberrómetro objetivo, basado en el principio de Shack-Hartmann de la metrología óptica. Desarrollado ampliamente por los astrónomos para medir las aberraciones ópticas de la atmósfera que interfieren con los telescopios terrestres, la técnica de Shack-Hartmann fue adaptada recientemente para medir las aberraciones de los ojos por Liang et al. Desde entonces el refinamiento de la técnica ha sido objeto de más y la evaluación en los laboratorios de investigación en la Universidad de Rochester, de la Universidad de Waterloo, y en nuestros laboratorios de Indiana University en un futuro próximo esperamos que estos esfuerzos de investigación de rendimiento de nuevos instrumentos clínicos permitan un rápido y fácil tratamiento al paciente en la medición detallada de las anomalías de refracción del ojo humano en chequeos clínicos rutinarios.

Teniendo en cuenta estas perspectivas interesantes para la medición exhaustiva rutinaria de los errores de refracción de los ojos, nuestra atención se desplaza a la cuestión de la corrección de la aberración. Afortunadamente, hay varias tecnologías nuevas, conocidas colectivamente como "óptica adaptativa", que tienen el potencial de corregir incluso a las aberraciones más irregulares, propias de la idiosincrasia de los ojos humanos. Una de estas tecnologías utiliza un espejo deformable colocado en el camino óptico del ojo al objeto. Esta es la misma tecnología utilizada en astronomía para corregir las aberraciones atmosféricas. A pesar de que los espejos deformables son demasiado caros y voluminosos para ser considerados para el uso clínico, se han utilizado con éxito en el laboratorio de investigación para demostrar la viabilidad de la corrección de las aberraciones de orden superior de los ojos. Anteriormente, uno de nosotros (Miller) había demostrado que las aberraciones ópticas del ojo son el principal factor limitante que impide imágenes de alta resolución para el diagnóstico a fondo del ojo humano. Se demostró dramáticamente esta conclusión cuando, por primera vez, se fotografiaron los fotorreceptores humanos individuales de ojos humanos vivos con una cámara retinal(fondus camera) de alta resolución. Los primeros resultados se obtuvieron a partir de ojos con aberraciones ópticas inusualmente pequeñas, pero luego la cámara se uso mas a fondo del ojo aumentado su poder con la óptica adaptativa, lo que permite lograr imágenes de alta resolución y así detectar aberraciones muchos mas pequeñas. Además, cuando la cámara retinal(fundus camera) fue reemplazada por un patrón de prueba visual al paciente se le dio la oportunidad de disfrutar de la visión por un ojo corregido por el sistema óptico adaptativo, se obtuvo mejoras en la sensibilidad y al contraste visual. Como resultado de esta corrección de la aberración por medio de la óptica adaptativa, el observador logra un desempeño visual super normal que se acercaba al límite máximo previsto de un sistema óptico limitado por la difracción.

A pesar de espejos deformables y otras tecnologías de reflexión (tales como micro-espejos reflectantes y cristales líquidos del tipo utilizado en los relojes digitales y pantallas de computadoras portátiles) pueden tener un futuro brillante en la creación de una nueva generación de instrumentos oftálmicos, parece poco probable que desarrollen en las gafas de este siglo XXI. Sin embargo, al menos una nueva tecnología tiene el potencial de proporcionar un tipo totalmente nuevo de elemento óptico de las gafas para este siglo. Esta tecnología utiliza líquido transparente, los cristales depositados sobre un sustrato de vidrio para producir un medio óptico de índice variable de refracción. En la Universidad de Indiana han estado explorando el potencial de esta tecnología para la producción de un nuevo tipo de "gafa electrónica", basado en un elemento óptico programable que puede alterar de forma dinámica sus características cuando es requerido por el paciente (por ejemplo, para obtener una "variable de aumento" para las personas con presbicia). Además, cuando los cristales se subdividen en una serie de células que pueden ser dirigidas de forma individual por un controlador de circuito integrado, es posible concebir unas gafas con lentes avanzados que no sólo corrigen los parámetros tradicionales de la aberración esférica, el cilíndrica y el prismática, sino también las de orden superior, aquellas aberraciones irregulares propias de cualquier ojo individual. Así, las gafas electrónicas del futuro pueden proporcionar una corrección personalizada de las anomalías de refracción del ojo del paciente. Si tiene éxito, el resultado servirá a la optometría en dos formas principales. En primer lugar, cuando se utiliza en un entorno clínico, proporcionan al médico una visión de diagnóstico de alta resolución de las estructuras internas del ojo del paciente. En segundo lugar, cuando es utilizado por el paciente para el uso diario, ofrecerá una visión de contraste excepcionalmente alta del mundo implícita en el término "super-visión normal".


Principios de Diseño de gafas electrónicas

El principio de funcionamiento de una lente fabricada a partir de una serie de cristales líquidos se contrasta con una lente convencional ver la figura. 1. Una lente convencional es un medio óptico, de espesor variable formado por un material transparente de índice de refracción constante. Esta característica variable del espesor de las lentes convencionales provoca frentes de onda plana de luz de un punto del objeto distante que se conforman en frentes de ondas esféricas las cuales se enfocan en un punto de imagen. Para entender cómo sucede esta nueva conformación del frente de onda, primero tenemos que recordar que un frente de onda de la luz se define como el lugar geométrico de puntos que son equidistantes de la fuente, donde la distancia se mide en términos de longitudes de onda de la luz. Dado que la longitud de onda de la luz se acorta cuando la luz entra en un medio con un índice de refracción más alto, tenemos que medir distancias con una regla óptica que toma en cuenta el índice de refracción. Por esta razón, el concepto de "longitud de trayectoria óptica" se define como el producto de la distancia física y el índice de refracción. Por ejemplo, una distancia física de un metro en el aire (n = 1) tiene la misma longitud de trayectoria óptica de 2/3 metros en un medio con índice de refracción n = 3 / 2, porque en ambos casos, la luz debe oscilar el mismo número de veces para cubrir la distancia.

Figura 1. Frente de onda de formar con las lentes convencionales (arriba), el índice de gradiente de lentes (centro), y lentes de cristal líquido (abajo).

Para ver cómo cambia la forma del frente de onda cuando esta se propaga a través de un lente convencional, se traza un rayo desde cada punto de un frente de onda determinado y lo seguimos a una distancia fija de la trayectoria óptica. Los extremos finales de estos rayos localizan el frente de onda en algún momento posterior en el tiempo. Por ejemplo, para ver cómo un frente de onda plano que es tangente a la lente en su vértice emerge de la lente, se traza todos los rayos que tienen una longitud de trayectoria óptica igual a nd, donde n es el índice de refracción del material y d es el espesor de la lente en el vértice. Para un examen de rayos fuera de eje, el camino tiene tres segmentos como se muestra en la figura.1. Segmentos A y C están en el aire, mientras que el segmento B está en el medio de la lente. Así, la longitud de la trayectoria óptica de estos rayos es nd = a + nb + c. Es evidente que la distancia física a + b + c debe ser mayor que la distancia física d debido a que el índice de refracción n es mayor que 1 para la lente. Por otra parte esta desigualdad se hace más grande cuando el rayo llega más lejos del eje óptico de la lente, por lo tanto, el frente de onda emergente debe ser curvo. Para un análisis más detallado sería necesario verificar que el frente de onda curvo tiene una forma esférica, pero el punto principal de nuestro argumento es que un objetivo es capaz de enfocar la luz mediante el uso de su forma para crear un medio de longitud variable de trayectoria óptica.

Un paso intermedio para las lentes fabricadas con cristales líquidos se muestra en el diagrama del medio de la figura. 1. Contrariamente al ejemplo del objetivo descrito, este elemento óptico no solo tiene un espesor constante, sino que tiene un índice de refracción que varía sistemáticamente con la distancia desde el eje óptico. Los cómputos de la longitud de la trayectoria óptica en este caso son un poco más complicados porque un rayo seguirá una trayectoria curva, ya que se propaga a través del material de índice gradiente. Sin embargo, el concepto de longitud de la trayectoria óptica sigue siendo válido y se calcula mediante la integración de los productos de índice de refracción y la distancia infinitesimal a lo largo de la trayectoria curva a. Teniendo en cuenta el gradiente adecuado del índice de refracción, la longitud de la trayectoria óptica de cada rayo podría ser hecha de la misma forma para los rayos correspondientes a una lente convencional. Por lo tanto, es claro que las superficies curvas por lo general asociadas con lentes ópticos no son estrictamente necesarias para enfocar la luz desde una lente de índice gradiente y se logra el mismo fin mediante la variación del índice de refracción en lugar del espesor para controlar la longitud de la trayectoria óptica.

Una lente construida a partir de una matriz de celdas llenas de cristales líquidos se muestra en el diagrama inferior de la figura. 1. Cada celda contiene una fina capa de moléculas de cristal líquido entre dos placas de vidrio paralelas. Las moléculas están orientadas en paralelo, como en un cristal, lo que hace que la celda tenga doble refracción. En consecuencia, cuando la luz pasa a través del cristal que se somete a un índice de refracción diferente cuando son polarizados en una dirección paralela a las moléculas, en comparación a cuando se polarizan en dirección ortogonal. Las moléculas son libres para girar, como en un líquido, en cantidades cada vez mayores, cuando el incremento de un campo de fuerza eléctrico se aplica a los electrodos transparentes y conductores que se encuentran en el interior de las placas de vidrio. En consecuencia, el voltaje aplicado se puede utilizar para modificar el índice de refracción experimentado por la luz de polarización fija cuando se transmiten a través de las celdas. Así, cuando está programado para ser una lente simple, cada celda tendrá un diferente índice de refracción similar a la lente de índice gradiente. La diferencia es que cada celda individual tiene un tamaño finito y un índice de refracción fija, lo que significa que el gradiente del índice de refracción sigue un perfil escalonado en lugar de un perfil suave y continuo. Así, el frente de onda emergente tiene un aspecto segmentado, lo que haría una aproximación cada vez más precisa a un frente de onda suave, la densidad de las celdas se incrementa como el frente de una onda esférica. Aunque no se muestra en el diagrama, las discontinuidades paso a paso también se suavisan por los efectos de difracción en el frente de onda que se propaga hacia adelante.

Una fotografía del prototipo de lentes de cristal líquido que han estado evaluando la Universidad de Indiana se muestra en la ilustración de la portada(imagen inicio del post). El dispositivo fue fabricado por Óptica Meadowlark de Longmont en Colorado, y tiene 127 celdas individuales empacadas en una matriz hexagonal. Dado que el dispositivo es completamente transparente, para obtener la foto se usaron filtros polarizadores cruzados con el fin de visualizar las células y para mostrar su índice de refracción con un código de escala de grises. Aunque las conexiones eléctricas a cada celda se pueden ver en la foto, normalmente se eliminan de la trayectoria de la luz con una máscara circular. La foto fue tomada cuando el dispositivo fue programado para ser una lente de una dioptría en el interior de una pupila de 3 mm, lo que requiere que la longitud de la trayectoria óptica a través del centro de la lente es de 2 longitudes de onda más larga que la trayectoria óptica en el margen de la lente. Nuestros experimentos han comprobado que el dispositivo funciona bien como una lente esférica o cilíndrica simple, siempre que se programa para proporcionar no más de 1,5 dioptrías de poder de refracción. Esta limitación práctica es fijada por el número de celdas individuales de la matriz y por lo tanto, podemos esperar ver una mejora amplia en el rango de operación alcanzado en el proceso de fabricación para producir las generaciones futuras de dispositivos con mayor densidad espacial de celdas.

Aplicaciones clínicas

Tenemos la esperanza de que la forma más útil en tecnología de cristal líquido para aplicaciones oftálmicas puede ser una lente híbrida, algo así como un doblete, en el que el vidrio ordinario se utiliza para corregir el error de refracción esfericas-cilíndricas de un ojo y los cristales líquidos utilizados son para corregir las aberraciones residuales de alto orden. Una de las primeras aplicaciones de este objetivo sería proporcionar imágenes de alta resolución para un diagnóstico de las estructuras internas del ojo. Como se ilustra en la figura. 2, los frentes de onda reflejada por las estructuras anatómicas de interés están desenfocadas y distorsionadas, como resultado de las imperfecciones del ojo del paciente. Gracias a estos frentes de onda distorsionada a través del lente híbrido de cristal líquido, el frente de onda puede ser reconfigurado en un frente de onda perfecta para la imagen de un oftalmoscopio o una cámara retinal. Para utilizar la misma lente para corregir la visión del paciente, los frentes de onda de los objetos visuales han sido pre-distorsionados por la lente de cristal líquido en una cantidad que es igual, sino todo lo contrario, a las aberraciones en el ojo. De esta manera, la longitud de la trayectoria óptica de la luz que pasa a través de todos los puntos de la pupila será igual, lo que garantiza imagenes libres de aberración en la retina, limitado sólo por los efectos de difracción inevitable de una pupila de tamaño finito. Debido a que la potencia de la lente es programada electrónicamente, la lente de cristal líquido resulta especialmente adecuada para aplicaciones de auto-focus, como corrección de la presbicia o quizás para una nueva generación controladas por ordenador como los forópteros electrónicos. Uno de los objetivos de la investigación futura será la de superar los problemas potenciales (por ejemplo, la alineación y el control en la lente de enfoque variable en gafas) que se asocian con varias aplicaciones potenciales.

Figura 2. Gafas electrónicas a partir de una amplia programación de celdas de cristal líquido que se puede utilizar para corregir los frentes de onda distorionadas emergentes del ojo (imágenes de diagnóstico de la retina) o para pre-distorsionar frentes de onda para compensar las distorsiones del ojo (corrección de la visión)

La corrección de las aberraciones de alto orden ofrece la posibilidad de una mayor agudeza visual para todo el mundo, tal vez más allá del límite típico de 20/15. En teoría, la difracción limita cortes ópticos de 3 mm y 8 mm en pupilas lo que sería suficientemente alta como para producir imágenes de la retina de objetos como letra tan pequeña como 20/6.7 20/2.5 y, respectivamente. Para ilustrar lo que la imagen retiniana sería con una optica super-normal, imagínate ver la Estatua de la Libertad, a una distancia de 3 kilómetros desde un barco en el puerto de Nueva York. En condiciones de visualización óptima y de visión de 20/15 (es decir, un pupila normal de 3 mm), su imagen en la retina de la estatua se vería como la figura. 3A. Si ve la estatua a través de la lente de cristal líquido, programado para corregir completamente todas las distorsiones oculares a través de la pupila de 3 mm, entonces la imagen en la retina de la estatua se vería como la figura. 3B. Observe los detalles más finos y un mayor contraste en la imagen en la retina cuando las distorisones del ojo se corrigen. Esto demuestra que la calidad de imagen en la retina puede ser incrementado de forma notable, incluso para los tamaños de pupilas de tan solo 3 mm. La máxima calidad de imagen retiniana se puede obtener con el mayor diámetro de pupila fisiológica (8 mm) y una corrección completa de todas las aberraciones oculares. Esta situación se ilustra en la figura. 3C, que muestra que el ancho de banda teórico óptico máximo que se puede lograr con el ojo humano es seis veces mayor que el límite óptico de un ojo normal con una pupila de 3 mm.

Figura 3. Simulación de la mejora que se esepra en la calidad de la imagen retiniana mediante la corrección de las distorisones ópticas del ojo. (A) Óptica Normal, en pupilas de 3 mm. (B) el sistema óptico corregido, pupilas de 3 mm. (C) Se ha corregido la óptica, en pupilas de 8 mm.

Mejorar la calidad de la imagen retiniana es un primer paso importante hacia el logro una agudeza super-normal, pero puede no ser suficiente. Esto es porque cuando las limitaciones ópticas han sido eliminadas, el rendimiento visual se restringe a factores neuronales. En concreto, el espaciado entre fotorreceptores de la retina neural representa una limitación a la resolución visual que es sólo ligeramente superior al límite de óptica. En consecuencia, el aumento de la calidad de la imagen retiniana probablemente no producira un aumento importante de la agudeza de resolución, aunque podría tener un gran impacto en la agudeza de detección. En este sentido, el ajuste en el ojo con la optica super-normal de la visión foveal sería similar a la situación normal en la visión periférica. En la periferia, la calidad óptica del ojo es casi tan buena como el de la visión central, pero la arquitectura neuronal de la retina periférica es dramáticamente diferente. El gran aumento en el espacio entre los elementos neurales en la periferia reduce considerablemente la agudeza de resolución (por ejemplo, 20/200 en la periferia media). Sin embargo, el tamaño de los campos receptivos neuronales sigue siendo relativamente pequeña y, como resultado, la agudeza de detección puede permanecer tan alta como 20/20.13 Esta diferencia de diez veces entre la resolución de la agudeza y la detección de la agudeza en la periferia se debe a la separación entre elementos de muestreo neural (ángulo mínimo de la Resolución de 10' a 30 ° de excentricidad) es mucho mayor que su radio (ángulo mínimo de detección de 1' a 30 excentricidad °), por el contrario, sólo un doble de diferencia entre la agudeza y la detección de la resolución de agudeza, hay una expectativa en el sistema fovea porque los conos foveales están muy juntos, lo que hace que la distancia entre los conos sea sólo dos veces su radio.

Figura 4. Una ampliación de la imagen de la figura 3C se superpone con un mosaico hexagonal lleno de círculos que representan el mosaico cono foveal. Este mosaico neural es relativamente secundario en comparación con la imagen de la retina, que puede introducir alteraciones en la imagen de los nervios y pueden llegar a causar una especie de idea errónea llamada "aliasing".

Aunque hay muchos beneficios potenciales de la optiva visual super-normal, hay por lo menos un castigo esperado. Teniendo en cuenta un aumento dramático en la calidad óptica de la imagen retiniana, el mosaico de fotorreceptores aparecerá relativamente grueso en comparación, como se muestra en la figura. 4. Como resultado de este desajuste, detalles espaciales muy finos de la imagen retiniana será menor que la distancia entre los conos vecinos y por lo tanto, no se registran correctamente en la imagen neural. Esta misión de representación de la imagen debido al bajo muestreo neural por un conjunto relativamente grueso de los fotorreceptores se denomina "aliasing". La investigación indica que la ambigüedad introducida por aliasing es el principal factor que limita la agudeza de resolución en la visión periférica normal, y lo mismo es cierto de la visión central cuando las limitaciones ópticas son eliminadas. Sin embargo, en la actualidad el defecto aliasing es probable que sea superado gracias a la sensibilidad al contraste más alto y mayor agudeza de detección. Por lo tanto, prevemos que la corrección de las distorisones ópticas del ojo van a ocasionar un aumento neto en la calidad de la experiencia visual del paciente y por lo tanto, vale la pena seguir intendandolo. En efecto, nuestras observaciones preliminares indican que los estímulos vistos a través de la óptica adaptativa tienen un aspecto sorprendentemente nítidos que hacen prever un ojo con calidad óptica sobrenatural, lo cual es consistente con el aumento de seis veces en la sensibilidad al contraste medido experimentalmente.

Conclusion

En resumen, prevemos grandes avances en lentes para gafas en la primera parte del siglo 21, que combinan el poder de adaptación de tecnologías ópticas, con la flexibilidad de los circuitos electrónicos. El resultado será una nueva generación de "gafas inteligentes" capaces de adaptarse a las necesidades específicas de los ojos individuales para producir la corrección óptica personalizada de calidad sin precedentes. Sin embargo, para hacer esta predicción realidad se requiere una comunidad de optometrístas que se comprometan a construir a pesar de su fuerte posición tradicional en la óptica visual mediante el apoyo a la investigación dirigida a la aplicación de tecnologías modernas para resolver los principales problemas de la optometría.


Fuente:Larry N. Thibos and Donald T. Miller
School of Optometry, Indiana University
Autor: ESCRITOR DE LETRAS