Simulación numérica de sistemas ópticos para el análisis ' Through-Focus ' de lentes intraoculares

Abstract

In the reported studies on IOL’s quality and performance, both in monofocal and multifocal lenses, an optical bench at the laboratory is commonly used to simulate a model eye whose IOL can be changed. This model eye produces an aerial image that is usually the object of interest. A microscope is used to magnify this aerial image and a CCD sensor to capture it so that the final image is obtained. The model eye is precisely described by international standards that contain the details for simulating it in an optical bench. These standards are ISO 11979-2 y 11979-9. However, the image acquisition system combined with the model eye is not described by the standards. Usually, the image acquisition system consists of an infinity corrected objective, a tube lens with fixed focal length, and a CCD sensor to capture the image. The observed object is placed at the front focal plane of the objective (FO) and, in this way, the image is formed at the back focal plane of the tube lens (Ft), where the sensor is placed. Since the distance between the objective and the tube lens is not fixed by the standard, most of the researchers use a convenient distance of a few tens of millimeters. We call this “conventional configuration”. In a T-F study we scan the planes around the focused image formed by the model eye. We also study the defocused images in the neighbor planes. The microscope with conventional configuration produces a magnification that varies depending on the position of the object. To avoid this variation, we propose a microscope with afocal configuration. Such a configuration, which implies that the back focal plane of the objective coincides with the front focal plane of the tube lens, provides the final image with a constant lateral magnification for all object positions at finite frontal distances. An experimental study is conducted in the laboratory to compare these two configurations, but sometimes the comparison is complicated because of defocus. This work aims to develop a computation tool to obtain some extra information in this kind of studies. Our results show that there are relevant differences in the image quality featured by the simulated configurations. The algorithm developed for numerical simulation proves to be very useful particularly when the experimental work becomes complicated.

En los estudios de calidad y comportamiento de las lentes intraoculares (LIOs), tanto monofocales como multifocales, es habitual el uso de un banco óptico en el laboratorio que simula un ojo modelo donde se sitúa la LIO. Este ojo modelo produce una imagen aérea que suele ser el objeto de estudio. Para captar esta imagen aérea se utiliza un microscopio que la aumenta y un sensor donde se capta finalmente. Los requisitos que tiene que cumplir el ojo modelo en el banco óptico se encuentran detallados en las normas ISO 11979-2 y 11979-9, sin embargo, el sistema de captación de la imagen aérea que produce este ojo no está completamente detallado en ninguna norma. Habitualmente, el sistema de captación de la imagen está compuesto por un objetivo corregido al infinito junto con una lente de tubo de distancia focal fija y un sensor CCD que capta la imagen final. El objeto observado se sitúa sobre el plano focal objeto del objetivo (FO) de forma que la imagen que se obtiene se forma en el plano focal imagen de la lente de tubo (Ft) que es donde se coloca el sensor. La distancia entre el objetivo y la lente de tubo no está estipulada así que habitualmente están separados unas decenas de mm (configuración convencional). En un estudio “Through-Focus” (T-F) se hace un barrido de los planos alrededor del plano donde el ojo forma la imagen aérea, para estudiar así las imágenes desenfocadas en planos adyacentes. La configuración de microscopio convencional provoca una variación en el aumento en función de la posición del plano que se analiza. Para evitar este cambio de aumento se propone una configuración del microscopio afocal, es decir, hacer coincidir el foco imagen del objetivo con el foco objeto de la lente de tubo, ya que este tipo de microscopios proporcionan aumento constante en todas las posiciones finitas de observación. Se ha realizado una simulación de estas dos configuraciones para poderlas comparar en condiciones que, en el laboratorio, son complicadas de analizar debido al elevado desenfoque de las imágenes. Las simulaciones han mostrado que realmente hay diferencias en la calidad de las imágenes que se obtienen con las dos configuraciones que hemos simulado y por tanto es una herramienta muy útil, ya que permite aportar datos que, experimentalmente, son complicados de conseguir.

Als estudis de qualitat i comportament de les lents intraoculars (LIOs), tant monofocals com multifocals, és habitual l’ús d’un banc òptic al laboratori que simula un ull model a on es col·loca la LIO. Aquest ull model produeix un imatge aèria que sol ser l’objecte d’estudi. Per captar aquesta imatge aèria es fa servir un microscopi que l’augmenta i un sensor a on es capta finalment. Els requisits que ha de complir l’ull model al banc òptic es troben detallats a les normes ISO 11979-2 y 11979-9, en canvi, el sistema de captació de la imatge aèria que produeix aquest ull no està completament detallat en cap norma. Habitualment, el sistema de captació de la imatge està format per un objectiu corregit a l’infinit juntament amb una lent de tub de distància focal fixa i un sensor CCD que capta la imatge final. L’objecte observat es situa sobre el pla focal objecte de l’objectiu (FO) de forma que la imatge que s’obté es forma sobre el pla focal imatge de la lent de tub (Ft) que és a on es col·loca el sensor. La distància entre l’objectiu i la lent de tub no està estipulada així que habitualment estan separats unes desenes de mm (configuració convencional). En un estudio “Through-Focus” (T-F) es fa un escombrat dels plans al voltant del pla a on l’ull forma la imatge aèria, per estudiar així les imatges desenfocades en plans adjacents. La configuració de microscopi convencional provoca una variació en l’augment en funció de la posició del pla que s’analitza. Per evitar aquest canvi d’augment es proposa una configuració del microscopi afocal, es a dir, fer coincidir el focus imatge de l’objectiu amb el focus objecte de la lent de tub, ja que aquest tipus de microscopis proporcionen augment constant en totes les posiciones finites d’observació. S’ha realitzat una simulació d’aquestes dues configuracions per poder-les comparar en condicions que, en el laboratori, són complicades d’analitzar degut a l’elevat desenfoc de les imatges. Les simulacions han mostrat que realment hi ha diferències en la qualitat de les imatges que s’obtenen amb les configuracions que hem simulat i per tant és una eina molt útil, ja que permet aportar dades que, experimentalment, són complicades d’aconseguir.