I.- Óptica de Fotorreceptores II.

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I.- Óptica de Fotorreceptores
II.- Óptica Adaptativa
Clase del 1 de junio de 2010
Prof. Maria L. Calvo
I.- Óptica de fotorreceptores
• Estudia el comportamiento de los conos y
bastones de la retina como guías de onda
ópticas.
• Estas guías de onda biológicas tienen la
capacidad de confinar la luz de una forma
eficiente.
• Se caracterizan por ser guías de onda
absorbentes e inhomogéneas con una
geometría particular.
Estructura de la retina
Anatomía de los bastones y los conos
Segmento externo (OS: outer segment)
– Compuesto por discos o estructuras de
membranas biológicas.
– Un total de 1000 discos
– Contiene pigmentos visuales
• rodopsina - bastones
• iodopsina - conos
– Está embebido en la capa pigmentaria de
la retina
Bastones
• Más numerosos que los conos, 130 milliones/retina
• Detectan la presencia (o ausencia) de fotones con
independencia de la longitud de onda de emisión.
Dando lugar a mecanismos para:
• Visión nocturna y visión periférica
– Percepción de los niveles de grises
• Molécula: Rodopsina ------> escotopsina + retinal
– Retinal: es un derivado de la vitamina A
– Se necesitan del orden de 5 minutos para
regenerar el 50% de la rodopsina blanqueada en
los bastones.
– La estimulación de un bastón es casi instantánea
en la recepción de fotones.
Fotorrecepción - Conos
• Visión de color
• 6,5 millones de conos en la retina
• La fotoquímica de los conos tiene casi las misma
composición química que la rodopsina de los
bastones.
• Proteina: fotopsina
– iodopsina ------> fotopsina + retinal
– Tiempo: 90 s. para regenar el 50% de
iodopsina en los conos
• 3 tipos diferentes de fotoquímicos:
– Red (erythrolobe)- 74% - 558 nm
– Green (chlorolobe)- 10% - 531 nm
– Blue (cyanolobe)- 16% - 420 nm
JW 1 deg nasal
AN 1 deg nasal
JW 1 deg temporal
5 arc min macaque 1.4 deg nasal
Estructura de un fotorreceptor
Antecedentes históricos
En 1958 Jay M. Enoch descubrió el comportamiento de los
fotorreceptores de la retina como guías de onda óptica.
La radiación óptica se confina en los conos y los bastones
cuando incide sobre la apertura de entrada.
Resultado fundamental: Observación de la estructura de
los modos confinados. Estudio en muestras de retina de
salamandra.
Algunas características fundamentales:
fundamentales
* Los fotorreceptores son células biológicas altamente
modificadas. Son responsables de una parte del
mecanismo de procesado de la información visual: óptico
+ electro-óptico.
Confinamiento de modos
En la luz dispersada contribuyen la suma de modos transversales confinados y
el scattering por la guía.
Observación de los modos en una
muestra de retina de salamandra
Efecto Stiles-Crawford (1933)
Un observador presenta diferente
sensibilidad hacia la luz
dependiendo del punto por el que el
haz luminoso entra en la pupila del
ojo.
Se muestra la variación del
logaritmo de la luminancia relativa
en función de la localización
espacial en la pupila de un
observador sin patologías (V.
Lakshminarayanan, 1986).
• Consecuencia:
Los fotorreceptores de la retina se
comportan como centros de
scattering.
Sensitividad espectral de los
fotorreceptores
Estimulación del Fotopigmento
Photoisomerization
Transducción
Hiperpolarización de los bastones
Mecanismo de
generación de respuesta
del fotorreceptor:
A: Invertebrados
Se produce una despolarización
en el mecanismo de transducción
B. Vertebrados:
Se produce una hiperpolarización
II.- Óptica Adaptativa
• Proporciona un procedimiento óptico para
manipular la geometría y fase del frente de
aberración generado en un sistema óptico.
• Esta manipulación altera la información de
la fase de forma particular compensando la
aberración del sistema.
Aberrómetro: Técnicas del manipulación
óptica del frente de ondas
‹ Interferómetro de HartmannShack
‹ Aberrómetro Tscherning
‹Skiascopio diferencial
‹ Trazado de rayos
Fundamentos
Fundamentos: Hartmann Shack
Sensor de frente de ondas Hartmann-Shark
Referencia: Thibos, Journal of Refractive Surgery, 16, S563-S565, 2000
Sensor de frente de onda Hartmann-Shark
Referencia: Thibos, Journal of Refractive Surgery, 16, S563-S565, 2000
Sensor de frente de onda
Hartmann-Shack
H/S Photo of patient with tight eye lid courtesy David Williams
Aplicaciones
La corrección de aberraciones mejora la calidad de la
imagen retineana
For more information on this technology, link to
www.cvs.rochester.edu/williamslab
vision.berkeley.edu/roordalab
Corrección de aberraciones con óptica adaptativa
Los fotorreceptores se hacen visibles
Referencia: Roorda Journal of Refractive Surgery Volume 16 S602-S607 2000
Corrección de aberraciones con óptica adaptativa
Los fotorreceptores de hacen visibles
J Neurosci, Oct 2005
Corrección de aberraciones con óptica adaptativa
Hofer, H. et al. J. Neurosci. 2005;25:9669-9679
Corrección de las aberraciones con óptica
adaptativa
http://vision.berkeley.edu/roordalab/
Aberrómetro de Tscherning
Método de trazado de rayos
Ray Tracing
Objective lens
Input Beam
Retina
Position
sensitive
detector
Eye optics
Trazado de rayos
Lente ocular
Retina
Óptica del ojo
Posición del
detector
Trazado de rayos
Lente ocular
Retina
Óptica del ojo
Posición del
detector
Trazado de rayos
Lente ocular
Retina
Òptica del ojo
Posición del
detector
Trazado de rayos
Lente ocular
Retina
Óptica del ojo
Posición del
detector
Trazado de rayos
Lente ocular
Retina
Óptica del ojo
Posición del
detector
Trazado de rayos
Lente ocular
Retina
Óptica del ojo
Posición del
detector
Conclusiones:
• El sistema visual humano realiza operaciones de procesamiento, empaquetamiento,
binarización, muestreado e interpolación no lineal de señales. Se definen operaciones
multicanales de procesado.
• Las operaciones visuales están altamente funcionarizadas.
• Cada ojo humano presenta una respuesta particular a los estímulos visuales.
• La cuantificación de la calidad de la imagen requiere la consideración de funciones
características: MTF, CSF, OTF, PSF, LSF así como métodos optimizados para su
obtención experimental.
• Hay que considerar mediante el análisis de Fourier y la teoría de la difracción los
límites que presenta la calidad la imagen retiniana.
• Las nuevas tecnologías (óptica adaptativa) permiten una mejora en la calida de la
imagen retiniana. Aspectos actualmente en desarrollo e investigación.
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