Hopp til innholdet

Løsningsforslag · Kapittel 16

Avanserte emner

Aberrasjoner i optiske systemer

Oppgave 16.1.1: Vi setter inn i W=12⁢d⁢F⁢r2 med d⁢F=1.00 D=1.00 m−1 og pupilleradien r i meter.

  1. a)

    r=3 mm: W=12⋅1.00 m−1⋅(3×10−3 m)2=12⋅9×10−6 m=4.5 µ⁢m.

  2. b)

    r=1.5 mm: W=12⋅1.00 m−1⋅(1.5×10−3 m)2=12⋅2.25×10−6 m=1.125 µ⁢m.

  3. c)

    Forholdet er 4.5/1.125=4 – radien dobles, og W∝r2 gir faktoren 22=4. Samme defokus gir altså fire ganger større bølgefrontfeil over den store pupillen. Og siden de høyere ordens formene vokser med enda høyere potenser av r (koma som r3, sfærisk aberrasjon som r4), slår det fast at store pupiller stiller strengere krav til optikken enn små.

Oppgave 16.1.2:

  1. a)

    Vi kvadrerer, midler over de seks punktene og tar kvadratroten – om null og delt på N=6:

    RMS=0.242+0.242+0.122+0.122+0.182+0.1826=0.20886=0.0348≈0.19 µ⁢m.
  2. b)

    Ja. RMS er en skalar oppsummering av hele flaten og sier bare hvor stor feilen er samlet, ikke hvilken form den har. Et koma-dominert øye ser en asymmetrisk kometehale på lyspunkter, et øye dominert av sfærisk aberrasjon en symmetrisk glorie – to helt ulike synsopplevelser med nøyaktig samme RMS, akkurat som ett standardavvik ikke forteller formen på en fordeling.

  3. c)

    Det er den kvadratiske middelverdien – samme regneoperasjon som standardavviket fra kapittelet om statistikk. Den avviker på to punkter: RMS-en regnes om null (referansesfæren er alt trukket fra, så middelverdien er null), ikke om gjennomsnittet; og den deler på antallet punkter N, uten Bessel-korreksjonen n−1, fordi vi ikke estimerer en ukjent populasjon, men summerer en faktisk flate.

Oppgave 16.1.3: Vi setter inn pupilleradien r i meter i D=4⁢3⁢c2,0/r2; koeffisienten c2,0=0.75 µ⁢m er den samme i begge tilfeller.

  1. a)
    r=2 mm:D =4⁢3⋅0.75×10−6 m(2×10−3 m)2≈5.20×10−6 4×10−6 ≈1.30 D,
    r=3 mm:D ≈5.20×10−6 9×10−6 ≈0.58 D.
  2. b)

    Samme målte koeffisient gir mer enn dobbelt så mange dioptrier over den lille pupillen som over den store, fordi omregningen deler på r2 – det er den delingen som bærer fysikken. Et tall i dioptrier er derfor ubestemt før pupillediameteren er oppgitt: en bølgefrontbasert resept uten pupille er tvetydig.

  3. c)

    RMS-en er målt over den samme pupillen og arver den samme avhengigheten – og for de høyere ordens formene enda sterkere, siden de vokser som r3 og r4. En RMS-verdi uten oppgitt pupillediameter kan derfor verken tolkes eller sammenlignes mellom øyne; den er meningsløs av nøyaktig samme grunn som dioptritallet i b).

Oppgave 16.1.4:

  1. a)

    Koma er rad 3 i Zernike-pyramiden. Et tynt brilleglass legger over pupillen til en bølgefront som er høyst andregrads i pupillekoordinaten – defokus (r2) og de to astigmatismeformene – så den høyeste raden det når, er rad 2.

  2. b)

    Påstanden holder ikke. Koma varierer som r3 over pupillen, mens glassets korreksjon er høyst andregrads; polynomer av ulik grad kan ikke kansellere hverandre punkt for punkt, uansett hvor nøyaktig bølgefronten er målt. Målenøyaktigheten er ikke flaskehalsen – glassets form er det.

  3. c)

    En stiv kontaktlinse. Den virker ikke ved å motvirke komaen med en motsatt feil, men ved å erstatte den uregelmessige fremre hornhinneflaten med en ny, regelmessig flate – den fjerner komaens kilde. Der brilleglasset må kjempe mot en tredjegradsfeil med en andregradsform, tar linsen bort selve flaten som lager feilen.

Oppgave 16.1.5: Åpen oppgave; ingen entydig fasit. Et vurderingsmoment: forklaringen må skille korrekt mellom lav orden (rad 2 – korrigerbar med glassets andregradsform, med pupillavhengig omregning til dioptrier) og høyere orden (rad 3 og opp – utenfor rekkevidde for enhver statisk flate, friform inkludert), og sluttsetningen må begrunne grensen med gradargumentet, ikke bare påstå den.

Kontrastfølsomhet

Oppgave 16.2.1: Kontrastfølsomheten er den inverse terskelen, og log-verdien er titallslogaritmen av den.

  1. a)

    Ved 4 sykler per grad:

    CS=1Cterskel=10.005=200,log10⁡200≈2.3⁢log-enheter.

    Ved 18 sykler per grad:

    CS=10.05=20,log10⁡20≈1.3⁢log-enheter.
  2. b)

    Øyet er mest følsomt ved 4 sykler per grad – ti ganger (1.0 log-enhet) mer følsomt enn ved 18. Det passer båndpassformen: 4 sykler per grad ligger ved toppen av kurven rundt 3 til 5 sykler per grad, mens 18 ligger på den fallende høyfrekvente flanken.

  3. c)

    18 sykler per grad. Synsstyrken leser av ett punkt langt ute til høyre på kurven, ved høy romlig frekvens og full kontrast – 6/6 svarer til en stripe på 1′, altså 30 sykler per grad – og av de to frekvensene er det 18 som ligger nærmest den høye enden.

Oppgave 16.2.2: Vi bruker at kontrasten et gitter har på netthinnen, er kontrasten i verden ganget med MTF-en ved den frekvensen.

  1. a)

    MTF-en faller mot høye frekvenser: selv et perfekt, diffraksjonsbegrenset øye overfører grove gitre nesten uendret, men svekker fine gitre mer og mer til overføringen er null ved diffraksjonsgrensen fra kapittelet om bølgeoptikk, og aberrasjonene i bølgefronten W senker MTF-en ytterligere, mest ved de høye frekvensene. Netthinnen får derfor stadig mindre kontrast igjen jo finere gitteret er, så terskelen stiger og følsomheten faller – til full kontrast så vidt rekker ved høyfrekvensgrensen.

  2. b)

    Spredt lys smører ut punktspredningsfunksjonen, og en bredere PSF svarer nøyaktig til en MTF som faller brattere. Kontrasten på netthinnen tappes da raskere med frekvensen, og kurven kutter tidligere – høyfrekvensgrensen flyttes ned, og følsomheten i den fine enden synker.

  3. c)

    Ved lave frekvenser er MTF-en nær sitt maksimum – optikken overfører brede striper nesten uendret – så optikken kan ikke forklare et fall der. Fallet er nevralt: netthinnens og synsbarkens mottakelige felt har en hemmende omkrans som demper respons på jevn eller langsomt varierende luminans, så en helt bred stripe gir svakere signal enn en middels. Konklusjon: det høyfrekvente fallet er optisk (MTF og diffraksjon), det lavfrekvente er nevralt (senter–omkrans-organiseringen).

Oppgave 16.2.3: Nøkkelen er at synsstyrken bare er ett punkt på kontrastfølsomhetskurven.

  1. a)

    Synsstyrke måles med svarte optotyper på hvit bunn – tilnærmet full kontrast – og avleser derfor bare kurven langt ute til høyre. Pasienten kan ha normal kurve akkurat der (6/6) og likevel en kurve som er senket i midten. Tåke og skumring senker kontrasten i hele scenen, og da lever synet av følsomheten ved de mellomstore frekvensene som bærer ansikter, trafikk og tekst – nettopp der pasientens kurve kan være senket.

  2. b)

    Synsstyrkemålingen fanger den høyfrekvente enden av kurven ved (nær) full kontrast. Den fanger ikke resten av kurven: følsomheten for lave og mellomstore frekvenser ved lav kontrast, der det meste av en virkelig scene ligger.

  3. c)

    Slutningen er ikke holdbar: 6/6 utelukker bare tap i ett punkt på kurven, ikke tap ved de mellomstore frekvensene – og pasientens klager peker nettopp på lavkontrastforhold. Rådet er å måle kontrastfølsomheten i tillegg, for eksempel med Pelli-Robson-tavlen, som holder frekvensen fast og senker kontrasten trinnvis. Konklusjon: normal synsstyrke er nødvendig, men ikke tilstrekkelig, dokumentasjon på normalt syn.

Oppgave 16.2.4: Åpen oppgave; ingen entydig fasit. Et vurderingsmoment: reserven skal regnes som trykkets kontrast delt på Cterskel=0.06 og plasseres riktig mot grensene – for eksempel gir avistrykk med C=0.70 reserven 0.70/0.06≈11.7:1, så vidt over kravet 10:1 til høyt flytende lesing, og tiltaket må begrunnes fysisk med at det hever brøken (høyere trykk-kontrast eller lavere terskel).

Binokulært syn og stereopsis

Oppgave 16.3.1:

  1. a)

    Antallet meter-vinkler er den dioptriske avstanden 1/d:

    meter-vinkler=1d=10.33 m≈3.0 ⁢MA.
  2. b)

    Totalkonvergensen er PD i centimeter ganger antallet meter-vinkler:

    C=PDcm⋅1d=6.40.33≈19.4Δ.
  3. c)

    Akkommodasjonsbehovet er den samme dioptriske avstanden, A=1/d≈3 D. Konvergens- og akkommodasjonskravet vokser altså i takt – begge er proporsjonale med 1/d – og forholdet mellom dem er det geometriske C/A=PDcm≈6.4Δ per dioptri. Nærtriaden kobler de to responsene sammen, men bare en del av konvergensen drives av akkommodasjonen (AC/A-forholdet); resten dekkes av fusjonell og proksimal vergens.

Oppgave 16.3.2:

  1. a)

    Øynene står rett med begge øyne åpne, så feilstillingen er latent og holdes i sjakk av fusjonen – en heterofori, ikke en heterotropi. Bevegelsen utover idet øyet gjenopptar fiksering, betyr at øyet drev innover under dekket. En esofori.

  2. b)

    Basis velges motsatt avviksretningen; ved esofori (avvik innover) blir det basis ut.

  3. c)

    Lyset avbøyes mot prismets basis, så objektet oppleves forskjøvet mot apeks – med basis ut skyves den opplevde retningen innover, dit øyet allerede vil stå, og øyet slipper å arbeide mot forien.

Oppgave 16.3.3:

  1. a)

    Konvergenskravet er C=PDcm⋅(1/d) og akkommodasjonsbehovet er A=1/d, så per dioptri akkommodasjon blir det geometriske kravet

    CA=PDcm⋅(1/d)1/d=PDcm=6.0Δ⁢per D

    for PD =60 mm – uavhengig av avstanden d. (Kontroll ved d=0.40 m: C=6.0⋅2.5=15Δ og A=2.5 D, forhold 6.0.)

  2. b)

    AC/A-forholdet måler bare den akkommodasjonsdrevne andelen av konvergensen, ikke det totale geometriske kravet. Akkommodasjonen driver ikke fram hele konvergensen alene; differansen på om lag 2Δ per D dekkes av fusjonell og proksimal vergens, som samsynet styrer aktivt.

  3. c)

    Resonnementet er ikke holdbart: det forveksler det totale konvergenskravet med den akkommodasjonsdrevne andelen. Et målt gradient-AC/A på 4Δ per D ligger midt i forventet område (3 til 5Δ per D) og motsier ikke geometrien.

Oppgave 16.3.4: Åpen oppgave; ingen entydig fasit. Et godt svar bruker enveis-ANOVA med F-observatoren for å sammenligne de tre gruppegjennomsnittene samtidig, og holder symbolene fra hverandre: stereoskarpheten η er en vinkelterskel i buesekunder (måledataene), mens η2 er effektstørrelsen – andelen av variasjonen i disse tersklene som forklares av testvalget.

Aniseikoni og relativ spektakkelforstørrelse

Oppgave 16.4.1:

  1. a)

    Styrkefaktoren er 1/(1−d⁢Pv′) med d=0.014 m:

    SMhøyre =11−0.014⋅(−1.00)=11.014≈0.986,
    SMvenstre =11−0.014⋅(−6.00)=11.084≈0.923.
  2. b)

    Forholdet mellom de to bildene er 0.986/0.923≈1.069: høyre netthinnebilde er om lag 6.9 % større enn venstre. Det stemmer med styrkefaktorens ∼1.4 % per dioptri ved 14 mm: 5⋅1.4 %=7 %.

  3. c)

    Om lag 7 % ligger godt over den konvensjonelle terskelen på 3 % – pasienten får trolig plager (fusjonsanstrengelse, astenopi, forvrengt dybde, tidvis dobbeltsyn), men spredningen er stor nok at noen bærer dette uten å merke det. Var ametropien aksial, sier Knapps lov at briller – som sitter like innenfor øyets fremre brennpunkt – gir RSM nær 1 på begge øyne, så forskjellen i netthinnebildenes størrelse nesten forsvinner; forbeholdet er at den oppfattede størrelsen likevel kan avvike på grunn av netthinnestrekk.

Oppgave 16.4.2:

  1. a)

    Dispariteten er 0.03⁢ε: ved ε=3⁢° blir den 0.03⋅3⁢°=0.09⁢°=5.4⁢bueminutter; ved ε=5⁢° blir den 0.03⋅5⁢°=0.15⁢°=9⁢bueminutter.

  2. b)

    Dispariteten vokser med 0.03⋅60=1.8 bueminutter per grad, så 10 bueminutter nås ved

    ε=101.8≈5.6⁢°.

    Kontroll: 0.03⋅5.6⁢°⋅60≈10 bueminutter.

  3. c)

    Dispariteten 0.03⁢ε er null i fikseringspunktet og vokser lineært utover: sentralt, der blikket faktisk står, holder fusjonen, mens bildepunktene lenger ute drives forbi fusjonsgrensen. Synet ser altså enkelt der det fikserer og strever i randen – det svarer med kontinuerlig fusjonsanstrengelse og vergensarbeid i stedet for åpen bildesplitting, og resultatet er astenopi med bare tidvis dobbeltsyn, ikke konstant.

Oppgave 16.4.3:

  1. a)

    Prentice’ regel med felles lesesenkning c=9 mm=0.9 cm gir det differensielle vertikale prismet

    c⁢|Fhøyre−Fvenstre|=0.9 cm⋅3.00 D=2.7Δ.
  2. b)

    Er anisometropien refraktiv, gir styrkefaktoren SMhøyre=1/1.014≈0.986 og SMvenstre=1/(1−0.014⋅(−4))=1/1.056≈0.947, altså en aniseikoni på 0.986/0.947≈1.041, om lag 4.1 % – i tråd med 3⋅1.4 %=4.2 % per dioptri. Er den i stedet aksial, sier Knapps lov at briller like innenfor fremre brennpunkt gir RSM nær 1 på begge øyne, så netthinnebildene blir tilnærmet like store.

  3. c)

    Sikker geometri: det differensielle prismet på 2.7Δ finnes med briller uansett ametropitype, ligger nær den vertikale fusjonsreservens bruddpunkt, og kontaktlinser fjerner det helt fordi de følger øyets bevegelse. Betinget geometri: aniseikonien er ∼4 % bare hvis anisometropien er refraktiv; er den aksial (det vanlige), forutsier Knapps lov at brillene ikke gir noen bildestørrelsesforskjell. Forbehold: netthinnestrekket i et aksialt forlenget øye gjør at Knapps prediksjon ofte svikter, og empirisk holder kontaktlinser aniseikonien lavest ved begge typer – men på tynt materiale. Kontaktlinser anbefales: prismeargumentet alene bærer anbefalingen, og aniseikoni-argumentet trekker samme vei uansett hvilken type anisometropien viser seg å være.

Oppgave 16.4.4:

  1. a)

    Resepten fastsetter den bakre toppunktstyrken Pv′=−3.00 D og vertex-avstanden d=13 mm, og styrkefaktoren 1/(1−d⁢Pv′)=1/(1−0.013⋅(−3))=1/1.039≈0.962 inneholder ikke andre størrelser – den kan ikke endres uten å endre korreksjonen. Bare formfaktoren 1/(1−tn⁢F1) står til rådighet.

  2. b)

    Formfaktoren skal være om lag 1.02, altså tn⁢F1=1−11.02≈0.020. Med n=1.5 trengs t⁢F1≈0.030; velg for eksempel F1=6.00 D og t=5 mm:

    11−0.0051.5⋅6=11−0.020≈1.020,

    altså 2.0 % ekstra forstørrelse. (Andre kombinasjoner med tn⁢F1≈0.02 duger like godt, for eksempel F1=8.00 D med t≈3.7 mm.)

  3. c)

    Frontkurven og tykkelsen kan økes mens bakflaten slipes slik at den bakre toppunktstyrken står urørt – derfor gir formfaktoren størrelse uten styrke. Prisen er et merkbart tykkere, tyngre og mer buet glass.

Moderne diagnostiske instrumenter

Oppgave 16.5.1: Vi setter de to målte prediktorene inn i SRK-formelen med A=118.4:

P=A−2.5⁢AL−0.9⁢K=118.4−2.5⋅23.5−0.9⋅43.5=118.4−58.75−39.15=20.5 D.

Kontroll mot eksempelet i seksjonen: med samme A og K ga AL=23.0 mm styrken 21.75 D; et 0.5 mm lengre øye trekker fra 2.5⋅0.5=1.25 D og lander på samme svar.

Oppgave 16.5.2:

  1. a)

    Innsatt i formelen for et gaussisk kildespektrum:

    Δ⁢zluft=0.44⁢λ0 2Δ⁢λ=0.44⁢(840×10−9 m)250×10−9 m≈6.2 µ⁢m.
  2. b)

    I vevet deles luftverdien på gruppe-brytningsindeksen:

    Δ⁢zvev=6.2 µ⁢m1.38≈4.5 µ⁢m.
  3. c)

    Δ⁢z∝1/Δ⁢λ, så dobbelt spektralbredde halverer den aksiale oppløsningen: Δ⁢zluft=0.44⁢(840 nm)2/100 nm≈3.1 µ⁢m (om lag 2.2 µ⁢m i vev) – oppløsningen blir bedre. Den aksiale oppløsningen settes av koherenslengden alene: interferens oppstår bare fra det tynne dybdesjiktet der ekkoveien matcher referanseveien, og hvor tynt det sjiktet er, bestemmes av kildens spektralbredde gjennom λ0 2/Δ⁢λ – aperturen inngår ikke. Den laterale oppløsningen settes derimot av aperturen, gjennom Airy-skiven og Rayleigh-grensen fra kapittelet om bølgeoptikk. De to er derfor frikoblet: lyskilden styrer dybdeskarpheten, aperturen sideskarpheten.

Oppgave 16.5.3:

  1. a)

    SRK er en rett linje tilpasset et materiale av gjennomsnittsøyne, men den sanne sammenhengen mellom aksiallengde og nødvendig linsestyrke er ikke lineær – vergensoptikken er krum i AL. En linje som er lagt for å treffe midten av materialet, må da bomme systematisk i halene: den avviker med samme fortegn for alle svært lange og for alle svært korte øyne, ikke tilfeldig.

  2. b)

    En teoretisk vergensformel regner strålegangen gjennom øyet eksplisitt og bevarer dermed den krumme, ikke-lineære sammenhengen mellom AL og styrke – nettopp den krumningen den rette linjen forkaster når alt presses inn i én konstant helning på 2.5 D per millimeter.

  3. c)

    En regresjonslinje beskriver sammenhengen innenfor området den er tilpasset i, og kan trygt brukes til prediksjon der. Utenfor dataområdet – ekstrapolasjon – har ingen data begrenset linjens form, så prediksjonene hviler på en antakelse om at lineariteten fortsetter. For SRK gjør fysikken det motsatte kjent: sammenhengen krummer, så ekstrapolasjonen bommer systematisk. Konklusjon: SRK er pålitelig som interpolasjon i normalområdet og upålitelig som ekstrapolasjon til ekstreme øyne – samme regel som for enhver regresjonslinje fra kapittelet om statistikk.

Oppgave 16.5.4:

  1. a)

    Differansene di=optiski−akustiski i millimeter er

    0.11, 0.08, 0.12, 0.09, 0.15, 0.08, 0.12, 0.14.

    Middeldifferansen er d¯=0.89/8≈0.11 mm, og standardavviket til differansene er sd≈0.026 mm. Samsvarsgrensene blir

    d¯±1.96⁢sd=0.11±1.96⋅0.026≈[ 0.06, 0.16]⁢mm.

    Fortegnet er positivt for alle åtte øyne: den optiske målingen ligger systematisk over den akustiske – som ventet, siden det optiske signalet reflekteres ved fotoreseptor-/RPE-nivået mens applanasjonssonden måler til den indre grenseflaten og presser øyet litt sammen. Det smale spennet forteller at forskjellen er jevn fra øye til øye: en systematisk metodeforskjell, ikke tilfeldig støy.

  2. b)

    Med tommelregelen 2.5 D per millimeter svarer biasen til

    Δ⁢P≈2.5⋅0.11≈0.28 D.

    Om lag en kvart dioptri er på grensen av det klinisk merkbare – så ja, forskjellen er stor nok til å bry seg om. Men den håndteres ikke ved å måle om igjen: fordi den er systematisk, regnes den inn gjennom metodespesifikke kunstlinse-konstanter, slik seksjonen beskrev.

  3. c)

    Instrumentkartet:

    instrument fysisk prinsipp forankret i
    Placido-topograf hornhinnen som konvekst speil, K=(nk−1)/r geometrisk optikk
    Scheimpflug-tomograf skjærende objekt-/linse-/bildeplan geometrisk optikk
    OCT lavkoherens-interferometri, Δ⁢z≈0.44⁢λ2/Δ⁢λ bølgeoptikk
    optisk biometer delvis-koherens-interferometri, n⁢AL bølgeoptikk
    A-skann ekkotid, AL=12⁢c⁢t svingninger og bølger / statistikk
    aberrometer bølgefront W→S/C×akse aberrasjoner / refraksjonsmetoder

    Den avsluttende setningen er åpen; et godt svar får fram at ikke ett av instrumentene bygger på fysikk boka ikke alt har gitt – klinikkens teknologi er anvendt bokfysikk, og prinsippene kan forstås nedenfra.