Resolución Espacial PERCEPCIÓN VISUAL Tema 10 Profesora María Cinta Puell Grado Óptica y Optometría Febrero 2020 1 Índice  Introducción  Distribución de la luz en la imagen retiniana: PSF  Definiciones y especificaciones de agudeza:  Mínimo visible  Mínimo resoluble  Mínimo reconocible  Mínimo espacial discriminable o hiperagudeza  Factores que limitan la agudeza visual  Sistema óptico ocular  Factores anatómicos y fisiológicos  Luminancia y contraste del estímulo Universidad Complutense de Madrid 2 Introducción: agudeza visual  Capacidad del sistema visual para detectar, reconocer o resolver detalles espaciales mínimos.  Umbral de resolución espacial:  Mínimo ángulo de resolución  La resolución espacial o agudeza visual depende o está limitada por:  La calidad óptica de la imagen formada en retina  La anatomía y fisiología del sistema visual  Otros factores: luminancia, contraste, tipo de estímulos, criterios y escalas de medida. Universidad Complutense de Madrid 3 Introduction La PSF describe la distribución de luz sobre la retina de una fuente puntual en el espacio visual Es el perfil de luminancia o intensidad a través de la imagen de un punto PSF de un ojo normal (incluyendo aberraciones y dispersión del ojo) La imagen de un punto es un círculo de difusión de luz 4 Distribución de la luz en la imagen de un punto (PSF) Universidad Complutense de Madrid PSF El máximo de intensidad en la PSF es proporcional a la luminancia del punto o línea objeto. La extensión o anchura de la PSF define la calidad óptica del ojo. Universidad Complutense de Madrid 5 PSF y calidad óptica de la imagen Universidad Complutense de Madrid 6 El ancho del PSF depende de: • Difracción • Aberraciones • Desenfoque • Dispersión El ancho del PSF afecta al contraste de la imagen y, por lo tanto a la agudeza visual Una mayor anchura de la PSF disminuye el contraste de la imagen y por lo tanto la agudeza visual PSF y formación de la imagen óptica Objeto: Conjunto de fuentes puntuales Imagen: Convolución (suma) de cada una de las PSFs Los bordes bien definidos de la rejilla objeto se vuelven menos definidos en la imagen óptica de la rejilla. El procesamiento neuronal mejora la imagen percibida. Universidad Complutense de Madrid 7 Definiciones y especificaciones de agudeza  AV mínimo visible  Detección de una característica  0,5 - 1 segundo de arco  AV mínimo resoluble  Resolución de dos características (2 puntos o 2 líneas)  30’’ - 1 minuto de arco  AV mínimo reconocible  Identificación de una característica (optotipos, letras)  30’’ - 1 minuto de arco  Mínimo espacial discriminable o hiperagudeza  Discriminación de un cambio en una característica (cambio de tamaño, posición u orientación)  3 segundos de arco Universidad Complutense de Madrid 8 AV Mínimo Visible Tarea de detección: decir si un punto o una línea estan presentes La agudeza del mínimo visible se especifica en términos del tamaño angular en la retina del objeto más pequeño detectado Límite de 0,5’’ para un cable oscuro contra un fondo muy brillante Está limitada por nuestra capacidad para discriminar la intensidad del objetivo en relación con su fondo (tarea de umbral de incremento ΔI) El objetivo más pequeño que se puede detectar La detección de objetivos solo requiere la percepción de la presencia o ausencia de un aspecto de los estímulos, no la discriminación del detalle del objetivo Universidad Complutense de Madrid 9 AV Mínimo Visible La línea se vuelve cada vez más delgada, hasta que deja de ser visible. La altura de PSF disminuye a medida que la línea se vuelve más delgada. El factor limitante es la sensibilidad del observador a pequeñas variaciones en la intensidad del estímulo (fracción de Weber ΔI/I), es decir, su sensibilidad al contraste. ΔIΔI/I Universidad Complutense de Madrid 10 PSF PSF Detección o mínimo visible CRITERIO MÍNIMO VISIBLE Tarea Detectar la presencia o ausencia de un estímulo visual Pregunta psicofísica típica de elección forzada ¿Hay una línea en el campo? ¿Era horizontal o vertical? Base fisiológica Umbral de luminancia diferencial Métodos de medida Variar el tamaño del objeto (Modificar el contraste del estímulo) Magnitud del mejor umbral aprox 1 segundo de arco Valor más pequeño que el diámetro de un cono. Efecto de la degradación de la imagen Moderado Universidad Complutense de Madrid 11 AV Mínimo resoluble Resolucion de dos puntos o de dos líneas; también “Minimum Separable” Cada punto forma una imagen en retina según la PSF El grado de superposición de las dos PSFs dependerá de la separación de los puntos Separación angular más pequeña que se puede resolver entre 2 objetos próximos. Universidad Complutense de Madrid 12 AV Mínimo resoluble Calidad óptica del ojo Universidad Complutense de Madrid 13 AV Mínimo resoluble (A) Imagen retiniana de un solo punto. (B–D) Imagen retiniana de un par de puntos cercanos, separados por diferentes distancias Calidad óptica del ojo 14 AV Mínimo resoluble Umbral de luminancia diferencial 1- Los valores de I máx de las PSF deben estar separados 2- Se debe superar el umbral de luminancia diferencial (ΔI) relacionado con la luminancia de fondo (fracción de weber ΔI/I) 3- Los máx y la zona de separación deben estimular diferentes fotorreceptores Universidad Complutense de Madrid 15 Resolucion de dos puntos o de dos líneas AV Mínimo resoluble Método de medida: variar la separación espacial entre los componentes del objeto. Patrón de estímulo: un par de puntos, una rejilla o un tablero de ajedrez. En la visión foveal, el límite se determina principalmente por el espaciamiento de los fotorreceptores (muestreo por fotorreceptor) Límite de aproximadamente 1 min arco - 30 seg arco Universidad Complutense de Madrid 16 AV mínimo reconocible El tamaño angular de la característica más pequeña que se puede reconocer o identificar. Medida utilizando optotipos (AV de letras). Universidad Complutense de Madrid 17 Tamaño del objeto superior al umbral de detección Mínimo Ángulo de Resolución (MAR) = 1’ Agudeza visual decimal = 1 / u Agudeza visual LogMAR = 0 Mínimo resoluble y reconocible CRITERIO MÍNIMO RESOLUBLE y RECONOCIBLE (agudeza visual común) Tarea Detectar la presencia de un aspecto identificador en un estímulo visible o distinguir entre más de uno. Pregunta psicofísica típica de elección forzada ¿Es una c o una o? ¿La apertura de la c está hacia arriba;....? Base fisiológica Detección de las diferencias de claridad entre varias áreas adyacentes Métodos de medición Variar el tamaño del objeto o la distancia espacial entre componentes del objeto Magnitud del mejor umbral Aprox 30" de arco. Hay concordancia con la capacidad de resolución esperada de la óptica del ojo. Efecto de la degradación de la imagen Serio Universidad Complutense de Madrid 18 Mínimo espacial discriminable o hiperagudeza Límite de hiperagudeza aprox 3 segundos de arco La tarea consiste en juzgar la posición relativa de los objetos. Los juicios se pueden hacer con una resolución superior al tamaño o el espaciado de los conos foveales. Tamaño angular del cambio más pequeño que se puede discriminar en una característica (p.e. un cambio en el tamaño, la posición o la orientación) Excelente habilidad para detectar la inclinación. Agudeza Vernier Universidad Complutense de Madrid 19 El proceso de hiperagudeza ocurre a niveles postreceptorales que incluyen la retina y las neuronas corticales. Interpolan la información posicional con alta resolución. Mínimo espacial discriminable o hiperagudeza Tarea de localización. Ejemplo de agudeza de Vernier La desalineación más pequeña que se puede discriminar de manera fiable se conoce como agudeza a vernier . Universidad Complutense de Madrid 20 Mínimo espacial discriminable o hiperagudeza CRITERIO MÍNIMO DISCRIMINABLE (HIPERAGUDEZA) Tarea diferenciaciones espaciales cuando el umbral es menor que la AV común. Determinar la ubicación de dos o más aspectos visibles entre estímulos. Pregunta psicofísica típica de elección forzada ¿La línea superior está a la derecha o al izquierda de la línea inferior? Base fisiológica Asignación de signos locales relativos a dos o más aspectos visuales supraumbrales Métodos de medición Variar la ubicación relativa de los estímulos Magnitud del mejor umbral Aprox 3" de arco Efecto de la degradación de la imagen Leve Universidad Complutense de Madrid 21 Hiperagudeza La hiperagudeza es muy resistente al desenfoque óptico AV de resolución El desenfoque óptico hace que los círculos de difusión se superpongan, lo que interfiere con la resolución de las dos líneas Hiperagudeza El desenfoque óptico no interfiere y las posiciones de las dos líneas se pueden determinar Universidad Complutense de Madrid 22 Factores que limitan la resolución espacial  Factores ópticos  Factores anatómicos y fisiológicos  Luminancia and Contraste Universidad Complutense de Madrid 23 Factores limitantes: sistema óptico ocular  La calidad óptica de la imagen retiniana está descrita por la PSF (formación de imagen)  Los principales factores que afectan a la PSF son:  Aberración esférica  Aberración cromática  Dispersión  Difracción  El desenfoque producen una pérdida notable de la calidad de imagen Universidad Complutense de Madrid 24 Formación óptica de la imagen retiniana Aberración esférica Los rayos de luz que entran a través de la periferia de la pupila se refractan más que los rayos paraxiales (no están enfocados en la retina). La aberración esférica causa algo de "desenfoque" de la imagen La aberración esférica en el ojo es solo de aproximadamente 0.50 D para una pupila de 5 mm debido a los mecanismos compensadores: • Cornea asférica • Gradiente del índice de refracción del cristalino. • Efecto Stiles-Crawford Universidad Complutense de Madrid 25 Aberración cromática Las longitudes de onda cortas focalizan antes que las longitudes de onda más largas Resultado: franjas de colores alrededor de los objetos. Universidad Complutense de Madrid 26 Dispersión de luz intraocular Universidad Complutense de Madrid 27 Difracción óptica  La teoría ondulatoria de la luz predice que:  Incluso para un sistema óptico “perfecto”, la imagen de un objeto no puede ser un punto, pero se extiende cubriendo un área finita debido a la difracción en los márgenes del sistema óptico  Para una fuente de luz puntual y una apertura circular (como la pupila) la imagen toma la forma de un disco central luminoso rodeado por anillos más tenues Imagen de un punto Universidad Complutense de Madrid 28 ~ 90 segundos arco Difracción óptica rad d p λ ⋅44,2 Diámetro del disco de Airy en el ojo: El disco de Airy (disco central) contiene alrededor del 84% de la luz del patrón de difracción Universidad Complutense de Madrid 29 PSF limitada por la difracción Formación óptica de la imagen An ch ur a PS F Diffracción: sí el diámetro pupilar es ≤ 2 mm, la PSF es igual a la imagen de difracción. Aberraciones: Sí el diámetro de pupila es ≥ 5 mm la PSF ensancha ya que aumenta la contribución de las aberraciones Universidad Complutense de Madrid 30 Hay un tamaño de pupila óptimo para diferentes condiciones Sistema óptico ocular ¿Qué limita la formación de la imagen óptica en el ojo?  Si se eliminan todos los factores que afectan a la calidad de la imagen (PSF), el sistema óptico sólo estaría limitado por la difracción  En este caso el criterio de Rayleigh proporciona el ángulo de resolución umbral para la formación de la imagen Universidad Complutense de Madrid 31 Efecto de la difracción en la resolución Abajo: distribución de luz en la imagen de un par de puntos separados por el límite de Rayleigh2 puntos resueltos “justo” La difracción provoca la propagación de la luz desde las dos fuentes puntuales Universidad Complutense de Madrid 32 Efecto de la difracción en la resolución El criterio de Rayleigh indica que dos imágenes solo se pueden resolver cuando el centro del patrón de difracción de una (pico del 2º disco de Airy) cae directamente sobre el primer mínimo del patrón de difracción de la otra (1º disco de Airy). Criterio de Raleigh: Separación de las imágenes geométricas de los puntos objeto = Radio del disco de Airy aUniversidad Complutense de Madrid 33 Efecto de la difracción en la resolución El Mínimo Ángulo de Resolución del sistema óptico del ojo es igual al ángulo subtendido en el punto nodal por el radio del disco de Airy rad d p mín λθ ⋅= 22,1 Universidad Complutense de Madrid 34 El mínimo ángulo de resolución (MAR) para resolver si dos puntos están separados es: Límite de Rayleigh: radio angular del disco de Airy d = diámetro de la pupila La difracción limita la resolución del ojo Radio angular del disco de Airy para λ = 555 nm y diámetro de pupila de 4 mm radianes000169275,0 10.4 1055522,122,1 3 9 = ×× == − − d sen λθ La difracción estable el límite de resolución del ojo, aproximadamente θ ≈ 35" Universidad Complutense de Madrid 35 Radio del disco de Airy (r) en el ojo reducido (N'F'= 16,67 mm) r = 16,67 sen 35" = 0,0029 mm ≈ 3 μm fovea periferia Convergencia celular de conos en ganglionares: Conducción de la señal individualizada 1 cono -1 bipolar -1 ganglionar Es decir, dos conos adyacentes deben ser capaces de conducir sus impulsos a lo largo de fibras nerviosas separadas Fovea: 1 cono - 1 célula ganglionar Periferia: muchos conos - 1 célula ganglionar Factores anatómicos y fisiológicos Densidad de conos alta y poca separación entre los conos foveales Cuanto más empaquetados estén los conos, mejor se podrá representar la distribución de la luz en el sistema visual. Universidad Complutense de Madrid 36 Resolución espacial alta si: Densidad de conos en la retina Cono Bastón Cono Universidad Complutense de Madrid 37 Factores neuronales: Sistema detector y procesamiento postreceptoral + - + - + - Separación de los campos receptores En la fovea = separación entre conos Factores anatómicos y fisiológicos En la fóvea, cada cono tiene una "línea privada" hacia la corteza cerebral. Por lo tanto, los centros de los campo receptores de las células ganglionares tienen la anchura de un cono. Universidad Complutense de Madrid 38 Sistema detector y procesamiento postreceptoral Densidad de detectores altaDensidad de detectores baja Universidad Complutense de Madrid 39 La rejilla se resolvería si hubiera una fila de conos menos estimulados entre filas de conos más estimulados Si muchos conos convergen en una sola célula ganglionar, la ventaja de tener conos muy próximos se pierde En visión periférica, la resolución está limitada porque las células ganglionares están muy espaciadas y combinan la información de muchos conos. Factores anatómicos y fisiológicos 0.3 0.1 5º Mayor AV en la fovea:  conos densamente empaquetados  convergencia uno a uno (CR pequeño) Variación de la AV según área de la retina estimulada 40 Disminución de AV hacia la periferia:  reducción de la densidad de conos  mayor convergencia de conos en una ganglionar (CR mayor) La degradación de la imagen por aberraciones para puntos objeto fuera del eje se detecta menos debido a la reducción de la AV en la periferia Límite anatómico de resolución espacial Criterio de Hartridge: las imágenes de dos objetos puntuales solo podrán ser resueltas por el sistema visual si:  Se estimulan dos conos con un cono entre ellos menos estimulado,  Y el contraste alcanza el valor de la fracción de Weber personal del sujeto. 3 3 6 108,1 1067,16 103 − − − == x x xθ Resolución espacial: tarea de detección de contraste Mínimo ángulo de resolución para dos puntos S1 y S2: Hay acuerdo entre el límite de AV que establece la difracción y el límite que establece el mosaico de conos foveales Radianes = 37” de arco 41 Factores que limitan la resolución espacial: Luminancia Universidad Complutense de Madrid 42 La agudeza visual varía con el nivel de luminancia de fondo En condiciones fotópicas, la AV aumenta linealmente en un rango de 3 unidades log de luminancia hasta 300 cd/m2 Factores que limitan la resolución espacial: Luminancia Universidad Complutense de Madrid 43 Factores que limitan la resolución espacial: contraste y color  La agudeza visual depende fuertemente del contraste: aumenta cuando aumenta el contraste  Alrededor de 0,5 decimal para un 10% de contraste  Alrededor de 0,33 decimal para un 5% de contraste.  La agudeza visual es la misma con luz blanca que con luz de cualquier longitud de onda Universidad Complutense de Madrid 44 45 Resolución Espacial Índice Introducción: agudeza visual Introduction PSF PSF y calidad óptica de la imagen PSF y formación de la imagen óptica Definiciones y especificaciones de agudeza AV Mínimo Visible AV Mínimo Visible Detección o mínimo visible AV Mínimo resoluble AV Mínimo resoluble AV Mínimo resoluble AV Mínimo resoluble � AV Mínimo resoluble AV mínimo reconocible Mínimo resoluble y reconocible Mínimo espacial discriminable o hiperagudeza Mínimo espacial discriminable o hiperagudeza Mínimo espacial discriminable o hiperagudeza Hiperagudeza Factores que limitan la resolución espacial Factores limitantes: sistema óptico ocular Aberración esférica Aberración cromática Dispersión de luz intraocular Difracción óptica Difracción óptica Formación óptica de la imagen Sistema óptico ocular Efecto de la difracción en la resolución Efecto de la difracción en la resolución Efecto de la difracción en la resolución La difracción limita la resolución del ojo Factores anatómicos y fisiológicos Densidad de conos en la retina Factores anatómicos y fisiológicos Sistema detector y procesamiento postreceptoral Factores anatómicos y fisiológicos Límite anatómico de resolución espacial Factores que limitan la resolución espacial: Luminancia Factores que limitan la resolución espacial: Luminancia Factores que limitan la resolución espacial: contraste y color Número de diapositiva 45