El pasado mes de septiembre tuvo lugar en Stellenbosch, Sudáfrica, el 9o Taller/Congreso de Óptica Adaptativa al cuál tuve el placer de poder asistir.
Óptica Adaptativa
Microscopios, telescopios, objetivos de las cámaras de fotos (las profesionales, las de nuestros móviles...), nuestros ojos... todos ellos están diseñados para formar imágenes. La luz llega al sensor digital, o a la película fotográfica o a nuestra retina tiene que atravesar muchos medios que distan de ser perfectos (ópticamente hablando). Pensemos por ejemplo, para abrir el apetito científico, en un telescopio profesional. La luz de las estrellas antes de llegar a las avanzadas y carísimas cámaras de estos gigantes tiene que revotar en el espejo primario, en el espejo secundario y atravesar las lentes que hacen las veces de ocular, a veces incluso una lámina correctora a la entrada del telescopio. Todos los elementos ópticos por los que la luz tiene que pasar y por los que tiene que reflejar que conforman telescopio están diseñados de manera inteligente pero... ¿y la atmósfera?
La Óptica Adaptativa se entiende como cualquier conjunto de elementos ópticos destinados a manipular, corregir o compensar las aberraciones ópticas. A día de hoy se ha convertido en una herramienta indispensable para alcanzar la máxima resolución posible con un sistema óptico, ya sea telescopio, oftalmoscopio o microscopio. En los últimos tiempos esta tecnología se está aplicando a la óptica del ojo humano.
La Óptica Adaptativa se entiende como cualquier conjunto de elementos ópticos destinados a manipular, corregir o compensar las aberraciones ópticas. A día de hoy se ha convertido en una herramienta indispensable para alcanzar la máxima resolución posible con un sistema óptico, ya sea telescopio, oftalmoscopio o microscopio. En los últimos tiempos esta tecnología se está aplicando a la óptica del ojo humano.
Frente de onda y Aberración de onda
Para manipular, corregir o compensar las aberraciones ópticas primero debemos saber qué son y cómo se miden.
Desde un punto de vista geométrico se define el frente de onda como la superficie que forman, en la propagación de la luz, los rayos con igual camino óptico. A modo de ejemplo, imaginad que tenemos encendemos una bombilla. En ese instante la luz empezará a propagarse en todas direcciones. Si pudiésemos unir todas las partículas de luz que han salido a la vez de la bombilla estaríamos dibujando el frente de onda en un instante concreto.
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| Figura 1. Frentes de onda esféricos provocados por la perturbación de una gota en el agua. |
La aberración de onda se define como la diferencia entre el frente de onda ideal (normalmente plano) y el frente de onda real. Esta aberración se expresa como una función de onda y ésta se define en la pupila de salida del sistema óptico.
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| Figura 2. Definición gráfica de aberración de onda. |
Manipulación
Para manipular el frente de onda se pueden utilizar dos elementos: espejos deformables y moduladores espaciales de cristal líquido.
Los espejos deformables están formados por una membrana reflectante muy fina. Esta membrana se coloca encima de un conjunto de electrodos (actuadores) sobre los cuales se aplica un potencial eléctrico que deforman el espejo para modificar el frente de onda (en este caso el camino óptico) del haz que incide en el mismo.
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| Figura 3. Espejo deformable y modulador de cristal líquido. |
Los moduladores espaciales de cristal líquido son dispositivos compuestos por moléculas con forma alargada altamente anisótropas. Debido al alto momento bipolar que presentan, su orientación puede controlarse mediante campos eléctricos. Este cambio de orientación produce un cambio en el índice de refracción y en definitiva un cambio en el camino óptico del haz que lo atraviesa.
Medición
El frente de onda se mide (existen otros métodos menos precisos que no comentaré aquí) con un sensor de Shack-Hartmann (llamado así por sus creadores). Este ingenioso dispositivo funciona de la siguiente manera. Imaginad que colocásemos delante de un sensor de cámara digital una matriz de microlentes todas separadas a la misma distancia entre ellas. Si el frente de onda que llegase a las microlentes fuese plano (libre de aberraciones) todas las lentes crearían un patrón de puntos en el sensor, todos a la misma distancia unos de otros. Sin embargo, si el frente de onda no es plano (está aberrado) cada punto se desplazará de la posición ideal. Todo esto se ve resumido en la siguiente imagen.
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| Figura 3. Izquierda: esquema del funcionamiento del sensor S-H. Derecha: imágenes recogidas por el sensor. |
Para los que tengáis conocimientos de matemáticas podréis suponer que el desplazamiento que sufren los puntos con respecto al lugar ideal donde deberían estar está relacionado con la derivada del frente de onda en ese punto. Es justamente esto lo que nos permite reconstruir el frente de onda.
Métodos
Existen dos métodos para manipular el frente de onda, el llamado método directo y el método indirecto (también llamado sensorless). Ambos métodos funcionan en bucle cerrado (se mide, se corrige, se vuelve a medir, se vuelve a corregir...).
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| Figura 4. Métodos de manipulación/corrección del frente de onda |
El método directo utiliza un sensor de frente de onda y sobre la información del mismo se manda información al espejo deformable o modulador espacial para corregirlo. Por otro lado, el método indirecto no utiliza sensor de frente de onda. En su lugar este método trabaja para mejorar una métrica concreta del a imagen obtenida, por ejemplo la intensidad de la imagen: se mide la intensidad total registrada en la imagen, se modifica mediante algún algoritmo el frente de onda, se vuelve a medir la intensidad para ver si mejor a o empeora... así hasta alcanzar el máximo de intensidad.
Aplicaciones de la Óptica Adaptativa
Astronomía
La óptica adaptativa se desarrolló para conseguir mejoras en imágenes astronómicas. El objetivo de estos sistemas es (como se puede haber intuido al principio de la entrada) el de compensar las perturbaciones producidas por la atmósfera en tiempo real.
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| Figura 5. Esquema de la corrección del frente de onda en una imagen astronómica. |
Microscopía
Este tipo de tecnología se está volviendo en un estándar a la hora de obtener imágenes de microscopía. Así, la corrección o inducción de aberraciones se ha convertido en una herramienta casi esencial para alcanzar la máxima resolución posible.
Ejemplos del uso de óptica adaptativa en microscopía son varias. A continuación nombro unas pocas:
- Corrección de las aberraciones inducidas por la propia óptica del microscopio.
- Corrección de
Óptica clínica
Como todas las tecnologías desarrolladas para la industria de la exploración espacial era cuestión de tiempo que éstas también llegaran a nuestros "hogares", al igual que ya pasase con los LCD y las cámaras CCD.
Uno de los ejemplos de esta tecnología que en poco tiempo estará muy cerca de nosotros es el Foróptero avanzado, también llamado simulador visual, desarrollado por el Laboratorio de Óptica de la Universidad de Murcia y comercializado por Voptica, una Spin off de la misma universidad.
Uno de los ejemplos de esta tecnología que en poco tiempo estará muy cerca de nosotros es el Foróptero avanzado, también llamado simulador visual, desarrollado por el Laboratorio de Óptica de la Universidad de Murcia y comercializado por Voptica, una Spin off de la misma universidad.
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| Figura 6. Esquema del simulador visual. |
En la figura anterior se pueden observar los elementos principales de este simulador visual. Este aparato permite grandes avances en mediciones que hasta ahora se realizan (y muchas tendrán que seguir realizándose) en un foróptero, un aparato cuyo funcionamiento no se ha visto modificado desde hace ya casi un siglo.
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| Figura 7. Foróptero tradicional utilizado en ópticas y clínicas oftalmológicas para la medida de estado refractivo, forias, vergencias, amplitud acomodativa... |
Las ventajas del simulador visual van más allá:
- Simulación visual: El foróptero avanzado permite mostrarle al paciente una escena a través de cualquier óptica simulada mediante su frente de onda. Por ejemplo, se le podría mostrar a un paciente con una alta miopía cómo vería un paisaje si se le colocase una lente intraocular sin necesidad de ningún tipo de operación, simplemente simulando e integrando en los moduladores espaciales el perfil de frente de onda resultante, calculado mediante la medida del frente de onda del ojo del paciente y las características ópticas de la lente intraocular.
- Ensayos clínicos: Siguiendo la misma filosofía que en el punto anterior, mediante esta tecnología se pueden hacer simulaciones visuales de un perfil de lente novedoso del cuál sólo se ha desarrollado el concepto. Se puede por ejemplo pensar en el desarrollo de una lente para aumentar la profundidad de campo de un paciente con presbicia y probar ese mismo día "la lente" en el paciente y comprobar si la idea tiene futuro. Esto es un avance importantísimo ya que hoy en día es necesario crear el prototipo, fabricarlo y realizar ensayos clínicos antes de probar el funcionamiento de la lente. Esto conlleva mucho tiempo y dinero y en un gran número de casos al llegar a los ensayos clínicos se observa que la lente no funcionaba como se quería, lo que se traduce en tener que volver a empezar todo el proceso.
- "Graduación avanzada": en el marco de la optometría se podría resumir este punto como la unión casi perfecta entre los autorefractómetros actuales, los aberrómetros y la potencia de un test subjetivo. Es también posible estudiar forias y vergencias mediante la adición de prismas virtuales a los moduladores espaciales, sin embargo no tengo constancia de que esto se haya hecho hoy en día. De todas maneras el principal inconveniente en este y otros aspectos radica en que las condiciones de este simulador (mirar dentro de una caja y que los objetos provengan de pantallas) son bastante alejadas de la visión natural, algo que en estos últimos aspectos estoy convencido de que tiene que tener un impacto no despreciable.
