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Óptica Fisiológica. Tema III: La calidad de la imagen: agudeza visual Adelina Felipe Marcet TEMA III LA CALIDAD DE LA IMAGEN: AGUDEZA VISUAL
I - Punto de fijació, línea de mirada y ejes del ojo II - Distribución de fotorreceptores en la retina III - El Campo visual IV - Las aberraciones en el ojo V - La agudeza visual como medida de la calidad óptica del ojo V.1 - El límite de la visión espacial V.2 - Definiciones de Agudeza Visual V.3 - Tareas de agudeza visual y optotipos VI - Factores que afectan a la medida de la agudeza visual VI.1. - Factores del estímulo IV.1.1. - Luminancia IV.1.2. - Contraste IV.1.3. - Tiempo de exposición IV.1.4. - Composición espectral de la luz VI.2. - Factores ópticos IV.2.1. - Desenfoque IV.2.2. - Pupila (Difracción) IV.2.3. - Acomodación VI.3. - Factores neurales IV.3.1. - Mosaico de receptores IV.3.2.- Adaptación IV.3.3. - Localización retineana VI.4. - Otros factores
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I - Punto de fijació, línea de mirada y ejes del ojo En la zona central de la retina existe una depresión llamada fóvea con un radio aproximado de 0'75 mm. La zona central con sólo 0'3 mm de diámetro se denomina foveola y en el centro de la misma, se forma la imagen del punto de fijación, alrededor del cual se ordenan los demás objetos del campo visual. El punto de fijación está bien definido siempre pues, aunque no se pueda separar anatómicamente dos conos para definir el conjugado de dicho punto, siempre que dos puntos sean separables se sabe perfectamente cúal de ellos se está utilizando como punto de fijación. Helmholtz demostró que el punto de fijación no está sobre el eje óptico del ojo, de ahí que sea necesario introducir otros ejes además del óptico.
Figura 1.- Esquema de los ejes del ojo. curvatura de la córnea. S: vértice corneal. C: centro de la zona óptica. P: polo oftalmométrico. El punto nodal objeto N coincide prácticamente con el centro de
El eje óptico: ya se dijo en el tema anterior que los centros de curvatura de las superficies de la córnea y el cristalino no están alineados por lo que es difícil definir el
P.E N N'
Fóvea
lado nasal
lado temporal
papila
eje óptico eje pupilar
línea principal de mirada
eje visual
S
P
C
χ^ α
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Eje pupilar: Es la línea normal a la córnea pasando por el centro de la PE. Su
intersección con la córnea es el centro C de la zona óptica. Se llama χ al ángulo entre el
eje pupilar y la línea de mirada, suele ser ligeramente menor que α pero la diferencia es
despreciable y, en la práctica, se mide χ.
II - Distribución de fotorreceptores en la retina
Es sabido que existen básicamente dos tipos de fotorreceptores en la retina: los
conos y los bastones. Cada uno de ellos presenta características estructurales y de
funcionamiento diferentes a las del otro, esto hace que existan en la retina zonas
especializadas en ciertas tareas o que presentan determinado tipo de respuestas según
en ellas predominen los conos o los bastones.
Los conos abundan en la fóvea y son escasos en la periferia (Figura 2). Son de
menor diámetro que los bastones de ahí que proporcionen en esa zona central de la
retina una buena visión de detalles espaciales. En la foveola es donde su concentración
es mayor y su diámetro más fino (1'5 micrometros) por ello es la región retiniana de
mayor agudeza visual. Los conos responden en condiciones de visión diurna y son
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sensibles al color, ya que existen tres clases de conos con diferentes curvas de
sensibilidad espectral, cuyos máximos de sensibilidad corresponden a los colores rojo,
verde y azul (Figura 3).
Figura 2 .- Distribución de fotorreceptores
Los bastones presentan una mayor sensibilidad a la luz y responden en
condiciones de visión nocturna. En el centro de la retina hay una zona de 0'5 a 0'6 mm
de diámetro (aproximadamente 1º) que está libre de bastones. Éstos están distribuidos
por la extrafóvea, encontrándose la máxima concentración a 20º del centro de la fóvea
(Figura 2). Los bastones son ciegos al color, y debido a su mayor diámetro
proporcionan una agudeza visual baja.
La distribución de fotorreceptores en la retina da lugar, como se ha dicho
anteriormente, a las distintas características que presenta la visión central (o foveal)
respecto a la visión periférica (o extrafoveal). La Visión central se caracteriza por una
buena Agudeza Visual (visión de pequeños detalles espaciales) baja sensibilidad a la luz
y por tener visión de colores. La visión periférica, por el contrario, presenta una mayor
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no hay fotorreceptores. Ocupa un área de 5º en dirección horizontal y 7º en la dirección
vertical, siendo 15º la separación entre el centro de la fóvea y el de la pápila.
IV - Las aberraciones en el ojo
Si nos limitamos a la visión foveal, lo que equivale a reducir el campo de visión
a 1º, y además consideramos visión diurna (con pupila menor de 3mm) estaríamos
prácticamente en condiciones paraxiales. Sólo tendríamos que preocuparnos de la
aberración cromática y de un pequeño desenfoque debido a la aberración esférica
residual por el tamaño de la pupila.
Aberración cromática: Dado que todos los medios son dispersivos, excepto el
vacío, esta aberración es inevitable. Se pone de manifiesto cuando utilizamos luces
monocromáticas, siendo posible medir la cantidad de aberración del ojo para cada uno
de los colores. Así se sabe que el ojo con longitudes de onda cortas (luz azul) resulta
miope de -1 dioptría e hipermétrope de +0'5 dioptrías para las largas longitudes de onda
(luz roja), siendo emétrope aproximadamente para las longitudes de onda medias
(colores verde-amarillo). Cuando utilizamos luz blanca, considerando la sensibilidad
espectral del ojo y el efecto de la mácula, las consecuencias de esta aberración quedan
reducidas. No obstante, para determinadas experiencias en que se requiera mucha
precisión habrá que compensar el efecto de esta aberración.
Aberración esférica: El efecto de esta aberración consiste, como sabemos, en que
la imagen de un punto es un círculo de desenfoque. Cuanto mayor es el tamaño de la
pupila mayor es el desenfoque en la imagen lo cual resta resolución (agudeza visual) al
sistema. Esta aberración comienza a afectar en visión foveal para valores del diámetro
pupilar superiores a 2'5 mm.
Astigmatismo por incidencia oblicua, coma, curvatura de campo y distorsión:
Óptica Fisiológica. Tema III: La calidad de la imagen: agudeza visual Adelina Felipe Marcet Estas aberraciones, cuando la abertura tiene un valor pequeño y permanece
constante, comienzan a tener importancia cuando se extiende el campo de visión, de
modo que su valor aumenta con el valor del campo. En visión foveal (campo central de
1º) su efecto de estas aberraciones es mínimo y por ello, no afectan al buen nivel de
agudeza visual que se consigue en la fóvea.
En visión extrafoveal o periférica, su efecto se hace cada vez mayor a medida
que nos separamos del centro de la retina. Sin embargo, debido al bajo valor de la
sensibilidad espacial (baja AV) en esa zona de la retina, no resultan perjudiciales los
efectos de desenfoque. En segundo curso se estudiarán con más detalle las propiedades
de la visión humana, pero recordemos aquí que la visión extrafoveal es una visión de
bajas frecuencias espaciales (visión "de bulto", en lenguaje ordinario) y que cuando
deseamos ver con detalle algún objeto periférico que atrae nuestra atención volvemos la
cabeza y lo enfocamos en la fóvea, única zona de nuestro campo visual donde es posible
una calidad de imagen suficientemente alta. La aberración de curvatura de campo, no
afecta de forma importante debido a la curvatura del plano imagen y a la costumbre del
ojo a la curvatura de la bóveda celeste.
V - La agudeza visual como medida de la calidad óptica del ojo
V.1 - El límite de la visión espacial La existencia de un límite en la visión espacial, y la dependencia de éste de
múltiples factores, es un hecho cotidiano y bastante conocido. Imaginemos que vemos
un cartel fijo sobre una pared. Supongamos que la cabecera del cartel es una frase
escrita con letras grandes y que le siguen distintos párrafos escritos sucesivamente con
letra cada vez más pequeña. Si de lejos hemos leido la primera frase y nos ha interesado,
nos acercaremos para leer los párrafos siguientes ya que de lejos hemos conseguido
Óptica Fisiológica. Tema III: La calidad de la imagen: agudeza visual Adelina Felipe Marcet V.2 - Definiciones de Agudeza Visual La agudeza visual es una medida de la capacidad del sistema visual para
detectar, reconocer o resolver detalles espaciales, en un test de alto contraste y con un
buen nivel de iluminación. Tener una buena agudeza visual, significa que el sujeto es
capaz de apreciar pequeños detalles de una imagen, mientras que una mala agudeza
visual implica que el sujeto aprecia solamente gruesos rasgos en la imagen.
Para establecer la agudeza visual, se le presentan al observador, a una
distancia fija, varios tests de alto contraste con distintos tamaños. El tamaño del test más
pequeño (o bien, determinado detalle de un test) que el obsevador es capaz de detectar,
o reconocer (depende de la tarea asignada al sujeto) se toma como valor umbral, y se
suele expresar en minutos de arco. Expresar el tamaño del objeto por el valor del ángulo
visual u, en lugar de dar el tamaño lineal, y, tiene la ventaja de que el umbral resulta
independiente de la distancia.
Existen diferentes formas de expresar la agudeza visual, a continuación
trataremos de cada una de ellas.
Agudeza decimal: Es la inversa del ángulo u expresado en minutos V = 1 / u (min.) (1) Se le llama así por ser su valor un número decimal. Valdrá la unidad cuando u =
1 minuto. El valor V = 1 se toma como valor normal de la agudeza visual en esta
notación decimal. Cuanto menor sea el detalle que es capaz de apreciar el sujeto, mayor
será el valor de su agudeza visual.
En la práctica los test se diseñan de manera que el menor detalle es 1/5 de
su tamaño. Por esta razón a veces se define la agudeza decimal como V = 5/u donde u
representa aquí el tamaño del test más pequeño detectado, y no el detalle más pequeño
que sería 5 veces menor.
Óptica Fisiológica. Tema III: La calidad de la imagen: agudeza visual Adelina Felipe Marcet Logaritmo MAR: En esta escala, la agudeza es el logaritmo del tamaño
angular, en minutos de arco, del detalle más pequeño reconocido por el sujeto. (Véase
carta de letras en la Figura 3.). La notación es:
V = log MAR (2)
donde MAR significa mínimo ángulo de resolución. Con esta notación, el detalle que
subtiende un minuto daría lugar a una agudeza log MAR = 0 y el detalle que subtiende
10 minutos de arco daría log MAR.
Agudeza Snellen: La agudeza también puede expresarse por la fracción de
Snellen.
v = a / ao (3)
donde a es una distancia standard a la que se coloca la carta conteniendo los tests de
tamaño progresivamente decreciente y ao es la distancia a la cual el test más pequeño
reconocido por el sujeto a la distancia standard subtendería u = 1 minuto.
De la Figura 4, es fácil comprobar que esta definición es equivalente a la
agudeza decimal si se hace la aproximación de sustituir los ángulos por las tangentes.
En efecto:
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a las que el experimentador deseaba dirigir su medida de la agudeza; es decir que del
planteamiento u orientación que se da a la experiencia dependerá la tarea que se asigne
al observador y la elección del optotipo adecuado. Asi, por ejemplo, para la astronomía
era interesante averiguar la separación mínima entre dos estrellas para que un
observador las percibiera separadas, ( mínimum separable ); en otros estudios se buscaba
en cambio el mínimo tamaño necesario para decidir si un objeto está o no en el campo
visual y, también podemos encontrar experiencias cuyo objetivo era determinar el
minimo tamaño de un objeto para ser reconocido. Este último caso se correspondería
con el uso del conocido optotipo de letras.
Las distintas tareas que se pueden aplicar a un observador para
determinar su agudeza visual las podemos resumir en: a) detección : consiste
simplemente en decir si el optotipo está o no presente en el campo visual, se trata del
problema del minimum visible; para estas medidas suelen utilizarse dos clases de
optotipos: objeto luminoso sobre fondo oscuro (estrellas) donde interviene tanto el
mínimo tamaño del objeto como la mínima cantidad de luz, y objeto oscuro sobre fondo
luminoso (caso del alambre fino) b) reconocimiento : el observador tiene que nombrar el
test objeto, o bien especificar alguna de sus características (p.e. su orientación), los
optotipos má utilizados en esta tarea son el anillo de Landolt y las letras de Snellen,
como ejemplo vemos en la Figura 3 algunas cartas. c) resolución : el observador tiene
que percibir una separación entre elementos del optotipo. La Figura 5 muestra los
optotipos utilizados para esta tarea.
VI - Factores que afectan a la medida de la agudeza visual
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Cuando nos planteamos la medida de la agudeza visual de un sujeto, existe un buen número de parámetros que es necesario conocer (o fijar) de antemano, pues del valor que éstos tengan (o les asignemos) depende, a veces mucho, el resultado de la agudeza medida. Por esta razón es importante analizar por separado el efecto sobre la agudeza, de cada uno de los principales factores que pueden llegar a convertirse en el factor determinante de su valor. Para ordenar de alguna manera este conjunto de factores los agrupamos en cuatro grupos o categorías siguiendo el criterio que explicamos a continuación. En el primer grupo incluiremos aquellos factores que constituyen una característica del estímulo que se utiliza: nivel de luminancia, contraste, duración del estímulo o tiempo de exposición y distribución espectral de la luz (color). El segundo grupo lo forman lo que podríamos denominar factores ópticos ya que son característicos de la parte óptica del sistema visual: desenfoque, pupila y estado de acomodación. El tercero sería el grupo de factores neurales: mosaico de receptores, estado de adaptación y, localización del estímulo o extrafovealidad. Por último trataremos brevemente de otros factores, como la edad del sujeto y otros de tipo subjetivo.
IV.1. Factores del estímulo En general, ya se ha comentado que la elección de tarea y optotipo es un codicionante fundamental en las medidas de agudeza. Cada factor de los que vamos a analizar puede tener un efecto diferente sobre los distintos optotipos o tareas. Por ello, antes de comenzar este análisis de factores podríamos preguntarnos con cuál de los optotipos más clásicos se obtiene una mejor medida de la agudeza visual, es decir podríamos tratar de establecer una comparación entre los valores de la agudeza que se obtienen con los distintos optotipos. Sin embargo esta pregunta no tiene una respuesta simple, como ya podíamos suponer, precisamente por la gran variedad de situaciones que pueden presentarse según los valores que tomen los distintos parámetros en cada experiencia. A modo de ejemplo, se puede afirmar, que el anillo de Landolt da una
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se han divulgado se acepta una miopía de -1 dioptría a 10-2 cd/m2 y de -2 dioptrias hacia 3.10-5^ cd/m2. Con sujetos que poseen sólo la visión de bastones, se ha comprobado midiendo la variación de la agudeza con la luminancia, que la curva que se obtiene es la escotópica y que se prolonga al aumentar la luminancia y tiene un valor asintótico en V = 0.20 aproximadamente. En la Figura 6 se comparan los resultados de la tarea de reconocimiento (anillo de Landolt) con los de resolución (red o mira de Foucault). Tal como habíamos señalado anteriormente al comparar ambos optotipos, aquí se observa que ambas curvas se cruzan alrededor de 10 cd/m2. En la definición de agudeza visual se explicita que es una magnitud relativa a tests de alto contraste y con un buen nivel de iluminación. Lo cual es coherente con el concepto de agudeza como el límite máximo de la visión espacial, ya que eso implica que la medida se realice en las condiciones más favorables (máxima visión). La luminancia standard recomendada para medidas de agudeza es 85 cd/m2.
IV.1.2. Contraste Por lo dicho en el párrafo anterior, no tiene mucho sentido hablar de agudeza con baja luminancia o bajo contraste; sin embargo, conocer como varía el valor de la agudeza al disminuir el contraste o la luminancia, sí aporta datos muy interesantes que ayudan a comprender el comportamiento del sistema visual. Cuando se mide la agudeza de un observador sea para aplicaciones clínicas o de otro tipo, se utilizan optotipos de trazos negros sobre fondo blanco, de modo que presentan un contraste alrededor de 0. (en la práctica es casi imposible alcanzar el contraste unidad). La iluminación ambiente puede actuar de velo reduciendo el contraste. En cualquier caso, hay que cuidar que el contraste del optotipo nunca esté por debajo del valor 0.85. Al tratar sobre la tarea de detección ya se dijo que éste es un problema que puede ser abordado desde el punto de vista de los umbrales de discriminación de luminancia, ya que en realidad se trata de que exista una disminución en la iluminación retineana que se pueda percibir (caso del fondo blanco y punto oscuro, por ejemplo).
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Considérese que aunque el contraste entre el test y el fondo sea de 0.95, en la retina el contraste será menor teniendo en cuenta los efectos de la difracción, las aberraciones y la difusión de la luz.. Por esta razón, cuando se determina la agudeza haciendo variar el contraste entre el test y el fondo, tenemos una situación en la que se solapan dos características distintas del sistema visual: la agudeza visual y la discriminación (o umbral diferencial) de luminancia. En la detección de lineas finas al variar el contraste, se encuentra que una línea fina que tiene un alto contraste con respecto al fondo y una línea más ancha de menor contraste se detectan con la misma facilidad siempre que el contraste sea el mismo en sus imágenes retineanas. Sin embargo, en la detección de pequeños círculos la detección no depende de una igualdad en el contraste respecto del fondo sino de una igualdad en la variación total del flujo de luz que alcanza la retina, o en otras palabras, del producto del contraste por el área. Así un círculo pequeño de alto contraste respecto del fondo se detecta con la misma facilidad que un círculo más grande de menor contraste, siempre que la diferencia total en el flujo sobre la retina sea el mismo para las dos imágenes retineanas, aunque es sabido que la imagen retineana del círculo pequeño, tiene contraste más alto que la de un disco mayor de la misma detectabilidad. Lo que acabamos de afirmar sobre la detectabilidad de círculos, tiene su equivalencia en una afirmación que se hizo al hablar de umbrales diferenciales: La fracción de Weber ( L / L) es inversamente proporcional al área del test, siempre y cuando dicha área (circular o no) sea suficientemente pequeña como para que estemos en la zona de sumación total. Usando test rectangulares, se ha comprobado que se cumple la reciprocidad entre el área del test y ΔL /L mientras que el largo y el ancho del test sean inferiores a 2 minutos de ángulo subtendido. Cuando las dimensiones del test son mayores se ha demostrado que la detección depende del perímetro del test y no de su área. El problema es mucho más complejo cuando se trata de las tareas de resolución y de reconocimiento. No obstante, puede afirmarse que en general la agudeza visual disminuye con el contraste, con una dependencia aproximadamente lineal con Log C o
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donde: k' = π a2/4k(3438)2, relación que se cumple con altos niveles de luminancia y pequeños tiempos de exposición. En la tarea de resolución cuando la luminancia es alta (de 100 cd/m2 en adelante) también la influencia del tiempo de exposición es importante pero sólo con tiempos inferiores a 0.1 segundos aproximadamente. Con tiempos mayores la influencia se va haciendo despreciable. Sin embargo, con luminancias menores Graham y Cook (1937) muestran, utilizando redes, que la relación entre la agudeza visual y el logaritmo del tiempo de exposición es una sigmoide. Es decir, tanto para tiempos muy bajos como muy altos, la agudeza tendería a un valor asintótico, teniendo lugar la variación significativa de la agudeza con el tiempo de exposición en el intervalo entre 0.1 y 1 segundos aproximadamente.
IV.1.4. Composición espectral de la luz La agudeza visual es la misma con luz blanca que con luz coloreada de cualquier longitud de onda según los resultados de numerosos autores (Macé de Lépinay y Nicati, 1881 y 1883; König, 1897; Arnulf y Flamant, 1950). Sin embargo König (1903) y Roaf (1930) encuentran una agudeza menor para el azul que para las otras longitudes de onda o el blanco. Otros resultados señalan que la agudeza es mejor con luz blanca que con cualquier otro color excepto quizá el amarillo (entre ellos Shaler, Smith y Chase, 1942). Cuando se determina la agudeza visual a largas distancias (acomodación despreciable), es evidente que la aberración cromática axial (ACA) produce un notable desenfoque en el extremo azul del espectro y, en consecuencia, los valores de la agudeza en esa zona son más bajos. Sin embargo, en esa situación, la diferencia obtenida entre el azul y otros colores puede considerarse como una medida del efecto del ACA, pero no como una variación de la agudeza con la longitud de onda de la luz. Recientemente, Capilla, Felipe, Pons y Artigas(1993) y Domenech y otros (1994), compensando adecuadamente la ACA y comparando las agudezas al mismo
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nivel de iluminación retineana, demuestran que todavía se obtienen valores ligeramente inferiores de la agudeza visual con el color azul, mientras que las agudezas del rojo y del verde son idénticas a la obtenida con luz blanca. No obstante, el valor asintótico de la agudeza que se obtiene a partir de una cierta iluminación, sí que es el mismo para todo el espectro e igual al blanco, aunque el azul alcanza dicho valor para una iluminación algo más alta. En definitiva, cuando la agudeza se determina en condiciones estandar (con iluminación suficientemente alta) el valor que se obtiene es básicamente el mismo para todos los colores, como se mostraba en los trabajos clásicos.
IV.2. Factores ópticos Consideremos ahora un estímulo que reuna las condiciones óptimas para que el observador pueda apreciar en él detalles espaciales pequeños. Teniendo en cuenta lo expresado en el apartado anterior, esto significa un estímulo con altos niveles de luminancia y contraste, que se observa durante un tiempo no limitado, de modo que sea posible obtener con él una buena agudeza visual. Dado el estímulo, el siguiente paso en el camino hacia la percepción consiste en la formación de la imagen óptica del mismo. Centrando nuestra atención solamente en este paso, ignorando de momento influencias anteriores o posteriores, que ya se han analizado o bien se analizarán, es inmediato llegar a la conclusión de que la agudeza visual debe depender directamente de la fidelidad con que la óptica del ojo pueda reproducir el estímulo objeto en su correspondiente imagen retineana, ya que podemos pensar que una "buena" imagen conservará toda (o gran parte) de la información espacial contenida en el objeto. Obsérvese que implícitamente estamos utilizando un concepto de "calidad de imagen", entendiendo por imagen buena aquella que no ha perdido (o casi) la información espacial que contenía el objeto. En los tratados sobre formación de imágenes o instrumentos ópticos, suele decirse que no es fácil definir la calidad de imagen de forma general, pues depende del tipo de aplicación que se quiera dar a esa imagen. Es muy diferente el concepto de calidad cuando se persiguen fines
