Wavefronts and the limits of human vision Part 1: fundamentals

A luz se propaga uniformemente a partir de um ponto luminoso na mesma velocidade em todas as direções. Sua posição em cada determinado momento é uma esfera formada juntando-se todos os pontos em uma mesma fase e tendo como centro a sua própria fonte. Tais superfícies esféricas imaginárias chamam-se frentes de luz ou frentes de ondas. Há três fatores limitadores de detalhes mais finos para o olho humano: óptico (por causa da dispersão, difração, aberração cromática e aberração monocromática), retínico e neural (limitação máxima de acuidade visual de aproximadamente 2,0 ou 20/10).Um sistema de equações matemáticas, polinômios de Zernike, pode definir superfícies geométricas para descrever aberrações ópticas monocromáticas, tanto as de baixa ordem ('prisma', 'esfera' e 'astigmatismo'), quanto às de alta ordem ('coma', 'aberração esférica' e outros). Medida das aberrações ópticas nos dá informação sobre o desempenho total de todos os elementos ópticos do olho em conjunto. Dois sistemas descritos aqui, o aberrômetro baseado no princípio de Tscherning e o originado do sensor Hartmann-Shack, têm a mesma lógica: comparar a posição atual das frentes de onda com a ideal, calcular matematicamente qual é a superfície geométrica que descreve essa discrepância e representá-la em termos de polinômios de Zernike. A topografia corneana computadorizada também pode, com "software" adequado, descrever as frentes de ondas definidas por irregularidades corneanas com polinômios de Zernike, porém tal caracterização representa somente a superfície anterior da córnea. Em conclusão, a tecnologia de frentes de ondas oferece nova maneira de quantificar e classificar os erros de imagem óptica do olho humano. O próximo artigo abordará as peculiaridades da análise de frentes de ondas, bem como algumas aplicações clínicas e cirúrgicas no dia-a-dia da prática oftalmológica.Light spreads out uniformly at the same speed in all directions. Its position at any given moment is a sphere that connects all the corresponding phase points, having the source at its center. Such imaginary spherical surfaces are called light fronts or wavefronts. There are three principal factors that limit the finest details an eye can see: optical (due to scattering, diffraction, chromatic and monochromatic aberration), retinal and neural factors (limiting visual acuity to an approximate maximum of 20/10 or 2.0). A mathematical system, the Zernike polynomials, can define geometrical surfaces in order to describe the monochromatic aberrations, both for the lower order aberrations ('prism', 'sphere' and 'astigmatism') and the higher order ones ('coma', 'spherical aberration' and others). The wavefront measures the performance of the whole optical system of the eye. Both systems described herein, the aberrometer based on the Tscherning principle and the one originated from the Hartmann-Shack sensor, start from the same logic: to compare the actual position of the wavefronts with the ideal one, calculate mathematically the geometrical surface that describes that discrepancy and represent it in the terms of the Zernike polynomials. Corneal topography measurement, with adequate software, can also express the wavefront, caused by the corneal irregularities, with the Zernike polynomials, but it still represents the anterior corneal surface only. Wavefront technology offers a new way to quantify and classify optical imaging errors of the human eye. The next article will deal with the peculiarities of the wavefront analysis, as well as with some of the clinical and surgical applications to the day-to-day ophthalmic practice