1

Measurements of Contrast Sensitivity Function in laser light

Katarzyna Sarnowska-Habrat

*

, Bogusława Dubik, Marek Zając

Institute of Physics, Wrocław University of Technology

ABSTRACT

Visual quality depends on many factors of different nature and therefore it is not easy to define. To describe the

vision quality we use several parameters such as: visual quality, resolution, contrast sensitivity function (CSF). The
authors investigation is especially concentrated on the CSF. There are two important factors affecting character of CSF.
One of them is connected with the Optical Transfer Function (OTF) of the eye and the second with the retinal response.

Typically CSF is measured in incoherent light. Due to it is dependence on both above mentioned factors

simultaneously it is impossible to extract the information about the eye optical system only. The authors hope that
additional information given by CSF measured in coherent light helps to solve this problem.

Key words: vision quality, Contrast Sensitivity Function, laser light.

I. INTRODUCTION

Estimation of imaging quality is one of the most important problems in optic of vision. The crux of the matter lies

in the fact that vision quality depends on so many factors. They are, among others, quality of imagine formed by the
optical system of on eye (retinal image), detection of this image by the retina, preprocessing of the neural signals and
their transmission from the retina to brain, and finally the interpretation of these signals by visual cortex [1, 2, 3].

The quality of retinal image can be described using such, defined in physical optics, parameters as Point Spread

Function, aberrations or Optical Transfer Function. Well know models explain resolution limits as well as contrast
degradation in the image of periodic test of high spatial frequency. These models do not include, however, the influence
of the rest of mentioned above factors influencing vision. At list one of them has be taken into account. We mean
processing of impulses produced by individual cones signal by retina neurons [4, 5]. The magnitude of a signal
generated by ganglion cells is spending on comparison of impulses originated from retinal excitation field and
inhibition field performed by horizontal cells (Fig.1).

Fig. 1. Detection of light in the retina and preprocessing of neural signals (adapted from [3])

* [e-mail], Institute of Physics, Wrocław University of Technology, Wyspiańskiego 27, PL 50-370 Wrocław, Poland

2

If the light intensity distribution on the retina has a form of periodic fingers then the retinal response depends on

spatial frequency and contrast of these fringes. For spatial frequency corresponding to typical size of excitation field it
is magnitude is the greatest. If fringes frequency is substantially lower or higher then signal sent to brain is less
intensive. This model explains relatively low sensitivity of the eye for periodic objects of low spatial frequency (Fig. 2).

Fig. 2. The retinal response

Both mechanisms mentioned above: contrast degradation in retinal image of high frequency periodic objects and

dependence of retinal sensitivity on spatial frequency of such object are reflected in Contrast Sensitivity Function
(CSF). It is defined as the dependence of the lowest recognized contrast of periodic test-object presented to the
investigated person versus spatial frequency. Typical shape of the CSF is presented in the Figure 3. For spatial
frequencies varying about several lines per degree the eye sensitivity is the highest. It falls down for lower spatial
frequency due to lower sensitivity of retina and for higher spatial frequencies due to blurring of retinal image.

Fig. 3. Typical shape of Contrast Sensitivity Function

depending mainly
on retinal response

depending
mainly on
eye OTF

Spatial Frequency [c/deg]

Contrast Sensitivity

Retinal response:
low high low

3

II. MEASUREMENT

The procedure of CSF measurement is based on presenting periodic tests of different spatial frequencies and

contrast to the tested person and asking whether he/she can recognize the test structure (orientation fringes). To this end
simple test plates printed on the white paper used typically [6]. Due to limited number of individual test patterns the
accuracy of such measurement is not great. In the other measurement method a cosinusoidal pattern generated on the
computer screen is used [7, 8]. In this case limited number of gray levels and size of particular pixels also limits the
measurement’s accuracy.

Fig. 4.

As a better solution the use of fringed interference field obtained in any interferometric device as a test object can be

proposed. In this paper we used a Macha-Zehnder interferometer for generating light field of cosinusoidal modulation
(Figure 5). Fringe spacing and direction were changed by tilting one of the mirrors and fringe contrast by rotating s a
polarizer inserted in one of the interferometer’s arms. As light sources lasers giving light of wavelengths

λ

1

=633 nm or

λ

2

=532 nm were used.

Fig. 5. The experimental setup (Ob-objective, M-mirror, P-polarizer, BS-beam splitter)

The investigated person was seated before the interferometer and was asked to observe the fringes from the distance

about L=35 cm (for near vision) (Fig. 6). The head was kept by a chin-rest and one eye was covered. The measurement

4

strategy consisted on slow increase of the fringe contrast until the investigated person could recognize the test pattern (it
is orientation). To avoid errors caused by “learning” both direction and spacing of fringes was changed in random
manner.

Fig. 6.

The Macha_Zehnder interferometer generates non-localized fringe field. Therefore it is difficult to accommodate

the eye on desired distance. In order to make eye fixation possible the interference fringes were imaged onto a diffusing
screen. This fact has very important consequence. The screen acts as random phase diffuser and therefore it has to be
treated as spatially incoherent secondary light source. Taking into account rather short distance from the screen to the
observer’s eye it has to be assumed that imaging by an optical system of the eye operates in incoherent light. The other
hand the light illuminating the screen is coherent so speckling effect appears [9]. Speckles make recognition of the
observed fringed structure more. To eliminate speckling effect a rotating ground glass can by used as the diffusing
screen.

III RESULTS OF MEASUREMENT

Pomiar CSF opisaną metodą jest typowym pomiarem subiektywnym. Oznacza to znaczny wpływ stanu osoby

badanej na wynik pomiaru. Można obawiać się, że wyniki pomiaru zależeć mogą od takich czynników jak choćby stan
psychiczny, zmęczenie, czy inteligencja badanej osoby. Aby ocenić wielkość niepewności związanej z tymi czynnikami
"ludzkimi" przeprowadzono serie pomiarów CSF u jednej osoby przez siedem kolejnych dni. Wyniki zestawiono na
wykresach przedstawionych na rysunku 7. Jak widać na rysunku rozrzuty pomiarów są niewielkie.

1

10

100

1

10

100

1

10

100

1

10

100

Fig. 7.

Spatial Frequency [c/deg]

Contrast Sensitivit

yy

Spatial Frequency [c/deg]

Contrast

Sensitivity

5

Przedstawione wyniki pomiarów CSF dotyczą sytuacji w której matówka pełniąca rolę ekranu jest nieruchoma,

pojawia się wówczas efekt speklowania. W tej sytuacji typowy przebieg funkcji przedstawia krzywa a na rysunku 8.
Aby wyeliminować wpływ efektu speklowania wprowadziliśmy matówkę w wirujący ruch [9]. Wyniki pomiarów CSF
w sytuacji uśrednionych spekli przedstawia krzywa b na rysunku 8.

1

10

100

0,1

1

10

100

Spatial Frequency [c/deg]

Contrast Sensitivity

Fig. 8. a) with specles, b)without specles

Typowa funkcja wrażliwości na kontrast zmierzona standardową procedurą (w świetle niekoherentnym) ma

nieco inny kształt niż funkcja wrażliwości na kontrast zmierzona w świetle laserowym. Przedstawiona przez autorów
pierwsza grupa pomiarów CSF odnosi się do osób młodych (20-25 lat) o wzroku miarowym lub w pełni skorygowanym

Kilka typowych przykładów CSF zmierzonych w świetle laserowym przedstawia rysunek 9 a, b, c, d.

1

10

100

0,1

1

10

100

Spatial Frequency [c/deg]

Contr

as

t Se

ns

itivity

1

10

100

0,1

1

10

100

Spatial Frequency [c/deg]

Contrast Sensitivity

a

b

a

b

6

1

10

100

0,1

1

10

100

Spatial Frequency [c/deg]

Contrast Sensitivity

1

10

100

0,1

1

10

100

Spatial Frequency [c/deg]

Contrast Sensitivity

Fig. 9

Analizując przebieg CSF obserwujemy długi fragment prawie prostoliniowego odcinka w zakresie niskich częstości

przestrzennych a następnie charakterystyczny gwałtowny spadek w zakresie wysokich częstości przestrzennych. Taki
przebieg funkcji powtarza się dla wszystkich zmierzonych przez nas osób.

Drugą grupę osób stanowiły osoby starsze w wieku 30-50 lat, u których występowała presbyopia. Wyniki pomiarów

przedstawione zostały na rysunku 10.

Fig. 10.

Analizując przebieg CSF zauważamy iż w zakresie wysokich częstości obserwujemy inny przebieg tej funkcji a

mianowicie zamiast gwałtownego skoku jak to miało miejsce w przypadku osób młodych obserwujemy łagodny spadek
funkcji.

V CONCLUSION

Autorzy pracy są przekonani ze funkcja wrażliwości na kontrast zmierzona w świetle laserowym jest bardziej

wrażliwa na wpływ aberracji oka na jakość widzenia wynikających np. z niedokładnej korekcji wzroku, niż funkcja
wrażliwości na kontrast zmierzona w świetle niekoherentnym. Ponadto porównanie funkcji wrażliwości na kontrast w
świetle laserowym i niekoherentnym daje nadzieję na ocenę niezależnie charakterystyki układu optycznego oka i
niezależnie wpływu siatkówki na jakość widzenia.

c

d

7

ACKNOWLEDGMENT

This paper was presented at XIV Polish-Czech-Slovak Optical Conference "Wave and Quantum Aspects of
Contemporary Optics" Krzyżowa, 14-17 September 2002.

REFERENCES

1. A. P. Ginsburg, "A new contrast sensitivity vision test chart", Am. J. Optom., 61, 6, pp. 403-407, 1984;
2. T. R. Corvin, J. E. Richman, "Three clinical tests of the spatial contrast sensitivity and comparison, Am. J. Optom,

63, 6, pp. 413-418, 1986;

3. M. Sekiguchi, D. R. Williams, D. H. Brainord, "Aberration-free measurements of the visibility of isoluminant

gratings", J. Opt. Soc. Am. A, 10, 10, pp. 2105-2116, 1993;

4. P. H. Lindsay, D. A. Norman, “Procesy przetwarzania informacji u człowieka”, Państwowe Wydawnictwo

naukowe, Warszawa, 1984;

5. P. K. Kaiser, R. M. Boynton, „Human Color Vision”, Optical Society America, Washington, 1996;
6. B. Kędzia “ Funkcja wrażliwości układu wzrokowego na kontrast”, Klinika Oczna, 90, 178-182, 1988;
7. B. Kędzia, M. Niworowski, „Metody wyznaczania i zastosowania funkcji wrażliwości na kontrast”, Optyka-

Optometria, 6, 8-14, 1993;

8. Kaziath Latham, "Who uses contrast sensitivity in optometric practice", Ophthal. Physiol. Opt., 18, 1, pp. 2-13,

1998;

9. M. Hrabovsky, Z. Baca, P. Horvath, “Koherencni zrnitost v optice”, Univerzita Palackeho v Olomouci, 2001.