Esta tese descreve métodos interativos para estimar e compensar erros de refração (NETRA) e opacidades ópticas (CATRA) em sistemas de imageamento usando telas de campos de luz programáveis, de alta resolução e alto contraste. Os novos métodos para oftalmologia computacional descritos aqui podem avaliar câmeras e olhos se o usuário do sistema estiver consciente do modelo de interação. A solução combina elementos ópticos baratos, interfaces interativas e reconstrução computacional. Uma tela de campos de luz, posicionada perto do olho, cria objetos virtuais em profundidades pré-definidas através de várias seções do olho. Via esta plataforma, cria-se uma nova gama de aplicações interativas que é extremamente sensível a aberrações ópticas. A capacidade de focar em um objeto virtual, alinhar padrões exibidos na tela e detectar suas variações de forma e brilho permite ao sistema estimar a função de propagação de ponto de luz para o olho e a acomodação da lente. Enquanto os sistemas convencionais requerem formação especializada, dispositivos caros, procedimentos de segurança sensíveis e normalmente não são móveis, esta tese simplifica o mecanismo, colocando o paciente no centro do teste. Ao final, a resposta do usuário calcula a condição de refração em termos de poderes esférico e cilíndrico, o eixo de astigmatismo, o poder de acomodação da lente e mapas para a opacidade, atenuação, contraste e função de espalhamento de um ponto de luz. O objetivo é permitir que o público em geral opere um sistema de iluminação portátil e obtenha uma compreensão de suas próprias condições visuais. Esta tese apresenta projetos ópticos para software e hardware para oftalmologia computacional. Avaliações com usuários e com câmeras com lentes modificadas são realizadas. Os dados compilados são usados para reconstruir visão afetada do indivíduo, oferecendo uma nova abordagem para capturar informações para o rastreio, diagnóstico e análises clínicas de anomalias visuais. / This thesis proposes light-field pre-warping methods for measuring and compensating for optical aberrations in focal imaging systems. Interactive methods estimate refractive conditions (NETRA) and model lens opacities (CATRA) of interaction-aware eyes and cameras using cost-efficient hardware apps for high-resolution screens. Tailored displays use stereo-viewing hardware to compensate for the measured visual aberrations and display in-focus information that avoids the need of corrective eyeglasses. A light-field display, positioned very close to the eye, creates virtual objects in a wide range of predefined depths through different sectors of the eye’s aperture. This platform creates a new range of interactivity that is extremely sensitive to spatially-distributed optical aberrations. The ability to focus on virtual objects, interactively align displayed patterns, and detect variations in shape and brightness allows the estimation of the eye’s point spread function and its lens’ accommodation range. While conventional systems require specialized training, costly devices, strict security procedures, and are usually not mobile, this thesis simplifies the mechanism by putting the human subject in the loop. Captured data is transformed into refractive conditions in terms of spherical and cylindrical powers, axis of astigmatism, focal range and aperture maps for opacity, attenuation, contrast and sub-aperture point-spread functions. These optical widgets carefully designed to interactive interfaces plus computational analysis and reconstruction establish the field of computational ophthalmology. The overall goal is to allow a general audience to operate portable light-field displays to gain a meaningful understanding of their own visual conditions. Ubiquitous, updated, and accurate diagnostic records can make private and public displays show information in a resolution that goes beyond the viewer’s visual acuity. The new display technology is able to compensate for refractive errors and avoid light-scattering paths. Tailored Displays free the viewer from needing wearable optical corrections when looking at it, expanding the notion of glasses-free multi-focus displays to add individual variabilities. This thesis includes proof-of-concept designs for ophthalmatic devices and tailored displays. User evaluations and validations with modified camera optics are performed. Capturing the daily variabilities of an individual’s sensory system is expected to unleash a new era of high-quality tailored consumer devices.

Esta tese descreve métodos interativos para estimar e compensar erros de refração (NETRA) e opacidades ópticas (CATRA) em sistemas de imageamento usando telas de campos de luz programáveis, de alta resolução e alto contraste. Os novos métodos para oftalmologia computacional descritos aqui podem avaliar câmeras e olhos se o usuário do sistema estiver consciente do modelo de interação. A solução combina elementos ópticos baratos, interfaces interativas e reconstrução computacional. Uma tela de campos de luz, posicionada perto do olho, cria objetos virtuais em profundidades pré-definidas através de várias seções do olho. Via esta plataforma, cria-se uma nova gama de aplicações interativas que é extremamente sensível a aberrações ópticas. A capacidade de focar em um objeto virtual, alinhar padrões exibidos na tela e detectar suas variações de forma e brilho permite ao sistema estimar a função de propagação de ponto de luz para o olho e a acomodação da lente. Enquanto os sistemas convencionais requerem formação especializada, dispositivos caros, procedimentos de segurança sensíveis e normalmente não são móveis, esta tese simplifica o mecanismo, colocando o paciente no centro do teste. Ao final, a resposta do usuário calcula a condição de refração em termos de poderes esférico e cilíndrico, o eixo de astigmatismo, o poder de acomodação da lente e mapas para a opacidade, atenuação, contraste e função de espalhamento de um ponto de luz. O objetivo é permitir que o público em geral opere um sistema de iluminação portátil e obtenha uma compreensão de suas próprias condições visuais. Esta tese apresenta projetos ópticos para software e hardware para oftalmologia computacional. Avaliações com usuários e com câmeras com lentes modificadas são realizadas. Os dados compilados são usados para reconstruir visão afetada do indivíduo, oferecendo uma nova abordagem para capturar informações para o rastreio, diagnóstico e análises clínicas de anomalias visuais. / This thesis proposes light-field pre-warping methods for measuring and compensating for optical aberrations in focal imaging systems. Interactive methods estimate refractive conditions (NETRA) and model lens opacities (CATRA) of interaction-aware eyes and cameras using cost-efficient hardware apps for high-resolution screens. Tailored displays use stereo-viewing hardware to compensate for the measured visual aberrations and display in-focus information that avoids the need of corrective eyeglasses. A light-field display, positioned very close to the eye, creates virtual objects in a wide range of predefined depths through different sectors of the eye’s aperture. This platform creates a new range of interactivity that is extremely sensitive to spatially-distributed optical aberrations. The ability to focus on virtual objects, interactively align displayed patterns, and detect variations in shape and brightness allows the estimation of the eye’s point spread function and its lens’ accommodation range. While conventional systems require specialized training, costly devices, strict security procedures, and are usually not mobile, this thesis simplifies the mechanism by putting the human subject in the loop. Captured data is transformed into refractive conditions in terms of spherical and cylindrical powers, axis of astigmatism, focal range and aperture maps for opacity, attenuation, contrast and sub-aperture point-spread functions. These optical widgets carefully designed to interactive interfaces plus computational analysis and reconstruction establish the field of computational ophthalmology. The overall goal is to allow a general audience to operate portable light-field displays to gain a meaningful understanding of their own visual conditions. Ubiquitous, updated, and accurate diagnostic records can make private and public displays show information in a resolution that goes beyond the viewer’s visual acuity. The new display technology is able to compensate for refractive errors and avoid light-scattering paths. Tailored Displays free the viewer from needing wearable optical corrections when looking at it, expanding the notion of glasses-free multi-focus displays to add individual variabilities. This thesis includes proof-of-concept designs for ophthalmatic devices and tailored displays. User evaluations and validations with modified camera optics are performed. Capturing the daily variabilities of an individual’s sensory system is expected to unleash a new era of high-quality tailored consumer devices.

Esta tese descreve métodos interativos para estimar e compensar erros de refração (NETRA) e opacidades ópticas (CATRA) em sistemas de imageamento usando telas de campos de luz programáveis, de alta resolução e alto contraste. Os novos métodos para oftalmologia computacional descritos aqui podem avaliar câmeras e olhos se o usuário do sistema estiver consciente do modelo de interação. A solução combina elementos ópticos baratos, interfaces interativas e reconstrução computacional. Uma tela de campos de luz, posicionada perto do olho, cria objetos virtuais em profundidades pré-definidas através de várias seções do olho. Via esta plataforma, cria-se uma nova gama de aplicações interativas que é extremamente sensível a aberrações ópticas. A capacidade de focar em um objeto virtual, alinhar padrões exibidos na tela e detectar suas variações de forma e brilho permite ao sistema estimar a função de propagação de ponto de luz para o olho e a acomodação da lente. Enquanto os sistemas convencionais requerem formação especializada, dispositivos caros, procedimentos de segurança sensíveis e normalmente não são móveis, esta tese simplifica o mecanismo, colocando o paciente no centro do teste. Ao final, a resposta do usuário calcula a condição de refração em termos de poderes esférico e cilíndrico, o eixo de astigmatismo, o poder de acomodação da lente e mapas para a opacidade, atenuação, contraste e função de espalhamento de um ponto de luz. O objetivo é permitir que o público em geral opere um sistema de iluminação portátil e obtenha uma compreensão de suas próprias condições visuais. Esta tese apresenta projetos ópticos para software e hardware para oftalmologia computacional. Avaliações com usuários e com câmeras com lentes modificadas são realizadas. Os dados compilados são usados para reconstruir visão afetada do indivíduo, oferecendo uma nova abordagem para capturar informações para o rastreio, diagnóstico e análises clínicas de anomalias visuais. / This thesis proposes light-field pre-warping methods for measuring and compensating for optical aberrations in focal imaging systems. Interactive methods estimate refractive conditions (NETRA) and model lens opacities (CATRA) of interaction-aware eyes and cameras using cost-efficient hardware apps for high-resolution screens. Tailored displays use stereo-viewing hardware to compensate for the measured visual aberrations and display in-focus information that avoids the need of corrective eyeglasses. A light-field display, positioned very close to the eye, creates virtual objects in a wide range of predefined depths through different sectors of the eye’s aperture. This platform creates a new range of interactivity that is extremely sensitive to spatially-distributed optical aberrations. The ability to focus on virtual objects, interactively align displayed patterns, and detect variations in shape and brightness allows the estimation of the eye’s point spread function and its lens’ accommodation range. While conventional systems require specialized training, costly devices, strict security procedures, and are usually not mobile, this thesis simplifies the mechanism by putting the human subject in the loop. Captured data is transformed into refractive conditions in terms of spherical and cylindrical powers, axis of astigmatism, focal range and aperture maps for opacity, attenuation, contrast and sub-aperture point-spread functions. These optical widgets carefully designed to interactive interfaces plus computational analysis and reconstruction establish the field of computational ophthalmology. The overall goal is to allow a general audience to operate portable light-field displays to gain a meaningful understanding of their own visual conditions. Ubiquitous, updated, and accurate diagnostic records can make private and public displays show information in a resolution that goes beyond the viewer’s visual acuity. The new display technology is able to compensate for refractive errors and avoid light-scattering paths. Tailored Displays free the viewer from needing wearable optical corrections when looking at it, expanding the notion of glasses-free multi-focus displays to add individual variabilities. This thesis includes proof-of-concept designs for ophthalmatic devices and tailored displays. User evaluations and validations with modified camera optics are performed. Capturing the daily variabilities of an individual’s sensory system is expected to unleash a new era of high-quality tailored consumer devices.