peripheral refraction: significance, current limitations and a

328
PERIPHERAL REFRACTION: SIGNIFICANCE, CURRENT LIMITATIONS AND A NEW APPROACH Cathleen Fedtke, Dipl. Ing. (FH) A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy School of Optometry and Vision Science The University of New South Wales, Sydney, Australia and Brien Holden Vision Institute Sydney, Australia and Vision Cooperative Research Centre Sydney, Australia April 2011

Upload: khangminh22

Post on 20-Feb-2023

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

PERIPHERAL REFRACTION: SIGNIFICANCE, CURRENT 

LIMITATIONS AND A NEW APPROACH  

 

Cathleen Fedtke, Dipl.‐Ing. (FH)  

A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of

Doctor of Philosophy

School of Optometry and Vision Science

The University of New South Wales, Sydney, Australia

and

Brien Holden Vision Institute

Sydney, Australia

and

Vision Cooperative Research Centre

Sydney, Australia

April 2011

Certificate of Originality 

     i  

CERTIFICATE OF ORIGINALITY 

 

‘I hereby declare  that  this  submission  is my own work  and  to  the best of my  knowledge  it 

contains  no  materials  previously  published  or  written  by  another  person,  or  substantial 

proportions  of material  which  have  been  accepted  for  the  award  of  any  other  degree  or 

diploma at UNSW or any other educational institution, except where due acknowledgement is 

made  in  the  thesis.  Any  contribution made  to  the  research  by  others, with whom  I  have 

worked at UNSW or elsewhere, is explicitly acknowledged in the thesis. I also declare that the 

intellectual  content of  this  thesis  is  the product of my own work, except  to  the extent  that 

assistance  from  others  in  the  project's  design  and  conception  or  in  style,  presentation  and 

linguistic expression is acknowledged.’ 

 

 

 

 

 

Cathleen Fedtke 

April 2011 

 

 

 

Acknowledgements 

     ii  

ACKNOWLEDGEMENTS 

First and foremost, I would  like to thank my supervisors Brien Holden and Klaus Ehrmann for 

giving me  the opportunity  to pursue  this PhD. Thank  you  for  your  long‐lasting  support  and 

loyalty throughout. I have been very privileged to work with both of you. Brien, your research, 

dedication  and  enthusiasm  to  the  world  of  optometry  have  kept  me  motivated  and 

driven. It has truly been an honour and I look forward to working with you and the staff at the 

Brien Holden Vision Institute into the future. Klaus, thank you for introducing me to the world 

of research and  for being my mentor throughout  this  journey, a  journey made possible with 

your brilliant ideas and technology expertise. I am very grateful for your continuous incredible 

support.  

 

This  project would  also  not  have  been  possible without  the  financial  support  from  various 

sources; an UIPA scholarship funded through the University of New South Wales, a scholarship 

funded  by  the  Brien  Holden  Vision  Institute  and  travel  grants  for  the  attendance  of 

international conferences from the University of New South Wales, the American Academy of 

Optometry and the Brien Holden Vision Institute. Thank you. 

 

A special thank you goes to Darrin Falk, who has greatly contributed to the instrumental work 

presented in this thesis.  Thank you for your incredible help and for reassuring me that there is 

a light at the end of the tunnel. Another person that has provided much wealth of expertise to 

this project was Arthur Ho. Thank you for sharing your amazing knowledge and for giving me 

the opportunities to grow as a researcher.  

 

I would  also  like  to  thank many  other  important  helpers  of  this  project.  Colm Dolphin  for 

manufacturing  the  instrument parts, Thomas Naduvilath and Varghese Thomas  for statistical 

advice,  Judith  Flanagan  for  reading  the manuscripts  and  for  providing  valuable  advice  on 

scientific writing, Ravi Bakaraju for sharing his valuable knowledge on Zemax and Elsbeth Biβ‐

Harms for helping with analysis of the pupil  images. Thank you also to all the participants for 

their precious time to take part in my studies.  

 

I am also very grateful  for  the help provided by staff of many other departments within  the 

Brien Holden Vision Institute, particularly: Eric Papas and Vivienne Miller for taking care of all 

the administrative matters, the Myopia team,  including Padmaja Sankaridurg, Percy Lazon de 

Acknowledgements 

     iii  

la  Jara,  Judy Kwan, Les Donovan, Rebecca Weng and Belinda Ford,  for being a great clinical 

team  to work with,  the  i‐media  team  for helping me produce great posters and each of my 

fellow‐postgraduate students,  in particular Maria, Ravi, Fabian, Negar, Krupa, Kalika, Ulli and 

Usha,  who  always  provided  support  and  encouragement.  I  appreciate  all  your  help  and 

friendship.  

 

I would not have made it through some of the tough times without a few very special people. 

Maria,  you have  given me  so much  support, not  just  as  an  amazing  friend on  the personal 

level, who was  there when  times were  very  difficult,  but  also  as  a  fellow  student  on  the 

professional level for helping me with proof‐reading, statistics and critical thinking – thank you, 

I have learnt so much from you. Claudia, thank you for your friendship and all the support you 

have given me during the last four years. This PhD has been a long‐lasting odyssey with many 

ups and downs and I deeply appreciate your friendship through all phases. I would also like to 

thank the many other  friendships which have  formed during this PhD  journey.  In particular  I 

would  like  to  thank my  friends  and  colleagues  Judy,  Beth,  Aurelia, Melina,  Stephanie  and 

Elsbeth, who each in their own way made working in the clinic so enjoyable.  

 

Most of all I would like to thank my wonderful family, my Mum & Dad, Loreen, and Manu, who 

have  been  of  enormous  support  to my  studies  and  who  have  been  a  constant  source  of 

encouragement.  Words cannot describe how much that has meant to me. Thank you so much 

for your unconditional support and love.  

 

 

 

Abstract 

iv 

ABSTRACT 

Peripheral refractive error has assumed considerable importance with the discovery that 

it can influence eye growth. The link between the peripheral state of the eye and myopia 

development  demands  rapid  and  accurate measurements  at  individual  and  population 

levels. Currently, the use of conventional refraction techniques requires time‐consuming 

sequential re‐alignments. 

 

The aims of this thesis were to  identify and assess methodological  limitations of current 

techniques,  test  new  concepts  and  develop  a  method  of  obtaining  more  rapid  and 

accurate peripheral refraction measurements. 

 

At  first,  the  impact  of  pupil  misalignment  was  investigated  using  a  conventional 

autorefractor. As visual field angle increased, tolerance to pupil misalignment decreased 

significantly,  making  peripheral  measurements  particularly  susceptible  to  this 

measurement error.  It was  also  shown  that  the peripheral entrance pupil  shape  is not 

elliptical as currently assumed, adding further potential for pupil misalignment. Based on 

these findings, means to rectify pupil alignment‐related errors when using conventional 

instruments were established and validated. 

 

Having  ascertained  limitations  of  current  peripheral  refractometry,  a  novel  instrument 

concept was proposed, the EyeMapper. The EyeMapper was designed to perform a rapid 

peripheral (and central) refraction scan, from ‐50° to +50°, using 10 stationary deflecting 

prisms and a scanning mirror. Like most autorefractors, the operation was based on the 

ring‐autorefraction principle. The optical design, consisting of 5  intertwined optical sub‐

systems  was  developed.  Safety  aspects  and  criteria  for  instrument  components  were 

assessed  and  the operation principle was  verified  experimentally.  Experimental  testing 

identified an obstacle relating to the ring‐image analysis and  it revealed that peripheral 

higher  order  aberrations  have  the  potential  to  interfere  with  the  sphero‐cylindrical 

refraction  readings  obtained  when  applying  this  ring‐autorefraction  principle.  A 

technique  that  segregates  higher  and  lower  order  aberrations was  thus  deemed more 

suitable for measuring peripheral refraction. Hence, the EyeMapper design was updated 

to  include  wavefront  measurements.  The  prototype  instrument  was  then  built  and 

experimentally tested over a range of refractive errors. The EyeMapper uses an array of 

beam  steering mirrors  and  a  scanning mirror  to  perform  a  rapid  peripheral  refraction 

scan  in  one meridian.  Three‐dimensional  power maps  of  the  eye  can  be  obtained  by 

pivoting the instrument around its optical axis. 

Table of Contents 

TABLE OF CONTENTS 

CERTIFICATE OF ORIGINALITY ...................................................................................... i 

ACKNOWLEDGEMENTS .............................................................................................. ii 

ABSTRACT ................................................................................................................ iv 

TABLE OF CONTENTS .................................................................................................. v 

LIST OF FIGURES ........................................................................................................ x 

LIST OF TABLES ...................................................................................................... xvii 

GLOSSARY OF ABBREVIATIONS ................................................................................ xix 

 

CHAPTER 1 

LITERATURE REVIEW .................................................................................................. 1 

1.1  Introduction .........................................................................................................  1 1.2  Peripheral Vision ..................................................................................................  4 

1.2.1  Methods of Testing Peripheral Vision ........................................................ 5 1.3  Peripheral Refractive Error Measurement Techniques .......................................... 6 

1.3.1  Subjective Peripheral Refraction ............................................................... 9 1.3.2  Retinoscopy ............................................................................................  11 1.3.3  Manual Refractometer – Optometer ....................................................... 14 1.3.4  Double‐Pass Technique ........................................................................... 17 1.3.5  Autorefraction ........................................................................................  20 1.3.6  Photorefraction....................................................................................... 27 1.3.7  Aberrometer ...........................................................................................  30 

1.4  Alignment Criteria for Peripheral Refractometry ................................................. 34 1.5  Summary and Conclusion .................................................................................... 38 1.6  Thesis Overview ..................................................................................................  40 

1.6.1  Rationale for Research ............................................................................ 40 1.6.2  Hypotheses .............................................................................................  40 1.6.3  Aims ........................................................................................................  41 

 

CHAPTER 2 

INVESTIGATION OF OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES IN CURRENT PERIPHERAL REFRACTOMETRY ................................................................................. 42 

2.1  Overview ............................................................................................................  42 2.2  Investigation of Pupil Alignment Tolerance ......................................................... 42 

2.2.1  Introduction ............................................................................................  42 2.2.2  Methods .................................................................................................  44 

2.2.2.1  Participants ............................................................................................  44 2.2.2.2  Instrumentation ..................................................................................... 44 2.2.2.3  Participant Alignment ............................................................................. 45 2.2.2.4  Entrance Pupil Alignment ........................................................................ 46 

2.2.3  Results ....................................................................................................  49 2.2.3.1  Central and Peripheral Refraction – Pupil Alignment ............................... 49 2.2.3.2  Pupil Misalignment Threshold of Clinical Significance .............................. 52 

Table of Contents 

vi 

2.2.4  Discussion ..............................................................................................  53 2.2.4.1  Peripheral Refraction and its Tolerance to Lateral Pupil Misalignment .... 53 2.2.4.2  Factors Contributing to Misalignment Errors during Peripheral Refraction 

Measurements ....................................................................................... 55 2.2.4.3  Improving Pupil Alignment ...................................................................... 56 

2.2.5  Conclusion ..............................................................................................  57 2.3  Three‐Dimensional Model of the Entrance Pupil ................................................ 57 

2.3.1  Introduction ...........................................................................................  57 2.3.2  Methods .................................................................................................  58 

2.3.2.1  Model of the Entrance Pupil for Different Viewing Angles ....................... 58 2.3.3  Results ....................................................................................................  60 

2.3.3.1  Entrance Pupil Relative to the Actual Pupil.............................................. 60 2.3.3.2  Entrance Pupil Relative to the Viewing Direction ..................................... 60 

2.3.4  Discussion ..............................................................................................  67 2.3.4.1  Comparison of the Entrance Pupil Model with in Vivo Pupils ................... 68 2.3.4.2  Implications of the Entrance Pupil Model ................................................ 69 2.3.4.3  The Wide‐Field Eye ................................................................................. 72 2.3.4.4  Recommendations for Future Models ..................................................... 72 

2.3.5  Conclusion ..............................................................................................  73 2.4  Summary ............................................................................................................  73  

CHAPTER 3 

MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS IN CURRENT PERIPHERAL REFRACTOMERTY .................................................................................................... 75 

3.1  Introduction .......................................................................................................  75 3.2  Methods ............................................................................................................  76 

3.2.1  Phase 1 ...................................................................................................  76 3.2.1.1  Participants ............................................................................................  76 3.2.1.2  Instrumentation and Alignment Procedure ............................................. 76 

3.2.2  Phase 2 ...................................................................................................  78 3.2.2.1  Participants and Instrumentation ............................................................ 78 3.2.2.2  Entrance Pupil: Image Capture and Analysis ............................................ 78 

3.3  Results ...............................................................................................................  78 3.3.1  Phase 1 ...................................................................................................  78 

3.3.1.1  Establish Correction Models ................................................................... 78 3.3.1.1.1  Refractive Vector Component M ......................................................... 79 3.3.1.1.2  Refractive Vector Component J180 ....................................................... 83 3.3.1.1.3  Refractive Vector Component J45 ......................................................... 85 3.3.1.1.4  Sphero‐Cylindrical Notation ................................................................. 88 

3.3.1.2  Investigation of Instrument Binocularity with Pupil Alignment ................ 88 3.3.1.3  Validation of the Correction Algorithm ................................................... 91 

3.3.2  Phase 2 ...................................................................................................  93 3.3.2.1  Implementation of the Correction Algorithms ......................................... 93 

3.4  Discussion ..........................................................................................................  97 3.4.1  Functions of Pupil Alignment .................................................................. 97 

3.4.1.1  Functions of Pupil Alignment for Different Visual Field Angles ................. 97 3.4.1.2  Functions of Pupil Alignment for Different Ocular Parameters ................. 99 3.4.1.3  Functions of Pupil Alignment for Nasal and Temporal Measurements .... 102 3.4.1.4  Instrumentation used to Establish Pupil Alignment Functions ............... 102 

3.4.2  Pupil Alignment Correction Models ....................................................... 103 3.4.3  Implementation of Compensation Factor ............................................... 104 

3.5  Summary and Conclusion .................................................................................. 105 

Table of Contents 

vii 

CHAPTER 4 

OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT: THE EYEMAPPER . 106 

4.1  Introduction .....................................................................................................  106 4.1.1  Design Concept and Operation Principle ............................................... 106 4.1.2  Chapter Overview ................................................................................. 109 4.1.3  Introduction into Optical Designing using ZEMAX .................................. 110 

4.2  The EyeMapper’s Reference Model Eye ............................................................ 111 4.2.1  Methods ...............................................................................................  111 

4.2.1.1  EyeMapper Reference Model Eye ......................................................... 111 4.2.1.2  Computation of Central and Peripheral Refraction via Ray‐Tracing ........ 113 4.2.1.3  Refractive Error‐Dependent Model Eyes ............................................... 116 4.2.1.4  Accommodation‐Dependent Model Eyes ............................................... 119 4.2.1.5  Computation of Peripheral Refraction for Different Ray‐Trace Modes ... 122 

4.2.2  Results ..................................................................................................  125 4.2.2.1  Peripheral Refraction Profiles of Schematic Model Eyes ........................ 125 4.2.2.2  Peripheral Refraction Profiles for Different Ray‐Trace Modes ................ 125 

4.2.3  Discussion/Conclusion........................................................................... 127 4.3  The Optical Design of the EyeMapper ............................................................... 128 

4.3.1  Autorefraction Paths ............................................................................. 129 4.3.1.1  Deflection System ................................................................................. 129 

4.3.1.1.1  Methods ............................................................................................. 129 4.3.1.1.2  Results ................................................................................................ 137 

4.3.1.2  Illumination Autorefraction Path .......................................................... 141 4.3.1.2.1  Methods ............................................................................................. 142 4.3.1.2.2  Results ................................................................................................ 144 

4.3.1.3  Reflection Autorefraction Path ............................................................. 146 4.3.1.3.1  Methods ............................................................................................. 147 4.3.1.3.2  Results ................................................................................................ 150 

4.3.2  Pupil Imaging Path ................................................................................ 153 4.3.2.1  Methods ...............................................................................................  153 4.3.2.2  Results .................................................................................................  154 

4.3.3  Fixation Path .........................................................................................  156 4.3.3.1  Methods ...............................................................................................  156 4.3.3.2  Results .................................................................................................  158 

4.4  Summary ..........................................................................................................  160 4.5  Conclusion ........................................................................................................  160  

CHAPTER 5 

RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE: COMPONENT CRITERIA, SAFETY ASSESSMENT AND EXPERIMENTAL VALIDATION .......................................................................... 163 

5.1  Introduction .....................................................................................................  163 5.2  On‐ and Off‐Axis Ring Scan Illumination ............................................................ 164 

5.2.1  Component Criteria ............................................................................... 164 5.2.1.1  Infrared Light Source – Super Luminescent Diode ................................. 164 5.2.1.2  Dual Axis Galvanometer Scanner ........................................................... 165 5.2.1.3  Single Axis Galvanometer Scanner ........................................................ 165 

5.2.2  Safety Assessment ................................................................................ 166 5.2.2.1  Introduction .........................................................................................  166 5.2.2.2  Methods ...............................................................................................  167 

5.2.2.2.1  Single and Repetitive Pulse Exposures ............................................... 167 5.2.2.2.2  Ocular Scanning ................................................................................. 169 

Table of Contents 

viii 

5.2.2.3  Results .................................................................................................  170 5.2.2.3.1  Retinal Image Size – Visual Angle ....................................................... 170 5.2.2.3.2  Maximum Permissible Exposure as a Function of Exposure Duration172 5.2.2.3.3  Repeated Refraction Measurements ................................................. 175 

5.2.2.4  Discussion ............................................................................................  175 5.2.2.4.1  ANSI Exposure Limits and Ocular Scanning ........................................ 175 5.2.2.4.2  Illumination of Peripheral Retinal Locations ...................................... 177 5.2.2.4.3  Scanner Safety ................................................................................... 179 

5.3  Component Criteria for Image Detection ........................................................... 179 5.3.1  Reduction of Interfering Reflections ...................................................... 180 5.3.2  Translation Stage and CCD Sensor ......................................................... 181 

5.4  Experimental Validation of the Ring‐Autorefraction Principle ............................ 181 5.4.1  Methods ................................................................................................  181 

5.4.1.1  Experimental Set‐Up and Procedure ..................................................... 181 5.4.1.2  Investigation of Shin‐Nippon Detector and Retinal Images .................... 183 

5.4.2  Results ...................................................................................................  185 5.4.2.1  Cross‐Validation of the Autorefraction Principle with optical ZEMAX design

 ............................................................................................................  185 5.4.2.2  Cross‐Validation of the Autorefraction Principle with the Shin‐Nippon 

Autorefractor ....................................................................................... 186 5.4.3  Discussion .............................................................................................  187 

5.4.3.1  On‐Axis Optical Bench Experiment ........................................................ 187 5.4.3.2  Major Obstacles Encountered During Experimental Testing ................... 188 

5.4.3.2.1  Image Analysis for Off‐Axis Ring Images ............................................ 188 5.4.3.2.2  Impact of Higher‐Order Aberrations on Peripheral Ring Images ....... 189 

5.5  Future Work ......................................................................................................  193 5.6  Summary and Conclusion .................................................................................. 194  

CHAPTER 6 

THE EYEMAPPER ‐ A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER .......................................... 196 

6.1  Introduction ......................................................................................................  196 6.2  Instrument Design .............................................................................................  197 

6.2.1  Optical Design .......................................................................................  197 6.2.1.1  Wavefront Sensing Paths ...................................................................... 198 

6.2.1.1.1  Deflection System .............................................................................. 198 6.2.1.1.2  Illumination Path................................................................................ 199 6.2.1.1.3  Reflection Path ................................................................................... 199 

6.2.1.2  Pupil Imaging Path ................................................................................ 200 6.2.1.3  Fixation Path ........................................................................................  200 

6.2.2  Mechanical Design ................................................................................. 201 6.3  Instrument Construction ................................................................................... 204 

6.3.1  Tolerance Analysis ................................................................................. 204 6.3.1.1  Aims .....................................................................................................  204 6.3.1.2  Methods ...............................................................................................  204 

6.3.1.2.1  Sensitivity Analysis and Monte Carlo Simulation ............................... 204 6.3.1.2.2  Tolerance Analysis for the Reflection Path ........................................ 205 

6.3.1.3  Results .................................................................................................  207 6.3.1.3.1  Sensitivity Analysis ............................................................................. 207 6.3.1.3.2  Monte‐Carlo Simulation ..................................................................... 209 

6.3.1.4  Discussion ............................................................................................  210 6.3.2  Instrument Components ........................................................................ 211 

6.3.2.1  Deflection System ................................................................................. 211 

Table of Contents 

ix 

6.3.2.2  Illumination Path .................................................................................. 211 6.3.2.3  Reflection Path ..................................................................................... 212 6.3.2.4  Fixation Path ........................................................................................  213 6.3.2.5  Pupil Imaging Path ................................................................................ 213 6.3.2.6  Other Instrument Parts ......................................................................... 214 

6.3.3  The EyeMapper .....................................................................................  216 6.4  Instrument Validation .......................................................................................  219 

6.4.1  Methods ...............................................................................................  219 6.4.1.1  Peripheral Refraction Model Eye ........................................................... 219 6.4.1.2  Human Eyes ..........................................................................................  221 

6.4.1.2.1  Participants ........................................................................................ 221 6.4.1.2.2  Instrumentation, Set‐up and Procedure ............................................ 222 

6.4.2  Results ..................................................................................................  223 6.4.2.1  Peripheral Refraction: Model Eye .......................................................... 223 6.4.2.2  Peripheral Refraction: Human Eyes ....................................................... 224 

6.4.2.2.1  Peripheral Refraction Profiles ............................................................ 224 6.4.2.2.2  Repeatability ...................................................................................... 229 6.4.2.2.3  Reproducibility ................................................................................... 230 6.4.2.2.4  Refraction Map .................................................................................. 232 

6.4.3  Discussion .............................................................................................  233 6.4.3.1  Accuracy: Model Eye ............................................................................. 233 6.4.3.2  Peripheral Refraction Profiles and Repeatability: Human Eyes ............... 234 6.4.3.3  Reproducibility ..................................................................................... 237 

6.5  Discussion.........................................................................................................  237 6.5.1  Peripheral Refraction Instruments ........................................................ 237 6.5.2  Limitations and Suggestions for Future Work ........................................ 240 

6.6  Conclusion ........................................................................................................  241  

CHAPTER 7: ........................................................................................................... 243 

SUMMARY AND CONCLUSIONS .............................................................................. 243 

7.1  Significance of Peripheral Refractometry .......................................................... 243 7.2  Current Limitations ...........................................................................................  243 

7.2.1  Participant‐Related Alignment Limitations ............................................ 243 7.2.2  Operator‐Related Alignment Limitations ............................................... 244 

7.3  A New Approach ...............................................................................................  245 7.4  Conclusions ......................................................................................................  246 

 

 

REFERENCES ...................................................................................................................... 248  APPENDICES  APPENDIX A: Patent Application: Determination of Peripheral Refraction .................... 261 APPENDIX B: Pupil Misalignment Correction Algorithms ............................................... 302 APPENDIX C: ZEMAX Macro: Calculation of Peripheral Refraction ................................. 304 APPENDIX D: Publications and Presentations ....................................................................... 305 

List of Figures 

LIST OF FIGURES 

Figure 1.1:  Emmetropic eye with relative hyperopic defocus in the periphery. ............... 2 

Figure 1.2:  Scheiner disc principle. ................................................................................ 15 

Figure 1.3:  Alignment  of  the  peripheral  measurement  angle  with  respect  to  the instrument axis via a) eye turn, b) head turn and c) instrument rotation. .... 35 

Figure 1.4:  Number of  studies and  their peripheral  refraction  techniques used over  the last 40 years (left) and the last decade (right). ............................................ 39 

Figure 2.1:  Modifications to the Shin‐Nippon NVision K5001 autorefractor. .................. 46 

Figure 2.2:  Right eye pupil alignment matrix. ................................................................ 47 

Figure 2.3:  The pupil alignment scale. ........................................................................... 48 

Figure 2.4:  RPRE of the mean refractive components M, J180 and J45 as a function of pupil alignment for each refractive error group and three different visual fields. . 50 

Figure 2.5:  Optical layout for modelling the entrance pupil. ......................................... 59 

Figure 2.6:  The  three‐dimensional entrance pupil  for  six and nine  (Media  file online164) actual pupil  sizes  (1 mm  to 6 mm)  at  various  viewing  angles  relative  to  the actual pupil position. ................................................................................... 61 

Figure 2.7:  The  three‐dimensional entrance pupil  for  six and nine  (online media  file164) actual pupil sizes at various viewing angles as seen by the observer. .......... 62 

Figure 2.8:  The tangential profile (side‐projection) of the peripheral entrance pupil from the point‐of‐view of the observer for nine viewing angles. .......................... 63 

Figure 2.9:  Apparent  tilt  of  the  tangential  entrance  pupil  meridian  as  a  function  of viewing angle and pupil size. ....................................................................... 63 

Figure 2.10: Two‐dimensional  (frontal)  projection  of  (a)  the  actual  pupil  and  (b)  the entrance  pupil  at  60°  observation  angle  showing  the  shape  as  seen  by  the observer. .....................................................................................................  64 

Figure 2.11: Entrance pupil decentration as a  function of viewing angle and actual pupil diameter. ....................................................................................................  65 

List of Figures 

xi 

Figure 2.12: Entrance pupil diameter  (a) and  (c) and magnification  (b) and  (d) along  the tangential  (a)  and  (b)  and  sagittal  (c)  and  (d)  meridians  as  a  function  of viewing angle and actual pupil size. ............................................................ 66 

Figure 2.13: Comparison  of  the  ratio  of  tangential  (horizontal)  to  sagittal  (vertical) entrance pupil diameter as a function of viewing angle determined by in vivo measurements  and  the  current  entrance  pupil model  for  6 mm  and  3 mm actual pupil diameters. ............................................................................... 69 

Figure 2.14: Tangential  and  sagittal  spot  sizes  (in mm)  for  the  horizontal  proximal  and distal pupil margins as well as the vertical superior pupil margin as a function of viewing angle. .........................................................................................  71 

Figure 3.1   The  refractive  vector  component  M  (in  D)  plotted  as  a  function  of  pupil alignment  position  (in mm)  for  the  vertical  and  horizontal  pupil meridian (n=40). ........................................................................................................  80 

Figure 3.2  The  refractive  vector  component  J180  (in  D)  plotted  as  a  function  of  pupil alignment  position  (in mm)  for  the  vertical  and  horizontal  pupil meridian (n=40). ........................................................................................................  84 

Figure 3.3   The  refractive  vector  component  J45  (in  D)  plotted  as  a  function  of  pupil alignment  position  (in mm)  for  the  vertical  and  horizontal  pupil meridian (n=40). ........................................................................................................  87 

Figure 3.4:  The  sphere,  cylinder  and  axis  components  plotted  as  a  function  of  pupil alignment  position  (in mm)  for  the  vertical  and  horizontal  pupil meridian (n=40). ........................................................................................................  89 

Figure 3.5:  Right and left eye refraction data as a function of pupil alignment. ............ 90 

Figure 3.6:  Three pupil alignment correction models. ................................................... 92 

Figure 3.7:  Standard deviation (in D) for M, J180 and J45 before and after correction. .... 93 

Figure 3.8:  Pupil alignment positions as measured during peripheral refraction. .......... 94 

Figure 3.9:  Measured and corrected M, J180 and J45 as a function of horizontal visual field angle...........................................................................................................  95 

Figure 3.10: Spread of the repeats for the measured and corrected M (in D) as a function of peripheral visual field angle of the four participants. .............................. 96 

List of Figures 

xii 

Figure 3.11: Central and peripheral (40°) rays traced into the eye for three different pupil alignment positions, i.e. left: 1.5 mm temporal, middle: central and right: 1.5 mm nasal pupil position. ............................................................................. 98 

Figure 3.12: The  functions  of  pupil  de‐alignment  for  the  RPRE  of M  at  four  visual  field angles,  i.e. the central visual field and 20°, 30° and 40° nasal visual field, for the   Escudero‐Sanz   &   Navarro   model eye  (a) and    the   experimental   data  (b). ............................................................................................................  100 

Figure 3.13: Functions of pupil de‐alignment for changing ocular parameters. ............. 101 

Figure 4.1:  A basic diagrammatic plan of the optical layout of the EM. ....................... 108 

Figure 4.2:  Optical design paths and  the  respective mode and wavelength used  for  ray‐trace. ........................................................................................................  109 

Figure 4.3:  Shaded  layout of  the  EM  reference model  eye  in  IERT mode  for  two  visual field angles (0° and 50°). ........................................................................... 113 

Figure 4.4:  Pyramid of Zernike Polynomials up to the 5th order. .................................. 113 

Figure 4.5:  Vitreous chamber depth as a function of central M (LEFT) and y‐radius of the anterior cornea as a function of central J180 (RIGHT). ................................. 118 

Figure 4.6:  The  object  sided  peripheral  angles  in  IERT mode  correspond  to  the  visual field  angles  (LEFT)  and  the  object  sided  peripheral  angles  in  OERT  mode correspond to the retinal angles (RIGHT). .................................................. 123 

Figure 4.7:  Comparison of the peripheral refractive vector components M (TOP) and J180 (BOTTOM) as a function of horizontal visual field angle of different schematic model eyes. ...............................................................................................  126 

Figure 4.8:  Comparison  of  the  refractive  power  vector  components  M  and  J180  as  a function  of  horizontal  visual  field  angle  between  schematic  eyes  in  IERT (visible) and OERT  (visible) mode  (TOP) and between schematic eyes  in  IERT (IR) and OERT (IR) mode (BOTTOM). .......................................................... 127 

Figure 4.9:  Layout of the optical design of the deflection system. ............................... 137 

Figure 4.10: The RPRE of M and  J180 as a  function of horizontal visual  field angle  for  the eye with and without deflecting components in place. .............................. 141 

Figure 4.11: The  side  layout  of  the  different  retinal  positions  for  a  range  of  refractive error eyes. .................................................................................................  146 

List of Figures 

xiii 

Figure 4.12: Graphical  illustration of  the design of  the deflection system  (the prisms and the scanning mirror) and the  illumination path (SLD, x‐y scanning mirror and L1). ...........................................................................................................  146 

Figure 4.13: Graphical illustration of the design of deflection system (prisms and scanning mirror) and the reflection path  (L2, L3, A1, movable CCD). The movement of the CCD camera permits the focussing of the retinal ring images. ............. 152 

Figure 4.14: Graphical illustration of the design of deflection system (prisms and scanning mirror)  and  the  reflection  path  (L2,  L3,  A1,  movable  CCD)  indicating  the system’s image spaced telecentricity. ....................................................... 153 

Figure 4.15: Graphical  illustration  of  the  pupil  imaging  path  (dotted  lines)  and  the autorefraction paths. ................................................................................ 155 

Figure 4.16: The  two‐dimensional  layout  showing  the  fixation  path  design  with  all  six fixation target positions for the accommodating eye. ............................... 159 

Figure 4.17: Graphical  illustration of  the  fixation path, which has been  incorporated  into the autorefraction paths and pupil alignment path. .................................. 159 

Figure 4.18: Summary of the layout of each optical path designs. ............................... 162 

Figure 5.1:  LEFT: Dual Axis (x‐y) Galvanometer Scanner, RIGHT: Single Axis Galvanometer Scanner .....................................................................................................  165 

Figure 5.2:  ANSI Single Pulse Rule as described by Delori et al.205 ............................... 168 

Figure 5.3:  Three ANSI Repetitive Pulse Rules as described by Delori et al.205 ............. 168 

Figure 5.4:  Retinal  images  and  corresponding  visual  angle  for  single  exposure  MPФ calculations...............................................................................................  171 

Figure 5.5:  Pulsed Line Segment (PLS) definition ........................................................ 172 

Figure 5.6:  Maximum permissible MPФbeam  in mW  for all  sub‐exposures,  i.e.  spot  (red), circle  (pink),  line  (green),  PLS  –  F  100 Hz  (blue  – dashed),  PLS  –  F  1000 Hz (turquoise – dashed) and PLS – F 10000 Hz (light blue – dotted). .............. 174 

Figure 5.7:  Graphical  illustration on  the use of  linearly polarised  light  for  the  reduction of interfering reflections. .......................................................................... 181 

Figure 5.8:  Layout of the optical bench set‐up. ........................................................... 183 

List of Figures 

xiv 

Figure 5.9:  A calibration model eye with a known induced refractive error (trial lens) was measured with the Shin‐Nippon NVision K5001. ........................................ 184 

Figure 5.10: Detector  images  for  a  range  of  refractive  error  eyes  as  computed  with ZEMAX (TOP) and as captured on the optical bench set‐up (BOTTOM). ..... 185 

Figure 5.11: The number of pixels (± SD) that define the radius of the captured ring image as a function of change in refractive error. ................................................ 186 

Figure 5.12: Printed  detector  images  of  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001  for  an emmetropic eye and a +15D hyperopic and ‐15D myopic eye. ................... 186 

Figure 5.13: The comparison of the retinal ring  image diameters (in mm) as a function of refractive  error  change  (in D) between  the  Shin‐Nippon NVision K5001  and the illumination path design of the EM. ..................................................... 187 

Figure 5.14: Modelling of the retinal ring image as a function of visual field angle. ...... 191 

Figure 5.15: The  ratio  between  the  tangential  retinal  ring  radii  which  are  distal  and proximal to the fovea as a function of visual field angle and refractive error. .................................................................................................................  192 

Figure 6.1:  Layout of the EM instrument design. ......................................................... 197 

Figure 6.2:  Three‐dimensional layout of the deflection system. .................................. 198 

Figure 6.3:  SolidWorks EM design from above. ........................................................... 201 

Figure 6.4:  SolidWorks EM design from the side and below. ....................................... 202 

Figure 6.5:  SolidWorks EM design from the front and above. ...................................... 203 

Figure 6.6:  Flow chart used for the tolerance analysis of the EM using ZEMAX. .......... 205 

Figure 6.7:  Reflection path set‐up used for the tolerance analysis. ............................. 206 

Figure 6.8:  Absolute  change  in  performance  with  respect  to  the  terms  defocus  and spherical aberration, for axial lens misalignment of ± 0.5 mm. .................. 207 

Figure 6.9:  Absolute  change  in  performance  for  the  terms  defocus,  astigmatism,  coma and spherical aberration, when the  individual  lenses were decentred by ±0.5 mm............................................................................................................  208 

List of Figures 

xv 

Figure 6.10: Absolute change in performance for the terms of defocus, astigmatism, coma and spherical aberration, when the individual lenses were tilted by 1°. .... 208 

Figure 6.11: Pictures taken during the manufacturing process of the EyeMapper. ........ 215 

Figure 6.12: The EyeMapper instrument without (A) and with cover (B). ...................... 217 

Figure 6.13: The user‐interface of the EyeMapper developed by Darrin Falk. ............... 218 

Figure 6.14: Peripheral Refraction Model Eye. .............................................................. 220 

Figure 6.15: Custom‐made peripheral fixation device for the COAS. ............................. 223 

Figure 6.16: Peripheral  refraction  profiles  of  the model  eye  when measurements  were performed with the EyeMapper, the COAS aberrometer and the Shin‐Nippon NVision K5001 autorefractor. .................................................................... 224 

Figure 6.17: The refractive vector component M (in D) plotted as a function of visual field angle when measured with  the EyeMapper,  the COAS aberrometer and  the Shin Nippon NVision K5001 autorefractor. ................................................ 225 

Figure 6.18: The  refractive  vector  component  J180  (in  D)  plotted  as  a  function  of  visual field angle when measured with the EyeMapper, the COAS aberrometer and the Shin Nippon NVision K5001 autorefractor. .......................................... 226 

Figure 6.19: The refractive vector component J45 (in D) plotted as a function of visual field angle when measured with  the EyeMapper,  the COAS aberrometer and  the Shin Nippon NVision K5001 autorefractor. ................................................ 227 

Figure 6.20: Coefficients of repeatability for M, J180 and J45 (in D). ................................ 230 

Figure 6.21: The  peripheral  refraction  profile  for  M  measured  by  two  independent operators on two different occasions. ...................................................... 231 

Figure 6.22: The relative refraction data measured with the EM and plotted as function of visual field meridian and visual field angle (n=1). ...................................... 232 

 

List of Tables 

 

xvi 

LIST OF TABLES 

Table 1.1:   Summary of all authors with their peripheral refraction technique used. ...... 7 

Table 1.2:   This table shows all authors and their study set‐ups for the measurement of peripheral subjective refraction. ................................................................... 9 

Table 1.3:   This table shows all authors and their study set‐ups for the measurement of peripheral retinoscopy. ............................................................................... 12 

Table 1.4:   This table shows all authors and their study set‐ups for the measurement of peripheral refraction using an optometer. ................................................... 16 

Table 1.5:   This table shows all authors and their study set‐ups for the measurement of peripheral refraction by use of the double‐pass technique. ......................... 19 

Table 1.6:  This table shows all authors and their study set‐ups for the measurement of peripheral autorefraction. ........................................................................... 21 

Table 1.7:   Features of autorefractors used for peripheral refractometry. .................... 23 

Table 1.8:   This  table  lists  all  authors  and  their  study  set‐ups  for  the measurement  of peripheral photorefraction. ......................................................................... 28 

Table 1.9:   This  table  shows  all  authors  and  their  study  set‐ups  used  for  the measurement of aberrometer‐based peripheral refraction. ........................ 31 

Table 1.10:  Summary  of  the  findings  investigating  possible  refractive  changes  between eye and head turn as well as instrument rotation. ....................................... 35 

Table 2.1:   Absolute  M,  J180  and  J45  (in  D)  measured  at  the  centred  entrance  pupil position (0CP) for all three visual field angles. Data are means ± SD. ........... 49 

Table 2.2:  Pupil misalignment  threshold  (in mm) of  clinical  significance  (≥0.25D  for M and ≥0.125D for J180). .................................................................................. 53 

Table 3.1:   Study demographics for participants in Phase 1. ......................................... 78 

Table 4.1:   Lens Data Editor  tabulating  the  set‐up  for  the EM’s  reference model eye  in IERT (visible) mode. ................................................................................... 112 

Table 4.2:   LDE and MFE set‐up prior the optimisation of the eye’s refractive state. ... 117 

Table 4.3:   LDE and MFE following the optimisation of the eye’s refractive state........ 118 

List of Tables 

 

xvii 

Table 4.4:  Set‐up  of  the  three  ZEMAX  editors  prior  the  optimisation  of  the accommodation‐ dependent parameters. .................................................. 120 

Table 4.5:  The  three ZEMAX editors  following  the optimisation of  the accommodation‐ dependent parameters. ............................................................................. 121 

Table 4.6:  Set‐up of the MCE and MFE prior the optimisation of the retinal angles. ... 124 

Table 4.7:   The MCE and MFE following the optimisation of the retinal angles. ........... 124 

Table 4.8:  Field angle settings for ray‐trace in IERT and OERT modes, using either visible (555 nm) or IR (830 nm) wavelengths. ....................................................... 125 

Table 4.9:   Set‐up of the LDE prior the optimisation of the deflection system. ............ 133 

Table 4.10:  Set‐up of the MCE prior the optimisation of the deflection system. ........... 134 

Table 4.11:  Set‐up of the MFE prior the optimisation of the deflection system. ........... 136 

Table 4.12:  LDE following the optimisation of the deflection system............................ 138 

Table 4.13: MCE following the optimisation of the deflection system. .......................... 139 

Table 4.14:  MFE following the optimisation of the deflection system. ......................... 140 

Table 4.15:  The total path lengths between the anterior cornea surface and the scanning mirror for all 11 visual field angles in the deflection system. ..................... 140 

Table 4.16:  LDE and MCE prior the optimisation of the illumination path. ................... 143 

Table 4.17:  MFE prior the optimisation of the illumination path. ................................. 144 

Table 4.18: All three editors following the optimisation of the illumination path. ........ 145 

Table 4.19:  LDE and MCE prior the optimisation of the reflection path. ....................... 148 

Table 4.20: MFE prior the optimisation of the reflection path. ..................................... 150 

Table 4.21:  LDE and MCE following the optimisation of the reflection path. ................ 151 

Table 4.22:  MFE following the optimisation of the reflection path. .............................. 152 

Table 4.23:  LDE and MFE prior the optimisation of the pupil imaging path. ................. 154 

List of Tables 

 

xviii 

Table 4.24:  LDE and MFE following the optimisation of the pupil imaging path. .......... 155 

Table 4.25:  LDE and MCE prior the optimisation of the fixation path. .......................... 157 

Table 4.26:  MFE prior the optimisation of the fixation path. ........................................ 157 

Table 4.27: All three editors following the optimisation of the fixation path. .............. 158 

Table 4.28:  Summary of  the  ray‐trace mode,  ray‐trace wavelength, optical  components and individual design criteria of each optical path. .................................... 161 

Table 5.1:   ANSI  ocular  exposure  definitions  (α=visual  angle  subtended  by  the  retinal image to the centre of pupil (mrad)) ......................................................... 167 

Table 5.2:  MPФ calculation for all single pulse simulations (spot, circle and  line) as well as  PLS  exposure when  the measurement of one of  the  11  retinal  positions takes 0.05 seconds. ................................................................................... 173 

Table 5.3:   Maximum permissible exposure in mW. .................................................... 175 

Table 6.1:  Results  of  the  ZEMAX Monte  Carlo  simulation  shown  as  a  change  in merit function degradation. ................................................................................ 209 

Table 6.2:   Maximum permissible exposure limits (mW) for the EyeMapper. .............. 212 

Table 6.3:  Study demographics .................................................................................. 221 

Table 6.4:  Summary of the coefficients of reproducibility (in D). ............................... 231 

Table 6.5:  Features of current peripheral refraction instruments. ............................. 238 

 

 

Glossary of Abbreviations 

xix 

GLOSSARY OF ABBREVIATIONS 

ANOVA  Repeated‐Measures Analysis of Variance 

C  Cylinder 

CAD  Computer‐Aided Design 

CB  Coordinate Break 

CCD  Charge‐Coupled Device 

Conf = Config  Configuration 

COAS  Complete Ophthalmic Analysis System 

CP  Central Pupil Alignment 

CW  Continuous Wave  

D  Dioptres 

EM  EyeMapper 

FC  Fibre Channel 

I  Inferior 

IERT  Into‐the‐Eye Ray‐Trace 

IR  Infra‐Red 

J45  Oblique astigmatism 

J180  With/against the rule astigmatism 

L1, L2, L3, L4, L5  Lens 1, 2, 3, 4, 5 

LASIK  Laser‐Assisted In Situ Keratomileusis 

LDE  Lens Data Editor 

LED  Light‐Emitting Diode 

LSF  Line Spread Function 

M  Spherical Equivalent 

MCE   Multi Configuration Editor 

MCF  Monte Carlo File 

MFE  Merit Function Editor 

MPФ  Intrapupillary Radiant Power 

N  Nasal 

NA  Numerical Aperture 

NP  Nasal Pupil De‐Alignment 

Glossary of Abbreviations 

xx 

OD and OS   Right and Left Eye 

OERT  Out‐of‐the‐Eye Ray‐Trace 

P  Pick‐up solve 

PBS  Pellicle Beam Splitter 

PCBS  Polarising Cube Beam Splitter 

PLS  Pulsed Line Segment 

PP  Pupil Position 

PSF  Point Spread Function 

RMSE  Root Mean Square Error 

RP  Repetitive Pulse 

RPRE  Relative Peripheral Refractive Error 

S = Sph  Sphere 

S  Superior 

SD  Standard Deviation 

SLD  Super Luminescent Diode 

SLO  Scanning Laser Ophthalmoscope 

SP  Single Pulse 

T   Temporal 

TDE  Tolerance Data Editor 

TP  Temporal Pupil De‐Alignment 

V  Variable 

ZPL  ZEMAX Programming Language 

 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

CHAPTER 1:  

LITERATURE REVIEW* 

1.1 Introduction 

Clear central vision  is essential for many activities  in  life, be  it for close,  intermediate or 

far  distances.  As  such,  the  majority  of  research  work  on  refractive  errors,  their 

development  and  best  correction,  has  focused  on  on‐axis  refraction.  Study  into  the 

extent  to which peripheral  refractive  error plays  a  role  in  the development of  the  eye 

and vision has  long been neglected. However, recent research findings have shown that 

the  peripheral  refractive  state  of  the  eye  can  affect  eye  development,  particularly 

progression  of  myopia.1-4  With  the  rapidly  increasing  prevalence  of  myopia  in  many 

countries,  the  discovered  link  to  peripheral  vision  has  stimulated much  interest  in  the 

precise measurement of peripheral refractive errors.  

 

Animal models have played an important role for many years in understanding refractive 

error  development.  Such  models  have  shown  that  central  retinal  defocus  or  form 

deprivation  can  cause  eye  shape  changes  and  axial  elongation  resulting  in myopia.1-4 

Animal models have also helped in establishing a link between peripheral refractive error 

and myopia  development.  Form  deprivation  of  partial  areas  of  the  peripheral  retinal 

image using  lenses or diffusers demonstrated  local  retinal, growth‐altering mechanisms 

in  the  affected  areas.5-8  By  obstructing  the  peripheral  vision  of  monkeys’  eyes  and 

keeping clear central vision Smith et al.9, 10 demonstrated that peripheral vision in rhesus 

monkeys has  an  impact  on  axial  length development.  In  an  additional  experiment,  the 

macula  of  one  eye  of  each monkey was  photocoagulated  using  an  argon  laser.  These 

laser‐treated  eyes  recovered  as  quickly  from  form  vision  deprivation  or  refractive‐

induced myopia as the non‐macula ablated eyes, indicating that the peripheral retina can 

mediate emmetropising  responses. Hence,  it  is hypothesised  that peripheral  vision  can 

influence axial length in human eyes, potentially altering the central refractive error and 

its development.  

 * A large part of this chapter has previously been published.11   

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

In humans, the first link between peripheral refraction and myopia was found in 1971 by 

Hoogerheide  et  al.12  Seventy‐seven  percent  of  young  emmetropic  pilots  with  relative 

hyperopic shifts  in the periphery developed myopia during their training. At that time  it 

was not acceptable for pilots to have any myopia when commencing their pilot training. 

This peripheral  refraction  test was  therefore  the  first method used  in  association with 

refractive error development to predict the risk of late‐onset myopia for young pilots. 

 

In general, peripheral  refractive errors have been measured  for more  than 70 years.  It 

was  shown  that myopic  eyes  usually  have  relative  hyperopic  defocus  in  the  periphery 

and hyperopic eyes are usually myopic  in  the periphery  relative  to  the  centre.13-23 One 

hypothesis  is  that peripheral  rays  focused behind  the  retina may  trigger  compensatory 

growth,  resulting  in an elongated eye and axial myopia  (Figure 1.1).  It was also  shown 

that  the degree of  astigmatism  increases  steadily with  field  angle.14, 24-28  Typically  at  a 

40°  field angle,  the degree of astigmatism  is about 4 dioptres  (D) and rises  to about 7D 

for a 60°  field angle.25 The amount of astigmatism  is usually at a minimum  in  the nasal 

retina.15, 22-25, 29-41 This asymmetry across the horizontal visual field was also found to be 

present  for monochromatic  aberrations, which were  generally  greater  in  the  temporal 

visual  field.31  It  was  hypothesised  that  this  asymmetry  is  caused  by  the  mismatch 

between the eye’s optical and visual axes, but only poor association was found between 

the peripheral astigmatic minima and angle alpha.37 

 

Figure 1.1:   Emmetropic eye with relative hyperopic defocus in the periphery. 

Although, the recent interest in peripheral refraction is linked to refractive development, 

there  are  numerous  other  aspects  and  research  areas  that  have  dealt  with  off‐axis 

functions of the eye, including:  

ocular and retinal shapes,13, 19, 22, 42-45  

impact  on  peripheral  optics  of  the  eye  after  refractive  surgery  such  as  laser‐

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

assisted  in  situ  keratomileusis  (LASIK),46, 47  photorefractive  keratectomy,48  or 

intraocular lens implantation,47  

improvement  and  better  understanding  of  psychophysical  tasks  (visual  field 

perimetry,  contrast  detection  tasks)  through  correction  of  the  peripheral 

refractive errors of the eye,27, 49-53  

improvement of off‐axis vision in patients with central visual field loss,54-56 

development of theoretical model eyes,57, 58 

association between age and peripheral refraction/aberrations,35, 59-62  

measurement of peripheral refraction in different ethnicities,63 

measurement of angle alpha,37, 58 and angle kappa,54 

measurement of refractive changes for different gazes,23, 64-69 

measurement  of  peripheral  refractive  changes  for  different  accommodation 

states,34, 44, 67, 70-75 

comparison  of  peripheral  refraction  between  phakic  and with  intraocular  lens‐

corrected eyes,76  

determination of peripheral refraction in keratoconus patients,77 

assessment of the risk of onset of myopia,78  

impact  of  orthokeratology  lenses  on  peripheral  vision  and/or  the  peripheral 

refraction profile 36, 79, 80 and 

measurement  of  peripheral  refraction  with  radial  refractive  gradient 

spectacles,52 soft and rigid contact lenses81 and other custom‐designed spectacle 

lenses.82, 83 

 

In  general,  refraction  is  a well‐known  clinical  and  optometric  procedure  used  to  prescribe 

spectacle lenses or contact lenses that deliver clear central vision. Due to its clinical relevance, 

numerous objective  refraction  instruments have been developed over  the  last years  to ease 

and  streamline  clinical  vision  work.  Technological  improvements  have  resulted  in  many 

accurate,  reliable methods,  such  as  autorefractors  and  aberrometers. With  the  interest  in 

researchers  also  wanting  to  perform  peripheral  refraction,  these  commercially  available 

instruments were generally modified so that they permit the measurement of the peripheral 

optics of  the eye.   As yet no  instrument  is  commercially available which has been designed 

with the designated purpose of measuring peripheral refractive errors rapidly and precisely.  

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

In this review, previous investigations into peripheral vision of the human eye and methods of 

peripheral  refractive  error measurement will be discussed  and obstacles  relating  to  current 

measurement  techniques  ascertained.  Information  on  preference  and  usefulness  of  certain 

peripheral refraction techniques and suggestions for future technology and research work will 

also be given. 

1.2 Peripheral Vision 

For  the measurement of peripheral vision  it  is  important  to understand  the optical and 

physiological  factors  in  the  periphery  of  the  eye  and  to  identify  stimuli  that  are most 

useful for peripheral vision testing.  

 

Optical  factors  affecting  quality  of  peripheral  vision  are  refractive  error,  diffraction, 

scatter and aberrations such as high levels of oblique astigmatism, curvature of the field 

and horizontal coma. Existence of oblique astigmatism  induced by  the oblique angle of 

the  incident  light  has  been  known  for many  years.  As  early  as  1801,  Thomas  Young 

stated  that  the  eye’s  “imperfection  is  partly  owing  to  the  unavoidable  aberration  of 

oblique rays, but principally to the insensibility of the retina”.84  

 

Insensitivity  of  the  peripheral  retina  can  be  explained  by  the  receptive  fields  and  a 

number  of  neural  factors  which  gradually  change  from  the macula  to  the  periphery, 

affecting different aspects of retinal  image quality. This  includes size, spacing,  function, 

alignment and distribution of retinal photoreceptors, the rods and cones.85 Whereas the 

peripheral  retina  is  dominated  by  rods,  good  detectors  of  motion,  the  macula  area 

consists  mainly  of  cones,  which  are  essential  for  resolution  of  fine  detail,  form  and 

colour detection.  

 

The Troxler effect, discovered in 1804,86, 87 is another factor influencing peripheral vision. This 

effect describes an optical cognitive phenomenon whereby a stimulus in the peripheral vision 

fades  away  when  a  central  stimulus  is  fixated  in  steady  gaze  for  several  seconds.  This 

phenomenon  is  due  to  the  adaptation  of  neurons  in  the  visual  system  and may  form  an 

obstacle to peripheral vision testing.  

 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

Physical factors  influencing peripheral  image quality  include peripheral restrictions from 

the morphology  of  eye  lids  or  eye  lid  abnormalities.  The morphology  of  the  eye  lids 

differs  between  some  ethnic  populations,  most  notably  between  East  Asians  and 

Caucasians. Studies have shown that a smaller palpebral fissure size, as common in Asian 

eye lids, can have an impact on refractive error.88-91 

1.2.1 Methods of Testing Peripheral Vision 

Central  vision  is  commonly measured  by  use  of  a  resolution  target,  such  as  a  logMAR 

Bailey‐Lovie  chart,  in  which  letters  need  to  be  identified.  Considering  the  neural 

differences  associated  with  central  and  peripheral  retinal  sampling,  it  has  been 

suggested to use two different testing procedures for on‐axis and off‐axis vision tests.  

 

Campbell  and Gubisch92  showed  that  resolution  in  the peripheral  visual  field  is  limited 

much more  by  neural  factors,  due  to  the  reduced  density  of  the  retinal  ganglion  cells 

than by optical factors. While detection acuity remains high with  increasing eccentricity, 

resolution acuity decreases drastically.93-95 

 

There are numerous different peripheral vision tests reported  in the research  literature, 

including  motion  detection  tests  such  as  high‐pass  resolution  perimetry,54, 96  the 

movement of  a white  square on  a black background,97, 98  contrast detection  sensitivity 

tests  using  a Gabor  stimulus27, 99  or  gratings55, 93, 100-103  and  resolution  tests  using  the 

tumbling‐E  letters,21, 100  Landolt  C21, 53  or  number  identification.55  Due  to  evidence 

suggesting  peripheral  resolution  is  sampling‐limited,  it  has  been  recommended  to  use 

contrast  detection  sensitivity  tests  for  subjective  assessment  of  peripheral  image 

quality.27, 101 

 

Several  studies  have  investigated  the  impact  of  refractive  blur  on  assessing  quality  of 

peripheral vision using different  stimuli.94, 95, 104 Overall,  it has been demonstrated  that 

detection acuity varies strongly with defocus, whereas resolution acuity for high contrast 

targets  is  unaffected  by  peripheral  defocus.  The  difference  between  the  two  acuity 

thresholds depends on target properties.101 A decrease  in spatial frequencies, as well as 

in  luminance  levels  of  the  stimulus,  will  reduce  detection  acuity  to  a  point  where  it 

eventually aligns with resolution acuity, and both will be contrast‐limited.  

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

Objective methods such as assessment of point‐spread and  line‐spread  function using a 

double‐pass  technique have  also been used  for evaluation of peripheral  image quality. 

For  larger  peripheral  angles,  the  higher  order  aberrations  become  more  prominent, 

impairing  the  point‐spread  or  line‐spread  function  and  consequently  the  peripheral 

visual performance.105-107  

 

Correction of peripheral refractive errors is strongly pupil size‐dependent but has shown 

to  improve  image quality and, with that, detection of contrast and movement.38, 54, 55, 93,

97, 108, 109 However, due  to  the  clinical  and optometric  focus on  central  refractive  error 

and  only  marginal  improvement  in  peripheral  resolution  acuity,  it  has  often  been 

discounted, even though peripheral detection acuity can be improved.94 With the current 

knowledge  that  peripheral  refraction  can  influence  refractive  development,  the 

assessment  of  peripheral  vision  has  also  become  of  increased  interest  to  researchers. 

Thus, methods and stimuli should be selected carefully when testing peripheral vision.  

1.3 Peripheral Refractive Error Measurement Techniques 

That  visual  performance  decreases  as  visual  field  angle  increases  has  been  known  for 

more  than  two centuries, when Thomas Young84  indicated  that  the eye’s “whole extent 

of perfect vision is little more than 10 degrees… the imperfections begin within a degree 

or  two of  the visual axis”. First measurements of peripheral  refraction were performed 

by Ferree and co‐workers in 1931.68  

 

Table 1.1 provides a comprehensive summary on authors and their particular techniques 

used  for  the measurement  of  peripheral  refractive  errors.  Peripheral  refractive  errors 

were  usually  measured  in  steps  of  5°  or  10°,  with  techniques  such  as  subjective 

refraction,  double‐pass  technique, manual  optometers,  retinoscopy,  or more  common 

objective instruments, such as autorefractors, photorefractometers or aberrometers.  

 

Dependent  on  the  instrument modification  and  study  purpose,  researchers may  either 

refer to angles measured with respect to the visual field24, 40, 64 or the retina23, 34, 71 or the 

fixation  direction.64  The  peripheral  angles  shown  in  Table  1.1  correspond  to  the  visual 

field. 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

Table 1.1:   Summary of all authors with their peripheral refraction technique used.  

  The table fields  indicate the direction of the maximum peripheral angles tested. All angles refer to the visual field: N stands for nasal, T for temporal, S for superior and I for inferior. * the participants preferred eccentric retinal locus was measured. 

Author  Year 

Method 

Subjective 

Refraction 

Retinoscopy  Manual 

Optometer 

Double‐Pass 

Technique 

Autorefraction  Photorefraction  Aberrometry 

Ferree et al. 68 1931  60° N/TFerree et al. 110 1932  60° N/TFerree & Rand 111 1933  60° N/TRempt et al. 18 1971  60° N/THoogerheide et al. 12  1971  60° N/TRonchi 112 1971  60° TLeibowitz et al. 97 1972  80° TLotmar & Lotmar 14 1974  60° N/TMillodot & Lamont 21  1974  60° T 60° T 60° TJohnson & Leibowitz 98  1974  80° TRempt et al. 104 1976  60° NJennings & Charman 38  1978  40° N/TMillodot 15 1981  60° N/TJennings & Charman 105, 113  1981  45° N/TRovamo et al. 102 1982  30° TMillodot 41 1984  40° N/TSmith et al. 70 1988  60° TScialfa et al. 59 1989  40° TDunne & Barnes 114 1990  40° N/TNavarro et al. 106 1993  60° N/TDunne et al. 37 1993  40° N/T 40° N/TArtal et al. 93, 115 1995  40° NThibos et al. 101 1996  30° N 30° NWang et al. 27 1996  40° N 40° N 40° NWilliams et al. 108 1996  40° NNavarro et al. 116 1998  40° TAnderson & Thibos 100  1999  50° TGuirao & Artal 107 1999  45° TLove et al. 39 2000  35° N/TMutti et al. 17 2000  30° NGustafsson et al. 25 2001  60° N/TSeidemann et al. 23 2002  45° N/T 25° N/TAtchison and Scott 31  2002  40° N/TGustafsson et al. 117 2002  *Walker and Mutti44 2002  30° NAtchison 29 2003  40° N/T 40° N/TAtchison et al. 32 2003  40° N/TGustafsson & Unsbo 54  2003  *Schmid 19 2003  15° N/T/S/IJackson et al. 28 2004  20° NLogan et al. 13 2004  40° N/TAtchison 118 2004  40° N/TPaysse et al.119 2004  20°

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

Author  Year 

Method 

Subjective 

Refraction 

Retinoscopy  Manual 

Optometer 

Double‐Pass 

Technique 

Autorefraction  Photorefraction  Aberrometry 

Atchison et al. 30 2005  35° N/TChui et al. 103 2005  10° N & 15°TLundström et al.56 2005  * *Ma et al. 40 2005  35° N/TLundström et al. 99 2005  30° N 30° N 30° N 30° NCharman & Jennings 35  2006  35° N/T 35° N/TCharman et al. 36 2006  34° N/TAtchison et al. 24 2006  35° N/T/S/IAtchison et al. 120 2006  5° T 5° N/TAtchison 121 2006  40° N/TMutti et al. 16 2007  30° NRadhakrishnan et al. 65  2007  30° N/TLundström et al. 53 2007  20° NDonovan et al.122 2007  30° N/T 30° N/T 30° N/TLundström et al. 55 2007  20° T/ * 20° T/ *Calver et al. 34 2007  30° N/TRadhakrishnan & Charman 66  2008  30° N/TBerntsen et al. 33 2008  30° N/T 30° N/TMathur et al. 123 2008  21° N/THung et al.60 2008  45° N/T/S/IWhatham et al.71 2009  40° N/TDavies & Mallen73 2009  30° N/THuang et al.124 2009  45° N/TMathur et al.64 2009  34° N/TMathur & Atchison79  2009  34° N/T 21° N/TQueirόs et al.75 2009  20° N/TLundström et al.67 2009  40° N/T 20° S/ILundström et al.125 2009  30° NTabernero & Schaeffel42  2009  45° N/TTabernero et al.52 2009  45° N/TTabernero & Schaeffel74  2009  40° N/TFedtke et al.126 2009  30° N/TMathur et al.127 2009  21° N/THo et al.72 2009  40° N/TLin et al.83 2010  40° N/TMathur et al.61 2010  21° N/TWei & Thibos128 2010  15° N/TChen et al.43 2010  40° N/T 32° S/ISankaridurg et al.82 2010  40° N/TKang et al.63 2010  35° N/TAtchison et al.77 2010  21° N/TQueirόs et al.80 2010  35° N/TMutti et al.78 2010  30° NShen et al.81 2010  30 ° N/TSng et al.129 2010  30° N/TBaskaran et al.130 2011  40° N/T 20° ITabernero et al.131 2011  45° N/TBaskaran et al.62 2011  40° N/T 20° I

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

1.3.1 Subjective Peripheral Refraction 

In  general,  subjective  refraction  is  designated  as  the  “gold  standard”  for  on‐axis 

refraction,  particularly  for  the  purpose  of  prescribing  optical  correction  devices.  A 

literature  review by Goss and Grosvenor132  concludes  that  central  subjective  refraction 

provides  reliable  refraction  measurements  within  0.25D  to  0.50D  and  suggests  this 

technique always be conducted for refinement of objective refraction results. 

 

In  general,  peripheral  refractive  errors  can  be  obtained  subjectively  through 

manipulation of the refractive state by introducing trial lenses with different powers into 

the  peripheral  viewing  path.  The  lens  that  maximises  acuity  will  be  determined  to 

correct  the  peripheral  refractive  error  of  the  eye  in  the  appropriate  peripheral  angle. 

Table  1.2  shows  all  authors  who  reported  on  peripheral  subjective  refraction 

measurements.  Most  of  them  also  compared  the  results  to  other  instruments. 

Lundström et al.99 tried to use subjective refraction as the “gold standard” technique not 

only for central but also peripheral measurements.  

Table 1.2:   This  table  shows all authors and  their  study  set‐ups  for  the measurement of peripheral subjective refraction. 

Author  Year  Peripheral Stimulus Acuity  Pupil Max. Angle 

(°) tested 

Test 

distance 

(metres) 

Subjective 

refraction was 

compared to … 

Ronchi 112 1971  Point‐like target 

Perception of 

point‐like target 

Non‐

cycloplegic60  1.00  ‐ 

Millodot and 

Lamont 26 1974 

Resolution target – 

Landolt C 

Resolution acuity 

(logMAR) 

Non‐

cycloplegic60  1.10 

Retinoscopy 

Hartinger 

optometer 

Thibos et al. 101 1996 

High frequency 

aliased stimuli – 

Contrast detection 

and resolution task 

Spatial frequency 

(cycles/degree) 

Non‐

cycloplegic30  ‐  Retinoscopy 

Wang et al. 27 1996 

Contrast detection 

target – horizontal 

and vertical 

sinusoidal gratings 

Detection acuity 

(cycles/degree) 

Non‐

cycloplegic40  distant 

Retinoscopy 

Canon Autoref R‐1

Lundström et al. 99

2005 

Contrast detection 

target – changing 

contrast 

Contrast sensitivity 

(logCS) 

Non‐

cycloplegic30  3.00 

Retinoscopy 

PowerRefractor 

Hartmann‐Shack 

Atchison et al. 120 2006 

Contrast detection 

target – Gabor stimuli

Detection acuity 

(log of grating 

detection acuity) 

Non‐

cycloplegic5  8.00  COAS 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

10 

The  first  peripheral  subjective  refraction measurements were  reported  by  Ronchi112  in 

1971, who  studied  the  relationship  between  absolute  luminance  threshold  and  retinal 

eccentricity. The participant, who was experienced  in visual experiments, was asked  to 

view and  judge a point‐like peripheral  target.   Correction of oblique astigmatism up  to 

60° was achieved using cross‐cylinders. 

For  four participants, Wang et al.27 and Millodot and  Lamont21, 27  compared peripheral 

subjective refraction results with two other refraction techniques. They  found that with 

increasing eccentricity,  the agreement of peripheral  subjective  refraction was  closer  to 

peripheral  retinoscopic  refraction  rather  than  to  results obtained with an optometer or 

autorefractor,  which  revealed  highest  astigmatism  results.  Lundström  et  al.’s  99 

peripheral  subjective  refraction  data  revealed  a  larger  spread  compared  with  the 

Hartmann‐Shack  sensor,  photorefractor  and  retinoscopy.  Atchison  et  al.’s120  study 

investigated  refractive  error  and  aberration  variations  in  the  central  visual  field.  They 

undertook  subjective  refraction  in  the  temporal visual  field at 2.2° and 5°. Comparison 

with  refractive errors obtained using  the Complete Ophthalmic Analysis System  (COAS) 

wavefront sensor showed that subjective refraction exhibited a smaller refractive change 

(0.37D)  between  central  and  5°  measurements  than  using  the  wavefront  sensing 

technique (0.71D).  

 

As mentioned previously, there are several different peripheral vision test targets, which 

make a direct  comparison or assessment of peripheral  refractive error  results between 

studies difficult. Whereas Wang et al., Lundström et al. and Atchison et al. used contrast 

detection  stimuli  to measure  the  peripheral  refractive  state  of  the  eye, Millodot  and 

Lamont used a resolution  target,  the Landolt C, while Ronchi relied on  the participant’s 

shape  perception  of  the  peripheral  target.  Thibos  et  al.101  highlighted  a  difference  in 

peripheral acuity results between spatial resolution and contrast detection  tasks, which 

reinforces  the  importance  of  stimuli  choice when  assessing  peripheral  vision  or when 

measuring peripheral subjective refraction. 

 

Since peripheral subjective refraction requires the participant to pay constant attention 

in order to try and detect the target stimulus, it is a difficult and exhausting technique to 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

11 

perform,  in particular  if there are multiple or  large peripheral angles to be tested.99 The 

difficulties  are  mainly  due  to  optical  factors  such  as  the  increase  in  peripheral 

astigmatism,  poor  paraxial  retinal  image  quality  as  well  as  neural  factors,  which  are 

stimuli‐dependent. The previously mentioned Troxler effect can also have an  impact on 

acuity measurements.86  As  a  possible  result  of  all  these  factors,  subjective  peripheral 

refraction  measurements  have  been  found  to  yield  highly  variable  results99  and 

measurements  are  often  limited  to  axis  approximations  of  90°  and  180°  when 

astigmatism  is  determined.27  No  studies  were  found  reporting  on  repeatability  for 

peripheral subjective refraction. 

1.3.2 Retinoscopy 

Retinoscopy, particularly streak retinoscopy, is a refraction technique that has been used 

successfully for the precise measurement of central refraction. The relative movement of 

the  reflex  from  the  participant’s  retina  is  observed  and,  with  the  aid  of  lenses, 

neutralised,  providing  the  eye’s  refractive  error.  The  main  advantage  is  its  accuracy 

when  used  in  pediatric  participants  and  performed  by  a  skilled  clinician  because  it 

requires  no  co‐operation  from  the  participant.  Since  the  participant  is  not  actively 

involved  in  the  process  retinoscopy  is  considered  an  objective  technique,  however 

assessment  of  the  retinoscopic  reflex  requires  an  experience‐dependent  subjective 

decision by the practitioner. 

 

Several studies have used this technique to also measure the peripheral optics of the eye 

(Table 1.3).  

The  first peripheral  retinoscopic measurements were conducted by Rempt et al.,18 who 

on the basis of their results,  introduced the skiagram. This  is a peripheral refractometric 

diagram used for the categorisation of different peripheral refractive error patterns. For 

the  large  sample  sized  study  they  preferred  the  use  of  a  retinoscope  rather  than  the 

optometer technique used by Ferree et al.,68, 110, 111 since this method would have been 

“too  cumbersome”  for  the  peripheral  data  to  be  collected  on  442  participants. 

Hoogerheide et al.12 and Lotmar and Lotmar14  targeted  their  investigations  in  reference 

to the refractive error results presented by Rempt et al.18 Hoogerheide and co‐workers’ 

interests  were  in  finding  a  characteristic  pattern  that  can  predict  whether  one 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

12 

emmetropic person is more prone to develop myopia than another. Their finding showed 

that young emmetropic pilots with hyperopic defocus in the peripheral field were at risk 

of  developing  myopia.  Lotmar  and  Lotmar  investigated  whether  the  non‐cycloplegic 

peripheral  refraction  data  provided  by  Rempt  et  al.  fit  the  theoretical  model  eye 

proposed by  Lotmar57  in 1971. Close agreement between  the measured and  calculated 

peripheral astigmatism values was only  found up  to about 30° eccentricities,  thereafter 

the theoretical eye model did not fit well with the experimental findings.  

Table 1.3:   This  table  shows all authors and  their  study  set‐ups  for  the measurement of peripheral retinoscopy. 

Author  Year  Pupil Max. Peripheral 

angle (°) tested 

Test distance to 

fixation target 

(metres) 

Retinoscopy was 

compared to … 

Rempt et al. 18  1971  cycloplegic  60  3  ‐ 

Leibowitz et al. 97  1972  ‐  80  0.787  ‐ 

Millodot and 

Lamont 26 1974  cycloplegic  50  1.1 

Subjective refraction 

Optometer 

Johnson and 

Leibowitz 98 1974  non‐cycloplegic  80  0.77  ‐ 

Rempt et al. 104  1976  cycloplegic  60  3  ‐ 

Rovamo et al. 102  1982  ‐  30  ‐  ‐ 

Scialfa et al. 59  1989  ‐  40  0.83  ‐ 

Wang et al. 27  1996  non‐cycloplegic  40  distant Subjective refraction 

Autorefraction 

Anderson and 

Thibos 100 1999  non‐cycloplegic  50  3   ‐ 

Jackson et al. 28 2004  cycloplegic  20 0.4  ‐ 

Paysse et al.119  2004  cycloplegic  20  0.4    ‐ 

Lundström et al. 99   2005  non‐cycloplegic  30  3 

Subjective refraction 

Photorefraction 

Wavefront Sensor 

Donovan et al.122  2007  cycloplegic  30  ‐ Autorefraction 

Wavefront Sensor 

Hung et al.60  2008  cycloplegic  45  0.5  ‐ 

Huang et al.124  2009  cycloplegic  45  0.5  ‐ 

 

Interestingly,  two  studies  conducted  by  Leibowitz  et  al.97  and  Johnson  and  Leibowitz98 

were  able  to  provide  results  for measurements  of  up  to  80°  in  three  participants.  In 

contrast, Millodot  and  Lamont21  were  unable  to  obtain  reliable  retinoscopic  readings 

beyond  50°.  Furthermore,  Leibowitz  et  al.97  and  Johnson  and  Leibowitz98  measured 

peripheral  astigmatism  that  is  far  below  the  values  of  the majority  of  published  data. 

Even though both studies reported measuring far off‐axis refractive errors, no comment 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

13 

was made as to whether  it was difficult to perform or whether  it can be assumed to be 

reliable.  However,  literature  has  shown  that  the  majority  of  studies  encountered 

difficulties when performing peripheral retinoscopy,  in particular for  large angles.26, 28, 59 

The main  issue  is  that,  as measurement  angles  increase,  the pupil  appears elliptical  to 

the examiner and aberrations  increase  in the periphery. As a result the aberrated reflex 

at  large angles may be split or behave contradictorily  in central and peripheral parts of 

the  pupil  and  consequently,  it  is more  complex  and  difficult  to  precisely  define.  This 

difficulty was  found to be most cumbersome  for the task of determining the axis of the 

astigmatism.18, 21, 28, 99  

 

Jackson et al.28 and Paysse et al.119 performed peripheral  retinoscopy under cycloplegia 

in angles up  to 20°  in order  to  investigate how much  impact  slight off‐axis  retinoscopy 

has  in  clinical practice. They  found a  clinically  important  increase  in astigmatism by an 

average  of  3%  per  degree  of  eccentricity.  Paysse  et  al.  concluded  that  “even  small 

degrees of eccentricity can result in significant errors in refractive error determination.”   

 

Zadnik et al.133 reported that the repeatability of the central retinoscopic measurements 

under cycloplegia  is poor. The effects of paralysing accommodation through cycloplegia, 

which inhibit refraction stability and increase aberrations due to the dilated pupil, would 

explain the generally poorer repeatability using cycloplegic retinoscopy. Table 1.3 shows 

that half the studies conducted peripheral retinoscopy under cycloplegia, making results 

not  directly  comparable  to  the  refraction  results  measured  under  natural  pupil 

conditions.  

 

Wang et al.27 measured eccentricities of up to 40° (n=3) and Millodot and Lamont26 up to 

50°  (n=4).  They  reported  that  the  results  were  in  good  agreement  with  those  of 

peripheral  subjective  refraction,  the  Canon  R‐1  autorefractor27  and  the  manual 

optometer  (Zeiss Hartinger)  respectively.26 Compared  to other  subjective and objective 

techniques, Lundström et al.99 found in a study of 50 participants a significant difference 

in  cylinder  axis  when  peripheral  retinoscopy  was  performed.  They  also  showed 

significant  differences  (mean  difference  of  ‐0.73  D)  in  30°  spherical  equivalent  values 

between  peripheral  retinoscopy  and  subjective  refraction,  whereby  the  retinoscopic 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

14 

values  tended  towards  hyperopia.  However,  carrying  out  non‐cycloplegic  retinoscopic 

refraction reduced the pupil diameter, due to the bright light used, and this was thought 

to  be  the  reason  for  the  difference  to  subjective  refraction  technique,  which  was 

obtained with normal pupil diameter. 

 

In two recent studies, Hung et al.60 and Huang et al.124 conducted peripheral retinoscopy 

in monkeys under cycloplegic conditions. Alignment was achieved with the help of an arc 

perimeter  and  by monitoring  the  position  of  the  first  Purkinje  images  as  a  reference. 

Good agreement was found between the two examiners that measured the refraction in 

the peripheral visual field up to 45°. Furthermore, the mean peripheral refraction result 

was  very  repeatable.  There  was  no  mention  whether  they  had  any  difficulties  with 

respect to the retinoscopic reflex or the alignment of positions of the monkeys. 

 

Overall,  it  can  be  concluded  that,  similar  to  peripheral  subjective  refraction 

measurements, peripheral  retinoscopy has  shown difficulties  in determining  the axis of 

the astigmatism.25, 99  Moreover, if numerous peripheral measurements are required, this 

technique also appears to be very protracted and inconvenient, for both participants and 

examiners. 

1.3.3 Manual Refractometer – Optometer 

A different principle for the measurement of refraction of the eye was discovered more 

than  four  centuries  ago by Christian  Jesuit  Scheiner.134  The  so‐called  Scheiner disc  is  a 

disc with  two pinholes  that enables  identification of  the point at which an eye  focuses 

(Figure 1.2). Having  the disc aligned  in  front of  the participant’s visual axis and sending 

parallel  light  rays  from a distant object  light source  through  the  two apertures  into  the 

eye, generates two small bundles of light. A single focus image is formed on the retina if 

the eye  is emmetropic  (Figure 1.2  a).  If  an  ametropic eye  is measured,  two  light  spots 

will fall on the retina (Figure 1.2 b and c). To measure the refractive error of the eye, the 

position of  the object has  to be adjusted so  that  the participant can see one  light spot. 

This can be done by moving  the object mechanically, or by placing a convex  lens  in  the 

viewing  path,  as  done  in  the  optometer  instrument.  Whereas  first  optometers  were 

purely  subjective  instruments,  requiring  the  participant  to  align  the  target,  later  so‐

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

15 

called “objective” optometers were operated by  the examiner, who adjusted  the  target 

on  the participant’s  retina. Being performed  through assessment by  the examiner,  this 

technique  is not truly objective either. Due to  improvements  in technology with regards 

to fully objective instruments, optometers are no longer built. However, this well‐known 

basic principle of  the  Scheiner disc  finds application  in many  improved  and automated 

current autorefractors and aberrometers.134 

 

Figure 1.2:   Scheiner disc principle. 

The Zeiss Hartinger optometer and the Topcon refractometer Model III are based on the 

coincidence principle, which  require vernier adjustment of  the  test  targets  (two  sets of 

three vertical bars and  two sets of  two horizontal bars) by  the examiner. The examiner 

observes the retinal images and aligns the test targets to be in coincidence. The use of a 

second  pair  of  targets  perpendicular  to  the  first  also  permits  the  measurement  of 

astigmatism. Besides coincidence optometers, there are other optometers  (Rodenstock) 

based  on  the  focus  principle, whereby  the  test  target  has  to  be  adjusted  to  sharpest 

focus.  

Table 1.4 lists authors which reported on peripheral refraction measurements performed 

with  either  the  Zeiss  coincidence  optometer  (Hartinger  optometer)  or  the  Topcon 

refractometer Model  III.  The  peripheral measurement were  either  achieved  via  eye  or 

head turn or instrument rotation. 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

16 

Table 1.4:   This  table  shows all authors and  their  study  set‐ups  for  the measurement of peripheral refraction using an optometer. 

Author  Year  Type of Optometer  Pupil 

Max. 

Peripheral 

horizontal 

angle (°) 

tested 

Eye Turn, Head 

Turn, 

Instrument 

rotation 

Ferree et al. 68  1931 Zeiss Hartinger 

coincidence optometer 

cycloplegic and 

non‐cycloplegic 60 

Eye turn and 

instrument 

rotation 

Ferree et al. 110  1932 Zeiss Hartinger 

coincidence optometer 

cycloplegic and 

non‐cycloplegic 60 

Eye turn and 

instrument 

rotation 

Millodot and Lamont 26  1974 Zeiss Hartinger 

coincidence optometer non‐cycloplegic  50  ‐ 

Millodot 15  1981  Topcon Model III  non‐cycloplegic  60  Eye turn 

Millodot 41  1984  Topcon Model III  non‐cycloplegic  40  Eye turn 

Smith et al. 70  1988  Topcon Model III   non‐cycloplegic  60   Eye turn 

Dunne and Barnes 114  1990 Zeiss Hartinger 

coincidence optometer non‐cycloplegic  40 

Instrument is 

rotated 

Dunne et al. 37  1993 Zeiss Hartinger 

coincidence optometer non‐cycloplegic  40 

Instrument is 

rotated 

Gustafsson et al. 25  2001 Zeiss Hartinger 

coincidence optometer ‐  ‐  ‐ 

Ferree et al.68, 110, 111 measured  refraction along  the peripheral visual  field using a Zeiss 

coincidence  optometer.  They  undertook  refraction  measurements  up  to  60°.  Further 

increasing  of  the  eccentricity  angle  caused  the  reflected  image  to  be  too  dim  to  be 

distinguished.  They  stated  that  this method was  “reasonably  feasible,  satisfactory  and 

accurate”. Their set‐up permitted the rotation of the optometer  in front of the eye. The 

alignment of the eye was achieved with a movable rest attached to a mouthboard, which 

contained  the  impression  of  the  participant’s  teeth  in wax.  Considering  the  elaborate 

procedure  to  ensure  alignment  of  the  eye  position  for  peripheral measurements,  this 

technique would not have been very convenient, particularly for large‐sample studies.  

 

Sixty  years  after  measurements  of  Ferree  et  al.,68, 110, 111  Dunne  et  al.37, 114  found 

measurements with the Zeiss optometer to be  inconsistent for peripheral angles greater 

than 40°. Gustafsson et al.25 also attempted to use the Hartinger optometer  in 2001 and 

found great difficulties in measuring peripheral astigmatism.  

 

Since  it was  the examiner’s  task  to vernier align  the bar  targets  to  coincidence,  similar 

obstacles as mentioned for peripheral retinoscopy were observed, such as the  impact of 

peripheral  aberrations, which  can have  a profound effect on  the proper  adjustment of 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

17 

the  optometer  targets.  Furthermore,  the  effect  of  having  an  elliptical  pupil  when 

measuring  through  the  periphery  of  the  eye  reduces  the  area  for  the  measurement 

targets  that are  focused onto  the  retina. This  finding was mentioned  in Smith et al.’s70 

study,  in which  it was noted  that  for eccentricities  larger  than 60°,  the diameter of  the 

elliptical pupil  is smaller than the outer areas of the target, which are then partially cut‐

off and make adjustment impossible.  

1.3.4 Double‐Pass Technique 

The double‐pass technique is an ophthalmoscopic method, which was first introduced by 

Flamant135  in  1955,  enabling  the  assessment  of  central  retinal  image  quality.  In  1981 

Santamaria  et  al.136  used  this  method  to  record  double‐pass  images  of  point‐spread 

function.  

 

Different  experimental  set‐ups  of  the  double‐pass  techniques  were  implemented  by 

different  researcher  groups.23, 35, 106, 108  The  basic  principle  is  that  a  laser  light  beam, 

usually Helium‐Neon  laser,  passes  first  through  a  neutral  density  filter  to  reduce  light 

intensity and is then spatially filtered by a microscope objective. The beam that expands 

from  this point  source  is collimated before entering a  small artificial pupil or a  slit of a 

slit‐lamp that  is conjugate with the pupil of the eye. The optical system of the eye then 

forms  the aberrated  image of  the point or  line source on  the retina. The  fundus, acting 

as a diffuse surface, reflects a small fraction of  light and a camera then captures the so‐

called  “double‐pass  images”.  In  order  to  measure  the  refractive  error  of  the  eye,  a 

focusing lens scans through the double‐pass images and the images corresponding to the 

extremes of the Sturm  interval are observed. Refraction can be validated by placing the 

corrective  lens  in  front  of  the  participant’s  eye  and  the  compact  image  of  the  least‐

confusion circle will be observable.  

 

Thirteen  years  after  its  first  on‐axis  use,  this  double‐pass  technique  has  also  been 

applied  for  the measurement and evaluation of  the peripheral optics of  the eye  (Table 

1.5).  

Navarro  and  Artal106  investigated  retinal  image  quality  of  point  light  sources  across  a 

wide  visual  field,  evaluating  double‐pass  images.  Initially,  they  found  paraxial  image 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

18 

quality  to be much better  than previously  indicated.  They  found  this  to  be due  to  the 

loss  of  paraxial  asymmetric  aberrations,  such  as  coma  and  distortion,  in  the  double‐

pass.115  To  circumvent  this  impediment,  two  alternatives  were  suggested  and 

investigated.  The  first  attempt  was  a modified  version  of  the  double‐pass  technique, 

using different entrance and exit pupil diameters and the second required reconstruction 

of  the PSF by phase‐retrieval algorithms.107 Both methods provided an estimate of off‐

axis astigmatism and horizontal coma.  

 

Jennings  and  Charman  used  the  line  spread  function  (LSF)  double‐pass  technique  to 

assess  image quality  across  the  retina,38  and  to  correct peripheral  refractive  errors  for 

the  measurement  of  the  critical  fusion  frequency113  and  to  investigate  peripheral 

refraction changes with age35. For all measurements, they recorded radial and tangential 

LSFs  in  5°  steps  up  to  eccentricities  of  45°. Using  this  double‐pass  technique,  cylinder 

axis determination was limited to 90° or 180°.  

 

Gustafsson et al.25 used a double‐pass  technique  to measure peripheral astigmatism  in 

emmetropic  eyes  in  10°  steps  up  to  60°  and  found  very  large  individual  differences  in 

oblique  astigmatism  between  20  eyes.  They  also  repeated  the measurements  of  one 

participant  on  eight  different  occasions  and  found  a mean  standard  deviation  of  the 

measured astigmatism over all angles to be 0.60D. The authors also note that the angle 

between the sagittal and tangential foci line was different from 90° and that the circle of 

least confusion was not  in the midpoint of the two  foci  lines but rather shifted towards 

the more hyperopic line.  

 

Seidemann  et  al.23  used  their  double‐pass  technique  for  peripheral  refraction 

measurements up  to 45° on 42 participants. Comparison of  the photorefraction  results 

(PowerRefractor)  on  six  participants  showed  significant  correlation.  Using  a 

multimeridional  refraction  procedure  to  calculate  the  average  refractive  components, 

they  showed  average  differences  between  the  spheres  of  0.78D  and  between  the 

cylinders of 0.85D.  

 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

19 

Table 1.5:   This  table  shows all authors and  their  study  set‐ups  for  the measurement of peripheral refraction by use of the double‐pass technique. 

Author Year 

Double‐Pass Technique 

Pupil 

Max. 

Angle 

(°) 

tested 

Eye or Head 

Turn, or 

Instrument 

Rotation 

Double‐pass 

technique 

was 

compared to 

… 

Apertures  Evaluation 

Jennings and 

Charman 38  1978  Slit 

Horizontal and 

vertical line 

spread function 

Non‐

cycloplegic 

and 

cycloplegic 

40 Instrument 

is rotated ‐ 

Jennings and 

Charman 105 1981  Slit 

Horizontal and 

vertical line 

spread function 

Cycloplegic  45 Instrument 

is rotated ‐ 

Jennings and 

Charman 113 1981  Slit 

Horizontal and 

vertical line 

spread function 

Cycloplegic  40 Instrument 

is rotated ‐ 

Navarro and 

Artal 106 1993 

Hole in 

perimeter 

Modulation 

transfer function 

Non‐

cycloplegic 60  Head turn  ‐ 

Artal et al. 93 1995 

Equal 3 mm  

diameter 

pupils in 

both passes 

Focus positions: 

sagittal, tangential 

foci and circle of 

least confusion 

Non‐

cycloplegic 40 

Instrument 

is rotated ‐ 

Williams et 

al.108 1996 

Equal 3 mm 

diameter 

pupils in 

both passes 

Focus positions: 

sagittal, tangential 

foci and circle of 

least confusion 

Cycloplegic  40  Eye turn  ‐ 

Guirao and 

Artal 107 1999 

Unequal 

pupil 

diameters 

Focus positions: 

sagittal, tangential 

foci, circle of least 

confusion and 

coma 

Non‐

cycloplegic 45  Eye turn  ‐ 

Gustafsson et 

al. 25 2001 

Equal 3 mm 

diameter 

pupils in 

both passes 

Focus positions: 

sagittal, tangential 

foci and circle of 

least confusion 

Non‐

cycloplegic 60 

Instrument 

is rotated ‐ 

Seidemann et 

al. 23 2002 

Equal 1.5 

mm 

diameter 

pupils in 

both passes 

Focus positions: 

sagittal, tangential 

foci and circle of 

least confusion 

Non‐

cycloplegic 45 

Instrument 

is rotated 

Power 

Refractor 

Jennings and 

Charman 35 2006  Slit 

Horizontal and 

vertical line 

spread function 

Cycloplegic  35 Instrument 

is rotated 

Auto‐

refractometer 

 

For most of these peripheral double‐pass techniques, the participants’ head was fixed by 

a  bite  bar  and  the  instrument  was  rotated  in  front  of  the  eye.  This  rotation  of  the 

instrument  for  each  eccentricity  angle  requires  an  additional  alignment  of  the  second 

aperture,93, 108 making  it  a  difficult  peripheral  refraction  procedure  to  set  up.  In most 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

20 

studies  only  few  participants were  chosen  to  be measured, which may  be  due  to  the 

inconvenience of using a bite bar for the alignment.  

1.3.5 Autorefraction 

Automatic objective  refractors  (autorefractors, auorefractometers) are  fast and easy  to 

use  instruments,  which  do  not  require  subjective  judgments  from  operators  or 

participants.  For more  than  two  decades  they  have  been  used  successfully  for  on‐axis 

refraction  measurements  in  ophthalmologic  and  optometric  practices  and  research 

institutions.  Most  instruments  have  an  integrated  function  for  the  measurement  of 

corneal curvature, which makes them a valuable objective clinical tool.  

 

General problems with  some autorefractors  can occur due  to pseudomyopia  caused by 

accommodation  and  inadequate  autofogging  mechanisms.46, 137-139  Pseudomyopia  is 

caused  by  using  “closed‐field”  autorefractors  in which  the  fixation  target  is  placed  at 

optical  infinity  inside  the  instrument.  To  avoid  instrument‐induced  myopia, 

autorefraction may be performed under  complete  cycloplegia. Alternatively,  the use of 

“open‐view” autorefractors permits fixation and accommodative responses to real‐world 

targets external to the instrument.   

 

Only a few autorefractors have been used to measure peripheral refractive errors (Table 

1.6).  All  of  them  feature  a  binocular  open‐view  arrangement  through  a  large  beam‐

splitter,  avoiding  instrument  myopia  and  enabling  the  fixation  of  peripheral  targets. 

These instruments are the Shin‐Nippon NVision K5001, also marketed as the Grand Seiko 

WR‐5100K, Shin‐Nippon SRW5000, also marketed as the Grand Seiko WV‐500, the Grand 

Seiko  WAM‐5500  and  the  Canon  Autoref  R‐1.  Whereas,  the  first  three  instruments 

operate  on  the  ring‐autorefraction  principle,  the  Canon  Autoref  R‐1  operates  on  the 

grating  focus  principle.    Being  based  on  infrared  illumination,  they  all  incorporate  a 

correction factor that adjusts the refraction results to white  light. The output refraction 

is presented in conventional terms of sphere (S), cylinder (C) and cylinder axis (θ).   

 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

21 

Table 1.6:  This table shows all authors and their study set‐ups for the measurement of peripheral autorefraction. 

Author  Year  Type of Autorefractor  Pupil  

Max.  

peripheralAngle 

(°)  

Test distance 

(metres) Eye or Head Turn 

Dunne et al. 371993  Canon Autoref R‐1  Non‐cycloplegic  30  Distant  Eye turn 

Wang et al. 271996  Canon Autoref R‐1  Non‐cycloplegic  40  Distant  ‐ 

Love et al. 392000  ‐  Cycloplegic  35  Distant  ‐ 

Mutti et al. 172000  Canon Autoref R‐1  Cycloplegic  30  Distant  Eye turn 

Walker and Mutti44  2002  Canon Autoref R‐1  Non‐cycloplegic  30  Distant  Eye turn 

Atchison 29 2003 

Shin‐Nippon SRW5000 and Canon 

Autoref R‐1 Cycloplegic  40  Distant  Eye turn 

Schmid 192003  Shin‐Nippon NVision K5001  Cycloplegic  15  0.80  ‐ 

Logan et al. 132004  Canon Autoref R‐1  Cycloplegic  40  0.50  Eye turn 

Chui et al.1032005  Shin‐Nippon NVision K5001  Cycloplegic  15  Distant  ‐ 

Atchison et al. 30 2005  Shin‐Nippon SRW5000  Non‐cycloplegic  35  3.30  Eye and head turn 

Ma et al. 40

2005  Shin‐Nippon SRW5000  Non‐cycloplegic  35  3.00  Eye turn 

Charman and Jennings 35  2006  Shin‐Nippon SRW5000  Non‐cycloplegic  35  6.00  ‐ 

Charman et al. 36  2006  Shin‐Nippon SRW5000  Non‐cycloplegic  34  3.00  Eye turn 

Atchison et al. 24  2006  Shin‐Nippon SRW5000  Non‐cycloplegic  35  3.30  Eye turn 

Mutti 16  2007 Canon Autoref R‐1 & the Shin‐Nippon 

NVision K5001  Cycloplegic  30  ‐  Eye turn 

Calver et al. 342007  Shin‐Nippon   Non‐cycloplegic  30  2.50 and 0.40  Eye turn 

Donovan et al.122  2007  Shin‐Nippon NVision K5001  cycloplegic  30  2.5  Head turn 

Radhakrishnan and Charman 66 2008  Shin‐Nippon SRW5000  Non‐cycloplegic  30  2.00  Eye and head turn 

Berntsen et al. 33  2008  Shin‐Nippon NVision K5001  Cycloplegic  30  1.75  Head turn 

Queirόs et al.75 2009  Grand Seiko WAM‐5500 

Cycloplegic & Non‐

cycloplegic 20  Distant  ‐ 

Whatham et al.71 2009  Shin‐Nippon NVision K5001  Non‐Cycloplegic  40  2.00, 0.40 and 0.30  Head turn 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

22 

Author  Year  Type of Autorefractor  Pupil  

Max.  

peripheralAngle 

(°)  

Test distance 

(metres) Eye or Head Turn 

Davies and Mallen73 2009  Shin‐Nippon SRW5000  Non‐Cycloplegic  30 

Distant, 1.00, 0.50 

and 0.33 Eye Turn 

Mathur and Atchison79  2009  Shin‐Nippon SRW5000  Non‐Cycloplegic  34  3.30  Eye Turn 

Mathur et al.64 2009  Shin‐Nippon SRW5000  Cycloplegic  34  3.30  Eye and Head Turn 

Ho et al.722009  Shin‐Nippon NVision K5001  Non‐Cycloplegic  40  2.5  Head Turn 

Fedtke et al.1262009  Shin‐Nippon NVision K5001  Non‐Cycloplegic  30  2.5  Head Turn 

Lin et al.832010  Shin‐Nippon NVision K5001  Cycloplegic  40  3.0  Head Turn 

Sankaridurg et al.82  2010  Shin‐Nippon NVision K5001 Cycloplegic  40 2.5 Head Turn

Chen et al.432010  Shin‐Nippon   Cycloplegic  40  ‐  Eye Turn 

Kang et al.632010  Shin‐Nippon NVision K5001  Non‐Cycloplegic  35  ‐  ‐ 

Queirόs et al.80 2010  Grand Seiko WAM‐5500  Non‐Cycloplegic  35  2.5  Eye Turn 

Mutti et al.78 2010 

Canon Autoref R‐1 & the Shin‐Nippon 

NVision K5001  Cycloplegic  30  ‐  Eye Turn 

Sng et al.1292010  Grand Seiko WAM‐5500  Cycloplegic  30  0.33  Eye Turn 

 

 

 

 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

23 

Specifically, the mode of operation of the Shin‐Nippon SRW5000 relies on a near infrared 

850  nm  ring  target  that  is  projected  onto  the  retina.  A  small  fraction  of  light  reflects 

from the retina and the reflected ring  image containing the error  information of the eye 

is captured on a charged couple detector (CCD). The  images are analysed along multiple 

meridians  to  determine  the  sphero‐cylindrical  refraction  output.  As  the  Shin‐Nippon 

SRW5000 requires pupil sizes of at least 3.0 mm,140 room illumination should be adjusted 

accordingly.30 This autorefractor was shown to be a reliable and valid instrument for on‐

axis measurements in adults137, 141 as well as children.140  

 

The successor of  the Shin‐Nippon SRW5000  is  the Shin‐Nippon NVision K5001  that uses 

three  arcs  of  infrared  light  arranged  around  a  smaller  diameter  (Table  1.7).  It  allows 

measurements  with  pupil  sizes  of  ≥2.3  mm  instead  of  the  ≥3.0  mm  of  the  former 

version.140 A smaller pupil size can give more accurate results for measurements in small 

peripheral  angle  steps  and  it  also  can  have  advantages when measuring  in  very  large 

eccentric angles, whereby the smaller target diameter fits more easily into the horizontal 

minor axis of  the elliptical pupil. For central  refraction measurements,  the Shin‐Nippon 

NVision K5001 was shown to be more reliable than subjective refraction.139  

 

The most recent "open‐view" autorefractor, the Grand Seiko WAM‐5500, is based on the 

same  operation  principle  as  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001,  with  the  additional 

advantage  that  it permits  the dynamic  recording of  refraction  (accommodation) as well 

as the measurement of the pupil diameter during accommodation. 

Table 1.7:   Features of autorefractors used for peripheral refractometry. 

  Canon Autoref 

R‐1 

Shin‐Nippon 

SRW5000 

Shin‐Nippon 

NVision K5001 

Grand Seiko  

 WAM 5500 

Wavelength of the 

instrument (nm) 850  930  Not known  Not known 

Required pupil 

diameter (mm) 3.5  3.0  2.3  2.3 

Number of 

meridians  3  All  All  All 

Fixation  Open‐view  Open‐view  Open‐view  Open‐view 

Measuring targets 3 square wave 

gratings Ring target  3 arcs  3 arcs 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

24 

The  Canon  Autoref  R‐1  is,  along  with  the  other  three  autorefractors,  an  open‐field 

instrument, but of an earlier generation. Its measurement  light source emits  in the near 

infrared wavelength  at  930 nm.  Even  though  the Canon R‐1  is no  longer  commercially 

available,  it  is still  in use  in some optometric practices.  Its widespread past and present 

use  for  research  purposes  warrants  its  inclusion  in  this  discussion.  The  refraction 

principle  is different  to  the other  three autorefractors;  it  is based on  the grating  focus 

principle.  Three  illuminated  square wave  grating  targets  arranged  in 60°  to each other 

are adjusted for best output position via a detector system. Although, central refraction 

was  found  to  be  reliable  and  relatively  valid,  accuracy  was  reduced  for  the  cylinder 

component result.  It was assumed that the refractive accuracy,  in particular for cylinder 

and  axis  values,  could  be  improved  by  increasing  the  number  of  meridians  of  the 

instrument.142 As the Canon R‐1 requires a minimum pupil diameter of at  least 3.5 mm, 

aberrations  such  as  spherical  aberration may  have  some  impact  on  refraction  results. 

Compared to central retinoscopy or subjective refraction, the Canon R‐1 showed to be a 

reliable refraction instrument for on‐axis measurements.133 

Several  research  groups  compared  peripheral  refraction measurements  obtained  with 

the Canon Autoref R‐1 to other peripheral refraction techniques. Wang et al.27 compared 

this  instrument  to  subjective and  retinoscopic peripheral  refraction. Even  though  close 

agreements  were  found  between  objective  and  subjective  methods,  considerable 

differences  were  found  between  peripheral  subjective  refraction  and  the  Canon  R‐1 

results measured for the 40° eccentricity angle in the 90° meridian. In addition, Atchison 

et  al.29  compared  peripheral  refraction  results  of  the  Canon  R‐1  with  two  other 

techniques,  the  Shin‐Nippon  SRW5000  and  the Hartmann‐Shack wavefront  sensor.  The 

poorest agreements between all  instruments were found  in conjunction with the Canon 

R‐1, suggesting this to be the least comparable instrument. Dunne et al.37 used the Zeiss 

Hartinger  coincidence  optometer  and  the  Canon  R‐1  to  investigate  an  association 

between peripheral astigmatic errors and angle alpha. Although, there was no significant 

difference  found between  the  two refractor results,  the graphed results  indicate a shift 

towards  greater  astigmatic  error  measured  with  the  Canon  R‐1.  They  also  reported 

problems measuring  peripheral  refraction  on  the  Canon  R‐1  for  eccentricities  greater 

than 30° due to the limitations of this instrument on the required pupil size.  

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

25 

Whereas most  studies with  the  Shin‐Nippon  SRW5000 performed peripheral  refraction 

measurements along  the horizontal visual  field meridian, one  study by Atchison et al.24 

also measured  the vertical meridian. By use of beamsplitters and a  light emitting diode 

(LED), the participant was able to fixate the target in 5° steps upwards or downwards. By 

use of this set‐up, only right eyes could be measured, and when gazing downwards, the 

upper eye‐lid required holding up to ensure a valid measurement.  

 

Charman and Jennings35 used a double‐pass technique and the Shin‐Nippon SRW5000 to 

investigate  the  factor  of  peripheral  refractive  error  changes  with  age.  Whereas,  the 

baseline data were obtained using a double‐pass technique, 26 years later they used the 

Shin‐Nippon  SRW5000  for  the  measurement  of  peripheral  refraction.  Measurements 

revealed a central hyperopic shift over time. However, using two different measurement 

techniques, which are based on different operation principles and under different study 

protocol  conditions  such  as  performing  cycloplegic  refraction  with  double‐pass 

technique  and  non‐cycloplegic  refraction  with  the  autorefractor,  limits  a  direct 

comparison.  

 

Davies and Mallen73 modified  the Shin‐Nippon SRW5000 by attaching a  rotating +3.00D 

Badal  system and an axially movable Maltese  cross  target,  to enable both,  central and 

peripheral refraction measurements at different accommodative states of 0.00D, 1.00D, 

2.00D and 3.00D.   

 

Berntsen  et  al.33  compared  peripheral  refraction  results  of  the  Shin‐Nippon  NVision 

K5001 with  the  COAS  aberrometer  and  found  equivalent measurements,  but  having  a 

more hyperopic spherical equivalent shift with the Shin‐Nippon NVision K5001. Donovan 

et  al.122  also  compared  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001  autorefractor  with  the  COAS 

aberrometer  and  streak  retinoscope  Using  head  turn,  peripheral  refraction  was 

measured  in  28  participants.  They  found  much  lower  values  in  oblique  astigmatism 

measured with the aberrometer when compared to the two other methods.  

 

Fedtke  et  al.126  investigated  the  impact  of  pupil misalignment  on  peripheral  refraction 

measurements when using the Shin‐Nippon NVision K5001. They showed that refraction 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

26 

measurements  became  more  sensitive  to  pupil  misalignment  as  visual  field  angle 

increased.    

 

Like Davies and Mallen73, Whatham et al.71 and Ho et al.72 also aimed to understand the 

impact  of  accommodation  on  peripheral  refraction  profiles.  Using  the  Shin‐Nippon 

NVision K5001, they approached the near viewing of targets for peripheral refractometry 

differently. An  instrument head was mounted on top of the Shin‐Nippon NVision K5001, 

which  had  not  only  small  laser  diodes  attached  to  emit  visible  red  light  towards  the 

selected  peripheral  field  positions  (up  to  40°),  but  it  also  had  adjustable  near  viewing 

targets at 0.40 and 0.30 m attached to it.  In both studies the participants were asked to 

turn the head towards the peripheral targets.   

 

With  the  increased  interest  in  measuring  peripheral  refraction  with  open‐view 

autorefractors,  the  latest  model,  the  Grand  Seiko  WAM‐5500,  has  now  also  been 

adopted for this purpose.75, 80, 129  

 

Overall, it has been shown that commercially available autorefractors are great objective 

tools  and  they  produce  similar  peripheral  refraction  results  to  other  techniques.29 

Nevertheless,  measurement  of  peripheral  refraction  with  these  instruments  remains 

time‐consuming as they require continuous re‐alignments by the participant towards the 

provided peripheral fixation targets as well as continuous re‐alignment of the instrument 

axis with the centre of the pupil by the operator. From the four autorefractors used  for 

peripheral  refraction,  the  Shin‐Nippon NVision  K5001  and  the Grand  Seiko WAM‐5500 

are  likely to be the most useful  instruments for peripheral measurements. This  is mainly 

due  to  their  smaller  pupil  size  requirement,  which  is  of  particular  advantage  for  the 

measurement  of  large  peripheral  angles.  Moreover,  the  ring‐autorefraction  principle 

appears  to have advantages over  the grating  focus principle of  the Canon Autoref R‐1, 

which  showed  limitations  with  respect  to  only  using  three  meridians  for  the 

determination of astigmatism.   

  

Lastly,  it should be noted that there are commercially available hand‐held autorefractor 

instruments, such as  the Retinomax  (Nikon Corp.) and  the Welch Allyn SureSight Vision 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

27 

Screener, which  have  proven  to  be  convenient  screening  tools  in  schools  and  nursing 

homes.143  Refraction measurements were  reported  to  be  in moderate  agreement with 

each other, though showing large variability in axis measurements.144 Comparison with a 

table‐mounted  autorefractor  and  subjective  central  refraction  has  shown  that  these 

hand‐held  autorefractor  instruments  overestimate  myopia.145, 146  As  such,  it  was 

suggested  that portable autorefractors  should be used as  screening  tools only, and not 

for  research purposes.144, 145 Even  though  these  instruments are easy  to handle and do 

not require off‐axis  fixation, no studies were  found reporting on the use of these hand‐

held autorefractors for peripheral refraction. 

1.3.6 Photorefraction 

In photorefractometry,  the eye  is  illuminated by  a point  light  source  and  the  reflected 

image in the pupil plane is observed or photographed. The refractive error of the eye can 

then  be  determined  by means  of  distribution  analysis  of  the  illumination  in  the  pupil. 

The PowerRefractor  instrument was developed at  the University Eye Hospital Tübingen 

and  is  purchasable  through  PlusOptix  (Erlangen,  Germany).  It  operates  on  this 

photorefraction principle and uses  infrared  illumination  (850 nm). The working distance 

is  1  meter.  Central  refraction  with  the  PowerRefractor  has  shown  to  have  “major 

advantages over current autorefractors  in  that  it  is  faster, measures both eyes at once, 

and gives interpupillary distance, pupil size and information on the alignment of the eyes 

at the same time”.147 Choi et al.147 measured central refractive errors in children with the 

PowerRefractor  and  a  “closed‐field”  autorefractor  (Nidek  AR800)  and  found  the 

PowerRefractor detected smaller amounts of myopia, which could also be attributed  to 

the pseudomyopia caused by the autorefractor.  

 

As  indicated  in  Table  1.8,  this  technique  has  also  been  used  for  peripheral 

photorefraction measurements. Gustafsson  et  al.54, 117  tested  participants with  central 

visual field loss and attached concentric rings in 5° steps up to 25° to the PowerRefractor 

in order to allow the participant to orientate and to find their normal eccentric gaze. The 

purpose  of  their  study  was  to  determine  and  correct  the  refractive  error  of  the 

participant’s preferred retinal  locus. Overall, this technique was found to be very useful 

and repeatable.   

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

28 

Table 1.8:   This  table  lists  all  authors  and  their  study  set‐ups  for  the measurement  of peripheral photorefraction. 

Author  Year Type of 

Photorefractor Pupil 

Max. 

horizontal 

angle (°) 

tested 

Test 

Distance 

(metres) 

Eye or 

Head 

Turn 

Photorefractor 

was compared 

to … 

Seidemann et al. 23 2002  PowerRefractor 

Non‐

cycloplegic 25  1 

Eye 

Turn 

Double‐pass 

technique 

Gustafsson et al. 117 2002  PowerRefractor 

Non‐

cycloplegic 25  1 

Eye 

Turn ‐ 

Gustafsson et al. 54 2003  PowerRefractor 

Non‐

cycloplegic 25  1 

Eye 

Turn ‐ 

Lundström et al. 99 2005  PowerRefractor 

Non‐

cycloplegic 30  1 

Eye 

Turn 

Subjective 

Refraction 

Hartmann‐Shack 

Technique 

Retinoscopy 

Lundström et al. 56 2005  PowerRefractor  ‐  35  1 

Eye 

Turn 

Hartmann‐Shack 

Technique 

Lundström et al. 55 2007  PowerRefractor 

Non‐

cycloplegic 35  1 

Eye 

Turn 

Hartmann‐Shack 

Technique 

Tabernero and 

Schaeffel42 2009 

Eccentric 

Scanning 

Photorefractor 

Non‐

cycloplegic 45  ~0.3  ‐  ‐ 

Tabernero et al.52 2009 

Eccentric 

Scanning 

Photorefractor 

Non‐

cycloplegic 45  1 

Eye 

Turn 

to 

read 

text 

‐ 

Tabernero and 

Schaeffel74 2009 

Eccentric 

Scanning 

Photorefractor 

Non‐

cycloplegic 45 

2.0, 0.5, 

0.25 ‐  ‐ 

Tabernero et al.131 2011 

Eccentric 

Scanning 

Photorefractor 

Cycloplegic  45  ‐  ‐  ‐ 

 

Seidemann  et al.23 also  found  the PowerRefractor  to be a  convenient  technique. Using 

letters as eccentric fixation targets up to 25°, the participant was asked to rotate the eye 

retaining  straight  head  position  and  read  the  letters.  Comparing  the  PowerRefractor 

results  of  six  participants  with  their  double‐pass  technique  showed  significant 

correlations in sphere and cylinder values for both techniques.  

 

A different conclusion on  this  technique was  reported  in a  study by Lundström et al.,99 

who  compared  several  techniques.  They  found  difficulties  in  measuring  at  large 

peripheral angles and indicated an underestimation of high myopic eyes. They attributed 

this to the  limited power range of the PowerRefractor.  In a second study, Lundström et 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

29 

al.55  reported  of  one  case  where  a  very  elliptical  narrow  pupil  shape  could  not  be 

analysed  with  the  PowerRefractor.  Correction  of  the  eccentric  peripheral  refractive 

errors measured with  the wavefront  sensor  showed  better  improvement  of  peripheral 

visual  function  in  six out of  seven participants with  central  visual  field  loss,  than using 

the refractive error corrections measured with the PowerRefractor. 

 

Even  though  the  PowerRefractor  was  found  to  be  a  very  useful  and  easy  to  use 

optometric  tool  for  central  refraction,  limitations  in measuring  large  peripheral  angles 

and  possible  differences with  respect  to  different  pupil  shapes  and  analysis may  have 

some impact on peripheral photorefraction results.  

 

Tabernero  and  Schaeffel42, 52, 131, 148  have  recently  introduced  the  scanning  photo‐

refractor,  which  permits  the  continuous  refraction  measurement  of  the  horizontal 

meridian up  to 45° and  thus, allows  the  faster and more convenient assessment of  the 

peripheral properties of  the eye. With  this  set‐up,  they  found  that myopic eyes have a 

more  irregular or “bumpy” retinal shape, than emmetropic eyes. This photoretinoscopic 

scanning  system  is based on  a hot mirror, which permits  refraction  at different  angles 

through  rotational as well as  translational movements, while  the head  and eye  remain 

stationary.  In  their  first  prototype  instrument,  one main  limitation  of  this  continuous 

refraction  design was  the  number  of  required  steps  (1393  video  frames,  19  steps  per 

mm, 3 steps per video frame) and thus,  its  long scanning, data acquisition and analysing 

duration  of  approximately  23  seconds.  They  note  that  long  central  fixation  could  be  a 

problem when measuring  children.  They  also  computed  noise  of measurement, which 

they  partly  attributed  to  possible  fluctuations  of  accommodation  during  fixation,  but 

mainly  due  to  small  fixation  errors,  which  can  impact  the  shift  and/or  shape  of  the 

peripheral  refraction  profiles. More measurement  noise  was  found  in  the  nasal  side, 

which  they  assume  to  be  due  to  the  partially  blocking  of  the  illumination  by  the 

participants nose. Following  the  first prototype  instrument, an upgraded version of  the 

same  instrument  was  introduced,  which  reduced  measurement  time  from  23  to  4 

seconds. This was achieved with faster mechanics such as a belt‐driven linear translation 

stage to speed up the translation of the mirror and a two‐gear belt transmission system 

to  rapidly  rotate  the  mirror.  Although  the  operation  principle  of  the  scanning 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

30 

photorefractor  stems  from  the  concept of  the PowerRefractor,  its main difference  and 

thus,  main  disadvantage  is  that  it  cannot  measure  astigmatic  errors.  Whereas  the 

PowerRefractor rotates the photoretinoscope to obtain the sphero‐cylindrical refraction 

of  the  eye,  the  scanning photorefractor only measures  the  vertical pupil meridian  and 

thus,  provides  only  spherical  errors.  The  authors  mention  that  a  rotational 

photoretinoscope  principle,  such  as  used  in  the  PowerRefractor,  could  also  been 

implemented  into  the  scanning  photorefractor,  however,  this  would  be  complex  and 

slow down  sampling  rate and consequently,  the peripheral  refraction  scan would again 

require much more  time.  Instead of using a  rotational photoretinoscopic principle,  the 

authors also suggest to perhaps perform measurements along two pupil meridians, that 

is 90 and 180°.131 Despite the many advantages of this peripheral scanning instrument of 

having  no  eye‐  and  head‐turn  requirements  and  being  a  much  faster  peripheral 

refraction  technique, being  restricted  to spherical error measurements  limits  its use.  In 

particular, due  to  the  fact  that oblique astigmatism  is strongly present  in  the periphery 

of  the eye and  its measurement, assessment and correction has already been shown  to 

be of relevance to vision scientists.82 

1.3.7 Aberrometer 

A  very  simple  implementation  of  the  basic  principle  of  aberrometry  is  the  previously 

mentioned Scheiner disc. Whereas, the disc of a Scheiner optometer consists of only two 

pinholes, Hartmann149 increased the number of pinholes over the entire pupil and traced 

the aberrated ray  lights accordingly. Shack150 modified this by replacing the disc with an 

array of tiny lenses.  

 

Specifically, when using an aberrometer, such as  the COAS, a narrow  light beam  is sent 

into the eye projecting a small spot onto the retina. When reflected  light from this spot 

exits the eye  it generates the eye's aberrated wavefront. By use of a set of relay  lenses 

and  the Hartmann‐Shack sensor, which consists of  the  lenslet array and a detector,  the 

spots  created  by  the  lenslet  array  are  captured  by  the  detector.  The  relative 

displacements of the spots are analysed with respect to their reference spots to provide 

the wavefront map of the eye. The wavefront errors or aberration values are provided in 

the  form  of  Zernike  coefficients,  which  can  then  be  converted  to  the  conventional 

sphero‐cylindrical refraction output.   

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

31 

Table 1.9:   This table shows all authors and their study set‐ups used for the measurement of aberrometer‐based peripheral refraction. 

Author  Year Type of 

Aberrometer Pupil 

Max.  

Angle 

(°) 

tested 

Eye or 

Head Turn 

Aberrometer was 

compared to … 

Navarro et al. 116  1998 Laser ray‐tracing 

method Cycloplegic  40  Eye Turn  ‐ 

Atchison and  Scott 31 

2002 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Cycloplegic  40  Eye Turn  ‐ 

Atchison 29  2003 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Cycloplegic  40  Eye Turn Shin‐Nippon SRW5000 Canon Autoref R‐1 

Atchison et al. 32  2003 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Cycloplegic  40  Eye Turn  ‐ 

Atchison 118  2004 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Cycloplegic  40  Eye Turn  ‐ 

Lundström et al. 99  2005 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Non‐cycloplegic  30  Eye Turn Subjective Refraction

Photorefraction Retinoscopy

Lundström et al.56  2005 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

‐  35  Eye Turn Photorefraction 

 

Atchison et al. 120 2006  COAS Cycloplegic 5 Eye Turn  Subjective Refraction

Atchison et al. 121  2006  COAS  Cycloplegic  40  Eye Turn  ‐ 

Radhakrishnan and Charman 65 

2007 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Non‐cycloplegic  30 Eye and 

Head Turn ‐ 

Lundström et al. 53  2007 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Non‐cycloplegic  20  Eye Turn  ‐ 

Lundström et al. 55  2007 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Non‐cycloplegic  35  Eye Turn Photorefraction 

 

Donovan et al.122  2007  COAS  Cycloplegic  30  Eye Turn Shin‐Nippon NVision 

K5001 Retinoscopy 

Berntsen et al. 33  2008  COAS  Cycloplegic  30  Head Turn Shin‐Nippon NVision 

K5001 

Mathur et al. 123  2008 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Non‐cycloplegic  21  Eye Turn  ‐ 

Lundström et al.67  2009 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Non‐cycloplegic  40 Eye and 

Head Turn ‐ 

Lundström et al.125  2009 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Non‐cycloplegic  30  Eye Turn  ‐ 

Mathur and Atchison79 

2009  COAS  Non‐cycloplegic  21  Eye Turn  Shin‐Nippon SRW5000 

Mathur et al.127  2009  COAS  Non‐cycloplegic  21  Eye Turn  ‐ 

Mathur et al.61   2010  COAS  Non‐cycloplegic  21  Eye Turn  ‐ 

Mathur et al.47   2010  COAS  Non‐cycloplegic  21  Eye Turn  ‐ 

Wei and Thibos128  2010 Hartmann‐Shack Sensor Technique 

Non‐cycloplegic  15  ‐  ‐ 

Atchison et al.77  2010  COAS Non‐cycloplegic 21 Eye Turn  ‐

Shen et al.81  2010  COAS  Non‐cycloplegic  30  Head Turn  ‐ 

Baskaran et al.130  2010  COAS‐HD VR  Non‐cycloplegic  40  Eye Turn  ‐ 

Baskaran et al.62  2011  COAS‐HD VR  Non‐cycloplegic  40  Eye Turn  ‐ 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

32 

Whereas  the  COAS  is  a  commercially  available  aberrometer,  several  research  groups 

have  developed  their  own  Hartmann‐Shack wavefront  techniques.  Table  1.9  shows  all 

research  groups  that  reported  on  peripheral  measurements  obtained  with  the 

Hartmann‐Shack technique.   

 

One  such  technique used  for peripheral measurements has been explained  in detail by 

Atchison and Scott.31 A beamsplitter and a system of peripheral fixation targets up to 40° 

in 5° steps enable measurement of the desired angles  in the periphery. For the analysis 

of Zernike coefficients obtained at a peripheral angle, the elliptical pupil shape had to be 

taken  into account and  transformations made.29, 32 Detailed  information on analysis  for 

the  measurement  of  their  ocular  aberrations  in  the  peripheral  visual  field  has  been 

published.151  

 

A different  set‐up  for  the measurement of peripheral  aberrations using  the Hartmann‐

Shack  technique  has  been  built  and  applied  by  Lundström  et  al.56  This  set‐up  was 

particularly designed  for participants with  large  central  visual  field  loss. The  technique 

incorporates  concentric  ring  fixation  targets,  to  allow  participants  alignment  with 

respect to their preferred retinal  locus position. Moreover,  it  includes an eye tracker as 

well  as  analysing  software  with  unwrapping  algorithms  that  consider  elliptical  pupil 

shapes.  

 

In  2009  Lundström  et  al.67  used  a  Hartmann‐Shack  wavefront  sensor  technique  that 

allows measuring of  the periphery of  the  eye  for different  accommodative  states.  This 

was achieved by use of a hot mirror, which allowed for an open field of view and hence 

binocular  fixation to different off‐axis targets at different distances. A bitebar was used 

to stabilise the head during the measurements.   

Using  the  COAS  aberrometer,  five  studies  by Mathur  and Atchison  et  al.61, 123, 127,  79,  77 

mapped  higher  order  aberrations  at  horizontal  visual  field  locations  up  to  21°  and 

vertical visual field locations up to 16° using a beamsplitter for off‐axis target projection. 

For  this 38  targets were produced onto a projection screen, which  the participants had 

to view successively. 

 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

33 

Whereas,  the  aberrometry‐based  peripheral  refractions  by  Berntsen  et  al.33  obtained 

with  the  COAS were  in  good  agreement  to  refraction  data  of  the  Shin‐Nippon NVision 

K5001,  Donovan  et  al.’s122 measurements  revealed  peripheral  astigmatic  values which 

were  almost  half  in  value  using  the  COAS when  compared  to  the  Shin‐Nippon NVision 

K5001.  Compared  to  the  peripheral  refraction  data  obtained  with  the  Shin‐Nippon 

SRW5000,  Atchison's  Hartmann‐Shack  wavefront  sensor  technique  showed  good 

agreement.29  Lundström  et  al.’s55, 99  comparisons  of  different  peripheral  refraction 

techniques  showed  that  the Hartmann‐Shack  technique was  the most useful  technique 

compared  to  subjective  refraction,  retinoscopy  and  photorefraction.  In  comparison  to 

the  PowerRefractor,  results  showed  that  the  Hartmann‐Shack  sensor  technique  by 

Lundström  et  al.56  measured  greater  astigmatism  in  the  oblique  axis  and  the  total 

cylinder  value  obtained  was  smaller  than  with  the  PowerRefractor.  Due  to 

underestimation  of  oblique  off‐axis  astigmatism  and  limitations  for  large  eccentricities 

using the PowerRefractor, the Hartmann‐Shack technique has been assumed to be more 

accurate for peripheral refraction.  

 

Baskaran  et  al.62, 130  have  used  the  COAS‐HD  VR  aberrometer  for  the measurement  of 

peripheral  refraction  measurements.  This  COAS  instrument  has  an  open‐view  optical 

relay system attached, which permits measurements of up to 40°.  

 

Although all aberrometer  techniques were  in good agreement with other methods and 

considered very useful, a small overestimation of myopia was found for the aberrometry 

refractions  compared  to  all  the  other  instruments  used  in  the  comparison  studies  by 

Lundström et al.,99 Berntsen et al.33 and Atchison et al.29. This finding was also observed 

in validation studies of aberrometers on central measurements  in adults152, 153 as well as 

children.154  It  was  suggested  this  to  be  due  to  differences  in  calibration  (wavelength 

differences),  set‐up  (closed‐view  versus  open‐view)  and/or  the  operation  principles 

(pupil  diameter)  between  aberrometers  and  autorefractors.29, 33  As  mentioned  for 

autorefractors,  the  same  participant‐  and  operator‐related  intricacies  (constant  re‐

alignment  of  eye/head  and  pupil/instrument)  remain,  which  eventually  can  lead  to 

prolonged  testing  times  in  particular  when  numerous  peripheral  angles  have  to  be 

measured.   

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

34 

Very recently, Wei and Thibos as well as Jaeken and Artal also  introduced new scanning 

Hartmann‐Shack  aberrometers.128, 155  Just  like  the  technique  by  Tabernero  and 

Schaeffel,42, 52, 74  both  techniques  permit  the measurement  of  peripheral  optics  of  the 

eye  without  the  need  for  off‐axis  fixation. Wei  and  Thibos  use  double‐pass  scanning 

lenses and a scanning mirror that enable the measurement of the periphery of the eye. 

Currently,  this  technique  is  limited  to visual  field measurements up  to a mid peripheral 

range  of  ±15°, which  takes  up  to  7  to  8  seconds.  The  authors  note  that  by  combining 

both,  peripheral  fixation  and  the  scanning  Hartmann‐Shack  aberrometer  the 

measurement  range  can be extended beyond  the  central 30°.   Due  to  strong backward 

reflections  from  the  system  and  the  cornea,  the  current  instrument  set‐up  does  not 

permit  the  measurement  of  on‐axis  aberrations  and  the  measurements  along  the 

horizontal meridian. Currently, there is only limited information published on Jaeken and 

Artal’s  scanning  Hartmann‐Shack  aberrometer.155  However,  first  specifications  of  this 

instrument appear promising,  indicating  that continuous measurements are possible up 

to peripheral angles of ±40° and the complete scan takes approximately 2 seconds.  

1.4 Alignment Criteria for Peripheral Refractometry 

When using conventional refraction techniques for the measurement of the periphery of 

the  eye,  a  form  of  off‐axis  fixation  or  instrument  adjustment  is  required  in  order  to 

permit the alignment of a particular peripheral field angle with respect to the instrument 

axis.  Commonly,  the  participant  is  asked  to  either  turn  the  eye  (Figure  1.3  a)  or  head 

(Figure  1.3  b)  towards  a  peripheral  fixation  target  whilst  keeping  the  refraction 

instrument  in  its  fixed position. This  involves  the participant actively  taking part  in  the 

measurement  procedure,  which  often  can  lead  to  extensive  testing  times.  A  third 

alternative is the rotation of the measuring device in front of the eye (Figure 1.3 c). This, 

however,  is  often  difficult  to  achieve when  using  compact  instrument  designs  such  as 

ready‐made autorefractors or aberrometers.  

Whether eye turn measurements can lead to different peripheral refraction results when 

compared  to  straight  ahead  gaze  has  previously  been  investigated  by  several  authors 

(Table 1.10).  

 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

35 

 

Figure 1.3:   Alignment  of  the  peripheral  measurement  angle  with  respect  to  the instrument axis via a) eye turn, b) head turn and c) instrument rotation. 

 

Table 1.10:  Summary of the findings investigating possible refractive changes between eye and head turn as well as instrument rotation. 

Author  Year  Refraction 

Technique  

Instrument  Axis 

Alignment  was 

compared 

between... 

Max. 

Peripheral 

Angle 

Findings 

Ferree et al.68  1931  Zeiss 

Hartinger 

coincidence 

optometer 

Eye Turn & 

Instrument 

Rotation 

(60°)  Eye turn induced a shift towards myopia 

of up to 2.50D 

Simensen & 

Thorud156 

1994  Observation 

of 

development 

of refraction 

‐  ‐  90% of all workers became myopic 

whilst carrying out work that required 

constant eccentric fixation (eye turn) 

and near work 

Seidemann et 

al.23 

2002  Double‐Pass 

Technique 

Eye Turn & 

Head Turn 

40°  Eye turn induced a shift towards myopia 

of an average of 0.70D 

Atchison et al.30  2005  Shin‐Nippon 

SRW5000 

Eye Turn & 

Head Turn 

35°  No evidence of a significant difference 

between eye and head turn was found. The 

maximum difference was 0.17D.  

Radhakrishnan 

and Charman65 

2007  Hartmann 

Shack 

Wavefront 

Sensor 

Eye Turn & 

Head Turn 

30°  They found high levels of inter‐subject 

variability and some support for the view 

that pressures from external muscles of the 

eye may affect the refraction. 

Radhakrishnan 

and Charman66 

2008  Shin‐Nippon 

SRW5000 

Eye Turn & 

Head Turn 

30°  No evidence of a significant difference 

between eye and head turn was found. The 

maximum mean difference was 0.195D. 

Mathur et al.64  2009  Shin‐Nippon 

SRW5000 

Eye Turn & 

Head Turn 

30°  No significant changes in axial or peripheral 

refraction were found upon oblique 

viewing.  Nevertheless, 10% and 20% of 

participants showed significant 

differences in M and J180/J45 

Prado et al.157  2009  Hartmann 

Shack 

Wavefront 

Sensor 

Eye Turn & 

Head Turn 

30°  Some aberration terms showed changing 

trends with gaze. Overall, these changes 

were smaller than their variability at each 

position. 

Lundström et 

al.67 

2009  Hartmann 

Shack 

Wavefront 

Sensor 

Eye Turn & 

Head Turn 

‐  No significant peripheral refraction 

differences found. However, some 3rd and 

4th order aberrations (i.e. spherical 

aberration) became significantly more 

negative with eye turn. 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

36 

The  first  peripheral  refraction  study  by  Ferree  et  al.68  in  1931  noticed  a  difference 

between refraction results obtained by eye turn or instrument rotation. They observed a 

shift  towards  myopia  of  up  to  2.50D  after  prolonged  peripheral  fixation  using  eye 

rotation. Their instrument set‐up permitted peripheral refraction measurements of up to 

60°.  However,  no  mention  was  made  for  which  peripheral  angles  this  2.50D  shift 

occurred and for how  long the off‐axis fixation had to be maintained  in order to achieve 

this “phenomenon” of a myopic  trend. The authors suggest  that prolonged  fixation can 

temporarily  elongate  the eye due  to pressure of  the external muscles  and  as  such  can 

produce myopia.  

More  evidence  that  may  support  the  hypothesis  of  change  in  refractive  errors  with 

eccentric fixation was found in a study conducted by Simensen and Thorud156 in a textile 

factory  in  Lillehammer.  They  monitored  refractive  error  changes  in  textile  workers 

(n=11), who were focusing downwards on nearby slowly‐moving textile,  in order to find 

weaving errors. Whereas, 90% of all  textile workers became myopic over  the years, all 

control participants (n=11) showed no refractive error change towards myopia. However, 

it  should be noted,  that  this  result may have been affected by  the additional  factor of 

near‐induced myopia, which has been reported to be linked to prolonged near‐work.158 

 

Just  like  Ferree  and  co‐workers,68  Seidemann  et  al.23  found  a  similar  shift  towards 

myopia  when  the  participants  were  asked  to  turn  their  eyes  by  40°.  On  average  the 

myopic  shift with eye  rotation using a double‐pass  technique  in  three participants was 

0.70D ± 0.36D.  

 

In contrast, a small difference within normal test‐retest variability between eye and head 

turn measurements was found by Atchison et al.,30 who determined peripheral refraction 

with  the  Shin‐Nippon  SRW5000  at  35°  temporally  and  nasally.30  Radhakrishnan  and 

Charman66  conducted  a  study  investigating  the  contradicting  results  of  Simensen  and 

Thorud156  to  those  of Atchison  et  al.’s.30  The  Shin‐Nippon  SRW5000  autorefractor was 

used  for  eye  and  head  turns  up  to  30°.  No  significant  differences  (maximum  0.17D) 

between  eye  and  head  turn  data  were  found.  Moreover,  to  research  the  effect  of 

prolonged  peripheral  fixation  they measured  peripheral  refractions  at  25°  after  a  2.5 

minute  fixation  period  and  found  no  significant  differences  to  ≤  1  minute  fixation 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

37 

durations. As  retinal eccentricity  increased, so did  the standard deviations. The authors 

explain  this  to  be  due  to  the  difficulty  for  participants  to maintain  exact  eye  or  head 

positions  at  large  eccentricities.  In  another  investigation  using  the  Hartmann‐Shack 

technique, the same authors65 found some evidence of eye turn‐induced refractive error 

changes  of  up  to  1.00D  in  hyperopic  direction.  This  finding  occurred  after  1  to  1.5 

minutes viewing at 30° eccentricity. This observation was made  in only some  individuals 

but was  not  shown  for  oblique  viewing  durations  of  20 minutes.  The  same  authors65 

observed  that  pupil  sizes  constricted  systematically  with  increasing  oblique  viewing 

angles. They suggest this pupil constriction to be caused either by stress occurring in the 

participant  due  to  the  task  of  maintaining  the  oblique  viewing  angle  or  due  to  the 

mechanical pressures stimulating the ciliary nerves when turning the eye. 

 

Marthur  et  al.64  measured  axial  refraction  under  oblique  viewing  conditions  (30° 

temporal  and  30°  nasal)  using  the  Shin‐Nippon  SRW5000  and  compared  the  results  to 

straight‐ahead viewing. Although  they did not  find any  significant mean effects  for  the 

participant group  (n=53),  there were at  least 10% and 20% of participants  that  showed 

significant differences in the refractive vector components M and J180/J45, respectively. A 

similar  study was  conducted by  Prado  et  al.157 who used  a Hartmann  Shack wavefront 

technique  to  measure  and  compare  on‐axis  aberrations  between  straight‐ahead  and 

oblique  viewing  (30°  temporal  and  30°  nasal).  They  found  that  some  mean  values 

showed a trend to change with gaze direction; however these changes were smaller than 

the overall variability. Lundström et al.67 showed that some 3rd and 4th order aberrations, 

such  as  spherical  aberration,  were  significantly  different  between  eye  and  head  turn 

measurements.  

 

Instead  of  investigating  the  impact  of  eye  turn  on  peripheral  refraction  results, 

Macfadden et al. investigated the impact of eye turn on the peripheral ocular shape and 

found a  significant  shift  in  retinal profiles when  comparing eye  rotation and head  turn 

measurements using the IOLMaster.159  

 

Recently, researchers have also turned their attention to measuring peripheral refraction 

when  wearing  contact  lenses81, 160  or  spectacle  lenses.52, 82  In  the  latter  case,  it  is 

important  that  the visual axis  is perpendicular  to  the spectacle plane or else peripheral 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

38 

prismatic  effects  of  the  spectacle  lens  can  affect  the  measurement  angle.  When 

measuring  peripheral  refraction  in  the  contact  lens wearing  eye,  there  is  a  possibility 

that eye turn can affect the centration of the contact  lens, which potentially can  impact 

the measured  peripheral  refractive  power.  Thus,  to  avoid  peripheral  prismatic  effects 

with  spectacle  lenses  or  de‐centration  effects  of  contact  lenses,  peripheral  refraction 

measurements should be performed using head turn.    

 

Most of  the studies  listed  in Table 1.10 have shown  little or no difference between eye 

and  head  turn  measurements.  However,  these  studies  have  been  using  somewhat 

different  study protocols  to  investigate  the  impact of eye  turn on peripheral  refraction 

data  when  compared  to  head  turn  or  instrument  rotation.  The  use  of  different 

instrumentations,  different  peripheral  angles  measured  and  different  durations  for 

oblique viewing may have had an impact on the different results found. Nevertheless, to 

avoid any of the possible effects that may result from eye turn measurements, whether 

the  eye  is measured with  or without  correction  devices,  head  turn  appears  to  be  the 

more suitable method for the alignment of the peripheral measurement angle.   

1.5 Summary and Conclusion 

Clearly,  there  has  been  much  advancement  in  refraction  instruments  over  time  with 

respect  to delivering accurate and  reliable  results  for on‐axis measurements but also  in 

terms of ease of use. These changes  in  refraction  technology are also  reflected  in  their 

use  for  research  purposes  related  to  peripheral  refractometry.  From  the  current 

literature review and Figure 1.4 it is evident that in the last decade, objective techniques 

based  on  autorefraction  and  aberrometry  have  become  of  greatest  use  for  the 

measurement  of  peripheral  refraction.  The  current  review  suggests  that  objective 

instruments,  such  as  the  COAS,  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001  and  the  Grand  Seiko 

WAM‐5500  are  the  most  useful  commercially  available  instruments  for  peripheral 

refraction measurements. Whereas  the  COAS  provides  the  additional measurement  of 

higher  order  aberrations,  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001  and  the  Grand  Seiko WAM‐

5500  require  smallest  pupil  diameters  for  autorefractors  and  they  permit  binocular 

viewing of the external peripheral real‐distance target. 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

39 

 

Figure 1.4:   Number  of  studies  and  their  peripheral  refraction  techniques  used  over  the last 40 years (left) and the last decade (right). 

Nevertheless,  all  but  three42,128,155  of  the  mentioned  instruments  used  for  peripheral 

refractometry, were originally designed  for  the measurement of  central  refraction  and 

had  to be modified  to achieve  the peripheral alignment criteria  required  for peripheral 

refractometry.  The  need  for  faster  instruments,  requiring  no  off‐axis  fixation  or 

instrument  rotation,  has  been  recognised  in  the  last  few  years  and  the  first  research 

prototypes,  such  as  the  eccentric  scanning  photoretinoscope  of  Tabernero  and 

Schaeffel42  and  the  scanning Hartmann  Shack  aberrometers  of Wei  and  Thibos,128  and 

Jaeken  and  Artal155  have  been  introduced.  It  should  be  noted  that  all  of  these  new 

instruments were  introduced after the research reported  in this thesis had commenced. 

One major advantage of the three new instruments is the speed in measuring peripheral 

refraction  when  compared  to  that  of  modified  techniques.  Nevertheless,  some 

limitations remain. The operation principle of the scanning photorefractor by Tabernero 

and Schaeffel,  for example,  is  limited as  it permits the measurement of spherical errors 

only.  Thus,  the  astigmatic  component, which  is  significant  in  the periphery of  the  eye, 

can currently not be measured. Moreover,  the scanning Hartmann‐Shack sensor by Wei 

and Thibos  is  restricted  in measuring only mid‐peripheral angles up  to ±15° and at  the 

current  stage measurements  are  not  possible  centrally  and  along  the  horizontal  visual 

field meridian. As these peripheral refraction instruments are in the early stages of their 

development,  it  is  anticipated  that  further  improvements  to  current  prototype 

instruments and/or the introduction of new concepts will follow soon. 

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

40 

1.6 Thesis Overview 

1.6.1 Rationale for Research 

With  the  discovery  that  peripheral  refractive  errors  can  influence  eye  growth,  their 

critical assessment and monitoring has become paramount to current research activities 

in the field of myopia. The measurement of rapid and accurate global refraction, that is, 

central  and  peripheral  refraction,  at  individual  and  population  levels  has  therefore 

become  of  particular  demand.  Currently,  however,  time‐consuming  sequential  re‐

alignments  by  participants  and  operators  are  required  when  using  commercially 

available  refraction  techniques.  It  has  also  been  shown  that  when  using  these 

techniques,  standard  errors  commonly  increase  for  larger  visual  field  angles.  As  there 

has  been  little  research  conducted  to  investigate  this  increase  in  standard  errors, 

clarification  is still needed to confirm that using these instruments for the measurement 

of  the peripheral optics of  the eye provides accurate  results. Preferably, an  instrument 

dedicated  to  the  rapid  and  accurate measurement of  central  and peripheral  refraction 

would be  the ultimate  tool  for research  institutions and clinical practices  in  the current 

quest to understand, monitor and control myopia progression.      

 

Overall,  results  of  this  work  will  help  understanding  intricacies  related  to  peripheral 

refraction measurements when using modified  commercially available  instruments, will 

test new concepts and investigate a new approach of obtaining more rapid and accurate 

peripheral refraction measurements.  

1.6.2 Hypotheses 

The two primary hypotheses of this thesis are: 

 

Refraction measurement  accuracy  decreases  with  increasing  visual  field  angle, 

due  to decreased  tolerance  to misalignment when using  commercially  available 

refraction instruments for the measurement of peripheral refraction   

A  new  refraction  technique,  dedicated  to  measure  central  and  peripheral 

refraction rapidly and accurately across the entire visual field, can be developed.  

CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW 

41 

1.6.3 Aims  

Specifically, the aims for the first part of this thesis are to: 

 

Investigate  the  impact  of  pupil  (mis‐)alignment  on  peripheral  refraction 

measurements when using commercially available instruments (Chapter 2) 

Develop and introduce a new method for the correction of pupil alignment errors 

when measuring  peripheral  refraction with  commercially  available  instruments 

(Chapter 3). 

 

In an effort to overcome current limitations of peripheral refractometry, the second part 

of this thesis aims to  introduce and develop a new peripheral refraction  instrument that 

provides  fast  and  accurate measurements  across  the  visual  field.  The  specific  aims  are 

to: 

 

Develop  the optical design of a novel peripheral  refraction  instrument  concept, 

the EyeMapper, which has the objective to measure refraction rapidly across the 

visual  field  by  use  of  stationary  deflecting  components  and  a  scanning mirror, 

based on the ring autorefraction principle (Chapter 4) 

Assess component and safety criteria for this new instrument concept and to test 

and  cross‐validate  the  autorefraction  principle  with  a  commercially  available 

autorefractor (Chapter 5) 

Integrate the wavefront sensing principle  into the optical and mechanical design 

of  the  EM  and  build,  calibrate  and  test  this  new  instrument.  (Chapter  6).

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

42 

CHAPTER 2:  

INVESTIGATION OF OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT  INTRICACIES  IN CURRENT PERIPHERAL REFRACTOMETRY§ 

2.1 Overview 

Chapter 1 addressed participant‐related alignment  intricacies, such as the requirements 

for  off‐axis  fixation  and  the  time‐consuming measurement  procedure  involved,  when 

using  conventional  instruments  for  the  measurement  of  peripheral  refraction.  The 

objective of Chapter 2 was  to  investigate  also whether operator‐related  tasks,  such  as 

the  (mis‐)/alignment  of  the  instrument  with  the  centre  of  the  entrance  pupil,  could 

impact  the  accuracy  of  instruments  adapted  for  the  measurement  of  peripheral 

refraction.   

 

At first, this chapter aimed to investigate the clinical impact of pupil misalignment on the 

peripheral refraction results when using the Shin‐Nippon NVision K5001 autorefractor. In 

the  second  part  of  this  chapter,  an  entrance  pupil  model  was  developed  and  its 

geometrical  behaviour  as  a  function  of  peripheral  viewing  angle was  assessed  and  its 

implications on peripheral refraction measurements were discussed. 

2.2 Investigation of Pupil Alignment Tolerance  

2.2.1 Introduction 

Given  the  recently  inferred  association  of  peripheral  refraction  with  myopia 

development,10, 124, 161  the  relevance  and  importance  of  measuring  and  monitoring 

peripheral  refraction  profiles  as  accurately  as  possible  has  been  recognised  and 

constitutes the basis of many research efforts.  

 § Work  from  this chapter has previously been presented  in part by  the author and Arthur Ho at the annual meeting of the American Academy of Optometry, Orlando, 2009.126, 162 Based on these presentations,  two papers have been published by  the  author.163, 164 Whereas, most modelling and  analysis  of  the  entrance  pupil  (Section  2.3) was  previously  carried  out   by  Arthur Ho,  the author's additional contribution was the discussion of its implications and the further processing and analysis of the data. 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

43 

Methodologically,  however,  the  measurement  of  peripheral  refraction  with  modified 

instruments  requires  compliance  with  two  alignment  criteria  with  respect  to  the 

instrument  axis;  firstly,  the  correct  rotational  alignment  to  achieve  the  targeted 

peripheral visual  field angle and  secondly,  translational alignment  (centration) with  the 

entrance  pupil.  For  central  autorefraction,  instruments  require  good  alignment  of  the 

measurement axis with  the entrance pupil  centre as well as  correct  longitudinal  (axial) 

adjustment  of  the  instrument  in  terms  of  illumination  and  calibration.  Currently,  it  is 

assumed  that  both  alignment  conditions  have  to  be  also  satisfied  when  performing 

peripheral  refraction.  This,  however,  is  difficult  to  achieve  in  practice  due  to  the 

peripheral  observation  angle  of  the  eye  and  the  resultant  elliptical  appearance  of  the 

entrance pupil  shape. Moreover,  the axial alignment, which  for autorefractors  requires 

the  focussing  of  the  keratometry  ring,  is  difficult  to  perform,  as  the  ring  shifts 

peripherally and distorts in shape. 

Although  validation  studies  on modified  peripheral  refraction  techniques  have  shown 

good agreement between  instruments,  23, 29, 99 peripheral  refraction  results often  show 

an increase in variability as visual field angle increases.23, 25, 34, 40, 64, 66, 71, 73, 130 The source 

of  such variability could be  related  to physiological differences within  the eye’s central 

and peripheral shapes, a degree of measurement noise and/or the increasing magnitude 

of the measurement values. 

No studies have yet reported on the tolerance of misalignment within the elliptical pupil 

when  measuring  peripheral  refractive  errors.  Cheng  and  colleagues  investigated  the 

impact  of  lateral  and  axial misalignment  on  aberration  data  for  central measurements 

using  the  COAS  aberrometer.165, 166  In  consideration  of  their  estimated  clinician 

misalignment range of ± 0.5 mm, central aberration values were shown to be stable.  

Considering  that  evaluation  of  peripheral  refraction  profiles  typically  require  the 

measurement  of  numerous  eccentricities  and/or  numerous  repeats  at  select 

eccentricities,  a  large  number  of  re‐alignments  from  the  participant’s  and  operator’s 

point  of  view  are  required.  As  such,  any  of  these  modified  peripheral  refraction 

techniques  have  considerable  potential  for  alignment  errors.  Hence,  the  clinician’s 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

44 

normal operation range for peripheral refraction is likely to be larger than the previously 

estimated  central  normal  misalignment  range  of  ±  0.5  mm  when  using  the  COAS 

instrument.165, 166  

 

Based  on  the  current  technical  intricacies  in  peripheral  refractometry,  the  additional 

impact  of  large  oblique  astigmatism  and  the  elliptical  peripheral  entrance  pupil,  it  is 

reasonable  to  assume  that  sensitivity  in measurement  error  for  peripheral  refraction 

increases with increasing eccentricity. Hence, from the methodological point of view and 

with  its  increasing  scientific  and  clinical  relevance,  the  key objective of  this  first  study 

was  to  investigate  how  sensitive  the  peripheral  refraction  results  are with  respect  to 

lateral pupil misalignment in comparison to the sensitivity of central refraction results. 

2.2.2 Methods 

2.2.2.1 Participants 

The  study protocol was  reviewed  and  approved by  the University of New  South Wales 

Human Research Ethics Advisory Panel and conformed to the tenets of the Declaration of 

Helsinki.  Ten  emmetropic  (central M  ≤  |0.50|D)  and  ten myopic  (central M  ≤  ‐0.75D) 

cooperative  adult  participants were  recruited  and  successfully  enrolled  into  the  study. 

All  participants  were  screened  for  good  ocular  health  and  had  no  history  of  ocular 

anomalies, such as manifest strabismus, non‐orthophoric conditions, or any anterior eye 

anomalies.  Peripheral  refraction  was  measured  for  the  right  uncorrected  eye  in  the 

horizontal visual field meridian. Pupils were not dilated for the measurements. 

2.2.2.2 Instrumentation 

Central  and  peripheral  refraction measurements  were  performed  with  the  open‐view 

autorefractor,  the  Shin‐Nippon  NVision‐K5001  (also  known  as  Grand  Seiko WR‐5100K, 

Shin‐Nippon,  Tokyo,  Japan).  For  this  study  the  autorefractor was modified  (Figure  2.1, 

left)  to  allow  for  easier  peripheral  refraction measurements.  The  primary modification 

includes  the  addition  of  an  instrument  head, which  had  been mounted  on  top  of  the 

autorefractor.  The  instrument  head  includes  several  small  red  laser  diodes  that  are 

aligned  to project  laser  fixation  targets  into  the participant’s visual  field, one at a  time, 

at various angles onto a wall, 2.0 to 2.5 m distant. In the present study, the laser fixation 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

45 

targets were presented  straight ahead  from  the  centre of  the autorefractor and 30°  in 

the  nasal  and  temporal  horizontal  visual  fields.  The  use  of  bright  laser  targets  on  the 

wall, allows even uncorrected ametropic participants  to be able  to  recognise and  fixate 

on the targets. As explained  in Chapter 1, head turn was the preferred method over eye 

turn, and the chin‐rest had been modified to allow easy head turn for off‐axis fixation. 

Using  the method described by Thibos et al.,167  the sphero‐cylindrical  refraction output 

S/C  ×  θ was  converted  to  the  power  vectors, M  (spherical  equivalent),  J180  (with‐  and 

against‐the‐rule astigmatism) and J45 (oblique astigmatism) as followed: 

Equation 2.1  /  

Equation 2.2  /  

Equation 2.3  /  

All data processing (e.g. averaging) and subsequent analyses were performed in terms of 

these power vector components.  

2.2.2.3 Participant Alignment 

Each  participant  was  instructed  to  turn  his/her  head  toward  the  presented  fixation 

target  while  keeping  both  eyes  stationary,  relative  to  head  position,  in  forward  gaze 

(Figure 2.1, right). The participant’s cooperation regarding head alignment and accuracy 

of  fixation  was  monitored  by  the  operator  throughout  the  measurement  procedure. 

Nevertheless,  it should be noted that,  in practice, an additional small compensatory eye 

turn may  be  difficult  to  perceive  and  correct.  In  three  participants  head misalignment 

was measured  (five  repeats  at  30°  nasal  and  30°  temporal  visual  field  angles), which 

ranged from  ‐6.85° to +5.15° (mean  ‐2.13° ± 2.85°). This small compensatory eye turn  is 

unlikely to have a real impact on the data, particularly because the differences related to 

eye and head turn measurements, were, if at all, only found for large peripheral fixation 

angles.23, 65  Fixation  targets  were  viewed  with  both  eyes  while  maintaining  normal 

blinking.  As  no  participants  had manifest  strabismus,  accurate  binocular  fixation  was 

maintained for all measurements at all eccentricities.  

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

46 

 

Figure 2.1:  Modifications to the Shin‐Nippon NVision K5001 autorefractor. 

  LEFT: Shin‐Nippon NVision‐K5001 with modified chin‐rest and  instrument head; RIGHT:  Participant’s  right  eye  is  aligned  for  the  30°  nasal  visual  field measurement using head turn. 

2.2.2.4 Entrance Pupil Alignment 

For each of  the  three visual  field positions,  five  readings were  recorded at each of  five 

lateral  pupil  alignment  positions,  central  (0CP),  1  and  2  mm  temporal  (1TP  and  2TP 

respectively),  and  1  and  2 mm  nasal  (1NP  and  2NP  respectively),  while  ensuring  the 

instrument was axially in best focus (Figure 2.2 and Figure 2.3).  

 

For  subsequent  analysis,  de‐alignments  were  considered  positive  towards  the  nasal 

portion of  the pupil  and negative  towards  the  temporal portion of  the pupil. The data 

displayed  on  the  Shin‐Nippon  monitor  were  transferred  and  retrieved  by  custom‐

designed software. 

 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

47 

 

Figure 2.2:  Right eye pupil alignment matrix. 

  The yellow ring and the yellow minimal pupil diameter marking are indicators for the  lateral alignment of the  instrument axis. The white keratometry ring aids to axially align the instrument and to obtain the central keratometry readings. The images in the figure were captured directly from the Shin‐Nippon NVision‐K5001 composite video output.  

 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

48 

It should be noted  that when performing peripheral refraction measurements using  the 

Shin‐Nippon,  oblique  head  alignment  on  the  chin‐rest  may  result  in  the  instrument 

incorrectly recognising the measurement position as that of the opposite eye, especially 

at  large eccentric  fixation angles. As  such,  care needs  to be  taken  that  the  correct eye 

measurements are recorded. In the present study, this potential error was eliminated by 

performing real‐time data conformity checks within the data‐acquisition software. 

To achieve a sufficiently  large natural diameter of  the elliptical pupil minor axis  for  the 

performance  of  de‐aligned  measurements  through  all  five  lateral  pupil  positions, 

measurements were performed under low (scotopic) room lighting, between 0.3 and 0.5 

lux. The measurement beam, as well as  the eye  illumination  for video  imaging, operate 

in  the  infrared  and  thus  do  not  induce  pupil  constriction. Accurate  pupil  de‐alignment 

was assisted by a pupil alignment  scale attached  to  the alignment monitor as  shown  in 

Figure 2.3. The pupil alignment scale was printed on a transparent sheet and attached to 

the monitor.  For  the given  camera magnification, each grid‐square  represents a 1 mm2 

area in the plane of the entrance pupil. 

 

Figure 2.3:  The pupil alignment scale. 

  Relative  to  the  pupil  centre  (0CP),  the measurement  axis  of  the  Shin‐Nippon NVision‐K5001  is  aligned with  the  2TP,  1TP,  0CP,  1NP  or  2NP  position.  In  this image it is aligned with the 1 mm nasal pupil (1NP) position of the right eye with the participants head positioned for the 30° temporal visual field measurement. The pupil alignment  scale  is a  transparent  sheet attached  to  the monitor with 10 mm2 grids. Each grid refers to a 1 mm2 entrance pupil area. 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

49 

2.2.3 Results 

2.2.3.1 Central and Peripheral Refraction – Pupil Alignment 

Central and peripheral  refraction measurements  for different pupil alignment positions 

were performed  in ten myopic and ten emmetropic adults (age 19 to 40). The mean age 

(± SD) of the emmetropic group was 30.7 (± 5.6) years, and that of the myopic group was 

27.2  (± 3.8)  years. The absolute mean  refractive values  for M,  J180 and  J45 measured at 

the centred entrance pupil position (0CP) are shown in Table 2.1.  The emmetropic group 

was  relatively more myopic  in  the  periphery  and  the myopic  group  displayed  a  small 

relative hyperopic shift. 

 

With respect to the five pupil alignment positions, key results are presented graphically 

(Figure 2.4)  in terms of relative peripheral refractive error (RPRE) from pupil centre. For 

this, refractive power vector components of the centred entrance pupil were subtracted 

from the corresponding components from the de‐aligned pupil measurements. Results of 

the  relative  refractive  power  vectors  as  a  function  of  lateral  pupil  alignment  were 

plotted for both participant groups and for both peripheral and the central field angles.  

 

Table 2.1:   Absolute M, J180 and J45 (in D) measured at the centred entrance pupil position (0CP) for all three visual field angles. Data are means ± SD. 

 30° Nasal Visual 

Field Central Visual Field 

30° Temporal Visual Field 

Emmetropes 

(n=10) 

M  ‐1.20 ± 1.00  ‐0.07 ± 0.25  ‐0.50 ± 0.82 

J180  ‐1.48 ± 0.34  ‐0.01 ± 0.07  ‐0.79 ± 0.25 

J45  0.01 ± 0.14  ‐0.13 ± 0.10  ‐0.24 ± 0.28 

Myopes 

(n=10) 

M  ‐3.47 ± 1.86  ‐3.50 ± 2.07  ‐3.06 ± 2.08 

J180  ‐1.25 ± 0.52  0.14 ± 0.28  ‐0.63 ± 0.37 

J45  0.23 ± 0.37  ‐0.08 ± 0.15  ‐0.24 ± 0.25 

The  interaction between  refractive  group  and  lateral pupil  alignment position  for each 

combination  of  visual  field  angle  and  relative  refractive  vector  component  was 

investigated using a repeated‐measures analysis of variance (ANOVA).  

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

50 

Figure 2.4:   RPRE of the mean refractive components M, J180 and J45 as a function of pupil alignment for each refractive error group and three different visual fields.  

  Error bars indicate ± SD. Abscissa‐values have been displaced slightly for clarity. The  asterisks  show  significant  differences  (p<0.05)  of  the  refractive  vector components with 0CP being the reference position. 

There was  no  significant  difference  between‐groups  associated with  pupil  position  for 

the  nasal  visual  field  for  any  of  the  three  refractive  vector  components  (M:  F=0.397, 

p=0.536,  J180:  F=2.133,  p=0.161  and  J45:  F=1.535,  p=0.231).  However,  there  was  a 

difference  between  refractive  groups  in  the  temporal  visual  field  for M  and  J180  (M: 

F=6.74,  p=0.018  and  J180:  F=13.20,  p=0.002),  but  not  for  J45  (F=0.014,  p=0.906).  

Specifically,  the curvature as  represented by  the quadratic  term was different between 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

51 

the refractive groups for M and J180 (M: F=5.641, p=0.029, J180: F=7.899, p=0.012). This is 

also indicated by the more quadratic pupil alignment functions in the emmetropic group 

as  compared  to  the myopic  group  (Figure  2.4).  The  central  visual  field measurements 

also  showed  a  difference  between  groups  for M  (F=5.853,  p=0.026),  but  not  for  J180 

(F=2.036, p=0.171) or J45 (F=0.027, p=0.870).  

 

Repeated‐measures analysis of variance was carried out on the refractive power vectors 

M, J180 and J45, to compare the centred with the de‐aligned entrance pupil positions. For 

this, a post hoc test for type‐I probability with Bonferroni correction was used. Figure 2.4 

indicates  statistically  significant  differences  compared  to  centred  entrance  pupil 

alignment where the critical type‐I probability (statistical significance) is set at 0.05. 

 

For central visual  field measurements,  the relative refractive vector components M and 

J180 decreased quadratically  (r≥0.98, p<0.04) with  increasing pupil de‐alignment  in both 

groups. Compared to centred pupil alignment, M and J180 showed significant differences 

for all temporal and nasal pupil de‐alignments of 2 mm. The only exceptions in which no 

differences were observed were M and J180 for the 2 mm temporal pupil de‐alignment  in 

the myopic group. A pupil de‐alignment of 1 mm was only significantly different  for  J180 

in  the myopic group, when aligned  for  the 1 mm nasal pupil position. The maximum M 

mean  difference  to  centred  pupil  alignment was  ‐1.03D,  found  at  the  2 mm  temporal 

pupil alignment in the emmetropic group. 

 

For both peripheral visual  fields,  lateral pupil de‐alignments of 1 and 2 mm  resulted  in 

significant differences for M and J180 when compared to centred pupil alignment (Figure 

2.4). The only exceptions were  the 1 mm  temporal M and  J180  for myopes measured at 

the 30° nasal visual field and the 1 mm nasal M and J180 for myopes measured at the 30° 

temporal  visual  field.  Entrance  pupil  de‐alignment  at  the  30°  nasal  visual  field  for  the 

emmetropic  group  was  found  to  produce  the  greatest mean  difference  from  centred 

pupil  alignment  for  both  2 mm  temporal  (ΔM=‐2.77D,  ΔJ180=‐1.57D)  and  2 mm  nasal 

(ΔM=+2.23D,  ΔJ180=+1.04D)  pupil  de‐alignments.  In  both  refractive  groups, M  and  J180 

showed a significant linear (r≥0.94, p<0.02) correlation as de‐alignment progressed from 

temporal to nasal for peripheral refraction measurements. To assess whether there is an 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

52 

asymmetry between the relative pupil alignment slopes of the nasal and temporal visual 

fields,  the absolute values of  the  linear  slope  (D/mm) were determined  for M and  J180. 

Overall,  the  slopes were  greater  in  the nasal  visual  field  (emmetropic  group:  slope  for 

M=1.245, J180=0.618; myopic group: slope for M=0.937, J180=0.455) than  in the temporal 

visual  field  (emmetropic group:  slope  for M=0.684,  J180=0.354, myopic  group:  slope  for 

M=0.769,  J180=0.452).  However,  paired  t‐test  analysis  showed  that  this  difference  in 

relative  pupil  alignment  slopes  between  the  nasal  and  temporal  visual  field  was 

significantly different only  in  the emmetropic  (M: p=0.00;  J180: p=0.001)  and not  in  the 

myopic group (M: p=0.113; J180: p=0.958).  

 

Overall,  J45  was  least  affected  by  entrance  pupil  de‐alignment.  Compared  to  centred 

pupil  alignment,  J45  showed  only  significant  differences  for  central  refraction  at  the  2 

mm nasal pupil position  in  the emmetropic group and  for  the nasal visual  field at  the 2 

mm temporal pupil position in both groups. 

2.2.3.2 Pupil Misalignment Threshold of Clinical Significance 

Regression  analysis  was  used  to  assess  the  relationship  between  refractive  error 

measured for centred and  lateral de‐aligned pupil measurements, for the two refractive 

groups and the three visual fields.  

Data on pupil de‐alignment versus visual  fields were  fitted with equations to determine 

the  pupil misalignment  threshold  of  clinical  significance  (Table  2.2).  For  this  analysis, 

first‐order (linear) fits were used for peripheral M and J180, and second‐order (quadratic) 

fits were used  for on‐axis measurements. A clinically  significant difference was defined 

as ≥0.25D for M and ≥0.125D for J180 and J45. Positive x refers to nasal pupil misalignment 

and negative x refers to temporal pupil misalignment.  

 

For  central M  and  J180  the  pupil misalignment  threshold  of  clinical  significance  ranged 

from +0.79 to ‐2.33 mm, while for peripheral M and J180 the range was as small as ±0.20 

to ±0.37 mm. Overall, the range was smaller in the emmetropic group when compared to 

the myopic group. 

 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

53 

Table 2.2:  Pupil misalignment threshold (in mm) of clinical significance (≥0.25D for M and ≥0.125D for J180). 

Pupil Misalignment (x) in mm 

   Emmetropes  Myopes 

Central Visual Field M  ‐0.93 / +1.20  ‐1.70 / +1.19 

J180  ‐1.02 / +1.08  ‐2.33 / +0.79 

30° Nasal Visual Field M  ± 0.20  ± 0.27 

J180  ± 0.20  ± 0.27 

30° Temporal Visual Field M  ± 0.37  ± 0.33 

J180  ± 0.35  ± 0.28 

2.2.4 Discussion 

2.2.4.1 Peripheral Refraction and its Tolerance to Lateral Pupil Misalignment 

Measuring  the  peripheral  optics  of  the  eye  with  modified  commercial  refraction 

instruments  has  become  increasingly  relevant,  particularly  in  the  area  of  myopia 

research.  As  no  standards  exist  for  calibration  and  testing  of  peripheral  optics 

measurements, and given the presence of asymmetric peripheral aberrations, there is no 

certainty  that  using  autorefractors  (intrinsically  designed  for  on‐axis  refraction)  for 

peripheral refraction measurements provide accurate results, even though the empirical 

comparison  of  peripheral  refraction  data  using  different  instruments  showed  good 

agreement29, 33  and  repeatability  was  acceptable.44  Furthermore,  research  is  still 

inconclusive  regarding  modified  peripheral  refraction  techniques,  for  example,  in 

relation to whether peripheral refraction data obtained by eye or head‐turn differ.23, 64-68,

157  

 

No report has yet addressed the tolerance of pupil misalignment on central or peripheral 

refraction  using  autorefractors.  In  two  studies,  Cheng  et  al.  performed  central 

aberrometer  measurements  at  different  lateral  pupil  alignment  positions  in  human 

eyes166 and in different aspheric model eyes165 using the COAS aberrometer. Their results 

showed that the  instrument has a high tolerance to the typical  lateral misalignment of ± 

0.5 mm  introduced by  the operator when measuring central aberrations.  In contrast  to 

Cheng  et  al.’s  findings,  Applegate  et  al.168, 169  demonstrated  that  fitting  of  wavefront 

aberrations  to  Zernike  polynomials  can  introduce  the  false  appearance  of  significant 

artefactual  coefficients.  These  apparently  contradictory  results  may  be  reconciled  if 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

54 

other  errors  involved  in  the  measurement  of  wavefront  aberrations  are  taken  into 

consideration.    Indeed,  Cheng  et  al.  suggested  that  variability of measurements  in  the 

human  eyes  reflects  the  changes  in  the  eye’s  optics,  i.e.  caused  by  fixational  eye 

movements  or microfluctuations  in  accommodation,  rather  than  instrument  noise.  In 

addition, they showed that asymmetric aberrations occur only to a negligible amount for 

lateral pupil de‐alignments when measuring central aberrations. 

 

The  present  study  investigated  the  impact  of  pupil  de‐alignment  on  central  and 

peripheral  refraction measurements  in emmetropic and myopic eyes. Overall,  the pupil 

alignment slopes between the emmetropic and myopic group appeared to be similar for 

all  three  visual  fields.  However, with  respect  to  pupil  alignment,  differences  between 

both groups were  found  for  the central and 30°  temporal visual  field measurements as 

well  as  with  respect  to  nasal‐temporal  asymmetry  across  the  visual  field.  Previous 

studies  have  shown  that  factors  such  as  corneal  curvature170  and  the  shape  of  the 

eyeball171 differ between emmetropic and myopic eyes.  In addition,  the nasal‐temporal 

asymmetry across the visual field has been noted previously and was shown to decrease 

as myopia  increases.24  Thus,  it  is  possible  that  these  ocular  differences  between  the 

refractive groups may have led to some of the differences found in this study.   

 

With  respect  to  pupil  misalignment  tolerance,  the  present  study  has  shown  that  for 

central  autorefraction,  the  pupil misalignment  threshold  of  clinical  significance was  ≥ 

0.79 mm. As such, assuming a normal misalignment error of ± 0.5 mm in clinical practice, 

central autorefraction can be considered highly tolerant with respect to  lateral pupil de‐

alignment.  This  is  in  accordance  with  previous  empirical  validation  studies  of 

autorefraction  instruments  for  central measurements.138, 139  In  contrast  to  the  robust 

results  in central  refraction, even small pupil de‐alignments  in peripheral  refraction  led 

to significant errors.  Independent of the refractive group, results from this  investigation 

showed that there is a rapid and linear change in the refractive power vectors M and J180, 

when  de‐aligning  the  instrument  axis  even  by  only  a minimal  amount  from  the  pupil 

centre  during  the  peripheral  refraction  measurements.  Specifically,  a  small  pupil 

alignment  error  of  0.2 mm  caused  a  significant  change when  the measurements were 

performed in the 30° nasal visual field. 

   

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

55 

The  pupil misalignment  threshold  for  clinical  significance  in  30°  peripheral  refraction 

measurements was  found  to be much  smaller  than  for  central  refraction and  thus,  can 

have  a  significant  impact on  the data.  It  is  reasonable  to  speculate  that  this may be  a 

substantial  cause  of  the  higher  standard  errors  in  peripheral  measurement  with 

increasing  eccentricities  as  seen  in  previous  studies.23, 25, 34, 40, 64, 66, 71, 73  In  fact,  the 

measurement of one eye at visual field angles of 0°, 20°, 30° and 40° confirmed that with 

increasing eccentricity, tolerance to pupil misalignment error decreases even further.  

The  substantial and  significant change  in M and  J180  found  for  the peripheral  refraction 

measurements  at  different  pupil  positions  can  mainly  be  attributed  to  the  different 

entrance  angles  of  the  peripheral  measurement  beam  at  the  curved  anterior  cornea 

surface,  caused  by  the  combination  of  peripheral  measurement  beam  and  changing 

pupil/cornea  position.  In  addition,  it  is  assumed  that  the  elliptical  peripheral  entrance 

pupil  can  impact on measurements of  the peripheral optics of  the eye with  respect  to 

pupil misalignment. 

2.2.4.2 Factors  Contributing  to  Misalignment  Errors  during  Peripheral 

Refraction Measurements 

In practice,  it  is difficult for the operator to maintain consistent and accurate centration 

of  the  peripheral  pupil.  Unlike  in  central  refraction,  this  is  particularly  so  when  the 

measurement of peripheral refraction profiles requires a  large number of re‐alignments 

and  thus,  increased  participant  cooperation,  as  well  as  operator  attentiveness. 

Alignment error  in peripheral  refractometry  is augmented by  inherent additional  tasks, 

i.e.  the  need  for  continuous  re‐fixation  by  the  participant,  the  re‐alignment  of  the 

elliptical  pupil  with  respect  to  the  instrument  axis,  and  the  retention  of  a  focused 

peripherally  shifted  keratometry  ring.  Furthermore,  time  constraints  and  multiple 

independent measurements can affect the accuracy of these tasks.  

 

The  aim  of  this  study  was  to  investigate  the  impact  of  lateral  pupil misalignment  on 

peripheral  refraction  measurements.  For  future  work  it  may  also  be  of  interest  to 

investigate  the  impact  of  vertical  pupil  misalignment  on  the  tolerance  values  of  the 

refraction results.  It should be noted that the amount of typical alignment error may be 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

56 

different between the  lateral and vertical pupil alignment as  lateral pupil alignment, for 

example,  requires  the  horizontal movement  of  the  instrument  base while  the  vertical 

alignment of the pupil centre is achieved by rotational adjustment using the instrument’s 

joy stick.   

2.2.4.3 Improving Pupil Alignment  

Technology  of  objective  refraction  instruments  is  developing  at  a  rapid  pace.  The  first 

autorefractors became  commercially available almost  four decades ago,  and were  very 

costly.172  Many  instruments  have  been  developed  since.  Especially  in  terms  of 

affordability,  objective  refraction  instruments  are  now  a  practical  consideration  for  all 

practitioners,  be  they  in  clinical  or  research  settings.  The  latest  closed‐view 

autorefraction models  (i.e. CBD/TOMEY RC‐5000, Nidek ARK‐530A) have been equipped 

with automated pupil alignment modes, making the  instruments even easier to use and 

the  acquisition  of  data  thereby  more  reliable  and  time  efficient.  In  spite  of  this 

advancement,  all  autorefractors  still  face  limitations  with  respect  to  peripheral 

refraction,  as  all  are  primarily  designed  for  on‐axis  refraction while  off‐label  use  and 

technical  modifications  of  such  instruments  potentially  compromise  some  aspects  of 

their performance. 

The  results  of  the  present  study  suggest  it would  be  advantageous  to  have  a  fast  and 

convenient  instrument which does not  require  repeated  re‐alignment  to  the peripheral 

entrance pupil  for  each  visual  field  angle. Until  such  an  instrument becomes  generally 

available,  modifications  of  current  instruments  will  still  be  required  for  peripheral 

refractometry. It is suggested that more attention be paid to the issue of pupil alignment 

and to provide adequate training for the  instrument operator as well as assessment and 

validation of intra‐observer and inter‐observer variability prior to the commencement of 

any  clinical  study. A  pupil  scale  attached  to  the  alignment monitor might  be  a  helpful 

tool to facilitate more accurate pupil alignment. Finally, given the increased sensitivity in 

measurement  error  it might  also be  considered  to  increase  the number of  repeats  for 

peripheral refraction measurements, particularly for larger field angles.  

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

57 

2.2.5 Conclusion 

This study has demonstrated  that accurate  lateral alignment of  the entrance pupil with 

the  instrument  axis  is  critical  to  obtain  reliable  results  when  measuring  peripheral 

refraction  with  autorefractors.  The  error  sensitivity  to  misalignment  was  shown  to 

increase  linearly  towards  the  periphery.  At  30°  field  angle,  lateral  pupil misalignment 

should be kept well below 0.5 mm to ensure clinically relevant accuracy.

2.3 Three‐Dimensional Model of the Entrance Pupil 

2.3.1 Introduction  

In Section 2.2 it was shown that the requirement for precise pupil alignment is of greater 

importance  for  the  measurement  of  peripheral  refraction  when  compared  to  central 

refraction.  As  alignment  or  centration  for measurement  of  peripheral  ocular  optics  is 

also related to the change  in the shape of the entrance pupil with peripheral viewing, a 

more  precise  understanding  of  how  the  geometry  of  the  entrance  pupil  behaves  as  a 

function of peripheral viewing angle would be of value  in understanding the accuracy of 

techniques  modified  for  the  measurement  of  the  peripheral  optics,  such  as 

autorefractors and aberrometer. Not only would  information  relating  to  the peripheral 

entrance  pupil  be  useful  in  the  current  quest  to  understand  the  role  of  peripheral 

refraction  in myopia progression, but  it would also be of value  in many aspects of vision 

science,  such  as  those  requiring  knowledge  of  retinal  irradiation  (e.g.  calculations  of 

Stiles‐Crawford effect and ocular radiation safety). 

 

The peripheral entrance pupil has been studied previously.173, 174 However, as these were 

in  vivo human  studies,  the  size and position of  the anatomical pupil  (aperture  stop) of 

the eye is unknown. Hence, information such as pupil magnification and the relationship 

between entrance pupil and actual pupil centres could not be ascertained. In addition, in 

these  studies,  the  axial  position  and  the  consequent  three‐dimensional  shape  of  the 

entrance  pupil  were  not  investigated  and  only  a  limited  number  of  pupil  sizes  were 

studied (limited to e.g. large versus normal or dilated versus natural). 

 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

58 

Thus,  the  specific  aim  of  this work was  to  extend  the  existing work  on  the  peripheral 

entrance  pupil  by  modelling  and  assessing  the  three‐dimensional  entrance  pupil 

position, shape and centration as a  function of viewing angle and pupil size. Moreover, 

the  implications  of  this  entrance  pupil  model  on  current  peripheral  refraction 

measurements are discussed. 

2.3.2 Methods 

2.3.2.1 Model of the Entrance Pupil for Different Viewing Angles 

The anterior segment  (i.e. cornea and  iris surfaces) of  the Navarro schematic model  for 

the  human  eye175  was  used  for  the  optical  modelling  of  the  entrance  pupil.  The 

components  of  this model  were  assumed  to  be  circular  and  co‐axial,  and  the  actual 

iris/pupil  surface had  zero  thickness. The entrance pupil of  the eye was modelled  as  a 

function  of  viewing  angle  and  pupil  size  by  ray‐tracing  using  ZEMAX  (ZEMAX 

Development Corporation, Bellevue, USA). Nine horizontal viewing angles  ranging  from 

0°  to  80°  in  10°  steps,  and  six  pupil  diameters  ranging  from  1.0  to  6.0 mm  in  1.0 mm 

steps were analysed. 

 

For the ray‐tracing analysis of one pupil size at one viewing angle, the  iris/pupil surface 

was  set  as  the  object.  Viewing  angles  were  modelled  as  directions  in  the  horizontal 

meridian (around a vertical axis). Thus within this model system, the tangential meridian 

lies  in  the  horizontal  plane  while  the  sagittal  meridian  lies  in  a  vertical  plane.  The 

iris/pupil  diameter was  assigned  the  pupil  size  to  be modelled.    Sixteen  points  on  the 

iris/pupil surface and lying on the iris/pupil margin were defined, representing points on 

sixteen equally spaced semi‐meridians at 22.5°  increments.  In addition, the point at the 

iris/pupil  centre  was  also  analysed.  Thus  a  total  of  seventeen  object  points  were 

analysed.  

 

Using the robust, real ray‐aiming options in ZEMAX, from each of these object points, 24 

rays  consisting  of  3  rings  by  8  arms  of  rays  (defined  using  the  ZEMAX  default merit 

function whereby  the  rings  represent  ray‐heights  of  0.336,  0.707  and  0.942  times  the 

pupil  diameter,  and  the  arms  represent  ray meridians  0.25π  apart  starting  at  0.125π) 

were  traced  towards  the  ‘observer’, which  is defined  as  a  surface with  a  10 mm  clear 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

59 

diameter.  The orientation of  the observer  is  constrained  so  the  chief  ray has  an  angle 

equal  to  the viewing angle being analysed and  the observer surface  is perpendicular  to 

the  chief  ray.  In  addition,  the  position  of  the  observer  is  constrained  so  it  remains  at 

100 mm  distance  from  the  anterior  corneal  apex.  This  distance  portrays  a  typical  slit‐

lamp microscope configuration. Within the above constraints, the observer  is translated 

along  the horizontal meridian until  the  chief  ray  from  the object point passes  through 

the centre of the observer surface. 

 

For each object point, on emergence  from  the  final  surface  (anterior  cornea)  following 

ray‐tracing,  the position of  its virtual  image point  is determined using a merit  function 

criteria of minimising RMS  radius of  the 24  ray‐intercept points  from  their  centroid.  In 

this way,  the  sixteen  image  points  defining  the margin  of  the  entrance  pupil  and  the 

single  point  defining  the  image  of  the  centre  of  aperture  stop were  computed.    This 

procedure was  repeated  for  the  range of pupil sizes and viewing angles defined. Figure 

2.5  illustrates  the  optical  layout  for modelling  of  the  entrance  pupil  at  a  40°  viewing 

angle. 

Figure 2.5:  Optical layout for modelling the entrance pupil. 

  The  image  shows  the modelling  of  the  entrance  pupil  at  a  40°  viewing  angle using  ray‐tracing  of  several  pupil  margin  points.  Each  individual  pupil  point (object  point)  projects  24  rays  which  are  traced  to  the  observer.  The corresponding  virtual  image point was  identified by applying a minimum RMS radius criterion  to  the emergent  rays.   By  joining  the  locus of  image points, as exemplified here  (for  clarity,  only 8  points  for  the  lower  pupil margin  and  the central  pupil  point  are  shown),  the  three‐dimensional  entrance  pupil  (dotted line) is determined.  

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

60 

2.3.3 Results 

2.3.3.1 Entrance Pupil Relative to the Actual Pupil 

Figure 2.6  illustrates the position of the entrance pupil relative to the eye’s actual pupil 

for  front‐on  viewing  (0°)  and  for  selected  peripheral  viewing  angles  (for  clarity,  only 

select  viewing  angles  are  shown;  i.e.  20°,  40°,  60°  and  80°)  and  six  pupil  sizes.  The 

observer  is  located  in a positive  tangential and axial distance  from  the actual pupil. For 

each  viewing  angle,  the  composite  annuli  of  all  six  pupil  diameters  represent  the 

entrance pupil  surface  showing  its  three‐dimensional  shape and  its position  relative  to 

the actual pupil. The ‘sidewall’ provides the two‐dimensional projections of the entrance 

pupils.  

 

An animated  illustration of  the entrance pupil’s position  for all nine viewing angles can 

be found in the published online version of this work.164  

Overall,  the  three‐dimensional  position  and  the  side  projection  of  the  entrance  pupil 

reveal  that  the  centre  and  the  distal marginal  points  of  the  peripheral  entrance  pupil 

move  anteriorly  as  viewing  angle  increases.  In  contrast,  the  proximal  entrance  pupil 

margin moves posteriorly at  low peripheral viewing angles and then anteriorly at higher 

viewing angles. Moreover, it can be seen that the peripheral entrance pupil tilts towards 

the  direction of  the  viewing  angle  and  curves  (primarily  concaves  along  the  tangential 

meridian) towards the observer as peripheral viewing angle increase. 

2.3.3.2 Entrance Pupil Relative to the Viewing Direction 

As  the entrance pupil exists only  from  the observer’s perspective,  the position changes 

of  the entrance pupil are best  interpreted  relative  to  the direction of  the observer. To 

evaluate  the  peripheral  entrance  pupil  as  perceived  by  the  observer,  the  pupil‐

referenced model  (Figure 2.6)  requires correction via  rotation according  to  the viewing 

angles. In this way, the observer‐referenced entrance pupil can be constructed.  

 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

61 

Figure 2.6:  The  three‐dimensional  entrance  pupil  for  six  and  nine  (Media  file  online164) 

actual  pupil  sizes  (1 mm  to  6 mm)  at  various  viewing  angles  relative  to  the actual pupil position.  

  The  observer  is  located  in  the  positive  tangential  and  axial  distance  quadrant from  the  actual  pupil.  Each  annulus  represents  the  entrance  pupil  margin corresponding  to one actual pupil diameter. The  ‘sidewall’ of  the graph  shows the  two‐dimensional  side‐projection  of  the  entrance  pupils  revealing  their increasing  tilt and  curvature with  viewing angle. Note axial distance  scale has been magnified for clarity. 

The  entrance  pupil  shape  and  position  relative  to  the  viewing  direction  are  shown  for 

five  selected  viewing  angles  in  the  three‐dimensional  graph  in  Figure  2.7  and  for  all 

viewing  angles  in  succession  in  the  animated media  file, which  can be  found online.164 

The observer’s viewing direction  is  indicated by  the blue phantom  line. From Figure 2.7 

and  the  online media  file,  the  two‐dimensional  back‐projection  of  the  entrance  pupil 

annuli  shows  the  narrowing  and  ovoid  distortion  of  the  entrance  pupil’s  shape  with 

increasing viewing angle. The three‐dimensional entrance pupil shapes and positions, as 

well  as  their  corresponding  side‐projection, highlight  the  entrance pupil  tilt  relative  to 

the observer’s direction of view.  

-4-2

02

4 -4-2

02

40.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Actual

0o

20o

40o

60o

80o

Axi

al D

ista

nce

(m

m)

Sagittal Distance (m

m)Tangential Distance (mm)

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

62 

Figure 2.7:   The  three‐dimensional  entrance  pupil  for  six  and  nine  (online media  file164) 

actual pupil sizes at various viewing angles as seen by the observer.  

  The  observer’s  viewing  direction  is  indicated  by  the  blue  phantom  line.  The apparent rotation of the actual pupil axis relative to viewing direction is towards the  positive  axial  and  negative  tangential  distance  quadrant.  Each  annulus represents  the  entrance  pupil  margin  corresponding  to  one  actual  pupil diameter.  The  ‘back‐wall’  of  the  graph  shows  the  two‐dimensional  back‐projection of the entrance pupils, which represent the entrance pupil shapes as seen by the observer. The  ‘floor’ of the graph gives the side‐projection showing the tilt of the entrance pupils relative to the direction of the observer. 

The  tangential  side‐projection  of  the  entrance  pupil  is  individually  plotted  for  all  nine 

viewing angles  in Figure 2.8.  It shows the effect of  increasing viewing angle on the axial 

positions of points defining  the margin of entrance pupils of different sizes. Relative  to 

front‐on  viewing  (at  0°)  these  changes  in  axial  positions  across  the  entrance  pupil  can 

become  substantial  for  large  peripheral  angles.  For  example,  at  60°  viewing  angle  the 

difference  in  axial  position  relative  to  front‐on  viewing  ranges  from  ‐1.66 mm  for  the 

proximal  pupil  margin  to  +3.20  mm  for  the  distal  pupil  margin  for  an  actual  pupil 

diameter  of  6 mm.    For  the  viewing  angle  of  60°,  the  change  in  axial  position  of  the 

entrance pupil centre may be as large as +0.90 mm. 

-3

-2

-1

0

1

2

3

4-4

-20

24

-4

-2

0

2

4

0o

20o

40o

60o

80o

Sagittal D

istance (mm

)

Tangential Distance (mm)

Axial D

istance (mm

)

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

63 

Figure 2.8:   The  tangential profile  (side‐projection) of  the peripheral entrance pupil  from 

the point‐of‐view of the observer for nine viewing angles. 

The apparent (i.e. as seen by the observer) tilt of the tangential entrance pupil meridian 

plotted as a  function of viewing angle  (Figure 2.9) demonstrates that the amount of tilt 

becomes progressively smaller than the actual viewing angle as the  latter  increases. For 

example, when  the eye  is observed  from a 60° viewing angle,  the entrance pupil  tilt  is 

approximately 15° smaller than the viewing angle. 

Figure 2.9:   Apparent tilt of the tangential entrance pupil meridian as a function of viewing 

angle and pupil size.   

  The  broken  line  of  negative  1:1  slope  represents  the  expected  apparent  tilt. Apparent tilt has negative values as it is opposite in direction to viewing angle. 

-3 -2 -1 0 1 2 3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

Axi

al D

ista

nce

(mm

)

Tangential Distance (mm)

0o

10o

20o

30o

40o

50o

60o

70o

80o

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

App

aren

t P

upil

Tilt

(o)

Viewing Angle (o)

Actual Size 6 mm 5 mm 4 mm 3 mm 2 mm 1 mm

Tangential Meridian

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

64 

This  increasing  difference  between  the  entrance  pupil  tilt  and  the  viewing  angle, 

together  with  the  increasing  curvature  along  the  tangential  meridian,  are  the 

predominant  factors  that produce  the asymmetric distortion of  the peripheral entrance 

pupil shape, which becomes more noticeable with  increasing viewing angle.  Indeed, the 

shape  of  the  peripheral  entrance  pupil  does  not  correspond  to  an  ellipse  as  often 

assumed. Instead, although mathematically different, it resembles the shape of a convex 

limaçon of Pascal. Figure 2.10 provides a comparison of the shapes of the actual circular 

pupil with the peripheral entrance pupil as viewed from a 60° angle. One consequence of 

this  asymmetric  distortion  of  the  peripheral  entrance  pupil  is  that  the  bisected 

(geometric) centre of the peripheral entrance pupil does not correspond to the centre of 

the actual pupil. 

Figure 2.10: Two‐dimensional  (frontal)  projection  of  (a)  the  actual  pupil  and  (b)  the 

entrance  pupil  at  60°  observation  angle  showing  the  shape  as  seen  by  the observer.  

  Each annulus represents one pupil diameter  from 1 mm  to 6 mm  in 1 mm step. The  blue  dotted  line  indicates  the  geometrical  mid‐point  of  the  peripheral entrance pupil for the 6 mm actual pupil diameter. Actual pupil centre is located at the origin (0, 0). 

When  pupil  decentration  is  considered with  respect  to  viewing  angle  and  actual  pupil 

size,  the  general  trend  demonstrates  that with  increasing  viewing  angle  or  increasing 

pupil  size  the  mid‐point  (geometrical  centre)  of  the  peripheral  entrance  pupil 

increasingly departs from the optical centre of the actual pupil (Figure 2.11). That is, the 

geometrical  centre  of  the  peripheral  entrance  pupil  does  not map  to  the  geometrical 

centre of the actual pupil.   As a consequence, the  light ray corresponding to the  line‐of‐

sight passes  through different points  in  the actual pupil at different peripheral viewing 

angles. The present model predicts that the systematic error when alignment is made to 

-3 -2 -1 0 1 2 3

-3

-2

-1

0

1

2

3

Sag

ittal

Dis

tanc

e (m

m)

Tangential Distance (mm)

Actual

(a)-3 -2 -1 0 1 2 3

-3

-2

-1

0

1

2

3

Sag

ittal

Dis

tanc

e (m

m)

Tangential Distance (mm)

60o

(b)

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

65 

the  apparent  pupil  centre  can  reach  around  0.2  mm  for  a  6  mm  pupil  diameter  at 

approximately 60° viewing angle. 

Figure 2.11: Entrance  pupil  decentration  as  a  function  of  viewing  angle  and  actual  pupil 

diameter. 

With  increasing  pupil  size  or  viewing  angle,  the  peripheral  entrance  pupil  gradually 

becomes not only more decentred as described above, but also more asymmetric  in  its 

shape (Figure 2.10). To evaluate these pupil size dependent shape changes as a function 

of  viewing  angle,  the  size  (Figure  2.12  a  and  c)  and  associated magnification  changes 

(Figure  2.12  b  and  d)  of  the  peripheral  entrance  pupil  along  the  two  orthogonal 

(tangential and sagittal) meridians, were plotted with respect to actual pupil diameter. 

 

As  expected  (and  illustrated  in  Figure  2.12),  along  the  tangent meridian  the  entrance 

pupil  size  decreases  with  viewing  angle.  This  decreasing  effect  appears  to  be  more 

pronounced for smaller pupils. Geometrically,  if there  is no optical component between 

the  pupil  and  the  observer,  the  tangential  entrance  pupil  magnification  would  be 

expected  to  follow  a  cosine  function  of  viewing  angle  as  shown  in  Figure  2.12  b. 

However, due  to  the entrance pupil  tilt  and  anterior movement  towards  the observer, 

the  tangential  entrance  pupil  magnification  decreases  more  slowly  than  the  cosine 

function as viewing angle increase. 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

Pup

il D

ecen

trat

ion

(mm

)

Viewing Angle (o)

Actual Size 6 mm 5 mm 4 mm 3 mm 2 mm 1 mm

Tangential Meridian

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

66 

 

Figure 2.12: Entrance  pupil  diameter  (a)  and  (c)  and magnification  (b)  and  (d)  along  the tangential (a) and (b) and sagittal (c) and (d) meridians as a function of viewing angle and actual pupil size.  

  The broken line in (b) represents the cosine function with viewing angle. 

 

By  least‐squares  fitting  to  the  results  from  the  ray‐tracing model,  a  parametric model 

that includes pupil diameter and viewing angle for the tangential pupil magnification can 

be derived: 

Equation 2.4:  . . . . .  

where  p corresponds  to  the pupil diameter  (in mm) and   corresponds  to  the viewing 

angle  (in °).  Equation 2.4 yielded an RMS Error of 0.0015.  

 

It  should  be  noted  that  the  choice  of  the  form  of  Equation  2.4  was  ‘semi‐arbitrary’. 

Conventionally, pupil magnification has been assumed to be related to viewing angle by 

the cosine function. Since the present model demonstrated that the departure from the 

elliptical  shape  and  cosine  relationship  is  due  at  least  to  the  field  curvature,  it  was 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Ent

ranc

e P

upil

Siz

e (m

m)

Viewing Angle (o)

Actual Size 6 mm 5 mm 4 mm 3 mm 2 mm 1 mm

Tangential Meridian

(a)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

Pup

il M

agni

ficat

ion

Viewing Angle (o)

Actual Size 6 mm 5 mm 4 mm 3 mm 2 mm 1 mm

Tangential Meridian

(b)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Ent

ranc

e P

upil

Siz

e (m

m)

Viewing Angle (o)

Actual Size 6 mm 5 mm 4 mm 3 mm 2 mm 1 mm

Sagittal Meridian

(c)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

1.10

1.12

1.14

1.16

1.18

1.20

1.22

1.24

Pup

il M

agni

ficat

ion

Viewing Angle (o)

Actual Size 6 mm 5 mm 4 mm 3 mm 2 mm 1 mm

Sagittal Meridian

(d)

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

67 

decided  to employ a modification  to  the cosine  function  in which  the variable  (viewing 

angle) has been ‘rescaled’ according to a second‐order function. It  is possible that other 

forms  of  function  can  provide  a  better  fit.    But  given  the  excellent  resultant  RMS,  no 

further attempts were made to search for a more precise form. 

 

While Equation 2.4 quite precisely predicts tangential pupil magnification, it is somewhat 

complex  in  structure.  A  simplified  equation  involving  only  viewing  angle  (   in  °),  still 

with good precision (RMS Error = 0.0066 mm), may be obtained: 

Equation 2.5:  . .    

Figure 2.12 also shows  that  the sagittal entrance pupil size and magnification  increases 

slightly with  increasing viewing angle. This small  increase  in sagittal pupil size  is slightly 

greater  for  smaller  pupils.  In  a  similar manner  as  for  tangential  pupil magnification,  a 

parametric  equation  can  be  derived  to  predict  sagittal  pupil magnification  with  good 

precision (RMS Error = 0.0083 mm) from the viewing angle  (in °):  

Equation 2.6:  . . .  

2.3.4 Discussion 

Much  of  what  is  known  about  the  peripheral  entrance  pupil  was  established  many 

decades ago. Spring & Stiles  (1948)174  then  later  Jay  (1962)173 measured  the peripheral 

entrance  pupil  shape  for  in  vivo  human  subjects.  They  established  the  change  in 

diameters along  the horizontal and vertical meridians with viewing angle and  identified 

the departure of  the peripheral entrance pupil size  from a cosine  function with viewing 

angle.  Jay  also  noted  the  departure  of  the  peripheral  pupil  shape  from  an  ellipse.173 

However,  these  early  in  vivo  studies  suffered  limitations.    For  example,  without 

knowledge of the actual pupil size, the pupil magnification could not be estimated.  Also, 

no  attempt  was  made  to  evaluate  the  changes  in  the  entrance  pupil  in  the  axial 

dimension. 

 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

68 

The present study attempted  to extend knowledge of  the peripheral entrance pupil.    In 

particular,  the model  predicted  the  pupil magnification  for  a  range  of  pupil  sizes  and 

viewing angles. The  changing  shape and  its departure  from an ellipse of  the peripheral 

entrance pupil were evaluated with the consequence that the peripheral entrance pupil 

centre  was  found  to  not  correspond  to  the  actual  pupil  centre.  In  addition,  by 

considering  the  axial  dimension,  the  forward  movement,  compensatory  tilt  and 

increasing curvature of the peripheral entrance pupil with viewing angle were revealed. 

2.3.4.1 Comparison of the Entrance Pupil Model with in Vivo Pupils 

There  are  a number of differences between  the peripheral  entrance pupil modelled  in 

the  present  study  and  the  direct  measurement  studies  above‐mentioned.173, 174  For 

simplicity, the entrance pupil model portrays a thin (zero thickness), circular pupil that is 

co‐axial with  the corneal surfaces.  In addition  to  the  temporal viewing angles, Spring & 

Stiles measured  a  nasal  viewing  angle  and were  thus  able  to  identify  the  presence  of 

nasal‐temporal  asymmetry  in  the  peripheral  entrance  pupil  with  respect  to  viewing 

angle. Presumably, this is due to the decentration and tilt of the corneal surfaces relative 

to the  iris.174 Jay suggested that  iris thickness may become relevant and would have the 

effect of reducing tangential entrance pupil size at high viewing angles.173 Despite these 

differences,  the  entrance  pupil  model  appears  to  produce  predictions  of  acceptable 

precision  with  respect  to  the  range  of  in  vivo  measurement  errors.  The  ratio  of 

tangential  (horizontal)  to  sagittal  (vertical)  entrance  pupil  diameters  as  a  function  of 

viewing  angle  for  the  entrance  pupil  model  of  this  study,  together  with  in  vivo 

measurements previously published173, 174 are  shown  in Fig. 9.  In  lieu of Spring & Stiles 

who  refer  to  large and  small pupil diameters and  Jay who  refers  to dilated and natural 

pupil diameters,  Figure 2.13 plots  the  values  for  the  actual pupil diameters of 3  and 6 

mm.  It can be  seen  that  the predictions  lie well within  the  spread of measured  results, 

particularly  of  Jay.173  In  addition,  as  the  actual  pupil  size  is  known  in  the  presented 

entrance pupil model, the pupil magnification was also calculable. 

 

The non‐elliptical shape of  the entrance pupil at high peripheral angles has been noted 

by  Jay.  The  present  entrance  pupil model  has  been  able  to  predict  and  describe  this 

shape,  which  appears  to  be  caused  by  the  increasing  curvature  (primarily  concave 

towards the observer along the tangential meridian) with viewing angle. As illustrated in 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

69 

Figure 2.7, this curvature, when combined with the tilt of the entrance pupil,  introduces 

an  increasing  ‘fore‐shortening’ effect  towards  the proximal margin  (i.e.  the  side of  the 

pupil nearer  the observer due  to pupil  tilt)  from  the point of view of  the observer. This 

effect  is  present  for  all  pupil  sizes  and  viewing  angles  although  it  is  most  readily 

observable at higher viewing angles and pupil sizes. 

Figure 2.13: Comparison of the ratio of tangential (horizontal) to sagittal (vertical) entrance 

pupil  diameter  as  a  function  of  viewing  angle  determined  by  in  vivo measurements  and  the  current  entrance  pupil model  for  6 mm  and  3 mm actual pupil diameters. 

2.3.4.2 Implications of the Entrance Pupil Model 

One of the major consequences of the asymmetric distortion of the peripheral entrance 

pupil is the loss of correspondence between  its geometrical centre and the ‘true’ optical 

centre of the actual pupil. The  light ray that passes through the centre of the peripheral 

entrance pupil is not the ray that passes through the centre of the actual pupil. This loss 

of correspondence can become relevant to measurements of the peripheral optics of the 

eye,  especially  where measurements,  such  as  performed  with  autorefractors,  rely  on 

alignment with the centre of the peripheral entrance pupil, or where its analysis requires 

knowledge of the centre of the actual pupil (aperture stop). 

 

As shown  in Figure 2.10 b, the systematic error of aligning the geometrical centre of the 

entrance pupil  compared  to  the  centre of  the actual pupil,  can exceed 0.2 mm  for  a 6 

mm  pupil  diameter.  Despite  this  systematic  error  being  small  in  absolute  terms  and 

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Pup

il D

iam

eter

Rat

io

(Tan

gent

ial/S

agitt

al)

Viewing Angle (o)

Model: 6 mm Pupil Model: 3 mm Pupil Jay (1962) Dilated Pupil Jay (1962) Natural Pupil Spring & Stiles (1948) Large Pupil Spring & Stiles (1948) Small Pupil

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

70 

falling  within  normal  measurement  variability,  for  some  refraction  instruments,  this 

error  could  impact  measurement  accuracy,  especially  at  large  peripheral  angles.  In 

Section  2.2  it  was  shown  that  tolerance  to  pupil  misalignment  is  much  smaller  for 

peripheral  refraction  than  for  central  refraction.126  For  example,  when  measuring 

peripheral  refraction at  the 30° nasal visual  field using an open‐view autorefractor,  the 

refractive  power  vector  components M  and  J180  reached  clinical  significance  for  pupil 

misalignments as small as 0.2 mm. 

 

In addition, Applegate et al. have demonstrated that misalignment from the pupil centre 

during on‐axis wavefront measurements can introduce spurious coefficients into Zernike 

polynomial  descriptions  of  the  wavefront.  This  systematic  error  is  not  only  Zernike 

mode‐dependent but also, the  larger the misalignment, the more profound  its effect.168 

Assuming  these  findings can be extrapolated  to peripheral wavefront measurements,  it 

is reasonable  to suggest  that a combination of even small pupil misalignment errors, as 

well  as  the  systematic  error  caused  by  the  loss  of  correspondence  of  the  peripheral 

entrance  pupil  mid‐point  with  the  actual  pupil  centre,  could  adversely  affect  the 

accuracy of peripheral ocular measurements. 

 

In many studies of peripheral optics, comparisons are made to the central optics of the 

eye. Consideration of the errors in peripheral refractometry or wavefront measurements 

due  to  systematic  misalignment,  as  well  as  the  loss  of  correspondence  between 

peripheral  and  actual  pupil  centres,  suggest  that  caution  needs  to  be  exercised when 

making comparisons of peripheral and central measurements. 

 

The  axial  alignment  of most  autorefractor  and  aberrometer  instruments  requires  that 

either  the  cornea or  the pupil plane be  in  focus. This presents no difficulty  for on‐axis 

measurements, wherein both  the  cornea mire and  the pupil margin appear  completely 

and  symmetrically  in  focus.   According  to  the  entrance  pupil model,  the  axial  position 

shifts  forward  for  the  peripheral  entrance  pupil  but  more  significantly,  the  pupil  tilt 

produces different axial positions for different points on the entrance pupil. From Figure 

2.8, for a 60° viewing angle, the axial position range from the distal to the proximal pupil 

margin is around 4 mm for a 6 mm pupil. This is the axial focus range of the aberrometer 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

71 

with  the peripheral entrance pupil, when  focusing  from  the proximal  to  the distal pupil 

margin.   However,  the entrance pupil’s depth of  focus  range  for on‐axis measurements 

for  the  COAS  aberrometer  lies  within  ±2  mm.165  Hence,  dependent  on  the  specific 

instrument’s  depth  of  focus  for  peripheral measurements,  the  precise  location  of  the 

axial position of the peripheral entrance pupil may be difficult to locate. 

 

An additional  issue  relevant  to  the observation of  the peripheral entrance pupil as well 

as peripheral optical measurements  should be considered.  In general,  the  image points 

from  which  the  entrance  pupil  is  composed,  degrade  in  quality  as  viewing  angle 

increases. This can be seen in Figure 2.14, wherein the tangential and sagittal transverse 

ray aberrations were plotted as a  function of viewing angle  for  the vertical  superior as 

well as  the proximal and distal horizontal pupil margins.  It  can be  seen  that  the  image 

points at the region of the horizontal pupil, distal to the viewing direction, suffer greater 

degradation  than  those proximal  to  the viewing direction. The vertical superior  (and by 

symmetry,  vertical  inferior) pupil margin was  least  affected by  viewing direction.  From 

this  it can be concluded  that with an  increase  in viewing angle  the peripheral entrance 

pupil remains better defined along the sagittal than the tangential meridian. 

Figure 2.14: Tangential  and  sagittal  spot  sizes  (in mm)  for  the  horizontal  proximal  and 

distal pupil margins as well as the vertical superior pupil margin as a function of viewing angle.  

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

2

4

6

8Entrance Pupil Position / Meridional Spot Size

Horizontal Proximal, Tangential Horizontal Proximal, Sagittal Horizontal Distal, Tangential Horizontal Distal, Sagittal Vertical Superior, Tangential Vertical Superior, Sagittal

Viewing Angle (°)

Sp

ot S

ize

, Hor

izo

ntal

Pup

il P

oint

s (m

m)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Sp

ot Size

, Ve

rtical Pup

il Po

ints (mm

)

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

72 

2.3.4.3 The Wide‐Field Eye 

The eye is exquisitely suited for extreme wide‐field light‐collection. The optical layout of 

the human eye resembles the design of a retrofocal, ‘fisheye’ camera  lens,176 capable of 

collecting  light at field angles well beyond the retinal‐neural and facial anatomical  limits 

of  the  eye.  The  entrance  pupil  model  demonstrated  that  this  extreme  wide‐field 

capability  is made  possible  by  the  forward movement  towards  the  observer  and  the 

compensatory  tilt of  the  entrance pupil with  increasing  viewing  angle. As  a  result,  the 

tangential entrance pupil magnification decreases more slowly  than  the cosine  function 

as viewing angle increases. Extrapolation of the results in Figure 2.12 b shows that, even 

at 90°  field angle,  the  tangential magnification  relative  to  the  front‐on magnification  is 

around  0.3.  Since  the  sagittal magnification  increases with  field  angle,  the  outcome  is 

that even at  right‐angle  illumination,  the entrance pupil  is collecting more  than 30% of 

incident  light.   This  capability  represents an obvious advantage  in defensive  sensing of 

the environment but may also present a disadvantage in terms of radiation safety of the 

eye. For example,  the phenomenon of “peripheral  light  focusing”,177, 178 particularly  the 

focusing  of  scattered  light  from  the  peripheral  field,  has  been  demonstrated  to  be  a 

plausible  explanation  for  the occurrence of  radiation‐related  cataracts  and other  light‐

related ocular pathologies (coined the “ophthalmohelioses”178) at post‐iris locations that 

are not involved in front‐on light focusing. 

2.3.4.4 Recommendations for Future Models 

The present model has a number of limitations. The simplification of co‐axial corneal and 

iris  surfaces  has  already  been  mentioned,  as  have  the  assumptions  of  a  circular, 

concentric pupil and a  thin  iris.  In reality,  the  iris boundary  is not perfectly circular and 

varies with  age,  illumination  and  pupil  size.179 Also,  the  position  of  the  pupil  can  shift 

during constriction/dilation, which can be as much as 0.6 mm180 and  it has been  found 

that the pupil constricts significantly more during oblique viewing when compared to the 

straight  ahead  gaze.65 An  improved model,  incorporating  non‐circular,  eccentric  pupils 

may provide additional insight into the peripheral entrance pupil. 

 

The  measurements  of  Spring  &  Stiles  suggested  that  the  sagittal  pupil  magnification 

increases to a peak at 80°, decreasing again above that angle. Due to a  limitation  in the 

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

73 

optical  layout,  the  entrance  pupil model was  not  able  to  compute  results  for  viewing 

angles  at  or  above  90°.  It  would  be  interesting  to  model  and  verify  this  reversal  of 

sagittal pupil magnification at very high viewing angles. 

 

Finally, for the study of peripheral retinal  image quality or other retinal responses, such 

as  the Stiles‐Crawford Effect,  it might be of more value  to analyse  the exit pupil  shape 

and size with viewing angle.   Such an analysis would need  to  take  into  the account  the 

complex  shape181  and  gradient  refractive  index  of  the  crystalline  lens.182  Hopefully, 

future work can address these aspects of the peripheral optics of the eye. 

2.3.5 Conclusion 

As  the  viewing  angle  increases,  the  entrance  pupil  moves  forward,  exhibits 

compensatory  tilt and  increases  in concavity  towards  the observer.  In consequence  the 

tangential pupil size does not follow a cosine relationship with viewing angle, the shape 

of  the  entrance  pupil  undergoes  asymmetric  (non‐elliptical)  distortion,  and  the 

geometrical centre of  the entrance pupil does not represent precisely  the centre of  the 

actual  pupil.  Thus,  peripheral  ocular  measurements  may  be  affected  adversely, 

particularly where alignment to the pupil centre  is required. Given the potential adverse 

impact misalignment may have on ocular measurements, such as autorefraction, caution 

is  warranted  when  comparing  such  results  between  peripheral  and  central  viewing 

angles. Overall however,  it  can be  concluded  that  typically,  these departures are  small 

and may only be of significance for peripheral viewing angles larger than 40°. 

2.4 Summary 

The  clinical  study on pupil alignment  tolerance demonstrated  that,  independent of  the 

central  refractive error of  the eye, even  small  lateral pupil  alignment errors  caused by 

the  operator  can  lead  to  significant  measurement  errors  in  peripheral  refractometry 

when  using  commercially  available  autorefractors.  In  addition,  the  three‐dimensional 

entrance pupil model demonstrated that, due to  its geometrical behaviour when viewed 

from  a peripheral  angle,  the peripheral  entrance pupil  is not  elliptical  as  assumed  and 

the mid‐point  of  the  peripheral  pupil  does  not  correspond  to  the  centre  of  the  actual 

pupil.  

CHAPTER 2: OPERATOR‐RELATED ALIGNMENT INTRICACIES 

74 

From both studies it can be concluded that precise pupil alignment is critical for accurate 

measurements of peripheral  refraction and  that entrance pupil alignment with  its mid‐

point,  as  currently performed  in peripheral  refractometry,  can  induce  small  systematic 

lateral errors.  

 

In practice, however, it could be very difficult to circumvent small pupil alignment errors 

during  peripheral  refractometry.  Thus,  it  would  be  advantageous  to  have  means  by 

which to correct for such operator‐related errors and to thereby provide more accurate 

peripheral refraction measurements.  

 

 

 

 

 

 

 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

75 

CHAPTER 3:  

MEANS  TO  RECTIFY  PUPIL  ALIGNMENT  ERRORS  IN  CURRENT PERIPHERAL REFRACTOMERTY# 

3.1 Introduction  

Results  of  Chapter  2  showed  that  precise  pupil  alignment  is  important  for  accurate 

measurements of peripheral  refraction. Nevertheless, even  for a well‐trained operator, 

normal pupil alignment variability  is  likely  to be greater  than  the precision  required  for 

accurate peripheral refraction measurements. This is due to the fact that measurements 

of peripheral refraction profiles require numerous inherent tasks, such as continuous re‐

fixation  by  the  participant  and  constant  re‐alignment  of  the  pupil with  respect  to  the 

instrument  axis  by  the  operator.  The  latter  is  additionally  affected  by  inter‐subject 

variability,  which  is  caused  by  unintended  eye  or  head  movements  as  well  as  the 

anatomy of the eye and eye lid, which can impact the visibility of the pupil area required 

to appropriately locate the pupil centre.  

 

The aim of  this chapter was  to  investigate a method  that rectifies measurement errors, 

which occur during  the alignment procedure  in peripheral refractometry using modified 

commercially available instruments.  

 

In  summary,  the  method  requires  the  following  key  steps  to  be  taken.  Firstly,  a 

correction algorithm for pupil misalignment is to be established for the instrument to be 

used. This can be achieved by using a similar study protocol as explained  in Section 2.2, 

in which peripheral  refraction was measured at pre‐defined pupil positions  in order  to 

determine the functions of pupil alignment. 

 

 

 

 #   Work  from  this  chapter  is  based  on  the  provisional  patent  application  AU2010901866 

(APPENDIX A) and was accepted as poster presentation (ARVO 2011, Fort Lauderdale). 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

76 

Instead  of  measuring  two  selected  peripheral  visual  field  angles,  measurements  at 

multiple  visual  field  angles may be  collected    in   order    to   assess    and   establish    the  

relevant   viewing‐angle‐   and/or   pupil‐position‐dependent correction algorithms.  In the 

second  step,  the  instrument’s  pupil  alignment  monitor  is  to  be  interfaced  with  a 

computer for the purpose of simultaneous capturing of the pupil alignment screen. From 

each  recorded  image,  the  amount  of  pupil  misalignment  is  to  be  determined.  The 

measured  parameters,  i.e.  the  refractive  error  and  the  amount  of  pupil misalignment, 

are  then  fed  into  the  pre‐determined  correction  algorithms  to  compensate  peripheral 

refraction data for their alignment errors.  

3.2 Methods 

3.2.1 Phase 1 

3.2.1.1 Participants  

Ethics  approval  for  this  study  was  received  from  the  University  of  New  South Wales 

Human Research Ethics Advisory Panel. All participants were recruited and pre‐screened 

for good ocular health and were not enrolled if they had any history of ocular anomalies. 

There  was  no  exclusion  restriction  with  respect  to  the  refractive  error  of  the 

participants’  eyes.  In  order  to  establish  the  pupil misalignment  correction  algorithm, 

central and peripheral refraction measurements were performed  in the right eyes of 40 

adult  participants.  To  confirm  instrument  binocularity  with  respect  to  peripheral 

refraction  and  pupil  alignment,  in  a  subset  of  10  participants,  central  and  peripheral 

refraction  was  measured  in  the  left  eye  as  well.  All  eyes  were  measured  under 

uncorrected  and  non‐cycloplegic  conditions.  To  maintain  stable  fixation  and 

accommodation  at  all  angles,  the participants’ non‐measured  eye was occluded during 

the entire peripheral refraction procedure. 

3.2.1.2 Instrumentation and Alignment Procedure 

For  this study,  the visual  field  range of  the Shin‐Nippon NVision K5001 was modified  to 

permit  the measurements of  central and various peripheral visual  field angles,  i.e. 20°, 

30°  and  40°  into  the  temporal  and  nasal  visual  fields,  as well  as  20°  and  30°  into  the 

inferior visual fields. For this,  laser fixation targets were projected onto the wall, one at 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

77 

a  time  and  in  randomised  order.  For  the  refraction  procedure,  each  participant  was 

requested  to  turn  his/her  head  towards  the  presented  fixation  target.  Correct  head 

alignment was monitored by the operator throughout the measurement procedure.  

 

For each visual field angle measured, the operator’s task was to align the  instrument at 

several  pupil  positions  relative  to  the  pupil  centre.  In  addition  to  the  horizontal  pupil 

alignment meridian as measured in the previous study (Chapter 2), this study also aimed 

to  investigate the  impact of vertical pupil de‐alignment. As the minor elliptical entrance 

pupil  axis  for  the  40°  visual  field  angle  is  narrowed  further  when  compared  to  the 

previously measured 30°, the distance between the five pupil de‐alignment positions was 

reduced from 1.00 mm to 0.75 mm. As such, the nine pupil alignment positions were the 

centred  pupil  (0mm)  and  0.75 mm,  1.50 mm  relative  from  pupil  centre  towards  the 

nasal,  temporal,  inferior  and  superior  pupil.  Positive  horizontal  de‐alignment  was 

defined as  the movement of  the  instrument axis  towards  the nasal portion of  the pupil 

and  negative  horizontal  pupil  de‐alignment  was  defined  as  the  movement  of  the 

instrument  axis  towards  the  temporal  portion  of  the  pupil.  For  vertical  pupil  de‐

alignments,  the  definition  refers  to  positive  de‐alignment  being  the movement  of  the 

instrument  axis  towards  the  superior  portion  of  the  pupil  while  negative  pupil  de‐

alignment  is  the movement  of  the  instrument  axis  towards  the  inferior  portion  of  the 

pupil. For each pupil position, measurements were repeated five times. 

 

All data  retrieval and analyses were performed  in  terms of  refractive power vectors, M 

(spherical  equivalent),  J180  (with‐  and  against‐the‐rule  astigmatism)  and  J45  (oblique 

astigmatism)  as  well  as  with  respect  to  the  common  sphero‐cylindrical  notation,  i.e. 

sphere, cylinder and axis. 

 

By  least‐square  fitting  to  the  results  obtained  from  this  pupil  alignment matrix,  three 

correction  models,  i.e.  a  general  linear  model  to  be  used  for  the  correction  of  any 

measured  visual  field  angle  as well  as  a  linear  and  a  quadratic  visual  field  dependent 

model, were established and validated.   

 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

78 

3.2.2 Phase 2 

3.2.2.1 Participants and Instrumentation 

In  addition  to  the  measurements  performed  at  pre‐defined  pupil  positions,  Phase  2 

measurements were  taken  at  random  horizontal  and  vertical  positions  approximate  to 

the pupil centre.  

 

Using  the  same  instrument  set‐up as  in Phase 1, peripheral  refraction was  sequentially 

measured  in  the  right  eyes  of  four  participants  for  seven  different  visual  field  angles; 

that  is for the central visual field 0° and along the horizontal visual field  in, 20°, 30° and 

40° towards the temporal and nasal direction. This procedure was repeated six times.   

3.2.2.2 Entrance Pupil: Image Capture and Analysis 

To determine  the pupil  alignment error during  the  refraction measurement,  the  image 

from the pupil alignment screen, as seen by the operator, was captured using an  image 

capture device. Thereupon, customised software  (software courtesy Dr. Klaus Ehrmann) 

was used to determine the amount of horizontal and vertical pupil misalignment.  

 

By  use  of  the  three  established  correction  models  from  Phase  1,  each  individual 

measurement was corrected. The measurement errors before and after correction were 

assessed in terms of the three refractive power vectors M, J180 and J45.    

3.3 Results 

3.3.1 Phase 1 

3.3.1.1 Establish Correction Models 

Table 3.1 lists the study demographics of participants who attended Phase 1.  

Table 3.1:   Study demographics for participants in Phase 1. 

 

Mean Age (± SD)  Age range  Baseline Mean M (±SD) in D 

in years  OD  OS 

n = 40  33.8 ± 9.0  24 to 59  ‐2.44 ± 2.90  ‐ 

n = 10  29.4 ± 6.0  24 to 44  ‐2.43 ± 2.63  ‐2.44 ± 2.69 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

79 

The  refractive vector components M,  J180 and  J45 as well as  the more commonly known 

components  of  the  sphero‐cylindrical  notation,  i.e.  sphere,  cylinder  and  axis,  were 

plotted  as  a  function  of  pupil  alignment  position  and  visual  field  angle.  The  data  are 

provided  for  central,  six  horizontal  and  two  inferior  visual  field  angles  and  for  all  five 

pupil (de‐)alignment positions, i.e. 0 mm. ± 0.75 mm and ± 1.50 mm in the horizontal and 

vertical  pupil  alignment  meridian.  Key  results  are  presented  graphically  in  terms  of 

absolute  and  relative  peripheral  refractive  errors  from  pupil  centre.  For  all  relative 

graphs,  refractive  power  vector  components  of  the  centred  entrance  pupil  were 

subtracted  from  the  corresponding  components  from  the  de‐aligned  pupil 

measurements.  In addition to the graphs, regression analysis was performed to  indicate 

linearity  of  the  individual  pupil  alignment  functions.  Parametric  equations  for  the 

respective  refractive  vector  components  were  established  by  least‐square  fitting  to 

provide  the  general  linear  correction  algorithm.  In  addition,  for  each  individual  field 

angle, linear and quadratic correction models were also determined (APPENDIX B).  

3.3.1.1.1 Refractive Vector Component M  

Figure  3.1  illustrates  the  absolute  and  the  relative  mean  of  the  refractive  vector 

component M of the participant group  (n = 40) plotted as a  function of pupil alignment 

and visual field angle.  

 

For measurements of peripheral refraction in the horizontal visual fields, de‐alignment of 

the  instrument axis  in the horizontal pupil meridian showed a good  linear correlation  in 

M  across  the  pupil meridian  (r2  >  0.96).  This was  also  found  for  the measurements  of 

peripheral  refraction  in  the  inferior  visual  fields, when  the pupil was de‐aligned  in  the 

vertical  pupil  meridian.  For  both  combinations  of  either  horizontal  visual  field  and 

horizontal pupil meridian or  inferior visual field and vertical pupil meridian, the slope of 

the pupil alignment  function  increased with  increasing peripheral visual  field angle. The 

greatest  difference  across  the  pupil meridian was  found  for  the  40°  nasal  visual  field 

measurement, where  the  refractive difference  in M was as  large as 5.91D between  the 

1.5 mm nasal and 1.5 mm temporal pupil de‐alignment positions. With reference to the 

centred  pupil  it  is  shown  that with  increase  in  visual  field  angle,  the  refractive  vector 

component M decreased. From  this  it can be concluded  that  the participant group had 

on average a relative myopic shift in the periphery.  

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

80 

    Absolute  Relative 

Horizontal Visual Field 

Horizontal Pupil Alignment 

 

Horizontal Visual Field 

Vertical Pupil Alignment  

 

Vertical Visual Field 

Horizontal Pupil Alignment 

 

Vertical Visual Field 

Vertical Pupil Alignment 

 

 

Figure 3.1   The  refractive  vector  component  M  (in  D)  plotted  as  a  function  of  pupil alignment  position  (in  mm)  for  the  vertical  and  horizontal  pupil  meridian (n=40).  

  Data  are  plotted  for  measurements  taken  in  the  central  visual  field,  in  6 horizontal visual fields and  in two  inferior visual fields.   Regression analysis was performed to indicate linearity (r2) of the individual pupil alignment functions.  

 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

81 

The graphs also show that the points of intersection, where the nasal and temporal pupil 

alignment  functions  of  the  same  angle meet,  e.g.  N40  and  T40,  are  displaced  nasally 

from the pupil centre. This  indicates that the nasal visual field measurements showed a 

greater  relative  shift  in M  than  the measurements of  the  temporal  visual  field.  Similar 

asymmetric  findings  can  be made  for  the  inferior  visual  field measurements  and  their 

vertical pupil de‐alignment functions.   Moreover, the relative graph for the combination 

of horizontal peripheral  refraction and horizontal pupil de‐alignment  indicates  that  the 

differences between nasal and central pupil alignment were  larger  than  the differences 

between temporal and central alignment. 

 

The  graphs  for  the  combination  of  either  horizontal  visual  field  and  vertical  pupil 

meridian or inferior visual field and horizontal pupil meridian demonstrated that in most 

cases  M  decreases  slightly  towards  either  pupil  de‐alignment  direction.  This  slight 

decrease  appeared  to  be  consistent  for  all  nasal  visual  field  angles measured.  For  the 

temporal  visual  fields  there was  some  linearity  found,  in  particular  at  40°, where  the 

difference  to  central  refraction was  greatest,  i.e.  0.50D  at  the  1.50 mm  inferior  pupil 

alignment position. Nevertheless, when  compared  to  the  graphs where  the  visual  field 

meridian was parallel to the pupil alignment meridian, this refractive difference in M was 

relatively small.  

 

In  summary,  pupil  de‐alignments  perpendicular  to  the measured  visual  field meridian 

showed  a  small  or  no  effect  on  the  refractive  vector  component M, when  performing 

peripheral  refraction.  In  contrast,  pupil  de‐alignments  parallel  to  the  visual  field 

meridian had a substantial impact on the refractive vector component M.  

 

For  the  correction  of  M  for  pupil  misalignments,  three  correction  models  were 

established by  least‐square  fitting.  The  first model was  selected  to be  a  general  linear 

model,  which  can  be  used  for  the  correction  of  any  measured  visual  field  angle.  It 

provides  a  symmetric  correction  for  nasal  and  temporal  visual  field measurements.  To 

also  account  for  the  slight  asymmetry  observed  between  nasal  and  temporal  visual 

fields, the second model chosen corrects for each  individual visual field angle by using a 

linear  correction  algorithm.  Lastly,  a  quadratic model  was  chosen  for  each  individual 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

82 

visual field angle to also correct for the small asymmetry found with respect to nasal and 

temporal pupil misalignment. 

 

The  linear  and  quadratic  pupil  alignment  correction  algorithms  for  each  individual 

peripheral  visual  field  angle  can  be  found  in  APPENDIX  B  while  the  following  two 

parametric equations provide the general linear correction algorithms for M.  

 

In  order  to  correct  the measured  refractive  vector  component Mm  (in  D)  when  pupil 

misalignment  occurs  laterally  during  the  measurement  of  any  horizontal  visual  field 

angle (0°<θ<40°), the following equation was derived for calculation of the corrected Mc 

(in D):  

Equation 3.1:  . .  

where positive θ is the nasal visual field angle measured (in °), negative θ is the temporal 

visual  field  angle  (in  °),  positive  PP  is  the  nasal  pupil  alignment  position  (in mm)  and 

negative PP is the temporal pupil alignment position (in mm).  

 

If  vertical  pupil misalignment  occurs  during  peripheral  refraction measurement  in  the 

inferior visual field (0°<θ<30°), the measured refractive vector component Mm (in D) can 

be corrected using the following parametric equation for Mc (in D): 

Equation 3.2:    . .  

where  positive  θ  is  the  inferior  visual  field  angle measured  (in  °),  positive  PP  is  the 

superior pupil alignment position (in mm) and negative PP is the inferior pupil alignment 

position (in mm).  

 

Lastly,  it  should  be  noted  that  the  standard  deviations  in  Figure  3.1 were  omitted  for 

clarity in order to permit easier comparison of the pupil alignment slopes for each visual 

field angle of  the  group.  Standard errors  increased with  increase  in de‐alignment  from 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

83 

pupil  centre  and  with  increase  in  peripheral  visual  field  angle.  The  RMS  errors  of  all 

correction models can be found in APPENDIX B.  

3.3.1.1.2 Refractive Vector Component J180 

With  increase  in visual field angle, the same  linear  increasing trends (r2 > 0.96) as found 

for M (Figure 3.1) were observed for J180 (Figure 3.2) for the same combinations of either 

horizontal visual  field and horizontal pupil meridian, or vertical visual  field and vertical 

pupil meridian.  

 

With  reference  to  centred pupil alignment,  the absolute graphs  showed  that  there  is a 

substantial shift in J180 with increasing viewing angle. This measured shift was greater for 

all the nasal visual field angles when compared to the temporal visual field angles. Also, 

the  relative  graphs  for  lateral  pupil  de‐alignment  in  the  horizontal  visual  field 

measurements again demonstrate  that  the differences  in  J180  (in D) between nasal and 

central pupil alignment were  larger  than  the differences between  temporal and central 

alignment.  

 

With respect to the results obtained for J180 where pupil de‐alignment was perpendicular 

to  the  measured  visual  field meridian,  it  was  again  apparent  that  for  all  visual  field 

angles  J180  changed  consistently  by  relatively  small  amounts  with  increasing  distance 

from  the pupil  centre when  compared  to pupil de‐alignment measurements parallel  to 

the visual field meridian. 

 

The following parametric equations provide the general linear pupil alignment correction 

algorithms for J180 for the two relevant combinations of visual field and pupil meridian.  

 

If  lateral  pupil misalignment  occurs  during  peripheral  refraction measurement  in  the 

horizontal visual field (0°<θ<40°), the measured refractive vector component J180m can be 

corrected using the following parametric equation for J180c (in D): 

Equation 3.3    . .  

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

84 

    Absolute  Relative 

Horizontal Visual Field 

Horizontal Pupil Alignment 

 

Horizontal Visual Field 

Vertical Pupil Alignment 

 

Vertical Visual Field 

Horizontal Pupil Alignment 

 

Vertical Visual Field 

Vertical Pupil Alignment 

 

 

Figure 3.2  The  refractive  vector  component  J180  (in  D)  plotted  as  a  function  of  pupil alignment  position  (in  mm)  for  the  vertical  and  horizontal  pupil  meridian (n=40).  

  Data  are  plotted  for  measurements  taken  in  the  central  visual  field,  in  six horizontal visual  fields and  in two  inferior visual fields. Regression analysis was performed to indicate linearity (r2) of the individual pupil alignment functions. 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

85 

where positive θ is the nasal visual field angle measured (in °), negative θ is the temporal 

visual  field  angle  (in  °),  positive  PP  is  the  nasal  pupil  alignment  position  (in mm)  and 

negative PP is the temporal pupil alignment position (in mm).  

 

Correction of J180m (in D) for vertical pupil alignment errors when measuring the  inferior 

visual field (0°<θ<30°) can be achieved using the following parametric equation: 

Equation 3.4:    .  

where  positive  θ  is  the  inferior  visual  field  angle measured  (in  °),  positive  PP  is  the 

superior pupil alignment position (in mm) and negative PP is the inferior pupil alignment 

position (in mm).  

 

In  addition  to  the  general  linear  parametric  equations,  the  linear  and  quadratic 

correction functions for each individual visual field angle can be found in APPENDIX B.  

3.3.1.1.3 Refractive Vector Component J45 

Figure  3.3  details  the  absolute  and  relative  graphs  for  J45  for  all  four  combinations  of 

visual field and pupil alignment meridian.  

 

In contrast to the linear correlations found for M and J180 for the combinations where the 

visual  field meridian was parallel  to  the pupil alignment meridian,  the  refractive power 

vector J45 did not exhibit any substantial changes with increasing visual field angle.    

 

Instead,  J45  showed  linear  trends  for  the combinations where  the visual  field meridians 

were perpendicularly directed to the measured pupil alignment meridians  (r2 ≥ 0.97).  In 

these cases,  the absolute slope of  the pupil alignment  function  increased with  increase 

in  visual  field  angle.  Again,  the  greatest  refractive  difference  in  J45  across  the  pupil 

meridian was found for the 40° nasal visual field measurement, which  in absolute terms 

ranged from ‐1.10D to 1.30D. With reference to centred pupil alignment, a small shift  in 

J45 was observed with  increase  in peripheral visual  field angle. Moreover,  the points of 

intersection where the pupil alignment functions of the same field angle meet, e.g. N40 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

86 

and  T40, were  displaced  inferiorly  from  the  pupil  centre.  Similar  asymmetric  findings 

were  made  for  the  inferior  visual  field  measurements  and  their  horizontal  pupil  de‐

alignment functions.   

 

From  the  J45 data plotted  in Figure 3.3  the  linear and quadratic correction  functions  for 

each  individual  visual  field  angle  (APPENDIX  B)  as  well  as  the  following  parametric 

equations  for  the  general  linear  model  were  determined  for  the  calculation  of  the 

corrected J45c (in D).  

 

If  pupil  de‐alignment  occurs  in  the  vertical  pupil meridian when measuring  peripheral 

refraction in the horizontal visual field (0°<θ<40°) the following equation was derived: 

Equation 3.5:    . .  

where  J45m  is  the measured  J45  value  (in  D),  positive  θ  is  the  nasal  visual  field  angle 

measured  (in  °),  negative  θ  is  the  temporal  visual  field  angle  (in  °),  positive  PP  is  the 

superior pupil alignment position (in mm) and negative PP is the inferior pupil alignment 

position (in mm).  

 

If pupil de‐alignment occurs  in the horizontal pupil meridian when measuring peripheral 

refraction  in  the  inferior  visual  field  (0°<θ<30°),  the measured  J45m  can  be  corrected 

using the following parametric equation: 

Equation 3.6:    . .  

where positive θ is the inferior visual field angle measured (in °), positive PP is the nasal 

pupil  alignment  position  (in  mm)  and  negative  PP  is  the  temporal  pupil  alignment 

position (in mm).  

 

It can be concluded that despite the fact that pupil de‐alignment in the meridian parallel 

to  the measured visual  field affected M and  J180, pupil de‐alignment along  the meridian 

perpendicular  to  the  visual  field  meridian  is  also  of  relevance  in  obtaining  accurate 

measurements for J45. 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

87 

    Absolute  Relative 

Horizontal Visual Field 

Horizontal Pupil Alignment 

Horizontal Visual Field 

Vertical Pupil Alignment 

Vertical Visual Field 

Horizontal Pupil Alignment 

Vertical Visual Field 

Vertical Pupil Alignment 

 

Figure 3.3   The  refractive  vector  component  J45  (in  D)  plotted  as  a  function  of  pupil alignment  position  (in  mm)  for  the  vertical  and  horizontal  pupil  meridian (n=40).  

  Data  are  plotted  for  measurements  taken  in  the  central  visual  field,  in  6 horizontal visual fields and  in two  inferior visual fields.   Regression analysis was performed to indicate linearity (r2) of the individual pupil alignment functions. 

 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

88 

3.3.1.1.4 Sphero‐Cylindrical Notation 

In  addition  to  the  refractive  vector  components  M,  J180  and  J45  the  more  commonly 

known sphero‐cylindrical notation, which  is described by  the  three components sphere, 

cylinder  and  axis, was  also  plotted  as  a  function  of  pupil  de‐alignment  and  horizontal 

visual field angle (Figure 3.4).  

 

Figure 3.4 shows  that  for horizontal pupil de‐alignments,  the sphere component, which 

unlike  M  has  no  additional  astigmatic  portion,  showed  a  symmetrical  relationship 

between nasal and temporal visual field measurements, when referenced to the centred 

pupil. Vertical pupil alignment had no substantial  impact on the sphere values for either 

horizontal visual field angle.  

 

From  the  plots  of  the  cylinder  and  axis  components  as  a  function  of  horizontal  visual 

field  angle,  the  following  is  apparent:  the  cylinder  component  was  only  affected  by 

horizontal but not  vertical pupil de‐alignment  and  the  axis  component  showed  a  good 

correlation  for  vertical  but  not  for  horizontal  pupil  de‐alignment.    The  cylinder 

component showed greater changes as a  function of pupil alignment  in  the nasal visual 

field than in the temporal visual field. 

3.3.1.2 Investigation of Instrument Binocularity with Pupil Alignment 

The top graphs in Figure 3.5 show the relative mean refractive power vectors M, J180 and 

J45 as a function of  lateral pupil de‐alignment and visual field angle for the right and  left 

eyes of the selected participant sub‐group (n = 10). Overall, right and left eye slope data 

demonstrated very good agreement for M and J180 (paired samples correlation r > 0.726, 

p < 0.017)  for all peripheral visual  field angles. Paired  t‐test analysis showed  that  there 

was no difference  in M and J180 between the right and  left eye slope data for any of the 

peripheral visual fields measured (p > 0.069). The only exception was J180 in the 30° nasal 

visual field (p = 0.02). Additionally, for each of the five pupil alignment positions and for 

each of the seven visual field angles, the relationship between the right eye and left eye 

was plotted with respect to each refractive vector component. These plots are shown  in 

Figure 3.5 bottom, which show the good agreement for M and J180 between right and left 

eye data.  

CHAPTER 3 MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

89 

Figure 3.4:   The sphere, cylinder and axis components plotted as a function of pupil alignment position (in mm) for the vertical and horizontal pupil meridian (n=40).  

  Data are plotted for measurements taken in the central visual field and in six horizontal visual fields.  

 

 

   Sphere (in D)  Cylinder (in D)  Axis (in °) 

 

Horizontal Visual Field 

 

Horizontal Pupil Alignment 

     

 

Horizontal Visual Field 

 

Vertical Pupil Alignment 

    

CHAPTER 3 MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

90 

  M (in D)  J180 (in D)  J45 (in D) Peripheral Refraction Data for 

the Right and Left Eye 

     

Relationship betw

een Right 

and Left Eye Data 

     

Figure 3.5:  Right and left eye refraction data as a function of pupil alignment. 

  TOP: Relative mean refractive power vectors M, J180 and J45 as a function of lateral pupil alignment and visual field angle for the right and left eyes  (n=10). BOTTOM: Relationship between  right and  left eye data,  i.e. M,  J180 and  J45, plotted  for  the  respective pupil position and  field angle measured.  The grey dotted line (in graphs M and J180) represents the 1:1 ratio between the right and left eye. 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

91 

As  previously  shown  J45  was  not  affected  by  horizontal  pupil  de‐alignment  and 

consequently  no  significant  correlation  with  respect  to  pupil  alignment  positions  and 

peripheral  visual  field  angle was  found  between  right  and  left  eye  slope  data  (paired 

samples correlation r < 0.584, p > 0.076) except at the 30° temporal visual field position 

(paired samples correlation r = 0.722, p = 0.018). 

3.3.1.3 Validation of the Correction Algorithm 

For  the  validation  of  the  three  established  correction models,  each  of  the  individual 

measurements obtained  in  Phase  1 were  corrected by  the  known  amount of pupil  de‐

alignment. The  spread of  the  remaining errors provides  information on  the accuracy of 

the correction algorithms. 

 

Figure 3.6 compares the models used for the correction of the measured M at the pupil 

de‐alignment positions when peripheral  refraction was performed  along  the horizontal 

visual field meridian.   

 

Whereas  the  general  linear  model,  a  symmetrical  correction  model  for  nasal  and 

temporal  visual  field measurements, provided  a  good overall  correction,  the  algorithm 

under‐corrected M  for  the  nasal  pupil  de‐alignment  positions  at  40°  nasal  visual  field 

measurements.  The  individual  linear model  reduced  the  errors  further  for most of  the 

visual  field angles  (Figure 3.6). However, again, due  to  the measured asymmetry  in  the 

40°  nasal  visual  field  between  nasal  and  temporal  pupil  de‐alignment  positions,  the 

linear  correction  remained  poorest  for  this  visual  field  angle.  The  individual  quadratic 

model as shown  in Figure 3.6  (bottom) provided the best pupil misalignment correction 

algorithm for M at all visual field angles.  

 

The standard deviation of the repeated measures of all the measured and the corrected 

refractive  vector  components  for  all  visual  field  angles  and  all  pupil  de‐alignment 

positions were  determined  and  plotted  in  Figure  3.7.    All  three  correction  algorithms 

reduced  the measurement  error  of  each  refractive  vector  component  by  at  least  58%. 

Further,  the  individual  quadratic  model  provided  the  best  correction  of  pupil 

misalignment, which  improved  the  error  by more  than  80%  for  each  refractive  vector 

component.  

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

92 

Measured M

General Linear Model Corrected M (n=40) using the General Linear Model 

 

Individual Linear Model Corrected M (n=40) using the Individual Linear Model 

 

Individual Quadratic Model Corrected M (n=40) using the Individual Quadratic Model 

 Figure 3.6:   Three pupil alignment correction models. 

  TOP: RPRE of M as a  function of pupil alignment position and horizontal visual field  angle  for  the  measured  M.  LEFT:  The  three  pupil  alignment  correction models,  i.e.  the  general  linear  model,  the  individual  linear  model  and  the individual quadratic model. RIGHT: The three corrected RPRE’s of M as a function of pupil alignment position and horizontal visual field angle. 

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

‐1.5 ‐0.75 0 0.75 1.5

RPRE (in D) ‐Measured Data

Pupil Alignment Position (in mm)

T40

T30

T20

Cen

N20

N30

N40

nasal pupiltemporal pupil

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

‐1.5 ‐0.75 0 0.75 1.5

RPRE (in D) ‐General Linear M

odel

Pupil Alignment Position (in mm)

T40

T30

T20

Cen

N20

N30

N40

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

‐1.5 ‐0.75 0 0.75 1.5

RPRE (in D) ‐Corrected Data 

Pupil Alignment Position (in mm)

T40

T30

T20

Cen

N20

N30

N40

temporal pupil nasal pupil

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

‐1.5 ‐0.75 0 0.75 1.5

RPRE (in D) ‐Individual Linear M

odel

Pupil Alignment Position (in mm)

T40

T30

T20

Cen

N20

N30

N40

nasal pupiltemporal pupil

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

‐1.50 ‐0.75 0.00 0.75 1.50

RPRE (in D) ‐Corrected Data 

Pupil Alignment Position (in mm)

T40

T30

T20

Cen

N20

N30

N40

temporal pupil nasal pupil

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

‐1.5 ‐0.75 0 0.75 1.5

RPRE (in D) ‐Individual Q

uadratic Model

Pupil Alignment Position (in mm)

‐40

‐30

‐20

0

20

30

40

nasal pupiltemporal pupil

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

‐1.50 ‐0.75 0.00 0.75 1.50

RPRE (in D) ‐Corrected Data 

Pupil Alignment Position (in mm)

T40

T30

T20

Cen

N20

N30

N40

temporal pupil nasal pupil

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

93 

 

Figure 3.7:  Standard deviation (in D) for M, J180 and J45 before and after correction. 

  The  three  models  used  for  correction  were  the  general  linear  model,  the individual linear model and the individual quadratic model. 

3.3.2 Phase 2 

3.3.2.1 Implementation of the Correction Algorithms 

Figure  3.8  demonstrates  the  scatter  of  the  pupil  alignment  positions  which  were 

determined from the images taken during the peripheral refraction measurements of the 

four participants.  In  total,  this data  set  includes  six  repeats  for  the  central  visual  field 

and  the  20°,  30°  and  40°  nasal  and  temporal  visual  field  positions.  The  scatter  plot 

indicates  that  there was  a  slight  trend  to more  nasal  and  superior  pupil misalignment 

and that there was a larger spread along the horizontal direction compared to vertical.  

 

From  the  individually  determined  pupil  alignment  positions,  the  refractive  vector 

components were  corrected  for  each measurement using  the  three  correction models. 

The  refractive  power  vectors  M  and  J180  were  corrected  for  horizontal  pupil 

misalignments  and  J45 was  corrected  for  vertical  pupil misalignment.  Figure  3.9  shows 

the mean  peripheral  refraction  profile  of  the  group  for  all  three  peripheral  refractive 

vectors, when measured and corrected using the three correction models.  

 

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

M J180 J45

Standard Deviation in D

Measured

General Linear Model

Individual Linear Model

Individual Quadratic Model

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

94 

 

Figure 3.8:   Pupil alignment positions as measured during peripheral refraction.  

As  the  peripheral  visual  field  angle  increased,  the  change  between  the measured  and 

corrected M and  J180 also  increased. This  indicates  the  impact of pupil misalignment on 

the mean peripheral refraction profiles. The greatest difference was  found  for M  in  the 

40°  nasal  visual  field,  which  was  0.60D  for  the  general  linear  model,  1.14D  for  the 

individual  linear  model  and  1.02D  for  the  individual  quadratic  model.  Moreover,  it 

demonstrates that for all three refractive vector components the standard deviations of 

the measured  data were  greater  than  the  standard  deviations  of  the  corrected  data. 

After correction using  the best model  (quadratic model),  the measurement error  for M, 

J180 and J45 was reduced by 37%, 29% and 25%, respectively.   

 

Figure 3.10 illustrates the spread of the repeated peripheral refraction measurement for 

each of  the  four participants, before and after  correction with  the  individual quadratic 

correction model.  

 

Although,  in  general,  the  spread  of  the  corrected  peripheral  refraction measurements 

narrowed when  compared  to  the measured data,  there  are  some  visual  field positions 

for some participants where the spread even after correction showed no improvement.    

‐1.50

‐1.00

‐0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

‐1.50 ‐1.00 ‐0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

Vertical Pupil Alignment Position 

(in mm)

Horizontal Pupil Alignment Position (in mm)

Pupil Alignment Positions

inferior pupil

superior pupil

nasal pupiltemporal pupil

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

95 

 

 

 

Figure 3.9:  Measured and corrected M, J180 and J45 as a function of horizontal visual field angle.  

  Error bars indicate standard deviations of the repeats.   

‐6.00

‐5.00

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M in D

Visual Field Angle  (in °)

measured

general linear model

individual linear model

individual quadratic model

Nasal FieldTemporal Field

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

J 180 in D

Visual Field Angle  (in °)

measured

general linear model

individual linear model

individual quadratic model

Nasal FieldTemporal Field

‐2.00

‐1.50

‐1.00

‐0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

J 45 in D

Visual Field Angle  (in °)

measured

general linear model

individual linear model

individual quadratic model

Nasal FieldTemporal Field

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

96 

 

 

 

 

Figure 3.10: Spread of the repeats for the measured and corrected M (in D) as a function of peripheral visual field angle of the four participants.  

 

‐11.00

‐10.00

‐9.00

‐8.00

‐7.00

‐6.00

‐5.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M(D)

Visual Field Angle  (°) Nasal FieldTemporal Field

Participant# 1 ‐ Before Correction

‐11.00

‐10.00

‐9.00

‐8.00

‐7.00

‐6.00

‐5.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M(D)

Visual Field Angle  (°) Nasal FieldTemporal Field

Participant# 1 ‐After Correction

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M(D)

Visual Field Angle  (°) Nasal FieldTemporal Field

Participant# 2 ‐ Before Correction

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M(D)

Visual Field Angle  (°) Nasal FieldTemporal Field

Participant # 2 ‐After Correction

‐5.00

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M(D)

Visual Field Angle  (°) Nasal FieldTemporal Field

Participant# 3 ‐ Before Correction

‐5.00

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M(D)

Visual Field Angle  (°) Nasal FieldTemporal Field

Participant# 3 ‐After Correction

‐5.00

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M(D)

Visual Field Angle  (°) Nasal FieldTemporal Field

Participant# 4 ‐ Before Correction

‐5.00

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M(D)

Visual Field Angle  (°) Nasal FieldTemporal Field

Participant # 4 ‐After Correction

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

97 

3.4 Discussion 

Based  on  the  preliminary  findings  in  Chapter  2, which  demonstrated  the  relevance  of 

precise  pupil  alignment  in  peripheral  refractometry,  the  present  study  extended  this 

investigation  to  establish,  validate  and  test  a methodology  for  the  correction  of  pupil 

alignment  errors  which  may  arise  during  peripheral  refractometry  when  using 

conventional autorefractors. 

3.4.1 Functions of Pupil Alignment  

To  establish  correction  models  for  pupil  misalignment,  peripheral  refraction 

measurements were obtained across the horizontal and vertical pupil meridian and along 

selected  horizontal  and  vertical  visual  field  angles.  From  this  data  set,  the  relevant 

combinations  of  visual  field meridian,  pupil  alignment meridian  and  refractive  vector 

component were identified and three candidate correction algorithms were established.  

3.4.1.1 Functions of Pupil Alignment for Different Visual Field Angles 

Overall,  the  functions  of  pupil  alignment  obtained  in  the  current  study  showed  that 

tolerance  to pupil misalignment decreases as visual  field angle  increases. Specifically,  if 

pupil misalignment occurred along  the  same meridian as  the measured visual  field,  the 

refractive vector components M and  J180 were  increasingly affected as visual  field angle 

increased. Conversely,  J45 was affected when pupil de‐alignment was orthogonal  to  the 

measured visual field meridian. 

 

The substantial changes found  in the spherical error with  increase  in pupil misalignment 

and  visual  field  angle  can  be  associated  to  the  changing  incidence  angle  of  the 

measurement beam with  respect  to  the changing cornea positions as  the pupil was de‐

aligned  relative  from  its  centre. Using  a  simplified  ray‐tracing  approach  in  ZEMAX,  the 

rotationally  symmetric  schematic  model  eye  by  Escudero‐Sanz  and  Navarro183  was 

selected to show the  impact of ray propagation for two visual field angles. For this, rays 

were  traced  into  the  eye,  i.e.  central  and  40°  nasal  visual  field  and  at  three  different 

pupil alignment positions,  i.e. the entrance pupil was either centrally aligned or  laterally 

de‐aligned by ±0.75 mm and ± 1.50 mm.  

 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

98 

Figure  3.11  indicates  that  the  rays  from  the measurement  beam  entering  the  eye  at 

same field angles pass through different locations at the cornea for centred and positive 

and  negative  pupil  de‐alignment  respectively.  For  on‐axis  rays,  pupil  de‐alignment 

towards  the  temporal or nasal pupil portion affects  the propagation of  the  rays equally 

as the corneal curvature remains symmetrical with respect to the on‐axis rays. This  is  in 

accordance with the empirical results which demonstrated a small quadratic trend  in M 

with  increasing  pupil  de‐alignment  towards  the  nasal  or  temporal  direction  (Section 

3.3.1.1.1). 

 

Figure 3.11: Central and peripheral  (40°) rays traced  into the eye  for three different pupil alignment positions,  i.e.  left: 1.5 mm temporal, middle: central and right: 1.5 mm nasal pupil position.  

However, when de‐aligning the pupil temporally for the measurement of the nasal visual 

field, the rays enter the cornea at a position at which the cornea  is strongly curved with 

respect  to  the  incidence  beam.  Thus,  rays  refract  not  only  asymmetrically  due  to  the 

oblique  incidence angle, which  is  reflected by  the  large amount of oblique astigmatism 

measured  (Section  3.3.1.1.2),  but  also  focus  in  front  of  the  retina, which  explains  the 

more negative peripheral  refraction measured  (Section 3.3.1.1.1).  In  contrast,  for pupil 

alignment towards the nasal pupil, the rays enter the cornea at a much flatter position, 

yielding more positive  refraction  results, when compared  to  the  temporally or centrally 

aligned pupil. 

 

In  general, when  increasing  the  visual  field  angle  during  peripheral  refractometry,  the 

incidence  of  the measurement  beam  at  the  cornea  (aligned  for  pupil  centre)  becomes 

more oblique and astigmatism  (J180)  increases.23, 24 Where pupil misalignment occurs  in 

the  same  meridian  as  the  peripheral  visual  field  to  be  measured,  the  amount  of 

astigmatism  (J180) changes additionally across  the pupil. Consequently,  the combination 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

99 

of  increased magnitude  of  astigmatism  in  the  periphery  and  the  additional  astigmatic 

changes  across  the  pupil  meridian  contribute  to  the  decreased  tolerance  to  pupil 

misalignment in peripheral refraction measurements.  

 

The  current  study  also  demonstrated  that  vertical  pupil  de‐alignment  affected  the 

refractive vector component J45. The significant changes found in J45 can be explained by 

the  linearly changing axis values when aligning the pupil perpendicular to the measured 

visual field meridian.  

3.4.1.2 Functions of Pupil Alignment for Different Ocular Parameters 

In  the present study, a method  for  the correction of pupil misalignment was developed 

using  refraction data of  a  general population  group.   Although, overall  linearity of  the 

pupil alignment  functions was good,  the RMS error of  the  functions  increased as visual 

field  angle  increased.  In  order  to  further  improve  the  correction  algorithms,  group‐

specific  algorithms,  such  as  based  those  on  different  ocular  parameters,  i.e.  corneal 

asphericity, corneal curvature, vitreous length and retinal curvature, may be considered.   

 

To obtain better understanding of  the  impact of  those ocular parameters on  the pupil 

alignment function, the same ray tracing approach was used as in Section 3.4.1.1 and the 

relative peripheral  refractive error  (RPRE) of M as a  function of pupil de‐alignment was 

computed for the central visual field and three nasal visual field angles,  i.e. 20°, 30° and 

40°. 

 

Using  the Zernike coefficients as provided by ZEMAX, M  (in D) was calculated using  the 

equation provided by Atchison et al.,32 for which the pupil diameter was set to the same 

fixed  circular pupil diameter  as used  for  the  Shin‐Nippon NVision  K5001 measurement 

ring. The pupil stop was de‐centred with respect to the pupil alignment positions which 

correspond to the same five measured entrance pupil alignment positions from Phase 1.   

 

The RPRE of M as a function of pupil de‐alignment for the schematic model eye and the 

experimental data are shown in Figure 3.12 a) and b), respectively. Although, the overall 

trend between  the model eye and  the experimental data was  similar,  there were  some 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

100 

obvious  differences  in  the  pupil  alignment  functions. Whereas,  the  experimental  pupil 

alignment data measured with  the Shin‐Nippon NVision K5001, showed an overall good 

linear  trend  for peripheral measurements,  the pupil alignment  functions obtained with 

the modelling approach indicate a more quadratic trend.  

Figure 3.12: The  functions  of  pupil  de‐alignment  for  the  RPRE  of M  at  four  visual  field angles,  i.e.  the central visual  field and 20°, 30° and 40° nasal visual  field,  for the  Escudero‐Sanz  &  Navarro  model eye (a) and  the  experimental  data  (b).        

Anatomical differences between the human eyes and the simplified schematic model eye 

(rotational  symmetric  ocular  surfaces,  homogeneous  refractive  index  of  the  crystalline 

lens), might have  contributed  to  the differences between  the model  and  experimental 

data. A  further  factor  could be  related  to  the differences  in determining  the  refractive 

error.  The  experimental  data  were  determined  with  an  instrument  based  on  the 

autorefraction principle dedicated to measure central refraction (double‐pass system). In 

contrast, Zernike coefficients obtained from ZEMAX were used to calculate the refractive 

error of the schematic model eye for into‐the‐eye ray‐trace.  

 

Despite  these  differences,  the  aim  of  using  the  schematic model  eye was  primarily  to 

understand  the  effect  of  ocular  changes  on  the  RPRE  of  M  as  a  function  of  pupil 

alignment. Specifically, the model eye was used to investigate the impact on the RPRE of 

M when the anterior corneal asphericity  (a), anterior corneal radius  (b), vitreous  length 

(c) and  retinal  radius  (d) were modified.  Figure 3.13 demonstrates  the RPRE of M as  a 

function of pupil de‐alignment for the schematic model eye by Escudero‐Sanz & Navarro 

(solid  lines) and when the  individual ocular parameters of this model eye were modified 

(dashed lines).  

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

101 

Investigation of the effect of changes in retinal radius did not lead to substantial changes 

in  the  pupil  alignment  functions.  However,  vitreous  length,  corneal  asphericity  and 

corneal  curvature were  the ocular parameter which  showed  some  impact on pupil de‐

alignment  for all visual  field angles.  It  is  shown  that  the  flatter or  the  less aspheric  the 

cornea, the flatter the pupil alignment function.  

 

In addition  to  the  theoretical  ray  trace  results,  the  impact of altering corneal curvature 

was also investigated in an experimental study using soft contact lenses. Specifically, soft 

contact  lenses  (Acuvue 2, base  curve 8.3,  Johnson &  Johnson) with  a power of +6.00D 

and  ‐6.00D  were  worn  in  the  right  eyes  of  three  participants  which  steepened  and 

flattened  corneal  curvature by  approximately 1 mm,  respectively. Peripheral  refraction 

was performed with and without contact  lenses  for  the  same pupil alignment positions 

as  described  in  Phase  1.  For  all  participants,  RPRE  results  confirmed  that  the  steeper 

(flatter)  the  cornea,  the  steeper  (flatter)  was  the measured  pupil  alignment  function 

when compared to the no contact lens function.  

   

   

Figure 3.13: Functions of pupil de‐alignment for changing ocular parameters. 

  The solid  lines represent  the  functions of pupil de‐alignment  for the RPRE of M when ray‐tracing was performed at four visual field angles, i.e. the central visual field and 20°, 30° and 40° nasal visual field, using the Escudero‐Sanz & Navarro model eye. The dotted  line  shows  the effects of changes  in a) anterior corneal asphericity, b) anterior corneal radius, c) vitreous length and d) retinal radius. 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

102 

From  this modelling approach and  the experimental  study  it can be  suggested  that  the 

increased  RMS  error  found  for  the  correction  algorithms  is  likely  to  be  related  to  the 

variations  in ocular parameters within the general participant group used  in the present 

study.  

3.4.1.3 Functions of Pupil Alignment for Nasal and Temporal Measurements 

From previous studies it is known that peripheral refraction profiles often show a typical 

nasal‐temporal  asymmetry  across  the  visual  field  with  respect  to  the  astigmatic 

component. This asymmetry has been related to a lack of coincidence between the visual 

and the optical axis,23, 25, 37, 105 but also a lack of rotational symmetry of the retina.58  

 

Results from this study have also shown some asymmetry with respect to the nasal and 

temporal visual field pupil alignment functions for M, J180 and cylinder. With reference to 

the centred pupil, the pupil alignment functions of the cylinder component showed that 

shifts between the central and nasal visual field were much greater than shifts between 

the central and the corresponding temporal visual field shifts. This  is  in agreement with 

the nasal‐temporal astigmatic asymmetry found in previous studies.23, 25, 37, 105 Moreover, 

the  relative  graphs  for M  and  J180  have  shown  that  across  the  pupil meridian  for  all 

horizontal peripheral visual  field angles,  the difference between central and nasal pupil 

de‐alignment  was  larger  than  the  difference  between  central  and  temporal  pupil  de‐

alignment. From this,  it can be concluded that the  indicated asymmetry across the pupil 

meridian  is  associated with  the  combination of  increased magnitude of  astigmatism  in 

the nasal visual  field and  the additional astigmatic changes when performing  refraction 

across the pupil meridian. 

3.4.1.4 Instrumentation used to Establish Pupil Alignment Functions 

Due  to  potential  inter‐instrument  variability,  it  is  suggested  that  data  for  the 

establishment  of  correction  algorithms  are  to  be  collected  using  the  same  instrument 

which  is  to  be  used  for  the measurement  of  peripheral  refraction.  The  autorefraction 

instrument used in this study, the Shin‐Nippon NVision K5001, was originally designed to 

measure  central  refraction  only.  The  summary  given  on  current  peripheral  refraction 

techniques (Chapter 1)  indicated that many other  instruments/methods have been used 

and  modified  for  peripheral  refraction  measurements  which  are  based  on  different 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

103 

operation  principles.  Unlike  the  Shin‐Nippon  autorefractor,  which  uses  a  fixed  ring 

target, other  instruments are based on the principles of aberrometry or photorefraction 

to analyse refractive errors across the entire visible pupil, with or without consideration 

of  the  ‘elliptical’  pupil  shape.  Donovan  et  al.  have  compared  peripheral  refraction 

measurements on 28 participants using  three  instruments which are based on different 

operation principles.122 The  instruments used were  the Shin‐Nippon NVision K5001,  the 

Complete  Ophthalmic  Analysis  System  (COAS  aberrometer)  and  a  streak  retinoscope. 

They  found  that  the output  in peripheral  J180 of  the COAS was almost half  the value of 

the  results obtained with  the other  two  techniques  indicating  that  there may be  some 

inter‐instrument variability due to different operation principles.  

 

With  respect  to  instrument  binocularity,  the  current  study  also measured  the  right  as 

well as the  left eyes of ten participants to confirm the absence of  instrument variations 

between  eye  measurements  with  respect  to  horizontal  pupil  de‐alignment  in  the 

horizontal  visual  field.  It was  demonstrated  that  right  and  left  eye  data  for  the  pupil 

alignment  dependent  refractive  vector  components  M  and  J180  correlated  very  well. 

These  findings  assure  that measurements with  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001  are  in 

unison  for  right  and  left  eye  measurements,  not  only  with  respect  to  central  and 

peripheral refraction but also with respect  to pupil  (mis‐)alignment. Although,  it can be 

assumed  that  objective  refraction  instruments  provide  consistent  binocular  central 

refraction  readings,  it  is  recommended  to  always  verify  this  assumption  for  a  specific 

instrument when measuring peripheral refraction.  

3.4.2 Pupil Alignment Correction Models 

From the presented data set, three pupil alignment correction models were established 

for the correction of the refractive vector components M, J180 and J45 and for the relevant 

combinations of visual field meridian and pupil alignment meridian.     

 

Overall  there was  good  linearity,  as well  as  symmetry, between  the  relative nasal  and 

temporal  pupil  alignment  functions.  Therefore,  the  first  model  was  selected  to  be  a 

general  linear model, which has  the advantage  that  it can be applied  for  the correction 

of  any measured  visual  field  angle.  To  also  account  for  the  slight  asymmetry observed 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

104 

between  nasal  and  temporal  visual  fields  the  second  linear model  chosen  corrects  for 

each  individual visual  field angle. Lastly, a quadratic model additionally corrects  for  the 

small asymmetry found with respect to nasal and temporal pupil misalignment.  

 

Nevertheless,  it  should  be  noted  that  the  RMS  error  of  each  visual‐field  dependent 

model  increases  substantially  as  visual  field  angle  increases.  Thus  the  use  of  group‐

specific or even a  subject‐individual correction model may  improve  the accuracy of  the 

current proposed models even further.  

3.4.3 Implementation of Compensation Factor 

For the validation of the established correction algorithms, each individual measurement 

of Phase 1 was corrected by the known amount of pupil de‐alignment. All three models; 

the general linear model, the individual linear model and the individual quadratic model, 

improved the measurement error by at least 58% when compared to the measured data. 

Greatest  improvement was achieved with  the  individual quadratic model. Nevertheless, 

it should be noted that correction was done  for  large and pre‐defined amounts of pupil 

de‐alignment,  which  cannot  be  directly  compared  to  the  peripheral  refraction 

measurements performed in practice. 

 

Therefore,  in  Phase  2  peripheral  refraction  was  performed  under  normal  clinical 

conditions, whereby misalignments  are  random  and  generally  smaller. After  correction 

of the measured data, the variability reduced by at least 25% for all corrected data.† This 

reduction was  also  indicated  by  the  narrowed  spread  of  the  repeats  of  the  individual 

corrected  participant  data.  However,  for  some  participants  and  some  visual  field 

positions  the  variability  remained  even  after  correction,  which  suggests  that  other 

factors  contribute  to  the  remaining error when performing  repeated measurements on 

the same participant.    

 

 

 

†  In the absence of measurement data for the correctly aligned pupil positions, the pupil mis‐alignment errors and their  improvements cannot be determined with certainty, but the reduction  in variability after  applying  the  correction  algorithm  is  a  good  indicator  that  measurement  results  had  been improved. 

CHAPTER 3: MEANS TO RECTIFY PUPIL ALIGNMENT ERRORS 

105 

In fact one technical obstacle was identified with the current image capture procedure in 

Phase  2.  It  was  noticed  that  there  is  a  small  delay  (i.e.  <0.5  seconds)  between  the 

recording  of  the  refraction  reading  and  the  capturing  of  the  image  from  the  pupil 

alignment monitor. Any  instrument or eye movement or blink within  that delay period 

would  have  compromised  the  error  compensation.  It  is  expected  that  a more  reliable 

error  compensation  can  be  achieved  once  the  simultaneous  image  capture  with  the 

refraction recording has been assured.  

3.5 Summary and Conclusion 

The  work  of  this  chapter  aimed  to  establish,  validate  and  test  a  methodology  that 

rectifies  pupil  alignment  errors  that may  arise  during  peripheral  refractometry  when 

using conventional autorefractors. 

 

From  the determined pupil alignment matrix  in Phase 1,  three  correction models were 

established  for  the correction of  the  relevant  refractive power vectors. Using  the  same 

data  set,  the  validation of  each model  exhibited overall  improvement  in measurement 

error of at least 58% for each refractive vector component.  

 

Phase  2  investigated  the  implementation  of  the  established  correction  algorithms  on 

individual data obtained when peripheral refraction was measured with the pupil aligned 

approximately to the pupil centre. After correction of pupil misalignment, the variability 

for  the  corrected  mean  peripheral  refraction  profile  was  reduced  by  at  least  25%. 

Nevertheless,  sample  size  was  small  and  individual  variations  remained  even  after 

correction. It is possible that these variations may be related to the observed small delay 

in the current image capturing procedure. Moreover, it may be of advantage to increase 

precision  of  the  current  model  by  using  group‐specific  or  even  subject‐individual 

correction models. 

 

Despite  the  fact  that  some  obstacles  and  limitations with  the  current method  require 

further  improvements, the proposed method has shown to reduce the variability caused 

by pupil misalignment.  

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

106 

CHAPTER 4:  

OPTICAL  DESIGN  OF  A  NOVEL  PERIPHERAL  REFRACTION  CONCEPT: THE EYEMAPPER 

4.1 Introduction 

This chapter  introduces a novel peripheral refraction concept that aims to eliminate the 

limitations  of  currently  available  peripheral  refraction  techniques.  The  proposed 

instrument, which will henceforth be referred to as the EyeMapper (EM), is based on the 

patent application: "Characterising Eye‐Related Optical Systems" as published under the 

patent  cooperation  treaty with  the  International Publication Number WO 2008/116270 

A1.  The  inventors  of  this  patent  application  are  Klaus  Ehrmann,  Arthur  Ho  and  Brien 

Holden  (from  the Brien Holden Vision  Institute,  formerly known as  the  Institute  for Eye 

Research Ltd.).184  

 

Initially,  this  chapter  provides  a  brief  overview  of  the  proposed  EM  concept  and  its 

operation principle. This is followed by a detailed description of the optical design work.  

4.1.1 Design Concept and Operation Principle 

The  EM’s  design  concept  aims  to measure  the  clinically  relevant  2nd  order  aberrations 

that are spherical and astigmatic refractive errors of the eye, fast and accurately, across 

the  visual  field.  The  mode  of  operation  selected  for  the  EM  is  based  on  the  ring‐

autorefraction  principle,  which  has  been  used  in  many  commercially  available 

autorefraction  instruments,  such  as  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001  (Shin  Nippon 

Commerce  Inc.,  Tokyo,  Japan). Unlike  the  Shin‐Nippon, which  uses  a  ring‐like mask  as 

target projection,  the EM  concept aims  to use a near  infrared  SLD  (Super  Luminescent 

Diode)  beam  which  oscillates  by  use  of  a  small  x‐y  scanning  mirror  to  create  the 

illuminating  ring  target. Once  the  ring  image  is projected onto  the  retina,  the aim  is  to 

capture the reflected ring  image  in the plane of the detector. A  lens relay system moves 

rapidly back and  forth by a  linear translation stage which scans through  the  focal range 

to capture the ring‐like patterns. The spherical and astigmatic refractive errors of the eye 

can  then be determined by comparing  the  illumination  ring with  the  reflected captured 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

107 

ring. Whereas a change in ring size reflects a spherical error, a shape change from ring to 

ellipse signifies the astigmatic error. 

 

Unlike  conventional  autorefractors,  which  are  designed  solely  to  measure  central 

refraction,  the concept of  the EM  instrument  requires numerous additional optical and 

mechanical  elements  to  allow  for  a  refraction  scan  across  the  visual  field,  i.e.  ranging 

from ‐50° to +50° in 10° steps. The distinctive feature of the EM concept is the use of an 

array  of  ten  bending  prisms  and  one  scanning  mirror  to  rapidly  steer  the  oscillating 

illumination  beam  across  the  retina.  The  basic  concept  for  the  propagation  of  the 

illumination and reflection beams is shown in Figure 4.1 (a diagrammatic plan taken from 

the  patent  application).  Once  the  11  illumination  beams  are  back‐scattered  from  the 

retina, 11  sequential  reflection beams are generated, which are captured and analysed 

to determine the sphero‐cylindrical refraction output.  

 

To avoid the effects of fluctuating fixation and accommodation during the measurement 

of the eye, it is aimed to complete the refraction scan in less than one second.  

 

As with any autorefraction  instrument, an optical path has  to be  incorporated  to allow 

the participant  to  fix  gaze upon  an on‐axis  target which  is  commonly placed  at optical 

infinity. The EM aims to have this target axially adjustable via a second linear translation 

stage  to  enable  the measurement  of  the  peripheral  refraction  profile  as  a  function  of 

accommodation.  An  additional  optical  path  is  required  for  the  alignment  of  the  pupil 

with  the  instrument axis.  In order  to enable measurement of any meridian  in  the visual 

field and  thus to be able to generate a refractive power map of the eye, the aim of  the 

mechanical  instrument  design  is  to  permit  the  rotation  of  the  instrument  towards 

selected meridians. 

 

Prior  the  building  and  testing  of  such  an  instrument,  the  first  key  objective  was  to 

develop  and  assess  the  optical  design  of  the  EM.  Specifically,  this  chapter  aimed  to 

develop the five optical paths of the EM concept: the deflection system, the illumination 

path,  the  reflection  path,  the  pupil  imaging  path,  and  the  fixation  path.  For  this  the 

optical system design software ZEMAX (ZEMAX Development Corporation, Bellevue, USA) 

was used in its sequential ray‐tracing mode. 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

108 

 

    Figure 4.1:  A basic diagrammatic plan of the optical layout of the EM.  

        This drawing has been taken from the patent application “Characterising eye‐related optical systems” (WO 2008/116270 A1). 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

109 

4.1.2 Chapter Overview 

The development of  the optical EM design was achieved  in  two  steps. The  first part of 

this  chapter  (Section  4.2)  introduces  the  EM's  reference model  eye which  acts  as  the 

common  optical  reference  system  for  all  optical  paths.  This  schematic model  eye was 

initially developed  in  into‐the‐eye ray‐trace  (IERT) mode  (visible) which provides a good 

comparison  to  the ocular and visual  characteristics of published model eyes. According 

to the purpose of each of the  five optical paths  in the EM,  into‐the‐eye ray‐trace  (IERT) 

or out‐of‐the‐eye  ray‐trace  (OERT) was performed  (Figure 4.2) either  in  the visible  (555 

nm) or  the  infrared  (IR,  830 nm) wavelength.    Thus,  the  initial  reference model  eye  in 

IERT‐visible mode was transposed  into  IERT‐IR mode for design of the  illumination path, 

into OERT‐IR mode  for  the design of  the deflection system as well as  the reflection and 

pupil alignment paths, and  lastly,  into OERT‐visible mode,  for  the design of  the  fixation 

path (Figure 4.2). 

 

Figure 4.2:   Optical design paths and  the  respective mode and wavelength used  for  ray‐trace. 

In the second part of this chapter (Section 4.3), the methodology for development of the 

five  individual  optical  path  designs  of  the  EM  is  detailed.  Although  it  is  possible  to 

integrate some optical paths within a single design,  it was more appropriate to develop 

and  assess  all  paths  separately,  as  this  reduced  computation  time,  provided  design 

clarity,  and  enabled  the more  efficient  and  controlled  use  of  the  ZEMAX  editors with 

respect  to  the  optimisation  of  the  individual  design  criteria  of  each  optical  path. 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

110 

However,  it  is  important  to  note  that,  these  paths  are  intertwined  at  some  point  and 

thus, some optical components of optical paths needed to overlap and their design and 

position needed to match accordingly.  

4.1.3 Introduction into Optical Designing using ZEMAX  

Primarily,  three  ZEMAX  editors,  the  Lens  Data  Editor  (LDE),  the  Multi  Configuration 

Editor  (MCE) and  the Merit Function Editor  (MFE), were used  for  the design of  the EM 

reference model eye as well as each optical EM path. The  following  six  steps provide a 

brief  overview  for  the  basic  set‐up  and  scope  of  each  ZEMAX  editor  in  order  to 

accomplish specified optical design goals: 

1.   Set‐Up of the ZEMAX Lens Data Editor: 

  The LDE  is the primary editor used to enter surfaces and their  lens parameters such 

as  surface  curvature,  thickness and diameter. Moreover,  the  LDE  is used  to define 

the basic surfaces of each optical system; the object, image and stop surfaces.  

2.   Set‐Up of the ZEMAX Multi Configuration Editor: 

The  MCE  is  very  similar  to  the  LDE  in  that  it  stores  information  on  the  surface 

parameters.    Its  advantage  is  that  it  allows  to  create  and  to  work  with multiple 

configurations, which are distinguished by different values for the same parameters 

in the LDE. These parameters are specified using Multi Configuration Operands.   

3.   Definition of Variable Parameters: 

As  part  of  the  subsequent  optimisation,  the  LDE  and MCE  are  used  to  specify  all 

unknown parameters  that  require optimisation  (variable parameters). With  respect 

to  the  EM  design,  unknown  parameters  can,  for  example,  include  the  position  of 

prism surfaces, or the curvatures of lens surfaces. 

4.   Set‐Up of the ZEMAX Merit Function Editor: 

The  MFE  is  used  to  define  and  weigh  target  values  of  selected  Merit  Function 

Operands  that  can  achieve  the  specific  optical  design  criteria  (merit  function) 

according to the defined variable parameters.  

5.   Optimisation: 

The  optimisation  tool  in  ZEMAX  uses  a  powerful  algorithm  that  aims  to  find  the 

“local” minimum of the merit function and thus enables computation of the variable 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

111 

parameters  in  the  LDE  and  MCE  with  respect  to  the  specific  design  criteria  as 

defined in the MFE.  

6.  Review Optical Design Requirements: 

The  resulting  merit  function  indicates  how  closely  the  optimised  optical  system 

meets  the  specified  optical  design  goals,  and  thus  is  used  to  decide whether  the 

optical  system  requires  further  refinement  to  achieve  the  specified  optical  design 

requirements.   

4.2 The EyeMapper’s Reference Model Eye 

With  the  advancement  of  ocular  biometric  measurements  and  sophisticated  optical 

design programs, the modelling of theoretical eyes has become  increasingly complex.  In 

the early development of schematic model eyes, a simple reduced eye consisting of only 

a  single  refracting  surface was used. However,  gradually, more  complex designs, often 

rotationally  symmetric, with  several  refracting  surfaces, were  introduced,  such  as  the 

Gullstrand’s No.  1  eye.185 Nowadays,  it  is  possible  to work with  schematic  eye models 

having  tilted or decentred ocular surfaces and/or having a complex crystalline  lens  that 

consists of different  gradient  indices.186 Although  computerisation makes  it possible  to 

use the most complex and sophisticated eye model, it is not always the most appropriate 

schematic model  eye  with  respect  to  research  needs.  As  such,  the  aim  for  the  EM’s 

reference model eye was not to opt for the most sophisticated of the models previously 

published, but  to  keep  it  simple,  valid and applicable  for  the design of all  the  relevant 

optical paths of the EM. This section aimed to evaluate the EM reference model eye with 

respect  to  different  accommodative  and  refractive  demands  and  with  respect  to  its 

peripheral refraction profile for different ray‐trace modes. 

4.2.1 Methods 

4.2.1.1 EyeMapper Reference Model Eye  

Figure 4.2 shows that the optical paths of the EM instrument require either OERT (visible 

and  IR) or  IERT mode  in  the  IR  light.  In general,  investigations on schematic eye models 

are primarily made with respect to eyes  in  IERT  (visible) mode. Having the retina as the 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

112 

image  surface permits  the  assessment of  visual performance,  such  as  image quality or 

the retinal light distribution of the respective model eye.  

 

To  select  a  suitable  reference model  eye  for  the  optical  design  of  the  EM,  previously 

published eye models  in  IERT  (visible) mode, were  compared. Two of  the most  current 

model eyes were published by David Atchison  in 2006,187 and are based on collation of 

the most recent ocular biometric data. While the ocular surfaces in Model 1 are co‐axial, 

Model  2  considers  lens  tilt,  retina  tilt  and  retina  decentration.  Both  schematic  eye 

models  possess  the  more  complex  index  coefficients  for  parabolic  gradient  index 

distribution  in  the  lens as based on  the Liou and Brennan model eye.186 The use of  the 

gradient  index enables more precise  investigations  into  the anatomical  structure of  the 

human crystalline lens. However, for this application, a homogeneous lens index, such as 

provided  by Navarro's model  eye175 was  adequate.  It  provides  a  reasonable  substitute 

with  respect  to  appropriately  retaining  the  eye’s  refractive  power  across  the  visual 

field.32 With  the  aim  to measure  both  eyes,  one  at  a  time,  a  rotationally  symmetric 

model eye is required to retain instrument binocularity and thus, the ocular surface data 

for the EM’s reference model eye were based on Atchison’s Model 1 eye.  

Lens Data Editor: 

Table 4.1 shows the ZEMAX Lens Data Editor, which  lists the ocular biometric data used 

for the EM's reference model eye in IERT (visible) mode. The shaded layout of this model 

eye is shown in Figure 4.3. 

Table 4.1:   Lens Data  Editor  tabulating  the  set‐up  for  the  EM’s  reference model  eye  in IERT (visible) mode. 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

113 

 

Figure 4.3:   Shaded layout of the EM reference model eye in IERT mode for two visual field angles (0° and 50°). 

4.2.1.2 Computation of Central and Peripheral Refraction via Ray‐Tracing 

In order to design an instrument that measures the refractive error of the eye across the 

visual  field,  the ZEMAX Zernike Standard coefficients were used  to compute  the central 

and peripheral refractive errors of the selected EM reference model eye.  

 

In general, Zernike polynomials   are a sequence of polynomials that are orthogonal on 

the unit circle, where    (azimuthal  frequency) and    (order) are non‐negative  integers 

with  .    Figure  4.4  details  the  pyramid  of  Zernike  polynomials,  where  each 

polynomial represents a particular mode of ocular aberration. 

 

Figure 4.4:  Pyramid of Zernike Polynomials up to the 5th order. 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

114 

Zernike polynomials   can be expressed in the form: 

 

Equation 4.1:    ,| |

| | | |

0   

where    is the azimuthal angle,    is the radial distance 0 1 and    | | corresponds 

to a radial polynomial, which is defined as: 

 

Equation 4.2:   | | ∑ !

! . | | ! . | | !

| | / 

 

   is a normalisation term defined by the following equation: 

 

Equation 4.3:    √ ,    . 

The ZEMAX analysis  tool provides  these coefficients  in wavelength units. By multiplying 

the  values  with  the  measurement  wavelength,  the  coefficients  can  be  converted  to 

micrometers (μm). Specifically, the coefficients of the 2nd order Z 22, Z 0

2 and Z 2

2 were of 

interest  to  determine  the  refractive  error  vector  components  J180,  M  and  J45, 

respectively. To compute the central refractive error of the eye over a circular pupil, the 

2nd  order  coefficients  were  converted  from  μm  into  Dioptres  (D)  using  the  following 

equations provided by Atchison et al.32 

Equation 4.4:    √

Equation 4.5:   √

 

Equation 4.6:    √

 

where   is the pupil radius.  

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

115 

For  the  computation  of  peripheral  refraction  and  its  subsequent  comparison  with 

published  data,  Atchison  et  al.’s32  modified  equations  were  used,  which  stretch  the 

‘elliptical’ peripheral pupil shape into a circular one. These equations are:  

 Equation 4.7:    √ √

Equation 4.8:   √ √

 

Equation 4.9:    √

Finally,  the  refractive  vector  components  for  central  and  peripheral  refraction  can  be 

converted  into  the  more  common  sphero‐cylindrical  notation  of  S/C  ×  θ,  where  S 

corresponds  to  the sphere, C corresponds  to  the cylinder and θ corresponds  to  the axis 

component. The conversion can be made using the following equations: 

 

Equation 4.10:     

Equation 4.11:     

Equation 4.12:     

In the case of J180 being 0, the equation of θ is unresolvable and thus, θ has to be defined 

upon  the  value  of  J45.  If  J45  <  0,  then  θ  =  135°,  and  if  J45  ≥  0,  θ  =  45°.    The  following 

additional  equations  have  to  be  applied  in  order  to  retain  θ within  the  range  of  the 

conventional cylinder axis, i.e. 0 to 180°.  

Equation 4.13:      If J180 < 0      →  θ = θ + 90° 

Equation 4.14:    If J180 ≥ 0 and J45 ≤ 0    →  θ = θ + 180° 

The calculations for the refractive power vectors are not built‐in functions of ZEMAX, but 

the  ZEMAX  programming  language  (ZPL) was  used  to write Macro  1  (APPENDIX  C)  in 

order  to  execute  these  calculations.   Moreover,  the  "Optreturn"  command  in Macro  1 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

116 

was used for the optimisation of the refractive vector components  in the MFE using the 

ZPLM Merit Function Operand. The use of this operand is explained in more detail in the 

next section (Section 4.2.1.3).  

4.2.1.3 Refractive Error‐Dependent Model Eyes 

As  the  aim  of  the  EM  instrument  is  to measure  a  range  of  spherical  and  astigmatic 

refractive  errors  of  the  eye,  the  emmetropic  EM  reference  model  eye  presented  in 

Section 4.2.1.1 was not sufficient for the modelling of the optical design requirements of 

the EM.  In order  to  theoretically assess  the  instrument’s  refractive error  range,  the EM 

reference  model  eye  required  modification.  The  following  section  demonstrates  the 

methodological approach for the modification of the refractive state of the EM reference 

model eye in ZEMAX.   

Lens Data Editor: 

As  the  reflection path of  the optical EM design  is  the determining path  for  central and 

peripheral refraction, the EM reference model eye in IERT (visible) mode was transposed 

to the eye  in OERT (IR) mode (Table 4.2, top). As a change  in central spherical refractive 

error  can  primarily  be  attributed  to  changes  in  axial  length,188  the  vitreous  chamber 

depth was selected so that it could be modified to induce a specified spherical refractive 

error  (M)  of  the model  eye. Moreover,  to  induce  central  astigmatism,  the  assumption 

was made  that  the  eye's  astigmatism  is  solely  corneal  in  nature  and  thus,  the  surface 

type of the anterior cornea was set to biconic with the y‐meridian of the biconic surface 

defined  to  be  modifiable.  Nevertheless,  it  should  be  noted  that  in  human  eyes, 

astigmatism  is  commonly  composed  of  a  combination  of  lenticular  and  corneal 

astigmatism. As the change of the two parameters, vitreous chamber depth and corneal 

y‐radius,  permit  a  change  in  the  spherical  and  astigmatic  refractive  error  respectively, 

they were  tagged with  the  letter V  (variable)  in  the  LDE  (Table 4.2,  top) as part of  the 

subsequent optimisation in the MFE (Table 4.2, bottom).     

Merit Function Editor: 

As mentioned  in Section 4.2.1.2, the optimisation was performed using the “Optreturn” 

command in ZEMAX Macro 1 (APPENDIX C), which was linked to the ZPML operand in the 

MFE (Table 4.2, bottom). The ZPLM operand with  its output data 1 and 3 shows that, as 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

117 

anticipated,  the  current  reference model  eye  has  no  spherical  (value  for M  =  0D)  or 

astigmatic error  (value  for  J180 = 0D).  If,  for example,  the aim was  to  induce an error of 

the  eye  in  which  the  refractive  vector  component M  corresponds  to  +3.00D  and  J180 

corresponds to ‐1.00D, the target values +3.00 (output data 1) and ‐1.00 (output data 3) 

were assigned to the respective operand number as shown in Table 4.2, bottom. 

BEFORE OPTIMISATION: 

Table 4.2:   LDE and MFE set‐up prior the optimisation of the eye’s refractive state. 

  TOP: LDE of  the EM  reference model eye with defined variable parameters  (V), i.e.  vitreous  chamber  depth  =  thickness  Surface  0,  anterior  cornea  radius  =  y‐radius Surface 6.  

  BOTTOM: MFE set‐up to tailor the refractive vector components M (Data 1) and J180 (Data 3) to the target values of +3.00D and ‐1.00D, respectively.  

 

 

Once the MFE was set up, both variable parameters in the LDE were optimised using the 

ZEMAX optimisation  feature. The  resulting model eye  is  shown  in  the LDE  in Table 4.3, 

top. Both  variable parameters  show  the altered  thickness of  the  vitreous  chamber and 

the altered y‐radius of the anterior cornea surface.  In the MFE (Table 4.3, bottom) it can 

be seen  that  the eye's  refractive error values now correspond  to  the  target values, and 

the  merit  function  value,  which  is  shown  on  top  of  the  window,  is  close  to  zero, 

indicating a successful optimisation. 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

118 

AFTER OPTIMISATION: 

Table 4.3:   LDE and MFE following the optimisation of the eye’s refractive state. 

  TOP: LDE of the EM reference model eye with optimised parameters (V). 

  BOTTOM:  MFE  shows  that  the  ZPLM  Merit  Function  Operand  successfully tailored  the  refractive  vector  components M  (Data  1)  to  the  target  value  of +3.00D and J180 (Data 3) to the target value ‐1.00D.  

 

Based  on  the  EM  reference model  eye  in OERT  (IR) mode,  Figure  4.5  (left)  shows  the 

vitreous  chamber depth as a  function of  central  spherical  refractive error as  computed 

with Macro  1.  In  addition,  Figure  4.5  (right)  shows  the  anterior  cornea  y‐radius  as  a 

function of central astigmatic error as computed with Macro 1. These ocular parameters 

were used to determine and assess the peripheral refraction profile of the EM reference 

model eye as a function of central refractive error. Moreover, with respect to designing 

the  EM  instrument  for  a  required  refractive  error  range  (on‐axis),  the  refractive  error‐

dependent model eyes play a prominent role in the subsequent optical design of the EM 

illumination and reflection paths (Section 4.3). 

   

Figure 4.5:   Vitreous chamber depth as a  function of central M  (LEFT) and y‐radius of the anterior cornea as a function of central J180 (RIGHT). 

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

22.0

24.0

+10 +5 0 ‐5 ‐10 ‐15

Vitreous Cham

ber Depth (in mm)

Central M (in D)

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

‐6 ‐4 ‐2 0 2 4 6

Anterior Cornea Radius (in mm)

Central J180 in (D)

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

119 

4.2.1.4 Accommodation‐Dependent Model Eyes 

In  addition  to  the  refractive  error‐dependent  model  eyes,  the  EM’s  aim  is  to  also 

measure  peripheral  refraction  profiles  as  a  function  of  accommodation.  Thus,  for  the 

subsequent  optical  design  of  the  on‐axis  EM  fixation  path,  an  accommodation‐

dependent model eye was required.  

 

Popiolek‐Masajada and Kasprzak have  investigated the changes of the crystalline  lens as 

a function of accommodation189 and have provided accommodation‐dependent functions 

for  relevant  lens  parameters.  For  the  accommodation‐dependent  EM  reference model 

eye,  the  linear  functions  for  the  posterior  lens  surface  and  the  lens  thickness  were 

extrapolated using the following equations:  

Equation 4.15:  . .

 

Equation 4.16:  . .  

Again,  it  should  be  noted,  that  the  aim  for  this model  eye was  not  to  investigate  the 

ocular biometric  changes of  the  accommodating eye  in detail, but  to have  a  simplified 

model which enables modelling of the optical design of the fixation path with respect to 

retaining the different accommodative demands.   

Set‐Up of ZEMAX Editors: 

The LDE  shows  the EM  reference model eye  in OERT  (visible) mode  (Table 4.4,  top). As 

indicated by Equation 4.16, as accommodation changes, so too does the thickness of the 

lens, and to account for this, an additional surface called "additional lens thickness" was 

inserted  in  the  LDE.  Moreover,  the  MCE  was  used  to  create  an  eye  for  various 

accommodative  states  (Table  4.4,  middle).  The  parameters  (Multi  Configuration 

Operands) differentiating  the various accommodative  states of  the eye are;  “additional 

lens thickness” (THIC 2), posterior lens curvature (CRVT 1), anterior lens curvature (CRVT 

4)  and  accommodation  distance  (THIC  8).  The  accommodation  distances  were  pre‐

defined.  Lens  thickness and posterior  lens  curvature are  the  fixed parameters given by 

the functions provided in Equation 4.15 and Equation 4.16. Anterior lens curvature is the   

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

120 

BEFORE OPTIMISATION: 

Table 4.4:  Set‐up  of  the  three  ZEMAX  editors  prior  the  optimisation  of  the accommodation‐ dependent parameters. 

  TOP:  The  LDE  shows  the  reference  model  eye  in  OERT  (visible)  mode.  An additional surface called "additional lens thickness" (surface 2) was inserted.  

  MIDDLE: The MCE was utilised to create a reference model eye for six different accommodative  distances  (THIC  8).  The  parameters  (Multi  Configuration Operands) differentiating the eye from different accommodative states are  lens thickness  (THIC  2),  posterior  lens  curvature  (CRVT  1),  anterior  lens  curvature (CRVT  4)  and  accommodation  distance  (THIC  8).  Lens  thickness  and  posterior lens  curvature are  the parameters given by  the  functions provided  in Equation 4.15  and  Equation  4.16.  Anterior  lens  curvature  was  specified  as  variable parameter (V).   

  BOTTOM: Optimisation  of  the  anterior  lens  curvature was  achieved  using  the MFE operand REAY (real ray y‐coordinate, pupil coordinate Py = 1).  This operand aims to tailor the rays to zero for the given accommodation distances (THIC 8).  

 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

121 

AFTER OPTIMISATION: 

Table 4.5:  The  three  ZEMAX  editors  following  the optimisation of  the  accommodation‐ dependent parameters. 

  TOP:  The  radius  of  the  anterior  lens  surface  optimised  for  an  accommodation demand of 1D (Configuration 2).  

  MIDDLE:  The  Multi  Configuration  Operand  CRVT  4  (Anterior  lens  curvature) optimised for all accommodation distances (THIC 8).   

  BOTTOM:  The  Merit  Function  Operand  REAY  (real  ray  y‐coordinate,  pupil coordinate Py = 1) successfully tailored to zero for all configurations.  

 

yet unknown parameter and was  specified as variable  (V). The Merit Function Operand 

REAY  (real  ray  y‐coordinate,  pupil  coordinate  Py  =  1) was  used  to  target  the marginal 

rays to reach zero for all configurations in the MFE (Table 4.4, bottom).  

 

Table 4.5  shows  the  resulting editors  following  the  successful optimisation process. As 

anticipated,  with  increasing  accommodation,  the  lens  thickness  increases  and  the 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

122 

curvatures  of  both  the  posterior  lens  surface,  as  well  as  the  optimised  anterior  lens 

surface, increase. 

 

This accommodation‐dependent EM reference model eye was then  implemented for the 

optical design of the EM's fixation path (Section 4.3.3).  

4.2.1.5 Computation of Peripheral Refraction for Different Ray‐Trace Modes 

With the aim to develop the optical design of the EM,  it was of particular  importance to 

confirm  the computation of peripheral  refractive errors of  the EM  reference model eye 

with  previously  published  peripheral  refraction  data  of  schematic model  eyes  and  to 

validate  its  use  for  different  ray‐trace modes.  This  validation was  performed  in  three 

steps: 

 

Firstly, Macro  1  (APPENDIX  C) was  used  to  compute  and  then  compare  the peripheral 

refraction profiles for the EM reference model eye  in IERT mode (visible) with published 

model eyes, such as those by Atchison,187 Liou & Brennan,186 Escudero‐Sanz & Navarro183 

and Koojiman et al.190 For this, co‐axial ocular surfaces were used for all model eyes. The 

refractive power vectors M and  J180 were determined  for a 3 mm pupil diameter at  the 

wavelength of 555 nm. Atchison previously compared  the peripheral  refraction profiles 

up to 40° visual  field angles of his eye models with the model eyes of other colleagues. 

These  results were  replicated  and  extended  to  peripheral  refraction profiles up  to  50° 

and compared with the EM reference model eye (IERT mode, visible).  

 

Secondly, as the reflection path  is the refracting path  in the subsequent EM design,  it  is 

important to assess whether the peripheral refraction profile obtained in IERT mode is in 

agreement  with  the  peripheral  refraction  profile  obtained  in  OERT  mode.  In  fact, 

Atchison  and  Charman  compared  on‐axis  aberrations  of myopic  rotational  symmetric 

model  eyes  in  IERT  and OERT mode  and  found  that  there  are  differences,  particularly 

when refractive error was large.191  

 

Lastly,  the  difference  between  ray  trace  in  the  visible  (555  nm)  and  IR  (830  nm) 

wavelengths  are  compared  across  the  peripheral  refraction  profile  for  both,  the  EM 

reference model eye in IERT and in OERT mode.  

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

123 

Set‐Up of Field Angles: 

For the comparison of peripheral refraction profiles in eyes for IERT and OERT mode, it is 

important  to note  that  the  field angle settings  in ZEMAX are always object sided angles 

and consequently, these angles differ between IERT and OERT modes. This can be seen in 

Figure 4.6, where the object sided peripheral angles in IERT mode (visual field angles) are 

greater than the object sided peripheral angles in OERT mode (retinal angles). 

 

Figure 4.6:   The object sided peripheral angles in IERT mode correspond to the visual field angles (LEFT) and the object sided peripheral angles in OERT mode correspond to the retinal angles (RIGHT).  

When tracing peripheral rays  into the eye, the field angles used are simply the selected 

visual field angles, e.g. ranging from ‐50° to +50° in 10° steps. In order to trace the same 

visual  field  angles  for  the  eye  in  OERT mode,  some  additional  ZEMAX  computation  is 

required  to determine  the  corresponding  retinal angles. Again,  the  computation of  the 

corresponding retinal angles was achieved using the three ZEMAX Editors. 

Set‐Up of ZEMAX Editors: 

Initially, the EM reference model eye in OERT mode was set up as previously tabulated in 

the  LDE  in Table 4.2,  top. Robust  real  ray‐aiming was  turned on. Table 4.6  (top)  shows 

the  set‐up  of  the  MCE  with  six  configurations  where  the  x‐field  angle  (XFIE  Multi 

Configuration Operand)  corresponds  to  the  yet unknown  x‐retinal  angles of  the  eye  in 

OERT mode. These angles were  specified as  variable parameter  (V)  for  the  subsequent 

optimisation. For the computation of the required retinal angles, the MFE was defined as 

shown  in  Table  4.6  (bottom).  Using Merit  Function  operand  RAID  (real  ray  angles  in 

degrees, normalised field coordinate Hx = 1) at Surface 7 permits the computation of the 

target angles which are  incident at that surface. These angles are the known visual field 

angles, which  range  from 0°  to 50°  in 10°  steps  (Configuration 1  to 6). Hence,  for each 

configuration the target values were defined accordingly. 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

124 

BEFORE OPTIMISATION: 

Table 4.6:  Set‐up of the MCE and MFE prior the optimisation of the retinal angles. 

  TOP: The six object sided retinal angles were  inserted and specified as variable parameter using the Multi Configuration Operand XFIE 1. 

  BOTTOM: The MFE was set‐up using the operand RAID at Surface 7, which was used to define the respective visual field angle for each configuration.  

 

Once the MFE was set up, the optimisation algorithm computed the retinal field angle of 

each configuration. Following a  successful optimisation  (MFE  in Table 4.7, bottom),  the 

resulting retinal angles are shown in the MCE in Table 4.7, top. 

AFTER OPTIMISATION: 

Table 4.7:   The MCE and MFE following the optimisation of the retinal angles. 

  TOP:  The  six  computed  object  sided  retinal  angles  which  correspond  to  the defined visual field angles.  

  BOTTOM:  The  visual  field  angle  target  values  of  each  configuration  were successfully computed.  

 

Table 4.8  lists the object sided ray trace angles which were used for the computation of 

peripheral  refraction  using  the  EM  reference model  eye  in  OERT  and  IERT  mode  for 

either ray‐trace in the visible or IR wavelength.    

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

125 

Table 4.8:  Field angle settings for ray‐trace  in IERT and OERT modes, using either visible (555 nm) or IR (830 nm) wavelengths. 

Ray Trace Direction 

Wavelength Object sided ray 

trace angle Corresponding ZEMAX X‐Field Angles (in °) 

IERT Visible (555 

nm) Visual Field Angles 

(in °) 0  10  20  30  40  50 

IERT  IR (830 nm) Visual Field Angles 

(in °) 0  10  20  30  40  50 

OERT Visible (555 

nm) Retinal Angles (in °)  0  8.18  16.35  24.47  32.52  40.45 

OERT  IR (830 nm)  Retinal Angles (in °)  0  8.21  16.40  24.55  32.62  40.58 

4.2.2 Results 

4.2.2.1 Peripheral Refraction Profiles of Schematic Model Eyes  

The comparison of the peripheral refraction profiles of the EM reference model eye with 

previously published schematic model eyes in IERT mode is shown in Figure 4.7.  

 

It  is  apparent  that  the  Escudero‐Sanz  and  Navarro model  eye,183  the  Koojiman  et  al. 

model eye190 and the EM reference model eye indicate a relatively hyperopic shift (M) in 

the periphery. The other two model eyes by Atchison187 and Liou and Brennan,186 which 

are based on crystalline lenses with gradient indices, had a more myopic peripheral shift 

up  to  40°.  All  model  eyes  seem  to  overestimate  peripheral  astigmatism  (J180),  when 

compared to experimental studies.23-25 

 

 All  non‐gradient  index  eyes  showed  less  peripheral  astigmatism  compared  to  the 

gradient index eyes.  

4.2.2.2 Peripheral Refraction Profiles for Different Ray‐Trace Modes 

Using Macro 1,  the peripheral  refraction profiles were  calculated  for  the EM  reference 

model eye in IERT and OERT mode. The graph in Figure 4.8 shows that on‐axis ray tracing 

yielded  similar  results  for both  refractive components M and  J180 when  comparing  IERT 

and  OERT  mode.  However,  peripheral  refraction  became  more  inconsistent  between 

IERT and OERT mode as the peripheral angle increased. The greatest differences of 0.53D 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

126 

and 0.54D,  in M and J180 respectively, were found between the OERT and the  IERT mode 

at the visual field angle of 50°.  

 

 

Figure 4.7:   Comparison of  the peripheral  refractive vector components M  (TOP) and  J180 (BOTTOM) as a function of horizontal visual field angle of different schematic model eyes.  

  The refractive error was computed using ZEMAX Macro 1.    

In addition, Figure 4.8 shows that there is a consistent refractive error shift between ray‐

tracing in IR and visible wavelength across the peripheral refraction profile indicating the 

expected chromatic shift in M. The chromatic on‐axis difference between ray‐trace in the 

visible and  IR wavelength was slightly different  for  the  IERT and OERT modes. Whereas 

the chromatic on‐axis difference  in  IERT mode was 0.75D,  the difference was 0.89D  for 

the  OERT  mode.  The  mean  chromatic  difference  corresponds  closely  to  the  shift 

predicted by the Indiana chromatic reduced model eye.192 

‐2.00

‐0.50

1.00

2.50

4.00

5.50

0 10 20 30 40 50

M (in Diopters)

Horizontal Visual Field Angle (in °)

Reference Model Eye

Atchison

Liou & Brennan

Escudero‐Sanz & Navarro

Koojiman et al.

‐5.00

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

0 10 20 30 40 50

J 180(in Diopters)

Horizontal Visual Field Angle (in °)

Reference Model Eye

Atchison

Liou & Brennan

Escudero‐Sanz & Navarro

Koojiman et al.

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

127 

Equation 4.17:    .. .

.  

 

 

Figure 4.8:   Comparison  of  the  refractive  power  vector  components  M  and  J180  as  a function  of  horizontal  visual  field  angle  between  schematic  eyes  in  IERT (visible) and OERT  (visible) mode  (TOP) and between  schematic eyes  in  IERT (IR) and OERT (IR) mode (BOTTOM). 

4.2.3 Discussion/Conclusion 

The  selected  EM  reference model  eye  is  based  on  the  ocular  biometric  surface  data 

(curvatures, asphericities,  thicknesses) of Atchison's schematic Model 1 eye,187 which  is 

rotationally  symmetric  and  hence  retains  the  binocular  use  as  required  for  the  optical 

design  of  the  EM. Moreover,  optical media  were  kept  simple  and  valid  by  using  the 

homogeneous refractive indices from the Escudero‐Sanz and Navarro model eye.183  

The peripheral refraction profiles computed of previously published model eyes were  in 

good  agreement  with  Atchison’s  comparison  data,  which  were  available  up  to  40°.187 

‐10.00

‐8.00

‐6.00

‐4.00

‐2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

0 10 20 30 40 50

Power (in Diopters)

Visual Field Angle (in °)

M        (IERT)

J180   (IERT)

M        (OERT)

J180   (OERT)

Visible Wavelength

‐10.00

‐8.00

‐6.00

‐4.00

‐2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

0 10 20 30 40 50

Power (in Diopters)

Visual Field Angle (in °)

M       (IERT)

J180  (IERT)

M       (OERT)

J180   (OERT)

Infrared Wavelength

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

128 

Neither of the current model eyes, predicted peripheral refraction, in particular J180, well 

when compared  to  in vivo measurements.24 Nevertheless,  the aim of  this work was not 

to  study  the  most  accurate  wide‐angle  schematic  model  eye  with  respect  to  in  vivo 

peripheral  refraction data, but  rather  to  ascertain  a model  eye  that provides  a  central 

and peripheral refraction reference for the subsequent optical design of the EM. 

 

As  the optical path designs of  the EM  instrument  require different  ray  trace modes,  it 

was  important  to  cross‐validate whether  there  is  a  difference  in  peripheral  refraction 

profiles between OERT and IERT modes as well as between the visible and IR ray tracing. 

Atchison  and  Charman  investigated  whether  there  is  a  difference  between  central 

aberrations obtained via OERT or IERT mode using Navarro's model eye.191 They showed 

that  higher  levels  of  ametropia  can  lead  to  a  considerable  change  between OERT  and 

IERT modes. Large refractive errors, as known to be present  in the periphery of the eye, 

can  therefore  potentially  affect  the  different  ray‐trace modes.  The  present  work  has 

shown that, as visual field angles increased, the difference between OERT and IERT mode 

increased. The difference was as  large as 0.54D  for  J180 at  the 50° horizontal visual  field 

angle.  The  mean  shift  for  the  peripheral  refraction  profiles  obtained  at  different 

wavelengths was  in  good  agreement with  the  0.82D  shift  predicted  from  the  Indiana 

chromatic reduced eye model.192  

 

Overall, this model eye was suggested to be an appropriate reference model eye for the 

purpose of designing the optical paths of the EM instrument. 

4.3 The Optical Design of the EyeMapper 

The  EM's  optical  instrument  design was  developed  on  the  basis  of  the  EM's  reference 

model eye presented in Section 4.2. In total, the design consists of five optical paths: the 

deflection system, the  illumination path, the reflection path, the pupil  imaging path and 

the  fixation  path.  As  each  path  has  different  optical  design  requirements,  it  was 

advantageous  to  develop  them  as  separate  designs  in  ZEMAX.  The  paths  dedicated  to 

central  and  peripheral  autorefraction  are  the  deflection  system,  the  illumination  and 

reflection paths. The deflection system comprises the design of the individual prisms and 

the determination of the positions of the scanning mirror to allow the ocular scanning of 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

129 

all  11  visual  field  angles.  The  illumination  and  reflection  paths  are  the  paths,  which 

define the intended refractive error range of the EM instrument. In addition to the three 

autorefraction paths, the pupil imaging and the fixation path have to be incorporated, to 

enable the viewing/alignment of the pupil by the examiner and the fixation of an on‐axis 

target by the participant.  

 

The ZEMAX editors were used to set up the optical paths with respect to the pre‐defined 

instrument  design  requirements  (Methods  ‐  Before  optimisation).  Subsequently,  the 

optical  paths  were  optimised  to  achieve  their  individual  design  goals  (Results  ‐  After 

optimisation). 

4.3.1 Autorefraction Paths 

4.3.1.1 Deflection System 

The prime purpose of the deflection system is to enable the scan of the illumination and 

reflection  beams  across  the  eye  without  inducing  optical  distortions  or  aberrations. 

Based  on  the  proposed  design  concept  (Section  4.1.1)  it  is  aimed  to  guide  the  beam 

across the visual field via a scanning mirror and ten customised prisms. 

4.3.1.1.1 Methods 

The methodological approach for the optical design of the deflection system is explained 

in the set‐up of the three ZEMAX editors.   

Lens Data Editor:  

1. LDE Pre‐Settings:  

As shown  in Table 4.9 the previously  implemented EM reference model eye  in OERT (IR) 

mode was used as reference file for the design of the deflection system. The system pre‐

settings of this model eye were as follows: the surface of the pupil was defined as “Stop” 

surface,  the  ray‐trace  wavelength  was  set  to  830  nm,  the  entrance  pupil  diameter 

corresponded to 3 mm and the robust real ray aiming ZEMAX feature was turned on.  

2. Insertion and Definition of Prism and Scanning Mirror Surfaces: 

The  two  prism  surfaces,  the  front  and  back  surface were  inserted.  The  prism material 

was  chosen  to be of high  refractive  index  (N‐BK9, nd=1.69). The  rectangular  shape and 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

130 

size of both prism  surfaces were defined  using  the  rectangular  aperture  type  settings. 

Moreover,  the  surface  for  the  scanning mirror was  inserted  and  assigned  to  the  glass 

type “Mirror” and was also defined as the "Global Coordinate Reference", which was of 

importance for the subsequent optimisation. 

3. Definition of Reference Distances for On‐Axis System:  

With the aim of constructing a compact instrument design, the on‐axis distance between 

the eye and the front prism surface and between the prism and the scanning mirror were 

defined as being as small as possible  (i.e. 55.5 and 200 mm). The distance between  the 

scanning mirror and the image surface was set to ‐50 mm, which had a negative sign due 

to change of the real propagation direction caused by the previous mirror surface.    

4. Insertion of Coordinate Breaks:  

Coordinate  breaks  (CB)  are  dummy  surfaces  that  allow  the  change  of  the  global 

coordinate system to permit the tracing of non‐axial rays. Consequently, CBs were used 

for  the  design  of  the  prisms  of  the  proposed  deflection  system,  where  propagating 

beams  are  to  be  traced  for  11  different  field  angles.  In  general,  CBs  are  implemented 

before and after ray tracing to the selected non‐axial surface. Parameters accounting for 

a change in the coordinate system are CB decentres and CB tilts. The sequential order of 

decentring  and  tilting  is  crucial with  respect  to  the order of CB decentres  and  tilts. As 

shown  in Table 4.9, two CBs were placed  in front of each prism surface and one CB was 

placed  after  each  prism  surface.  For  each  prism  surface,  the  first  CB  decentres  the 

surface  (Translate 1 & 2)  as  specified  in  lens units  and  the  second CB  tilts  the  surface 

(Rotate 1 & 2) to a certain degree. In order to return to the coordinate system after ray‐

tracing  through either of  the prism  surfaces,  the coordinate  return  feature was applied 

at  the  third CB of each prism  surface, which decentres and  tilts  the  coordinate  system 

back in the correct sequential order.   

 

The  prime  aim  of  the  scanning  mirror  is  to  direct  the  beam  towards  11  different 

directions. Using ZEMAX, this scan requirement can be achieved with a CB y‐tilt. Due to 

these tilt requirements one CB was placed before and a second CB was placed after the 

scanning mirror surface  (Table 4.9).   Moreover, a CB x‐tilt was used to position the axis 

of  the  scanning mirror  in  a  pre‐defined  15°  angle  perpendicular  to  the measurement 

meridian. 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

131 

Multi Configuration Editor: 

With the requirement of tracing rays for 11 different field angles, the application of the 

MCE was of particular use for the proposed deflection system. The following steps show 

the  detailed  set‐up  of  the MCE  (Table  4.10)  including  the  particular  peripheral  design 

criteria. 

 

1. Definition of Peripheral Angles:  

The MCE was utilised to set up the reference model eye, where rays are propagated from 

11 different retinal  locations (object surface) towards the pupil (STOP surface) by use of 

the  robust  real  ray‐aiming  feature  in ZEMAX. These 11 object  sided  retinal angles were 

defined  by  the  Multi  Configuration  Operand  XFIE  1.  The  retinal  field  angles  were 

specified  as  previously  computed  for  the  schematic  model  eye  in  OERT  (IR)  mode 

(Section 0). Negative pick‐up solves  (P) were used  to mirror  the  five positive peripheral 

retinal  angles  to  the  five  negative  peripheral  retinal  angles.  As  pickup  solves  actively 

adjust  specific  values  during  the  optimisation  procedure,  they  are  very  useful, 

particularly for symmetrical systems with many configurations. Consequently, they were 

utilised throughout the MCE set‐up of the deflection system design.  

2. Definition of Distances and Aperture Sizes:  

To  arrange  the  10  prisms  in  an  arc  shape  in  front  of  the  eye,  the  individual  distances 

between the anterior cornea surface and each of the front prism surfaces (THIC 7) were 

pre‐defined  for  each  configuration.  Further  fixed  parameters  differentiating  the 

configurations  from  each  other  are  related  to  the  different  prism  sizes  which  were 

defined by prism  thickness  (THIC 11), minimum  rectangular aperture  sizes  (APMN 10 & 

APMN 14) and maximum  rectangular aperture  sizes  (APMX 10 & APMX 14). Due  to  the 

different  peripheral  ray‐trace  angles,  the  optical  path  lengths  between  configurations 

differ.  Thus,  the  distance  between  the  second  prism  surface  and  the  scanning mirror 

distance (THIC 15) was as yet, unknown and thus, specified as variable parameter for all 

peripheral angles as part of the subsequent optimisation.   

3. Definition of CB Parameter: 

Parameter 1 of  the  first CB and Parameter 4 of  the  second CB, determine  respectively, 

the different x‐decentrations and y‐tilts of each prism surface relative to the optical axis 

in the LDE. The operand PRAM in the MCE is the associated Multi Configuration Operand 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

132 

that defines CB decentrations and  tilts  for all  individual configurations. As  these prism‐

defining  parameters were  to  be  computed,  they were  specified  as  variable  (V)  for  the 

subsequent optimisation.  

 

As  for  the  scanning mirror,  the  PRAM  operand  16/3  represents  the  x‐tilt  of  the  pre‐

defined 15° angle. Moreover, to determine the amount of y‐tilt that  is required for each 

configuration,  the  PRAM  operand  16/4  was  defined  as  a  variable  for  the  further 

optimisation in the MFE.  

Merit Function Editor: 

As mentioned previously, the Merit Function Editor was used for the optimisation of the 

variable parameters specified in the LDE and MCE. Using either an actively damped least 

squares or an orthogonal descent algorithm, ZEMAX optimises a merit function which  is 

composed of target values (Merit Function Operands). The merit function is defined as: 

Equation 4.18:    ∑

∑ 

where  the  subscript  ‘i’  indicates  the  operand  number  (row  number  in  the  MFE 

spreadsheet).  With  a  set  of  30  variables  in  the  MCE,  this  optimisation  feature  is  a 

powerful tool to assist with the computation of the optical design of the deflection path. 

 

As  shown  in  Table  4.11  the MFE was  set  up  individually  for  each  configuration  in  the 

deflection  system. Merit  Function  Operands  were  given  target  values  and  weights  to 

achieve certain design goals with respect to the defined variable parameters in the MCE. 

The detailed steps for the set‐up of the MFE were as followed:   

Listing of Configurations: 

Configurations assigned with pickup solves in the MCE were not listed in the MFE as they 

are automatically updated. Thus, only configurations for on‐axis ray‐trace (Configuration 

1) and peripheral ray‐trace with positive retinal angles (Configurations 2, 4, 6, 8 and 10) 

were specified. 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

133 

Table 4.9:   Set‐up of the LDE prior the optimisation of the deflection system. 

  The LDE for the deflection system was set up using the EM reference model eye  in OERT (IR) mode. This  is followed by the two prism surfaces which are enclosed by the additional CB surfaces. Whereas the two CBs in front of each prism surface (Translate 1 and Rotate 1) permit  their  individual decentration and  tilt,  the CB positioned after  each prism  surface  returns  the  coordinate system to its global zero location. Similarly, the surface of the scanning mirror was also enclosed by CBs to permit the required x and y‐tilts of the scanning mirror.   

  R: Return Solves 

  P: Pickup solves 

  

 

 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

134 

Table 4.10:  Set‐up of the MCE prior the optimisation of the deflection system. 

  The MCE consisting of 11 configurations to propagate rays from 11 different retinal locations towards the pupil (retinal angle XFIE 1, Visual  Field Angles MOFF 0).  For  each of  the 11  configurations a prism of different  size and position  is  required. Thus,  the variable parameters related to the different prism positions were defined by CB decentres (i.e. PRAM 8/1 & PRAM 12/1) and by CB tilts (i.e. PRAM 9/4 & PRAM 13/4). Fixed parameters are related to the different prism positions and sizes and were defined by the thickness prior to the first prism surface (THIC 7), the prism thickness (THIC 11), minimum rectangular aperture sizes (APMN 10 & APMN 14) and maximum rectangular aperture sizes  (APMX 10 & APMX 14). The distance between the second prism surface of each configuration and the scanning mirror (THIC 15) requires readjustment with respect to its global coordinate position and the y‐tilt  (PRAM  16/4)  requires  optimisation  to  propagate  the  rays  of  all  configurations  towards  the  centre  of  the  on‐axis  image surface.  Thus, both Multi Configuration Operands were specified as variable. 

  V: Variable parameters selected for optimisation  

  P: Pickup solves 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

135 

Definition of Chief Ray‐Trace for Each Configuration: 

The Merit Function Operand REAX (real X‐coordinate, normalised field coordinate Hx = 1) 

was opted to trace the chief rays of each configuration to the centre of the prism  front 

surface (Surface 10), the centre of the prism back surface (Surface 14) and to the pivot of 

the  scanning mirror  (Surface  20).  This  was  done  by  defining  the  target  value  of  this 

operand at each of the three surfaces to zero. 

Definition of Prism Criteria:  

For  the  design  of  the  individual  prisms  in  the  deflection  system,  the  following  optical 

prism criteria were considered. Aberration  is at a minimum only when rays of  light pass 

through a prism at a minimum deviation angle. The minimum deviation in a prism occurs 

when  the  incidence  and  emergence  angles  are  identical,  leading  to  a  symmetrical 

configuration.  Therefore,  the  prisms  of  each  configuration  in  this  instrument  were 

designed  to  adhere  to  these  criteria,  by  targeting  the  difference  (DIFF)  between  the 

angles  of  the  chief  ray  incident  at  the  first  prism  surface  (RAID  10)  to  be  zero  to  the 

angle of the chief ray exiting the second prism surface (RAED 14).   

Maintaining Global Coordinates Identical for All Configurations: 

   Due  to  the different peripheral angles,  the distances between each prism back  surface 

and the scanning mirror were the unknown parameters. Using ZEMAX, the computation 

of  these  distances  was  achieved  by  ensuring  that  all  configurations  in  the  deflection 

system  are  aligned  within  the  same  global  coordinate  system.  The  global  reference 

coordinate  was  used  to  define  the  point  of  overlap  for  multiple  configurations.  This 

reference  surface  was  previously  pre‐defined  to  be  the  scanning  mirror  surface. 

Moreover,  the  total on‐axis distance between  the  retina and  the scanning mirror  (GLCZ 

0,  Configuration  1)  was  the  pre‐defined  reference  distance  of  the  deflection  system. 

Thus,  for  the computation of  the peripheral distances,  it was  the z‐position  (GLCZ 0) of 

the peripheral configurations that needed to be targeted to be equal to the z‐position of 

the on‐axis configuration.  

Definition of the Y‐Tilt of the Scanning Mirror for Each Configuration: 

The  last requirement for the deflection system was to determine how much y‐tilt of the 

scanning mirror is required for each configuration. The Merit Function Operand DIFF was 

used  to  target  for  the  zero difference  (DIFF) between  the on‐axis  chief  ray  coordinates 

and  the  peripheral  chief  ray  coordinates  using  the  operands  REAX  (real  X‐coordinate, 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

136 

normalised  field  coordinate  Hx  =  1)  and  REAY  (real  Y‐coordinate,  normalised  field 

coordinate Hy = 1).  

  

Table 4.11:  Set‐up of the MFE prior the optimisation of the deflection system. 

  For  the purpose of clarity, only  two configurations are displayed  in  this Figure, that  is Configuration 1 (0° on‐axis, Operands 1 to 18) and Configuration 10 (50° off‐axis, Operands 100  to 119). Note,  that  configurations assigned with pickup solves were not listed in the MFE as they are automatically updated. 

  For  the  computation  of  the  deflection  system  the MFE was  defined  using  the following Merit Function Operands, which were assigned specific  target values. REAX  (Surfaces 10, 14 and 20, normalised  field  coordinates, Hx=1)  traces  chief rays  to  the  centre  of  the  prism  and  scanning mirror  surfaces.  The  ray  angles defined by the operands RAID (Surface 10) (incident) and RAED 14 (exiting) were aimed  to be equal. This was achieved by  targeting  the difference  (DIFF) of  the two  angles  to  zero.  The  angle  RAID  8  (Surface  8)  was  the  visual  field  angle targeted for the computation of the corresponding retinal angles. The difference (DIFF)  of  the  Operand  GLCZ  0  (Surface  0,  global  coordinate  z‐position)  for Configuration 1  (on‐axis) was  targeted  to have  the same GLCZ 0 position as all the other configurations. Using the DIFF operand, the off‐axis values of REAX and REAY were aimed  to have equal  intercepts at  the  image surface as  the on‐axis configuration.  

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

137 

Once  the  LDE  and  the  MCE  with  all  30  variable  parameters  were  defined,  the 

optimisation was performed using the 45 weighted target values in the MFE.  

4.3.1.1.2 Results 

Optical Design Features of the Deflection System  

The  side elevation and a  three‐dimensional view of  the optical design of  the deflection 

system are presented in Figure 4.9. Overall, the deflection system adheres to the targets 

as defined in the editors (Table 4.12, Table 4.13 and Table 4.14).  

 

 

 

 

Figure 4.9:  Layout of the optical design of the deflection system. 

  TOP: A ZEMAX design elevation of a section of the optical EM design containing the  EM  reference  model  eye,  an  array  of  prisms  and  the  scanning  mirror (deflection  system).  BOTTOM:  A  three‐dimensional  shaded  view  layout  of  the optical ZEMAX EM design, indicating the x‐ and y‐tilts of the scanning mirror.  

Eye 

Prisms 

Scanning Mirror 

Eye 

Prisms 

Scanning Mirror

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

138 

Table 4.12:  LDE following the optimisation of the deflection system. 

  LDE parameters for the prism and scanning mirror surfaces (deflection path) that correspond to the 30° visual field angle of the eye (Configuration 6).     

 

 

 

 

 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

139 

 

Table 4.13: MCE following the optimisation of the deflection system. 

 

 

 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

140 

Table 4.14:  MFE following the optimisation of the deflection system. 

  For  the  purpose  of  clarity,  only  two  configurations  are  displayed,  that  is Configuration 1 (0° on‐axis) and Configuration 10 (50° peripheral). The target values  of  the  optimised Merit  Function Operands  correspond  to  the  actual system values.  

 

Optical Path Lengths of the Deflection System: 

Using  the  real  ray  trace  data  in  ZEMAX,  the  path  lengths  required  for  the  optical 

design  of  the  subsequent  illumination  and  reflection  paths were  calculated  (Table 

4.15).  

Table 4.15:  The  total  path  lengths  between  the  anterior  cornea  surface  and  the scanning mirror for all 11 visual field angles in the deflection system. 

Visual Field Angles (in °)  0°  ± 10°  ± 20°  ± 30°  ± 40°  ± 50° 

Deflection Path Length (in mm)  258.50 259.85  263.21  269.05  277.83  290.37 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

141 

Peripheral Refraction Profiles With and Without Deflecting Components 

Macro 1 was used  to compute  the central and peripheral  refractive error of  the EM 

reference model eye  in OERT  (IR) mode with and without deflecting  components  in 

place. Figure 4.10 shows the refractive vector components M and J180 as a function of 

horizontal  visual  field  angle  for both  conditions.  It  can be  seen  that  the  peripheral 

refractive error measured with the deflecting components does affect the peripheral 

refraction profile slightly for the  larger peripheral angles,  i.e. the greatest difference 

was  0.15D  in M  at  50°.  Thus,  the  prisms  as  designed with  the minimum  deviation 

criteria do not  introduce  any  clinically  significant  artefactual  aberrations  that  could 

influence  the  peripheral  refractive  error  measured.  In  practice,  using  this  model, 

these small deviations for the far peripheral measurements can be accounted for via 

calibration.  

 

 

Figure 4.10: The RPRE of M and J180 as a function of horizontal visual field angle for the eye with and without deflecting components in place.  

4.3.1.2 Illumination Autorefraction Path 

The prime aim of the optical design of the illumination path is to project a ring target 

onto the retina, which provides a source  image for the reflection path. As the retinal 

ring size varies as a function of refractive error, the optical design of the illumination 

path  has  to  consider  the  intended  refractive  error  range  of  the  EM.  Using  the 

refractive error‐dependent model eye, the illumination path was designed in IERT (IR) 

‐10.00

‐8.00

‐6.00

‐4.00

‐2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

0 10 20 30 40 50

RPRE (in Diopters)

Visual Field Angle (in °)

M       (eye only)

J180  (eye only)

M       (eye and deflection system)

J180   (eye and deflection system)

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

142 

on‐axis mode. Specific aperture and  location boundaries  from  the deflection system 

had to be taken into account for the illumination path design. 

4.3.1.2.1 Methods 

The methodological  approach  of  the  optical  design  of  the  illumination  path  under 

consideration of  the components  from  the deflection  system  is  shown  in  the  set‐up 

of the three ZEMAX editors (Table 4.16 and Table 4.17).     

Lens Data Editor: 

LDE Pre‐Settings:  

For  the  illumination path design  the  LDE was  set up using  the EM  reference model 

eye in IERT (IR) mode (Table 4.16, top).  

Insertion of Additional Surfaces and Pre‐Definition of Distances: 

The  surfaces of  Lens 1  (L1) were  entered  in  the  LDE.  In order  to  achieve  large  and 

refractive  error  sensitive  retinal  images  within  the  pre‐defined  desired  refractive 

error  range  (Sphere:  +10.0  to  ‐15.0D)  of  the  instrument,  the  position  of  L1  was 

chosen to be as close as possible to the front of the eye (51 mm). The “Stop” surface 

was defined at the distance of the prism front surface (as computed in the deflection 

system) and was set  to 4.5 mm. This diameter subsequently corresponds  to  the size 

of the illuminating ring target at this position. The positions of a pellicle beam splitter 

and the x‐y scanning mirror were also pre‐defined. 

 

Definition of Variable Parameter: 

The yet unknown parameter of  the  illumination path design  is  the power of  L1  (i.e. 

the  front  and  back  surface  radii  of  L1).  Assuming  L1  is  a  biconvex  lens,  the  back 

surface  radius was preset using a negative pick‐up  solve  linked  to  the  front  surface 

radius  (Table  4.16,  top).  The  front  surface  radius  of  L1  was  specified  as  variable 

parameter for the subsequent optimisation.    

Multi Configuration Editor:  

Range Definition for Refractive Error Eyes: 

In order to assess and define the retinal image sizes for a range of different refractive 

error eyes  (central M: +10.0  to  ‐15.0D)  the MCE was opted  to  create a  selection of 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

143 

refractive  error‐dependent  eyes  (Table  4.16,  bottom).  The  eye’s  vitreous  chamber 

depth  (Multi  Configuration  Operand  THIC  11)  was  altered  as  described  previously 

(Section 4.2.1.3) using Macro 1 (APPENDIX C).  

Table 4.16:  LDE and MCE prior the optimisation of the illumination path. 

  TOP: The LDE set‐up in IERT (IR) mode with an additional lens (L1) placed 51 mm in front of the eye.   

  BOTTOM:  The  MCE  was  used  to  assess  the  retinal  image  sizes  in  the illumination path  for a  range of central  refractive errors. Vitreous chamber depth (THIC, Surface 11) was computed as described in Section 4.2.1.3. 

 

Merit Function Editor: 

Definition of the Criteria for the Illumination Path 

The Merit  Function Operand REAY  (real  Y‐coordinate,  pupil  coordinate  Py  =  1) was 

used  to  compute  the  radius  of  the  retinal  ring  images  for  all  refractive  error  eyes 

(Configuration 1 to 6) (Table 4.17).  

As the hyperopic eye  (Configuration 1)  is the most restrictive with respect  to retinal 

image  size,  the estimated  retinal  ring diameter of 0.70 mm was defined as  smallest 

target  value.  In  an  experimental  set  up  using  a  physical  reduced model  eye  it was 

confirmed  that  this  is  the minimum  ring  size  required  to  enable  its  capture  in  the 

reflection path.  

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

144 

Table 4.17:  MFE prior the optimisation of the illumination path. 

  The MFE was  used  to  target  the  smallest  possible  retinal  image  radius  of 0.35 mm  for  the  hyperopic  eye  (Configuration  1).  The marginal  pupil  rays, which correspond to the radii of the retinal images of all configurations were computed  using  the  REAY  (Surface  12,  pupil  coordinate,  Py  =  1)  Merit Function Operand. 

 

4.3.1.2.2 Results 

Table 4.18 shows the editors with  its updated values following the optimisation. The 

LDE  shows  that  the  radii  of  the  biconvex  lens  surfaces  are  ±  61.73  mm,  which 

produces retinal ring  image radii  from 0.35 mm to 1.21 mm  (Configuration 1 and 6), 

from  the most hyperopic  to  the most myopic eye,  respectively. With  respect  to  the 

required  refractive error  range of  the EM  instrument,  this  computed  lens  fulfils  the 

pre‐defined criteria for the illumination path design.  

 

The SCHOTT glass catalogue in ZEMAX is a great tool to search for ready‐made lenses 

that  meet  the  focal  length  and  diameter  requirements  which  are  closest  to  the 

optimised  lens  parameter.  Taken  into  account  the  aperture  restrictions  of  the 

deflection  system,  the  optimum  lens  (L1)  opted  for  the  illumination  path  is  a 

biconvex  lens with  a  focal  length  of  60 mm  (Melles Griot:  N‐BK7,  BICX‐8.0‐61.8‐C‐

830).  

 

 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

145 

Table 4.18:  All three editors following the optimisation of the illumination path. 

  TOP: The LDE with optimised surface radii of L1.  

  MIDDLE: The optimisation did not alter any MCE data.  

  BOTTOM:  The  hyperopic  retinal  image  radius  (REAY,  Surface  12,  pupil coordinate, Py = 1, Configuration 1) optimised to the target value. 

 

 

Figure  4.11  illustrates  the  change  in  retinal  image  size  as  a  function  of  refractive 

error for the designed illumination path with the final L1 in place. The smallest retinal 

image diameter is 0.82 mm corresponding to the most hyperopic eye. 

 

Finally, Figure 4.12 provides  the summarised  layout  for  the combined optical design 

of  the  deflection  system  (the  prisms  and  the  scanning mirror)  and  the  illumination 

path design (SLD  light source, x‐y scanning mirror and L1). For clarity, only six angles 

are illustrated.  

 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

146 

 

Figure 4.11: The  side  layout of  the different  retinal positions  for a  range of  refractive error eyes.  

  The blue marginal rays represent the outer diameter of the illumination ring, which provides the smallest retinal ring size for the most hyperopic eye. 

 

 

 

Figure 4.12: Graphical  illustration  of  the  design  of  the  deflection  system  (the  prisms and  the  scanning  mirror)  and  the  illumination  path  (SLD,  x‐y  scanning mirror and L1).  

  For clarity, only six angles are shown.  

4.3.1.3 Reflection Autorefraction Path 

The prime aim of  the  reflection path design  is  to  capture and analyse  the  reflected 

ring  images  that  were  projected  onto  the  retina  during  the  illumination  scan.  Its 

concept  is based on a CCD camera positioned on a movable translation stage, which 

aims  to  scan  through  the pre‐defined  focus  range  to  locate  the best  focus position. 

The  ring  images  are  recorded  and  the  size  and  shape, which  contain  the  required 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

147 

information  of  the  spherical  and  astigmatic  refractive  error,  can  be  analysed with 

respect to the corresponding field angle positions.  

4.3.1.3.1 Methods 

The set‐up of the following three ZEMAX editors shows the methodological approach 

for  the  optical  design  of  the  reflection  path  under  consideration  of  the  optical 

components in the deflection system and the illumination path.  

Lens Data Editor: 

LDE Pre‐Settings: 

The  LDE was  set‐up  as  shown  in  Table  4.19  top  using  the  reference model  eye  in 

OERT (IR) mode.  

Insertion of Pre‐Determined Lenses, Surfaces and Distances: 

L1,  the  scanning mirror  and  the  beam  splitter were  entered  at  the  same  location 

relative  from the EM reference model eye as  in the  illumination path. As the optical 

path  lengths  of  the  deflection  system  differ  between  the  central  and  peripheral 

configurations (Section 0), the relative focal plane positions for the image capture are 

different. Consequently, at  least  two  reflection path  systems, one with  the  shortest 

optical  path  length  (205.5  mm  0°  on‐axis)  and  one  with  the  longest  optical  path 

length (237.37 mm 50° peripheral) were required to be designed to ensure the entire 

refractive error range of the EM instrument can be covered.   

Definition of Variable Parameter: 

Both  front surface radii  (L2 and L3) as well as  the distances between L2 and L3, and 

between  L3 and  the movable CCD  (image  surface), were  set  to  zero and defined as 

variable (V) for the subsequent optimisation. 

Multi Configuration Editor: 

Definition of Retinal Ring Image Sizes for Each Configuration: 

The range of retinal ring  image sizes which were determined  in the  illumination path 

was  transposed  into  the  MCE  using  the  YFIE  (object  height)  Multi  Configuration 

Operand (Table 4.19, bottom).  

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

148 

Table 4.19:  LDE and MCE prior the optimisation of the reflection path. 

  TOP: The LDE set‐up of an eye  in OERT (IR) mode. Lens 1 was placed 51 mm in  front  of  the  eye.  The  distance  between  the  anterior  cornea  and  the scanning  mirror  corresponds  to  the  on‐axis  distance  obtained  from  the deflection system (258.5 mm). Surfaces for L2 and L3 were also inserted. The movable CCD was defined as the image surface. 

  BOTTOM:  The  configurations  in  the  MCE  represent  eyes  with  different refractive errors (vitreous chamber depth, THIC 0).   The radius of the retinal ring  (YFIE  in  mm)  was  defined  using  the  corresponding  refractive  error dependent values  from  the  illumination path. The distance between L3 and the CCD (THIC 19) was specified as a variable parameter.   

 

Definition of Variable Parameter:  

With  the  aim  to  image  the  reflected  retinal  ring  image  onto  the  CCD  camera,  the 

distance  between  L3  back  surface  and  the  movable  CCD  varies  as  a  function  of 

refractive  error  and  thus,  this  distance  (THIC  19)  was  specified  as  the  variable 

parameter for all configurations.   

Merit Function Editor: 

Definition of Reflection Path Criteria 

In order  to produce  images of  the same size regardless of  the distance between  the 

CCD and the focussing lens (L3), the reflection path was designed to be telecentric in 

image space. This was achieved, using the Merit Function Operand DIFF to tailor the 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

149 

difference  in  the normalised y‐ray coordinate between  the back surface of L3  (REAY 

19,  Hy  =  1)  and  the  image  surface  (REAY  20,  Hy  =  1)  to  zero  (Table  4.20).  To 

determine the focal planes, the marginal pupil y‐ray coordinate (REAY 20, Py = 1) was 

set to zero. This set‐up was repeated for all configurations.  

Definition of Lens Data Constraints 

When there are many variable LDE parameters to be computed it is advantageous for 

the  subsequent  optimisation  algorithm  to  pre‐define  some  general  constraints  on 

lens data with respect to the  instrument needs. For the reflection path design, these 

lens  data  constraints were  given  by  the Merit  Function  Operands  TTGT  (thickness 

greater  than)  of  Surfaces  15  and  19,  and  CVLT  (curvature  less  than)  of  Surface  17. 

Moreover,  the  aperture  of  the  detector  surface  (image  surface)  is  restricted  with 

respect to the actual CCD size of the selected camera that is 3.6 mm. Thus, the Merit 

Function Operand OPLT 51 of Configuration 6 was  targeted  to a detector  image size 

radius (REAY 20, Hy = 1) of  less than 1.8 mm. This constraint was solely specified for 

Configuration  6, which  is  the most myopic  eye  and  thus,  produces  the  largest  ring 

image to be captured.  

Insertion of Additional Surfaces and Distances: 

Following  the  beam  splitter,  the  surfaces  of  Lens  2  (L2)  were  inserted.  An  initial 

approach  of  using  only  one  additional  focussing  lens  (L2)  for  the  reflection  path 

design  failed,  as  optimisation  did  not  provide  valid  results  with  respect  to  the 

required reflection path requirements. Hence, the additional surfaces of a third  lens 

(L3) were  inserted. The back surface radii of L2 and L3 were preset by negative pick‐

up solves (P) to aim for biconvex lens designs.  

Definition of Translation Stage Range With Respect to Refractive Error Range 

A  further aim of  the reflection path was  that  the pre‐defined  focus range of  the EM 

instrument had to be covered within the 25 mm distance of the selected translation 

stage. As  this distance  corresponds  to  the difference between  the  focal position of 

the CCD (TTHI 19) for the most hyperopic eye (Configuration 1) and the most myopic 

eye (Configuration 6), this constraint was targeted using the DIFF operand.  

 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

150 

Table 4.20:  MFE prior the optimisation of the reflection path. 

  For simplicity, only two configurations are displayed, that  is Configuration 1 (+10 Hyperope) and Configuration 6 (‐15 Myope). 

  For  each  configuration  the  value  for  the  normalised  field  ray  coordinate (REAY 20, Hx = 1) was targeted to be zero to render the retina conjugate to the CCD surface. Moreover, to achieve telecentricity in image space, the pupil ray coordinates (Surface 19, REAY, pupil coordinate Px = 1) were targeted to be equal to the pupil coordinates at the detector surface (Surface 20, REAY, pupil coordinate Px = 1). The difference between the focal position of the CCD (Surface 19, TTHI) for the most hyperopic eye (Configuration 1) and the most myopic eye (Configuration 6) was targeted to be zero. 

 

4.3.1.3.2 Results 

Under  consideration  of  the  previously  designed  EM  deflection  system  (Section 

4.3.1.1)  and  illumination path  (Section 4.3.1.2),  the  resulting  reflection path design 

(after optimisation) can be seen in Table 4.21 and Table 4.22.  

The  LDE  shows  the  computed  surface  radii of  L2  and  L3  and  their positions  for  the 

emmetropic eye. The MCE shows the change  in CCD position  (THIC 19) as a function 

of  refractive  error.  Due  to  the  longer  optical  path  length  at  the  50°  position,  the 

positions  for  the  focal planes of  the  same  refractive error eye's shift closer  towards 

L3.  The  closest CCD position  is  10.59 mm  for  the most myopic  eye  at  50°,  and  the 

furthest  CCD  position  is  32.33  mm  for  the  most  hyperopic  eye  at  0°.  Thus,  this 

difference  of  21mm  covers  the  refractive  error  range  of  the  EM  instrument  with 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

151 

respect  to  the  given  translation  stage  distance. Moreover,  the  largest  detecor  ring 

image size (2.54 mm) was covered by the selected CCD size (3.6 mm). 

Table 4.21:  LDE and MCE following the optimisation of the reflection path. 

  TOP: The LDE with the optimised surface radii and positions of L2 and L3.    

  MIDDLE:  The  MCE  with  the  computed  CCD  positions  (THIC  19)  for  each configuration of the on‐axis system.  

  BOTTOM:  The MCE  with  the  computed  CCD  positions  (THIC  19)  for  each configuration of the 50° off‐axis system. 

 

 

Again, the ZEMAX Schott Glass catalogue was opted to  find available  lenses that are 

close  to  the  computed values  (L2: Newport: KPX596 and  L3: Melles Griot BXB‐12.7‐

40.7).  

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

152 

Table 4.22:  MFE following the optimisation of the reflection path. 

  The weighted  target values  for  the  reflection path design were  successfully optimised in the MFE.  

 

In  summary,  in  conjunction with  the  components  of  the  deflection  system  and  the 

illumination  path,  Figure  4.13  and  Figure  4.14  show  the  additional  optical 

components of the reflection path. This includes L2, L3, an aperture and the movable 

CCD. Whereas  the  layout  in  Figure  4.13  indicates  the  focal  planes of  the  reflection 

path design, Figure 4.14 illustrates the image spaced telecentricity of the system.  

 

Figure 4.13: Graphical  illustration  of  the  design  of  deflection  system  (prisms  and scanning mirror)  and  the  reflection  path  (L2,  L3, A1, movable  CCD).  The movement  of  the  CCD  camera  permits  the  focussing  of  the  retinal  ring images.  

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

153 

 

Figure 4.14: Graphical  illustration  of  the  design  of  deflection  system  (prisms  and scanning  mirror)  and  the  reflection  path  (L2,  L3,  A1,  movable  CCD) indicating the system’s image spaced telecentricity.   

4.3.2 Pupil Imaging Path 

The purpose of the pupil  imaging path  is to permit the alignment of the eye with the 

instrument.  The  pupil  alignment  path  was  designed  to  integrate  with  the  already 

determined optical components from the autorefraction paths.  

4.3.2.1 Methods 

Again, the methodological approach for the optical design of the pupil  imaging path, 

under  consideration of  the  components  from  the  autorefraction  paths,  is  shown  in 

the set‐up of the ZEMAX editors.    

Lens Data Editor: 

LDE Pre‐Settings: 

The LDE was set‐up as shown  in Table 4.23 (top) using the OERT  (IR) model eye. The 

aperture of the stop was set to 10 mm. L1 was entered at the same  location relative 

from the EM reference model eye as in the illumination path.  

Insertion of Surfaces of Lens 4 and Pre‐Definition of Distance: 

A  surface  for  a  beam  splitter  was  inserted,  which  separates  the  on‐axis 

illumination/reflection paths  from  the pupil alignment path. Moreover,  the  surfaces 

of  the biconvex  Lens 4  (L4) were  inserted with a negative pick‐up  solve assigned  to 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

154 

the  back  surface  radius,  and  the  front  surface  radius  specified  as  variable  for  the 

subsequent optimisation. 

Merit Function Editor: 

Definition of Pupil Imaging Path Criteria: 

The Merit Function Operand REAY  (Surface 15, normalised ray field coordinate, Hy = 

1) was  targeted  to  zero  to  image  the pupil area onto  the CCD  image  surface  (Table 

4.24, bottom).  In addition,  the use of  the merit  function operand REAY  (Surface 15, 

pupil  coordinate,  Py  =  1)  permits  the  computation  and  optimisation  of  the  image 

radius  size. Thus,  this operand was  targeted  to be 2 mm, which  corresponds  to  the 

size of the selected CCD radius.  

Table 4.23:  LDE and MFE prior the optimisation of the pupil imaging path. 

  TOP: The LDE with  the  reference model eye and L1  in OERT  (IR) mode. The surfaces of the beam splitter and the biconvex L4 (P) were added. The front surface  radius  of  L4  as well  as  the  distance  to  the  CCD were  specified  as variable (V).   

  BOTTOM: The Merit Function Operand REAY (normalised ray field coordinate, Hy = 1) was used to focus the pupil area onto the pupil camera CCD and REAY (pupil coordinate, Py = 1) was selected to target the pupil camera CCD radius to 2 mm.  

 

4.3.2.2 Results 

The  resulting pupil  alignment path design  (after optimisation)  can be  seen  in  Table 

4.24. The  LDE  shows  the computed  surface  radii of L4 and  the position of  the pupil 

camera CCD. The MFE shows the correct image radius of 2 mm which corresponds to 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

155 

the CCD  radius  size. A  lens  that  is  available  from  the  Schott  glass  catalogue with  a 

focal length of 20 mm (47663, Edmunds Optics) was selected as final L4.  

Table 4.24:  LDE and MFE following the optimisation of the pupil imaging path. 

  TOP:  The  LDE  with  the  computed  front  surface  radius  of  Lens  4  and  the position of the pupil camera CCD. 

  BOTTOM: The weighted target values successfully optimised.      

 

Together with the previous autorefraction path designs, Figure 4.15 shows the pupil 

imaging  path  incorporated  into  the  on‐axis  instrument  path.  The  additional 

components  of  the  pupil  imaging  path  are  two  beamsplitters,  L4  and  the  selected 

pupil camera CCD, which is conjugate to the eye’s pupil. 

 

Figure 4.15: Graphical  illustration  of  the  pupil  imaging  path  (dotted  lines)  and  the autorefraction paths.  

  The pupil plane is conjugate to the position of the pupil camera CCD. 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

156 

4.3.3 Fixation Path 

The  prime  aim  of  this  path  is  to  enable  the  fixation  of  an  on‐axis  target which  is 

placed  at  optical  infinity.  Moreover,  the  target  is  aimed  to  be  movable  via  a 

translation  stage  to  also  permit  the measurement  of  the  accommodation  response 

curve as a function of visual field angle.  As the fixation path requires the participant 

to fix gaze on a visible target, this was the only path designed in the visible spectrum. 

 

4.3.3.1 Methods 

Lens Data Editor: 

LDE Pre‐Settings: 

The LDE was set‐up as shown in Table 4.25 (top) using the eye in OERT (visible) mode. 

L1 and L4 were entered at the same  location relative to the EM reference model eye 

as pre‐determined in the pupil imaging path.  

Insertion of Surfaces of Lens 5 and Pre‐Definition of Distance: 

The  surfaces  of  a  fifth  lens  (L5) were  inserted.  The  back  surface  radius  of  L5 was 

defined  by  negative  pick‐up  solve  (P)  to  aim  for  a  biconvex  lens  design.  The  front 

surface  radius as well as  the distances between  L5 and  the movable  fixation  target 

(image surface) were specified as variable (V) for the subsequent optimisation. 

Multi Configuration Editor: 

Definition of Fixation Target Positions: 

The  MCE  was  set‐up  for  accommodation  dependent  model  eyes  as  explained 

previously  in  Section  4.2.1.4.  In  addition,  the Multi  Configuration Operand  TTHI  17 

was  inserted  (Table  4.25,  bottom)  and  defined  as  variable  for  each  of  the  six 

accommodation  states  to  permit  the  computation  of  the  corresponding  fixation 

target position in the subsequent optimisation.  

 

Merit Function Editor: 

Definition of Fixation Path Criteria: 

For each configuration the Merit Function Operand REAY 18 (pupil ray coordinate, Py 

= 1) was targeted to zero to determine the fixation target position (Table 4.26) of  the  

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

157 

Table 4.25:  LDE and MCE prior the optimisation of the fixation path. 

  TOP: The LDE was set‐up using the eye in OERT (visible) mode. Settings of L1 and  L4  were  pre‐defined  from  the  illumination  and  pupil  imaging  path. Biconvex L5 surfaces were  inserted. Front surface radius of L5 was specified as variable.  

  BOTTOM: The MCE was set up as explained in Section 4.2.1.4. In addition the position  of  the  fixation  target  (THIC  17)  was  defined  as  the  variable parameter for all configurations. 

 

Table 4.26:  MFE prior the optimisation of the fixation path. 

  The MFE was set up for all 6 configurations using the operand REAY (Surface 18, pupil coordinate, Py = 1) which determines the respective fixation target positions.   The  difference  (DIFF,  Operand  4  ‐  Operand  20)  between  the position of the fixation target in Configuration 1 (TTHI 17) and the position of the fixation target in Configuration 6 (TTHI 17) was targeted to 20 mm. 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

158 

respective  accommodation  status.  Moreover,  the  difference  (DIFF)  between  the 

position  of  the  fixation  target  at  0D  accommodation  (Configuration  1)  and  the 

position of the fixation target at 5D accommodation (Configuration 6) was tailored to 

20 mm, which corresponds to the distance of the translation stage. 

 

4.3.3.2 Results 

The  resulting editors  for  the  fixation path design  (after optimisation) can be seen  in 

Table 4.27.  

Table 4.27:  All three editors following the optimisation of the fixation path. 

  TOP: The LDE for Configuration 1 with the optimised surface radii of L5 and the optimised position of the fixation target.  

  MIDDLE:  The  MCE  with  the  optimised  six  fixation  target  positions.  The difference between the fixation target position (THIC 17) for Configuration 1 and Configuration 6 successfully tailored to 20mm. 

  BOTTOM: The weighted target values successfully optimised in the MFE.     

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

159 

The LDE shows the computed surface radii  for L5. The MCE shows the change  in the 

fixation  target  position  as  a  function  of  accommodation.  The  difference  of  the 

fixation target positions between Configuration 1 and 6 was successfully targeted to 

20 mm by the MFE optimisation algorithm. 

 

 The ZEMAX Schott Glass catalogue was selected to find an available lens that is close 

to the computed values of L5 (Edmund Optics: 45‐087, focal length = 30 mm, surface 

radii = 30.36 mm).    

 

Figure 4.16 shows the two‐dimensional layout of the final optical fixation path design 

with all six fixation target positions.  

 

Figure 4.16: The  two‐dimensional  layout  showing  the  fixation path design with all  six fixation target positions for the accommodating eye. 

Lastly, Figure 4.17 shows the  integration of the components of the fixation path,  i.e. 

L5 and the movable fixation target, with all the other optical EM paths.   

 

Figure 4.17: Graphical  illustration  of  the  fixation  path, which  has  been  incorporated into the autorefraction paths and pupil alignment path.  

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

160 

4.4 Summary  

On  the basis of  the proposed peripheral  refraction  concept  (patent  application WO 

2008/116270 A1), the EM reference model eye presented  in Section 4.2 was used to 

design the five optical paths of the EM instrument with respect to the individual path 

criteria  (Section 4.3). Table 4.28  shows  the  summary of all key design  requirements 

and  the  respective optical  components of each optical path. Moreover,  Figure 4.18 

provides  a  summary  of  all  the  paths.  The  prime  objectives  of  each  path  were 

highlighted by the corresponding chief or marginal rays.  

4.5 Conclusion 

The  significance  of  measuring  the  peripheral  optics  of  the  eye  and  the  current 

limitations  related  to  its  measurement  with  commercially  available  refraction 

instruments were addressed in the previous chapters.  

 

The EM  concept  (patent  application WO 2008/116270 A1) proposed  in  this  chapter 

aims to overcome peripheral refraction measurement limitations related to both, the 

time‐consuming re‐alignment (off‐axis fixation) requirements by participants and the 

strict  requirements  for  precise  pupil  alignment  by  the  operator.  The  distinctive 

feature of this concept  is based on a deflection system, which consists of prisms and 

a  scanning mirror,  in order  to  achieve  a  fast  refraction  scan  across  the  visual  field. 

The  ring‐autorefraction  principle  was  the  proposed  operation  principle  for  the 

determination of the eye’s sphero‐cylindrical refraction. 

 

Based  on  this  concept,  the  optical  design  work  of  the  EM  was  developed  in  this 

chapter.  For  this,  a model  eye was  selected,  first, which was  used  as  a  reference 

point  for  the  subsequent  design  of  the  5  optical  paths  of  the  EM;  the  deflection 

system,  the  illumination  path,  the  reflection  path,  the  pupil  imaging  path  and  the 

fixation  path.  Due  to  the  complexity  of  the  optical  EM  design,  particularly  the 

deflection  system,  the  five paths were designed and assessed  individually. For each 

optical  path,  the  pre‐defined  optical  instrument  criteria were  successfully  achieved 

with the help of the optical system design software ZEMAX. 

 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

161 

Table 4.28:  Summary of the ray‐trace mode, ray‐trace wavelength, optical components and individual design criteria of each optical path. 

  Autorefraction Paths Fixation Path Pupil Alignment Path 

Deflection System Illumination Path Reflection Path

 Ray Trace Mode 

 OERT 

 IERT 

 OERT 

 OERT 

 OERT 

  

Wavelength IR (830 nm) IR (830 nm) IR (830 nm) Visible (555 nm) IR (800 nm)   

Optical Components 

‐ Scanning Mirror‐ Prisms 

‐ SLD Light Source‐ X‐Y Scanning Mirror ‐ Scanning Mirror ‐ Beamsplitter ‐ Prisms ‐ Lens 1 

‐ Lens 1‐ Prisms ‐ Scanning Mirror ‐ Beamsplitter ‐ Lens 2 ‐ Lens 3 ‐ Movable CCD 

‐ Lens 1‐Beamsplitter ‐ Lens 4 ‐ Beam splitter ‐ Lens 5 ‐Movable Fixation  Target   

‐ Lens 1‐ Beamsplitter ‐ Lens 4 ‐ CCD 

Design Criteria ‐ Compact  Instrument Design  

‐ Prism Criteria:   arc‐shaped prism 

alignment   minimum prism 

deviation angle   equal aperture sizes 

‐ Imaging Requirements:  large image entrance 

angle  minimum retinal  

ring image diameter is 0.7 mm 

‐ Imaging Requirements:   range of refractive error 

eyes for on‐ and off‐axis path lengths using the available CCD (image sizes) and translation stage (focal plane locations) is covered 

  image‐space telecentricity (maintain constant image magnification)

‐Imaging Requirements: retina: conjugate to movable fixation target position accommodation demands from 0 to 5D are covered on a 25 mm movable translation stage 

‐Imaging Requirements:   pupil: conjugate to CCD 

location 

CHAPTER 4: OPTICAL DESIGN OF A NOVEL PERIPHERAL REFRACTION CONCEPT 

162 

Deflection System:The arrangement of the prisms and the scanning  mirror  was  designed  to permit  the  propagation  of  the  beam towards  the  selected  visual  field angles.  Illumination  Path  (black  solid  ray lines):  A  collimated  SLD  light  beam  is oscillated by the x‐y scanning mirror to generate a  ring  target. The  ring  target is  scanned  via  the  scanning  mirror towards  the  individual  prisms.  L1 was designed  to  project  a  ring  target  of pre‐defined size onto the retina.   

Reflection Path (black solid ray lines):  The  reflection  path  was  designed  to focus  the  reflected  retinal  ring  images onto  the  CCD  camera.  The movement (∆  =  25mm)  of  the  CCD  camera compensates  for  any  refractive  errors within  the pre‐defined  refractive error range  of  the  EM  instrument,  and  for different path lengths.   Fixation Path:  A  movable  fixation  target  allows  for the  measurement  of  pre‐defined accommodation distances.  

Reflection Path (black solid ray lines):  To  maintain  constant  image magnification, the position and powers of  L2  and  L3 were  designed  to  have  a reflection  path  system  which  is telecentric in image space.      Pupil  Alignment  Path  (black  dotted rays):  The  pupil  area  is  imaged  onto  the selected  pupil  camera  CCD  via  L1  and L4.  

Figure 4.18: Summary of the layout of each optical path designs. 

Following  this  optical  design  work,  the  next  chapter  addresses  the  further  steps, 

including  the  assessment  of  specific  component  criteria  and  safety  aspects,  and  the 

cross‐validation of the ring‐autorefraction principle with a conventional autorefractor.   

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

163 

CHAPTER 5:  

RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION  PRINCIPLE:  COMPONENT  CRITERIA, SAFETY ASSESSMENT AND EXPERIMENTAL VALIDATION 

5.1 Introduction  

In  Chapter  4  the  optical  design  of  a  novel  peripheral  refraction  concept,  the  EM, was 

developed.  For  this,  optical  components  such  as  prisms  and  lenses  were  selected  to 

achieve  particular  optical  design  goals  that  permit  the  measurement  of  the  eye's 

refraction profile across the retina, ranging from ‐50° to +50° in 10° steps.  

 

In order to  implement and test this optical design, a number of additional functions and 

components are required. Moreover,  issues such as optical radiation safety  limits of the 

ring‐  scan  illumination,  and  the  speed  and  precision  of  the  image  detection,  require 

closer examination to ensure the safe and effective operation of the EM. 

 

Thus, the following chapter aimed to:     

 

Evaluate and source the components required to achieve the operational goals of 

the proposed EM autorefraction instrument,  

Assess  the  safety  requirements of  the new  illumination principle,  that  is, ocular 

ring  scanning  and  peripheral  retinal  illumination  when  using  the  selected  EM 

light source, 

Set‐up  an  optical  bench  experiment,  based  on  the  EM’s  specific  illumination 

feature  and  the  critical  optical  components  required  to  verify  the  on‐axis  ring‐

autorefraction principle and 

Cross‐validate  the experimental  ring  images obtained on  the optical bench with 

the  images  computed with  ZEMAX  and  those measured with  the  Shin‐  Nippon 

NVision K5001 autorefractor.  

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

164 

5.2 On‐ and Off‐Axis Ring Scan Illumination 

5.2.1 Component Criteria  

In contrast to common autorefractors, such as the Shin‐Nippon NVision K5001, where a 

light source and a ring‐like mask are used  for  the projection of a retinal  ring  target,  for 

the EM, one narrow light beam and two scanning mirrors were chosen to rapidly project 

and  scan a  ring  target onto 11  retinal  locations. The aim of  the  scanning principle  is  to 

provide  a  sharply  focused  ring  and,  if  required,  to  permit  the  adjustment  of  the  ring 

size/shape for peripheral measurements. 

5.2.1.1 Infrared Light Source – Super Luminescent Diode 

Light  sources  such  as  lasers,  light  emitting  diodes  (LEDs),  super  luminescent  diodes 

(SLDs) and incandescent light sources (i.e. tungsten halogen lamps) have been employed 

in many  different  on‐axis  ophthalmic  applications.193  Some  applications  use  ultraviolet 

(UV)  sources,  short‐wavelength  light  or  infrared  (IR)  radiation. As  is  the  case  for most 

fundus  imaging applications, a near  infrared  light source was also chosen for the EM.137,

194, 195  The  advantage  of  infrared  light  is  the  higher  fundus  reflectivity  compared  to 

shorter wavelength  light, allowing a reduction  in  illuminating power.196 Given that near‐

infrared  light has no significant visible component, the participant does not produce the 

natural aversion response as is the case for visible light sources. Hence, no pupil dilation 

is  required  and  the  participant  does  not  get  distracted  by  intense  light  during  the 

measurement, as happens when visible light is used for the fundus illumination. As such, 

the  use  of  near  infrared  light  enables  better  alignment,  focusing  and  image  detection 

during the measurement procedure.  

 

Specifically, the optical  light source selected for the EM  instrument was a fibre coupled, 

near‐infrared  super  luminescent  diode  (SLD,  SuperlumTM  Ireland,  SLD‐38‐MP,  Class  IIIB 

Laser products, output power = 1.5 to 3.0 mW) with an operating wavelength of 830 nm. 

In  general,  the  use  of  the  SLD  is  advantageous  due  to  its  high  brightness  and  short 

coherence length (∆λ = 20 nm). The SLD output is coupled into a single mode fibre (SMF) 

with small core size  (numerical aperture  (NA) of 0.14)  that propagates only a single  ray 

or mode of light parallel to the length of the fibre. The use of a single mode fibre enables 

superior  beam  quality  and  fine  collimation.  Collimation  of  the  output  beam  at  the  FC 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

165 

(fibre  channel)  terminated  patch  cable was  achieved  by  connecting  a  fibre  collimator 

(Thorlabs Inc., CFC‐5‐B).  

5.2.1.2 Dual Axis Galvanometer Scanner  

The  proposed  autorefraction  principle  for  the  EM  requires  a  ring  image  to  be  imaged 

onto the retina. To generate the ring, it is aimed to steer the collimated beam of the SLD 

with the help of an x‐y high speed galvanometer scanner. The selected x‐y scanner (Dual 

Axis  Galvanometer  Scanner,  Model  6200  H,  Cambridge  Technology  Inc.,  Cambridge, 

U.S.A,  Figure  5.1  left)  consists  of  two  mirrors  mounted  onto  two  galvanometers. 

Together, the mirrors permit deflection of the beam to any point on a square raster and, 

for  the  purpose of  the  EM’s operation principle;  the beam  is  scanned  to  generate  the 

intended ring target. The scanning mirror has an optical aperture of 3 mm and the inbuilt 

moving magnet motor permits short step response times, which allow the rapid scanning 

of the beam in 0.1° steps (130 μs settling time).  

5.2.1.3 Single Axis Galvanometer Scanner  

To measure  the eye’s peripheral  refraction profile quasi  simultaneously,  the oscillating 

illumination beam has to be scanned rapidly across the 11 visual field positions. For this, 

a  single  axis  galvanometer  scanner  was  selected  (Single  Axis  Galvanometer  Scanner, 

Model 6240 H, Cambridge Technology Inc., Cambridge, U.S.A, Figure 5.1 right).  

   

Figure 5.1:   LEFT: Dual Axis (x‐y) Galvanometer Scanner, RIGHT: Single Axis Galvanometer Scanner 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

166 

Unlike  the small x‐y scanner, which  is positioned closely  to  the SLD  light source  for  the 

oscillation  of  the  beam,  this  scanner  features  a  large  (25 mm)  aperture  with  a  ±25° 

excursion, to permit on‐ and off‐axis ring scanning of up to ±50°. Due to the larger size of 

the mirror,  settling  time  is  slower  (350  μs)  but  adequate  to meet  the  EM’s  peripheral 

refraction scan speed requirements, i.e. to scan 11 positions in less than one second.  

5.2.2 Safety Assessment  

5.2.2.1 Introduction 

Over  the  last decades,  several  laser  safety  standards have  carefully been developed  to 

ensure safe use of  lasers.197, 198 With  the objective of safe use of both  lasers, as well as 

optical  fibre  communication  systems  utilising  laser  diodes  and  light  emitting  diodes 

(LED),  the  American  National  Standards  Institute  (ANSI)  standards  Z136.1‐2007199  and 

Z136.2‐1997200 were  introduced  for  the  protection  of  the  human  eye  from  hazardous 

light exposures. These standards consider not only accidental ocular exposures to  lasers 

(i.e.  medical  or  industrial  lasers),  but  also  intentional  single  or  repetitive  pulse 

exposures, as implemented in many ophthalmic applications.201  

 

The EM light source operates in the retinal hazard region, defined as the region including 

exposure to wavelengths between 400 and 1400 nm.199 It is therefore critical to consider 

the  risk  of  thermal  retinal  damage  that may  result  following  prolonged  light  exposure 

due  to  resulting protein denaturation of  the  retinal pigment epithelium.202 However,  it 

should be noted that near‐infrared  light  is absorbed much  less by the retinal pigment203 

than visible wavelengths and thus, the ocular damage threshold is much higher.195 

 

Although  the ANSI  standards are  the most  current  standards available  for  the EM  light 

source  application,  no  consideration  is  taken  with  respect  to  peripheral  or  ocular 

scanning exposures as proposed for the EM  instrument. Therefore, the safety standards 

of this specific EM  light source application were assessed as recommended by de Wit204 

and Delori et al.205 For this, the complex scanning system was broken down into a variety 

of  simulated  sub‐exposures, which were  assessed  on  the  basis  of  the  ANSI  single  and 

repetitive pulse rules as well as the analysis on ocular scanning by Delori et al.205  

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

167 

5.2.2.2 Methods 

5.2.2.2.1 Single and Repetitive Pulse Exposures 

In general,  the ANSI standards are very  rule‐orientated and are based on  four separate 

types of ocular exposures  in  their  formulations,  i.e. single or  repetitive pulse exposures 

for either small or extended sources (Table 5.1).  

Table 5.1:   ANSI  ocular  exposure  definitions  (α=visual  angle  subtended  by  the  retinal image to the centre of pupil (mrad)) 

Single Pulse Exposure 

(=continuous wave CW) 

Small Source (αmin=1.5 mrad) 

a collimated single pulse beam is incident on the cornea and a small, nearly diffraction limited image (≤ 25 μm diameter) is focused on the retina 

Extended Source (α>1.5 mrad) 

an area larger than αmin is continuously imaged on the retina 

Repetitive Pulse 

Exposure 

Small Source (αmin=1.5 mrad) 

an optical laser emitting multiple intrabeam pulses that occur in a certain sequence 

Extended Source (α>1.5 mrad) 

an extended source exposure is pulsed within a certain frequency 

Whereas the ANSI standards express all exposure  limits as maximum permissible radiant 

exposure MPHC (in J/cm2) at the cornea, Delori et al.205  implemented the more common 

expression of exposure  limits  in  intrapupillary radiant power MPФ  (in watts). Figure 5.2 

(single pulse SP) and Figure 5.3 (repetitive pulses RP) show all the formulations required 

for  the  calculation  of  the MPФ  as  provided  by  Delori  et  al.205 With  the  objective  to 

calculate  the MPФ  laser  safety  values  for  the  EM  instrument,  the  equations  used  are 

limited  to exposure durations ranging  from 18 μs  to 10 Ks and operating wavelengths λ 

ranging between 400 and 1400 nm.  

 

The  correction  factor CT  in equation  SP  (Figure 5.2)  is wavelength‐dependent,  and was 

set  to 1.82  for all  following EM  calculations. The parameter CE  changes with  the  visual 

angle  α of  the  exposed  retinal  area.  The MPФ  for  an  extended  angular  source  (retinal 

image diameter >25 μm (α > 1.5 mrad)) equals the MPФ of a small source (retinal  image 

diameter ≤25 μm (αmin ≤ 1.5 mrad)) multiplied by CE. In general, the EM represents a case 

of intrabeam illumination, which is also known as Maxwellian view illumination, whereby 

a narrow  collimated  light beam  is  sent  into  the  eye. Through oscillation of  the narrow 

collimated SLD beam  (approx. 0.8 mm  in diameter), a  ring  is projected onto  the  retina, 

which size depends on the refractive error of the eye.  

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

168 

 

Figure 5.2:  ANSI Single Pulse Rule as described by Delori et al.205 

 

 

Figure 5.3:  Three ANSI Repetitive Pulse Rules as described by Delori et al.205 

 

Safe  exposure  of  repetitive  pulses  can  be  determined  using  the  three  ANSI  rules  as 

shown in Figure 5.3. From the three rules, the appropriate exposure limit is the one that 

provides  greatest  protection.  In  general,  the  first  repetitive  pulse  rule,  RP1,  provides 

limits  for which  each  single  pulse  t1  of  the  pulse  train  T  is  safe.  If  the  pulses  are  not 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

169 

evenly spaced,  the brightest pulse within T has  to be safe.  In  the view of  the proposed 

EM  instrument, where  the  ring  target  is  generated  through  oscillation,  the  pulses  are 

aimed to be evenly spaced within one measurement. Equation RP2 assesses the average 

power  limit  for exposure durations of  the pulse  train T. The  third  rule RP3 determines 

whether an exposure duration of n*t1  is safe.   The rule yielding the  lowest MPФav value 

indicates  greatest  hazards  for  one  measurement.  The  permitted  peak  power  before 

beam oscillation is calculated by dividing the MPФav of the most conservative rule by the 

duty factor δ. The MP energy per pulse is MPФav /F.  

 

Using the SP and RP equations of Delori et al.,205 the MPФ laser safety values for the EM 

instrument were determined. Although  these ANSI  equations provide  safety  values  for 

single  and  repetitive pulse  exposures  at one  retinal  location,  they do not  consider  the 

additional factor of ocular scanning. 

5.2.2.2.2 Ocular Scanning 

Due  to  the  ANSI  ambiguity with  respect  to  ocular  scanning,  a  re‐evaluation  of  safety 

analysis  was  required  with  the  introduction  of  the  first  ocular  scanning  instruments. 

Webb & Hughes  developed  the  first  scanning  laser  ophthalmoscope  (SLO)  and  set  the 

power  to  be  ten  times  safer  for  ocular  scanning  than  the  ANSI  permissible  power  for 

continuous viewing.206 Klingbeil,207 de Wit204 and Delori et al.205 addressed  the scanning 

limitation  with  respect  to  the  ANSI  standards.  Klingbeil’s  objective  was  to  study  the 

thermal  model  of  temperature  rise  during  intraocular  scanning  and  compare  it  with 

calculated ANSI values. He concluded  that  the pulsed extended source exposure  is very 

similar  to  retinal  scanning  features  and  advocates  this  for  permissible  light  level 

exposures. De Wit  investigated Maxwellian view scanning devices, such as  the SLO, and 

also  showed  that  the  pulsed  extended  source  exposure  is  the  most  conservative 

exposure when based on the ANSI standards. Most recently, Delori et al.205 performed a 

revised  SLO  exposure  analysis with  respect  to ANSI  rules.  They  approached  the  safety 

calculations of a SLO by  comparing  the  single pulse exposure of  the entire  field with a 

pulsed line segment (PLS) exposure. Dependent on wavelength, field size and scan frame 

rate F,  it  is either  the  single pulse or  the PLS exposure  that provides  the most  limiting 

factor for the SLO’s use.  

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

170 

Since  the EM application differs  to  that of  the SLO, not only  in spectral distribution but 

also  in retinal  image form, size,  location and scan exposure, a detailed safety analysis of 

the instrument comprising those different illuminating characteristics was performed. To 

assess  the  factor  of  ocular  scanning  for  the  EM  light  source  application,  the  PLS 

exposure, which more closely reflects the scanning situation, was calculated on the basis 

of the SLO safety analysis by Delori et al.205  

 

The  PLS, which  is  the  slit‐shaped  retinal  area with  the  angular  length  that  is  covered 

within  tmin  (18  μs –  “thermal  confinement duration”), and  its exposure were  calculated 

using  the  ANSI  repetitive  pulse  exposure  rules.  Whereas  the  operation  of  the  SLO 

requires the scanning of numerous raster lines in order to illuminate a commonly square‐

shaped  retinal  area,  the  EM  light  source  application oscillates  the beam  to  generate  a 

ring  image onto  the  retina. Both  scanning  features  are  similar by  virtue of  the narrow 

beam that  is moved across the retina.  In contrast to SLO analysis, where the  length and 

frame  rate of  the  raster  lines  is used  to determine  the PLS,  the  EM’s  ring  illumination 

was described by the ring circumference (line) and the scan frame rate F. The scan frame 

rate was  anticipated  to  be  around  1  kHz.  To  compare  safety  values,  lower  and  higher 

scan  frame  rates were  also  assessed.  To determine  the  safe ocular  scanning MPФ,  the 

PLS exposure was compared with the single pulse line (ring circumference) exposure, and 

the more conservative MPФ was identified as safe ocular scanning MPФ.  

5.2.2.3 Results 

5.2.2.3.1 Retinal Image Size – Visual Angle 

In Chapter 4,  into‐the‐eye  ray‐trace was performed  to calculate  retinal  ring  image sizes 

under  various  refractive  conditions  (Section  4.3.1.2.2).  According  to  the  EM’s 

illumination  path  design  and  the  defined  refractive  error  range,  the  ring  size  can  vary 

approximately between 0.75 mm  for  the most hyperopic eye and 2.0 mm  for  the most 

myopic eye. To cover all  retinal  ring  image sizes  for  the subsequent safety calculations, 

the most hyperopic ring  image was chosen as  it  is the smallest ring  image and therefore 

has the highest focussing density on the retina.  

 

As recommended by ANSI199 and Delori et al.,205 single pulse non‐circular exposures, such 

as a  ring, should be assessed with  respect  to possible sub‐exposures, which subtend an 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

171 

equivalent  circular  area.  Figure  5.4  illustrates  all  retinal  image  exposures  and  their 

corresponding  visual  angles  that  could  possibly  describe  the  EM’s  ring  illumination  for 

single  exposures.  The  three  retinal  images  are  the  spot,  the  circle  and  the  line 

(circumference of the ring). Whereas the spot was entirely chosen to be added as worst 

case exposure (i.e. scanner failure),  it is the line exposure that best describes the retinal 

ring illumination with respect to the size of the exposed area.   

 

Figure 5.4:   Retinal  images  and  corresponding  visual  angle  for  single  exposure  MPФ calculations 

Prior to the calculation of the single exposure MPФs using equation SP  (Figure 5.2),  the 

correction  factor  CE  (function  of  visual  angle)  was  determined  for  each  of  the  three 

retinal images.  

 

As  the  collimated  SLD  beam  can  focus  a  retinal  image which  is  so  small  to  be  nearly 

diffraction  limited,  the  ANSI  standards  define  the  effective  retinal  image  of  25μm 

(αmin=1.5mrad  subtended  apparent  source  angle)  as  the  minimal  “thermal”  retinal 

dimension. Thus,  the correction  factor CE of equation SP was set  to 1  for  the spot MPФ 

calculation.  For  non‐uniform  or  non‐circular  sources  the  standard  defines  the  angle  of 

the  apparent  source  as  the maximum  effective  diameter  or  dimension. Given  that  the 

exposed  retinal  ring  source  is an extended non‐uniform  source,  the maximum effective 

diameter  of  the  retinal  ring  corresponds  to  a  0.75 mm  circle  or  beam  diameter.  From 

Figure 5.2  it was calculated that this circle corresponds to a subtended apparent source 

angle of 44 mrad and thus, the correction factor CE is 29.3. 

 

In addition, Delori et al.205 also provided  the effective CE’  for non‐circular  sources, such 

as rectangles, slits and squares. Since the angular width of the line (circumference of the 

ring) equals the beam diameter (αmin, small source) the equation for the slit was used to 

describe the line exposure (Figure 5.2).  

Retinal Images:

Visual Angle α:

1.5 mrad 44 mradLength: 138 mrad

Height: 1.5 mrad

Spot Circle Ring

=Line = circumference of the ring

Retinal Images:

Visual Angle α:

1.5 mrad 44 mradLength: 138 mrad

Height: 1.5 mrad

SpotSpot CircleCircle Ring

=Line = circumference of the ring

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

172 

To  account  also  for  the  factor  of  ocular  scanning,  the  definition  from Delori  et  al.’s205 

pulsed  line segment  (PLS, Figure 5.5) exposure was used. For  this,  the correction  factor 

CE’ was determined using the same equation as  for the  line exposure. The  length of the 

pulse segment now varies as a function of scan frame rate F. 

 

Figure 5.5:  Pulsed Line Segment (PLS) definition 

Table 5.2 (top) provides an overview of all four exposures and their retinal  image shape 

characteristics and  the respective  formulations, which were used  to calculate  the visual 

angle dependent correction factor CE.  

5.2.2.3.2 Maximum Permissible Exposure as a Function of Exposure Duration 

Using the correction factor CE or CE’, the MPФ was calculated for all four sub‐exposures, 

i.e.  spot,  circle,  line,  and  PLS.  Table  5.2 provides  the detailed MPФ  calculations  for  an 

exposure  duration  of  0.05  seconds.  This  is  the  approximate  intended  scan  duration  to 

illuminate each of  the 11  retinal  locations during  the EM peripheral  refraction  scan.  In 

addition, Figure 5.6 provides the MPФ as a function of exposure duration for each of the 

four retinal image exposures.  

 

Overall,  the MPФ  analysis  showed  that  the  spot  exposure was  the most  limiting  sub‐

exposure and the circle exposure was the  least restricted. However, with respect to the 

exposed area, it is the line and the PLS exposure that come closest to the real retinal ring 

scan  illumination.   When  comparing  repetitive PLS exposures  for different  frame  rates, 

RP3 always provided the most conservative MPФ value out of the three repetitive pulse 

exposure rules. When comparing the MPФ values for the single pulse  line exposure with 

the PLS exposure (RP3 rule), the  latter was the  limiting factor only  if the frame rate was 

very high  (Table 5.2 and Figure 5.6). For slower  frame rates,  it was  the single pulse  line 

exposure  that provided  the more  conservative  exposure  limit. Dependent on  the  EM’s 

final scan frame rate for the ring scan  illumination, Figure 5.6 provides an overview and 

comparison of the MPФ for all four sub‐exposures as a function of exposure duration. 

Ring

=

PLS (Pulsed Line Segment -depends on Frame Frequency F)

Line = circumference of the ring

PLS

tmin=18μs

RingRing

=

PLS (Pulsed Line Segment -depends on Frame Frequency F)

Line = circumference of the ring

PLS (Pulsed Line Segment -depends on Frame Frequency F)

Line = circumference of the ring

PLS

tmin=18μs

PLS

tmin=18μs

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

 

173 

 

Table 5.2:  MPФ calculation for all single pulse simulations (spot, circle and  line) as well as PLS exposure when the measurement of one of the 11 retinal positions takes 0.05 seconds.  

  *For the application of the exposure rules see equations of Figure 5.2 and Figure 5.3. 

  

Frame Rate -

Fframe

Length Width

= Circumference

= π* Retinal Image Diameter

αmin αC αL αW=αmin

1.5 mrad 44 mrad 138 mrad 1.5 mrad0.1° 2.52° 7.91° 0.1°

0.025 0.75 2.35 0.025

Circle Circle

CE

Formula- α/αmin

CE 1 29.33

Single Pulse (SP)

Single Pulse (SP)

Repetitive Rule 1 (RP1)

Repetitive Rule 2 (RP2)

Repetitive Rule 3 (RP3)

Repetitive Rule 1 (RP1)

Repetitive Rule 2 (RP2)

Repetitive Rule 3 (RP3)

Repetitive Rule 1 (RP1)

Repetitive Rule 2 (RP2)

Repetitive Rule 3 (RP3)

t1 (sec) - Single

pulse durationT (sec) - Pulse train duration

tline (sec)

Number of lines in PLS

2.67 78.19 24.64 942 13.86 38.05 144.85 11.97 47.83 18.3 8.51

5.0×10-5

2

1.8×10-5

0.05

5.0×10-4

2

>tmin

Ring = LineLine Scan

Duration (sec)5.0×10-3 5.0×10-4 5.0×10-5

10000 Hz100 Hz 1000 Hz

Length Width

1.5 mrad

Length Width

1/(Frame Rate*Number of lines in PLS)

5 mrad

Length

Slit

CE

=Frame Rate *T*number of segment lines

1000

αW=αmin

1.5 mrad

= Beam Diameter = Beam Diameter = Beam Diameter =t min*a/t line

t line=1/(2*F frame)Retinal Image Characteristics

Pulsed Line Segment = PLS

1/(Frame Rate*Number of lines in PLS) 1/(Frame Rate*Number of lines in PLS)

αPLS

49.7 mrad

= Retinal Image

Diameter

1.8×10-5

0.05

Retinal Image

Source Shape

Visual Angle α

Spot Circle

= Beam Diameter

ANSI Rules

Exposure Rules*

2.85°0.1°0.1°0.1° 0.29°

0.025 0.025

1.27

Exposure Duration t (sec)

MPbeam (mW)

2.47

Number of pulses

0.05 0.05

100=Frame Rate *T*number of

segment lines

(8*αPLS)/(π*(a max+a min)

=t min*a/t line

t line=1/(2*F frame)

αPLS

1.5 mrad

αW=αmin

Slit

=(8*αPLS)/(π*(a max +a min)

Slit

=(8*αPLS)/(π*(a max +a min)

0.1°

0.085 0.025 0.845 0.025

1.5 mrad

αPLS αW=αmin

Single Pulse (SP)

0.05

Slit

(8*α L)/(π*(a max+a min)

3.46

Width

=t min*a/t line

t line=1/(2*F frame)

1.97

= Beam Diameter

9.23

=Frame Rate *T*number of segment lines

10

1.8×10-5

0.05

5.0×10-3

2

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

174 

 

Figure 5.6:  Maximum permissible MPФbeam in mW for all sub‐exposures, i.e. spot (red), circle (pink), line (green), PLS – F 100 Hz (blue – dashed), PLS – F 1000 Hz (turquoise – dashed) and PLS – F 10000 Hz (light blue – dotted). 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

175 

5.2.2.3.3 Repeated Refraction Measurements 

In general,  it  is common practice to perform several repeats not only for peripheral but 

also  for  central  refraction  measurements.  To  ensure  safe  use  for  repeated 

measurements over  a  certain period of  time when using  the proposed  EM  instrument, 

the  ANSI  repetitive  pulse  rules  (Figure  5.3)  were  applied.  For  this  analysis,  the  line 

exposure was  chosen  as  it best describes  the  exposed  retinal  area with  respect  to  the 

single pulse exposure analysis.  

Table 5.3:   Maximum permissible exposure in mW.  

  Calculations are based on a wavelength of 830 nm and the duration of the single pulse retinal ring (line = ring circumference) projection is 0.05 seconds.  

Number of measurements 

per day 1  2  3  5  10  20  50  100 

Maximum Permissible Exposure in 

mW  

9.23  7.76   7.01  6.17  5.19  4.36   3.47   2.92 

The  results  are  shown  in  Table  5.3,  indicating  that  even  in  the  unlikely  event  of  50 

peripheral  refraction measurements  per  day  (50  x  11  individual  retinal  rings),  the  EM 

light source with a maximum output power of 3.0 mW  (Section 5.2.1.1) operates below 

the maximum permissible exposure.  

5.2.2.4 Discussion  

The  EM’s  operation  is  based  on  the  same  ring‐autorefraction  principle  as  the  Shin‐ 

Nippon  NVision  K5001  autorefractor.  The  proposed  imaging  procedure  for  the  EM, 

however,  differs  in  that  it  requires  ocular  ring  scanning  and  off‐axis  illumination. 

Therefore,  it was  important to source and assess the additional components required to 

achieve  this  illumination  technique,  while  also  ensuring  that  optical  radiation  safety 

limits are not exceeded for clinical use.  

5.2.2.4.1 ANSI Exposure Limits and Ocular Scanning  

In  general,  the  ANSI  limits  are  based  on  literature  reports  of  eye  damage  after  laser 

exposure of different wavelengths and  they are “set  to be at  least 10  times  lower  than 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

176 

the damage  threshold,  expressed  as  a 50% probability of  a minimum  visible  lesion”.205 

These standards cover either single or repetitive pulse source exposures to the eye, but 

they  do  not  consider  the  specific  cases  of  ocular  scanning  or  off‐axis  illumination,  as 

proposed for the EM instrument. During the ring scanning process, the small spot images 

are partially overlapping on the retina and the temperature gradient changes during the 

movement within  two neighbouring points. With respect to this special ocular ring scan 

illumination,  a  thorough  analysis was  conducted  to  assess  all  possible  exposures  that 

cover this new illumination feature. 

 

Firstly, single pulse exposures were assessed using the ANSI standards and the definition 

of Delori et al. on non‐circular exposed retinal areas, which are defined by a visual angle 

subtending  an  equivalent  circular  area. On  the basis of  the  EM’s  ring  illumination,  the 

visual angles for the circle and the line exposure (ring circumference) as well as the spot 

exposure  (worst  case  scenario)  were  therefore  assessed  with  respect  to  single  pulse 

exposure.  For  the  same  exposure  duration  of  0.05  s,  it was  the  spot  exposure which 

proved  the most hazardous  (MPФ  is 2.67 mW),  followed by  the  line  exposure  (MPФ  is 

9.23 mW) and  lastly,  the circle exposure  (MPФ  is 78.19 mW). To compare similar single 

pulse  exposures  to  that of  the  EM  light  source  application,  one  example  for  threshold 

determination after a near‐infrared Maxwellian‐view exposure  is given by  the  study by 

Roach et al.,208 who compared the effects of 10 s near‐infrared laser irradiation (860 nm, 

60 μm retinal spot) on four primate eyes with an implemented standard thermodynamic 

model.  Experimentally,  they performed  threshold measurements  for  the occurrence  of 

minimum  visible  lesions  on  primate  retinas,  by  varying  power  levels  and  number  of 

exposures. They found the minimum visible  lesion threshold power to be 27.0 mW after 

one hour post‐exposure assessment, which is in very good agreement with their thermal 

model damage  threshold calculation of 24.12 mW. Their  threshold  results are 12  times 

greater than the MPФ obtained by ANSI exposure limits.  

 

Safety  for ocular scanning  first became  relevant with  the  introduction of  the  first SLOs. 

Due to the limitations of safety standards in terms of scanned light exposure, Klingbeil207 

performed an extensive analysis on retinal temperature rise during intra‐ocular scanning 

using a theoretical thermal model in order to find a safe measure.  Specifically, he aimed 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

177 

to  predict more  accurate  light‐level  limits  for  intrabeam  ophthalmic  scanning  devices 

(i.e.  SLO)  by  comparing  several  ANSI  retinal  exposure  limits  to  predicted  retinal 

temperature  increase.  He  found  best  similarity  when  comparing  thermal  effects  of 

retinal  scanning with  extended  pulsed  source  illumination. He  also  concluded  that  the 

calculated ANSI power  levels  for SLOs at  that  time were 100‐5000  times  less hazardous 

than  his  recommendations  based  on  his  theoretical  model.  De  Wit204  also  described 

safety  norms  for  a  laser  scanning  Maxwellian  view  system  with  respect  to  the  SLO 

device. By comparing pulsed intrabeam exposure with pulsed extended source exposure, 

he also concluded that the latter illumination provided the greatest degree of protection 

for SLOs. 

 

The most recent approach on safety assessment for ocular scanning was done by Delori 

et al.,205 who suggested a different method to the one used by De Wit204 and Klingbeil.207 

Instead  of  assessing  the  pulsed  extended  source  exposure  with  respect  to  ocular 

scanning, Delori et al.205 used  the PLS exposure and compared  it  to  the subtended area 

single pulse exposure. For their SLO analysis they assessed the MPФ with respect to the 

SLO’s  operating  wavelength  range  400‐800  nm  and  concluded  that  although  a  single 

pulse  exposure over  the  entire  field  is  the most  conservative model  for  small  fields  at 

short‐wavelengths, for larger wavelengths greater than 700 nm the PLS exposure is to be 

selected as safest. The analysis presented here of the EM’s ocular ring scan  illumination 

showed  that when  comparing  the  line and PLS MPФs  in  Figure 5.6,  the PLS  calculation 

provides the more restrictive exposure when the ring is scanned at a very fast scan frame 

rate. For slower scanning the single pulse  line exposure provides the more conservative 

MPФ.  

5.2.2.4.2 Illumination of Peripheral Retinal Locations 

The ANSI standards are not only deficient with respect  to ocular scanning but also with 

respect to the assessment of peripheral retinal  imaging as aimed with the proposed EM. 

The only ANSI statement made with respect to off‐axis illumination is that “combinations 

of  sources whose  centres  are  separated  by  an  angle  greater  than  αmax  (100 mrad)  are 

considered  as  independent”.  According  to  that,  the  minimum  distance  where  each 

retinal spot can be considered as an  individual exposure  is 1.70 mm  (visual angle αmax = 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

178 

100 mrad). Using a ray‐tracing approach, the distance between the ring centres of each 

of the adjacent illuminated retinal locations was calculated to be approximately 2.9 mm.  

 

Having,  no  specific  off‐axis  illumination  standards  available,  studies  on  the  peripheral 

retina may provide greater clarification on  the  impact of exposures on different  retinal 

locations. As mentioned earlier, thermal retinal damage occurs at threshold levels due to 

strong  light absorption by melanin of the retinal pigment epithelium.196, 202, 205 Although 

attempts were made to measure melanin concentration as a function of retina  location, 

different  results  were  reported,  making  a  prediction  of  off‐axis  light  absorption 

inconclusive.196, 209, 210  Polhamus  et  al.211  developed  a model  to  estimate  laser‐induced 

threshold damage  in  the peripheral  retina. Their predictions  show  that with  increasing 

distance from the macula into the periphery, the threshold for retinal injury rises.  

 

Variation  in  fundus  reflectance with  retinal  location  is  of  particular  interest when  the 

reflected light requires it to be detected efficiently, for example, for refraction purposes. 

Delori  and  Pflibsen196  compared  fundus  reflectance  on  three  different  retina  locations 

within  a  wavelength  range  of  445  ‐  805  nm.  They  showed  that  fundus  reflectance  is 

affected  by  the  degree  of  pigment  distribution  in  relation  to  the  retina  location 

measured. They found that the longer the wavelength and the further into the periphery 

it extended, the higher the fundus reflectance.  

 

A  review  by  Berenschot  et  al.212  lists  several  studies  and modelling  investigations  into 

central and peripheral fundus reflectance. These studies considered not only reflectance 

with respect to pigment distribution but  investigated the different  layers describing the 

fundus. One concise  fundus  reflection model by van de Kraatz et al.213  incorporates  the 

impact  of  the  Stiles‐Crawford  Effect,  by  including  a  retinal  angle  parameter  that 

describes the directionality of the photoreceptors. This model provides an understanding 

of the degree of captured  light and the degree of receptor disc reflectance. For the EM, 

this  may  be  of  relevance  considering  that  the  illumination  beam  for  on‐axis 

measurements  is  perpendicular  to  the  retina,  but  for  off‐axis  measurements,  the 

incidence of the  illumination beam  is oblique on  the retina. This  impact of oblique  light 

reflection on the off‐axis fundus was modelled and experimentally determined in a study 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

179 

by Bedell and Enoch.214 They  investigated the directionality of the retina for central and 

eccentric  retina  locations up  to 35°  and  found  that  independent of  retinal  location,  all 

photoreceptors on the retina align approximately with the centre of the pupil of the eye. 

As  such,  the  Stiles‐Crawford  Effect  exhibits no  impediment  to  the  EM  application with 

respect to amount of fundus reflectance needed. 

 

In summary, with respect to the  illumination of peripheral retinal  locations as proposed 

for  the EM  instrument,  it  can be  concluded  that under  consideration of  the  statement 

made within ANSI standards, the retinal damage thresholds found across the retina and 

the increased fundus reflectance in the periphery, the above calculation for the ring scan 

illumination will  provide  exposure  limits  that  safely  cover  both,  on‐  as well  as  off‐axis 

ring scan exposures.  

5.2.2.4.3 Scanner Safety 

In  the current  safety analysis, a  single  spot or beam exposure was  included. This worst 

case  scenario can only occur  if  the  scanner were  to  fail  in a position where  light  is  still 

directed  towards  the  eye. However,  the  selected  galvanometer  scanners  are  equipped 

with the intrinsic safety feature to steer the beam away from the eye as soon as there is 

a system shutdown or malfunction and thereby preventing accidental exposure to a non‐

scanned beam.  In addition,  to  the scanners’  in‐built safety  features,  the ANSI standards 

recommend  that  any  “Class  3B  laser  or  laser  system  should  be  provided  with  a 

permanently  attached  beam  stop  or  attenuator.”  Hence,  a  spring  loaded  mechanical 

shutter has been selected to normally block the  light beam. A solenoid pulls the shutter 

open briefly while the refraction scan can be performed.  

5.3 Component Criteria for Image Detection  

In  addition  to  the  safety  and  design  considerations  for  the  illumination  path,  the 

reflection  path  also  required  special  optical  configuration  and  component  selection, 

primarily with respect to minimising  interfering reflections and permitting the rapid and 

precise capture of the reflected ring images.   

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

180 

5.3.1 Reduction of Interfering Reflections 

Reflections  that  occur  from  optical  surfaces  such  as  the  optical  EM  components,  i.e. 

lenses, mirrors and prisms, or the anterior ocular surfaces are disadvantageous, as they 

can adversely affect the detection and thus, analysis of the captured retinal ring images. 

Possible provisions  to overcome  the obstacles of unwanted  reflections when detecting 

EM retinal images have been considered as follows.  

 

Coatings  on  ocular  surfaces  control  light  reflection  and  transmission  through  the 

mechanisms  of  optical  interference.  Particularly,  wavelength‐specific  anti‐reflection 

coatings can reduce reflections  to  less  than 1% on optical surfaces and  thus, are widely 

used  in many optical applications and  instruments. Nevertheless,  for  the EM purposes, 

elimination of reflections on optical surfaces alone  is not sufficient, as unwanted ocular 

reflections from cornea and the crystalline lens surfaces remain.    

 

Figure 5.7  illustrates how the use of  linear polarisers and beam splitters can be used to 

reduce reflections from the cornea and crystalline  lens surfaces and permit detection of 

reflections  from  the  retina.  Firstly,  the non‐polarised beam of  the  light  source  (SLD)  is 

linearly  polarised  in  order  to  generate  s‐polarised  light.  This  light  propagates  to  the 

polarising  cube  beam  splitter,  which  is  the  optical  component  that  separates  the 

illumination  from  the  reflection paths.  Its polarising properties permit  the  reflection of 

the s‐polarised light, which is directed towards the eye. Whereas, the crystalline lens and 

the  cornea  are  highly  reflective  ocular  surfaces  which  maintain  polarisation  of  the 

reflected  light,  the  retina acts as a highly diffuse  reflector,  reflecting de‐polarised  light. 

At the polarising beam splitter, only the p‐component of the reflected retinal  image can 

pass  through  to  the  detector  and  the  s‐polarised  light  from  the  cornea  and  crystalline 

lens is deflected. The p‐polarised light, as reflected from the retina, can be captured and 

analysed.  

When using polarising optics,  it should be noted  that although  the state of polarisation 

does not affect the measurement output,215 polarising filters and beam splitters result in 

loss of light, which may need to be compensated.  

 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

181 

 

Figure 5.7:   Graphical illustration on the use of linearly polarised light for the reduction of interfering reflections.   

5.3.2 Translation Stage and CCD Sensor 

For detection of the retinal ring image, the Sony CCD sensor ICX445 was selected (Basler 

Scout, Basler Vision Technologies, mono) with high resolution  (1296 × 966 pixels), small 

pixel  size  (3.75  μm)  and  high  frame  rate  (32 Hz).  A  fast  and  precise  linear  translation 

stage  (Physik  Instrumente  (PI) GmbH & Co. KG, M‐122.2DD Precision Micro Translation 

Stage) with a travel range of 25 mm and a maximum velocity of 20 mm/s was selected to 

permit  the  movement  of  the  camera,  in  order  to  compensate  for  large  spherical 

refractive  errors.  By  combining  camera  position  with  automated  image  analysis  to 

extract the ring size and distortion  information, the sphero‐cylindrical refraction output 

of the eye can be determined. 

5.4 Experimental  Validation  of  the  Ring‐Autorefraction 

Principle 

5.4.1 Methods 

5.4.1.1 Experimental Set‐Up and Procedure 

As a preliminary validation step for the optical design, image capture and image analysis, 

the critical components required for the on‐axis autorefraction principle of the EM were 

assembled  and  tested  on  the  optical  bench.  The  components  required  for  the  on‐axis 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

182 

ring‐scan  illumination,  i.e.  x‐y galvanometer  scanner and  light  source, were  connected, 

installed and configured using customised software. This software permitted the change 

in settings of the x‐y scanner with respect to scan frame rate, centration and ring  image 

size/shape. For ease of alignment, the light source used for this experimental set‐up was 

a  fibre  coupled  red  laser  (Melles Griot  57  PNL  062/P4/S) which operates  in  the  visible 

spectrum (λ = 635 nm) with 7 mW output power. The critical optical on‐axis components, 

such as  lenses, polariser and polarising cube beam splitter, were positioned and aligned 

on the optical bench. Figure 5.8 provides the  layout of the experimental set‐up with the 

relevant  components.  Optical  components  were  assembled  according  to  the  optical 

illumination and  reflection path designs as developed  in Section 4.1.3. The camera was 

installed and settings with respect to brightness, contrast and exposure were adjusted to 

provide sufficient signal levels for the image capture.  

 

For  the  initial  testing,  a  calibration model  eye  (Shin‐Nippon NVision  K5001  calibration 

model eye) was measured. The CCD of the camera was positioned on an adjustable rail, 

which  permitted  the  manual  movement  through  the  focussing  range.  A  number  of 

different trial lenses were placed in front of the model eye to induce a known amount of 

refractive  error.  The  CCD was  axially  adjusted  until  best  focus  of  the  ring  image was 

achieved.  The  image  was  then  captured  and  the  respective  detector  position  was 

recorded.  With the help of the Brien Holden Vision Institute Technology Group, a further 

software  program was  developed which  assesses  the  luminance  threshold  of  the  ring 

image  and  applies  a  circle/ellipse  fitting  algorithm  in  order  to  determine  the  size  and 

shape  factor  of  the  reflected  captured  ring  images.  From  this,  the  sphero‐cylindrical 

refraction output was determined. 

In order  to assess  the  feasibility of  capturing  and  analysing  small  changes  in  refractive 

error,  low powered  trial  lenses were placed  in  front of  the  calibration model eye. This 

was  done  in  five  sequentially  0.25D  steps, measuring  refraction  from  0.00  to  ‐1.00D. 

After manual  adjustment  of  the  CCD  position  to  achieve  best  focus  for  each  induced 

small refractive error change, the detector images were recorded and analysed using the 

circle/ellipse fitting algorithm. The procedure of aligning the five positions was repeated 

three times. 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

183 

 

Figure 5.8:   Layout of the optical bench set‐up. 

  a)  the  illumination path which generates  the  ring  image  that  is projected onto the retina and b) the reflection path which captures the reflected retinal  image. Focal  lengths  of  lenses  and  distances  between  lenses  were  assembled  in accordance with the optical path designs from Section 4.3.1.  

5.4.1.2 Investigation of Shin‐Nippon Detector and Retinal Images 

Despite  the  restricted  information pertaining  to  the optical  system of  the  Shin Nippon 

NVision  K5001,  determination  of  detector  and  retinal  image  size  and  image  size 

sensitivity  as  a  function  of  refractive  error  can  provide  some  cross‐validation  of  the 

autorefraction principle between the Shin‐Nippon NVision K5001 and the proposed EM.  

 

As  the detector  image  is of  little  interest  to practising clinicians,  it  is solely  the sphero‐

cylindrical refraction output which is the commonly displayed parameter on the monitor 

of  the  Shin‐Nippon  instrument.  Nevertheless,  the  image  capturing  feature  within  the 

instrument also permits the assessment of the detector  images. Access to these  images 

was obtained by altering the menu in the “Maintenance Mode”. To select this menu, the 

measurement button had to be held down whilst the autorefractor was turned on. After 

approximately 10  seconds  a buzzer  sounded  twice  and  the measurement button  could 

been released. From the menu the option “Freeze Image” was selected, which displayed 

SLD

X‐y scanner

Polarizing Cube Beam Splitter (30/70%)

Polarizer

Lens 1Calibration Model Eye

Lens 1Calibration Model Eye

Lens  2

Lens  3

Movable CCD

a)

b)

Aperture

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

184 

the detector image on the monitor once a measurement has been taken. Retrieval of the 

displayed  detector  image  was  done  by  using  the  instruments  in‐built  low  resolution 

printer as well as by  interfacing  the display monitor to an external computer. For this a 

USB  video  capture  device  and  a  video  capturing  and  processing  software  (VisioForge 

Video Capture SDK) were used to permit the capture of the detector images. Again, using 

a  calibration model eye  and  a  set of  trial  lenses,  these detector  images were  assessed 

with respect to image size sensitivity as a function of refractive error.  

 

Moreover, a calibration model eye with a plane retinal surface was used to assess retinal 

ring image size and image size sensitivity of the Shin‐Nippon NVision K5001. The infrared 

ring  image  which was  projected  onto  its  retina was  captured with  an  infrared  digital 

camera during the measurement. The procedure of capturing the retinal ring is indicated 

in Figure 5.9. A known amount of refractive error was induced with a set of different trial 

lenses, which were placed as close as possible  in  front of  the model eye.  In addition, a 

rule  placed  at  the  plane  of  the  retina was  captured  together with  the  retinal  ring  to 

provide a reference scale for the subsequent determination of the retinal ring image size 

as a function of refractive error. 

 

Figure 5.9:   A calibration model eye with a known induced refractive error (trial lens) was measured with the Shin‐Nippon NVision K5001.  

  An  image of  the  reflected  infrared  retinal  ring and a  reference scale  (rule) was captured using a digital infrared camera.  

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

185 

5.4.2 Results 

5.4.2.1 Cross‐Validation  of  the  Autorefraction  Principle with  optical  ZEMAX 

design 

Figure 5.10  illustrates  the detector  images  as  computed  for  a  range of  refractive error 

eyes when using the optical design  in ZEMAX as well as when the  images were recorded 

at the position of best focus using the optical bench experiment.  

 

Figure  5.10  shows  that  the  image  sizes  of  the  computed  and  captured  images  are 

comparable. Moreover,  it  was  confirmed  that  the  approximate  distance  between  the 

most  hyperopic  and  the  most  myopic  focussed  detector  position  was  about  22  mm, 

which  is  in  good  agreement with  the  computed distance of  the optical  reflection path 

design.   

 

Figure 5.10: Detector images for a range of refractive error eyes as computed with ZEMAX (TOP) and as captured on the optical bench set‐up (BOTTOM).  

Using  the  circle/ellipse  fitting  algorithm  and  pixel‐by‐pixel  analysis,  small  changes  in 

refractive  error  were  assessed  with  respect  to  the  captured  ring  images.  Figure  5.11 

shows  the  number  of  pixels  that  define  the  radius  of  the  captured  ring  image  as  a 

function  of  change  in  refractive  error. Due  to manual  focus  adjustment  on  the  optical 

bench  rail,  the  standard  errors  for  the  three  repeats were  large;  however,  the mean 

slope of three measurements correlated very well (Figure 5.11).  

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

186 

 

Figure 5.11: The number of pixels (± SD) that define the radius of the captured ring  image as a function of change in refractive error. 

5.4.2.2 Cross‐Validation of the Autorefraction Principle with the Shin‐Nippon 

Autorefractor 

Using the same calibration model eye and a set of trial lenses, the detector images of the 

Shin  Nippon  NVision  K5001  autorefractor  were  printed  (Figure  5.12).  The  detector 

images of the Shin‐Nippon  instrument corresponded well to the  images captured on the 

optical bench with respect to image size and their relative changes with refraction.  

 

Figure 5.12: Printed detector images of the Shin‐Nippon NVision K5001 for an emmetropic eye and a +15D hyperopic and ‐15D myopic eye.  

As there is no information about the optical autorefraction path design of the instrument 

or  the  CCD  features  or  the  image  analysis  algorithm,  the  retinal  image  sizes  obtained 

with  the  Shin‐Nippon NVision  K5001  and  the  illumination  path  design  of  the  EM were 

also  investigated. Figure 5.13 details the comparison of the retinal ring  image diameters 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

187 

(in mm) as a function of refractive error change (in D) between the Shin‐Nippon NVision 

K5001 and the illumination path design of the EM.  

 

Figure 5.13: The comparison of  the  retinal  ring  image diameters  (in mm) as a  function of refractive error change (in D) between the Shin‐Nippon NVision K5001 and the illumination path design of the EM. 

It  shows  that  the  Shin‐Nippon  instrument  projects much  larger  ring  images  onto  the 

retina, when  compared  to  the optical design of  the  EM, which  is more  restricted with 

respect  to  its  numerical  aperture  (NA).  As  expected  ring  image  sensitivity,  that  is  the 

slopes of retinal image size as a function of change in refractive error, compared well for 

both methods. 

5.4.3 Discussion 

5.4.3.1 On‐Axis Optical Bench Experiment   

To validate the on‐axis autorefraction principle of the EM, the ring scan illumination and 

the  reflection  paths  were  set  up  on  the  optical  bench.  In  an  initial  experiment,  the 

measurement  range of different  refractive errors,  from most hyperopic  to most myopic 

eye, was tested using a calibration model eye and high powered trial lenses. For this, the 

CCD camera was manually aligned  in the position of best focus. The experiment showed 

that  for  the  range of  refractive errors measured,  the  ring  images  captured on  the CCD 

agreed well with  the  image  sizes  computed  from  the  illumination  and  reflection  path 

design in Chapter 4. The translation distance of the CCD was also in accordance with the 

y = ‐23.17x + 43.15

r² = 0.99

y = ‐20.61x + 22.71

r² = 0.98

‐20

‐15

‐10

‐5

0

5

10

15

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60

Change

 in Refractive

 Error (in D)

Retinal Ring Image Diameter (in mm)

Shin‐Nippon Nvision K5001

EM Illumination Path 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

188 

theoretical calculations, confirming  the suitability of  the selected  translation stage. The 

second experiment aimed to assess whether smaller refractive error changes can reliably 

be detected using  the  circle/ellipse  fitting algorithm and  the  selected CCD camera. The 

same calibration model eye and a  series of  spherical  trial  lenses  increasing  in power  in 

0.25D  steps were  chosen  to  induce  these  small  refractive error  changes. Despite  some 

inaccuracies with the manual adjustment of the CCD for best focus position, the average 

circle diameter that was fitted to the detected ring images correlated well with the small 

changes  in  refractive error. From  this  it can be concluded  that using such a set‐up with 

the  optical  components  chosen,  it  is  possible  to measure  the  desired  refractive  error 

range with a 0.25D resolution when images are adjusted for best focus.  

 

One  key difference  in  the optical design between  the  Shin Nippon  instrument  and  the 

EM is the NA on the object side. With an objective lens diameter of ~30 mm and a focus 

distance to the eyeball of ~150 mm, the NA of 0.20 of the Shin‐Nippon NVision K5001  is 

much  larger  than what can be achieved with  the EM. With  the selected scan  interval of 

10°  field  angle,  the  EM’s  maximum  achievable  NA  is  0.16.  Given  some  engineering 

constraints, the EM has a NA of only 0.12.  

 

Despite the fact that information of the Shin‐Nippon NVision K5001’s CCD detector is not 

available,  assessment  of  image  size  sensitivity  on  the  detector  was  possible  and  was 

shown to be in good agreement with that of the optical bench experiment. Similarly, the 

slopes of retinal ring  image size as a function of refractive error compared well for both 

methods. 

5.4.3.2 Major Obstacles Encountered During Experimental Testing  

5.4.3.2.1 Image Analysis for Off‐Axis Ring Images 

The experiments performed on  the optical bench assessed  the measurement  range and 

measurement  sensitivity of  the EM’s on‐axis  illumination and  reflection paths. For  this, 

the  images were aligned and captured  in best focus position. However, as the refractive 

error of the eye changes with increasing visual field angle, the best focus position for the 

image on  the CCD detector also  changes. Aiming  to have an  instrument  that measures 

peripheral  refraction  in  less  than one  second,  the CCD camera would either have  to be 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

189 

moved very quickly in between the 11 scan positions, or be in a stationary position at the 

best  averaged  focal  position  and  capture  images,  some  of which will  be  out  of  focus. 

Despite the fact that most of the components permit the fast scanning and translation, it 

was  found  that  the  camera  itself  limits  the  operational  goals  with  respect  to 

measurement speed  if each of  the 11 positions had  to be aligned  for best  focus before 

being captured. In order to achieve images of high resolution at low light levels, a certain 

camera  integration  time  is  required  per  image,  which  would  eventually  prolong  the 

intended  peripheral  refraction  scan  duration.  With  rapid  scanning  of  the  peripheral 

refraction profile being a key feature and requirement of the EM, the only alternative  is 

the capturing of all 11  images at one single translation stage position. The best average 

CCD  position  may  be  determined  from  an  initial  alignment  scan  that  computes  an 

average  focal position  from  three  visual  field positions,  i.e.  0°  and  ±50°. At  this  stage, 

first attempts to analyse ring images that are well‐out‐of focus were not successful when 

using the current circle/ellipse fitting program.  

5.4.3.2.2  Impact of Higher‐Order Aberrations on Peripheral Ring Images 

As  the  initial optical bench  experiment was not  set up  for  testing  in humans,  a  simple 

calibration model eye with plane retinal surface was measured. In addition, experimental 

autorefraction measurements with  the  Shin‐Nippon NVision  K5001 were done on both 

the calibration model eye and human eyes. When capturing the detector images with the 

Shin‐Nippon NVision  K5001,  a  few  eyes were  also measured  during  off‐axis  fixation.  It 

was  observed  that  some  detector  images  measured  during  peripheral  refraction 

appeared  to  be  slightly  asymmetric  or  distorted  in  shape  and  sometimes  also  in 

luminosity. Due to the restrictions in assessment of these low resolution detector images 

and due to the unknown  image analysis algorithm of the Shin Nippon NVision K5001, an 

attempt was made  to model  the  retinal  ring  image  shape  as  a  function  of  visual  field 

angle, in order to further investigate these observed distortions of the ring images.  

 

Into‐the eye‐ray trace was performed using the EM reference model eye (Section 4.2.1.1) 

and  the  illumination  path  design  (Section  4.3.1.2).  To  assess  the  ring  shape  in  the 

periphery, a coordinate break was inserted prior to the surface of the anterior cornea in 

the  ZEMAX  Lens Data  Editor.  Parameter  3  (PRAM  3,  tilt)  of  this  coordinate  break was 

altered  to  induce  eye  turn with  respect  to  the  illumination  beam  of  up  to  50°  in  10° 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

190 

steps. Previously  (Section 4.3.1.2),  the  illumination path was  simplified, by propagating 

the on‐axis circular beam through the pupil. However, in order to understand the change 

of the retinal ring image size and shape as a function of visual field angle, two additional 

surfaces of zero thickness were  inserted prior to Lens 1 which permits the generation of 

a ring shaped beam. Specifically, this was done by defining the first surface as an angular 

aperture,  whose  size  defines  the  outer  ring  diameter  and  the  second  surface  is  an 

obscuring aperture, whose  size defines  the  inner  ring diameter. Together,  the  surfaces 

generate an  illumination ring of defined width. The generated retinal ring  image can be 

assessed  either  by  using  the  ZEMAX  spot  diagram  feature  or  by  computation  of  the 

marginal positions of  the  ring  retinal points using ZEMAX  ray‐trace analysis. Due  to  the 

different sizes of ring  images projected onto the retina when using the EM and the Shin 

Nippon NVision K5001 (Section 5.4.2.2) concept, changes of the retinal ring image size as 

a  function  of  visual  field  angle  for  different  NA’s  were  also  investigated.  Figure  5.14 

illustrates the modelling approach of the peripheral ring illumination in ZEMAX for three 

different NA’s,  i.e. 0.09  (small NA), 0.12  (medium NA) and 0.15  (large NA). Moreover,  it 

shows the plot of the ratio between the tangential retinal ring radii which are distal (–x) 

and proximal  (+x)  to  the  fovea  as  a  function of  visual  field  angle  and NA.  It  should be 

noted  that  the  sagittal  retinal  ring  radii, which  are  superior  and  inferior  to  the  fovea 

respectively, have not been plotted  as  they were not  affected by  the horizontal  visual 

field angle. 

 

The plot  in Figure 5.14 shows that with  increasing visual  field angle and with  increasing 

NA,  the  ratio between  the  ring  radius distal  and  the  ring  radius proximal  to  the  fovea 

gradually decreases.  

From  Figure  5.14  it  is  apparent  that  the  two  tangential  radii  of  the  retinal  ring  image 

obtained with the schematic model eye differ by up to 30% and 44% at 50° for small and 

large  NA’s,  respectively.  As  a  consequence,  the  peripheral  retinal  ring  corresponds 

neither  to  an  annular  nor  an  elliptical  shape.  Instead  it  is  a  non‐elliptical,  asymmetric 

ring‐like  shape.  This  modelling  approach  confirms  the  previously  observed  slight 

asymmetry  in  the peripheral Shin Nippon NVision K5001 detector  images.  It also shows 

that  the  effect  of  this  asymmetry  increases with  increasing  NA.  Thus,  the  asymmetric 

effect would be  smaller with  the  EM  illumination path design,  than  that with  the  Shin 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

191 

Nippon NVision K5001. However,  it  is not only  the NA of  the optical  instrument design 

which  is associated to this asymmetry, but also the change  in the refractive error of the 

eye (the retinal ring image size). 

 

Figure 5.14: Modelling of the retinal ring image as a function of visual field angle. 

  The EM  reference model eye  (Section 4.2.1.1) and  the  illumination path design (Section 4.3.1.2) were used  to model a system with a) small, b) medium and c) larger NA’s. The marginal  retinal  ray coordinates were computed  to determine the  ratio  between  the  tangential  retinal  ring  radii  that  are  distal  (‐x)  and proximal (+x) to the fovea as a function of visual field angle and NA. 

Figure  5.15  illustrates  the  ratio  between  the  tangential  retinal  ring  radii  distal  and 

proximal  to  the  fovea  as  a  function of  visual  field  angle  and  refractive  error. As  visual 

field angle  increases  the myopic eye, which produces  the  larger  retinal  ring  image, has 

the greatest asymmetry along the tangential retinal ring meridian and the hyperopic eye, 

which produces the smaller retinal ring image, is least asymmetric.  

Dependent  on  the  image  analysis  algorithm  of  the  ring  images  with  respect  to  the 

sphero‐cylindrical  refractive  error,  this  finding  could  adversely  affect  the  accuracy  of 

peripheral  refraction  measurement  results  obtained  with  the  Shin‐Nippon  NVision 

K5001. As the Shin‐Nippon NVision K5001 was designed to measure on‐axis refraction, it 

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

192 

is reasonable to assume that the image analysis algorithm fits a best‐fitting ellipse to the 

non‐elliptical  retinal  ring  shapes  to  extract  the  sphero‐cylindrical  refraction  result.  As 

this was also the intended method for the EM image analysis, this asymmetric effect may 

also  affect  the  EM  refraction  results,  although  to  a  slightly  lesser degree,  as  the NA  is 

smaller, reducing the ring image asymmetry. 

 

Figure 5.15: The  ratio  between  the  tangential  retinal  ring  radii  which  are  distal  and proximal to the fovea as a function of visual field angle and refractive error. 

This  finding  suggests  that  the asymmetric higher order aberrations  found previously  in 

the  periphery  of  the  eye  can  affect  the  ring‐autorefraction  operation  principle  as 

commonly  used  for  peripheral  refraction  measurements  (Section  1.3.5).  Instruments 

based  on  the  ring‐autorefraction  principle  do  not  differentiate  between  higher  order 

aberrations  such  as  coma  and  the  lower  order  aberrations  (defocus  and  astigmatism). 

Previously  (Chapter 3)  it was shown pupil misalignment  leads  to  increased sensitivity  in 

peripheral  refractive  error  measurements  with  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001.  It  is 

reasonable to suggest that the asymmetry found  in the peripheral ring  images may also 

have  some  impact on  the misalignment  sensitivity.  In  fact,  it may  explain  some of  the 

differences  identified between  the  schematic model eye and  the measured data  in  the 

pupil alignment  function  slopes. Nevertheless, as  the  schematic model eye  is based on 

certain  assumptions  and  as  there  is  no  information  available  on  the  image  analysis 

algorithm of the Shin Nippon instrument, this remains to be verified.  

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

0 10 20 30 40 50

Ratio betw

een the ‐x radius and the 

+x radius of the retinal ring

Visual Field Angle (in °)

emmetropic eye

‐5 D myopic eye

+5 D hyperopic eye

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

193 

5.5 Future Work  

Despite  the  fact  that  the  EM’s  proposed  autorefraction  principle  was  successfully 

confirmed  in  its operation and  safety,  some of  the experimental work discussed  in  the 

present  chapter  raised  considerable  concerns  with  respect  to  achieving  the  EM’s 

performance goals.    

 

One  of  the  issues  is  related  to  the  intended  rapid  measurement  of  the  peripheral 

refraction  profile.  In  order  to  achieve  a  peripheral  refraction  scan  in  less  than  one 

second, the 11  images have to be captured at one CCD position, even  if they are out of 

focus. Due  to  the  reduced  luminosity profile  for  the captured out of  focus  ring  images, 

the  current  experimental  set‐up,  as well  as  the  circle/ellipse  fitting  algorithm,  require 

further improvement to permit the better capture and analysis of these images.    

 

Of  major  concern  is  the  identified  distortion  of  the  peripheral  ring  images.  With 

increasing  visual  field  angle  and  retinal  image  size  (e.g. myopic  eyes),  the  ring  image 

becomes increasingly more asymmetric. Previously it was assumed that if alignment with 

the  pupil  centre  was  ensured,  the  ring‐autorefraction  principle  would  provide  valid 

sphero‐cylindrical  peripheral  refraction measurements. However,  it  appears  that  these 

peripheral  ring  images  are  affected by higher order  aberrations,  in particular  coma,  as 

they  increase  with  peripheral  visual  field  angle.  Even  if  the  sole  purpose  of  the 

instrument  is  to  measure  the  sphero‐cylindrical  refraction  output,  the  outcome  may 

differ  depending  on  the  ring  image  analysis  algorithm.  The  best  approach  for  the 

computation  of  the  sphero‐cylindrical  refraction  output  may  be  to  find  the  average 

ellipse  that  best  describes  the  ring‐like  shape  and  thereby  ignores  the  asymmetric 

peripheral  ring  shape.  Nevertheless,  if  one  aims  for  accurate  peripheral  refraction 

measurements, it would be of value to also account for this asymmetry in the peripheral 

ring  image.  This may be done by  fitting  a  function  that best describes  this  asymmetric 

ring  shape, perhaps a double‐ellipse  function. From  this  it may be possible  to compute 

the size and shape by providing not only sphere, cylinder and axis values, but also coma. 

Commonly the term coma, however,  is provided  in unit µm, measured with a wavefront 

sensing  technique. Thus, extraction of  the  coma  term  from  the  ring  image may not be 

the most expedient approach.  

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

194 

The  measurement  of  peripheral  higher  order  aberrations  has  gained  attention  most 

recently.  A  study  published  by Mathur  et  al.127 measured  peripheral  aberrations  in  a 

group of emmetropic and myopic young adults. It was found that coma across the visual 

field  varied  significantly  between  both  groups.  In  fact,  coma  slopes  were  two‐fold 

greater  in the myopic group than  in the emmetropic group. The mean slope for coma  in 

myopic  eyes was  ‐0.014  μm/degree, whilst  in  emmetropic  eyes  the mean  slope was  ‐

0.006  μm/degree. Using a  ray‐tracing approach  it was  suggested  that  this difference  in 

the  coma  slopes between both  groups  can be  explained  by  the differences  in  anterior 

corneal  radius of  curvature,  corneal  asphericity  as well  as  axial  length. Moreover,  in  a 

further study, the  impact of age on peripheral aberrations  in emmetropic eyes was also 

assessed.  In  older  eyes  coma  increased with  visual  field  angle  at  a  significantly  higher 

rate (‐0.018 μm/degree) than in younger eyes (‐0.006 μm/degree).61 These findings were 

also confirmed in a larger sample sized study by Baskaran et al.62  

 

With the demonstrated differences in peripheral higher order aberrations, such as coma, 

between  different  population  groups,  it  may  be  of  increasing  importance  for  future 

research  activities  to  neither  ignore  nor  average  these  higher  order  aberration  effects 

when measuring  peripheral  refraction.  Thus,  based  on  this  increased  interest  and  the 

other limitations encountered with the ring‐autorefraction principle, a wavefront sensing 

technique  appears  to  be  the  more  appropriate  operation  principle  for  a  dedicated 

peripheral refraction instruments.  

5.6 Summary and Conclusion 

This  chapter  assessed  the  safety  requirements with  respect  to  the proposed EM’s new 

peripheral  and  ocular  ring  scan  illumination.  For  this,  several  exposure  cases  were 

simulated  and  assessed  and  the  MPФ  with  the  greatest  degree  of  protection  was 

determined.  Under  the  assumption  that  a  single  beam  (non‐scanned)  exposure  is 

prevented,  the  greatest  protection  was  obtained  with  either  the  single  pulsed  line 

exposure  for  slow  to medium  scan  frame  rates or  the PLS exposure  for  fast  scan  frame 

rates. Other  specific  EM  characteristics,  such  as  exposure  of  the  peripheral  retina  and 

possible  malfunction  of  the  scanners  were  also  addressed  with  respect  to  safety 

assessment of the proposed EM instrument.  

CHAPTER 5:  RING‐SCAN‐AUTOREFRACTION PRINCIPLE 

195 

In  addition  to  the  safety  requirements,  this  chapter  also  assessed  the  technical 

implementation and feasibility of the autorefraction principle  for central and peripheral 

refractometry.  Based  on  both,  the  safety  and  component  criteria,  the  EM  on‐axis 

autorefraction principle was experimentally verified on  the optical bench, and was also 

successfully cross‐validated with the Shin Nippon on‐axis autorefraction paths. However, 

an obstacle relating to the ring‐image analysis was identified, which would impair one of 

the main goals of  the EM;  the performance of a peripheral  refraction  scan  in  less  than 

one  second. Moreover,  for  the  peripheral  refraction measurements  it was  discovered 

that higher order aberrations have the potential to  interfere with the sphero‐cylindrical 

refraction  readings.  As  ray‐tracing  and  experimental  testing  have  demonstrated, 

asymmetric higher order aberrations can distort the symmetry and elliptical shape of the 

retinal ring.  

 

This  ring  asymmetry  for  peripheral  measurements  may  not  only  affect  the  sphero‐

cylindrical  peripheral  refraction  output  of  current  autorefraction  instruments  but  also 

that of  the proposed EM  instrument. With  the aim  to develop an  instrument dedicated 

to measure  peripheral  refraction  accurately,  it  is  of  importance  to  account  for  these 

asymmetric  changes.  The  most  expedient  approach  of  segregating  higher  and  lower 

order aberrations  is by measuring  the eye’s peripheral wavefront  rather  than analysing 

the  asymmetric peripheral  ring when using  the  autorefraction principle.  The  change of 

the  EM’s  operation  principle  from  the  autorefraction  ring  principle  to  the  wavefront 

sensing technique also seems reasonable with respect to the recent and future research 

interests  in  measuring  peripheral  higher  order  aberrations.  The  following  chapter 

describes  the  technical  implementation of  the peripheral wavefront sensing principle  in 

detail. 

 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

196 

CHAPTER 6:  

THE EYEMAPPER ‐ A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

6.1 Introduction 

Initially, the aim of the newly proposed peripheral refraction instrument, the EyeMapper 

(EM), was  to measure  the  clinically  relevant  sphero‐cylindrical  refractive  errors  of  the 

eye  by  use  of  the  well‐known  ring‐autorefraction  operation  principle.  Findings  from 

Chapter 5, however, revealed that peripheral higher order aberrations have the potential 

to  interfere with  the autorefraction  results. The use of an operation principle based on 

the  Hartmann‐Shack  wavefront  sensing  principle,  which  segregates  higher  and  lower 

order  aberrations,  was  therefore  deemed  to  be  more  suitable  for  an  instrument 

dedicated to measuring peripheral refraction.   

 

Based  on  the  knowledge  gained  from  the  previous  chapters,  the  aims  of  this  chapter 

were to: 

 

‐ Update the optical design of the EM to  integrate the wavefront sensing principle 

(Hartmann‐Shack sensor), 

‐ Develop the mechanical design of the clinical EM instrument,∏ 

‐ Build∏ the EM instrument, and therefore:  

o Perform a tolerance analysis, 

o Source the additional components required, 

o Re‐assess  safety  requirements  on  the  basis  of  the  new  operation 

principle, 

o Manufacture the instrument parts according to the mechanical design,∏ 

o Develop the instrument software required,∏ 

‐ Validate the EM instrument by performing measurements on a model eye and on 

ten human eyes. 

 ∏   Aims  and  tasks  labelled  with  this  symbol  were  achieved  with  the  help  of  the  Brien 

Holden Vision Institute Technology Team.  

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

197 

6.2 Instrument Design 

6.2.1 Optical Design‡ 

To permit  the measurement of  central and peripheral aberrations of  the eye by use of 

the Hartmann‐Shack wavefront sensing technique, the optical design of the EM required 

updating.  Stationary  optical  components  and  a  scanning  mirror  are  the  optical  main 

components  chosen  to  permit  the  fast  measurement  of  the  eye's  refraction  profile, 

ranging  from  ‐50° to +50°  in 10° steps. The optical sub‐systems of the EM are again  the 

deflection system, the  illumination path, the reflection path, the pupil  imaging path and 

the  fixation  path.  Figure  6.1  shows  the  layout  of  the  updated  EM  instrument  design 

indicating  the  five optical paths. The  individual design goals of each optical  sub‐system 

are explained in more detail in the next sections.   

 

Figure 6.1:  Layout of the EM instrument design.  

  It shows the EM’s five optical paths: 1. deflection system, 2. illumination path, 3. reflection path, 4. pupil imaging path and 5. fixation path.  

  For clarity, only the central path and 5 peripheral paths are shown.  

 

‡  ZEMAX was  used  to  update  the  optical  design  of  the  EM,  for which  the  EM  reference model  eye  (Section  4.2) was  used.  As  described  in  detail  previously  (Section  4.3),  the design of the individual paths was done using the three ZEMAX editors in sequential ray‐trace mode.  

2.

3.

5.

4.

(33 mirrors)

5

Hot Mirror

PBS

1.

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

198 

6.2.1.1 Wavefront Sensing Paths 

6.2.1.1.1 Deflection System 

Instead of using prisms as deflecting components, the updated deflection system of the 

EM comprises a set of three mirrors per field angle (per configuration). Hence, a total of 

33 mirrors and one scanning mirror are used to first direct the  illumination beam across 

the retina and to then re‐direct the reflection beam towards the wavefront sensor. 

 A  three‐dimensional  view  of  the  deflection  system  indicating  the  propagation  of  the 

illumination beam is shown in Figure 6.2.  

 

Figure 6.2:   Three‐dimensional layout of the deflection system. 

  It shows the propagation of the scanned  illumination beam for 0° (red  line) and all peripheral beams (orange lines).  

 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

199 

A key feature of the modified deflection system is the equal optical path length for all 11 

scanning positions. This is achieved by deflecting the beam upwards, out of the scanning 

plane  and  back,  by  mirrors  positioned  at  different  heights.  Mirror  heights  for  the 

peripheral  angles  are  successively  reduced  to  compensate  for  the  longer  optical  path 

distances in the scanning plane. Mirror pairs M1 and M3, as well as lens pairs L1 and L2, 

are arranged symmetrically with respect to the vertical mirror plane of M2. 

6.2.1.1.2 Illumination Path  

Unlike  for  the design of  the previous EM autorefraction concept, where  the aim of  the 

illumination  path  was  to  image  the  oscillating  ring‐target  onto  the  retina,  the 

illumination  path  of  the  Hartmann‐Shack  technique  simply  requires  a  narrow 

illumination beam from the SLD (super  luminescent diode) to be sent  into the eye. With 

this mirror  arrangement,  together with  the  scanning mirror,  11  discrete  spots  on  the 

retina can be illuminated in rapid succession (Figure 6.2).   

6.2.1.1.3 Reflection Path 

Back  scattered  light  from  the  11  sequentially  illuminated  retinal  spots  form  the 

reflection  beams, which  contain  the wavefront  information  of  the  eye  for  each  of  the 

individual  angular  visual  field  positions.  The  reflected  beams  follow  the  same  optical 

paths  as  the  illumination  beams  until  they  are  separated  by  the  beam  splitter  and 

directed towards the wavefront sensor.   The Hartmann‐Shack wavefront sensor consists 

of an array of  identical  lenslets and a CCD camera positioned  in the  lenslet array’s focal 

plane. For an aberration‐free wavefront, the light spots on the CCD camera generated by 

the  lenslet  array would  be  distributed  regularly.  The wavefront  emanating  from  eyes 

may contain higher and/or  lower order aberrations that can be quantified by evaluating 

the  irregularities of the detected spot positions. Supporting optical sub‐systems, such as 

relay  systems  of  specific magnification,  are  used  to  transfer  the  wavefront  onto  the 

Hartmann‐Shack sensor.  

 

For  the wavefront  sensing  EM  design,  two  relay‐lens  pairs  [Lens  1‐Lens  2  (L1‐L2)  and 

Lens  3‐Lens  4  (L3‐L4)] were  used  to  image  the  exiting wavefront  onto  the  Hartmann‐

Shack sensor. From Figure 6.1  it can be seen that  for each of the 11 configurations, the 

first  relay  lens  pair  (L1‐L2,  f'=100 mm,  Edmunds Optics A49‐333‐INK)  is  located within 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

200 

the  deflection  system.  Together  with  the  particular  arrangement  of  mirrors  in  the 

deflection system, the optical design goals of the relay‐lens pairs (L1‐L2) were to ensure 

that for all 11 scan angles, the pivot of the scanning mirror  is conjugate with the centre 

of  the  eye's  pupil  and  that  equal magnification  and  defocus  is maintained  to  provide 

consistent capture, analysis and comparability of the wavefront for each scan angle. The 

second  relay  lens pair  (L3‐L4,  f'= 100 mm, Edmunds Optics A49‐333‐INK and  f'=50 mm, 

Edmunds Optics A45‐882‐INK) with a magnification factor of × 0.5 was used to relay and 

resize the wavefront so that  it can be captured in full with the selected Hartmann‐Shack 

sensor. The  sensor was positioned  at  the plane  conjugate  to  the pivot of  the  scanning 

mirror. 

6.2.1.2 Pupil Imaging Path 

A pellicle beam splitter (PBS) (Edmunds Optics, NT 39‐478, 8R/92T) was inserted into the 

reflection path between Lens 3  (L3) and Lens 4  (L4)  for  imaging and observation of  the 

pupil.    Positioning  it  behind  the  scanning mirror  provided  the  option  of  observing  the 

pupil  from any of  the 11  scanning angles.   The pupil observation angles  chosen  for  the 

EM were: central, 30° nasal and 30° temporal, assisting with  the symmetrical alignment 

of the pupil across the visual field. Six infrared LEDs illuminate the anterior eye segment 

while the operator adjusts for the correct pupil alignment. 

6.2.1.3 Fixation Path 

Similarly  to  the previous EM design  (Section 4.3.3),  the aim of  the  fixation path was  to 

not only have the participant fixate towards a target placed at optical infinity, but to also 

enable measurement  of  the  accommodation  stimulus‐response  curve  as  a  function  of 

peripheral visual  field angle. Using ZEMAX,  the  fixation path was designed  to  stimulate 

an  infinite  to  5.00D  accommodation  range  while  moving  the  fixation  target  with  a 

motorised linear translation stage (25mm).  

 

Figure 6.1 shows the first mirror after L1 (relative from the eye) in the central deflection 

path  is a hot mirror  (M1, Edmunds Optics, NT43‐955). This hot mirror permits  infrared 

light  to  be  reflected  for  the  illumination  and  reflection  paths,  and  visible  light  to  be 

transmitted to enable the participant to observe the fixation target provided. 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

201 

6.2.2 Mechanical Design 

To develop  the  intricate  three‐dimensional arrangement of numerous  components,  i.e. 

mirrors  and  lenses,  the  CAD  (Computer‐Aided  Design)  Software  SolidWorks  (Dassault 

Systèmes  SolidWorks  Corp.)  was  used  for  the  EM's mechanical  design.  This  software 

proved  particularly  useful  for  development  of  the  instrument,  as  parametric,  three‐

dimensional design constraints can be defined  to determine  the component positioning 

and assess and simulate the design prior to building the instrument.  

 

Figure  6.3,  Figure  6.4  and  Figure  6.5  illustrate  the  three‐dimensional  view  of  the  EM 

SolidWorks  drawings  from  three  different  perspectives.  The  mechanical  instrument 

design was developed by Darrin Falk  from  the Brien Holden Vision  Institute Technology 

Group. 

 

Figure 6.3:   SolidWorks EM design from above.  

  The  red dotted  line  indicates propagation of  the on‐axis  reflection beam,  from the eye towards the HASO wavefront sensor. The mechanical  instrument design was developed by Darrin Falk. 

Mirror holding bridge with M2 x 11

Base plate

Eye

L1 x 11

L2 x 11

Mirror mounts with M1 x 11

Shutter PCBS

PBS

HASO

Hot Mirror

Mirror mounts  with M3 x 11

L3

L4

Mirror Light Source

Polariser 

Pupil Imaging CCD

Scanning Mirror

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

202 

Figure 6.3  shows  the SolidWorks EM design  from above, with all  the main  components 

for  the  deflection  system,  the  illumination  and  reflection  paths  positioned  above  the 

base  plate.  The  red  dotted  line  indicates  propagation  of  the  on‐axis  reflection  beam, 

from the eye towards the HASO wavefront sensor. The design of the mirror mounts (M1 

and M3) was particularly complex, as  they had  to be spaced  tightly and arranged along 

an arc shape to  fulfil the optical design requirements of the deflection system. All  front 

surface  mirrors  were  bonded  to  metal  base  plates  and  then  attached  to  the  mirror 

mounts with four small screws and semi‐flexible O‐rings, which permitted the mirrors to 

be  finely  adjusted  for  proper  alignment.  The  mirror  (M2)  holding  bridge  is  the 

component  that  engenders  the  three‐dimensional  structure.  Other  optical  and 

mechanical  components  illustrated  in  Figure  6.3  are,  for  example,  the mounts  for  the 

lenses, the polarising cube beam splitter (PCBS), the pellicle beam splitter (PBS), and the 

light  source,  as  well  as  the  scanning  mirror,  the  shutter  and  the  wavefront  sensor 

(HASO).   

 

Figure 6.4:   SolidWorks EM design from the side and below. 

  The orange dotted  line partially  indicates  the propagation of  the  fixation path and  the  yellow  dotted  line  partially  indicates  the  pupil  imaging  path.  The mechanical instrument design was developed by Darrin Falk. 

Base plate

HASO Mirror

MirrorL7

L6

Translation Stage

Galvano Meter

Eye

Bearing Rail for Rotation 

Mirror holding bridge with M2 x 11

Mirror

Pupil Imaging CCD

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

203 

Figure  6.4  illustrates  the  three‐dimensional  SolidWorks  EM  design  from  the  side  and 

below,  showing most  of  the  components  positioned  underneath  the  base  plate.  These 

components  are  required  for  the  fixation  and  pupil  imaging  paths  as  well  as  the 

instrument  rotation. The  fixation and pupil  imaging paths are partially  indicated by  the 

orange and yellow dotted  lines, respectively. Note that L5 from the fixation path cannot 

be  seen  as  it  is  located within  the base plate.  The bearing  rails  are used  to  rotate  the 

instrument’s base plate from 0° to 90°  in 15° steps  in order to permit the measurement 

of seven different visual field meridians.  

 

Figure 6.5:   SolidWorks EM design from the front and above.  

  The  green  dotted  line  indicates  the  propagation  of  the  on‐axis  illumination beam, from the light source towards the eye. The mechanical instrument design was developed by Darrin Falk. 

Figure  6.5  illustrates  the  three‐dimensional  SolidWorks  EM  design  from  the  front  and 

above, indicating most of the components for the deflection system, the illumination and 

reflection  paths,  as  well  as  sections  of  the  fixation  path.  The  propagation  of  the 

illumination beam is indicated by the green dotted line.  

HASO

Polariser

PCBS

L4

Eye

Base plate 

Mirror holding bridge with M2 x 11

L1 x 11

L2 x 11

Mirror mounts with M1 x 11

Mirror mounts with M3 x 11

Scanning Mirror

MirrorL6

Hot Mirror

Light Source 

L3

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

204 

6.3 Instrument Construction 

Following  completion  of  the  optical  and mechanical  design work,  a  tolerance  analysis 

was carried out to determine the required accuracy level of the sourced components and 

manufactured  mechanical  parts.    The  safety  requirements  had  to  be  re‐assessed  to 

comply with the wavefront sensing principle. All mechanical parts were manufactured in 

accordance with  the  required accuracy, after which  the  instrument was assembled and 

aligned.  Several  calibration  tools  and  methods  were  developed  to  ensure  that  the 

instrument  performed  to  the  necessary  degree  of  accuracy.  Comprehensive  software 

tools were developed to operate the instrument and to acquire and analyse the data.     

6.3.1 Tolerance Analysis  

6.3.1.1 Aims 

Prior  to any  instrument manufacture, a  tolerance analysis  is a helpful method  that  can 

be used to account for the effects of manufacturing and alignment errors. It permits not 

only  the  identification  of  the  individual  critical  components/elements  of  the  optical 

system  (sensitivity analysis), but  it also assesses  the system’s overall performance  for a 

combination of alignment/manufacturing errors (Monte Carlo simulation).  

 

With  the  reflection  path  being  the  critical  optical  path  for  the  EM,  the  aim  was  to 

investigate the impact of manufacturing deficiencies, such as axial position, decentration 

and tilts on the individual lenses/elements of the reflection path.  

6.3.1.2 Methods 

6.3.1.2.1 Sensitivity Analysis and Monte Carlo Simulation 

The  ZEMAX  sensitivity  analysis  and  the  Monte  Carlo  simulation  were  used  for  the 

computation and analysis of tolerances for the EM. The flow chart in Figure 6.6 provides 

an overview of the tolerancing procedure.  

 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

205 

 

Figure 6.6:   Flow chart used for the tolerance analysis of the EM using ZEMAX. 

6.3.1.2.2 Tolerance Analysis for the Reflection Path 

To evaluate  the  required assembly accuracy  for  the EM’s  reflection path,  the  following 

tolerance analysis steps were performed using ZEMAX:  

 

1. Set‐up of the Lens Data Editor (LDE) 

The EM reference model eye (Section 4.2.1.1) and the components in the reflection path 

(Section 6.2.1.3) were set up in the ZEMAX LDE. A paraxial surface, which acts as an ideal 

thin  lens and which has the same focal  length as each of the  lenslets (f’=2.3 mm) of the 

selected  Hartmann‐Shack  sensor,  was  inserted  at  the  lenslet  array  position  in  the 

reflection path.  

 

Figure  6.7  shows  the  diagrammatic  layout  of  this  set‐up.  For  computation  of  the 

aberrations,  the ZEMAX Zernike coefficients were determined at  the  image surface  (the 

Hartmann‐Shack CCD), which is the surface conjugate to the retina.  

Definition of Initial Tolerance Criteria

Establish the “worst offenders”in the system 

Sensitivity Analysis (Analyses of each perturbation for each optical element in 

the system)

Assessment of the impact of  each

tolerance criterion on the performance

Tighten criteria for “worst 

offenders”, if required

Monte Carlo Simulation (Simultaneous analysis of all 

perturbations for all optical elements in the system) 

Evaluation of Tolerance Analysis

Assessment of estimated change in overall performance

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

206 

  

Figure 6.7:   Reflection path set‐up used for the tolerance analysis. 

  The simplified Hartmann‐Shack sensor consists of an  ideal  thin  lens, which acts as the Hartmann‐Shack’s micro‐lens and an image surface, which corresponds to the CCD of the Hartmann‐Shack sensor. 

2. Set‐up of the Tolerance Data Editor (TDE) 

Using  the  ZEMAX  Tolerance  Data  Editor,  all  assembly  relevant  tolerances  were 

defined  for  the  following  tolerance  operands,  i.e.  TTHI  (tolerance  on  thickness  or 

position),  TEDX/TEDY  (tolerance  on  element  x/y‐  decentration)  and  TETX/TETY 

(tolerance  on  element  x/y‐tilt).  All  tilt  and  decentration  tolerance  operands  were 

assigned to the four  lenses and the thickness tolerance operand was assigned to the 

relevant surfaces  in  the reflection path.  In  total, 21 perturbations were  listed  in  the 

TDE.  

3. Performance of the Sensitivity Analysis 

For  each  perturbation,  the  initial  tolerance  criterion  was  defined.  This  was  an 

estimation based on the feasibility and complexity for the building of the EM. Criteria 

values were ± 0.5 mm for decentration tolerances, ± 0.5 mm for thickness tolerances 

and ± 1° for tilt tolerances. Using the Merit Function Editor and its ZERN operand, as 

well as  the Merit  Function  criterion  in  the ZEMAX  tolerancing  tool,  the parameters 

that represent  the performance of  the EM  (e.g.  term of defocus, astigmatism, coma 

or spherical aberration) were specified individually.  

4. Performance of the Monte Carlo Simulation 

This simulation creates a series of Monte Carlo files, for which all of the parameters 

as  pre‐defined  in  the  sensitivity  analysis,  are  randomly modified  using  a  statistical 

model  of  the  distribution  of  that  parameter.  Five  hundred Monte  Carlo  files were 

generated  on  the  basis  of  the  tolerances  specified  in  the  sensitivity  analysis.  The 

statistical model  follows  the normal distribution with a  total width of  four standard 

deviations  between  the  extreme  minimum  and  maximum  permitted  values.  The 

Lens 1 Lens 2 Lens 3 Lens 4Simplified HS‐sensor

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

207 

model estimates  the performance  changes  (change  in  criterion) based on  the  root‐

sum‐square method.  From  the  sensitivity analysis, worst offending  tolerances were 

re‐evaluated where required. 

6.3.1.3 Results 

6.3.1.3.1 Sensitivity Analysis 

Tolerance analysis  results are presented  for each optical component  (L1, L2, L3 and L4) 

and each perturbation (axial misalignment, decentration and tilt) as a function of change 

in  performance  (the  change  in merit  function measurement  error).  For  decentred  and 

tilted lenses, the change in performance was assessed with respect to the terms defocus, 

astigmatism, coma and  spherical aberration. Axial misalignment of  lenses was assessed 

for  the  terms  defocus  and  spherical  aberration  only,  as  astigmatism  and  coma  remain 

unaffected by this perturbation.   

Axial Misalignment of Optical Components: 

Figure  6.8  shows  the  absolute  change  in  performance  for  the  terms  defocus  and 

spherical  aberration,  if  the  axial  distance  between  the  individual  optical  components 

would deviate by ± 0.5 mm  from  its optimum position.  It can be seen  that  the distance 

between L1 and L2, as well as the distance between L3 and L4, are the “worst offending 

tolerances” with respect to axial misalignment. 

 

Figure 6.8:  Absolute  change  in  performance  with  respect  to  the  terms  defocus  and spherical aberration, for axial lens misalignment of ± 0.5 mm. 

0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050

0.060

Eye ‐ L1 L1 ‐ L2 L2 ‐ L3 L3 ‐ L4 L4 ‐ HASO

Change in

 microns

Axial Change (in mm) 

Defocus Spherical Aberration

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

208 

Decentred Optical Components: 

Figure 6.9  shows  the effects of  individual  lens decentration on  the performance of  the 

system.  Specifically,  it  shows  the  change  in  defocus,  astigmatism,  coma  and  spherical 

aberration  for  each  individual  lens  that was  decentred  by  0.5 mm.  Coma  showed  the 

greatest change as a  function of decentration,  in particular  for L4  (0.036 µm),  followed 

by  spherical  aberration. Defocus  and  astigmatism  showed  changes  that were  less  than 

0.007 µm for individually decentred lenses. 

 

Figure 6.9:  Absolute change in performance for the terms defocus, astigmatism, coma and spherical aberration, when the individual lenses were decentred by ±0.5 mm.   

Tilted Optical Components: 

Figure 6.10 shows the impact of 1° lens tilt on the performance of the system.  

 

Figure 6.10: Absolute change  in performance for the terms of defocus, astigmatism, coma and spherical aberration, when the individual lenses were tilted by 1°. 

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

L1 L2 L3 L4

Change in

 microns

Decentration (in mm)

Defocus Astigmatism  Coma Spherical Aberration

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

L1 L2 L3 L4

Change in microns

Tilt (in °)

Defocus Astigmatism  Coma Spherical Aberration

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

209 

Overall,  it shows that  lens tilt has the smallest  impact on the optical performance of the 

system  (<0.0074 µm). The greatest  change  in performance occurred  for  the  term coma 

for L2, L3 and L4. 

6.3.1.3.2 Monte‐Carlo Simulation 

By  means  of  the  Monte  Carlo  simulation,  the  occurrence  of  all  perturbations  was 

simulated  simultaneously and  the estimated  change on  the performance of  the optical 

system  was  assessed.  Table  6.1  shows  the  change  in  performance  for  the  individual 

terms, i.e. defocus, astigmatism, coma and spherical aberration, if all perturbations were 

to occur  simultaneously within  the  specified  tolerance  range of ± 0.5 mm  for axial  lens 

misalignment, ± 0.5 mm for decentred lenses and ± 1° for tilted lenses.  

 

For  the defocus  term,  the estimated  change  in performance was 0.077 µm  (~0.06D).  If 

the tolerance criterion for the axial misalignment of L1‐L2 and L3‐L4 was tightened by a 

factor of two, that  is ± 0.25 mm, the estimated change  in performance  (defocus) would 

improve by 0.02 µm.    

Table 6.1:  Results  of  the  ZEMAX Monte  Carlo  simulation  shown  as  a  change  in merit function degradation.  

  Tolerance  values  were  set  to  ±0.5  mm  for  axial  misalignment,  ±0.5  mm  for decentred  optical  components  and  ±1°  for  tilted  optical  components.  In  total, 500 Monte Carlo Files (MCF) were generated.  

   Defocus  Astigmatism  Coma Spherical Aberration  

  (in µm) 

Estimated  Change  in  performance based upon RSS  0.07697 0.01596 0.04561  0.00831

Change  in  performance  for  the  best performing MCF  0.00003 0.00000 0.00005  0.00000

Change in performance for the worst performing MCF  0.09474 0.02596 0.06621  0.00000

Mean  change  in  performance  of  all 500 MCFs  0.02806 0.00382 0.01672  0.05127

StDev of  the  change  in performance of all 500 MCFs  0.01952 0.00346 0.01205  0.01224

98% < Performance  0.07578 0.01339 0.00461  0.01067

90% < Performance  0.05514 0.00803 0.03285  0.03975

80% < Performance  0.04419 0.00597 0.02665  0.02879

50% < Performance  0.02532 0.00305 0.01485  0.02077

20% < Performance  0.00946 0.00098 0.00577  0.00911

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

210 

6.3.1.4 Discussion 

Prior  to  manufacture  of  the  instrument,  the  tolerance  analysis  presented  here  was 

performed for the EM’s reflection path. The tolerance analysis showed that the distances 

between L1 and L2, as well as between L3 and L4, are the most sensitive parameters with 

respect  to  the  change  in  performance  (defocus).  This  result  was  anticipated,  as  the 

change of  these distances  reflects  the  typical set‐up of a Badal system, which has been 

used  in  many  optical  systems  for  the  compensation  of  defocus  (the  participant’s 

spherical refractive error). Whereas, Atchison et al.,31 for example, compensated for the 

refractive error by moving  the eye  together with L1  (changing  the distance between L1 

and  L2),  other  systems,  such  as  the  one  by  Llorente  et  al.216  use  focussing  blocks  to 

increase  or  decrease  this  distance  and  hence  to  compensate  for  defocus.  For  the  EM, 

stationary  components  are  used  (no  defocus  compensation)  and  thus,  axial  lens 

misalignment is the most sensitive perturbation. The perturbation with the next greatest 

impact  on  the  performance  of  the  system  is  lens  decentration.  Specifically,  the  term 

coma  was  affected  most  by  decentration,  in  particular  for  L4.  Lens  tilt  caused  the 

smallest  impact  on  the  system’s  performance,  with  coma  showing  again  the  greatest 

change. 

 

The Monte Carlo simulation showed that on the basis of the initial tolerance criteria, the 

defocus  term was most affected by  the aggregated effect of all  tolerances,  followed by 

coma,  then  astigmatism  and  lastly  spherical  aberration.  It  also  showed  that  the 

estimated overall performance of defocus was 0.077 µm. A further improvement of 0.02 

µm  can  be  achieved when  tightening  the most  critical  tolerances  by  a  factor  of  two. 

Monte Carlo files such as those generated during the Monte Carlo simulation, were also 

used for the subsequent assessment of change in performance during the manufacturing 

process, when specific combinations of perturbations had to be assessed individually.  

 

The  tolerance analysis presented here assessed  the assembly accuracy  required  for  the 

individual optical  components  in  the EM’s  reflection path.  It  should be noted  that  this 

analysis was performed under the assumption that there are no manufacturing errors  in 

lenses or the Hartmann‐Shack sensor  itself. Nevertheless, even after good calibration of 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

211 

the Hartmann‐Shack sensor, measurement accuracy can be affected by its manufacturing 

and alignment tolerances.217, 218  

6.3.2 Instrument Components 

The  following  section  lists  the main  instrument  components  and  features  chosen  for 

each  optical  path  in  the  EM.  These  components  were  either  sourced  from  external 

suppliers or manufactured in‐house at the Brien Holden Vision Institute by Colm Dolphin.  

6.3.2.1 Deflection System 

Mirrors 

All  but  two  of  the mirrors  used  in  the  deflection  system  are  aluminium  coated,  front 

surface  mirrors  with  a  surface  flatness  of  1/10  λ  accuracy  and  a  reflectance  of 

approximately 85% at a wavelength of 830 nm.  These 32 front surface mirrors are quartz 

coated  to  increase  their hardness  and  to protect  the  aluminium  layer.  The majority of 

the mirrors had to be custom shaped to fit into the EM’s mechanical design constraints. 

 

The other two mirrors in the deflection system are the central mirror (M1) closest to the 

eye,  which  is  the  hot  mirror  (multi‐layer  dielectric  coating,  >95%  reflectance,  4  λ 

accuracy) used for the  insertion of the fixation path, and the scanning mirror (protected 

silver  coating,  >94%  reflectance,  1/4  λ  accuracy)  that  is  required  for  the  peripheral 

refraction scan.  

6.3.2.2 Illumination Path 

Single Axis Galvanometer Scanner and Light Source 

By use of the previously selected single axis galvanometer scanner (Section 5.2.1.3), the 

EM  scans  the  narrow  SLD  beam  (wavelength  830nm,  Section  5.2.1.1)  sequentially  and 

rapidly across  the  retina. At each of  the 11  retinal  locations,  the duration of  the  single 

spot  exposure  is  0.065  seconds.  With  respect  to  safe  exposure  limits,  Chapter  5 

previously addressed the different sub‐exposures (spot,  line, circle and scanning), which 

were  to  be  assessed  for  the  on‐and  off‐axis  ring‐scan  illumination.  For  the  updated 

wavefront sensing EM, only one relevant exposure had to be assessed; now being a small 

spot exposure (Section 5.2.2). 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

212 

From Section 5.2.2.2.1  it  is known that a small source exposure corresponds to a retinal 

spot  diameter  of  25  μm  (visual  angle  αmin  =  1.5  mrad).  According  to  the  previous 

calculations done in ZEMAX (Section 5.2.2.4.2), the distance between each retinal spot is 

greater than the distance of 1.7 mm (visual angle α = 100 mrad), which according to ANSI 

standards  is  the minimum  distance  where  each  retinal  spot  can  be  considered  as  an 

individual exposure. Consequently, the performance of a peripheral refraction scan using 

the wavefront sensing EM can be considered as an illumination of 11 independent retinal 

spots, rather than a scan illumination. 

 

With respect to safely repeating measurements, the maximum permissible exposures for 

single  and  repetitive  measurements  were  calculated  for  small  source  exposures 

according  to  the ANSI  rules  (Section  5.2.2.2.1).  The  EM uses  a power  level of 0.90mW 

with an exposure duration of 0.065 seconds per retinal  location. According to Table 6.2, 

this would allow 50  repeated measurements per day.  In  total,  the peripheral  refraction 

scan with the EM takes only 0.75 seconds. 

Table 6.2:   Maximum permissible exposure limits (mW) for the EyeMapper. 

  Calculations were  performed  for  a wavelength  of  830  nm,  an  exposed  retinal area  that corresponds  to a small source exposure  (visual angle αmin= 1.5 mrad) and a single spot exposure duration of 0.065 seconds.  

Number of Measurements per Day

1 2 5 10 20 30 50

Maximum Permissible Exposure Limits in mW

2.50 2.10 1.67 1.40 1.18 1.07 0.94

Shutter 

A spring  loaded mechanical shutter  (Section 5.2.2.4.3)  in  the EM provides an additional 

control  for  the exposure duration  to  the eye. This shutter blocks  the  light beam  (Figure 

6.3) until a solenoid pulls the shutter open briefly while the refraction scan is performed.  

6.3.2.3 Reflection Path 

HASO wavefront sensor 

The wavefront sensor chosen  for  the EyeMapper  is  the HASOTM – 32 eye  (Imagine Eyes, 

France).  This  sensor  provides  high  resolution  and  a wide  dynamic  range.    Its  effective 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

213 

pupil diameter  is 3.65 mm and 1280  sub‐apertures are  located  in a monolithic 40 × 32 

microlens array. The focal length of each lenslet is 2.30 mm.  

Lenses and Polarising Optics 

The EM comprises  lenses with anti‐reflection coating to permit greatest transmission of 

light  and  to  avoid  unwanted  reflections  occurring  inside  the  instrument.  Moreover, 

polarising  optics,  such  as  a  polarising  cube  beam  splitter  (PCBS)  and  a  polariser were 

used  to  reduce  unwanted  ocular  reflections  from  cornea  and  crystalline  lens  surfaces 

(Section 5.3.1). 

6.3.2.4 Fixation Path 

Fixation Target and Translation Stage 

The  EM’s  distance  fixation  target  features  a  green  illuminated  cross  on  black 

background,  which  similarly  to  the  target  used  in  the  COAS  aberrometer,  promotes 

distance  viewing.  The  target  is mounted  on  a  fast  and  precise  linear  translation  stage 

(Physik  Instrumente  (PI) GmbH & Co. KG, M‐122.2DD Precision Micro Translation Stage) 

with  a  travel  range of 25 mm  and  a maximum  velocity of 20 mm/s.  The 25 mm  linear 

movement of  the  fixation  target can stimulate accommodation  in  the range  from 0.00D 

to 5.00D. 

6.3.2.5 Pupil Imaging Path 

Pellicle Beam Splitter 

The  pellicle  beam  splitter  (PBS)  selected  for  the  reflection  path  transmits  92%  of  light 

towards the HASO wavefront sensor and reflects 8% of  light, which  is used for the pupil 

imaging path  (Edmunds Optics, NT 39‐478, 8R/92T). The advantage of  the pellicle beam 

splitter  is  its  thin  membrane,  which  avoids  both  ghost  images  from  second  surface 

reflections and changes in optical path lengths.   

Pupil Imaging CCD and Single Axis Galvanometer Scanner for Pupil Alignment 

The previously selected Sony CCD sensor ICX445 (Section 5.3.2) is the CCD sensor used to 

capture  the  images  from  the  pupil.  For  the  pupil  alignment  task,  the  galvanometer 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

214 

scanner’s  frame  rate  is  set  to  50  scans  per  second  in  order  to  permit  simultaneous 

alignment of the pupil for all three observation angles. 

Pupil Illuminating LEDs 

To permit the alignment of the pupil from all three observation angles (central, 30° nasal 

and 30° temporal) the pupil area  is  illuminated with small  infrared LEDs. These LEDs are 

attached  to  the outside of  the  instrument  cover  in  front of  the eye and only emit  light 

during  the  pupil  alignment  procedure.  Once  the  pupil  is  aligned  and  the  peripheral 

refraction  scan  is  initiated,  the  LEDs  switch  off  and  thus  do  not  interfere  with  the 

peripheral refraction measurements.  

6.3.2.6 Other Instrument Parts 

Aluminium Alloy Instrument Parts 

Following  the development of  the mechanical  instrument design  in SolidWorks and  the 

performance  of  the  tolerance  analysis  in  ZEMAX,  the  individual  instrument  parts  (e.g. 

mounts, base plate etc.) were drawn for production by Darrin Falk. The alloy parts were 

manufactured  in  the workshop  at  the  Brien  Holden  Vision  Institute  by  Colm  Dolphin.  

Figure  6.11  presents  a  set  of  pictures  taken  during  the manufacture  process  of  these 

parts.  

 

Figure  6.11‐A  shows  the manufacture  of  the mirror  holding  bridge  and  Figure  6.11‐B 

illustrates some components  for  the deflection system. A majority of  the manufactured 

alloy  parts  is  shown  in  Figure  6.11‐C.  These  were  assembled  on  an  available  OCT 

instrument  body  (Zeiss OCT‐2,  Figure  6.11‐D).  Figure  6.11‐D  shows  the  EM  base  plate 

with all  its assembled parts adjusted at the 90° position, whilst Figure 6.11‐E shows the 

base plate position of the EM at the 180° position, the  latter being the position used for 

the measurement of  the horizontal visual  field meridian.  Following  the manufacture of 

all  parts,  the  parts  were  anodised  in  black  colour  and  re‐assembled  (Figure  6.11‐F). 

Having  all  alloy  parts  anodised  in  black  minimises  unwanted  reflections  which  could 

interfere with the refraction measurements. 

Alignment and Calibration Tools 

For  the  alignment  of  lenses  and mirrors,  several  alignment  and  calibration  tools were 

used.  

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

215 

   

Figure 6.11: Pictures taken during the manufacturing process of the EyeMapper. 

  (refer to text for details) 

One  such  tool was  a  single‐pass  reduced model  eye, which  consists  of  a  3 mm  pupil 

aperture, a biconvex lens and an extended flat retina. This was mounted on a rotary axis 

A  B

C  D

E  F

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

216 

to permit alignment and calibration of the components along the 11 configurations. The 

pivot  of  the model  eye was  located  at  the  entrance  pupil  position, which was  aligned 

conjugate to the pivot of the scanning mirror and to the Hartmann‐Shack sensor. An LED 

placed at the centre of the model eye’s retina was used to generate a  ‘reflection beam’ 

(out‐of‐the‐eye single‐pass).  

Instrument Cover 

Lastly,  an  instrument  cover  was  custom‐built  to  protect  the  instrument’s  delicate 

components  against  dust,  ambient  light,  and  accidental  knocks,  and  to  give  it  the 

appearance of a clinical instrument. 

6.3.3 The EyeMapper 

In  Figure  6.12,  pictures  of  the  final  EM  instrument without  (A)  and with  (B)  cover  are 

shown.  Figure  6.13  shows  a  picture  of  the  EM’s  user  interface.  The  user  interface 

consists  of  the  three  pupil  alignment  images,  which  show  the  pupil  from  the  three 

observation angles  (central, 30° nasal and 30°  temporal). Each  image has purple marks 

superimposed on the pupil to assist with the alignment.  The user interface also displays 

a  graph  in  the  bottom  left  which  can  either  be  used  to  plot  the  refractive  vector 

components, M,  J180 and  J45, or  the sphere and cylinder values, or any  individual higher 

order aberrations.  

 

The  table  above  the  graph  lists  the  values  of  the  sphero‐cylindrical  refraction  output 

measured at each visual field position. Moreover, for each of the 11 measurements, the 

Hartmann‐Shack raw images, and optionally the slopes, irradiance and phase images can 

be presented. A double click on any of the 11 images enlarges the wavefront map for the 

selected visual field angle and the individual aberrations can be assessed.  

 

The user‐interface  also displays minor  and major pupil diameters, which  represent  the 

smallest and  the  largest of  the 11 pupil axes, as well as a user‐defined pupil diameter. 

Either  pupil  diameter  can  be  selected  for  the  calculation  of  the  aberrations,  which 

transforms  all  of  the  different  peripheral  elliptical  pupil  shapes  into  the  one  selected 

circular pupil diameter. 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

217 

 

   

Figure 6.12: The EyeMapper instrument without (A) and with cover (B). 

 

 

 

A  B

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

218 

 

 

Figure 6.13: The user‐interface of the EyeMapper developed by Darrin Falk.  

  The pupil  is viewed  simultaneously  from  three observation angles  (central, 30° nasal and 30°  temporal) and  is aligned using  the purple marks superimposed. The graph in the bottom left shows an example of a peripheral refraction profile plotted for M (red), J180 (green) and J45 (blue). In addition, the Hartmann‐Shack raw  images (as well as slopes,  irradiance and phase  images) for each of the 11 measurements are shown in the bottom right.  

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

219 

It should be noted that in addition to transforming the ‘elliptical’ pupil into a small, large 

or user‐defined circular apertures, another approach that has previously been suggested, 

is  the  stretching  of  the  ‘elliptical’  pupil  into  a  circular  aperture.  Lundström  et  al.125 

compared  the  currently  used  representations  on  the  quantification  for  peripheral 

aberrations.  Whereas  the  representation  of  the  stretched  ellipse  shows  advantages 

when  calculating  the RMS  error,  it  encounters drawbacks  for  the  interpretation of  the 

individual  Zernike  coefficients. As  varying degrees of pupil  stretching  is  required when 

analysing different peripheral  angles, no direct  comparison between  those  coefficients 

can  be made.  Conversely,  the  use  of  the  non‐stretched  (small,  large  or  user‐defined) 

circular  aperture  has  the  advantage  that  it  can  be  used  to  compare  the  coefficients 

between different peripheral  angles. However, when determining  the RMS  value using 

the  circular  aperture, wavefront  information would  either  be  cut  off  or  extrapolated. 

Overall, the  investigation by Lundström et al.125 emphasised that studies using different 

representations  for  the  quantification  of  peripheral  aberrations  cannot  be  directly 

compared,  as  the  individual  Zernike  coefficients  will  differ  and  the  trend  of  the 

coefficients as a  function of peripheral angle  is different  for  the  three  representations. 

As  the  EM’s  primary  aim  is  to measure  the  sphero‐cylindrical  refraction  output  as  a 

function of  visual  field angle, direct  comparison of  the  individual  second order Zernike 

coefficients is required for the different measurement angles and hence, the software in 

the  EM was  developed  to  permit  the  transformation  from  the  ‘elliptical’  pupil  into  a 

small, large and user defined circular aperture.  

6.4 Instrument Validation 

The  aim  of  this  section  was  to  validate  the  EM,  by  assessing  its  repeatability, 

reproducibility  and  accuracy.  For  this, measurements were  performed  on  a  peripheral 

refraction model eye and on ten human eyes.    

6.4.1 Methods 

6.4.1.1 Peripheral Refraction Model Eye 

For  the  validation of  the  EM,  a peripheral  refraction model  eye was developed, which 

comprises  a  combination  of  stationary,  translational  and  rotational  components.  The 

optical  design  (ZEMAX)  and  a  picture  of  the model  eye  are  shown  in  Figure  6.14.  The 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

220 

stationary optical components comprise  two  lenses  (f’=40 mm and  f’=60 mm, Edmunds 

Optics) and  the pupil  (5 mm), which  in a simplified manner,  represent  the optics of  the 

cornea, pupil  and  crystalline  lens. A  retinal  arm, with  a  translational  retinal  surface,  is 

mounted on a rotary axis with  its pivot closely behind L2. While the translational retina 

movement  permits  the  adjustment  for  different  refractive  states,  the  rotational 

movement  permits  the  alignment  for  the  different  peripheral  visual  field  angles.  This 

model  eye  permits  peripheral  refraction  measurements  up  to  ±50°  and  was  used  to 

assess accuracy and  to verify  the detection of a wide  range of  spherical and astigmatic 

errors as required when measuring the peripheral optics of the eye.  

 

Figure 6.14: Peripheral Refraction Model Eye. 

  LEFT: Optical design  layout of  the peripheral  refraction model eye; RIGHT: The physical peripheral refraction model eye. 

Firstly, the model eye was adjusted for zero defocus  . A template on top of the model 

eye’s base plate was used to align the retinal arm at angular positions corresponding to 

the  visual  field angles  to be measured,  i.e.  ranging  from  ‐50°  to +50°  in 10°  steps. The 

model  eye was  then  placed  in  front  of  the  EyeMapper  and measurements were  taken 

sequentially  by moving  the  retinal  arm  along  each  of  the  11  angular  retinal  positions. 

This  procedure  was  repeated  five  times.  Refraction  data  were  retrieved  for  a  pupil 

analysis  diameter  of  3.5 mm, which  enclosed  the minor  elliptical  pupil  axis  at  50°.  To 

assess  instrument  accuracy,  a well‐calibrated  commercially  available  aberrometer,  the 

COAS (Complete Ophthalmic Analysis System COAS, high resolution) was used as control 

instrument  (pupil  analyis  diameter  was  set  to  3.5  mm).  Moreover,  an  open‐view 

10°

20°

30°

40°

50°Visual Field Angles

L1L2

Pupil

Retina Pivot 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

221 

autorefractor  (the Shin‐Nippon NVision K5001  (Shin Nippon)) was chosen  for additional 

comparison. When measuring  the model  eye’s  peripheral  refraction  profile with  these 

conventional    instruments,  the  model  eye  required  alignment  not  only  for  the  11 

different retinal positions, but also for the 11 different visual field angles. Measurements 

were  performed  in  sequential  angular  steps  by  re‐aligning  both  positions  (visual  field 

angle and retinal angle) and the procedure of measuring the peripheral refraction profile 

was  repeated  five  times. Measurements with  the  autorefractor were  limited  to  visual 

field angles of ±10°, ±20° and ±30°. This was due to the fact that large reflections did not 

permit on‐axis measurements and that the limited cylinder measurement range provided 

results only up to 30°.  

6.4.1.2 Human Eyes 

6.4.1.2.1 Participants 

Besides testing the peripheral refraction model eye for instrument validation, peripheral 

refraction measurements were  also performed on  10 participants,  for which  the  study 

protocol  was  approved  by  the  institutional  research  and  ethics  commitee  (VIHEC, 

Syndey).    To  investigate  the  feasability  of measuring  eyes  of  various  central  refractive 

errors  and different peripheral  refraction profiles,  the participants  recruited were  four 

hyperopes (M≥0.50D), four myopes (M≤‐0.50D) and two emmetropes (‐0.50D<M>0.50D). 

Study demographics are summarised in Table 6.3. 

Table 6.3:  Study demographics   

  Mean Age  

(years ± SD) 

Mean Spherical Equivalent  

(D ± SD) 

Emmetropes (n=2)  38.0 ± 18.4  ‐0.08 ± 0.22 

Myopes (n=4)  28.5 ± 1.0  ‐4.98 ± 2.57 

Hyperopes (n=4)  56.0 ± 7.5  2.48 ± 1.60 

In  addition  to  determining  the  participants  baseline  peripheral  refraction  profiles,  the 

profiles  of  the  same  participants’  eyes  were  measured  when  wearing  commercially 

available  contact  lenses.  The  lenses  selected  were  two  single  vision  contact  lenses 

(power  ‐3.00D);  Acuvue  2  (Johnson  Johnson)  and  Focus  Night  and  Day  (FND,  CIBA 

VISION),  which  feature  opposed  power  profiles  across  the  optic  zone.  Whereas  the 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

222 

Acuvue  2  lens  exhibits  an  increase  in  negative  power  towards  the  periphery,  the  FND 

lens increases in positive power.219 The prime aim of including contact lens wear into this 

study  protocol  was  to  investigate  the  EM’s  capability  of  being  able  to  differentiate 

peripheral  refraction  profiles  with  different  contact  lenses  on  eye  and  to  assess 

measurement  repeatability when  compared  to  the  baseline measurements.  Refraction 

measurements were always performed on the participants’ right eyes. The left eyes were 

occluded  during  the measurement  procedure  in  order  to maintain  stable  fixation  and 

accommodation.  To  assess  instrument  reproducibility,  the  right  eye  of  one  participant 

was measured  on  a  different  occasion  by  a  different  operator  both with  and without 

contact lenses.   

6.4.1.2.2 Instrumentation, Set‐up and Procedure 

Central  and  peripheral  refraction  measurements  along  the  horizontal  visual  field 

meridian  were  performed  using  three  instruments:  the  EM,  the  COAS  and  the  Shin 

Nippon.  Each  of  these  instruments  required  a  slightly  different  set‐up  and  alignment 

procedure to permit the measurement of the peripheral optics of the eye. 

 

Due  to  its  dedicated  purpose  and  optical  design,  the  set‐up  and  alignment  procedure 

with  the  EM  was  fastest,  as  it  only  required  the  alignment  of  the  participant's  pupil 

(simultaneous  alignment  of  the  central  and  two  peripheral  pupil  images)  with  the 

instrument  axis.  Conversely,  peripheral  refraction measurements with  the  Shin‐Nippon 

autorefractor and  the COAS aberrometer  required  further modifications and numerous 

re‐alignments by both participants and operators. Using  the Shin‐Nippon autorefractor, 

the  same  set‐up  and  alignment  procedure  as  described  in  detail  previously  (Section 

3.2.1.2)  were  followed.  Refraction  measurements  were  extended  to  horizontal  visual 

field angles  ranging  from  ‐40°  to +40°  in 10° steps. Whilst measurement of  this angular 

visual field range could be achieved using the autorefractor's open‐view design, this set‐

up was  not  implementable when  using  the  closed‐view  COAS  aberrometer.  Instead,  a 

custom‐made  peripheral  fixation  device  was  developed  for  the  COAS  to  present 

peripheral  fixation  targets  for  the 30° nasal and 30°  temporal visual  field angles  (Figure 

6.15). To provide targets that are presented at distance, high power focusing lenses were 

used in the peripheral fixation device and the targets were mounted on a common block 

which could be moved to adjust (de‐)focus. 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

223 

The measurement of  the horizontal peripheral refraction profile, consisting of either 11 

(EyeMapper), 9 (Shin Nippon) or 3 (COAS) field positions, was performed three times.  

 

Figure 6.15: Custom‐made peripheral fixation device for the COAS.  

For  all  participants,  the  above  mentioned  measurements  were  performed  along  the 

horizontal visual field meridian.  In addition,  in one out of the ten participants, the EM’s 

rotational feature was tested. For this, the participant’s peripheral refraction profile was 

measured along the seven visual field meridians, ranging from 0° to 90° in 15° steps. The 

measurement of each visual field meridian was repeated three times.  

6.4.2 Results 

6.4.2.1 Peripheral Refraction: Model Eye 

Figure  6.16  shows  the model  eye’s  peripheral  refraction  profile  for M,  J180  and  J45  as 

measured with  the  EM,  the  COAS  and  the  Shin Nippon.  The  overall  agreement  of  the 

refractive vector components between the three instruments was good. On average, the 

measurements with the autorefractor were about 0.30D more myopic when compared to 

the EM and the COAS. For the common visual field angle data (i.e. ±10°, ±20° and ±30°), 

J180 agreed well between the three instruments. The greatest differences  in J180 between 

the COAS and  the EM were  found at  the ±50° angles. Some variation was noted  in  the 

EM  data  for  J45  at  the  +30°,  +40°  and  ±50°  angles.  The  raw  data  indicated  that  this 

difference was related to the combination of large magnitude in cylinder and a small axis 

deviation of 1‐2° from the 90° cylinder axis. Whereas standard deviations for M and J180 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

224 

were smallest for the EM when compared to the other two instruments, for J45 they were 

greatest with the EM. 

 

Figure 6.16: Peripheral  refraction  profiles  of  the  model  eye  when  measurements  were performed with  the EyeMapper,  the COAS aberrometer and  the Shin‐Nippon NVision K5001 autorefractor. 

6.4.2.2 Peripheral Refraction: Human Eyes 

6.4.2.2.1 Peripheral Refraction Profiles  

Figure 6.17, Figure 6.18 and Figure 6.19  show  the  refractive vector components M,  J180 

and  J45 plotted as a  function of visual  field angle  for all  three  instruments,  the EM,  the 

COAS  and  the  Shin‐Nippon.  Data  are  plotted  for  the  three  refractive  groups  when 

measurements were performed at baseline and when wearing contact lenses on eye.  

 

The  baseline  data  plotted  in  Figure  6.17  show  that  the  mean  peripheral  refraction 

profiles as measured with all  three  instruments exhibited relatively more myopia  in  the 

periphery  for  the  emmetropic  and  the  hyperopic  group.  Conversely,  the myopic  group 

exhibited a more hyperopic shift  in  the periphery when measurements were performed 

with  the  Shin  Nippon  and  the  EyeMapper.  For  the  COAS,  peripheral  measurements 

obtained  in  the hyperopic group also showed a  relative hyperopic shift  in  the  temporal 

visual field, but a more myopic shift in the nasal visual field.   

‐10

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

Power in D

Visual Field Angles in °

M (COAS) J180 (COAS) J45 (COAS)

M (EyeMapper) J180 (EyeMapper) J45 (EyeMapper)

M (Shin‐Nippon) J180 (Shin Nippon) J45 (Shin Nippon)

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

225 

Emmetropes (n=2)  Myopes (n=4)  Hyperopes (n=4) 

     

     

Figure 6.17: The  refractive vector component M  (in D) plotted as a  function of visual  field angle when measured with  the EyeMapper,  the COAS aberrometer and the Shin Nippon NVision K5001 autorefractor.  

  Mean data for the three refractive groups are shown for baseline measurements (top, absolute values) and measurements with the contact lenses on eye (bottom, relative values).   

 

‐6

‐4

‐2

0

2

4

6

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

M (in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon  ‐ BL

Temporal Nasal

‐6

‐4

‐2

0

2

4

6

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

M (in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon ‐ BL

Temporal Nasal

‐6

‐4

‐2

0

2

4

6

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

M (in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon  ‐ BL

Temporal Nasal

‐6

‐5

‐4

‐3

‐2

‐1

0

1

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of M (in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

‐2

‐1

0

1

2

3

4

5

6

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of M

 (in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

‐6

‐5

‐4

‐3

‐2

‐1

0

1

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of M

 (in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

226 

Emmetropes (n=2)  Myopes (n=4)  Hyperopes (n=4) 

     

     

Figure 6.18: The refractive vector component  J180  (in D) plotted as a  function of visual  field angle when measured with the EyeMapper, the COAS aberrometer and the Shin Nippon NVision K5001 autorefractor.  

  Mean data for the three refractive groups are shown for baseline measurements (top, absolute values) and measurements with the contact lenses on eye (bottom, relative values).   

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

J 180(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon  ‐ BL

Temporal Nasal

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

J 180(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon ‐ BL

Temporal Nasal

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

J 180(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon  ‐ BL

Temporal Nasal

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of J 180(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of J 180(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of J 180(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

227 

Emmetropes (n=2)  Myopes (n=4)  Hyperopes (n=4) 

     

     

Figure 6.19: The  refractive vector component  J45  (in D) plotted as a  function of visual  field angle when measured with  the EyeMapper,  the COAS aberrometer and the Shin Nippon NVision K5001 autorefractor.  

  Mean data for the three refractive groups are shown for baseline measurements (top, absolute values) and measurements with the contact lenses on eye (bottom, relative values). 

‐4

‐2

0

2

4

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

J 45(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon  ‐ BL

Temporal Nasal

‐4

‐2

0

2

4

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

J 45(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon  ‐ BL

Temporal Nasal

‐4

‐2

0

2

4

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

J 45(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ BL COAS ‐ BL Shin‐Nippon  ‐ BL

Temporal Nasal

‐4

‐2

0

2

4

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of J

45(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

‐4

‐2

0

2

4

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of J

45(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

‐4

‐2

0

2

4

‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60

RPRE of J

45(in D)

Visual Field Angle (in °)

EyeMapper ‐ FND COAS ‐ FND Shin‐Nippon ‐ FND

EyeMapper ‐Acuvue 2 COAS ‐Acuvue 2 Shin‐Nippon ‐Acuvue 2

Temporal Nasal

CHAPTER 6: THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

228 

 

For  the myopic  group,  the EM measured more plus  (on‐axis 0.41D) when  compared  to 

the COAS and more minus  (on‐axis 0.52D) when compared  to  the Shin Nippon. For on‐

axis  measurements,  the  same  trend  but  with  smaller  differences  was  found  in  the 

emmetropic group, where the shift of the COAS was 0.26D more plus and the shift of the 

Shin Nippon was 0.13D more minus when compared to the EM. For the hyperopic group, 

the EyeMapper measured more minus when compared to the COAS (0.20D) and the Shin 

Nippon (0.31D).  

 

In  general,  the  baseline  peripheral  refraction  profiles  obtained  with  the  three 

instruments were  in agreement. However, there were some obvious differences  in M at 

nasal  30°  in  the myopic  group, where  the COAS measured more minus  than  the other 

two  instruments  (1.09D when  compared  to  the  EM,  and  1.57D when  compared  to  the 

Shin Nippon)  and  at  nasal  40°  in  the  hyperopic  group, where  the  EM measured more 

minus (1.09D) when compared to the Shin Nippon.  

 

In addition, Figure 6.17  shows  the  relative peripheral  refraction profiles measured with 

the  two contact  lenses on eye. For all  refractive groups and  for all  three  instruments a 

difference  in  peripheral  refraction  profiles  between  the  two  lens  types was  detected. 

Measurements  with  the  FND  lens  on  eye  always  showed  a more myopic  shift,  when 

compared to the measurements with the Acuvue 2 lens one eye. When compared to the 

measurements  obtained  with  the  EM,  the  Shin  Nippon  measured  a  more  hyperopic 

peripheral refraction profile. 

 

Figure 6.18 shows the peripheral refraction profiles for the refractive vector component 

J180.  All  three  instruments  produced  similar  profiles  for  the  three  refractive  groups, 

which  demonstrated  the  typical  nasal‐temporal  asymmetry  of  astigmatism  across  the 

visual  field. The hyperopic group  showed  the greatest peripheral astigmatism,  followed 

by  the  emmetropic  and  then  the myopic  group.  The  greatest  difference  in  J180  (0.93D) 

was found  in the 40° nasal visual field for the hyperopic group between the Shin Nippon 

and the EM.  

 

The peripheral refraction profiles obtained with either contact  lens type on eye showed 

a  similar  trend  for  J180  as  previously  seen  in M.  Figure  6.18  demonstrates  that  in  the 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

229 

emmetropic  and  myopic  group,  measurements  with  the  FND  lens  on  eye  produced 

greater peripheral  J180 when compared  to  the measurements with  the Acuvue 2  lens on 

eye. A smaller difference between the two  lens types was found  in the hyperopic group 

when measurements were performed using  the EM. For all  refractive groups, with and 

without  contact  lenses  on  eye,  the  Shin Nippon measured  less  peripheral  astigmatism 

when compared to the EM. 

 

The peripheral  refraction profiles  for  the  refractive  vector  component  J45 are  shown  in 

Figure  6.19.  Apart  from  some  fluctuations  across  the  visual  field,  the  baseline 

measurements  obtained  from  the  three  instruments  compared  well  with  each  other. 

Greatest  fluctuations  were  found  in  the  hyperopic  group,  the  group  which  had  the 

greatest  peripheral  astigmatism  (J180).  The  difference  in  relative  J45  between  the 

peripheral  refraction profiles obtained with  the  two contact  lens  types was  small when 

measured with all three instruments.  

6.4.2.2.2 Repeatability 

Figure  6.20  shows  the  coefficients of  repeatability  (2.77  × within  participant  SD,  three 

repeats) plotted  for M,  J180  and  J45,  for  all  three  instruments,  for  all  visual  field  angles 

and  for  the with‐  and without‐contact  lens  condition.  In  general,  it  can  be  seen  that 

independent of the instrument used for the measurements, the coefficients were always 

lower  when  measurements  were  performed  without  contact  lenses  on  the  eye. 

Repeatability generally decreased with increase in peripheral field angle. 

 

For  the  refractive vector  components M and  J180,  the  coefficients of  repeatability were 

larger  for  measurements  obtained  with  the  Shin  Nippon  when  compared  to  those 

obtained with the EM. This was the case for measurements performed with and without 

contact  lenses  on  the  eye.  For  some  visual  field  positions  (e.g.  for M  at  temporal  and 

nasal 40°, without contact lens), the coefficients reached twice those for the Shin Nippon 

when compared to the EM. For most, but not all visual field positions, the coefficients of 

repeatability for J45 were also larger for the Shin Nippon when compared to the EM.  

 

The  coefficients  of  repeatability  for  the  three  visual  field  positions  (0°  and  ±30°) 

measured with the COAS compared to those to the EM, obtained without contact  lenses 

on eye were very similar. However, in relation to the “with contact lens” measurements, 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

230 

the  coefficients  for M  were  larger  for  the  COAS  when  compared  to  the  EM  and  the 

coefficients for J180 and J45 were larger for the EM when compared to the COAS.  

  Without Contact Lens on Eye  With Contact Lens on Eye 

Coefficient of 

Repeatability for M 

Coefficient of 

Repeatability for J 1

80 

Coefficient of 

Repeatability for J 4

Figure 6.20: Coefficients of repeatability for M, J180 and J45 (in D).  

  For  each  visual  field  angle  and  each  instrument,  data  were  plotted  for measurements performed without and with contact lenses on eye.  

6.4.2.2.3 Reproducibility 

Figure 6.21 shows the peripheral refraction profile for M of one participant as measured 

with the EM by two different operators at two different occasions.  

 

The participant’s distinct peripheral  refraction profile was noticeable  for all  conditions, 

with  and  without  contact  lens  wear  and  when  measurements  were  performed  by 

operator  1  (visit  1)  and  operator  2  (visit  2). On  average, measurements  performed  by 

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

Visual Field Angle (°)

EyeMapper COAS Shin Nippon

Temporal NasalTemporal NasalTemporal Nasal

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

Visual Field Angle (°)

EyeMapper COAS Shin Nippon

Temporal NasalTemporal NasalTemporal Nasal

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

Visual Field Angle (°)

EyeMapper COAS Shin Nippon

Temporal NasalTemporal NasalTemporal NasalTemporal Nasal

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

Visual Field Angle (°)

EyeMapper COAS Shin Nippon

Temporal NasalTemporal NasalTemporal NasalTemporal Nasal

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

Visual Field Angle (°)

EyeMapper COAS Shin Nippon

Temporal NasalTemporal NasalTemporal NasalTemporal NasalTemporal Nasal

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

Visual Field Angle (°)

EyeMapper COAS Shin Nippon

Temporal NasalTemporal NasalTemporal NasalTemporal NasalTemporal Nasal

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

231 

operator 1 were  slightly more myopic when  compared  to measurements performed by 

operator 2 (average difference 0.17D at baseline, 0.15D with FND and 0.04D with Acuvue 

2) with  standard deviations of  the  repeats being  similar  for each operator  [operator 1: 

±0.24D  (BL), ±0.24D  (FND), ±0.25D  (Acuvue 2) and  for operator 2:   ±0.22D  (BL), ±0.24D 

(FND), ±0.41D (Acuvue 2)].    

 

Figure 6.21: The  peripheral  refraction  profile  for  M  measured  by  two  independent operators on two different occasions.  

  Data are shown for one participant (mean of three repeats). 

Table  6.4  provides  a  summary  of  the  coefficients  of  reproducibility  (2.77  ×  within 

operator  SD)  for M,  J180  and  J45.  Overall,  reproducibility  for M  and  J180  was  best  for 

measurements  performed  with  the  Acuvue  2  lens,  followed  by  the  measurements 

performed  at  baseline,  and  then  the  FND  lens.  Reproducibility  for  J45  was  best  at 

baseline, followed by the FND lens and then Acuvue 2. 

Table 6.4:  Summary of the coefficients of reproducibility (in D).  

    Coefficient of Reproducibility 

Baseline 

M  1.12 

J180  0.73 

J45  0.37 

Acuvue 2  

M  0.86 

J180  0.72 

J45  0.57 

FND 

M  1.41 

J180  0.73 

J45  0.45 

‐3

‐2

‐1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

M in D

Visual Field Angle 

Operator 1 ‐ BL Operator 1 ‐Acuvue 2 Operator 1 ‐Night & Day

Operator 2 ‐ BL Operator 2 ‐Acuvue 2 Operator 2 ‐Night & Day

Temporal Nasal

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

232 

6.4.2.2.4 Refraction Map 

Figure  6.22  shows  the  relative  peripheral  refraction  data  of  the  right  eye  of  one 

participant measured with the EM and plotted as a function of visual field meridian and 

visual  field angle. The  size of  the  red  circles  represents  the magnitude of  the  spherical 

error across the visual field, which was more positive in the temporal and superior visual 

field when compared to the nasal and  inferior visual field. The  length of the blue dotted 

arrow  indicates  the  magnitude  of  the  minus‐cylinder  and  the  direction  of  the  arrow 

represents the direction of the minus‐cylinder axis. 

 

Figure 6.22: The relative refraction data measured with the EM and plotted as function of visual field meridian and visual field angle (n=1).  

  The size of  the  red half circles  represents  the magnitude of  the spherical error. The  solid  red  line  indicates  positive  spherical  error  and  the  dotted  red  line indicates  negative  spherical  error.  The  astigmatic  error  is  represented  by  the blue  dotted  arrow.  Size  of  the  arrow  indicates  the magnitude  of  the minus‐cylinder and  its direction  indicates  the minus‐cylinder axis. Data are plotted as mean values (3 repeats).  

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

233 

It can be seen that the magnitude  in astigmatism  increases towards the periphery, with 

higher  astigmatism  found  in  the  nasal  and  inferior  visual  field when  compared  to  the 

temporal  and  superior  visual  field.  The  direction  of  the  minus‐cylinder  axis  is 

approximately orthogonal to the measured visual field meridian, with slight deviations in 

the nasal  visual  field.  Five out of  seventy measured  visual  field positions  could not  be 

plotted for this participant, due to some eye lid obstructions of the pupil.  

6.4.3 Discussion 

6.4.3.1 Accuracy: Model Eye 

The  overall  agreement  between  the  model  eye’s  peripheral  refraction  profile  as 

measured with all three  instruments was good, with the COAS and the EM providing the 

most comparable results.  

 

The  small myopic  shift measured with  the Shin Nippon, when compared  to  the EM and 

the  COAS  aberrometer,  could  be  due  to  the  different  operation  principles  (ring‐

autorefraction  principle  versus  aberrometry)  as  well  as  the  difference  in  pupil  size 

dependency.  Whereas  refraction  (aberration)  data  from  the  EM  and  the  COAS  were 

retrieved  from  a wavefront  exiting  the  eye which was  analysed  using  a  3.5 mm  pupil 

analysis  diameter,  the  Shin  Nippon  autorefractor  uses  a  fixed  size  ring  (2.3  mm)  to 

project  a  ring  image  onto  the  retina,  and  based  on  its  reflected  size  and  shape  the 

sphero‐cylindrical refractive error is determined.   

 

With  respect  to M  and  J180,  instrument  repeatability was  shown  to be best  for  the EM 

when  compared  to  the  other  two  instruments.  It  is  possible  that  repeatability  results 

were  slightly affected by  the different model eye alignment  requirements. Whereas  for 

the EM, the model eye was simply placed  in front of the  instrument and the retinal arm 

was  sequentially  realigned  to measure  the  peripheral  refraction  profile,  for  the  other 

two  instruments  the model eye was  also  rotated  to permit  alignment  for  the different 

visual  field  angles  (the  equivalent  of  the  ‘eye  or  head‐turn’  by  participants).  This 

additional alignment  requirement may have  led  to  slightly  less‐repeatable  results when 

measurements were performed with the COAS and the Shin Nippon. Although, the COAS 

and the EM were  in good accordance with each other up to a visual  field angle of ±40°, 

there was a noticeable difference for J180 at ±50°. It is possible that this is due to the EM 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

234 

using a more advanced wavefront sensor featuring higher resolution/sampling and wider 

dynamic  range  than  the  COAS.  Although,  a  ray‐tracing  approach  was  attempted  to 

calculate  the  theoretical peripheral  refraction profiles  for  the model eye by use of  the 

previous  equations  in  ZEMAX  (Section  4.2.1.2),  the  profiles  for  M  and  J180  were 

increasingly  more  positive  as  field  angle  increased  when  compared  to  the  profiles 

measured with  the  three  instruments. This difference between  the  results obtained  for 

the  analytical  and  physical  model    eyes  requires  further  investigation.  The  COAS 

instrument  is  generally  considered  the  reference  standard  for  central  ocular 

aberrometry.165 On  the  basis  that  the model  eye  data  obtained  from  the  EM were  in 

good  agreement  and  showed  even  better  repeatability  when  compared  to  the  COAS 

measurements,  it  was  demonstrated  that  the  EM  is  an  accurate  and  repeatable 

instrument for central and peripheral refraction measurements. 

6.4.3.2 Peripheral Refraction Profiles and Repeatability: Human Eyes 

As scattering, dispersion and light efficiency differ between human eyes and model eyes, 

the second part of this validation study aimed  to also perform measurements  in human 

eyes.  It  should  be  noted  however,  that  when  measuring  human  eyes,  several  other 

inherent  factors  can  affect  measurements  which  may  be  assessed  in  more  detail  in 

future.  These  factors  include,  for  example,  the  impact  of:  lead  and  lag  of 

accommodation,  clarity  in  optical media,  the  size  and  location  of  the  blind  spot  area, 

fluctuating fixation, pupil size, eye lid shape etc.  

 

The  first  aim  of  the  current  validation  study  on  human  eyes  was  to  assess  the 

measurements  and  repeatability  of  peripheral  refraction  profiles  obtained  with  and 

without contact  lenses on eye,  for hyperopic, emmetropic and myopic eyes when using 

the three instruments, the EM, the COAS and the Shin Nippon. 

 

Due  to  the  COAS  and  the  Shin  Nippon  being  dedicated  on‐axis  instruments,  some 

modifications  to  the  set‐up  and  alignment  procedure  were  required  to  permit 

measurement of the peripheral optics of the eye. Certain  instrument boundaries did not 

permit  the number of visual  field angle measurements possible with  the EM. While  the 

COAS  could  only measure  two  peripheral  positions  (±30°),  Shin Nippon measurements 

were possible up to ±40°. Due to some missing data points  for the Shin Nippon and  the 

COAS, the peripheral refraction profiles as obtained with the EM could not be compared 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

235 

entirely. Perhaps a different peripheral  refraction  set‐up  for  the COAS,  such as used by 

Mathur  et  al.123  or  by  Baskaran  et  al.130  (COAS  HD‐VR)  could  be  used  in  a  future 

validation study in order to permit the measurement and comparison of more peripheral 

visual field angles. 

 

All  peripheral  refraction  profiles  were  assessed  in  terms  of  refractive  power  vectors, 

which  overall  showed  good  agreement  between  the measurements  obtained  from  the 

three  instruments.  Some  on‐axis  differences  were  found  for  M  at  baseline  for  the 

different  instruments and refractive groups.  It was shown  that  for both  the myopic and 

the emmetropic group, the COAS measured more minus when compared to the EM, and 

the  EM  measured  more  minus  when  compared  to  the  Shin  Nippon.  This  effect  was 

greater  for the younger myopic group when compared to the young emmetropic group, 

but this trend was not seen in the older hyperopic group. It is reasonable to suggest that 

this difference was  caused by  the  impact of accommodation and  instrument myopia  in 

the  younger groups when measurements were performed using  the EM and  the COAS. 

Whereas  the  Shin  Nippon  is  an  open‐view  autorefractor,  the  EM  and  the  COAS  are 

closed‐view  instruments with  a working  distance  of  100 mm  and  50 mm,  respectively. 

This  suggests  that  the  COAS,  with  its  smaller  working  distance  may  have  produced 

greater  instrument myopia when  compared  to  the  EM.  That  this  on‐axis  difference  is 

likely to be due to some accommodation effect is also supported by the results obtained 

on  the model eye, which showed an opposite shift  in M between  instruments, with  the 

Shin Nippon producing a small myopic shift when compared to the EM and the COAS.  

 

When  assessing  the  peripheral  refraction  profiles  with  contact  lenses  on  eye,  all 

instruments  indicated  the  same  anticipated  trend.  The  FND  lens,  which  exhibits  an 

increase  in positive power  towards  the periphery, produced  a more myopic peripheral 

refraction profile when  compared  to  the Acuvue 2  lens. Conversely,  the Acuvue 2  lens, 

which exhibits  an  increase  in negative power  towards  the periphery, produced  a more 

positive peripheral refraction profile when compared to the Focus Night and Day lens.  

 

With  respect  to  J180,  there was  a  trend  for  the  Shin Nippon measuring  less  peripheral 

astigmatism  (J180), when  compared  to  the  EM.  This was  particularly  evident  for  larger 

visual  field  angles  and  in hyperopic  eyes, which  exhibited  a  large degree of peripheral 

astigmatism.  However,  this  effect  was  not  observed  in  the  previous  measurements 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

236 

performed  on  the  model  eye,  which  also  exhibited  large  amounts  of  peripheral 

astigmatism. Nevertheless,  Shin Nippon measurements  performed with  the model  eye 

were  only  possible  for  field  angles  up  to  ±30°. Moreover,  the  retina  of  the model  eye 

differs to the human retina, as  it  is plane and not curved  in shape. Thus, one reason for 

the  J180  difference  found  in  human  eyes  between  the  Shin  Nippon  and  the  EM, 

particularly  at  large  peripheral  angles,  may  be  explained  by  the  previous  modelling 

approach for which a schematic model eye with curved retina was used.  

 

It was  demonstrated  that when  using  the  ring‐autorefraction  principle  the  peripheral 

retinal  ring  images  are  asymmetrically  distorted  (Section  5.4.3.2.2)  and  that  this 

distortion  could  potentially  interfere  with  the  sphero‐cylindrical  refraction  output 

provided by  the autorefractor. For measurements with contact  lenses on eye  the  same 

difference was found, with the EM measuring more minus for M and J180 when compared 

to the Shin Nippon.  

 

Besides  some  small  fluctuations  across  the  peripheral  refraction  profile,  the  overall 

profile of J45 was consistent for all three  instruments. The greater  J45 fluctuations found 

in  the  hyperopic  group  can  be  explained  by  a  combination  of  greater  magnitude  of 

peripheral astigmatism (J180) and a small deviation from the 90° cylinder axis.  

  

With respect to repeatability, the EM produced more repeatable results when compared 

to  the  Shin  Nippon.  This  was  particularly  so  for  measurements  performed  without 

contact  lenses  on  eye.  There  are  many  factors  that  could  have  led  to  the  lower 

repeatability  when  using  the  Shin  Nippon  including  the  decreased  tolerance  to  pupil 

misalignment  when  performing  peripheral  refraction  measurements  using  the  Shin 

Nippon  (Chapter  2  and  3).  Unlike  with  the  EM,  where  a  fast  measurement  scan  is 

performed, with  the Shin Nippon, measurements were performed sequentially  for each 

visual field position and thus numerous re‐alignments were required by both participants 

and  operators.  Another  reason,  as  in  Chapter  5,  could  be  related  to  the  ring‐

autorefraction  principle  being  not  a  suitable  operation  principle,  when  performing 

peripheral refraction measurements.   

 

Although,  it  was  demonstrated  that  measurements  with  contact  lenses  on  eye  are 

possible  with  the  EM,  repeatability  is  still  lower  when  compared  to  baseline 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

237 

measurements. One factor could be  lens movement on the eye or small amounts of  lens 

prism,  but more work  is  required  to  further  understand  and  improve  the  accuracy  of 

measuring peripheral refraction profiles with contact lenses on eye.  

6.4.3.3 Reproducibility 

For one participant, measurements with the EM were repeated on a second occasion by 

an  independent  operator.  The  measured  peripheral  refraction  profiles  were  similar 

between  operators  for  all  conditions, whether measurements were  performed with  or 

without  contact  lenses  on  eye.  However,  there  was  a  small  trend  for  operator  1 

measuring  more  myopic  peripheral  refraction  profiles  compared  to  operator  2 

(difference  <  0.17D).  This  may  be  related  to  a  consistent  small  difference  in  pupil 

alignment  between  both  operators,  which  would  also  explain  why  the  standard 

deviations  of  the  repeats  were  similar  for  both  operators.  The  small  difference  in M 

measured  between  operators  resulted  in  the  higher  coefficients  of  reproducibility.  It 

should be noted, however, that due to the small sample size of only one participant, the 

current  analysis  on  instrument  reproducibility  is  limited.  A  larger  sample  sized  study, 

where  measurements  are  performed  by  more  than  two  operators,  is  therefore 

recommended to provide clinically more useful information on the EM’s reproducibility.  

6.5 Discussion 

6.5.1 Peripheral Refraction Instruments 

During the last few years, interest in the measurement of peripheral refractive errors has 

increased  enormously.    For  the  measurement  of  peripheral  refraction,  commercially 

available  instruments  are  commonly  used  (Chapter  1),  which  when  adopted  for  this 

purpose  require  some  form  of  modification  to  the  instrument  set‐up  and  alignment 

procedure. However, alignment requirements, for both, participants (eye/head turn) and 

operators  (pupil/instrument)  can  become  very  time  consuming  when  using  such 

instruments, and the precise alignment of the pupil was found to be a critical parameter 

in peripheral refractometry  (Chapter 2). Hence, a new peripheral refraction  instrument, 

the  EyeMapper, was  developed with  the  aim  to  perform  fast  and  accurate  refraction 

measurements across a wide visual field.   

 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

238 

The need  for  such  fast peripheral  refraction  instruments has been  recognised over  the 

last  few years, and besides  the EM presented  in  this  thesis,  three additional peripheral 

refraction  instruments have been developed during  this  time.42, 128, 155 All of  these new 

instruments  require  some  form  of  scanning  in  order  to  permit  the  refraction 

measurements across the visual field. Table 6.5  lists some of the main features for each 

of the four peripheral refraction instruments.   

Table 6.5:  Features of current peripheral refraction instruments. 

Instrument  Operation Principle 

Peripheral Refraction is 

achieved with… 

Visual Field Range Measurement Duration (in s) 

Scanning Photo‐

Refractor 

(Tabernero et al.42) 

Photo‐ 

refractometry 

a rotational and 

translational hot 

mirror 

‐45° to +45° in 0.4° 

steps 

Scanning Shack 

Hartmann 

Aberrometer (Wei 

and Thibos128) 

Aberrometry  three‐element, 

double‐ pass scanning 

lenses and a scanning 

mirror 

‐15° to +15° in 5° 

steps (along 6 visual 

field meridians) 

7 to 8 

Scanning 

Hartmann‐Shack 

Wavefront Sensor 

(Jaeken and 

Artal155) 

Aberrometry  a rotation stage and 

fixed mirrors 

‐40° to +40° 

(continuously) 

The EyeMapper  Aberrometry  a deflection system 

and a scanning mirror 

‐50° to +50° in 10° 

steps (along 7 visual 

field meridians) 

currently 0.45 

per visual field 

meridian 

The  first peripheral  refraction  instrument was  introduced by Tabernero et al.  in 2009.42 

This  instrument  is  a  scanning  photo‐refractor,  which  permits  continuous  refraction 

readings  across  the  horizontal  visual  field.  For  this,  a  rotational  and  translational  hot 

mirror  is  used  to  achieve  the  peripheral  refraction  scan.  Measurements  with  this 

instrument  take  approximately  4  seconds.  The  scanning  photo‐refractor  is  currently 

limited  to  the measurement  of  spherical  errors  and  thus,  astigmatic  errors, which  are 

particularly  present  in  the  periphery  of  the  eye,  cannot  be  investigated  when 

measurements are performed using this instrument.  

 

The  Scanning  Shack Hartmann  Aberrometer  by Wei  and  Thibos  uses  custom‐designed, 

three‐element,  double‐pass  scanning  lenses  and  a  scanning  mirror  to  perform  the 

peripheral  refraction  scan.128  By  use  of  these  lenses,  the  instrument  permits 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

239 

measurements ranging from ‐15° to +15°  in 5° steps along 6 visual field meridians. Thus, 

a total of 37 refraction measurements can be obtained within 7 to 8 seconds. Currently, 

however the central and all peripheral measurements along the horizontal meridian are 

not possible as strong backward scattering of light interferes with the measurements. 

 

Like Tabernero et al.’s scanning photo‐refractor,  Jaeken and Artal’s open‐view scanning 

wavefront  sensor  measures  refraction  continuously  across  the  wide  horizontal  visual 

field.155  This  instrument  comprises  a  combination  of moving  (rotation  stage,  a  caging 

system and a high speed camera) and  fixed components  (mirrors). As with  the EM, one 

design  goal of  this wavefront  sensing  technique was  to maintain equal path  lengths  at 

each measuring angle. A peripheral refraction scan with this instrument currently takes 2 

seconds  and  further  adjustments  to  the  current  instrument  are  required  to  provide  a 

clinically more useful version.  

 

The  EM  uses  a  deflection  system, which  comprises  numerous  stationary mirrors  and  a 

scanning  mirror  to  permit  the  refraction  scan  across  the  visual  field.  This  deflection 

system presents some advantages over the other three instruments. Unlike the scanning 

aberrometer by Wei and Thibos, where all peripheral measurements are performed via 

the  same  double‐pass  scanning  lenses,  the  deflection  system  of  the  EM  has  individual 

paths  for  each  peripheral measurement  angle  and  thus,  permits measurements  up  to 

±50°.  Compared  to  the  instruments  by  Tabernero  et  al.  and  Jaeken  and  Artal,  which 

require some moving elements to perform the peripheral refraction scan, the advantage 

of  the  EM’s  deflection  system  is  that  the  scan  can  be  performed  very  rapidly.  In  fact 

although  in  the  current  study  the  EM’s  measurement  time  was  0.75  seconds,  latest 

improvements  to  the  instrument  have  increased  the measurement  speed  even  further 

and the  instrument permits now measurements  in only 0.45 seconds. Consequently, the 

impact  of  fluctuating  accommodation  and/or  fluctuating  fixation  on  the  refraction 

measurements is smallest with the EM compared to the other instruments. On the other 

hand, the scanning principles used in the peripheral refraction instruments by Tabernero 

et al. and  Jaeken and Artal have  the advantage  that  they permit  continuous  refraction 

measurements,  which  allow  the  assessment  of  the  complete  peripheral  refraction 

profile. The main advantage of  the  Scanning  Shack Hartmann Aberrometer by Wei  and 

Thibos is, that during one scan, this instrument permits measurements along 6 (currently 

5)  visual  field meridians.  Although  the  rotational  feature  of  the  EM  also  permits  the 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

240 

measurement of the vertical and five oblique visual field meridians, these measurements 

have to be performed independently from each other.  

 

With respect to  its size, appearance and user  interface, the EM was designed to be used 

in  clinical  practice  by  a  clinician  with  minimal  training.  While  there  is  potential  for 

further  refinement of  the design  to make  it a commercial  instrument,  the EM  is closest 

to a marketable clinical instrument for routine use.  

 

When comparing the features of the current four peripheral refraction  instruments,  it  is 

evident  that  each  instrument  has  its  own  advantages  and  disadvantages.  Being  in  the 

early development stages with some  limitations still present,  it  is anticipated that more 

refinements  are  soon  to  follow  for  each  instrument.  Ultimately,  these  peripheral 

refraction instruments have the potential to be used as general myopia monitoring tools 

not only in research institutions but also in clinical and optometric practices.     

6.5.2 Limitations and Suggestions for Future Work 

Being  a prototype  instrument,  the  EyeMapper has  room  for  further  improvement.  The 

knowledge  gained during  the design  and development phase,  in which many obstacles 

had  to  be  overcome,  can  now  assist  in  the  further  refinement  and  testing  of  the 

instrument. The following points list some of the current main limitations of the EM and, 

where  possible,  provide  suggestions  to  address  them  in  either  this  prototype  and/or 

future instrument versions: 

 

Peripheral  refraction measurements on  the model eye have  shown  that a  small 

cylinder  axis  deviation  caused  some  fluctuations  in  the  refractive  vector 

component  J45,  particularly  at  far‐peripheral  angles.  This  is  likely  to  be  due  to 

some small mirror alignment errors in the deflection system which can and need 

to be resolved.     

The majority  of mirrors  used  in  the  deflection  system  are  aluminium  coated, 

front surface mirrors, with a reflectance of approximately 85% at the wavelength 

of 830 nm. The use of  silver mirrors with higher  reflectivity would  reduce  light 

loss, allowing a reduction in the power of the SLD. 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

241 

The  current mechanical  beam  shutter  used  in  the  EM  is  noisy  and  a  potential 

source  of  vibrations.  Replacement  by  a  smoother  and  less  noisy  shutter  is 

suggested.  

A  slightly  larger  diameter  lens  (L1)  for  the  on‐axis  alignment  would  improve 

alignment,  particularly,  when  measurements  need  to  be  performed  for  very 

large pupils (e.g. under cycloplegia).  

The  EM  is  designed with  the  aim  to measure  peripheral  refraction  over wide 

angles of view (from ‐50° to +50°). However, in some cases measurements at far 

peripheral angles may be not possible due to the participant’s eye lid obstructing 

the pupil.  

The validation study on the EM has shown that when performing measurements 

using  closed‐view  refraction  instruments,  adequate  autofogging  mechanisms 

have to be incorporated. With the fixation target being positioned on a movable 

translation stage,  it would not be difficult to move the target to such a position. 

Whether  or  not  a  real  open‐view  set‐up  can  be  incorporated  into  the  EM 

instrument, is to be assessed further.    

Currently,  the EM  can measure  visual  field meridians  ranging  from 0°  to 90°  in 

15°  steps.    Perhaps  a  different  rotation  method  could  be  implemented  in  a 

future instrument to also permit the measurements of the visual field meridians, 

ranging from 0° to 180°. 

The  EM’s  fixation  path was  designed with  the  aim  to measure  the  peripheral 

refraction profile for different accommodative states. Further work is required to 

test this feature and to investigate its implications on visual science.  

6.6 Conclusion 

A  new  peripheral  refraction  instrument,  the  EyeMapper,  was  developed  at  the  Brien 

Holden  Vision  Institute,  Sydney, Australia.  The  instrument’s  optical  design  is  based  on 

the wavefront sensing principle, a principle which was deemed to be most suitable for an 

instrument  dedicated  to  the  measurement  of  peripheral  refraction.  By  means  of  a 

deflection  system  and  a  scanning  mirror,  this  instrument  is  able  to  provide  global 

refraction (aberration) measurements, ranging from ‐50° to +50°, in 10° steps.  

 

Following development of  the  EM,  a peripheral  refraction model  eye with  a  rotational 

and  translational extended plane  retina was used  to assess  instrument accuracy. When 

CHAPTER 6:  THE EYEMAPPER: A REAL‐TIME GLOBAL ABERROMETER 

242 

compared  to  refraction  data  obtained  on  a  well‐calibrated  commercially  available 

aberrometer,  the  results  obtained with  the  EM were  in  good  agreement  and  showed 

overall  better  repeatability.  Moreover,  in  10  human  eyes,  measurements  were 

performed  with  and  without  contact  lenses  on  eye,  using  three  instruments;  the 

EyeMapper  and  the  two  commercially  available  instruments,  the  Shin Nippon  and  the 

COAS. Overall, the comparability of the peripheral refraction profiles was good between 

the  instruments; however,  the Shin Nippon measured  slightly more positive M and  J180 

values with  increasing visual  field angle when compared  to  the EM. Better repeatability 

for M and  J180 was obtained with  the EM, when  compared  to  the  Shin Nippon data.  In 

addition, the peripheral refraction profile of one participant was measured with the EM 

by  two  different  operators  on  two  different  occasions  to  demonstrate  good 

reproducibility.   

 

Compared to other peripheral refraction instruments, the EyeMapper permits the fastest 

peripheral refraction scan across the visual field requiring only 0.75 seconds. In addition, 

its  rotational  feature  permits  the  measurements  of  7  visual  field  meridians  and  its 

clinically user‐friendly design, makes it a great myopia monitoring tool for future studies. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CHAPTER 7: SUMMARY AND CONCLUSIONS 

243 

 

CHAPTER 7:  

SUMMARY AND CONCLUSIONS 

7.1 Significance of Peripheral Refractometry  

With the rapidly  increasing prevalence of myopia  in many countries, the discovered  link 

between  myopia  development  and  peripheral  refractive  error  has  stimulated  great 

interest  in  the critical assessment and monitoring of  the peripheral optics of  the eye.  It 

has  therefore become  paramount  for myopia  research  activities  to be  able  to  develop 

techniques  that measure both central and peripheral  refraction, quickly and accurately. 

Currently, however,  there are several  limitations with commercially available  refraction 

instruments for the measurement of peripheral refraction.   

 

The  aims  of  this  thesis  were  to  investigate  methodological  limitations  of  current 

peripheral refraction techniques, and to introduce and explore new concepts to improve 

peripheral refraction. 

7.2 Current Limitations 

When  using  conventional  instruments  for  the  measurement  of  peripheral  refraction, 

modifications  and  numerous  time‐consuming  re‐alignments  are  required,  by  both 

participants and operators.  

7.2.1 Participant‐Related Alignment Limitations  

To permit the measurement of a particular peripheral visual field angle, the participant is 

commonly asked to either turn the eye or the head towards a peripheral fixation target. 

The  use  of  two  different  alignment  methods  has  raised  the  concern  over  whether 

peripheral refraction measurements obtained through eye and head turn differ  (Section 

1.4).  It was hypothesised  that external muscles  from  the eye may potentially affect eye 

turn measurements. Several studies, each based on different study protocols (peripheral 

visual  field  angles,  instrumentation,  viewing duration, etc.) have  sought  to  answer  this 

question.  Due  to  the  inconclusive  results  obtained  between  studies,  it  was 

recommended  that, where possible, head  turn  should be used  for peripheral  refraction 

measurements  (Chapter 1). A  further  limitation associated with participant alignment  is 

CHAPTER 7: SUMMARY AND CONCLUSIONS 

244 

the  extensive  testing  time  required,  particularly  when  numerous  peripheral  positions 

need  to  be measured  for  the  determination  of  the  participant’s  peripheral  refraction 

profile.  In  general,  the  active and  time‐consuming  cooperation  required by  the  subject 

limits  the  use  of  commercially  available  instruments  for  the  measurement  of  the 

peripheral optics of the eye.    

7.2.2 Operator‐Related Alignment Limitations  

Besides  the participant‐related alignment  limitations, one aspect  that had not yet been 

investigated  was  whether  alignment  limitations  also  exist  for  the  operator  when 

measuring  peripheral  refraction.  By  use  of  a  conventional  autorefractor  (based  on  the 

ring autorefraction principle)  it was demonstrated  that, as peripheral  visual  field angle 

increased, tolerance to pupil misalignment by the operator decreased significantly, even 

below  normal  alignment  variability, making  peripheral  refraction measurements more 

susceptible  to  error  (Section  2.1).  As  a  result  it  was  concluded  that  precise  pupil 

alignment by  the operator  is  critical  to obtain accurate peripheral  refraction  results.  In 

addition,  a  three‐dimensional  entrance  pupil model  demonstrated  that  the  peripheral 

entrance pupil shape is not elliptical, as currently assumed when aligning the instrument 

(Section 2.3). This can lead, potentially, to small systematic alignment errors, particularly 

at large peripheral angles.   

 

With  precise  pupil  alignment  being  such  a  significant  parameter  in  peripheral 

refractometry, a method that aimed to rectify pupil alignment related errors when using 

conventional instruments was established, validated and tested (Chapter 3). This method 

firstly  required  the  development  of  a  pupil  alignment matrix, which was  achieved  by 

measuring  refractive  error with  a  conventional  autorefractor  at  pre‐defined  pupil  de‐

alignment positions for a number of selected visual field angles. In addition, the amount 

of  pupil  misalignment  was  determined  from  the  pupil  alignment  screen  image,  as 

captured  during  the  refraction  measurement.  The  relevant  correction  algorithms  for 

pupil misalignment were derived  from  the matrix, and  refraction values were corrected 

with  respect  to  the  amount  of  pupil misalignment measured.  Following  correction  of 

pupil misalignment,  the  variability  for  the  corrected mean peripheral  refraction profile 

was  reduced  by  at  least  25%.  Despite  the  fact  that  the  developed  method  was 

demonstrated  to  reduce  the  variability  caused  by  pupil misalignment,  it  is  anticipated 

CHAPTER 7: SUMMARY AND CONCLUSIONS 

245 

that  further  reductions  can  be  achieved  by  refining  the  correction  algorithms  and  by 

eliminating the small image capture delay.  

7.3 A New Approach 

With  the  ultimate  goal  to  overcome  peripheral  refraction  measurement  limitations 

related to both the time‐consuming re‐alignment  (off‐axis  fixation) requirements by the 

participant  and  the  strict  requirements  for  precise  pupil  alignment  by  the  operator,  a 

new  instrument  concept was  introduced;  the  EyeMapper  (EM)  (Chapter  4).  The  initial 

aim of  the EM was  to perform a  rapid  refraction  scan,  ranging  from  ‐50°  to +50°  in 10° 

steps,  using  ten  stationary  deflecting  prisms  and  one  scanning  mirror.  As  with  most 

autorefractors that are currently adopted for peripheral refractometry, the objective was 

to  determine  the  sphero‐cylindrical  refraction  output  by  means  of  the  ring‐

autorefraction  operation  principle.  On  the  basis  of  the  EM  reference model  eye,  the 

optical sub‐paths of the proposed EM instrument were designed using the optical system 

design  software  ZEMAX.  Specifically,  five  intertwined  optical  paths;  the  deflection 

system, the  illumination, reflection, pupil imaging and fixation paths, were designed and 

evaluated with respect to the individual pre‐defined path criteria.  

 

Prior  to  testing  of  this  instrument  concept,  a  number  of  additional  functions  and 

components required sourcing and evaluation to ensure the safe and effective operation 

of the proposed EM instrument (Chapter 5). This process included assessment of the on‐ 

and  off‐axis  ring  scan  illumination  and  its  optical  radiation  safety  limits,  as  well 

assessment  of  the  speed  and  precision  of  the  image  detection.  As  a  preliminary 

validation  step  for  the  optical  design,  image  capture  and  image  analysis,  the  critical 

components required  for the EM’s on‐axis ring‐autorefraction principle were assembled 

and  tested. Although  its operation  for on‐axis measurements was confirmed and cross‐

validated  with  a  conventional  autorefractor,  an  obstacle  relating  to  the  ring‐image 

analysis  was  identified,  which  would  impair  one  of  the  main  goals  of  the  EM;  the 

performance  of  a  peripheral  refraction  scan  in  less  than  one  second.  Additional 

experimental  testing  and  modelling  also  revealed  that  peripheral  higher  order 

aberrations  have  the  potential  to  interfere  with  the  sphero‐cylindrical  refraction 

readings obtained when using  this  ring‐autorefraction operation principle. A  technique 

that segregates higher and lower order aberrations was therefore deemed more suitable 

for an instrument dedicated to measuring peripheral refraction. 

CHAPTER 7: SUMMARY AND CONCLUSIONS 

246 

Based  on  the  knowledge  gained  in  Chapters  4  and  5,  the  optical  and mechanical  EM 

design was updated to integrate the wavefront sensing principle. On the basis of the new 

design, the first prototype  instrument was built at the Brien Holden Vision  Institute and 

tested  experimentally  (Chapter  6).  The  updated  EM  instrument  uses  an  intricate 

arrangement of  stationary mirrors and one  scanning mirror  that  together permit global 

(central and peripheral) refraction (aberration) measurements, ranging from ‐50° to +50° 

in 10° steps. The rotational feature of the EM permits the measurements of seven visual 

field meridians ranging from 0° to 90°  in 15° steps. An entire peripheral refraction along 

one visual field meridian scan can be completed within only 0.75 seconds, making  it the 

fastest of the four peripheral refraction  instruments developed thus far. Finally, the EM 

was  validated  by  measuring  peripheral  refraction  on  a  custom‐designed  peripheral 

refraction model eye and on 10 human eyes. Peripheral refraction profiles measured on 

the  custom‐designed  model  eye  were  in  good  agreement  with  the  EM  and  a  well‐

calibrated  commercially  available  aberrometer.  Improved  repeatability  was  obtained 

using the EM.  Improved repeatability was also achieved with the EM when compared to 

the Shin Nippon autorefractor for measurements performed on 10 human eyes. This was 

true for measurements obtained with and without contact lenses on eye.  

 

In  summary,  a  new  clinical  instrument,  the  EyeMapper, was  developed which  permits 

accurate,  repeatable and  reproducible  real‐time global  refraction measurements, which 

are of particular importance for the monitoring and assessment of myopia progression.   

7.4 Conclusions 

This  thesis  comprises  a  body  of  work  that  has  contributed  to  the  improved 

understanding of methodological limitations of current peripheral refraction techniques. 

On  the  basis  of  the  limitations  identified,  new methodologies  for  the  advancement  of 

peripheral refractometry were introduced and explored.  All the aims were achieved and 

both hypotheses confirmed. 

 

Findings  from  this  thesis  have  reinforced  the  fact  that when  using  an  instrument  for 

purposes  other  than  its  intended  use,  it  is  not  certain  that  the  intrinsic  application  or 

operation principle will generate accurate results when used in the modified fashion.  

 

CHAPTER 7: SUMMARY AND CONCLUSIONS 

247 

This  work  has  implications  for  numerous  research  activities;  in  particular,  when  the 

interpretation  of  accurate  peripheral  refraction  profiles  is  required,  and  where 

longitudinal  and/or  large  sample  sized  studies  require  a  number  of  repeated 

measurements.  In  the  current  quest  to  understand,  monitor  and  control  myopia 

progression,  the  clinically  robust,  fast  and  accurate  EM  instrument  presented  in  this 

thesis,  provides  the most  advanced  tool  for  the measurement  of  peripheral  refraction 

profiles  in  large  population‐based  studies,  as  well  as  detailed  investigations  into 

peripheral  refraction  profiles  of  individuals.  It  is  anticipated  that  in  the  near  future 

applications  for  peripheral  refraction  instruments  will  be  found  not  only  in  research 

institutions but also  in general eye care, for example,  in assessing retinal  image profiles, 

in  detecting  children who  are  at  risk  of  developing myopia,  and  in  prescribing  specific 

optical devices with designs to eliminate peripheral hyperopia or myopia.  In addition to 

refractive error development and  control,  there are many other  research areas  related 

to the peripheral optics of the eye for which the use of such a fast peripheral refraction 

instrument could also be of great benefit, including optimising peripheral visual function 

for low vision subjects with absolute central skotoma or in sport and life in general. 

REFERENCES 

248 

 

REFERENCES 

 

1.  Schaeffel F, Glasser A, Howland HC. Accommodation, refractive error and eye growth  in chickens. Vision Res 1988;28:639‐57. 

 2.  Zhu X, Park TW, Winawer J, Wallman J.  In a matter of minutes, the eye can know which 

way to grow. Invest Ophthalmol Vis Sci 2005;46:2238‐41.  3.  Stone RA, Pendrak K, Sugimoto R, Lin T, Gill AS, Capehart C, Liu J. Local patterns of image 

degradation  differentially  affect  refraction  and  eye  shape  in  chick.  Curr  Eye  Res 2006;31:91‐105. 

 4.  Smith EL, 3rd, Hung LF, Huang J, Blasdel TL, Humbird TL, Bockhorst KH. Effects of optical 

defocus  on  refractive  development  in monkeys:  evidence  for  local,  regionally  selective mechanisms. Invest Ophthalmol Vis Sci 2010;51:3864‐73. 

 5.  Diether S, Schaeffel F. Local changes  in eye growth  induced by  imposed  local  refractive 

error despite active accommodation. Vision Res 1997;37:659‐68.  6.  Wallman  J,  Gottlieb MD,  Rajaram  V,  Fugate‐Wentzek  LA.  Local  retinal  regions  control 

local eye growth and myopia. Science 1987;237:73‐7.  7.  Hodos W, Kuenzel WJ. Retinal‐image degradation produces ocular enlargement in chicks. 

Invest Ophthalmol Vis Sci 1984;25:652‐9.  8.  Smith EL, 3rd, Huang J, Hung LF, Blasdel TL, Humbird TL, Bockhorst KH. Hemiretinal form 

deprivation:  evidence  for  local  control  of  eye  growth  and  refractive  development  in infant monkeys. Invest Ophthalmol Vis Sci 2009;50:5057‐69. 

 9.  Smith EL, 3rd, Hung LF. The role of optical defocus  in regulating refractive development 

in infant monkeys. Vision Res 1999;39:1415‐35.  10.  Smith EL, 3rd, Ramamirtham R, Qiao‐Grider Y, Hung LF, Huang J, Kee CS, Coats D, Paysse 

E.  Effects  of  foveal  ablation  on  emmetropization  and  form‐deprivation myopia.  Invest Ophthalmol Vis Sci 2007;48:3914‐22. 

 11.  Fedtke C, Ehrmann K, Holden BA. A  review of peripheral  refraction  techniques. Optom 

Vis Sci 2009;86:429‐46.  12.  Hoogerheide  J,  Rempt  F,  Hoogenboom  WP.  Acquired  myopia  in  young  pilots. 

Ophthalmologica 1971;163:209‐15.  13.  Logan NS, Gilmartin B, Wildsoet CF, Dunne MC. Posterior retinal contour  in adult human 

anisomyopia. Invest Ophthalmol Vis Sci 2004;45:2152‐62.  14.  Lotmar W,  Lotmar  T. Peripheral  astigmatism  in  the human  eye:  experimental data  and 

theoretical model predictions. J Opt Soc Am 1974;64:510‐3.  15.  Millodot  M.  Effect  of  ametropia  on  peripheral  refraction.  Am  J  Optom  Physiol  Opt 

1981;58:691‐5. 

REFERENCES 

249 

16.  Mutti DO, Hayes  JR, Mitchell GL,  Jones  LA, Moeschberger ML, Cotter SA, Kleinstein RN, Manny  RE,  Twelker  JD,  Zadnik  K.  Refractive  error,  axial  length,  and  relative  peripheral refractive  error  before  and  after  the  onset  of  myopia.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci 2007;48:2510‐9. 

 17.  Mutti DO,  Sholtz  RI,  Friedman NE,  Zadnik  K.  Peripheral  refraction  and  ocular  shape  in 

children. Invest Ophthalmol Vis Sci 2000;41:1022‐30.  18.  Rempt  F,  Hoogerheide  J,  Hoogenboom WP.  Peripheral  retinoscopy  and  the  skiagram. 

Ophthalmologica 1971;162:1‐10.  19.  Schmid GF. Variability of retinal steepness at the posterior pole in children 7‐15 years of 

age. Curr Eye Res 2003;27:61‐8.  20.  Stone RA, Flitcroft DI. Ocular shape and myopia. Ann Acad Med Singapore 2004;33:7‐15.  21.  Millodot  M,  Lamont,  A.  Refraction  of  the  periphery  of  the  eye.  J  Opt  Soc  Am  A 

1974;64:110‐11.  22.  Atchison DA, Pritchard N, Schmid KL, Scott DH,  Jones CE, Pope  JM. Shape of  the  retinal 

surface in emmetropia and myopia. Invest Ophthalmol Vis Sci 2005;46:2698‐707.  23.  Seidemann A, Schaeffel F, Guirao A, Lopez‐Gil N, Artal P. Peripheral  refractive errors  in 

myopic,  emmetropic,  and hyperopic  young  subjects.  J Opt  Soc Am A Opt  Image  Sci Vis 2002;19:2363‐73. 

 24.  Atchison  DA,  Pritchard  N,  Schmid  KL.  Peripheral  refraction  along  the  horizontal  and 

vertical visual fields in myopia. Vision Res 2006;46:1450‐8.  25.  Gustafsson  J, Terenius E, Buchheister  J, Unsbo P. Peripheral astigmatism  in emmetropic 

eyes. Ophthalmic Physiol Opt 2001;21:393‐400.  26.  Millodot M,  Lamont  A.  Letter:  Refraction  of  the  periphery  of  the  eye.  J  Opt  Soc  Am 

1974;64:110‐11.  27.  Wang  YZ,  Thibos  LN,  Lopez  N,  Salmon  T,  Bradley  A.  Subjective  refraction  of  the 

peripheral field using contrast detection acuity. J Am Optom Assoc 1996;67:584‐9.  28.  Jackson DW, Paysse EA, Wilhelmus KR, Hussein MA, Rosby G, Coats DK. The effect of off‐

the‐visual‐axis  retinoscopy  on  objective  refractive  measurement.  Am  J  Ophthalmol 2004;137:1101‐4. 

 29.  Atchison DA. Comparison of peripheral refractions determined by different  instruments. 

Optom Vis Sci 2003;80:655‐60.  30.  Atchison  DA,  Pritchard  N,  White  SD,  Griffiths  AM.  Influence  of  age  on  peripheral 

refraction. Vision Res 2005;45:715‐20.  31.  Atchison  DA,  Scott  DH.  Monochromatic  aberrations  of  human  eyes  in  the  horizontal 

visual field. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2002;19:2180‐4.  32.  Atchison DA,  Scott DH, Charman WN. Hartmann‐Shack  technique  and  refraction  across 

the horizontal visual field. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2003;20:965‐73.  33.  Berntsen  DA, Mutti  DO,  Zadnik  K.  Validation  of  aberrometry‐based  relative  peripheral 

refraction measurements. Ophthalmic Physiol Opt 2008;28:83‐90. 

REFERENCES 

250 

34.  Calver R, Radhakrishnan H, Osuobeni E, O'Leary D. Peripheral refraction for distance and near vision in emmetropes and myopes. Ophthalmic Physiol Opt 2007;27:584‐93. 

 35.  Charman  WN,  Jennings  JA.  Longitudinal  changes  in  peripheral  refraction  with  age. 

Ophthalmic Physiol Opt 2006;26:447‐55.  36.  Charman  WN,  Mountford  J,  Atchison  DA,  Markwell  EL.  Peripheral  refraction  in 

orthokeratology patients. Optom Vis Sci 2006;83:641‐8.  37.  Dunne MC, Misson GP, White EK, Barnes DA. Peripheral astigmatic asymmetry and angle 

alpha. Ophthalmic Physiol Opt 1993;13:303‐5.  38.  Jennings  JA, Charman WN. Optical  image  quality  in  the  peripheral  retina. Am  J Optom 

Physiol Opt 1978;55:582‐90.  39.  Love,  Gilmartin,  Dunne.  Relative  peripheral  refractive  error  in  adult  myopia  and 

emmetropia. Ophthalmol Visual Sci Suppl 41, #1592 (ARVO abstract 2000) 2000.  40.  Ma  L,  Atchison  DA,  Charman  WN.  Off‐axis  refraction  and  aberrations  following 

conventional laser in situ keratomileusis. J Cataract Refract Surg 2005;31:489‐98.  41.  Millodot M. Peripheral refraction  in aphakic eyes. Am J Optom Physiol Opt 1984;61:586‐

9.  42.  Tabernero  J,  Schaeffel  F. More  irregular eye  shape  in  low myopia  than  in emmetropia. 

Invest Ophthalmol Vis Sci 2009;50:4516‐22.  43.  Chen X, Sankaridurg P, Donovan L, Lin Z, Li L, Martinez A, Holden B, Ge J. Characteristics 

of  peripheral  refractive  errors  of  myopic  and  non‐myopic  Chinese  eyes.  Vision  Res 2010;50:31‐5. 

 44.  Walker  TW, Mutti  DO.  The  effect  of  accommodation  on  ocular  shape.  Optom  Vis  Sci 

2002;79:424‐30.  45.  Cheng HM, Singh OS, Kwong KK, Xiong J, Woods BT, Brady TJ. Shape of the myopic eye as 

seen with high‐resolution magnetic resonance imaging. Optom Vis Sci 1992;69:698‐701.  46.  Salchow  DJ,  Zirm  ME,  Stieldorf  C,  Parisi  A.  Comparison  of  objective  and  subjective 

refraction  before  and  after  laser  in  situ  keratomileusis.  J  Cataract  Refract  Surg 1999;25:827‐35. 

 47.  Mathur  A,  Atchison  DA.  Influence  of  spherical  intraocular  lens  implantation  and 

conventional  laser  in  situ  keratomileusis  on  peripheral  ocular  aberrations.  J  Cataract Refract Surg 2010;36:1127‐34. 

 48.  Montes‐Mico  R,  Charman WN.  Image  quality  and  visual  performance  in  the  peripheral 

visual field following photorefractive keratectomy. J Refract Surg 2002;18:14‐22.  49.  Smith G, Atchison DA, Avudainayagam C, Avudainayagam K. Designing  lenses  to correct 

peripheral refractive errors of the eye. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2002;19:10‐8.  50.  Smith EL, 3rd, Greeman N, Ho A, Holden B,  inventors; Vision CRC Limited, Sydney  (AU), 

assignee. Methods and apparatuses  for altering relative curvature of  field and positions of peripheral, off‐axis focal positions. US patent US 7,025,460 B2. 2006 Mar. 17, 2009. 

 

REFERENCES 

251 

51.  Bara S, Navarro R. Wide‐field compensation of monochromatic eye aberrations: expected performance and design trade‐offs. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2003;20:1‐10. 

 52.  Tabernero  J,  Vazquez  D,  Seidemann  A,  Uttenweiler  D,  Schaeffel  F.  Effects  of  myopic 

spectacle  correction  and  radial  refractive  gradient  spectacles  on  peripheral  refraction. Vision Res 2009;49:2176‐86. 

 53.  Lundström L, Manzanera S, Prieto PM, Ayala DB, Gorceix N, Gustafsson J, Unsbo P, Artal 

P. Effect of optical correction and remaining aberrations on peripheral resolution acuity in the human eye. Opt Express 2007;15:12654‐61. 

 54.  Gustafsson  J, Unsbo P. Eccentric correction  for off‐axis vision  in central visual  field  loss. 

Optom Vis Sci 2003;80:535‐41.  55.  Lundström L, Gustafsson J, Unsbo P. Vision evaluation of eccentric refractive correction. 

Optom Vis Sci 2007;84:1046‐52.  56.  Lundström  L,  Unsbo  P,  Gustafsson  J.  Off‐axis  wave  front  measurements  for  optical 

correction in eccentric viewing. J Biomed Opt 2005;10:034002.  57.  Lotmar  W.  Theoretical  Eye  Model  with  Aspherics.  Journal  of  the  Optical  Society  of 

America 1971;61:1522.  58.  Charman WN, Atchison DA. Decentred optical axes and aberrations along principal visual 

field meridians. Vision Res 2009;49:1869‐76.  59.  Scialfa CT, Leibowitz HW, Gish KW. Age differences in peripheral refractive error. Psychol 

Aging 1989;4:372‐5.  60.  Hung LF, Ramamirtham R, Huang J, Qiao‐Grider Y, Smith EL, 3rd. Peripheral refraction  in 

normal infant rhesus monkeys. Invest Ophthalmol Vis Sci 2008;49:3747‐57.  61.  Mathur A, Atchison DA,  Charman WN.  Effects  of  age  on  peripheral  ocular  aberrations. 

Opt Express 2010;18:5840‐53.  62.  Baskaran  K, Unsbo  P, Gustafsson  J.  Influence  of Age  on  Peripheral Ocular Aberrations. 

Optom Vis Sci 2011.  63.  Kang P, Gifford P, McNamara P, Wu J, Yeo S, Vong B, Swarbrick H. Peripheral refraction in 

different ethnicities. Invest Ophthalmol Vis Sci 2010;51:6059‐65.  64.  Mathur A, Atchison DA, Kasthurirangan S, Dietz NA,  Luong S, Chin SP,  Lin WL, Hoo SW. 

The  influence of oblique viewing on axial and peripheral refraction for emmetropes and myopes. Ophthalmic Physiol Opt 2009;29:155‐61. 

 65.  Radhakrishnan H, Charman WN. Refractive changes associated with oblique viewing and 

reading in myopes and emmetropes. J Vis 2007;7:5.  66.  Radhakrishnan  H,  Charman WN.  Peripheral  refraction measurement:  does  it matter  if 

one turns the eye or the head? Ophthalmic Physiol Opt 2008;28:73‐82.  67.  Lundström  L, Mira‐Agudelo  A,  Artal  P.  Peripheral  optical  errors  and  their  change with 

accommodation differ between emmetropic and myopic eyes. J Vis 2009;9:1‐11.  68.  Ferree R, Hardy. Refraction for the peripheral field of vision. Archives of Ophthalmology 

1931;5:717‐31. 

REFERENCES 

252 

69.  Atchison DA. Third‐Order Theory of Spectacle Lenses Applied to Correction of Peripheral Refractive Errors. Optom Vis Sci 2011;88:E227‐E33. 

 70.  Smith G, Millodot M, McBrien N. The effect of accommodation on oblique astigmatism 

and  field  curvature of  the human eye. Clinical & Experimental Optometry 1988;71:119‐25. 

 71.  Whatham A, Zimmermann F, Martinez A, Delgado S, Lazon de la Jara P, Sankaridurg P, Ho 

A.  Influence  of  accommodation  on  off‐axis  refractive  errors  in  myopic  eyes.  J  Vis 2009;9:1‐13. 

 72.  Ho A,  Zimmermann  F, Whatham A, Martinez A, Delgado  S, de  la  Jara P,  Sankaridurg P. 

Change  in  Peripheral  Refraction  and  Curvature  of  Filed  of  the  Human  Eye  with Accommodation. Proc of SPIE 2009;7163:716318‐1‐5. 

 73.  Davies  LN,  Mallen  EA.  Influence  of  accommodation  and  refractive  status  on  the 

peripheral refractive profile. Br J Ophthalmol 2009;93:1186‐90.  74.  Tabernero  J,  Schaeffel  F.  Fast  scanning  photoretinoscope  for  measuring  peripheral 

refraction  as  a  function  of  accommodation.  J  Opt  Soc  Am  A  Opt  Image  Sci  Vis 2009;26:2206‐10. 

 75.  Queiros A, Jorge J, Gonzalez‐Meijome JM.  Influence of fogging  lenses and cycloplegia on 

peripheral refraction. J Optom 2009;2:83‐9.  76.  Smith  G,  Lu  CW.  Peripheral  power  errors  and  astigmatism  of  eyes  corrected  with 

intraocular lenses. Optom Vis Sci 1991;68:12‐21.  77.  Atchison DA, Mathur A, Read SA, Walker MI, Newman AR, Tanos PP, McLennan RT, Tran 

AH. Peripheral ocular aberrations  in mild and moderate keratoconus.  Invest Ophthalmol Vis Sci 2010;51:6850‐7. 

 78.  Mutti  DO,  Sinnott  LT,  Mitchell  GL,  Jones‐Jordan  LA,  Moeschberger  ML,  Cotter  S, 

Kleinstein RN, Manny RE,  Twelker D,  Zadnik  K. Relative peripheral  refractive  error  and the risk of onset and progression of myopia in children. Invest Ophthalmol Vis Sci 2010. 

 79.  Mathur A, Atchison DA. Effect of orthokeratology on peripheral aberrations of  the eye. 

Optom Vis Sci 2009;86:E476‐84.  80.  Queiros  A,  Gonzalez‐Meijome  JM,  Jorge  J,  Villa‐Collar  C,  Gutierrez  AR.  Peripheral 

refraction in myopic patients after orthokeratology. Optom Vis Sci 2010;87:323‐9.  81.  Shen J, Clark CA, Soni PS, Thibos LN. Peripheral refraction with and without contact  lens 

correction. Optom Vis Sci 2010;87:642‐55.  82.  Sankaridurg P, Donovan L, Varnas S, Ho A, Chen X, Martinez A, Fisher S, Lin Z, Smith EL, 

3rd, Ge  J, Holden  B.  Spectacle  Lenses Designed  to  Reduce  Progression  of Myopia:  12‐Month Results. Optom Vis Sci 2010. 

 83.  Lin Z, Martinez A, Chen X, Li L, Sankaridurg P, Holden BA, Ge  J. Peripheral defocus with 

single‐vision spectacle lenses in myopic children. Optom Vis Sci 2010;87:4‐9.  84.  Young T. On the mechanism of the eye. Phils Trans Roy Soc Lond (Biol) 1801;91:23‐88.  85.  Choi SS, Garner LF, Enoch JM. The relationship between the Stiles‐Crawford effect of the 

first kind (SCE‐I) and myopia. Ophthalmic Physiol Opt 2003;23:465‐72. 

REFERENCES 

253 

86.  Clarke FJJ. A study of Troxler's Effect. Journal of Modern Optics 1960;7.  87.  Troxler  IPV.  Über  das  Verschwinden  gegebener  Gegenstände  innerhalb  unseres 

Gesichtskreises. Ophthalmologische Bibliothek 1804;2:1‐53.  88.  Read  SA, Collins MJ, Carney  LG. The  influence of eyelid morphology on normal  corneal 

shape. Invest Ophthalmol Vis Sci 2007;48:112‐9.  89.  Kame RT,  Jue TS, Shigekuni DM. A  longitudinal  study of corneal astigmatism changes  in 

Asian eyes. J Am Optom Assoc 1993;64:215‐9.  90.  Buehren T, Collins MJ, Carney LG. Near work  induced wavefront aberrations  in myopia. 

Vision Res 2005;45:1297‐312.  91.  Read SA, Collins MJ, Carney LG. A review of astigmatism and its possible genesis. Clin Exp 

Optom 2007;90:5‐19.  92.  Campbell FW, Gubisch RW. Optical quality of the human eye. J Physiol 1966;186:558‐78.  93.  Artal  P,  Derrington  AM,  Colombo  E.  Refraction,  aliasing,  and  the  absence  of  motion 

reversals in peripheral vision. Vision Res 1995;35:939‐47.  94.  Wang  YZ,  Thibos  LN,  Bradley  A.  Effects  of  refractive  error  on  detection  acuity  and 

resolution acuity in peripheral vision. Invest Ophthalmol Vis Sci 1997;38:2134‐43.  95.  Millodot M, Johnson CA, Lamont A, Leibowitz HW. Effect of dioptrics on peripheral visual 

acuity. Vision Res 1975;15:1357‐62.  96.  Frisen  L,  Nikolajeff  F.  Properties  of  high‐pass  resolution  perimetry  targets.  Acta 

Ophthalmol (Copenh) 1993;71:320‐6.  97.  Leibowitz HW,  Johnson CA,  Isabelle E. Peripheral motion detection and refractive error. 

Science 1972;177:1207‐8.  98.  Johnson CA, Leibowitz HW. Practice, refractive error, and feedback as factors influencing 

peripheral motion thresholds. Perception & Psychophysics 1974;15:276‐80.  99.  Lundström L, Gustafsson  J, Svensson  I, Unsbo P. Assessment of objective and subjective 

eccentric refraction. Optom Vis Sci 2005;82:298‐306.  100.  Anderson  RS,  Thibos  LN.  Relationship  between  acuity  for  gratings  and  for  tumbling‐E 

letters in peripheral vision. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 1999;16:2321‐33.  101.  Thibos LN, Still DL, Bradley A. Characterization of spatial aliasing and contrast sensitivity 

in peripheral vision. Vision Res 1996;36:249‐58.  102.  Rovamo  J, Virsu  V,  Laurinen  P, Hyvarinen  L.  Resolution  of  gratings  oriented  along  and 

across meridians in peripheral vision. Invest Ophthalmol Vis Sci 1982;23:666‐70.  103.  Chui TY, Yap MK, Chan HH, Thibos LN. Retinal stretching limits peripheral visual acuity in 

myopia. Vision Res 2005;45:593‐605.  104.  Rempt  F,  Hoogerheide  J,  Hoogenboom  WP.  Influence  of  correction  of  peripheral 

refractive errors on peripheral static vision. Ophthalmologica 1976;173:128‐35.  

REFERENCES 

254 

105.  Jennings  JA,  Charman  WN.  Off‐axis  image  quality  in  the  human  eye.  Vision  Res 1981;21:445‐55. 

 106.  Navarro R, Artal P, Williams DR. Modulation  transfer of  the human eye as a  function of 

retinal eccentricity. J Opt Soc Am A 1993;10:201‐12.  107.  Guirao  A,  Artal  P.  Off‐axis  monochromatic  aberrations  estimated  from  double  pass 

measurements in the human eye. Vision Res 1999;39:207‐17.  108.  Williams DR, Artal P, Navarro R, McMahon MJ, Brainard DH. Off‐axis optical quality and 

retinal sampling in the human eye. Vision Res 1996;36:1103‐14.  109.  Atchison  DA.  Effect  of  defocus  on  visual  field  measurement.  Ophthalmic  Physiol  Opt 

1987;7:259‐65.  110.  Ferree  R,  Hardy.  Refractive  asymmetry  in  the  temporal  and  nasal  halves  of  the  visual 

field. Am J Ophthalmol 1932;15:513‐22.  111.  Ferree R. Interpretation of refractive conditions in the peripheral field of vision. Archives 

of Ophthalmology 1933:925‐38.  112.  Ronchi  L. Absolute  threshold  before  and  after  correction  of  oblique‐ray  astigmatism.  J 

Opt Soc Am 1971;61:1705‐9.  113.  Jennings  JA,  Charman WN.  The  effects  of  central  and  peripheral  refraction  on  critical 

fusion frequency. Ophthalmic Physiol Opt 1981;1:91‐6.  114.  Dunne MC,  Barnes  DA. Modelling  oblique  astigmatism  in  eyes  with  known  peripheral 

refraction and optical dimensions. Ophthalmic Physiol Opt 1990;10:46‐8.  115.  Artal  P,  Marcos  S,  Navarro  R,  Williams  DR.  Odd  aberrations  and  double‐pass 

measurements of  retinal  image quality.  J Opt Soc Am A Opt  Image Sci Vis 1995;12:195‐201. 

 116.  Navarro  R,  Moreno  E,  Dorronsoro  C.  Monochromatic  aberrations  and  point‐spread 

functions  of  the  human  eye  across  the  visual  field.  J Opt  Soc  Am  A Opt  Image  Sci  Vis 1998;15:2522‐9. 

 117.  Gustafsson  J.  The  first  successful  eccentric  correction.  Visual  Impairment  Research 

2001;3:147‐55.  118.  Atchison  DA.  Anterior  corneal  and  internal  contributions  to  peripheral  aberrations  of 

human eyes. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2004;21:355‐9.  119.  Paysse E,  Jackson M, Wilhelmus M. Effect of off‐axis retinoscopy on objective refractive 

measurement.  Transactions  28th  Meeting  European  Strabismological  Association,  de Faber 2004. 

 120.  Atchison  DA,  Lucas  SD,  Ashman  R,  Huynh  MA,  Schilt  DW,  Ngo  PQ.  Refraction  and 

aberration  across  the  horizontal  central  10  degrees  of  the  visual  field.  Optom  Vis  Sci 2006;83:213‐21. 

 121.  Atchison DA. Higher  order  aberrations  across  the  horizontal  visual  field.  J  Biomed Opt 

2006;11:34026. 

REFERENCES 

255 

122.  Donovan L, Sankaridurg P, Ho A, Hartwig A, Chen X, Holden B. Comparison of central and peripheral  refraction  determined  by  infrared  autorefraction,  Hartmann‐Shack aberrometry and streak retinoscopy. In: AAO. Tampa, Florida; 2007. 

 123.  Mathur A, Atchison DA, Scott DH. Ocular aberrations  in  the peripheral  visual  field. Opt 

Lett 2008;33:863‐5.  124.  Huang J, Hung LF, Ramamirtham R, Blasdel TL, Humbird TL, Bockhorst KH, Smith EL, 3rd. 

Effects of  form deprivation on peripheral  refractions  and ocular  shape  in  infant  rhesus monkeys (Macaca mulatta). Invest Ophthalmol Vis Sci 2009;50:4033‐44. 

 125.  Lundström L, Gustafsson J, Unsbo P. Population distribution of wavefront aberrations  in 

the peripheral human eye. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2009;26:2192‐8.  126.  Fedtke  C,  Ehrmann  K,  Ho  A,  Holden  B.  The  impact  of  pupil  alignment  on  peripheral 

refraction measurements using the Shin‐Nippon NVision K5001. In: AAO. Orlando; 2009.  127.  Mathur A, Atchison DA,  Charman WN. Myopia  and peripheral  ocular  aberrations.  J Vis 

2009;9:15 1‐2.  128.  Wei X, Thibos  L. Design  and Validation of  a  Scanning  Shack Hartmann Aberrometer  for 

Measurements of the Eye Over a Wide Field of View. Optics Express 2010;18:1134‐43.  129.  Sng CC, Lin XY, Gazzard G, Chang B, Dirani M, Chia A, Selveraj P, Ian K, Drobe B, Wong TY, 

Saw SM. Peripheral  refraction and  refractive error  in Singapore Chinese  children  Invest Ophthalmol Vis Sci 2011. 

 130.  Baskaran  K,  Theagarayan  B,  Carius  S,  Gustafsson  J.  Repeatability  of  peripheral 

aberrations in young emmetropes. Optom Vis Sci 2010;87:751‐9.  131.  Tabernero J, Ohlendorf A, Fischer MD, Bruckmann AR, Schiefer U, Schaeffel F. Peripheral 

Refraction Profiles in Subjects with Low Foveal Refractive Errors. Optom Vis Sci 2011.  132.  Goss  DA,  Grosvenor  T.  Reliability  of  refraction‐a  literature  review.  J  Am  Optom  Assoc 

1996;67:619‐30.  133.  Zadnik  K,  Mutti  DO,  Adams  AJ.  The  repeatability  of  measurement  of  the  ocular 

components. Invest Ophthalmol Vis Sci 1992;33:2325‐33.  134.  Scheiner C. Oculus, sive fundamentum opticum Austria: Innspruk 1619.  135.  Flamant MF.  Etude  de  la  repartition  de  lumiere  dans  l'image  retinienne  d'une  fente. 

Revue opt theor instrum 1955;34:433‐59.  136.  Santamaria  J,  Artal  P,  Bescos  J.  Determination  of  the  point‐spread  function  of  human 

eyes using a hybrid optical‐digital method. J Opt Soc Am A 1987;4:1109‐14.  137.  Mallen EA, Wolffsohn JS, Gilmartin B, Tsujimura S. Clinical evaluation of the Shin‐Nippon 

SRW‐5000 autorefractor in adults. Ophthalmic Physiol Opt 2001;21:101‐7.  138.  Bullimore  MA,  Fusaro  RE,  Adams  CW.  The  repeatability  of  automated  and  clinician 

refraction. Optom Vis Sci 1998;75:617‐22.  139.  Davies  LN, Mallen EA, Wolffsohn  JS, Gilmartin B. Clinical evaluation of  the Shin‐Nippon 

NVision‐K 5001/Grand Seiko WR‐5100K autorefractor. Optom Vis Sci 2003;80:320‐4. 

REFERENCES 

256 

140.  Chat SW, Edwards MH. Clinical evaluation of the Shin‐Nippon SRW‐5000 autorefractor in children. Ophthalmic Physiol Opt 2001;21:87‐100. 

 141.  Wolffsohn  JS,  Gilmartin  B,  Mallen  EA,  Tsujimura  S.  Continuous  recording  of 

accommodation  and  pupil  size  using  the  Shin‐Nippon  SRW‐5000  autorefractor. Ophthalmic Physiol Opt 2001;21:108‐13. 

 142.  McBrien  NA,  Millodot  M.  Clinical  evaluation  of  the  Canon  Autoref  R‐1.  Am  J  Optom 

Physiol Opt 1985;62:786‐92.  143.  Cordonnier M, De Maertelaer V. Comparison between two hand‐held autorefractors: the 

Sure‐Sight and the Retinomax. Strabismus 2004;12:261‐74.  144.  Steele  G,  Ireland  D,  Block  S.  Cycloplegic  autorefraction  results  in  pre‐school  children 

using  the  Nikon  Retinomax  Plus  and  the  Welch  Allyn  SureSight.  Optom  Vis  Sci 2003;80:573‐7. 

 145.  Farook M,  Venkatramani  J,  Gazzard  G,  Cheng  A,  Tan  D,  Saw  SM.  Comparisons  of  the 

handheld  autorefractor,  table‐mounted  autorefractor,  and  subjective  refraction  in Singapore adults. Optom Vis Sci 2005;82:1066‐70. 

 146.  Choong YF, Chen AH, Goh PP. A  comparison of autorefraction and  subjective  refraction 

with and without cycloplegia  in primary school children. Am  J Ophthalmol 2006;142:68‐74. 

 147.  Choi  M,  Weiss  S,  Schaeffel  F,  Seidemann  A,  Howland  HC,  Wilhelm  B,  Wilhelm  H. 

Laboratory,  clinical,  and  kindergarten  test  of  a  new  eccentric  infrared  photorefractor (PowerRefractor). Optom Vis Sci 2000;77:537‐48. 

 148.  Tabernero  J,  Schaeffel  F.  Continuous  Peripheral  Refraction  Profiles  Measured  with  a 

Scanning  Infrared Photoretinoscope  in Myopic and Emmetropic Students.  In: ARVO. Fort Lauderdale; 2009. 

 149.  Hartmann  J.  Bemerkungen  ueber  den  Bau  und  die  Justierung  von  Spektrographen.  Z 

Instrumentenkunde 1900;20:47.  150.  Shack RV, Platt BC. Production and use of a  lenticular Hartmann screen. J Opt Soc Am A 

1971;61:656.  151.  Atchison  DA,  Scott  DH,  Charman WN. Measuring  ocular  aberrations  in  the  peripheral 

visual  field  using  Hartmann‐Shack  aberrometry.  J  Opt  Soc  Am  A  Opt  Image  Sci  Vis 2007;24:2963‐73. 

 152.  Salmon CTO, van de Pol C. Evaluation of a  clinical aberromter  for  lower‐order accuarcy 

and  repeatability,  higher‐order  repeatability,  and  instrument myopia.  Clinical  Research 2005;76:461‐72. 

 153.  Salmon TO, West RW, Gasser W, Kenmore T. Measurement of refractive errors  in young 

myopes using the COAS Shack‐Hartmann aberrometer. Optom Vis Sci 2003;80:6‐14.  154.  Martinez  AA,  Pandian  A,  Sankaridurg  P,  Rose  K,  Huynh  SC, Mitchell  P.  Comparison  of 

aberrometer  and  autorefractor measures  of  refractive  error  in  children. Optom Vis  Sci 2006;83:811‐7. 

 155.  Jaeken B, Artal P.  Fast Hartmann‐Shack Wavefront  Sensor  for  the Periphery.  In: ARVO. 

Fort Lauderdale, FL: E‐Abstract: 4303; 2010. 

REFERENCES 

257 

156.  Simensen B, Thorud LO. Adult‐onset myopia and occupation. Acta Ophthalmol  (Copenh) 1994;72:469‐71. 

 157.  Prado  P,  Arines  J,  Bara  S,  Manzanera  S,  Mira‐Agudelo  A,  Artal  P.  Changes  of  ocular 

aberrations with gaze. Ophthalmic Physiol Opt 2009;29:264‐71.  158.  Goss DA. Nearwork and myopia. Lancet 2000;356:1456‐7.  159.  Macfadden LA, Gray LS, Strang NC, Seidel D. The effect of eye rotation on measurements 

of  peripheral  retinal  shape  using  the  IOLMaster.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci  2007;48:E‐abstract 4002. 

 160.  Lazon de la Jara P, Sankaridurg P, Ho A, Martinez A, Donovan L, Smith EL, 3rd, Chen X, Go 

J,  Holden  B.  A  Silicon  Hydrogel  Contact  Lens  Produced  Less Myopia  Progression  Than Single Vision Spectacles  in Chinese Children Over a 6  (and 12) Month Period.  In: ARVO, Abstract Number: 2198. Fort Lauderdale, Florida; 2010. 

 161.  Smith  EL,  3rd,  Kee  CS,  Ramamirtham  R, Qiao‐Grider  Y,  Hung  LF.  Peripheral  vision  can 

influence eye growth and  refractive development  in  infant monkeys.  Invest Ophthalmol Vis Sci 2005;46:3965‐72. 

 162.  Ho  A,  Fedtke  C, Manns  F.  The  peripheral  entrance  pupil.  In:  AAO. Orlando:  E‐Abstract 

90482; 2009.  163.  Fedtke C, Ehrmann K, Ho A, Holden BA.  Lateral pupil alignment  tolerance  in peripheral 

refractometry. Optom Vis Sci 2011.  164.  Fedtke  C, Manns  F,  Ho  A.  The  entrance  pupil  of  the  human  eye:  a  three‐dimensional 

model as a function of viewing angle. Opt Express 2010;18:22364‐76.  165.  Cheng  X,  Himebaugh  NL,  Kollbaum  PS,  Thibos  LN,  Bradley  A.  Validation  of  a  clinical 

Shack‐Hartmann aberrometer. Optom Vis Sci 2003;80:587‐95.  166.  Cheng  X,  Himebaugh  NL,  Kollbaum  PS,  Thibos  LN,  Bradley  A.  Test‐retest  reliability  of 

clinical Shack‐Hartmann measurements. Invest Ophthalmol Vis Sci 2004;45:351‐60.  167.  Thibos LN, Wheeler W, Horner D. Power vectors: an application of Fourier analysis to the 

description and statistical analysis of refractive error. Optom Vis Sci 1997;74:367‐75.  168.  Applegate RA, Koenig DE, D. MJ, J. SE, C. NL. Pupil Center Location Uncertainty Is a Major 

Source of  Instrument Noise  in WFE Measurements.  In: ARVO; 2009; Fort Lauderdale: E‐Abstract 6160; 2009. 

 169.  Applegate RA,  Thibos  LN, Twa MD,  Sarver  EJ.  Importance of  fixation, pupil  center,  and 

reference axis in ocular wavefront sensing, videokeratography, and retinal image quality. J Cataract Refract Surg 2009;35:139‐52. 

 170.  Scott  R,  Grosvenor  T.  Structural model  for  emmetropic  and myopic  eyes.  Ophthalmic 

Physiol Opt 1993;13:41‐7.  171.  Atchison  DA,  Jones  CE,  Schmid  KL,  Pritchard  N,  Pope  JM,  Strugnell WE,  Riley  RA.  Eye 

shape in emmetropia and myopia. Invest Ophthalmol Vis Sci 2004;45:3380‐6.  172.  Guyton DL. Automated Refraction. Invest Ophthalmol 1974;13:814‐8.  

REFERENCES 

258 

173.  Jay BS. The effective pupillary area at varying perimetric angles. Vision Res 1962;1:418‐24. 

 174.  Spring  KH,  Stiles  WS.  Apparent  shape  and  size  of  the  pupil  viewed  obliquely.  Br  J 

Ophthalmol 1948;32:347‐54.  175.  Navarro R, Santamaria  J, Bescos  J. Accommodation‐dependent model of  the human eye 

with aspherics. J Opt Soc Am A 1985;2:1273‐81.  176.  Ray SF. Applied Photographic Optics, Third Edition ed. Great Britain: Focal Press; 2002.  177.  Kwok S, Daszynski D, Kuznetov V, Pham T, Ho A, Coroneo MT. Peripheral light focusing as 

a  potential  mechansim  for  phakic  dysphotopsia  and  lens  phototoxicity.  Ophthalmic Physiol Opt 2004;24:119‐29. 

 178.  Coroneo MT, Muller‐Stolzenburg NW, Ho A. Peripheral  light focusing by the anterior eye 

and the ophthalmohelioses. Ophthalm Surg 1991;22:705.  179.  Wyatt HJ. The form of the human pupil. Vision Res 1995;35:2021‐36.  180.  Wilson MA,  Campbell MC,  Simonet  P.  The  Julius  F. Neumueller Award  in Optics,  1989: 

change  of  pupil  centration  with  change  of  illumination  and  pupil  size.  Optom  Vis  Sci 1992;69:129‐36. 

 181.  Dubbelman M,  Van  der  Heijde  GL, Weeber  HA.  Change  in  shape  of  the  aging  human 

crystalline lens with accommodation. Vision Res 2005;45:117‐32.  182.  Moffat  BA, Atchison DA,  Pope  JM. Age‐related  changes  in  refractive  index  distribution 

and  power  of  the  human  lens  as  measured  by  magnetic  resonance  micro‐imaging  in vitro. Vision Res 2002;42:1683‐93. 

 183.  Escudero‐Sanz  I, Navarro R. Off‐axis aberrations of a wide‐angle schematic eye model.  J 

Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 1999;16:1881‐91.  184.  Ehrmann K, Ho A, Holden B, inventors; Characterising eye‐related optical systems patent 

WO 2008/116270 A1. 2008.  185.  Gullstrand A. Appendix  II: Procedure of  the  rays  in  the  eye.  Imagery  ‐  laws of  the  first 

order. In Helmholtz's Handbuch der Physiologischen Optik, 3rd ed; 1909.  186.  Liou HL, Brennan NA. Anatomically accurate, finite model eye for optical modeling. J Opt 

Soc Am A Opt Image Sci Vis 1997;14:1684‐95.  187.  Atchison DA. Optical models for human myopic eyes. Vision Res 2006;46:2236‐50.  188.  Fedtke  C,  Lazon  de  la  Jara  P,  Sankaridurg  P,  Kwan  J,  Ho  A,  Holden  B.  Relationship 

between annual refractive error changes and changes in ocular biometric data in Chinese children. In: International Myopia Conference; 2010; Tuebingen, Germany; 2010. 

 189.  Popiolek‐Masajada A, Kasprzak H. Model of the optical system of the human eye during 

accommodation. Ophthalmic Physiol Opt 2002;22:201‐8.  190.  Kooijman AC. Light distribution on  the  retina of a wide‐angle  theoretical eye.  J Opt Soc 

Am 1983;73:1544‐50.  

REFERENCES 

259 

191.  Atchison DA, Charman WN.  Influences of reference plane and direction of measurement on eye aberration measurement. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2005;22:2589‐97. 

 192.  Thibos  LN,  Ye M,  Zhang X, Bradley A.  The  chromatic eye:  a new  reduced‐eye model of 

ocular chromatic aberrations in humans. Appl Opt 1992;31:3594‐600.  193.  Sliney D, Aron‐Rosa D, DeLori F, Fankhauser F, Landry R, Mainster M, Marshall J, Rassow 

B, Stuck B, Trokel S, West TM, Wolffe M. Adjustment of guidelines  for exposure of  the eye  to  optical  radiation  from  ocular  instruments:  statement  from  a  task  group  of  the International  Commission  on  Non‐Ionizing  Radiation  Protection  (ICNIRP).  Appl  Opt 2005;44:2162‐76. 

 194.  Elsner AE, Burns SA, Weiter JJ, Delori FC. Infrared imaging of sub‐retinal structures in the 

human ocular fundus. Vision Res 1996;36:191‐205.  195.  Zuclich  JA,  Schuschereba  ST, Zwick H, Boppart  SA, Fujimoto  JG, Cheney  FE, Stuck BE. A 

comparison  of  laser‐induced  retinal  damage  from  infra‐red  wavelengths  to  that  from visible wavelengths. Lasers and Light 1997;8:15‐29. 

 196.  Delori FC, Pflibsen KP. Spectral  reflectance of  the human ocular  fundus. Applied Optics 

1989;28:1061‐77.  197.  Protection  ICoN‐IR.  ICNIRP  statement on  light‐emitting  diodes  (LEDS)  and  laser diodes: 

implications for hazard assessment.  International Commission on Non‐Ionizing Radiation Protection. Health Phys 2000;78:744‐52. 

 198.  EHC23.  Lasers  and  optical  radiation.  In:  23  E,  editor.  Environmental  health  criteria  for 

lasers and optical radiation. Geneva World health Organization; 1982.  199.  ANSI Z136.1‐2007  American National Standard for Safe Use of Lasers. The Laser Institute 

of America 2007.  200.  ANSI  Z136.2‐1997  American  National  Standard  for  Safe  Use  of  Optical  Fibre 

Communication Systems Utilizing Laser Diode and LED Sources. 1997.  201.  Stiller H, Rassow B.  Light hazards  to  the patient's  retina  from ophthalmic  instruments. 

Appl Opt 1991;30:2187‐96.  202.  Sliney  DH,  Freasier  BC.  Evaluation  of  Optical  Radiation  Hazards.  Applied  Optics 

1973;12:1‐24.  203.  Sliney DH, Mellerio J, Gabel VP, Schulmeister K. What is the meaning of threshold in laser 

injury  experiments?  Implications  for  human  exposure  limits. Health  Phys  2002;82:335‐47. 

 204.  de Wit GC. Safety norms  for Maxwellian view  laser scanning devices based on  the ANSI 

standards. Health Phys 1996;71:766‐9.  205.  Delori FC, Webb RH, Sliney DH. Maximum permissible exposures  for ocular safety  (ANSI 

2000),  with  emphasis  on  ophthalmic  devices.  J  Opt  Soc  Am  A  Opt  Image  Sci  Vis 2007;24:1250‐65. 

 206.  Webb  RH,  Hughes  GW.  Scanning  laser  ophthalmoscope.  IEEE  Trans  Biomed  Eng 

1981;28:488‐92.  

REFERENCES 

260 

207.  Klingbeil U. Safety aspects of  laser scanning ophthalmoscopes. Health Phys 1986;51:81‐93. 

 208.  Roach W,  Thomas  R,  Buffington  G,  Polhamus  G,  Notabartolo  J,  DiCarlo  C,  Stockton  K, 

Stolarski D, Schuster K, Carothers V, Rockwell B, Cain C. Simultaneous exposure using 532 and  860  nm  lasers  for  visible  lesion  thresholds  in  the  rhesus  retina.  Health  Phys 2006;90:241‐9. 

 209.  Schmidt  SY,  Peisch  RD.  Melanin  concentration  in  normal  human  retinal  pigment 

epithelium.  Regional  variation  and  age‐related  reduction.  Invest  Ophthalmol  Vis  Sci 1986;27:1063‐7. 

 210.  Weiter JJ, Delori FC, Wing GL, Fitch KA. Retinal Pigment Epithelial Lipofuscin and Melanin 

and Choroidal Melanin in Human Eyes. Invest Ophthalmol Vis Sci 1986;27:145‐52.  211.  Polhamus G,  Thomas  R, Hall  R,  Zuclich  J,  Zwick H, McLin  L. Modeling  of  laser‐induced 

threshold damage in the peripheral retina. Proc SPIE 2002;4617.  212.  Berendschot  TT,  DeLint  PJ,  van  Norren  D.  Fundus  reflectance‐‐historical  and  present 

ideas. Prog Retin Eye Res 2003;22:171‐200.  213.  van de Kraats J, Berendschot TT, van Norren D. The pathways of light measured in fundus 

reflectometry. Vision Res 1996;36:2229‐47.  214.  Bedell HE, Enoch  JM. A  study of  the Stiles‐Crawford  (S‐C)  function at 35 degrees  in  the 

temporal  field and  the stability of the  foveal S‐C  function peak over  time.  J Opt Soc Am 1979;69:435‐42. 

 215.  Marcos S, Diaz‐Santana  L,  Llorente  L, Dainty C. Ocular aberrations with  ray  tracing and 

Shack‐Hartmann wave‐front sensors: does polarization play a  role?  J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 2002;19:1063‐72. 

 216.  Llorente  L, Barbero  S, Cano D, Dorronsoro C, Marcos  S. Myopic  versus hyperopic eyes: 

axial length, corneal shape and optical aberrations. J Vis 2004;4:288‐98.  217.  Pfund J, Lindlein N, Schwider J. Misalignment effects of the Shack‐Hartmann sensor. Appl 

Opt 1998;37:22‐7.  218.  Curatu  C,  Curatu G,  Rolland  J.  Tolerance  analysis method  for  Shack‐Hartmann  sensors 

using a variable phase surface. Optics Express 2005;14:138‐47.  219.  Lazon  de  la  Jara  P,  Ehrmann  K,  Kwan  J,  Falk D,  Sankaridurg  P, Holden  B.  Contact  lens 

power  profiles  and  their  effect  on  peripheral  refraction.  In:  AAO.  San  Francisco:  E‐Abstract: 105163; 2010. 

  

 

Appendix 

261 

APPENDIX  A 

 

Appendix 

262 

 

 

 

 

 

 

Appendix 

263 

 

 

 

Appendix 

264 

 

 

 

Appendix 

265 

 

 

 

Appendix 

266 

 

 

Appendix 

267 

 

 

 

Appendix 

268 

 

 

 

Appendix 

269 

 

 

 

 

Appendix 

270 

 

 

Appendix 

271 

 

 

 

Appendix 

272 

 

 

 

Appendix 

273 

 

 

 

Appendix 

274 

 

 

 

Appendix 

275 

 

 

 

Appendix 

276 

 

 

 

Appendix 

277 

 

 

 

Appendix 

278 

 

 

Appendix 

279 

 

 

 

Appendix 

280 

 

 

 

Appendix 

281 

 

 

 

Appendix 

282 

 

 

 

Appendix 

283 

 

 

 

Appendix 

284 

 

 

 

Appendix 

285 

 

 

 

Appendix 

286 

 

 

 

Appendix 

287 

 

 

 

Appendix 

288 

 

 

 

Appendix 

289 

 

 

 

Appendix 

290 

 

 

 

Appendix 

291 

 

 

 

Appendix 

292 

 

 

 

Appendix 

293 

 

 

 

Appendix 

294 

 

 

 

Appendix 

295 

 

 

 

Appendix 

296 

 

 

 

Appendix 

297 

 

 

 

Appendix 

298 

 

 

 

Appendix 

299 

 

 

 

Appendix 

300 

 

 

 

Appendix 

301 

 

 

Appendix 

302 

APPENDIX B 

 

 

 

 

   Visual Field Angle (°)  Equations  RMSE 

Horizontal Pupil 

Alignment Meridian 

nasal  40 1.65 5.50 10 1 1.215 

3.66 10 1 2 1.95 2.04 10 1 0.936 

nasal  30 1.17 1.77 10 1 0.806 

1.05 10 1 2 1.17 5.86 10 2 0.799 

nasal  20 6.75 10 1 4.03 10 2 0.534 

6.70 10 2 2 6.75 10 1 3.51 10 2 0.530

central 0 1.59 10 1 2 8.39 10 3 1.63 10 3 0.299 

temporal ‐205.05 10 1 8.46 10 2 0.533 

6.70 10 2 2 5.05 10 1 9.28 10 3 0.529 

temporal  ‐30 8.65 10 1 3.61 10 2 0.535

3.41 10 2 2 8.65 10 1 7.45 10 2 0.534 

temporal  ‐40 1.47 1.40 10 1 0.786 

7.75 10 2 2 1.47 5.32 10 2 0.783 

nasal/temporal θ (‐/+) . . 0.776 

J180 

nasal  40 180 1.11 3.45 10 1

180   0.615 

180 1.89 10 1 2 1.14 1.55 10 1180   0.565 

nasal  30 180 5.83 10 1 9.76 10 2

180   0.415 

180 5.69 10 2 2 5.83 10 1 3.36 10 2180   0.411

nasal 20180 3.20 10 1 5.12 10 3

180   0.337 

180 3.11 10 2 2 3.21 10 1 4.00 10 2180   0.336 

central 0 180 8.68 10 2 2 3.34 10 2 1.78 10 2180   0.161 

temporal  ‐20 180 2.33 10 1 2.85 10 2

180   0.228

180 3.34 10 3 2 2.38 10 1 2.38 10 2180   0.228 

temporal  ‐30 180 4.21 10 1 2.17 10 2

180   0.281 

180 5.79 10 3 2 4.21 10 1 2.82 10 2180   0.281 

temporal  ‐40 180 7.79 10 1 5.25 10 3

180   0.458 

180 2.64 10 3 2 7.78 10 1 8.21 10 3180   0.458 

nasal/temporal θ (‐/+) . .   0.445

Appendix 

303 

 

 

 

 

Vertical Pupil 

Alignment Meridian 

J45 

nasal  40 45 8.19 10 1 1.37 10 2

45   0.409 

45 8.88 10 3 2 8.19 10 1 2.36 10 245   0.408 

nasal  30 45 5.24 10 1 1.50 10 2

45   0.348

45 3.13 10 2 2 5.24 10 1 4.90 10 445   0.348 

nasal  20 45 3.14 10 1 1.17 10 2

45   0.264 

45 2.36 10 3 2 3.14 10 1 9.01 10 345   0.264 

central  0  45 2.87 10 2 2 6.83 10 2 1.50 10 445   0.142

temporal  ‐20 45 1.72 10 1 6.75 10 3

45   0.226 

45 1.40 10 2 2 1.72 10 1 8.75 10 345   0.225 

temporal  ‐30 45 3.16 10 1 5.45 10 2

45   0.278 

45 4.85 10 2 2 3.16 10 1 1.40 10 445   0.274

temporal  ‐40 45 5.04 10 1 1.01 10 1

45   0.350 

45 7.03 10 2 2 5.04 10 1 2.17 10 245   0.344 

nasal/temporal θ (‐/+) 45 1.49 10 2 2.20 10 245   0.332 

Horizontal Pupil 

Alignment Meridian 

inferior  20 

4.55 10 1 6.10 10 2 0.519

8.65 10 2 2 4.55 10 1 2.29 10 2 0.513 

inferior  30 

7.58 10 1 2.03 10 2 0.643

3.26 10 3 2 7.66 10 1 2.60 10 2 0.643 

inferior  θ (+)  2.49 10 2 4.50 10 2 0.586 

J180 

inferior  20  180 2.21 10 1180   0.321 

inferior  30  180 3.61 10 1180   0.456 

inferior  θ (+)  180 1.17 10 2180   0.394

Vertical Pupil 

Alignment Meridian 

J45 

inferior  20 45 1.79 10 1 1.16 10 2

45   0.195 

45 1.07 10 2 2 1.79 10 1 4.36 10 445   0.195 

inferior  30 45 3.62 10 1 2.93 10 2

45   0.265 

45 1.35 10 2 2 3.61 10 1 1.42 10 245   0.265 

inferior  θ (+)  45 1.11 10 2 8.89 10 345   0.237

Appendix 

304 

APPENDIX C 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Appendix 

305 

APPENDIX D 

Publications and Presentations  

Journal Articles 

Fedtke C,  Ehrmann K, Holden BA. A  review of peripheral  refraction  techniques  (2009). 

Optom Vis Sci 86:429‐46. 

 

Fedtke  C, Manns  F, Ho  A.  The  entrance  pupil  of  the  human  eye:  A  three‐dimensional 

model as a function of viewing angle (2010). Optics Express 18:21:22364‐22376. 

 

Fedtke C, Ehrmann K, Ho A, Holden BA. Lateral pupil alignment  tolerance  in peripheral 

refractometry (2011). Optom Vis Sci  88:4. 

 

Presentations 

Fedtke  C,  Ehrmann  K,  Ho  A,  Holden  B.  The  impact  of  pupil  alignment  on  peripheral 

refraction  measurements  using  the  Shin‐Nippon  NVision  K5001.  Presented  at  the 

American Academy of Optometry, Orlando, Florida; 2009. 

 

Ho  A,  Fedtke  C, Manns  F.  The  peripheral  entrance  pupil.    Presented  at  the  American 

Academy of Optometry, Orlando, US; 2009. 

 

Ho  A,  Lazon  de  la  Jara  P,  Martinez  A,  Kwan  J,  Fedtke  C,  Holden  BA,  Sankaridurg  P. 

Influence  of  accommodation  on  peripheral  refraction:  Effect  of  a  novel  optical  design 

contact  lens for manupulating peripheral defocus. In: Presented at International Myopia 

Conference, Tübingen, Germany; 2010. Optom Vis Sci 88:3:441‐42. 

 

Sankaridurg P, Donovan  L, Varnas  S, Ho A, Kwan  J,  Fedtke C, Chen X, Ge  J,  Smith  III E, 

Holden  BA.  Impact  of  spectacle  lenses  on  peripheral  refractive  errors.  Presented  at 

International Myopia Conference, Tübingen, Germany; 2010. Optom Vis Sci 88:3:443‐44. 

 

 

Appendix 

306 

Poster Presentations 

Fedtke  C,  Lazon  de  la  Jara  P,  Sankaridurg  P,  Kwan  J,  Ho  A,  Holden  BA.  Relationship 

between annual refractive error changes and changes in ocular biometric data in Chinese 

children.  Presented  at  International  Myopia  Conference,  Tübingen,  Germany;  2010. 

Optom Vis Sci 88:3:402 

 

Kwan  J,  Sankaridurg  P,  Lazon  de  la  Jara  P,  Chen  X,  Fedtke  C,  Donovan  L,  Ho  A, Ge  J, 

Holden  BA.  Association  between  peripheral  refractive  error  and  myopia  risk  factors. 

Presented at International Myopia Conference, Tübingen, Germany; 2010. Optom Vis Sci 

88:3:402 

 

Lazon  de  la  Jara  P,  Sankaridurg  P,  Martinez  A,  Kwan  J,  Fedtke  C,  Ho  A,  Holden  BA. 

Manipulation  of  the  peripheral  retinal  image  using  two  novel  contact  lens  designs. 

Presented at International Myopia Conference, Tübingen, Germany; 2010. Optom Vis Sci 

88:3:400 

 

Lazon de  la  Jara P, Ehrmann K, Kwan  J, Fedtke C, Falk D, Sankaridurg P, Holden BA. The 

effect of contact  lens power profile on peripheral refraction. Presented at the American 

Academy of Optometry, San Francisco, US, 2010. 

 

Fedtke  C,  Ehrmann  K,  Falk  D,  Harms‐Biβ  E,  Ho  A,  Holden  BA. Means  to  rectify  pupil 

alignment errors in peripheral refractometry. ARVO. Fort Lauderdale, US, 2011.  

 

Patent Applications 

Ehrmann K,  Fedtke C, Ho A. Determination of peripheral  refraction. Patent Application 

Number: AU2010901866