background image

Measurements of accommodation amplitude  

in polychromatic light 

 

Katarzyna Sarnowska-Habrat, Bogusława Dubik, Marek Zając 

 

Wrocław University of Technology, Institute of Physics 

Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, Poland 

email: 

zajac@if.pwr.wroc.pl

 

 
 

ABSTRACT 

 
 
 

Keywords: human vision, visual acuity, accommodation 

 

1. INTRODUCTION 

 
Human beings receive predominant percentage of the information about the environment thanks to their sense of vision. 

Therefore  the  vision  quality  is  one  of  the  most  important  parameters  determining  our  well-being.  By  the  vision  quality 
we understand the possibility of perceiving light and darkness, colours and shadows, differentiating details from background 
and  recognition  of  various  objects.  Vision  quality  depends  on  number  of  factors  connected  with  the  optical  system 
of an eye,  the  light  detection  by  retina,  transmission  of  neural  signals  from  eye  to  brain  and  the  psychological  process 
of signal interpretation. Vision quality is thus a complex idea. 

 
In  optometry  we  investigate  typically  one  of  the  aspects  of  vision  quality,  namely  visual  acuity  (V.A.).  This  value 

describes the possibility of detecting and recognising small objects typically of high contrast and depends mainly on the 
quality of retinal image. A number of methods is used for determining V.A. differing in types of the test object used and the 
procedure of performing the measurements. We have chosen some of them as it will be described in the following text. 

 
The  other  important  parameter  characterising  human  vision  is  amplitude  of  accommodation.  The  time  dependent 

physiological changes in the eye and in particular in crystalline lens lead to diminishing of accommodation amplitude. This 
fault, called presbyopy, affects increasing number of people in the ageing society and becomes an important medical and 
sociological  problem.  Presbyopy  manifests  in  diminishing  of  visual  acuity,  so  from  the  measurements  of  visual  acuity 
in dependency of induced accommodation the changes in accommodation amplitude can be evaluated.  
 

2. VISUAL ACUITY AND ACCOMMODATION 

 

The eye accommodation can be measured with the same instruments and methods that are developed for determining the 

refractive  state  of  the  eye.  A  test  target  is  presented  to  the  investigated  Subject  in  strictly  defined  and  reproducible 
conditions (distance, illumination mode etc.) and the retinal image is analysed in order to determine weather it is correctly 
focused or not. The objective methods based on the analysis of  this image are difficult, however, since the retinal image 
is not directly accessible in the living eye. Therefore a number of subjective methods based on the judging of the image 
quality done by the Subject itself are used alternatively. In principle the objective and subjective methods should give the 
same results within the depth of focus of the eye [1]. 

 
The accommodation can be changed by moving the test target to and from the eye, but the same effect can be achieved 

by  inserting  the  spherical  lens  in  front  of  the  eye.  A  phoroptor  or  trial  case  lenses  can  be  used  for  inducing  the 
accommodation. 

 
The subjective methods used for measuring of eye accommodation  are based on the estimation of the image blurring 

present if the observed target is out of focus. 

 

background image

3. MEASUREMENTS 

 

3.1. Snellen test method 

 
For  preliminary  investigations  we  employed  the  standard  procedure  as  used  in  the  routine  eye  testing  i.e.  Snellen 

method. Subjects were seated in the 5 meters distance from the acuity letter chart and asked to read the consecutive rows of 
letters.  The  smallest  recognised  letter  size  was  then  expressed  as  Snellen fraction V. According to the definition V=L/D 
where D is a standard observation distance and L is the distance from which the recognised letter has angular size equal to 
5 mins of arc. 

 
The accommodation was induced by lenses placed in front of the eyes. The lenses powers were changed within the wide 

range in 0.25 D steps. 

 
10 persons were investigated: 8 of them were of 20-28 years of age, 2 being much older (over 50). The results of two 

exemplary measurements are presented graphically in the Figure 1. The amplitude of accommodation can be estimated from 
the graphs assuming that witin the range of accommodation V.A. is not much lower than its maximum value (by assumption 
not below 0.9). Under such assumption we have the results collected in the Table 1. As it is supposed the average amplitude 
of accommodation for younger Subjects is around 8 D while for the older Subjects does not exceed the value of 1.5 D.  

Fig. 1.   Two exemplary result of measurement of visual acuity versus optical power of the lens inducing accommodation 

 

Table 1. 

The estimated amplitude of accommodation measured with Snellen method 

 

Subject 

10 

Amplitude of accommodation  
in Dioptres 

6.0 

8.0  11.5  7.5 

7.0  11.5  7.5 

6.5 

1.5 

1.0 

Average 

1.25 

 

3.2. Ronchi ruling - chart test 

 
It is well known, that the method of V.A. measurement in which  letter charts are used, although the most popular in 

ophthalmic practice, has a serious drawback. The result of measurement depends strongly on the type and shape of letters 
[e.g. 2]. The crowding effect also may cause the result falsification. Therefore it is better to use simpler and more easy for 
describing  test  objects  such  as  Snellen  "E"  or  Landolt  ring  [e.g.  3].  We  prefer,  however,  a test  typicall  for  instrumental 
optics,  i.e.  Ronchi  ruling.  Visual  acuity  is  then  defined  as  the  highest  angular  spacing  of  the  dark  and  light,  parallel, 
equidistant fringes of high contrast resolved from the uniform background. V.A. defined in such way is usually expressed in 
MAR (minimum angle of resolution measured in cycles per angular degree) or logMAR units [e.g. 4].  

 
The first series of experiments in which we wanted to measure visual acuity was performed in the following way: The 

investigated Subject was seated in a darkroom in the distance 4.25 m from the white background surface illuminated with a 
light of specified colour and intensity characteristics. After few minutes of adaptation to the illumination conditions a test 

20

15

10

5

0

5

0

0.5

1

Lens Power in Diopters

Visual Acuity

20

15

10

5

0

5

0

0.5

1

Lens Power in Diopters

Visual Acuity

background image

chart was presented to the Subject who could observe it binocularly without head restriction. The test has a form of black 
parallel equidistant lines printed on the matt white paper. A series of tests of increasing spatial frequencies were presented 
until the Subject cannot recognise the striped structure but sees uniform field. The orientation of the test lines was randomly 
changed during the experiment.  The highest spatial frequency of recognised test structure was recorded as the resolution 
limit. The above procedure was repeated some 10 to 20 times and all answers of the Subject were recorded. The average 
value of resolution limit and its standard deviation were calculated [5].  

 
Eight subjects: four females and four males, of different age took part in experiments. Some of them were emmetropes, 

the others wore their correction glasses. All had normal colour vision. The measured resolution limits (in white light) are 
presented in the first columns of Table 2. 

 

Table 2. 

Resolution limits measured with Ronchi ruling illuminated with incoherent light 

 

white light 

red filter 

green filter 

blue filter 

 

Subject 

MAR [arc 

min] 

δ

MAR 

MAR 

[arc min] 

δ

MAR

 

MAR [arc 

min] 

δ

MAR

 

MAR [arc 

min] 

δ

MAR

 

1.32 

0.061 

1.36 

0.082 

1.29 

0.050 

1.83 

0.122 

1.62 

0.050 

1.62 

0.050 

1.65 

0.071 

2.48 

0.153 

1.57 

0.078 

1.85 

0.107 

1.80 

0.050 

1.88 

0.082 

0.98 

0.045 

1.34 

0.087 

1.12 

0.045 

1.64 

0.061 

1.62 

0.050 

1.78 

0.050 

1.96 

0.050 

2.43 

0.050 

1.53 

0.084 

1.47 

0.045 

1.17 

0.071 

1.62 

0.050 

1.47 

0.045 

1.71 

0.084 

1.76 

0.050 

2.00 

0.078 

1.29 

0.050 

1.29 

0.050 

1.29 

0.050 

2.10 

0.050 

 
Since  we  wanted  to  check  how  visual  acuity  depends  on  the  spectral  characteristics  of  illumination  light  we  used 

different illuminators. There were spectral lamps: (sodium, cadmium), high pressure mercury lamp with interference filters 
and white light illuminator with colour filters. The spectral characteristics of used filters (GamColor

) are presented in the 

Figure 2. The other detailed data of the illuminators are presented in [5]. As it is reported there the most convenient for our 
goal is halogen microscope lamp with broad-band absorption filters. In this paper we will present only the resolution limits 
measured in such illumination. The appropriate date are collected also in the Table 2 

Fig. 2.   Spectral characteristics of filters used (GamColor

 

3.3. Ronchi ruling - projector test method 

 
As  an  alternative  to  the  test  charts  printed  on  the  paper  we  used  tests  of  similar  character  projected  onto  the  screen. 

A modified slide projector with remote control and exchangeable colour filters (of the same characteristics as presented in 
the  Figure  2)  was  used.  The  periodic  line  tests  were  projected  onto  a  white  matt  surface  in  such  a  way  that  on  a  dark 
background a system of bright parallel equidistant lines of four different orientation limited to the circle of 30 cm diameter 
was formed. Subjects were seated 15.5 m from the screen. 

 

background image

The  experiment  was  performed  for  23  persons  of  different  age  and  sex,  either  emmetropic  or  wearing  their  usual 

correction  glasses.  The  tests  were  presented  in  random  orientation  and  increasing  spatial  frequency  until  the  Subjects 
reported that he or she cannot recognise the test orientation. Spatial frequency of this test expressed in MAR units was taken 
as the measure of visual acuity. The results are presented in the Table 3. 

 

Table 3. 

Resolution limits measured with projected Ronchi ruling 

 

Visual acuity MAR [arc min] 

Subject 

white light 

red light 

green light 

blue light 

1.41 

1.41 

1.77 

2.23 

1.77 

2.23 

1.77 

2.81 

1.41 

1.77 

1.77 

2.23 

1.77 

1.77 

1.77 

1.77 

1.41 

1.77 

1.77 

2.23 

1.41 

1.77 

1.41 

1.77 

1.41 

1.77 

1.41 

1.77 

1.77 

1.77 

1.77 

2.23 

1.41 

1.41 

1.41 

2.23 

10 

1.41 

1.77 

1.77 

2.23 

11 

1.11 

1.41 

1.41 

1.41 

12 

1.11 

1.41 

1.11 

1.41 

13 

1.41 

1.41 

1.41 

1.90 

14 

1.11 

1.77 

1.41 

1.77 

15 

1.41 

1.41 

1.41 

1.41 

16 

1.41 

1.41 

1.77 

1.77 

17 

1.11 

1.11 

1.11 

1.41 

18 

1.11 

1.11 

1.11 

1.77 

19 

1.41 

1.41 

1.77 

1.90 

20 

1.11 

1.11 

1.11 

1.41 

21 

1.41 

1.41 

1.41 

1.77 

22 

1.41 

1.77 

1.41 

1.77 

23 

1.41 

1.77 

1.77 

1.77 

average 

1.414 

1.577 

1.530 

1.938 

standard 

deviation 

0.067 

0.075 

0.065 

0.229 

 

3.4. Ronchi ruling - computer screen test method 

 
In this method, based on the Freiburg Acuity Test [6]) we used optotypes of controlled size displayed on the computer 

screen.  The  optotype  were  capital  "E"  or  Landolt  ring  presented  in  four  directions:  "up",  "down",  "left"  and  "right", 
randomly  generated.  Optotypes  were  displayed  in  different  colours,  also  the  background  colour  could  be  changed.  The 
Subject had to determine the orientation of the optotype and answer by pushing the appropriate key on a special keyboard. 
The responses were recorded by a computer and influenced the size of the next presented optotype. If answer was correct 
then  the  size  of  the  consecutive  optotype  was  decreased.  If  the  answer  was  wrong  its  size  was  increased.  The  optional 
answer "cannot recognise" was treated equally as the false recognition. In this way the date for plotting the psychometric 
function were collected. The psychometric function presents the relationship between size of optotype and the probability of 
correct  recognitions.  The  value  of  50%  correct  recognitions  denoted  by  K50  is  adopted  as  a  numerical  parameter 
characterising the visual acuity [7]. 

 
Results  of  two  exemplary  measurements  are  presented  in  the  Figure  3a  and  b.  The  psychometric  functions  for  two 

Subjects, measured with white, red, green, yellow and blue optotypes displayed on the black background, are determined. 

 
 

background image

 

 

a)   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) 

 

Fig 3.   Examples of psychometric functions determining visual acuity 

 

3.5. Measurements of accommodation 

 
The  two  above  mentioned  methods  of  V.A.  evaluation  i.e.  method  with  computer  generated  optotypes  and  with 

projecting the Ronchi ruling on a screen were used to investigate the relationship of the amplitude of accommodation and 
colour  of  the  test.  In  both  methods  a  number  of  randomly  oriented  and  randomly  sized  optotypes  were  presented  to  the 
investigated  Subject  who  was  asked  to  indicate  the  orientation  of  seen  optotype.  The  answers  were  collected  and  the 
percentage  of  correct  recognitions  versus  optotype  size  were  plotted.  The  data  were  approximated  with  psychometric 
function and the parameter K50 was calculated. The exemplary results of measurements are displayed in the Figure 4. 

 

 

 

a)   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) 

 

 

c)   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d) 

Fig 4.   Exemplary curves illustrating the accommodation measured in light of different spectral characteristics 

background image

3.6. Speckle optometer 

 

 
 
 
 
 
GG - rotating ground glass, 
BS - half transparent mirror, 
FT - fixation target 
TL - trial lens inducing accommodation 
L - distance 50 cm 
 
 
 
 
 

Fig 5   Schematic diagram of speckle optometer 

 
An optometer which makes use of the phenomenon of laser speckle was built according to the diagram presented on the 

Figure  5  [1,  8].  An  expanded  laser  beam  illuminates  a  rough  surface.  The  reflected  light  diffracts  and  forms  an  infinite 
number of speckles being the Fresnel diffraction pattern. The speckles originate in the whole space, and in particular in the 
plane optically conjugated with the retina of the investigated Subject's eye. If the surface moves transversally to the viewing 
direction the speckles in space  also move in the same direction. However if the eye is not focused exactly on the rough 
surface there appears the relative motion of the images of speckles and the surface on the retina. If the eye is focused on the 
plane  before  the  surface  (myopic  eye)  the  images  of  speckles  move  slower  than  the  image  of  surface  itself.  Thus  the 
observer states the relative movement of speckles in the same direction that the surface ("against" movement). For the eye 
focused behind the surface (hyperopic) we have the opposite effect. Images of speckles move quicker than the image of 
a surface  so  the  observer  sees  the  relative  movement  of  the  speckles  in  the  same  direction  that  the  surface  ("with" 
movement). Only if the eye is focused perfectly on the surface no relative movement is seen. 

 
In our experiment the Subject head was fixed in such way, that he or she could see only small part of slowly rotating 

(about 1 cycle per min) disc illuminated with expanded laser light. Thanks to a half reflecting mirror the Subject observed 
simultaneously a fixation light. The direction of rotation was changed by the experimenter and the Subject was asked on the 
direction of speckle movement. Accommodation was induced by trial case lenses put in front of the Subject's eye. 

 
Measurements were done for 8 subjects of different sex and age. Two lasers were used giving the light of wavelengths 

λ = 632.8 nm (red) and λ = 532 nm (green). In the Table 4 we presented the maximum and minimum power of trial lens 
defining  the  range  where  no  relative  speckle  movement  was  observed  for  both  wavelengths  as  well  as  the  amplitude  of 
accomodation A expressed in Dioptres (equal to the length of the above mentioned range).  

 

Table 4. 

Amplitude of accommodation measured with speckle optometer 

 

λ = 632.8 nm 

λ = 532 nm 

 

Subject 

R

xmin

 - R

xmax

 

Amplitude of 

accommodation  

R

xmin

 - R

xmax

 

Amplitude of 

accommodation 

    -6.5   -   0 

6.5 

   -7.5   -   +0.25 

7.75 

    -6.0   -   +0.25 

6.25 

   -7.0   -   +0.5 

7.5 

    -6.0   -   +1.25 

7.25 

   -7.5   -   +1.25 

8.75 

    -4.5   -   0 

4.5 

   -5.5   -   +0.25 

5.75 

   +3.0   -   +5.5 

2.5 

   +2.5   -   +7.0 

5.5 

    -1.0   -   -1.0 

   -1.25   -   -1.0 

0.25 

    -2.5   -   -2.25 

0.25 

   -2.5   -   -2.25 

0.25 

   -1.75   -   -1.75 

   -3.5   -   -1.5 

2.0 

 

background image

4. DISCUSSION OF RESULTS 

 
While  analysing  the  described  experiments  we  see  that  the  accommodation  measurement  done  with  help  of  standard 

Snellent V.A. test chart (Fig. 1 and Tab. 1) were easy to perform and give the reasonable results.  

 
Obviously, V.A. depends on the colour of light used. It is clearly seen from the Tab. 2 and 3. Visual acuity in blue light 

is worse than that in white light while ged and green illumination give approximately no difference.  

 
To prove it first we analysed data from Table 2. In order to verify the above stated hypothesis on the basis of the data 

from Table 2 we calculated the relative change in V.A. measured in coloured light with respect to the V.A. in white light. 
Such normalisation enables us to compare V.A. in different colours with no regard to the absolute values of resolution. The 
average values of the ratio MAR

colour

/MAR

white

 and its variances are collected in the Table 5. 

 

Table 5. 

Visual acuity in coloured light compared to V.A. in white light (data taken from Table 2) 

 

 

red/white 

green/white 

blue/white 

average MAR

colour

/MAR

white

 

1.100 

1.045 

1.417 

variance 

0.134 

0.144 

0.212 

 
We  used  statistical  methods  for  testing  the  significance  of  differences  between  mean  values  of  average  relative  V.A. 

Since the numbers of our sample is low (n = 8) we used t-Student test [9]. On the level of significance 

α = 0.05 and r = 7 

degrees  of  freedom  the  critical  value  of  t-Student  variable  equals  t

r,

α 

= 2.36  while  the  value  of  statistical  parameter  t 

calculated  for  MAR

blue

/MAR

white 

equals  t =  2.562 > t

r,

α 

.  Therefore  we  can  assume  that  with  95%  probability  the  visual 

acuity in blue light is worse that in white. Similar calculations for red and green lights lead to the conclusion that there are 
no significant differences in visual acuity in those colours in comparison to white light. 

 
Data collected in the Table 3 were analysed in the same way. The mean value of visual acuity measured in white light 

calculated from 23-elements sample equals <MAR

white

> = 1.394 with standard deviation 0.039. The appropriate numbers for 

red light are 1.563 and 0.074 and for green light are 1.514 and 0.061 respectively. For blue light we have 1.866 and 0.122. 
Statistical test for consistency of mean values confirms that V.A in blue differs substantially from V.A in white light: On the 
level of significance 

α = 0.01 and r = 22 degrees of freedom the critical value of t-Student variable equals t

r,

α 

= 2.797 while 

the  value  of  statistical  parameter  t  calculated  for  MAR

blue 

compared  to  MAR

white

  equals  t =  5.787 > t

r,

α 

.  The  appropriate 

parameter for red-to-white light equals t = 2.419 < t

r,

α 

 and for green-to-white t = 1.813 < t

r,

α 

, so we cannot assume, that the 

resolution in red  and green differ substantially from the resolution in blue. Psychometric curves presented in the Figure 3 
also illustrate the same effect. The curve illustrating visual  acuity in blue light is shifted towards greater values of MAR 
with respect of curves corresponding to white, red and green light. The above conclusion is in accordance with the data from 
another sources [e.g. 10]. 

 
Experiments described in paragraph 3.5 and illustrated in the Figure 4 can be summarised as follows:  

•  Typical curve illustrating accommodation is U shaped with rather steep right slope. The optical power of trial lens at this 

point corresponds to the refractive error of the Subject's eye.  

•  For some Subjects (older ones as a rule) the left slope is less steep than the right one (Figs. 5b, d). The probable reason is 

that the accommodation response (actual accommodation) does not follow the accommodation stimulus fully, especially 
for its greater values. 

•  Visual acuity measured with computer test is always substantial worse that V.A. measured with the test projected on the 

screen (Figs. 5a - d). The probable reason is that the image displayed on the computer monitor has lower contrast and is 
not stable (due to screen blinking) than that projected on a screen. 

•  In  general  accommodation  amplitude  as  measured  with  computer  test  is  more  or  less  smaller  that  the  anologous 

amplitude  measured  with  the  projected  test.  This  observation  confirms  that  computer  monitor  is  less  comfortable  for 
observing than image projected on a screen. 
 
Measurements with speckle optometer are very easy to perform and give more clear and easier to interpret results. Slight 

difference  between  accommodation  amplitude  in  red  and  green  light  can  be  noticed  (the  accommodation  being  better  in 
green), however the number of investigated Subjects was too small for draw an firm conclusion.  

background image

5. ACKNOWLEDGMENTS 

 
This paper was sponsored by Polish Committee of Scientific Research (Komitet Badań Naukowych).  
 
In some experiments the Students of the Faculty of Basic Problems of Technology specialising in Optical Engineering 

participated: Miss Joanna Sibilska, Miss Iwona Kamińska, Miss Aneta Kobzarska, Miss Katarzyna Rynkiewicz. Their help 
in collecting the experimental data is greatly appreciated. 

 

6. REFERENCES 

 
1. G. Smith, D. A. Atchinson, "The eye. Visual optical instruments", Cambridge University Press, Cambridge 1997, 
2. A. Arditi,  R. Cagenello,  "On  the  statistical  reliability  of  letter-chart  visual  acuity  measurements",  Investigative 

Ophthalmology & Visual Science34 (1993), pp. 120-129, 

3. EN ISO 8597 Standard "Ophthalmic optics. Visual acuity testing - standard optotype and its presentation (1994), 
4. W. Johnston, "Making sense of M, N and logMAR systems specifying visual acuity", Problems in Optometry3 (1991), 

pp. 394-404, 

5. K. Sarnowska-Habrat, M. Zając, B. Dubik, "Measurement of visual acuity in different illumination conditions" presented 

on the conference on Physiological Optics PHO’99 held in September 1999 in Wrocław, Poland, 

6. M. Bach, ‘The Freiburg Visual Acuity Test –Automatic measurements of visual acuity’, Optometry and Vision Science

73 (1996), 

7. K. Sarnowska-Habrat,  M. Zając,  B. Dubik,  "Computer based tester for visual acuity measurements",  SPIE Proc., 4001 

(2000), pp 238-244, 

8. M. Żarowska, "Investigation of the influence of coherence on vision quality", MSc Thesis, Institute of Physics, Wrocław 

University of Technology, Wrocław, 2000 [in Polish], 

9. H. Szydłowski, "Theory of measurements", PWN, Warszawa, 1981 [in Polish], 
10. M. Pluta, "Visual resolution of sinusoidal color line patterns", SPIE Proc. 3579 (1998), pp. 48 - 52.