CN110113986A - 使光学系统的聚焦面匹配非平坦、尤其球形的物体的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使光学系统的聚焦面(或像场)能够匹配于非平坦的、特别是球形的物体(5)的解决方案。装置用于使光学系统的聚焦面(4)匹配于非平坦的、特别是球形的物体(5)，其中，该光学系统具有正的总屈光度并且产生实像。根据本发明，光学系统包括至少一个具有负屈光度的附加光学元件(3)。尽管提出的解决方案原则上能够在具有用于弯曲聚焦面的相应要求的任何技术领域中使用，但是尤其提出在眼科设备中的应用。在此作为球形的物体(5)的是待检查的眼睛，尤其是具有在5mm与10mm之间的半径的、相当小的尺寸的眼睛前部。

Description

使光学系统的聚焦面匹配非平坦、尤其球形的物体的装置
技术领域
本发明涉及一种解决方案，利用该解决方案，光学系统的聚焦面(或像场)能匹配于非平坦的、尤其球形的物体。由此，在光学的照明或成像系统中实现了非平坦物体的有针对性并且直到边缘都清晰的照射和成像。
背景技术
基本上，在产生实像并因此具有正的总屈光度的、简单的光学系统中，像场(Bildfeld)沿物体的方向凹陷地弯曲。因此系统的场曲率(Bildfeldwoelbung)是负的。
图1示出了简单光学系统的场曲率变化的示例。在平坦的参考图像面(+Y)上示出弧矢方向(sagittal)的和子午方向(tangential)的图像轨迹的场曲率变化。看到：弯曲的理想聚焦面FCideal位于弧矢方向的聚焦面FCsag和子午方向的聚焦面FCtan之间。理想聚焦面FCideal沿物体的方向凹陷地弯曲。
根据现有技术，已知的照明和成像系统被优化以产生或使用平坦的聚焦面。
如果用这种系统照射或成像非平坦的、球形的物体，该系统必然导致光学图像的质量方面的性能降低，因为该物体不满足设计的默认的条件。由此，投影的结构仅在像场的中央、例如围绕球面曲率的顶点处具有所需的图像清晰度。尤其在外部区域和周边区域中，精细的结构被模糊地成像并且明显失去强度。因此，这些结构难以评估或者甚至仅能在受限的区域中进行评估。通过在边缘区域上交替聚焦，尽管这些结构在那里被清晰地成像，但是成像的中央不可避免地是模糊的。
如果测量以在非平坦的表面的整个场区域上的结构评估或显示为基础，则这产生特别不利的影响。
如果球形物体具有小的半径，则能够确定的是，迄今为止所使用的光学系统仅在有限的景深(Scharfentiefe)的区域中实现很好的光学成像。
眼科设备中使用的照明系统通常产生相对于眼角膜的表面弯曲的聚焦面。这导致结构、特别是精细结构、例如线条能够只在小的区域内、也就是仅在边缘处或仅在顶点周围被清晰成像和检测。
在不使用特殊措施的情况下，应用这种光学系统不能在眼睛的整个长度上将光学缝隙均匀清晰地成像到眼角膜上。
在目前的眼科设备中，照明或照射组件的、直的或甚至相反弯曲的图像面产生不利的影响。由此，投射在眼睛中或眼睛上的结构仅在视轴上、在像场的中央具有所需的图像清晰度。在外部区域和周边区域中，精细的结构被扇形展开，变得模糊并且失去强度。因此，很难或者仅在有限的区域内可以对结构进行评估。
在裂隙灯(Spaltlampe)中，这表现为投射到眼睛上的裂隙像(Spaltabbildung)不在眼睛的整个长度上清晰地呈现，并且因此不能在缝隙的整个长度上使用用于测量目的必要的边缘清晰度。
在专利US 5,404,884、US 5,139,022和US 6,275,718中描述了用于照射眼睛前部的方法和装置，其中平坦地设置的激光器用作光源。这些解决方案的缺点在于，用于从眼睛反射的漫射光的接收系统的、物理方面受限的景深起作用，由此不能完全检测到清晰的激光截面图像的扩展区域。
根据现有技术已知一些解决方案，其中有针对性地形成像场，以使像场匹配于物体的不同曲率。
因此，例如在DE 103 07 741 A1中公开了一种装置，利用该装置改进眼科诊断和治疗设备的照明或照射组件的像场。该装置特别适用于以下眼科设备，其中希望在眼睛的宽广区域有利地具有高的成像质量。为此目的，在照射单元的射束路径中布置衍射光学元件(DOE)，以实现有针对性地成形图像面。衍射光学元件能够位于另外的光学元件的表面上或者形成为单独的元件。
虽然所使用的光源的类型和光束形成的类型、也就是结构或图案生成方式是无关紧要的，但衍射效应与波长有关。这尤其在眼科设备的不同的照明和观察模式中是不利的。另外，衍射结构的制造具有高的要求和花费。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术中已知的缺点并且提出一种解决方案，利用该解决方案，光学系统的聚焦面能够匹配于非平坦的、特别是球形的物体，从而使投影的结构、图像、符号等在物体的宽广区域内具有均匀的高的图像质量。此外，提出的解决方案应还适用于照明和成像系统。
该目的通过一种用于使光学系统的聚焦面匹配于非平坦的、特别是球形的物体的装置来实现，其中该光学系统具有正的总屈光度(Gesamtbrechkraft)并且产生实像，从而存在至少一个具有负屈光度的附加光学元件。
根据本发明，优选的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
尽管提出的用于使光学系统的聚焦面匹配于不同尺寸的非平坦的、特别是球形的物体的解决方案原则上能够在具有用于弯曲聚焦面的相应要求的任何技术领域中使用，但是尤其提出在眼科设备中的应用。在此作为球形物体的是待检查的眼睛，并且特别关注的是具有5mm(毫米)与10mm之间的半径的、相当小的尺寸的眼睛前部。
附图说明
下面将参考实施例更详细地描述本发明。图中示出，
图1示出简单光学系统的场曲率变化，
图2示出根据本发明的光学系统的场曲率变化，
图3示出根据本发明的照明系统的示意性结构，
图4示出用于裂隙灯的根据本发明的照明系统的示意性结构，以及
图5示出用于裂隙灯的根据本发明的光学系统的场曲率变化。
具体实施方式
在用于使光学系统的聚焦面匹配于非平坦的、特别是球形的物体的装置中，光学系统具有正的总屈光度并且产生实像。根据本发明，光学系统包括至少一个具有负屈光度的附加光学元件。
特别有利的是，光学系统能够不仅在照明装置中还在成像装置中使用。为此优化光学系统的聚焦面，使得聚焦面尽可能精确地匹配待照射或成像的物体的弯曲表面。
这里使用相应的透镜和/或反射镜作为具有负屈光度的附加光学元件。
根据本发明，存在的附加光学元件的负屈光度被确定为，使得整个光学系统的弧矢方向的和子午方向的像场弯曲分量之和是正的。在确定附加光学元件的负屈光度时，尤其考虑附加光学元件的材料系数。
以下阐述用于照明弯曲的物体的关联关系。然而应该注意的是，相同的条件也同样适用于弯曲的物体在平面上(例如检测器上)的成像。
应该利用照明系统照射(从光源看)凸出弯曲的物体。为此目的，有意识地也凸出地弯曲照明系统的聚焦面。
通过有针对性地添加负屈光度，这可以根据用于弧矢方向的和子午方向的场曲率FCsag和FCtan的透镜作用程度来实现。考虑材料系数和选择相应类型的玻璃也很重要。
弧矢方向的和子午方向的场曲率的透镜作用程度计算如下：
FCsag＝S3+S4 (1)
FCtan＝3S3+S4 (2)
其中，
S3＝H2F
S4＝H2F/n
其中，
S3是用于散光的塞德尔(Seidel)系数，
S4是用于Petzval(匹兹伐)场曲率的赛德尔系数，
H是系统的拉格朗日不变量(H＝nuy＝n'u'y')，
n是透镜的屈光系数，以及
F是透镜的屈光度。
对于凸出弯曲的理想图像面，FCsag和FCtan必须是负的。通过有针对性地添加负屈光度，除了现有聚光透镜的正分量之外，现在还增加了对于场曲率的负影响。通过有针对性地使用具有负屈光度的光学元件，整个光学系统的弧矢方向和子午方向的像场弯曲分量的总和因此能够是负的，因此还在弧矢方向和子午方向的场曲率轨迹之间产生凸出弯曲的理想接收面。优化照明或成像系统的聚焦面，使得聚焦面尽可能精确地匹配于待照明或成像的物体的弯曲的外轮廓。
为此目的，图2以示例的方式示出了根据本发明的光学系统的场曲率变化。在此在平坦的参考图像面上示出弧矢方向的和子午方向的图像轨迹的场曲率变化。还给出的是：弯曲(未示出)的理想聚焦面FCideal位于弧矢方向的聚焦面FCsag和子午方向的聚焦面FCtan之间。然而，与图1中所示的简单光学系统的场曲率不同，理想聚焦面FCideal是负的，也就是根据物体曲率凸出地弯曲。
图3示出了根据本发明的照明系统的相应示意性结构，该照明系统具有光源1和由两个聚光透镜2.1和2.2组成的透镜系统。在此使用透镜3作为具有负屈光度的附加光学元件，其与两个聚光透镜2.1和2.2相关联。优选地，服务整个光学系统的聚焦面4的曲率的透镜3设置在两个聚光透镜2.1和2.2之间。用5表示具有球面曲率的照射的物体。双箭头6旨在指明具有负屈光度的镜片的可互换性，以匹配具有不同半径的球形的物体。因此，光源1的平面理想地成像在凸出弯曲的物体5上，因为得到的聚焦面4也是凸出弯曲的。还应注意，图3中所示的照明系统的示意性结构根据本发明在相同条件下也适用于成像系统。由弯曲的物体反射的光由两个聚光透镜和位于两个聚光透镜之间的、具有负屈光度的附加透镜成像在(平坦的)检测器上，该检测器位于光源的位置。
将根据本发明的光学系统用于照明和成像是特别有利的。这由此实现借助于平坦的照射源(利用匹配的弯曲的聚焦面)照射弯曲的物体，并且将由弯曲的物体反射的光(利用匹配的平的聚焦面)成像到平坦的图像检测器上。
根据有利的实施方案，具有负屈光度的、透镜形式的多个附加光学元件存在并且能够互换地布置以匹配具有不同半径的球形物体。
根据另一个有利的实施方案，为了使光学系统匹配具有不同半径的球形物体，使用光学特性能够改变的光学元件。
这甚至提供了能够使光学系统不仅匹配具有不同半径的球形物体而且匹配扁平物体的可能性。这里能够想到的是电光系统或可变透镜，例如液体或橡胶透镜或基于凝胶的透镜。
在此，通过有针对性的手动选择能够选择相应的透镜或其光学特性。但也可以借助于相机和相应的图像分析进行自动选择。
透镜形式的附加光学元件还具有以下优点：该附加光学元件能够用于在色差、图像畸变差等方面校正光学系统。
根据另一个设计方案，根据本发明的光学系统在眼科设备中使用是特别有利的。非平坦的、特别是球形的物体对应于眼睛。在眼科设备中，光学系统也能不仅作为照明系统还作为成像系统使用。
如果要使用例如在裂隙灯中的光学系统照射角膜，则产生另外的附加边界条件，例如确保足够的工作距离和预设的瞳孔位置。考虑这些条件需要相应匹配光学系统。
对于在裂隙灯中应用光学系统，为了确保与眼睛的足够的工作距离而存在附加的成像光学件。优选地，为了移动裂隙像，附加的成像光学件设计成能沿着光轴移动。
图4示出了用于裂隙灯的、根据本发明的照明系统的相应示意性结构，该照明系统具有光源1和由两个聚光透镜2.1和2.2组成的透镜系统。在此使用透镜3作为具有负屈光度的附加光学元件，其与两个聚光透镜2.1和2.2相关联。优选地，服务于整个光学系统的聚焦面4的曲率的透镜3设置在两个聚光透镜2.1和2.2之间。另外，图4示出了待照明的眼睛6和用于确保足够的工作距离的成像光学件8。双箭头9在此指明：成像光学件8为了移动裂隙像而设计成能沿着光轴移动。
用于根据图4的裂隙灯的、根据本发明的照明系统的一个有利的实施方案提出，各个透镜或透镜系统具有以下范围的焦距：
·透镜3： f’＝-5至-30mm
·透镜系统(2.1、2.2和3)： f’＝50至150mm
·成像光学件8. f'＝25至125mm。
根据特别优选的实施方案，各个透镜或透镜系统的焦距具有以下范围：
·透镜3： f’＝-10至-20mm
·透镜系统(2.1、2.2和3)： f’＝80至120mm
·成像光学件8. f'＝50至100mm。
同样，光源1的平面因此理想地在凸出弯曲的眼睛7上成像，因为得到的聚焦面4也是凸出弯曲的。这里还应该注意的是，图4中所示的用于裂隙灯的照明系统的示意性结构根据本发明在相同条件下也适用于成像系统。
将根据本发明的光学系统用于照明和成像是特别有利的。这由此实现借助于平坦的照射源(利用匹配的弯曲的聚焦面)照射眼睛，并且将由眼睛反射的光(利用匹配的平的聚焦面)成像到平坦的图像检测器上。
根据一个有利的设计方案，具有负屈光度的透镜形式的附加光学元件设计用于，使得裂隙像能够以直至16mm的长度成像。
根据另一个设计方案有利的是：具有负屈光度的透镜形式的附加光学元件设计用于，在5mm至20mm的像场直径(或照射场直径)的情况下覆盖在5mm与10mm之间的、眼角膜的曲率半径R。
根据最后一个设计方案有利的是：具有负屈光度的附加光学元件设计用于，使得理想聚焦面FCideal位于弧矢方向的聚焦面FCsag与子午方向的聚焦面FCtan之间的中央，并且理想聚焦面在此具有与非平坦的、特别是球形的物体的最小偏差。特别有利地，最小偏差在系统的景深内。
最后，图5示出用于裂隙灯的根据本发明的光学系统的场曲率变化。
这里示出的是根据图4的系统的场曲率变化，但是与在半径为8mm的弯曲接收面上测量的、图1和图2的图不同。
在此能够看出，理想的接收面也位于弧矢方向的聚焦面FCsag和子午方向的聚焦面FCtan之间，理想的接收面具有的最小偏差为0，这对应于理想的接收面与非平坦的、特别是球形的物体的最小偏差。
这表明：光学系统理想地匹配于在半径为8mm的球形物体上的照明任务。
利用根据本发明的解决方案，提供了一种用于使光学系统的聚焦面匹配于非平坦的、特别是球形的物体的装置，利用该装置，光学系统的聚焦面能够匹配于非平坦的、特别是球形的物体。这在光学照明或成像系统中由此实现了有针对性并且直到边缘都清晰地照射和成像非平坦的物体。在此提出的解决方案同样适用于照明系统和成像系统。
尽管所提出的解决方案原则上能够在具有弯曲聚焦面的相应要求的任何技术领域中使用，但是尤其适合在眼科设备中用于具有在5mm与10mm的物体半径的应用。
所提出的解决方案能够不仅在单色光源上而且在光谱方面宽(白光)的光源上被优化。

Claims (13)

1.一种用于使光学系统的聚焦面匹配于非平坦的、特别是球形的物体的装置，其中，所述光学系统具有正的总屈光度并且产生实像，其特征在于，存在至少一个具有负屈光度的附加光学元件，并且所述附加光学元件能够不仅在照明装置中还在成像装置中使用，其中，至少一个所述附加光学元件是透镜和/或反射镜，所述附加光学元件的负屈光度被确定为，使得整个所述光学系统的弧矢方向的和子午方向的像场弯曲分量之和为负。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在确定至少一个存在的所述附加光学元件的负屈光度时，还考虑所述附加光学元件的材料系数。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，存在多个具有负屈光度的附加光学元件，并且多个所述附加光学元件为了匹配于具有不同半径的球形的物体而能互换地布置。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，为了使所述光学系统匹配于具有不同半径的球形的物体，使用光学特性能够改变的光学元件。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个所述附加光学元件还能够用于在色差或图像畸变差等方面校正所述光学系统。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学系统在眼科设备中使用，其中，非平坦的、特别是球形的所述物体对应于眼睛。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光学系统在眼科设备中不仅作为照明系统还作为成像系统使用。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光学系统在裂隙灯中使用，并且为了确保与眼睛的足够的工作距离而存在附加的成像光学件。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，为了移动裂隙像，附加的所述成像光学件设计成能沿着光轴移动。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，具有负屈光度的至少一个所述附加光学元件设计为，使得裂隙像能够以直至20mm的长度成像。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，具有负屈光度的至少一个所述附加光学元件设计为，在像场直径为5mm至20mm的情况下覆盖在5mm与10mm之间的、眼角膜的曲率半径R。
12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，具有负屈光度的至少一个所述附加光学元件设计为，使得整个光学系统的理想聚焦面FCideal具有与非平坦的、特别是球形的所述物体的最小偏差，所述理想聚焦面位于弧矢方向的聚焦面FCsag与子午方向的聚焦面FCtan之间的中央。
13.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述最小偏差在所述光学系统的景深内。
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