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Die
Erfindung betrifft ein System zur Wellenfrontmessung mit einem Wellenfrontsensor
und einem Kompensator zur Vorkompensation optischer Abbildungsfehler
der Strahlung, die von dem Wellenfrontsensor zu vermessen ist.
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In
der Ophthalmologie werden optische Aberrationen des Auges nach dem
Stand der Technik mit Wellenfrontsensoren gemessen. Bekannt sind insbesondere
Wellenfrontsensoren nach Shack-Hartmann und Tscherning. Solche Aberrometer
erlauben die Vermessung optischer Eigenschaften des Gesamtsystems „Auge" und dienen insbesondere
als Grundlage für
refraktive chirurgische Eingriffe, zum Beispiel mit dem Laser gemäß dem LASIK-Verfahren.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System zur Wellenfrontmessung,
welches als Grundlage dienen kann sowohl für diagnostische als auch therapeutische
Zwecke in der Ophthalmologie.
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Der
Stand der Technik kennt bereits bei der Wellenfrontmessung eine
sogenannte „Null"-Messung, bei der
ein Großteil
der Abbildungsfehler des Auges vor der Wellenfrontmessung vorkompensiert wird.
Dabei ist der vorkompensierte Fehler bekannt und der verbleibende,
im Wellenfrontsensor vermessene Fehler kann dann mit sehr viel höherer Genauigkeit
bestimmt werden, weil der sogenannte Dynamikbereich des Wellenfrontsensors,
d.h. der zulässige
Abstand zwischen den Maximal- und den Minimalwerten, stark erweitert
ist. Der Stand der Technik kennt für die Vorkompensation optischer
Fehler, wie Defokus und Astigmatismus, verfahrbare Teleskope (Badal
Optometer) und auch gekreuzte Zylinderlinsen. Sollen darüber hinaus
optische Abbildungsfehler höherer
Ordnung, zum Beispiel die sphärische Aberration,
zeitlich kompensiert werden, dann erfolgt dies nach dem Stand der
Technik nur über
adaptive Spiegelsysteme, welche die Strahlung reflektieren. Eine
zeitliche Kompensation bezeichnet man auch als „closed loop" System, wenn eine
kontinuierliche Messung von optischen Wellenfrontfehlern und deren
kontinuierlicher Ausgleich durch geometrische Veränderungen
an einem adaptiven Spiegel erfolgt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur
Wellenfrontmessung bereitzustellen, bei dem insbesondere Abbildungsfehler höherer Ordnung
in einfacher weise und mit hoher Zuverlässigkeit vorkompensiert werden
können,
um den Dynamikbereich des eingesetzten Wellenfrontsensors zu verbessern.
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Hierzu
stellt die Erfindung ein System zur Wellenfrontmessung bereit mit
einem Wellenfrontsensor und einem Kompensator zur Vorkompensation
optischer Abbildungsfehler von in den Wellenfrontsensor gerichteter
Strahlung wobei der Kompensator zur Vorkompensation von optischen
Abbildungsfehlern höherer
Ordnung transmittierende optische Elemente aufweist und Mittel vorgesehen
sind, um zumindest eines der optischen Elemente zur Einstellung
der Vorkompensation zu bewegen.
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Ein
transmittierendes optisches Element in diesem Sinne lässt die
elektromagnetische Strahlung durch und hat somit Brechwirkung für diese
Strahlung. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit
transmittierenden optischen Elemente die oben gestellte Aufgabe
in vorteilhafter Weise gelöst und
der Dynamikbereich des Wellenfrontsensors mit Blick auf bestimmte
ausgewählte
optische Abbildungsfehler zum Beispiel eines Auges maximiert werden
kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Mittel zum Bewegen zumindest eines der optischen Elemente Signale vom
Wellenfrontsensor erhalten, um das optische Element in Abhängigkeit
von dem Signal zu bewegen. Bei dieser Variante der Erfindung kann
die Vorkompensation selektiv optimiert werden, insbesondere im Hinblick
auf den vorzukompensierenden optische Fehler höherer Ordnung und die damit
zu gewinnende Verbesserung des Dynamikbereichs hinsichtlich bestimmter
optischer Aberrationen. Der Vorkompensator kompensiert auch optische
Fehler niederer Ordnung in bekannter Weise.
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Eine
andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht Mittel vor zum
Anzeigen von der vorkompensierten Wellenfront entsprechenden Daten, sodass
ein Arzt wäh rend
der Wellenfrontmessung Informationen über die Vorkompensation erhält und, falls
gewünscht,
selektiv eingreifen könnte.
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Es
ist auch möglich,
die Vorkompensation ohne die oben beschriebene Rückkopplung statisch gemäß vorgegebenen
optischen Fehlern, die zu kompensieren sind, durchzuführen.
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Die
Mittel zum Anzeigen der vorkompensierten Wellenfront können auch
für eine
funktionelle Prüfung
des Sehvermögens
des Auges dienen.
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Der
letztlich zu messende Wellenfrontfehler des Auges ergibt sich dann
aus der nach der Vorkompensation durchgeführten Wellenfrontmessung unter Berücksichtigung
des vorkompensierten Fehlers, der zu dem Ergebnis der Wellenfrontmessung
zu addieren ist.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es
zeigt:
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1 schematisch
ein System zur Wellenfrontmessung mit Vorkompensation;
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2 ein
weiteres System zur Wellenfrontmessung mit Vorkompensation unter
Verwendung eines Tscherning Aberrometers;
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3, 4 Einzelheiten
eines Kompensators für
die Vorkompensation; und
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5 ein
System zur Wellenfrontmessung mit Anzeigeeinrichtungen.
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1 zeigt
schematisch den Strahlungsverlauf und die Verarbeitung der Strahlung.
Eingesetzt wird ein dem Fachmann gut bekannter Shack-Hartmann Sensor
für die
Wellenfrontmessung. Die Darstellung in 1 beginnt
mit dem optischen System „Auge" 10. Der
auf das Auge gerichtete Messstrahl und seine Formung ist als solches hinreichend
bekannt und in 1 weggelassen. Die Darstellung
beginnt also mit der das zu vermessende Auge verlassenden Wellenfront,
welche die optischen Abbildungsfehler (Aberrationen) des Auges aufweist,
also insbesondere die als solche bekannten Abbildungsfehler einfacher
und höherer
Ordnung. Ein typischer Abbildungsfehler höherer Ordnung ist bekanntlich
die sphärische
Aberration. Diese vom Auge kommende Strahlung wird in ein optisches
System 12 eingegeben, zum Beispiel ein Teleskop. Danach
gelangt die Strahlung in einen Kompensator 14, der die
Wellenfront vorkompensiert. Dieser Kompensator 14 weist transmittierende
optische Elemente im obigen Sinne auf, d.h. die Strahlung durchlassende
und brechende Elemente, die in den 3 und 4 beispielhaft dargestellt
sind. Der Kompensator 14 führt eine Vorkompensation von
optischen Fehlern höherer
Ordnung durch.
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Nach
der Vorkompensation im Kompensator 14 passiert die Strahlung
ein optisches System 16, mit dem sie auf einen Wellenfrontsensor 18 abgebildet
wird. Der Wellenfrontsensor 18 ermöglicht eine Wellenfrontmessung
mit den eingangs geschilderten Merkmalen und Vorzügen. Das
System ermöglicht mit
den vorstehend dargestellten Komponenten zunächst eine statische Vorkompensation
mit einem vorgebbaren optischen Fehler, der zu kompensieren ist.
Der Kompensator 14 weist bewegbare transmittierende optische
Elemente (3, 4) auf,
die mittels einer Steuerung 20 bewegbar sind.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung, die in 1 ebenfalls
dargestellt ist, erfolgt eine Rückkopplung
des Messergebnisses vom Wellenfrontsensor 18 zum Kompensator 14 mittels
der Steuerungselektronik 20. In Abhängigkeit vom Messsignal des Wellenfrontsensors 18 können dann
die einzelnen transmittierenden optischen Elemente des Kompensators 14 wahlweise
so eingestellt werden, dass der Dynamikbereich im Wellenfrontsensor 18 hinsichtlich des
besonders interessierenden Fehlers höherer Ordnung maximiert werden
kann.
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2 zeigt
ein System zur Wellenfrontmessung unter Verwendung eines Tscherning-Aberrometers.
Auch hier sind, wie bei 1, die Komponenten zur Erzeugung und
Formung und Führung
des Laserstrahls, mit dem die Messung durchgeführt wird, weggelassen. Die
Darstellung in 2 beginnt mit dem Maskensystem 22 für die Erzeugung
eines Punktmusters, mit dem die optischen Aberrationen des Auges
in bekannter Weise nach Tscherning vermessen werden. Das Punktmuster
wird über
eine Optik 24, z.B. ein Teleskop, in einen Wellenfrontkompensator 26 abgebildet,
von dem Ausführungsbeispiele
in den 3 und 4 dargestellt sind. Der Kompensator 26 weist
also wieder transmittierende optische Elemente auf. Die vom Kompensator 26 kommende Strahlung
wird über
eine Abbildungsoptik 28 auf die Netzhaut des Auges 30 abgebildet.
Diese Abbildung wird in an sich bekannter Weise im Wellenfrontsensor 32,
d.h. hier dem Tscherning-Aberrometer, zur Vermessung der Punktverschiebungen
abgebildet.
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Der
Wellenfrontkompensator 26 wird mit seinen einzelnen Komponenten
mittels einer Steuerung 34 so angesteuert, dass die gewünschte Vorkompensation
erfolgt. Gemäß einer
erweiterten Ausgestaltung ist eine Rückkopplung vom Wellenfrontsensor 32 zum
Wellenfrontkompensator 26 vorgesehen, wobei eine Steuerelektronik 34 Signale
vom Wellenfrontsensor 32 erhält, um entsprechend diesen
Signalen die Elemente des Kompensators 26 zur Erzielung
einer gewünschten
Vorkompensation anzusteuern.
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Die
mittels der Kompensatoren 14 bzw. 26 durchzuführende Vorkompensation
kann zum Beispiel eine sphärische
Aberration, ein Koma oder auch ein Astigmatismus sein.
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Einzelheiten
der Kompensatoren 14 bzw. 26 sind in den 3 und 4 dargestellt.
Der Aufbau als solches ist bekannt aus Buchroeder und Hooker, Applied
Optics, 14, 2476,2479 (1975). Es handelt sich bei dem Linsensystem
nach 3 um ein afokales teleskopisches Galilei-System.
Nach der Linse 4 ist der Strahlengang parallel und wird
durch die Linse 5 auf die Bildebene fokussiert. Die erste
Linse 1 ist sphärisch
stark überkorrigierend.
Die Linse 4 des teleskopischen Systems ist sphärisch korrigiert.
Die Einstellung (Steuerung) der zum Beispiel sphärischen Aberration findet in
der Linsengruppe 2/3 statt. Diese Linsengruppe
hat praktisch keine Brechkraft mehr, dafür eine starke sphärische Unterkorrektur durch
die Linse 2. Durch Verschiebung in der z-Richtung (also
in Richtung des Laserstrahls) kann eine gewollte sphärische Aberration
mit wahlweise (je nach Verschieberichtung) positivem oder negativem Vorzeichen
erzeugt werden. Die Linsengruppe 2/3 kann auch
dazu verwendet werden, ein Koma einzustellen. Hierfür wird sie
in der xy-Ebene (senkrecht zur Papierebene) verschoben. Zwei sich
in der sphärischen
Aberration kompensierende Elemente ergeben bei lateraler Verschiebung
ein Koma (vgl. Lopez, „Generation
of third-order spherical and coma aberrations by use of radially
symmetrical four-order lenses",
JOSA A, 15, 2563-2571 (1998)).
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Ein
Astigmatismus kann mit dem optischen System gemäß 3 zum Beispiel
durch Kippen der Linse 5 generiert werden. Dies ist durch
den gekrümmten
Pfeil in 3 angedeutet.
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4 zeigt
entsprechend eine laterale Verschiebung der Linsen 2/3 zur
Erzeugung von Koma, wobei gleichzeitig die Linse 5 zur
Erzeugung von Astigmatismus in Bezug auf die optische Achse gekippt
ist.
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Handelsübliche achromatische
Linsensystem sind für
sphärische
Aberration und Koma korrigiert, sie können jedoch nicht für Astigmatismus
korrigiert werden. Dies kann für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung ausgenutzt werden. Weil die
Bildfeldwölbung
bei einem Achromaten ebenfalls nicht korrigiert ist, wird die Bildebene
geeignet gewölbt ausgewählt, sodass
sie zwischen der tangentialen und sagittalen Bildschale zu liegen
kommt.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
insbesondere die folgenden monochromatischen Wellenfrontaberrationen
zu generieren: sphärische
Aberration, Koma, Defokus und Astigmatismus.
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Es
ist auch möglich,
Farbfehler (Dispersion) zu korrigieren. Bei den Systemen gemäß den 3 und 4 könnte man
erwarten, dass aufgrund der Verwendung von Ein zellinsen keine Farbkorrektur gegeben
ist. Dies ist insbesondere bei der Prüfung des Sehvermögens von
Augen über
das optische System von Bedeutung.
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In
dem hier aufgeführten
Beispiel sind die beiden achromatischen Linsen 4 und 5 für sichtbares Licht
farbkorrigiert. Weil sie aber bei dem Ausführungsbeispiel mit Licht einer
Wellenlänge
von 785 nm eingesetzt werden, sind sie chromatisch unterkorrigiert.
Der (die) chromatische(n) Effekte) der Linse 1 auf der
einen Seite, und der Linsen 4 und 5 andererseits,
führen
aber zu einer recht guten chromatischen Korrektur des Gesamtsystems
(Minimierung der chromatischen Fehler).
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Die
in den 3 und 4 erläuterten Linsensysteme ermöglichen
u.A. eine statische, d.h. fest vorgegebene Steuerung der Wellenfrontaberration mit
den nicht näher
gezeigten mechanischen Baugruppen für zum Beispiel eine Linearbewegung
zur Erzeugung der sphärischen
Aberration und des Komas, oder auch für eine Drehung zur Erzeugung
des Astigmatismus. Es ist auch möglich,
die gewünschte Wellenfrontaberration
dynamisch im Wege eines Regelkreises mit Rückkopplung zu erzeugen, wie
anhand der 1 und 2 beschrieben
ist.
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Typische
Werte für
die verwendeten Linsen sind: Linse (1) Brennweite f = -24
mm mit einer stark überkorrigierten
Sphärischen
Aberration und negativer Dispersion; Linse (2) Brennweite
f = +40mm mit einer stark unterkorrigierten Sphärischen Aberration und positiver
Dispersion; Linse (3) Brennweite f = -40 mm mit negativer
Dispersion.
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Die
optischen Elemente gemäß den 3 und 4 ermöglichen
also eine Korrektur der Dispersion (des Farbfehlers) des optischen
Kompensators.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Systems zur Wellenfrontmessung, bei dem die dem Ausführungsbeispiel
nach 1 entsprechenden Komponenten mit gleichen Bezugszeichen,
um einen Strich ergänzt,
versehen sind. Insoweit wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
Zusätzlich
ist bei dem System nach 5 vorgesehen, Informationen über die
vorkompensierte Wellenfront dem behandelnden Arzt in einer Anzeigeeinrichtung 40 anzuzeigen.
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Die
optischen Elemente gemäß den 3 und 4 können so
angeordnet werden, dass das untersuchte Auge hindurchsehen kann.
Dies kann für Sehtests
verwendet werden. Es ist auch möglich,
mit den Anzeigeeinrichtungen 40 oder 42 nach 5 ein optisches
System zu verbinden, um mögliche
Vergrößerungsfehler
aufgrund des Kompensators 14' auszugleichen.
Dabei kann das vergrößernde optische System
auch dazu dienen, funktionelle Prüfungen des Sehvermögens des
untersuchten Auges durchzuführen.