DE102006061933A1

DE102006061933A1 - Optisches System für eine Funduskamera

Info

Publication number: DE102006061933A1
Application number: DE102006061933A
Authority: DE
Inventors: Ingo Koschmieder; Manfred Dick; Detlef Biernat; Jan Buchheister; Lothar Müller
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-26
Also published as: EP2104448A2; JP2010512877A; JP5232165B2; WO2008077526A2; US20100014052A1; WO2008077526A3; US8066374B2; WO2008077526A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System für eine Funduskamera zur reflexfreien Ophthalmoskopie, welches einen Strahlengang mit im Wesentlichen gemeinsam für die Beleuchtung und die Beobachtung oder die Aufnahme genutzten, brechenden und reflektierenden, optischen Elementen aufweist. Zur Beleuchtung und Abbildung des Fundus ist ein im Wesentlichen aus mehreren reflektierenden optischen Elementen, in Form von Spiegeln 1 und 2, bestehendes, abbildendes Spiegelsystem vorgesehen, wobei mindestens ein optisches Element, beispielsweise Spiegel 2, als Freiformspiegel mit einer abbildenden, reflektierenden Freiformfläche ausgebildet ist. Dabei sind die optischen Elemente in genau definierter Position und Lage zueinander derart in einem Gehäuse angeordnet, dass in einem weiten Dioptrienbereich der zu untersuchenden Patientenaugen 9 eine Abbildung der reflektierenden Flächen der optischen Elemente auf das Bild der abgebildeten Retina vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für eine Funduskamera, welche zur Beobachtung und zur Abbildung des Augenhintergrundes dient. Bei der Abbildung des Augenhintergrundes mit einer solchen Kamera kommt es im Allgemeinen zu Reflexen an der Hornhaut und an Flächen des abbildenden optischen Systems, die sich störend auf die Qualität der Bilder und deren Auswertung auswirken.
Grundsätzlich umfasst eine Funduskamera ein mehrstufiges optisches System, wobei eine Ophthalmoskoplinse ein Zwischenbild erzeugt, welches von einem Folgesystem oder Hauptobjektiv auf einen Film, auf eine CCD-Matrix einer CCD-Kamera oder auch in ein Zwischenbild für die visuelle Beobachtung mit einem Okular abgebildet wird. Bei dem System ist die Ophthalmoskoplinse auch ein Bestandteil der Elemente des Beleuchtungssystems.
Ein besonderes Problem bei der Beobachtung und Aufnahme des Fundus stellen die Reflexe an der Hornhaut und an den Flächen des Ophthalmoskoplinse dar, weil das von der Netzhaut (Retina) reflektierte Licht, welches die eigentliche interessierende Information trägt, eine wesentlich geringere Intensität besitzt als das vor dem Eintritt in das Auge reflektierte Licht. Störende Hornhautreflexe werden üblicherweise durch eine Teilung der Pupille des Auges verhindert. Dazu bildet die Ophthalmoskoplinse einen Beleuchtungsring in die Augenpupille ab. Die an der Hornhaut reflektierten Beleuchtungsstrahlen verfehlen die Apertur der Beobachtung. Nur das Areal innerhalb des Beleuchtungsringes wird für die Beobachtung verwendet.
In der DE-OS 35 19 442 ist ein optisches System beschrieben, bei dem Lichtanteile, die durch die Reflexion an der Ophthalmoskoplinse bzw. an der Hornhaut in die Beobachtungsapertur gelangen könnten, mittels an geeigneter Stelle im Strahlengang angeordneter „Schwarzpunktplatten", welche in definierter Art und Weise mit lichtabsorbierenden Schichten belegt sind, ausgeblendet werden. Für diese Art der Reflexunterdrückung hat sich die Bezeichnung „Antireflexpunkt" eingebürgert. Ein Nachteil dieses Konzeptes ist die Nähe des Antireflexpunktes zur Leuchtfeldblende. Die Absorption der einzelnen Lichtanteile kann als unregelmäßige Ausleuchtung des Augenhintergrundes sichtbar werden. Es treten ringförmige Schatten auf, welche den Bildeindruck verschlechtern und damit die Auswertung durch den Arzt behindern.
In der DE 103 16 416 ist ein optisches System beschrieben, bei welchem an Stelle der Ophthalmoskoplinse ein mehrlinsiges Objektiv vorgesehen ist, dessen Linsen so gegeneinander verkippt sind, dass die direkten Reflexe an den Grenzflächen nicht in die Apertur der Beobachtung gelangen. Es ist eine Verkippung in X- und Y-Richtung für jeweils ein Linsenpaar vorhanden. Dieses optische System erfordert einen erheblichen Aufwand für die mechanischen Fassungen für die einzelnen Linsen des Objektivs. Außerdem werden Farbquer- und Farblängsfehler erzeugt, die im nachgeordneten Optiksystem sowohl im Beobachtungs- als auch im Beleuchtungsteil des Strahlenganges mit hohem Aufwand kompensiert werden müssen. Bei Anwendungen mit sehr kleinen Strahldurchmessern, wie z. B. bei Laseranwendungen, wirken sich auch die hohe Anzahl an optischen Grenzflächen und der lange Glasweg innerhalb des Objektivs nachteilig aus. Selbst kleine Verunreinigungen an den Grenzflächen und im Material der eingesetzten optischen Bauelemente können sich ungünstig summieren und die Intensität des Lichtes stark verringern und störendes Streulicht erzeugen.
Eine Anordnung mit verkippten Linsen ist auch in der US 4,730,910 beschrieben.
Weiterhin sind Funduskameras bekannt, die Spiegelelemente an Stelle der Ophthalmoskoplinse besitzen. Diese Systeme haben einfache Spiegelgeometrien, mit denen nur ein kleines Beobachtungs- bzw. Beleuchtungsfeld mit einer ausreichenden optischen Qualität realisiert werden kann.
Andere Spiegelsysteme, wie z. B. in der US 6,585,374 beschrieben, nutzen bewegliche Elemente, um das kleine Beobachtungs- bzw. Beleuchtungsfeld durch Scanning-Prinzipien zu erweitern. Dazu sind jedoch aufwändige Mechaniken zur präzisen Bewegung der betreffenden Elemente und aufwändige Bildverarbeitungstechniken notwendig.
So liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein optisches System für eine Funduskamera zu schaffen, bei welcher durch Anwendung weniger, vor allem reflektierender optischer Elemente zur Abbildung eine von störenden Reflexen freie und weitestgehend von Farbfehlern freie Abbildung des Fundus bei einem großen Beobachtungsfeld und einem großem Arbeitsabstand erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem nach den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Patentanspruches gestalteten optischen System mit den im kennzeichneten Teil dieses Anspruches gelöst. In den Unteransprüchen sind vor teilhafte Ausgestaltungen und Einzelheiten des erfindungsgemäßen optischen Systems offenbart.
Durch die Ausführung mindestens eines Spiegels als Freiformfläche wird die abbildungstreue über ein Beleuchtungs- bzw. Beobachtungsfeld deutlich größer als 30° ermöglicht.
Ein vorteilhaftes System zur Realisierung einer weitestgehend reflexfreien Ophthalmoskopie ergibt sich wenn, ein aus zwei Freiformspiegeln bestehendes Spiegelsystem vorgesehen ist, wobei die Freiformspiegel als symmetriefreie Freiformspiegel ausgeführt sind, zwischen denen sich das Zwischenbild an geeigneter Stelle im Raum befindet. Bei dieser Ausführung beider Spiegel als gekrümmte Freiformflachen werden eine sich günstig auf die Abbildungsfehler auswirkende Verteilung der Brechkräfte und kleine Ablenkwinkel realisiert. Die Anwendung symmetriefreier Freiformflachen realisiert die Kompensation der unsymmetrischen Abbildungsfehler besonders vorteilhaft.
Für besonders streulichtarme optische Systeme ist es vorteilhaft, dass das Spiegelsystem in gekapselter Bauweise in einem Gehäuse angeordnet ist, welches an der dem Patienten zu gewandten Seite und an der dem Beobachter zugewandten Seite durch jeweils eine Abdeckscheibe abgeschlossen ist. Die Abdeckscheiben selbst sind in der Ausführung ihrer Oberflächenform so zu gestalten, das evtl. entstehende störende Reflexe nicht in die Beobachtungsapertur gelangen können und Farbfehler minimal bleiben. Damit werden vor allem durch Staub oder andere Verunreinigungen auf den reflektierenden Flächen bedingte Lichtstreuungen, welche eine einwandfreie Abbildung des Fundus beeinträchtigen, wirksam minimiert.
Vor allem zur Vereinfachung der Montage und Justage der Spiegel ist es von Vorteil, wenn die optischen Elemente des Spiegelsystems in einer gemeinsamen Halterung oder Aufnahme in genau definierter Position und Lage zueinander im Gehäuse angeordnet sind. Diese Halterung ist so gestaltet, dass die Spiegel eine feste Referenz dazu und zueinander besitzen, welche die Positionierung der Spiegel mit der geforderten Genauigkeit in einem Montageschritt ohne Justage im Gehäuse ermöglicht.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Spiegelsystem aus einem monolithischen Körper aus optischem Material mit einem Brechungsindex n > 1 besteht, an welchem die abbildenden reflexiven Flächen an genau definierten Positionen und in genau vorgegebener Oberflächenform sowie eine Lichteintritts- und eine Lichtaustrittsfläche vorgesehen sind, wobei die Lichteintritts- und die Lichtaustrittsfläche an diesem Körper, da sie in diesem Falle brechende Flächen sind, eine solche Oberflächenform erhalten, dass störende Reflexe vermieden und Farbfehler minimiert sind. Durch die monolithische Bauweise entfällt eine aufwändige Justage der reflektierenden Flächen der Spiegel, so dass dieses System sehr montagefreundlich ist.
Ferner kann es vorteilhaft sein, dass die Lichteintritts- und/oder die Lichtaustrittsfläche des monolithischen Körpers unsymmetrisch geformt sind.
Um unter anderem gerätespezifische Fehler und/oder Augenfehlsichtigkeiten höherer Ordnung auszugleichen und optimal korrigierte Fundusbilder zu erhalten ist, es vorteilhaft, dass mindestens ein reflektierendes, elektronisch strukturierbares oder adaptives optisches Element vorgesehen ist. Dabei ist es günstig, die adaptiven Elemente in der Nähe der Gerätepupille anzuordnen.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn mindestens eines der optischen Elemente des Spiegelsystems als spektraler Farbteiler ausgebildet ist.
Eine vorteilhaft ausgestaltete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems ergibt sich beispielsweise durch folgende Koordinaten für die Position der als Freiformspiegel ausgebildeten Spiegel 1 und 2 entsprechend einer

– Translation des Koordinatensystems bezüglich der Augenpupille (in Luft)

Koordinate	X[mm]	Y[mm]	Z[mm]
Augenpupille	0.0000000	0.0000000	0.0000000
Spiegel 1	–6.8487090	–165.4836370	47.0325630
Spiegel 2	293.0630880	–0.6361000	–155.3942110
Bild des Leuchtringes	40.6840860	107.9439940	84.9774900;

– einer Rotation des Koordinatensystems bezüglich der Augenpupille (in Luft)

Drehwinkel	α[°]	β[°]	γ[°]
Augenpupille	0.0000000	0.0000000	0.0000000
Spiegel 1	76.0042720	–1.9900470	0.0000000
Spiegel 2	170.9745940	–64.6866110	0.0000000
Bild des Leuchtringes	–51.2908710	39.1319540	30.6900040;

K_x = 0.000000000E+00	K_y = 0.000000000E+00
1/ρ_x = –215.000	1/ρ_y = –219.000

c_1-4	0.00000000E+00	0.00000000E+00	–.11000521E–03	–.14259467E–03
c_5-8	0.36710319E–04	0.30325236E–06	0.39598788E–06	.72428906E–06
c_9-12	–.22614328E–06	0.56301184E–08	0.18564567E–08	–17641549E–08
c_13-16	0.300856709E–08	–.11779725E–08	–.16133079E–10	–29826733E–10
c_17-20	–.10722833E–11	0.47271735E–12	–.20450551E–10	.55932153E–11
c_21-24	–.15323720E–13	0.14840899E–12	–.48945914E–13	0.22616480E–13
c_25-27	0.15323720E–13	0.12953501E–13	–.87761187E–15

2

K_x = 0.0000000E+00	K_y = 0.0000000E+00
1/ρ_x = 0.000	1/ρ_y = 137.000

c_1-4	0.00000000E+00	0.00000000+00	0.43292571E–03	–.14593775E–03
c_5-8	–.42509202E–02	–.28647132E–07	0.45437799E–06 05	–.11927701E–05
c_9-12	0.22797954E–05	0.39691471E–09	0.48994174E–09	0.22211437E–08
c_13-16	–.12740305E–08	–.92954442E–08	–.29905067E–12	–.27840314E–11
c_17-20	–.42513819E–13	–.562779651E–11	–.45816012E–10	–.24706205E–09
c_21-24	–.55720016E–15	0.18029456E–14	–.34158468E–14	–.48883050E–14
c_25-27	0.33724484E–13	0.51120041E–12	–.27001064E–11

_x

_y

_x

_y

– und einer durch die folgende Beziehung definierte Flä chenform für die Spiegel 1 und 2 bezüglich des jeweiligen Flächenkoordinatensystems

_1-27

1

Für Fluoreszenzanwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn einer der Spiegel als spektraler Farbteiler ausgebildet ist. Damit kann das Anregungslicht bei Fluoreszenzanwendungen sehr nahe an der Applikationsstelle eingebracht werden. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau des gesamten optischen Systems des Gerätes erheblich, weil Farbteiler und andere zusätzliche Elemente zur Korrektur der erweiterten spektralen Bandbreite nicht notwendig sind.
Vorteilhaft kann es auch sein, dass Mittel zur Erzeugung sequentieller Lichtimpulse in verschiedenen Spektralbereichen, dass Mittel zur synchronisierten Bildgewinnung mittels eines Bildsensors und dass Mittel zur Bildaufbereitung zur Darstellung und Speicherung eines Colorbildes oder beliebiger anderer Kombinationen bzw. monochromer Einzelbilder vorgesehen sind.
Vorteilhaft ist ferner, wenn zur selektiven Kompensation von chromatischen Aberrationen durch ein oder mehrere verstellbare optische Elemente vorgesehen sind, welche synchron mit Lichtimpulsen ihre Position verändern.
Ferner können vorteilhaft Mittel zur selektiven Kompensation von chromatischen Aberrationen in Form von synchron mit Lichtimpulsen eingestellten optischen Elementen mindestens eines adaptiven optischen Bauelementes vorgesehen sein.
Das optisches System zur reflexfreien Ophthalmoskopie ist vorteilhaft anwendbar in Geräten für die Multi-Color-Laserkoagulation, zur Durchführung der Optischen Kohärenz Tomographie (OCT) und in Geräten für die Diagnose und Therapie am Auge mit Ultra-Kurzpuls-Lasern.
Vorteilhaft ist die Anwendung beim Hyper-Spektral-Imaging bzw. bei der multispektralen Abbildung zur Diagnose von Funktionen der Retina in der Fundusreflektometrie.
Vorteilhaft ist auch die Anwendung in Funduskameras auf der Basis einer traditionellen zeitlich parallelen Farbbildgenerierung oder auf der Basis mit einer neuen zeitlich sequentiellen Farbbildgenerierung oder auf der Basis mit einer sequentiellen multispektralen Fundusreflektometrie mit einem monochromen Chip.
Ebenfalls kann auch die Anwendung der Freiformspiegeloptik in Geräten mit OCT, konfokalen oder Linien-Laserscannern oder in Geräten und/oder Verfahren zur Abbildung der Retina vorteilhaft sein.
Weiterhin ist die Anwendung bei konfokalen Laserscannern vorteilhaft.
Vorteilhaft ist ferner die Anwendung der Freiformspiegeloptik in ophthalmologischen Geräten, insbesondere Funduskameras, mit im kontinuierlichen Betrieb und/oder im Pulsbetrieb arbeitenden LED als Beleuchtungsquelle. Neben der Beseitigung von Reflexen bei den Aufnahmen kann infolge der mit den LED realisierbaren kurzen Belichtungszeiten eine Unterdrückung von Bewegungsunschärfen erfolgreich durchgeführt werden.
Insbesondere kann auch durch eine Minimierung des Abstandes des zu untersuchenden Patientenauges zum, dem Patienten benachbarten Spiegel die Größe des gesamten optischen Systems minimiert werden.
Bei der Anwendung eines aus Spiegeln bestehenden optischen Abbildungssystems treten keine unerwünschten Reflexe an optischen Grenzflächen auf. Dadurch kann auf eine Ausblen dung von Lichtanteilen in der Beleuchtungsoptik verzichtet werden. Unerwünschte ringförmige Schatten auf dem Bild der Netzhaut treten nicht auf. Die Farbfehlerfreiheit des Spiegelsystems ermöglicht eine Vereinfachung des optischen Systems. Bei diesem System kann das Zwischenbild so positioniert werden, dass in dem Bereich, in welchem die meisten Augenfehlsichtigkeiten liegen, keine optischen Flächen auf das Netzhautbild abgebildet werden. Durch die zusätzlichen Freiheitsgrade, welche die verwendeten Freiformspiegel ermöglichen, wird die Abbildungstreue über ein Beleuchtungsfeld bzw. über ein Beobachtungsfeld >30° gewährleistet. Bei den erfindungsgemäßen optischen System sind alle Komponenten so angeordnet, dass zwischen dem Auge des Patienten und einer Komponente ein freier Arbeitsabstand von ca. 30 mm bis 50 mm liegt, so dass ergonomische Aspekte auf der Patientenseite erfüllt sind und der Arzt genügend Manipulationsfreiheit erhält.
Insbesondere kann auch durch eine Minimierung des Abstandes des zu untersuchenden Patientenauges zum, dem Patienten benachbarten Spiegel die Größe des gesamten optischen Systems minimiert werden.
Die Erfindung soll an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen
1 ein optisches System mit zwei Freiformspiegeln,
2 ein optisches System mit zwei Freiformspiegeln und Abdeckscheiben für ein gekapseltes System,
3 ein System aus optischem Material mit einem Brechungsindex n > 1.
In 1 ist ein vorteilhaftes mögliches Ausführungsbeispiel eines optischen Systems zur Durchführung einer re flexfreien Ophthalmoskopie, insbesondere mit einer Funduskamera, in einer stark vereinfachten Form dargestellt, wobei lediglich die optischen Elemente, welche ein im wesentlichen koaxialer Beleuchtungs- und Abbildungs- oder Beobachtungs-, bzw. Kamerastrahlengang umfasst, vereinfacht ohne Fassungen oder andere mechanische Haltemittel dargestellt sind.
Zur Realisierung dieser Strahlengänge ist ein Spiegelsystem vorgesehen, welches aus zwei abbildenden, reflektierenden, optischen Elementen in Form von Spiegeln 1 und 2 besteht. Mindestens einer dieser beiden Spiegel 1 oder 2 ist als ein so genannter Freiformspiegel mit einer abbildenden, reflektierenden Freiformfläche ausgebildet.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 besitzen die Spiegel 1 und 2 jeweils eine Freiformfläche als abbildende Fläche mit nachstehend aufgeführten Konstruktionsdaten:

– Translation des Koordinatensystems bezüglich der Au genpupille (in Luft)

– einer Rotation des Koordinatensystems bezüglich der Augenpupille (in Luft)

– und einer durch die folgende Beziehung definierte Flächenform für die Spiegel 1 und 2 bezüglich des jeweiligen Flächenkoordinatensystems

_1-27

1

2

K_x = 0.0000000E+00	K_y = 0.0000000E+00
1/ρ_x = 0.000	1/ρ_y = 137.000

_x

_y

_x

_y

Hierin bedeuten ρ Krümmungen der Flächen bei den Koordinaten x und y, K_x die sagitale konische Konstante, K_y die meridionale konische Konstante und z die Pfeilhöhe von Punkten der Flächen der Spiegel 1 und 2. Der Koordinatenursprung befindet sich am Ort der Augenpupille.
Damit wird erreicht, dass durch eine entsprechende Aufteilung der Brechkräfte minimale Abbildungsfehler auftreten. Die Freiformflächen sind als symmetriefreie Flächen ausgebildet, und sie sind keine Rotationsflächen, wie es z. B. eine Kugel- oder eine Paraboloidfläche ist.
Durch eine solche Spiegelanordnung wird eine zusätzliche Umlenkung der Strahlengänge erreicht. Damit werden kleine Ablenkwinkel am Spiegel 2 realisiert und es kann ein ausreichender freier Abstand A zwischen dem Auge und dem Spiegel 2 erreicht werden. Durch die Ausführung mindestens eines Spiegels 1 oder 2 bzw. beider Spiegel 1 und 2 mit einer Freiformfläche kann die Abbildungstreue über ein Beleuchtungsfeld deutlich >30° realisiert werden. Eine vorteilhafte Beeinflussung der Abbildungsgüte über das gesamte Beleuchtungs- und Beobachtungsfeld wird erreicht, wenn beide Spiegel 1 und 2 mit Freiformflächen ausgestattet sind. Bei dieser Anordnung der beiden Spiegel 1 und 2 ergeben sich zwei Bereiche, in denen, je nach Neigung der Spiegel 1 und 2 zur optischen Achse 3 des Strahlenganges, lokale Regionen der Spiegeloberflächen scharf auf das Fundusbild (Zwischenbild) abgebildet werden. Das erfolgt in diesem Falle für den Spiegel 2 im Bereich von etwa –6,0 dpt bis –5,0 dpt. Im Bereich von etwa +8,0 dpt bis +13 dpt werden Oberflächenfehler des Spiegels 1 scharf auf das Fundusbild abgebildet. Für Augenfehlsichtigkeiten, bei de nen das Zwischenbild auf einem der beiden Spiegel 1 oder 2 liegt, können Verunreinigungen der Spiegeloberflächen Streueffekte bei der Abbildung bewirken. So ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Zwischenbild 4 so zwischen den Spiegeln 1 und 2 positioniert, dass in einem Bereich von –5,0 dpt bis +8,0 dpt, in welchem die meisten Augenfehlsichtigkeiten liegen, keine Abbildung der Spiegeloberflächen auf das Bild der Netzhaut erfolgt. Dadurch wird vermieden, dass Verunreinigungen, Unsauberkeiten oder herstellungsbedingte Fehler der Spiegeloberflächen auf dem Netzhautbild abgebildet werden. Für Augenfehlsichtigkeiten außerhalb des angegebenen Dioptrienbereiches, bei denen das Zwischenbild 4 auf einem der Spiegel 1 oder 2 liegt, können Verunreinigungen auf den Spiegeloberflächen durch digitale Bildverarbeitung herausgerechnet werden.
Um weitestgehend zu verhindern, dass sich Staub oder andere Verunreinigungen auf den Oberflächen der Spiegel 1 und 2 ablagern, sind die Spiegel 1 und 2 beispielsweise in einem Gehäuse so angeordnet, dass ihre reflektierenden Oberflächen nicht nach oben gerichtet sind.
Das optische System einer Funduskamera nach 1 umfasst einen Beleuchtungspfad 5 mit einem Beleuchtungsstrahlengang 6 (in 1 gestrichelt dargestellt) und mit den abbildenden Spiegel 1 und 2. Das Licht von einer nicht dargestellten Lichtquelle wird über einen mit einer Öffnung 7 versehenen Umlenkspiegel 8 und über die Spiegel 1 und 2 zur Beleuchtung des Fundus eines zu untersuchenden Auges 9 in das Auge geleitet. In einem Abbildungsstrahlengang 10 wird dann durch die Augenlinse 11 und den Spiegel 2 ein Fundusbild als Zwischenbild 4 in einer Zwischenbildebene abgebildet. Dieses Zwischenbild 4 wird dann durch den Spiegel 1 durch die Öffnung 7 des Umlenkspiegels 8 hindurch in einem nachgeordneten Beobachtungs- oder Aufnahmepfad 12 auf dem Empfänger einer nicht dargestellten Kamera oder in einer Bildebene einer Beobachtungsoptik für eine visuelle Beobachtung abgebildet.
Zur Vermeidung von Verunreinigungen der reflektierenden Oberflächen der beiden Spiegel 1 und 2 ist es vor Vorteil, wenn insbesondere an der Patientenseite eine Abdeckscheibe vorgesehen ist, die so gestaltet und dimensioniert sein muss, dass an ihr entstehende Reflexe nicht in den Beobachtungs- oder Aufnahmepfad 12 gelangen können und Farbfehler minimal bleiben. Diese Abdeckscheibe kann auch eine unsymmetrische Oberflächenform besitzen.
Ein Schutz vor einer Verschmutzung der Spiegel 1 und 2 kann auch durch eine dünne Folie erreicht werden, welche dann zur Vermeidung von störenden Reflexen zur optischen Achse 3 verkippt angeordnet ist.
Für besonders streulichtarme Systeme ist eine gekapselte Bauweise vorteilhaft. So zeigt 2 stark vereinfacht die Elemente eines gekapselten optischen Systems mit den Spiegeln 1 und 2 und vorteilhaft, Abdeckscheiben 13 und 14, wobei im Ausführungsbeispiel die Abdeckscheibe 13 patientenseitig und die Abdeckscheibe 14 auf der Beobachtungs- bzw. Aufnahmeseite das umgebende Gehäuse abschließen. In dieser 2 ist das umgebende Gehäuse der Einfachheit halber fortgelassen. Dabei sind die beiden Abdeckscheiben 13 und 14 in ihrer Ausführung so ausgebildet und angeordnet, dass entstehende Reflexe nicht in den Beobachtungs- oder Aufnahmepfad 12 gelangen können und Farbfehler stark minimiert sind. Zur besseren Korrektur der Abbildungsgüte des die Abdeckscheiben 13 und 14 und die Spiegel 1 und 2 umfassenden gesamtem optischen Systems kann es auch bei dieser Ausführung vor Vorteil sein, wenn die Abdeckscheiben 13 und 14 eine unsymmetrische Oberflächenform besitzen.
Zum Schutz vor einer Verschmutzung der Spiegel 1 und 2 können auch hier dünne Folien vorgesehen werden, welche dann zur Vermeidung von störenden Reflexen zur optischen Achse 3 verkippt angeordnet sind.
Zur Vereinfachung der Montage und Justage der beiden Spiegel 1 und 2 ist es vorteilhaft, die beiden Spiegel in einer Halterung (nicht dargestellt) nach ihrer Justierung zu fixieren, damit die Position der Spiegel sich nicht verändern kann. Zusammen mit der Halterung können dann die Spiegel 1 und 2 in einem Montageschritt effektiv ohne weitere Justage im Gerät eingebaut werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen optischen Systems zur reflexfreien Ophthalmoskopie und zur Abbildung des Fundus ist in der 3 vereinfacht dargestellt. Dieses System umfasst einem monolithischen Körper 15 aus optischem Material mit einem Brechungsindex n > 1, an welchem die abbildenden reflektierenden Flächen an genau definierten Positionen und in genau vorgegebener Oberflächenform sowie eine Lichteintrittsfläche 16 und eine Lichtaustrittsfläche 17 angeordnet sind.
Der Lichtweg bei dieser Ausführung verläuft wie folgt: Refraktion des eintretenden Lichtes an der Lichteintrittsfläche 16, dann Reflektion an einer ersten reflektiven Fläche 18 des Körpers 15, danach Reflektion an einer zwei ten reflektiven Fläche 19 des Körpers 15 und dann Austritt des Lichtes aus dem Körper 15 durch die Lichtaustrittsfläche 17 und Refraktion des Lichtes an dieser Fläche.
Die Lichteintrittsfläche 16 und eine Lichtaustrittsfläche 17 als lichtbrechende Flächen und müssen deshalb so gestaltet und profiliert sein, dass störende Reflex nicht in den Beobachtung- oder Aufnahmepfad 12 gelangen können und Farbfehler minimal bleiben. Dieses kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Lichteintrittsfläche 16 und/oder die Lichtaustrittsfläche 17 eine unsymmetrische oder eine andere geeignete Oberflächengestalt besitzen.
Die monolithische Bauart hat u. a. den Vorteil, dass eine aufwändige Justage bei der Herstellung und evtl. Nachjustagen nach längerem Gebrauch der abbildenden Spiegel zu einander entfallen. Diese Anordnung ist außerdem sehr montagefreundlich.
Als vorteilhaft erweist sich, die Funduskamera so auszubilden, dass eine Minimierung des Abstandes zwischen dem Patientenauge und dem, dem Patientenauge benachbarten Spiegel 2 erreicht wird. Damit lässt sich auch die Größe des gesamten optischen Systems minimieren. Durch die Minimierung dieses Abstandes ergibt sich auch eine vorteilhafte Verschiebung des Bereiches, in welchem lokale Regionen der Spiegeloberflächen nicht scharf auf das Fundusbild abgebildet werden und welcher in Richtung zu höheren myopen Fehlsichtigkeiten verschoben wird, so dass entsprechend der statistischen Häufigkeit der Augenfehlsichtigkeiten auch prozentual mehr Fundusbilder ohne Störungen durch Oberflächenfehler auf den Spiegel 1 und 2 ermöglicht werden.
Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen optischen Systems kann auch so gestaltet sein, dass eine Beeinflussung der Feldgröße und -gestalt sowie der Pupillengröße und -form ermöglicht werden. Das kann vorteilhaft mit mindestens einem elektronisch strukturierbaren bzw. adaptiven optischen Element im optischen System erreicht werden. So kann ein derartiges strukturierbares bzw. adaptives Element beispielsweise an Stelle des Umlenkspiegels 8 (1) oder an einer anderen geeigneten Stelle im Strahlengang einer Funduskamera angeordnet werden. Durch ein solches strukturierbares bzw. adaptives Element können z. B. im Beleuchtungsstrahlengang einer Funduskamera Unsymmetrien vorgehalten werden, so dass die Anforderungen an das Abbildungssystem zur reflexfreien Ophthalmoskopie geringer werden und eine einfachere Herstellung erreicht wird. Durch die Verwendung derartiger Elemente ist eine einfache Anpassung von Feldgröße und Pupille an unterschiedliche Applikationsaufgaben möglich.
Adaptive Elemente können beispielsweise auch dazu verwendet werden, gerätespezifische Fehler oder auch Augenfehlsichtigkeiten höherer Ordnung auszugleichen, womit ein optimal korrigiertes Fundusbild ermöglicht wird und z. B. dem Arzt Vorteile bei einer Diagnose verschafft. Vorteilhaft ist in einem solchen Falle das adaptive Element in der Nähe der Gerätepupille angeordnet.
Das optische System zur reflexfreien Ophthalmoskopie gemäß der Erfindung erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn eine Funduskamera mit diesem System und Laseranwendungen zur Diagnose und Therapie kombiniert werden.
Bei der Multi-Color-Laserkoagulation ist die Farbfehlerfreiheit besonders vorteilhaft, da die verwendeten unterschiedlichen Wellenlängen keine Ablagen in der Applikationsebene aufweisen. Durch den Wegfall von Falschlichtpfaden (Reflexe) wird eine registrierte, ortsgenau gesteuerte Laserkoagulation erleichtert. Durch die geringe Anzahl optischer Bauelemente ergeben sich weniger optische Grenzflächen und sehr kurze Wege in optischen Medien.
Bei der Optischen Kohärenz Tomographie (OCT), bei welcher mit Licht im IR-Bereich gearbeitet wird, macht die Farbfehlerfreiheit bei der Kombination mit einer Funduskamera eine zusätzliche Korrektur für das erweiterte Spektrum unnötig. Ungewollte Interferenzen durch Mehrfachreflexionen und Streulicht treten nicht auf.
Bei der Therapie und Diagnose mit ultrakurzen Laserimpulsen, beispielsweise im Femtosekundenbereich ist die Farbfehlerfreiheit des Systems besonders vorteilhaft, da zusätzliche Korrekturen zur Verkürzung der Pulsbreiten entfallen können.
Beim Hyper-Spektral-Imaging bzw. bei der spektralen Abbildung der Retina ist die Farbfehlerfreiheit des Systems dahingehend von Vorteil, dass zusätzliche Elemente zur Korrektur der erweiterten spektralen Bandbreite entfallen können.
Bei der Fundusreflektometrie wird durch die Vermeidung von Falschlichtpfaden ein artefaktfreies Bild erreicht.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Systems kann sowohl innerhalb von Funduskameras auf der Basis einer traditionellen zeitlich parallelen Farbbildgenerierung (Erzeugung), als auch mit einer neuen, zeitlich sequentiellen Farbbildgeneration bzw. mit einer sequentiellen multispektralen Fundusreflektometrie mit einem monochromen Chip vorteilhaft Anwendung finden.
Eine Anwendung der Freiformspiegeloptik in Geräten mit OCT, konfokalen oder Linien-Laserscannern oder in Geräten und/oder Verfahren zur Abbildung der Retina kann ebenfalls vorteilhaft sein.
Bei der Dokumentation von Befunden am Auge sollen scharfe, detailreiche Bilder mit hohem Kontrast erzielt werden. Dem entgegen stehen Unzulänglichkeiten (Abbildungsfehler) des optischen Beobachtungs-Systems bzw. des optischen Systems des Auges im Falle von Bildaufnahme aus dem Augeninneren (Augenlinse, Glaskörper, Augenhintergrund) sowie die willkürlichen und unwillkürlichen Augenbewegungen, welche letztlich in Bildunschärfe und Kontrastverschlechterung münden. Unzulänglichkeiten, z. B. Abbildungsfehler, des optischen Beobachtungssystems bzw. des optischen Systems des Auges lassen sich durch eine geeignete Ausführung und Auslegung des Beobachtungssystems durch den hier vorgeschlagenen Weg kompensieren. Die Augenbewegungen führen zu einer Bewegungsunschärfe, die bei zu langen Belichtungszeiten während der Bildaufnahme alle optischen Kompensationsaufnahmen zunichte macht. Zur Unterdrückung dieser Bewegungsunschärfe muss mittels einer hinreichend energiereichen Lichtquelle kurz, vorteilhaft im Millisekundenbereich, belichtet werden, beispielsweise durch eine geeignete Blitzlampe. Diese Lösung wird in der Mehrzahl der bekannten Funduskameras eingesetzt. Für Farbaufnahmen wird das tageslichtähnliche Spektrum des Blitzlichtes in Kombination mit einem farbtauglichen Bildsensor, z. B. mit einem Flächensensor mit aufgebrachten Farbfiltern, genutzt. Nachteil dieser Lösung ist, dass die Spektralcharakteristik dieser fest aufgebrachten Farbfilter nicht hinreichend genau offen gelegt ist und vor allem nachträglich nicht verändert werden kann. Somit sind eine optimale Belichtungssteuerung für die einzelnen Farben und ein an das Objekt angepasstes Farbmanagement nur eingeschränkt möglich.
Bei monochromen Techniken wird der gewünschte Spektralanteil aus dem weißen Blitzlicht mittels Farbfilter herausgefiltert. Diese Lösung ist energetisch nicht effizient. Eine bessere Lösung stellt hier der Einsatz von LED sowohl im kontinuierlichen, als auch im Pulsbetrieb dar. Es werden LEDs verschiedener Emissionswellenlängen, z. B. Rot, Grün und Blau für Farbaufnahmen, benutzt. Bei monochromen Techniken werden eine oder mehrere LED mit geeigneten Wellenlängen verwendet. Durch das quasi verzögerungsfreie Ein- und Ausschalten der LED können hinreichend kurze Belichtungszeiten erreicht werden. Die spektralen Charakteristika der LED sind ausreichend genau bekannt und können energetisch effizient durch Filter beeinflusst werden, womit ein optimales Farbmanagement einfacher realisierbar ist. Bei der Aufnahme von Farbbildern erfolgt der Bildeinzug für Rot, Grün und Blau in sinnvoller Weise sequentiell, d. h. als Bildaufnehmer wird ein S/W-Bildaufnehmer (Schwarz/Weiß-Bildaufnehmer) hoher Empfindlichkeit eingesetzt, und mittels gepulster LED wird nacheinander das jeweilige Farbteilbild eingezogen. Durch die Wahl der Impulslängen bzw. Impulshöhen kann eine optimale Aussteuerung für die Farbteilbilder erreicht werden. Bei kontinuierlicher Beleuchtung zum Zwecke der Einstellung auf das Untersuchungsobjekt kann durch geeignete Wahl der Intensitäten der eingesetzten LED eine sinnvolle, dem Objekt angepasste spektrale Lichtmischung erreicht werden.
Durch den sequentiellen Betrieb können weiterhin chromatische Aberrationen synchron zu den jeweiligen spektralen Lichtpulsen selektiv beeinflusst werden. Beispielsweise kann mit spezifischen Einstellungen eines verwendeten adaptiven Elementes während eines zugeordneten farbigen Lichtpulses eine optimale Korrektur erzielt werden. Eine ähnliche Wirkung lässt sich mit einem optischen Element erreichen, welches gezielt in seiner Position im Strahlengang verändert wird, z. B. in Form einer Shiftlinse. Auf diese Weise lässt sich das optische Design hinsichtlich der chromatischen Korrekturen vereinfachen, da nicht alle Korrekturmaßnahmen gleichzeitig zur Anwendung kommen müssen.

1; 2: Spiegel
3: optische Achse
4: Zwischenbild
5: Beleuchtungspfad
6: Beleuchtungsstrahlengang
7: Öffnung
8: Umlenkspiegel
9: Auge
10: Abbildungsstrahlengang
11: Augenlinse
12: Beobachtungs- oder Aufnahmepfad
13; 14: Abdeckscheibe
15: monolithischer Körper
16: Lichteintrittsfläche
17: Lichtaustrittsfläche
18: reflektive Fläche

Claims

Optisches System, insbesondere für Funduskameras, zur reflexfreien Ophthalmoskopie, welches einen Strahlengang mit im Wesentlichen gemeinsam für die Beleuchtung, Beobachtung und/oder die Aufnahme genutzten brechenden und/oder reflektierenden optischen Elemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Beleuchtung und Abbildung des Fundus ein im Wesentlichen aus mehreren reflektierenden optischen Elementen oder aus mehreren reflektierenden und brechenden Elementen bestehendes, abbildendes, optisches System vorgesehen ist, welches mindestens ein optisches Element umfasst, das als Freiformspiegel mit einer abbildenden, reflektierenden Freiformfläche ausgebildet ist, – dass die optischen Elemente in genau definierter Position und Lage zueinander derart in einem Gehäuse angeordnet sind, dass in einem weiten Dioptrienbereich der zu untersuchenden Patientenaugen eine Abbildung der reflektierenden Flächen der optischen Elemente auf das Bild der Retina vermieden wird.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus zwei Freiformspiegeln (1; 2) bestehendes Spiegelsystem vorgesehen ist, wobei die Freiformspiegel als symmetriefreie Freiformspiegel ausgeführt sind, zwischen denen sich eine Zwischenbildebene an geeigneter Stelle befindet.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsystem in gekap selter Bauweise in einem Gehäuse angeordnet ist, welches an der dem Patienten zugewandten Seite und vorzugsweise an der dem Beobachter zugewandten Seite durch jeweils eine Abdeckscheibe (13; 14) abgeschlossen ist, wobei die Abdeckscheiben (13; 14) eine solche Oberflächenform aufweisen, dass störende Reflexe vermieden und Farbfehler minimiert sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente des Spiegelsystems in einer gemeinsamen Halterung oder Aufnahme in genau definierter Position und Lage zueinander im Gehäuse angeordnet sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsystem aus einem monolithischen Körper (15) aus optischem Material mit einem Brechungsindex n > 1 besteht, an welchem die abbildenden reflektiven Flächen an genau definierten Positionen und in genau vorgegebener Oberflächenform sowie eine Lichteintritts- und eine Lichtaustrittsfläche vorgesehen sind, wobei die Lichteintritts-(16) und die Lichtaustrittsfläche (17) eine solche Oberflächenform besitzen, dass störende Reflexe vermieden und Farbfehler minimiert sind.
Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintritts-(16) und/oder die Lichtaustrittsflache (17) des monolithischen Körpers (15) unsymmetrisch geformt sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der opti schen Elemente des Spiegelsystems als spektraler Farbteiler ausgebildet ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein reflektierendes, elektronisch strukturierbares oder adaptives optisches Element im Strahlengang vorgesehen ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Koordinaten für die Position der Spiegel (1) und (2) entsprechend einer – Translation des Koordinatensystems bezüglich der Augenpupille (in Luft) Koordinate X[mm] Y[mm] Z[mm] Augenpupille 0.0000000 0.0000000 0.0000000 Spiegel 1 –6.8487090 –165.4836370 47.0325630 Spiegel 2 293.0630880 –0.6361000 –155.3942110 Bild des Leuchtringes 40.6840860 107.9439940 84.9774900;

– einer Rotation des Koordinatensystems bezüglich der Augenpupille (in Luft) Drehwinkel α[°] β[°] γ[°] Augenpupille 0.0000000 0.0000000 0.0000000 Spiegel 1 76.0042720 –1.9900470 0.0000000 Spiegel 2 170.9745940 –64.6866110 0.0000000 Bild des Leuchtringes –51.2908710 39.1319540 30.6900040;

– und einer durch die folgende Beziehung definierte Flächenform für die Spiegel 1 und 2 bezüglich des jeweiligen Flächenkoordinatensystems

worin eine Polynomentwicklung mit den Entwicklungskonstanten c_1-27 für Spiegel 1 die folgenden Werte K_x = 0.000000000E+00 K_y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = –215.000 1/ρ_y = –219.000

c_1-4 0.00000000E+00 0.00000000E+00 –.11000521E–03 –.14259467E–03 c_5-8 0.36710319E–04 0.30325236E–06 0.39598788E–06 .72428906E–06 c_9-12 –.22614328E–06 0.56301184E–08 0.18564567E–08 –17641549E–08 c_13-16 0.300856709E–08 –.11779725E–08 –.16133079E–10 –29826733E–10 c_17-20 –.10722833E–11 0.47271735E–12 –.20450551E–10 .55932153E–11 c_21-24 –.15323720E–13 0.14840899E–12 –.48945914E–13 0.22616480E–13 c_25-27 0.15323720E–13 0.12953501E–13 –.87761187E–15

und für Spiegel 2 die folgenden Werte K_x = 0.0000000E+00 K_y = 0.0000000E+00 1/ρ_x = 0.000 1/ρ_y = 137.000

c_1-4 0.00000000E+00 0.00000000+00 0.43292571E–03 –.14593775E–03 c_5-8 –.42509202E–02 –.28647132E–07 0.45437799E–06 05 –.11927701E–05 c_9-12 0.22797954E–05 0.39691471E–09 0.48994174E–09 0.22211437E–08 c_13-16 –.12740305E–08 –.92954442E–08 –.29905067E–12 –.27840314E–11 c_17-20 –.42513819E–13 –.562779651E–11 –.45816012E–10 –.24706205E–09 c_21-24 –.55720016E–15 0.18029456E–14 –.34158468E–14 –.48883050E–14 c_25-27 0.33724484E–13 0.51120041E–12 –.27001064E–11

besitzt und worin ρ_x und ρ_y Krümmungen im Ursprung der jeweiligen der Flächenkoordinatensysteme, K_x und K_y konische Konstanten und x; y; z die Koordinaten der Flächenpunkte der Spiegel sind.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass Mittel zur Erzeugung sequentieller Lichtimpulse in verschiedenen Spektralbereichen, – dass Mittel zur synchronisierten Bildgewinnung mittels eines Bildsensors – und dass Mittel zur Bildaufbereitung zur Darstellung und Speicherung eines Colorbildes oder beliebiger anderer Kombinationen bzw. monochromer Einzelbilder vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur selektiven Kompensation von chromatischen Aberrationen durch ein oder mehrere verstellbare optische Elemente vorgesehen sind, welche synchron mit Lichtimpulsen ihre Position verändern.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zur selektiven Kompensation von chromatischen Aberrationen durch synchron mit Lichtimpulsen eingestellte optische Elemente mindestens eines adaptiven optischen Bauelementes vorgesehen sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung in Geräten für die Laserkoagulation, insbesondere für die Multi-Color-Laserkoagulation.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung in Geräten zur Durchführung der Optischen Kohärenz Tomographie (OCT).
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung in Geräten für die Diagnose und Therapie am Auge mit Ultra-Kurzpuls-Lasern.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung beim Hyper-Spektral-Imaging bzw. bei der multispektralen Abbildung zur Diagnose von Funktionen der Retina.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung in der Fundusreflektometrie.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung in Funduskameras auf der Basis einer traditionellen zeitlich parallelen Farbbildgenerierung oder auf der Basis mit einer neuen zeitlich sequentiellen Farbbildgenerierung oder auf der Basis mit einer sequentiellen multispektralen Fundusreflektometrie mit einem monochromen Chip oder Schwarz-Weiß-Chip.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung der Freiformspiegeloptik in Geräten mit OCT oder in Geräten mit Punkt- oder Linien-Laserscannern oder in Geräten und/oder Verfahren zur Abbildung der Retina.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung bei konfokalen Laserscannern.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung in ophthalmologischen Geräten, insbesondere Funduskameras, mit im kontinuierlichen Betrieb und/oder im Pulsbetrieb arbeitenden LED als Beleuchtungsquelle.