DE102010008629B4

DE102010008629B4 - Reflexionsfreie Abbildungsoptik für optische Geräte, insbesondere in der Ophthalmologie

Info

Publication number: DE102010008629B4
Application number: DE102010008629.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Buchheister; Lothar Müller; Dr. Pretorius Marco
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: US8500276B2; DE102010008629A1; US20110199575A1

Abstract

Reflexionsfreie Abbildungsoptik für optische Geräte, insbesondere in der Ophthalmologie, bestehend aus zwei refraktiven, optischen Elementen, die sowohl für die Beleuchtung als auch die Beobachtung Verwendung finden, wobei die zwei refraktiven, optischen Elemente (2, 3) annähernd keilförmig ausgebildet und um einen beliebigen Azimutwinkel von mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordnet sind, um an den optischen Systemflächen (2, 2, 3, 3) entstehende Einfachreflexe (6) der Beleuchtung für die Beobachtung vollständig auszublenden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der optischen Systemflächen (2, 2, 3, 3) der annähernd keilförmig ausgebildeten und verkippt im Strahlengang angeordneten zwei refraktiven, optischen Elemente (2, 3) als Freiformflächen ausgebildet sind, während die restlichen optischen Systemflächen (2, 2, 3, 3) eine asphärische, torische oder auch eine sphärische Form aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abbildungsoptik für optische Geräte, bei der durch die erfindungsgemäße Auslegung verhindert wird, dass Reflexe des Beleuchtungslichtes, welches durch die gleichen optischen Elemente geführt wird wie das Beobachtungslicht, in die Beobachtungspupille des Abbildungsstrahlenganges gelangen.
Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anzuwenden in Fällen, in denen das durch die Beleuchtung angestrahlte, zu beobachtende Gebiet eine sehr geringe Reflexivität aufweist, so dass die durch Reflexe der Beleuchtung an optischen Grenzflächen des Systems zurückgestrahlte Intensität die Nutzlichtintensität übersteigt oder signifikant stört. Zu solchen Systemen gehört beispielsweise die Ophthalmoskoplinse einer Funduskamera, welche zur Abbildung des Augenhintergrundes dient, da der Reflexionsgrad des zu beobachtenden Augenhintergrundes sehr gering ist.
Nach dem bekannten Stand der Technik weist der grundsätzliche Aufbau einer Funduskamera ein mehrstufiges optisches System auf. Dabei wird von einer Ophthalmoskoplinse ein Zwischenbild der Netzhaut erzeugt, das von einem optischen Folgesystem in ein weiteres Zwischenbild bzw. auf einen Film oder ein photooptisches Array in Form einer CCD-Matrix abgebildet wird. Hierbei ist die Ophthalmoskoplinse auch Bestandteil sowohl des Beleuchtungssystems als auch des Abbildungssystems.
Ein besonderes Problem bei der Fundusbeobachtung und -aufnahme stellen Reflexe an der Hornhaut und den Flächen der Ophthalmoskoplinse dar, weil die Intensität des von der Netzhaut reflektierten und die eigentlich interessierende Bildinformation tragende Licht, wesentlich geringer ist als die Intensität des vor dem Eintritt in das Auge reflektierten Lichtes.
Störende Hornhautreflexe werden üblicherweise durch eine Teilung der Pupille des Auges verhindert werden. Dazu bildet die Ophthalmoskoplinse einen Beleuchtungsring in die Augenpupille ab, wodurch die an der Hornhaut reflektierten Strahlen der Beleuchtung die Apertur der Beobachtung verfehlen. Für die Beobachtung wird somit nur das Areal innerhalb des Beleuchtungsringes verwendet.
Zur Unterdrückung der Reflexe von der Ophthalmoskoplinse sind nach dem bekannten Stand der Technik im Wesentlichen drei Konzepte bekannt.
In der DE 35 19 442 A1 ist ein optisches System beschrieben, bei welchem Lichtanteile, die über die Reflexion an der Ophthalmoskoplinse bzw. der Hornhaut in die Beobachtungsapertur gelangen könnten, mittels so genannter Schwarzpunktplatten ausgeblendet werden. Die Schwarzpunktplatten sind dazu in definierter Art und Weise mit lichtabsorbierenden Schichten belegt und werden an geeigneten Stellen im Strahlengang angeordnet. Für diese Art der Reflexunterdrückung hat sich die Bezeichnung „Antireflexpunkt“ eingebürgert.
Ein Nachteil dieses ersten Konzeptes ist die Nähe des Antireflexpunktes zur Leuchtfeldblende. Die Absorption einzelner Lichtanteile kann dabei als ungleichmäßige Ausleuchtung des Augenhintergrundes sichtbar werden. Durch das Auftreten ringförmiger Schatten wird der Bildeindruck verschlechtert und damit die Auswertung durch den Augenarzt behindern.
Eine andere Lösung ist in der DE 103 16 416 A1 beschrieben. Dabei wird auf die Ausblendung bestimmter Lichtanteile innerhalb der Beleuchtungsoptik verzichtet. An Stelle der Ophthalmoskoplinse wird ein mehrlinsiges Objektiv verwendet, dessen Linsen so gegeneinander verkippt sind, dass die direkten Reflexe an den optischen Grenzflächen nicht in die Apertur der Beobachtung gelangen können.
Ein weiteres, aus mehreren, gegenseitig verkippten Linsen bestehendes optisches System wir in der US 39 85 422 A beschrieben. Insbesondere soll mit der Lösung eine Scheimpflug-Korrektur erreicht werden, indem Scheimpflug-Relaislinsen in einem festen Neigungswinkel in Bezug auf die Achse des Linsensystems gehalten und Paare der Relaislinsen um die Systemachse gedreht werden. Durch dieses Konzept werden die mechanischen Antriebsanforderungen der beweglichen Elemente reduziert und Bildverschiebungen beseitigt. Zudem liefert das optische System aufrechte Bilder mit nahezu unendlicher Schärfentiefe.
Diese Lösung erfordert einen erheblichen Aufwand für die mechanischen Fassungen, da eine klassische Fassung von rotationssymmetrischen Systemen keine Anwendung finden kann. Um die optischen Elemente klein zu halten, entstehen keilförmige Linsenausschnitte, die eine spezielle Fassungstechnologie notwendig machen, was sich bei diesem zweiten Konzept als nachteilig auswirkt.
Auch das in der DE 10 2008 040944 A1 beschriebene Objektiv für eine Dentalkamera verfügt über mindestens zwei, gegen die optische Achse kippbare Linsen. Insbesondere kann die jeweilige Verkippung der Linsen variiert wer-den, um die Reflexionsstrahlen in eine Richtung außerhalb einer Pupille des zum Bildsensor führenden Beobachtungsstrahls zu reflektieren. Nachteilig wirkt sich bei dieser Lösung aus, dass für die exakte Bewegung und Positionierung der Linsen ein erhöhter mechanischer Aufwand erforderlich ist.
Durch die Verwendung von Linsen mit rein positiver Brechkraft werden Farblängs- und Farbquerfehler erzeugt, die im folgenden Optiksystem sowohl im Beobachtungsteil als auch im Beleuchtungsteil aufwendig kompensiert werden müssen.
Für Anwendungen mit sehr kleinen Strahldurchmessern, wie zum Beispiel Laseranwendungen, wirken sich auch die hohe Anzahl der optischen Grenzflächen und der lange Glasweg des beschriebenen Objektives nachteilig aus. Selbst kleine Verunreinigungen auf den Grenzflächen und im Material können sich ungünstig summieren. Dadurch verringert sich die Intensität stark und störendes Streulicht entsteht.
Die in der US 4,730 , 910 A beschriebene Lösung betrifft ein optisches Abbildungssystem, bestehend aus Weitwinkellinsen mit Streulichtabweisung, bei dem Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang voneinander getrennt sind. Zur Streulichtabweisung werden die Einzellinsen hierbei allerdings soweit verschoben, dass für den Strahlengang lediglich eine Hälfte der Linsen verwendet werden.
Nachteilig wirkt sich bei dieser Lösung aus, dass für eine wirksame Korrektur der entstehenden Abbildungsfehler und Verzeichnungen mehrere Linsen erforderlich sind. Dadurch erhöht sich der Fassungs- und Justieraufwand erheblich.
Weitere fokussierende, insbesondere reflexions-abweisende, sphärische Linsenanordnungen werden in der US 4,415,239 A beschrieben. Die Linsenanordnungen bestehen dazu aus einer Reihe von mindestens zwei optischen Elementen mit jeweils einer zylindrischen Komponente.
Um bei diesen Anordnungen die entstehenden Reflexionen ausblenden zu können, ist es erforderlich die optischen Elemente sehr stark zu verkippen, was allerdings die Abbildungsgüte negativ beeinflusst. Zwar kann auch hier die Größe der Verkippung durch eine torische Wirkung der optischen Elemente reduziert werden, dadurch wiederum auftretende Fehler höherer Ordnung sind bei diesem Aufbau allerdings unvermeidlich. Auch bei diesem Lösungsansatz sind für eine wirksame Korrektur der entstehenden Abbildungsfehler und Verzeichnungen mehrere Linsen erforderlich, wodurch sich der Fassungs- und Justieraufwand wesentlich erhöht.
Das dritte, nach dem bekannten Stand der Technik bekannte Konzept sieht die Verwendung von mindestens einem Spiegelelement anstelle der Ophthalmoskoplinse vor. Derartige Systeme haben einfache Spiegelgeometrien, mit denen nur ein kleines Beobachtungsfeld bzw. Beleuchtungsfeld mit ausreichender optischer Qualität realisiert werden kann.
Andere Spiegelsysteme, wie sie zum Beispiel in US 6,585,374 B2 beschrieben, nutzen bewegliche Teile, um das kleine Beobachtungs- bzw. Beleuchtungsfeld durch Scanbewegungen zu erweitern. Dazu sind aufwendige Mechaniken zur präzisen Bewegung und aufwendige Bildverarbeitungstechniken notwendig.
Eine weitere Lösung zu diesem dritten Konzept wird in WO 2008/077526 A2 beschrieben. Durch die Verwendung von Spiegelelementen anstelle der Ophthalmoskoplinse können störende Reflexe und durch Dispersion hervorgerufene Farbfehler der optischen Medien vermieden werden.
Auch das in der DE102008026576 A1 beschriebene optische System für ophthalmologische Geräte und insbesondere Funduskameras, betrifft dieses dritte Konzept. Mit dieser Lösung können zwar Aufnahmen des Augenhintergrundes von sehr hoher Qualität realisiert werden, allerdings ist sowohl die Fertigung der mindestens zwei reflektierenden, optischen Elemente als auch deren Halterung und Justierung aufwendig und schwierig.
Durch den Einsalz von Freiformgeometrien kann ein großer Arbeitsabstand und ein großes Bildfeld mit guter optischer Qualität erreicht werden. Der große Arbeitsabstand wirkt sich bei dem vorgeschlagenen, prinzipiellen Aufbau allerdings nachteilig auf die Baugröße der Spiegelelemente aus. Durch den Einsatz von Freiformflächen auf reflexiven Elementen ist die Herstellung der Elemente durch die hohe Toleranzempfindlichkeit sehr aufwendig. Gleiches gilt für die Justage dieser Elemente.
Ausgehend von den Nachteilen der nach dem Stand der Technik bekannten Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine reflexionsfreie Abbildungsoptik für optische Geräte zu entwickeln, die Falschlicht durch Einfachreflexe an optischen Grenzflächen prinzipbedingt vermeidet, ein großes Beobachtungs- und Beleuchtungsfeld realisiert, kompakte und leichte Bauteile ohne aufwendige Mechaniken und/oder Software verwendet und dabei deutlich kostengünstiger herstell- und justierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine reflexionsfreie Abbildungsoptik für optische Geräte, insbesondere in der Ophthalmologie, bestehend aus mindestens zwei refraktiven, optischen Elementen, die sowohl für die Beleuchtung als auch die Beobachtung Verwendung finden, dadurch gelöst, dass die mindestens zwei refraktiven, optischen Elemente annähernd keilförmig ausgebildet und in einem beliebigen Azimutwinkel mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordnet sind, um an den optischen Systemflächen entstehende Einfachreflexe der Beleuchtung für die Beobachtung auszublenden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße, reflexionsfreie Abbildungsoptik ist für optische Geräte, insbesondere in der Ophthalmologie vorgesehen. Obwohl die dargelegten Ausführungsbeispiele für die Beobachtung und/oder Dokumentation des Augenfundus optimiert wurden, ist das in dieser Patentanmeldung offenbarte Wirkprinzip der Korrektur bzw. Minimierung entstehender Abbildungsfehler und/oder Verzeichnungen durch Verwendung refraktiver, optischer Elemente mit optischen Systemflächen in Form von Freiformflächen auch für andere ophthalmologische Geräte und selbstverständlich auch für optische Geräte außerhalb des Gebietes der Ophthalmologie anwendbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen

1: eine Prinzipdarstellung des Beleuchtungsstrahlenganges einer reflexionsfreien Abbildungsoptik mit den an den einzelnen Systemflächen entstehenden Einfachreflexen,
2a: den Beleuchtungsstrahlengang einer ersten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form zweier Freiformflächen, eines Torus und einer Sphäre ausgebildet sind,
2b: den Beobachtungsstrahlengang einer ersten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form zweier Freiformflächen, eines Torus und einer Sphäre ausgebildet sind,
2c: das hierbei auf der Retina entstehende Verzeichnungsgitter der Abbildungsoptik in Gegenüberstellung zu dem einer aus dem Stand der Technik bekannten Abbildungsoptik,
3a: den Beleuchtungsstrahlengang einer zweiten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form dreier Freiformflächen und einer Asphäre ausgebildet sind,
3b: den Beobachtungsstrahlengang einer zweiten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form dreier Freiformflächen und einer Asphäre ausgebildet sind,
3c: das hierbei auf der Retina entstehende Verzeichnungsgitter der Abbildungsoptik in Gegenüberstellung zu dem einer aus dem Stand der Technik bekannten Abbildungsoptik,
4a: den Beleuchtungsstrahlengang einer dritten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form dreier Freiformflächen und einer Sphäre ausgebildet sind,
4b: den Beobachtungsstrahlengang einer dritten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form dreier Freiformflächen und einer Sphäre ausgebildet sind,
4c: das hierbei auf der Retina entstehende Verzeichnungsgitter der Abbildungsoptik in Gegenüberstellung zu dem einer aus dem Stand der Technik bekannten Abbildungsoptik und
4d: die Darstellung der Pfeilhöhenabweichung der Freiformfläche auf der vorderen Systemfläche des ersten refraktiven, optischen Elementes zu einer angefitteten rotationssymmetrischen Asphäre.

Die erfindungsgemäße reflexionsfreie Abbildungsoptik für optische Geräte, insbesondere in der Ophthalmologie besteht aus mindestens zwei refraktiven, optischen Elementen, die sowohl für die Beleuchtung als auch die Beobachtung Verwendung finden. Dabei sind die mindestens zwei refraktiven, optischen Elemente annähernd keilförmig ausgebildet und in einem beliebigen Azimutwinkel mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordnet, um an den optischen Systemflächen entstehende Einfachreflexe der Beleuchtung für die Beobachtung auszublenden.
Mit Verkippung der refraktiven, optischen Elemente bzw. deren Systemflächen ist die Kippung optisch wirksamer Flächen bezüglich der Bezugsachse in mindestens einem Azimut gemeint. Die Bezugsachse ist identisch mit dem Strahl, der durch die Mitte von Feld- und Aperturblende geht. Bei Kippung einer Fläche bilden die Bezugsachse und die Flächennormale am Durchstoßpunkt der Bezugsachse einen Winkel ungleich 0°. Erfindungsgemäß ist der Betrag der Verkippung mindestens einer Systemfläche eines refraktiven, optischen Elementes in einem beliebigen Azimut > 5° definiert. Die Kippung eines refraktiven, optischen Elementes entsteht durch die gleichgesinnte Verkippung deren optisch wirksamer Systemflächen.
Analog zur Definition der Verkippung ist die annähernd keilförmige Ausbildung der refraktiven, optischen Elemente erfindungsgemäß so definiert, dass die beiden optischen Funktionsflächen eines refraktiven, optischen Elementes optischen Elementes im selben Azimut um einen Winkel > 5° zueinander verkippt sind.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen, reflexionsfreien Abbildungsoptik für optische Geräte, insbesondere in der Ophthalmologie zeigt die 1 eine Prinzipdarstellung des Beleuchtungsstrahlenganges einer reflexionsfreien Abbildungsoptik mit den an den einzelnen Systemflächen entstehenden Einfachreflexen. Gemäß der ersten Teildarstellung werden die Beleuchtungsstrahlen 1 ausgehend von der (nicht dargestellten) Beleuchtungsquelle über zwei refraktive, optische Elemente 2 und 3 in die Objektebene 4 fokussiert. Das in der Objektebene reflektierte Licht wird mit der Bildinformation wieder über die zwei refraktive, optische Elemente 2 und 3 in die Ebene 5 abgebildet, die die Koppelstelle zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlengang darstellt. Hierbei sollen an den optischen Systemflächen 2_v und 2_h sowie 3_v und 3_h entstehende Einfachreflexe 6 der Beleuchtungsstrahlen 1 für die Beobachtung ausgeblendet werden, d. h. nicht den interessierenden Bereich 7 treffen. Dazu sind die zwei refraktiven, optischen Elemente 2 und 3 annähernd keilförmig ausgebildet und in einem beliebigen Azimutwinkel mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordnet, der durch die Bezugsachse 8 definiert ist. Hierbei muss der interessierende Bereich 7 nicht zwangsläufig mit der Ebene 5, die die Koppelstelle zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlengang darstellt, zusammen liegen.
Aus der zweiten Teildarstellung der 1 ist ersichtlich, dass die an der vorderen optischen Systemflächen 2_v des refraktive, optische Elementes 2 entstehenden Einfachreflexe 6 der Beleuchtungsstrahlen 1 ausgeblendet werden und nicht den interessierenden Bereich 7 treffen.
Den weiteren Teildarstellungen von 1 ist zu entnehmen, dass die an der hinteren optischen Systemflächen 2_h des refraktiven, optischen Elementes 2 sowie die an der vorderen 3_v und der hinteren optischen Systemfläche 3_h des refraktiven, optischen Elementes 3 entstehenden Einfachreflexe 6 der Beleuchtungsstrahlen 1 ebenfalls ausgeblendet werden und nicht den interessierenden Bereich 7 treffen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind mindestens zwei der optischen Systemflächen der annähernd keilförmig ausgebildeten und verkippt im Strahlengang angeordneten mindestens zwei refraktiven, optischen Elemente als Freiformflächen ausgebildet, während die restlichen optischen Systemflächen der annähernd keilförmig ausgebildeten und verkippt im Strahlengang angeordneten mindestens zwei refraktiven, optischen Elemente eine asphärische, torische oder auch eine sphärische Form aufweisen.
Die mindestens zwei refraktiven, optischen Elemente sind so zueinander angeordnet, dass die entstehenden Spots in ihrer Ausdehnung minimiert sind. Die Lage der Schwerpunkte der Spots definiert die Lage der Bildpunkte. Die Lageabweichung dieser Bildpunkte gegenüber der mit einem festen Abbildungsmaßstab aus den Koordinaten der Objektebene berechneten Lage wird als Verzeichnung bezeichnet.
Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Systemen für die Fundusabbildung werden Verzeichnungswerte von kleiner 2% für einen Felddurchmesser bis zu einem Feldwinkel am Auge von 30° erreicht. Für das volle Bildfeld bis zu einem Feldwinkel von 50° werden jedoch meist nur Werte zwischen 5 % bis 10 % verwirklicht.
Im Gegensatz dazu können bei der erfindungsgemäßen Lösung durch den Einsatz von Freiformflächen Verzeichnungswerte für einen Feldwinkel bis zu 30° um 1% und für den vollen Feldwinkel um 2% erreicht werden.
Durch den Bruch der Symmetrie des Gesamtsystems des reflexionsfreien Abbildungsoptik sind mindestens zwei der optischen Systemflächen der annähernd keilförmig ausgebildeten und verkippt im Strahlengang angeordneten mindestens zwei refraktiven, optischen Elemente als Freiformflächen auszubilden. Nur dann können mit einer minimalen Anzahl von (zwei) refraktiven, optischen Elementen entstehende Abbildungsfehler und/oder Verzeichnung so korrigiert werden, dass mit einem nach geordneten rotationssymmetrischen Abbildungssystem eine für die Applikation ausreichend gute Abbildungsgüte erreicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die als Freiformflächen ausgebildeten, optischen Systemflächen der annähernd keilförmig ausgebildeten und verkippt im Strahlengang angeordneten mindestens zwei refraktiven, optischen Elemente torische Wirkungen auf, dass heißt in einem beliebigen Azimut ist die beitragende Brechkraft der optischen Systemfläche verschieden von der beitragenden Brechkraft im Azimut 90° dazu.
Dadurch lassen sich der Kippwinkel grundsätzlich konvexer Systemflächen und die annähernde Keilförmigkeit der refraktiven, optischen Elemente verringern.
Andere entstehende, unsymmetrische Abbildungsfehler werden durch die verringerten Kippwinkel der Systemflächen und die damit zusammenhängende verringerte Keilförmigkeit der refraktiven, optischen Elemente reduziert.
Die torische Wirkung der auf einer optischen Systemfläche ausgebildeten Freiformfläche hat den Vorteil, dass deren Kippwinkel reduziert werden kann, wenn die Kippung und/oder Dezentrierung der Systemfläche im Azimut mit der geringeren Brechkraft, eventuell sogar mit einer negativen Brechkraft erfolgt. Dadurch divergieren die entstehenden Einfachreflexe in diesem Azimut weniger stark und es kann trotzdem Reflexfreiheit gewährleistet werden.
Die höhere Brechkraft im anderen Azimut trägt zur Gesamtbrechkraft der Abbildungsoptik bei. Hierbei kann eine Aufteilung der Brechkräfte auf mehrere Systemflächen erfolgen, was wiederum günstig für die Verringerung von Abbildungsfehlern ist.
Vorteilhafter Weise erfolgt die Kompensation der durch den Bruch mit der Symmetrie des Gesamtsystems erzeugten astigmatischen Wirkung an einer für die Reflexfreiheit weniger kritischen Fläche.
Besonders wirkungsvoll ist dieser Effekt an der vorderen optischen Systemfläche 2_v des refraktiven, optischen Elementes 2 (siehe 1), da die von der konvexen Flächenform erzeugten Einfachreflexe eine starke Divergenz aufweisen. Es gibt keine weiteren refraktiven, optischen Elemente, die zur Verringerung dieser Divergenz beitragen können. Somit wird der Reflex auf die Ebene 5 sehr groß und kann nur durch eine starke Verkippung dieser vorderen optischen Systemfläche 2_v aus der Beobachtung, insbesondere dem interessierenden Bereich 7 ausgespiegelt werden.
Die auf den optischen Systemflächen ausgeführten Freiformflächen werden mit X-Y-Polynomen beschrieben. Der Mittelpunkt der Flächen ist so dezentriert, dass der Hauptstrahl des Achsbündels des Beobachtungsstrahlenganges annähernd durch den Flächenmittelpunkt verläuft. Die Ursprungslage der Polynomentwicklung ist als Optimierungsvariable freigegeben. Damit wird eine Redundanz der Variablen während der Optimierung vermieden und die Polynomentwicklung kann an der optimalen Stelle erfolgen.
Selbstverständlich können die Systemflächen auch mit alternativen Methoden, wie zum Beispiel durch Zernike-Entwicklungen oder Spline-Beschreibungen angegeben und optimiert werden.
Für die folgenden Ausführungsbeispiele, die insbesondere für eine Funduskamera optimiert sind, werden alle Komponenten so positioniert, dass zwischen Auge des Probanden und der reflexionsfreien Abbildungsoptik 30 bis 60mm freier Arbeitsabstand liegt. Damit werden ergonomische Gesichtspunkte auf der Patientenseite ebenso erfüllt und wie eine ausreichende Manipulationsfreiheit des Arztes bei der Untersuchung des Patientenauges.

In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht die reflexionsfreie Abbildungsoptik aus zwei refraktiven, optischen Elementen, deren vordere Systemflächen beider refraktiven, optischen Elemente als Freiformflächen, die hintere Systemfläche des ersten refraktiven, optischen Elementes als Torus und die hintere Systemfläche des zweiten refraktiven, optischen Elementes als Sphäre ausgebildet sind und dessen Gesamtaufbau wie folgt beschrieben werden kann:

Fläche	Radius [mm]	Dicke [mm]	Glas	Bemerkung
SA = BQ	0.000000	127.023559
ZB	0.000000	33.434954
2_v	460.241355	40.000000	N-LAK8	XY-Polynom
2_h	-112.724233	3.416369		Torus
3_v	67.330573	21.208847	N-LAK8	Sphäre
3_h	-553.072593	49.259906		XY-Polynom
P = IA	0.000000	17.000000Y	Ideallinse	f' = 17 mm
R	0.000000

Lage der Flächen:
Translation der Koordinatensysteme:

Fläche	X [mm]	Y [mm]	Z [mm]
2_v	-0.015804	-0.009449	0.000000
2_h	-0.176313	4.129852	0.000000
3_v	-1.160058	9.969841	0.000000
3_h	0.397186	4.114025	0.000000
P = IA	0.194216	2.831227	0.000000

Rotation der Koordinatensysteme bzgl. Augenpupille (in Luft):

Fläche	Alpha [Grad]	Beta [Grad]	Gamma [Grad]
2_v	-9.715970	-0.842779	0.000000
2_h	-14.376718	16.307588	0.000000
3_v	-9.946335	15.458494	0.000000
3_h	-11.913235	2.391050	0.000000
P = IA	1.482621	-0.261571	-0.138182

Beschreibung der Flächenform Fläche 2_v, 2_h, 3_h:
$\begin{array}{l} z = \frac{ρ_{x} x^{2} + ρ_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + κ_{x}) ρ_{x}^{2} x^{2} - (1 + κ_{y}) ρ_{y}^{2} y^{2}}} + c_{1} \cdot x + c_{2} \cdot y + c_{3} \cdot x^{2} + c_{4} \cdot x \cdot y \\ + c_{5} \cdot y^{2} + c_{6} \cdot x^{3} + c_{7} \cdot x^{2} \cdot y + c_{8} \cdot x \cdot y^{2} + c_{9} \cdot y^{3} + c_{10} \cdot x^{4} + c_{11} \cdot x^{3} \cdot y + \dots \end{array}$
Fläche 2_v:

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	262.029626	1/ρ_y =	460.241355
C₁ _- ₃	-8.16682913E-02	1.30744652E-02	3.41935416E-03
C_{4 -6}	-7.06926243E-04	2.79954523E-03	-7.24668714E-05
C₇ _- ₉	-7.13866226E-05	-8.22329726E-05	-7.79315372E-05
C₁₀ _- ₁₂	-3.21596886E-07	1.76630879E-07	-5.03015616E-07
C₁₃ _- ₁₅	-2.78639559E-07	-1.02664121E-06	8.17043798E-09
C₁₆ _- ₁₈	1.47741005E-08	2.45319524E-08	-6.39279788E-09
C₁₉ _- ₂₁	7.16686190E-09	-2.93771547E-09	2.40054911E-11
C_{22 - 24}	3.80865136E-12	3.12139213E-10	-2.66011419E-10
C_{25 - 27}	-2.10800584E-10	8.11033757E-11	1.06969528E-11

Fläche 2_h:

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	-192.389983	1/ρ_y =	-112.724233
C₁ _- ₂₇	0.000000000E-00

Fläche 3_h:

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	-626.781667	1/ρ_y =	-553.072593
C_{1 - 3}	1.46571567E-02	-4.19559905E-02	2.47038454E-03
C_{4 -6}	1.30391601E-03	4.05033404E-03	-1.10654287E-04
C_{7 - 9}	-1.18192140E-04	-1.08606641E-04	-1.01909142E-04
C_{10 - 12}	9.70012347E-07	5.68458154E-07	3.06807937E-06
C_{13 - 15}	-1.85585147E-07	5.49978310E-07	1.31161920E-08
C_{16 - 18}	2.50938306E-08	2.12181386E-08	-4.80230112E-08
C_{19 - 21}	-4.51844849E-09	-1.37209572E-08	-2.41037488E-10
C_{22 - 24}	-9.94991837E-11	-1.48481266E-09	3.35571849E-10
C_{25 - 27}	5.06355656E-10	7.62147783E-10	3.68207235E-10

Hierzu zeigt die 2a den (idealisierten) Beleuchtungsstrahlengang der ersten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form zweier Freiformflächen, eines Torus und einer Sphäre ausgebildet sind.
Die Beleuchtungsstrahlen 1 in Form einer Ringbeleuchtung werden ausgehend von der (nicht dargestellten) Beleuchtungsquelle über zwei refraktive, optische Elemente 2 und 3 in die Augen-Pupillenebene 9 fokussiert. Hierbei sind die zwei refraktiven, annähernd keilförmig ausgebildeten, refraktiven, optischen Elemente 2 und 3 um einem beliebigen Azimutwinkel von mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordnet. An den optischen Systemflächen 2_v und 2_h sowie 3_v und 3_h entstehende (nicht dargestellte) Einfachreflexe der Beleuchtungsstrahlen 1 sollen hierbei für die Beobachtung ausgeblendet werden. Zu diesem Zweck sind die vorderen Systemflächen 2_v und 3_v beider refraktiven, optischen Elemente 2 und 3 als Freiformflächen, die hintere Systemfläche 2_h des ersten refraktiven, optischen Elementes 2 als Torus und die hintere Systemfläche 3_h des zweiten refraktiven, optischen Elementes 3 als Sphäre ausgebildet.
Die 2b zeigt den entsprechenden Beobachtungsstrahlengang der zweiten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren vordere Systemflächen beider refraktiven, optischen Elemente als Freiformflächen, die hintere Systemfläche des ersten refraktiven, optischen Elementes als Torus und die hintere Systemfläche des zweiten refraktiven, optischen Elementes als Sphäre ausgebildet sowie ein durch eine Ersatzbrennweite idealisiertes Auge.
Das Bild der Retina 10 wird über die zwei refraktive, optische Elemente 2 und 3 in die Aperturblende 11 abgebildet, wobei in der Ebene 12 ein Zwischenbild der Retina erzeugt wird. Durch die erfindungsgemäß ausgestalteten optischen Systemflächen 2_v und 2_h sowie 3_v und 3_h werden entstehende (nicht dargestellten) Einfachreflexe der Beleuchtungsstrahlen für die Beobachtung ausgeblendet, so dass diese nicht die Aperturblende 11 treffen.
Dazu zeigt die 3c das bei dieser Lösung auf der Retina entstehende Verzeichnungsgitter der Abbildungsoptik in Gegenüberstellung zu dem Verzeichnisgitter der aus dem Stand der Technik bekannten Abbildungsoptik, gemäß DE 103 16 416 A1 . Es ist zwar zu erkennen, dass die Verzeichnungen gegenüber der Lösung des Standes der Technik verringert werden konnte.
Die hintere Systemfläche 3_h des zweiten refraktiven, optischen Elementes 3 ist hierbei als Torus ausgeführt, d. h. die Systemfläche 3_h weist zwei verschiedene Radien in zwei, in 90° zueinander verdrehten Azimutwinkeln auf. Ein Verdrehen der Systemfläche 3_h um die optische Achse konnte einen noch günstigeren Einfluss auf die Abbildungsfehler zur Folge haben.
Dieses erste Ausführungsbeispiel bestätigt uns, dass eine reflexionsfreie Abbildungsoptik aus nur zwei refraktiven, optischen Elementen realisiert werden kann, wenn dabei mindestens zwei der Systemflächen als Freiformflächen ausgebildet sind, jedoch sind hierbei hinsichtlich der Abbildungsgüte noch Kompromisse hinzunehmen.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht die reflexionsfreie Abbildungsoptik aus zwei refraktiven, optischen Elementen, wobei die vordere und hintere Systemfläche des ersten refraktiven, optischen Elementes und die hintere Systemfläche des zweiten refraktiven, optischen Elementes als Freiformfläche und die vordere Systemfläche des zweiten refraktiven, optischen Elementes als Asphäre ausgebildet sind. Hierbei wird die rotationssymmetrische Asphäre off-axis genutzt. Der Gesamtaufbau kann wie folgt beschrieben werden:

Fläche	Radius [mm]	Dicke [mm]	Glas	Bemerkung
SA = BQ	0.000000	112.723657
ZB	0.000000	26.315884
2_v	460.241355	40.000000	N-LAK8	XY-Polynom
2_h	-98.378083	2.432516		XY-Polynom
3_v	69.369038	18.428907	N-LAK8	Asphäre
3_h	-553.072593	45.324601		XY-Polynom
P = IA	0.000000	17.000000Y	Ideallinse	f' = 17 mm
R	0.000000

Lage der Flächen:
Translation der Koordinatensysteme:

Fläche	X [mm]	Y [mm]	Z [mm]
2_v	0.008249	-0.004878	0.000000
2_h	-3.632256	4.940808	0.000000
3_v	-7.513007	12.906752	0.000000
3_h	-6.767967	10.354774	0.000000
P = IA	-15.095604	20.046330	0.000000

Rotation der Koordinatensysteme bzgl. Augenpupille (in Luft):

Fläche	Alpha [Grad]	Beta [Grad]	Gamma [Grad]
2_v	-16.627633	-12.552204	0.000000
2_h	-2.975360	9.652402	0.000000
3_v	-18.533878	9.595629	0.000000
3_h	-17.902422	1.472894	0.000000
P = IA	-12.055657	-10.186383	-1.343352

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	262.029626	1/ρ_y =	460.241355
C_{1 - 3}	-1.076219235E-02	-1.939046941E-03	1.997905625E-03
C_{4 -6}	1.746907059E-03	2.461118134E-03	-6.571983437E-05
C_{7 - 9}	-9.883077652E-06	-5.445029935E-05	-1.632332880E-05
C_{10 - 12}	-3.984223970E-07	6.025247976E-07	-3.447675743E-07
C_{13 - 15}	6.588778570E-08	-9.912377449E-07	6.020462360E-09
C_{16 - 18}	-1.953270172E-10	7.786357428E-09	-1.948376196E-09
C_{19 - 21}	7. 040827309E-09	-8.579730212E-09	1.890823354E-10
C_{22 - 24}	1.545069767E-11	-3.939617920E-11	-1.872836301E-10
C_{25 - 27}	-1.433811680E-10	-3.180424756E-10	5.075901345E-11

Fläche 2_h:

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	-100.942861	1/ρ_y =	-98.378083
C_{1 - 3}	5.282970718E-03	-2.390734163E-02	9.280180593E-04
C_{4 -6}	7.885552729E-04	-1.715965007E-03	2.046197629E-05
C_{7 - 9}	1.927024556E-05	8.531615103E-05	-1.605061381E-05
C_{10 - 12}	5.617458102E-07	3.689124959E-07	7.443694101E-07
C_{13 - 15}	-5.994160512E-07	2.282951119E-07	-5.812076272E-09
C_{16 - 18}	-1.723649589E-09	-8. 769239055E-09	-9.773820261E-10
C_{19 - 21}	-4.698271820E-09	-1.704652063E-09	1.317751719E-10
C_{22 - 24}	2.089880410E-10	3.761425386E-10	1.878879381E-10
C_{25 - 27}	-7.245340147E-11	-9.975912395E-11	-9.207989014E-11

Fläche 3_h:

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	-626.781667	1/ρ_y =	-553.072593
C_{1 - 3}	2.487303401E-02	-6.337149712E-02	5.842772050E-04
C_{4 -6}	3.650951912E-04	3.800070084E-03	-6.340939346E-05
C_{7 - 9}	-4.948991848E-05	-1.560159975E-04	-2.586127402E-05
C_{10 - 12}	9.681634924E-07	9.072631039E-07	1.675755763E-06
C_{13 - 15}	9.789720502E-07	5.079850594E-07	9.057671419E-09
C_{16 - 18}	-5.038663621E-09	-6.726531096E-10	-2.375679687E-08
C_{19 - 21}	-3.868956663E-09	-1.420798036E-08	-4.135849189E-10
C_{22 - 24}	-7.758610476E-11	-1.701714743E-09	-1.760333486E-11
C_{25 - 27}	-5.742161539E-10	-1.914559861E-11	-3.980153064E-10

Beschreibung der Flächenform Fläche 3_v:

z = \frac{ρ h^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + κ) ρ^{2} h^{2}}} + \sum_{k = 1} c_{k} h^{2 k + 2}

K =	8.835330521E-02
1/ρ =	69.369038
C_{1 - 3}	0.000000000E-00	0.000000000E-00	0.000000000E-00

Hierzu zeigt die 3a den (idealisierten) Beleuchtungsstrahlengang der zweiten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form dreier Freiformflächen und einer Asphäre ausgebildet sind.
Auch hier werden die Beleuchtungsstrahlen 1 in Form einer Ringbeleuchtung ausgehend von der (nicht dargestellten) Beleuchtungsquelle über zwei refraktive, optische Elemente 2 und 3 in die Augen-Pupillenebene 9 fokussiert. An den optischen Systemflächen 2_v und 2_h sowie 3_v und 3_h entstehende (nicht dargestellte) Einfachreflexe der Beleuchtungsstrahlen 1 sollen ebenfalls für die Beobachtung ausgeblendet werden. Zu diesem Zweck sind die Systemflächen der zwei refraktiven, annähernd keilförmig ausgebildeten und in einem beliebigen Azimutwinkel mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordneten, optischen Elemente 2 und 3 mit Ausnahme der vorderen Systemfläche 3_v des zweiten refraktiven, optischen Elementes 3, die eine Asphäre darstellt, als Freiformfläche ausgebildet.
Die 3b zeigt den entsprechenden Beobachtungsstrahlengang der zweiten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form dreier Freiformflächen und einer Asphäre ausgebildet sind sowie ein durch eine Ersatzbrennweite idealisiertes Auge.
Das Bild der Retina 10 wird über die zwei refraktive, optische Elemente 2 und 3 in die Aperturblende 11 abgebildet, wobei in der Ebene 12 ein Zwischenbild der Retina erzeugt wird. Durch die erfindungsgemäß ausgestalteten optischen Systemflächen 2_v und 2_h sowie 3_v und 3_h werden entstehende (nicht dargestellten) Einfachreflexe der Beleuchtungsstrahlen für die Beobachtung ausgeblendet, so dass diese nicht die Aperturblende 11 treffen.
Die mit dieser Lösung erreichbaren Verzeichniswerte liegen im Gegensatz zu den Lösungen des Standes der Technik für einen Feldwinkel bis zu 30° um 1% und für den vollen Feldwinkel um 2%.
Dazu zeigt die 3c das bei dieser Lösung auf der Retina entstehende Verzeichnungsgitter der Abbildungsoptik in Gegenüberstellung zu dem Verzeichnisgitter der aus dem Stand der Technik bekannten Abbildungsoptik, gemäß DE 103 16 416 A1 .
Das hier vorgeschlagene und beschriebene Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch Reflexfreiheit im interessierenden Gebiet, sehr geringe Verzeichnung, einen großen freien Arbeitsabstand und nur zwei, vergleichsweise kleine und kostengünstig herzustellende refraktive, optische Elemente aus.

In einem dritten Ausführungsbeispiel besteht die reflexionsfreie Abbildungsoptik aus zwei refraktiven, optischen Elementen, wobei die vordere und hintere Systemfläche des ersten refraktiven, optischen Elementes und die hintere Systemfläche des zweiten refraktiven, optischen Elementes als Freiformfläche und die vordere Systemfläche des zweiten refraktiven, optischen Elementes als Sphäre ausgebildet sind. Der Gesamtaufbau kann wie folgt beschrieben werden:

Fläche	Radius [mm]	Dicke [mm]	Glas	Bemerkung
SA = BQ	0.000000	123.394223
ZB	0.000000	36.178305
2_v	460.241355	39.210908	N-LAK8	XY-Polynom
2_h	-98.378083	2.041868		XY-Polynom
3_v	69.665916	17.941242	N-LAK8
3_h	-553.072593	50.945958		XY-Polynom
P = IA	0.000000	17.000000Y	Ideallinse	f' = 17 mm
R	0.000000

Lage der Flächen:
Translation der Koordinatensysteme:

Fläche	X [mm]	Y [mm]	Z [mm]
2_v	-0.011617	-0.016130	0.000000
2_h	0.974295	3.470584	0.000000
3_v	-3.363366	10.952433	0.000000
3_h	0.658348	5.474388	0.000000
P = IA	-0.182751	9.037957	0.000000

Rotation der Koordinatensysteme bzgl. Augenpupille (in Luft):

Fläche	Alpha [Grad]	Beta [Grad]	Gamma [Grad]
2_v	-11.950087	-1.103246	0.000000
2_h	-7.561127	12.292050	0.000000
3_v	-10.640443	13.236519	0.000000
3_h	-9.340704	1.838853	0.000000
P = IA	-3.992984	-0.936974	0.033760

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	262.029626	1/ρ_y =	460.241355
C_{1 - 3}	-7.816294472E-02	-6.769775549E-04	3.512000519E-03
C_{4 -6}	-1.933397623E-04	3.323904852E-03	-7.073432239E-05
C_{7 - 9}	-5.175690025E-05	-4.246655458E-05	-5.977805266E-05
C_{10 - 12}	1.661105408E-07	2.387423681E-07	-2.140049981E-07
C_{13 - 15}	-2.624390743E-07	-1.155402838E-06	5.256645482E-09
C_{16 - 18}	1.507180023E-08	2.590824277E-08	-9.019395714E-09
C_{19 - 21}	8.408280778E-09	-9.933576982E-09	1.024137839E-10
C_{22 - 24}	8.699296183E-11	3.577829179E-10	-2.664015377E-10
C_{25 - 27}	-1.672652883E-10	1.189377902E-10	5.791978628E-11

Fläche 2_h:

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	-100.942861	1/ρ_y =	-98.378083
C_{1 - 3}	-9.161670241E-03	-8.788093654E-02	1.408964249E-03
C_{4 - 6}	2.635200694E-04	-8.975033724E-04	-7.969861973E-06
C_{7 - 9}	1.533812116E-05	6.184418241E-05	-6.612799354E-06
C_10-12	1.204845982E-06	-1.699698381E-07	7.087299744E-07
C_{13 - 15}	-4.163252796E-07	1.166367085E-07	-1.912225085E-08
C_{16 - 18}	1.977850174E-09	-8.419477563E-09	-1.643242739E-08
C_{19 - 21}	-1.525863528E-08	-9.707951413E-09	2.251616020E-10
C_{22 - 24}	1.032924328E-10	2.605738887E-10	6.669331923E-11
C_{25 - 27}	-7.352489548E-13	9.986952257E-12	1.275821826E-10

Fläche 3_h:

K_X =	0.000000000E+00	K_Y =	0.000000000E+00
1/ρ_x =	-626.781667	1/ρ_y =	-553.072593
C_{1 - 3}	9.589635860E-04	-2.793454122E-02	2. 543402884E-03
C_{4 -6}	5.603206875E-04	5.231844352E-03	-7.749139943E-05
C_{7 - 9}	-1.274965695E-04	-1.490895306E-04	-8.223942953E-05
C_{10 -} ₁₂	-7.767776527E-08	8.031767435E-07	2.666657937E-06
C_{13 - 15}	1.243910582E-07	4.703770967E-07	2.285599114E-08
C_{16 - 18}	2.782537511E-08	1.728369546E-08	-4.077973829E-08
C_{19 - 21}	2. 806803694E-08	-1.355578289E-08	-3.765213129E-10
C_{22 - 24}	-1.470696533E-10	-1.629135913E-09	1.752264004E-10
C_{25 - 27}	3.089575802E-10	1.268262112E-09	-3.185215617E-10

Hierzu zeigt die 4a den (idealisierten) Beleuchtungsstrahlengang der dritten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form dreier Freiformflächen und einer Sphäre ausgebildet sind. Die Verwendung sphärischer und insbesondere einer rotationssymmetrischen, sphärischen Systemflächen erleichtert die Herstellung der refraktiven, optischen Elemente wesentlich.
Auch hier werden die Beleuchtungsstrahlen 1 in Form einer Ringbeleuchtung ausgehend von der (nicht dargestellten) Beleuchtungsquelle über zwei refraktive, optische Elemente 2 und 3 in die Augen-Pupillenebene 9 fokussiert. An den optischen Systemflächen 2_v und 2_h sowie 3_v und 3_h entstehende (nicht dargestellte) Einfachreflexe 6 der Beleuchtungsstrahlen 1 für die Beobachtung sollen ebenfalls ausgeblendet werden. Zu diesem Zweck sind die Systemflächen der zwei refraktiven, annähernd keilförmig ausgebildeten und um einen beliebigen Azimutwinkel von mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordneten, optischen Elemente 2 und 3 mit Ausnahme der vorderen Systemfläche 3_v des zweiten refraktiven, optischen Elementes 3, die eine Asphäre darstellt, als Freiformfläche ausgebildet.
Die 4b zeigt den entsprechenden Beobachtungsstrahlengang der dritten erfindungsgemäßen Abbildungsoptik mit zwei refraktiven, optischen Elementen, deren Systemflächen in Form dreier Freiformflächen und einer Sphäre ausgebildet sind sowie ein durch eine Ersatzbrennweite idealisiertes Auge.
Das Bild der Retina 10 wird über die zwei refraktive, optische Elemente 2 und 3 in die Aperturblende 11 abgebildet, wobei in der Ebene 12 ein Zwischenbild der Retina erzeugt wird. Durch die erfindungsgemäß ausgestalteten optischen Systemflächen 2_v und 2_h sowie 3_v und 3_h werden entstehende (nicht dargestellten) Einfachreflexe der Beleuchtungsstrahlen für die Beobachtung ausgeblendet, so dass diese nicht die Aperturblende 11 treffen.
Die mit dieser Lösung erreichbaren Verzeichniswerte liegen im Gegensatz zu den Lösungen des Standes der Technik und den zuvor beschriebenen Lösungen für einen Feldwinkel bis zu 30° bei weniger als 1,2 % und für den vollen Feldwinkel von 48° bei weniger als 1,5 %.
Dazu zeigt die 4c das bei dieser Lösung auf der Retina entstehende Verzeichnungsgitter der Abbildungsoptik in Gegenüberstellung zu dem Verzeichnisgitter der aus dem Stand der Technik bekannten Abbildungsoptik, gemäß DE 103 16 416 A1 .
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen zwei und drei wurden drei der vier optischen Systemflächen als Freiformflächen ausgebildet, mit Abweichung in der Pfeilhöhe zu best angepassten rotationssymmetrischen Asphären von +/- 0,4 mm bis +/- 1,6 mm. Die 4d zeigt dazu die Darstellung der Pfeilhöhenabweichung der auf der vorderen Systemfläche 2_v des ersten refraktiven, optischen Elementes 2 ausgebildeten Freiformfläche bezüglich einer angefitteten, rotationssymmetrischen Asphäre. Diese starken Abweichungen von der Rotationssymmetrie verdeutlicht die Notwendigkeit von Freiformflächen bei der erfindungsgemäßen Reflexionsfreie Abbildungsoptik.
Das hier vorgeschlagene und beschriebene dritte Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch Reflexfreiheit im interessierenden Gebiet, extrem geringe Verzeichnung, einen großen freien Arbeitsabstand und nur zwei, vergleichsweise kleine und kostengünstig herzustellende refraktive, optische Elemente aus, wobei eine optische Funktionsfläche als Sphäre ausgebildet ist, was sich günstig für die Herstellung dieses Elementes auswirkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht das reflexionsfreie Abbildungsoptik aus drei refraktiven, optischen Elementen, die annähernd keilförmig ausgebildet und um einen beliebigen Azimutwinkel von mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordnet sind, um an den optischen Systemflächen entstehende Einfachreflexe für die Beobachtung auszublenden.
Für die Kontrolle der Verzeichnung und der Symmetrisierung der monochromatischen Abbildungsfehler, welche anderenfalls durch die Schrägstellung der Systemflächen und Elementen, die Keilform der Linsen und die gegebenenfalls annähernd torische Wirkung von Systemflächen sehr unsymmetrisch ausfallen, ist es bei dieser Ausgestaltungsvariante ausreichend, dass mindestens eine der optischen Systemflächen der annähernd keilförmig ausgebildeten und verkippt im Strahlengang angeordneten drei refraktiven, optischen Elemente als Freiformflächen ausgebildet ist. Die restlichen optischen Systemflächen können dabei eine asphärische, torische oder auch eine sphärische Form aufweisen.
Durch die Verwendung sphärischer Systemflächen statt rotationssymmetrischer Asphären kann die Herstellung der refraktiven, optischen Elemente wesentlich erleichtert werden.
Ausführungsformen mit genau drei refraktiven, optischen Elementen haben den Vorteil, dass durch die Anwendung von Freiformflächen immer noch kompaktere und leichtere Ausführungen realisierbar sind, als die nach dem Stand der Technik, bekannten Lösungen. Im Vergleich zu Ausführungsformen mit nur zwei refraktiven, optischen Elementen sind sogar noch verbesserte Korrektionen, insbesondere von Farbfehlern möglich.
In einer letzten besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Herstellung der refraktiven, optischen Elemente unabhängig von der Form deren Systemflächen im Spritzguss-Verfahren aus einem Polymerwerkstoff.
Dadurch würde sich zum einen die Herstellung der Gesamtanordnung vereinfachen und die durch die wesentliche Gewichtsreduzierung die Anforderungen an die Fassung und Halterung und Justierung verringern.
Vorteilhafter Weise könnten hierbei zur Korrektur der entstehenden Farblängs- und Farbquerfehler sogenannte EA-DOEs (Effizienz achromatisierte diffraktive optischen Elemente) zum Einsatz kommen.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzielbaren vorteilhaften technischen Wirkungen sind hauptsächlich zu sehen in:

• der Verhinderung von Falschlicht durch Einfachreflexe an optischen Grenzflächen von durch Beleuchtung und Beobachtung gemeinsam genutzten optischen Elementen,
• der Gewahrleistung kompakter und leichter Bauteile,
• der Vermeidung einer aufwendigen Mechanik und Software für scannende Systeme und
• der Vermeidung einer aufwendigen, kostenintensiven Herstellung und Justage von Spiegelelementen mit Flächenformen, welche die Rotationssymmetrie brechen.

Der Einsatz von Freiformflächen ermöglicht in erster Linie die Kontrolle der Verzeichnung und der Symmetrisierung der monochromatischen Abbildungsfehler, welche anderenfalls durch die Schrägstellung von Systemflächen und optischen Elementen, die Keilform der Linsen und die gegebenenfalls annähernd torische Wirkung von Systemflächen sehr unsymmetrisch ausfallen.
Durch die ausschließliche Verwendung refraktiver, optischer Elemente wird die Toleranzempfindlichkeit bezüglich Oberflächenanforderungen und Lage deutlich geringer. Außerdem wird die Baugröße der Elemente drastisch reduziert. Dadurch kann ein System, im Vergleich zu einer Lösung mit reflexiven Elementen, mit weniger Aufwand hergesellt und justiert werden.
Der Einsatz von näherungsweise / prinzipiell torischen Flächen hat sich als förderlich erwiesen. Dadurch wird die Form der Reflexe so beeinflusst, dass eine geringere Kippung notwendig ist, um den Reflex auszuspiegeln. Das führt zu einem weniger starken Symmetriebruch mit weniger starken unsymmetrischen Aberrationen höherer Ordnung.

Claims

Reflexionsfreie Abbildungsoptik für optische Geräte, insbesondere in der Ophthalmologie, bestehend aus zwei refraktiven, optischen Elementen, die sowohl für die Beleuchtung als auch die Beobachtung Verwendung finden, wobei die zwei refraktiven, optischen Elemente (2, 3) annähernd keilförmig ausgebildet und um einen beliebigen Azimutwinkel von mindestens 5° verkippt und/oder dezentriert im Strahlengang angeordnet sind, um an den optischen Systemflächen (2_v, 2_h, 3_v, 3_h) entstehende Einfachreflexe (6) der Beleuchtung für die Beobachtung vollständig auszublenden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der optischen Systemflächen (2_v, 2_h, 3_v, 3_h) der annähernd keilförmig ausgebildeten und verkippt im Strahlengang angeordneten zwei refraktiven, optischen Elemente (2, 3) als Freiformflächen ausgebildet sind, während die restlichen optischen Systemflächen (2_v, 2_h, 3_v, 3_h) eine asphärische, torische oder auch eine sphärische Form aufweisen.
Reflexionsfreie Abbildungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Freiformflächen ausgebildeten optischen Systemflächen (2_v, 2_h, 3_v, 3_h) der annähernd keilförmig ausgebildeten und verkippt im Strahlengang angeordneten zwei refraktiven, optischen Elemente (2, 3) torische Wirkungen aufweisen.
Reflexionsfreie Abbildungsoptik nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderen Systemflächen (2_v, 3_v) beider refraktiven, optischen Elemente (2, 3) als Freiformflächen, die hintere Systemfläche (2_h) des ersten refraktiven, optischen Elementes (2) als Torus und die hintere Systemfläche (3_h) des zweiten refraktiven, optischen Elementes (3) als Sphäre ausgebildet sind und der Gesamtaufbau wie folgt beschrieben werden kann: Fläche Radius [mm] Dicke [mm] Glas Bemerkung SA = BQ 0.000000 127.023559 ZB 0.000000 33.434954 2_v 460.241355 40.000000 N-LAK8 XY-Polynom 2_h -112.724233 3.416369 Torus 3_v 67.330573 21.208847 N-LAK8 Sphäre 3_h -553.072593 49.259906 XY-Polynom P = IA 0.000000 17.000000Y Ideallinse f' = 17 mm R 0.000000

Lage der Flächen: Translation der Koordinatensysteme: Fläche X [mm] Y [mm] Z [mm] 2_v -0.015804 -0.009449 0.000000 2_h -0.176313 4.129852 0.000000 3_v -1.160058 9.969841 0.000000 3_h 0.397186 4.114025 0.000000 P = IA 0.194216 2.831227 0.000000

Rotation der Koordinatensysteme bzgl. Augenpupille (in Luft): Fläche Alpha [Grad] Beta [Grad] Gamma [Grad] 2_v -9.715970 -0.842779 0.000000 2_h -14.376718 16.307588 0.000000 3_v -9.946335 15.458494 0.000000 3_h -11.913235 2.391050 0.000000 P = IA 1.482621 -0.261571 -0.138182

Beschreibung der Flächenform Fläche 2_v, 2_h, 3_h: $\begin{array}{l} z = \frac{ρ_{x} x^{2} + ρ_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + κ_{x}) ρ_{x}^{2} x^{2} - (1 + κ_{y}) ρ_{y}^{2} y^{2}}} + c_{1} \cdot x + c_{2} \cdot y + c_{3} \cdot x^{2} + c_{4} \cdot x \cdot y \\ + c_{5} \cdot y^{2} + c_{6} \cdot x^{3} + c_{7} \cdot x^{2} \cdot y + c_{8} \cdot x \cdot y^{2} + c_{9} \cdot y^{3} + c_{10} \cdot x^{4} + c_{11} \cdot x^{3} \cdot y + \dots \end{array}$
Fläche 2_v: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = 262.029626 1/ρ_y = 460.241355 C_{1 - 3} -8.16682913E-02 1.30744652E-02 3.41935416E-03 C_{4 -6} -7.06926243E-04 2.79954523E-03 -7.24668714E-05 C_{7 - 9} -7.13866226E-05 -8.22329726E-05 -7.79315372E-05 C_{10 - 12} -3.21596886E-07 1.76630879E-07 -5.03015616E-07 C_{13 - 15} -2.78639559E-07 -1.02664121E-06 8.17043798E-09 C_{16 - 18} 1.47741005E-08 2.45319524E-08 -6.39279788E-09 C_{19 - 21} 7.16686190E-09 -2.93771547E-09 2.40054911E-11 C_{22 - 24} 3.80865136E-12 3.12139213E-10 -2.66011419E-10 C_{25 - 27} -2.10800584E-10 8.11033757E-11 1.06969528E-11

Fläche 2_h: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = -192.389983 1/ρ_y = -112.724233 C₁ _- ₂₇ 0.000000000E-00

Fläche 3_h: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = -626.781667 1/ρ_y = -553.072593 C_{1 - 3} 1.46571567E-02 -4.19559905E-02 2.47038454E-03 C_{4 -6} 1.30391601E-03 4.05033404E-03 -1.10654287E-04 C_{7 - 9} -1.18192140E-04 -1.08606641E-04 -1.01909142E-04 C_{10- 12} 9.70012347E-07 5.68458154E-07 3.06807937E-06 C_{13 - 15} -1.85585147E-07 5.49978310E-07 1.31161920E-08 C_{16 - 18} 2. 50938306E-08 2.12181386E-08 -4.80230112E-08 C_{19 - 21} -4.51844849E-09 -1.37209572E-08 -2.41037488E-10 C_{22 - 24} -9.94991837E-11 -1.48481266E-09 3.35571849E-10 C_{25 - 27} 5.06355656E-10 7.62147783E-10 3.68207235E-10

4. Reflexionsfreie Abbildungsoptik nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere und hintere Systemfläche (2_v, 2_h) des ersten refraktiven, optischen Elementes (2) und die hintere Systemfläche (3_h) des zweiten refraktiven, optischen Elementes (3) als Freiformfläche und die vordere Systemfläche (3_v) des zweiten refraktiven, optischen Elementes (3) als Asphäre ausgebildet sind und der Gesamtaufbau wie folgt beschrieben werden kann: Fläche Radius [mm] Dicke [mm] Glas Bemerkung SA = BQ 0.000000 112.723657 ZB 0.000000 26.315884 2_v 460.241355 40.000000 N-LAK8 XY-Polynom 2_h -98.378083 2.432516 XY-Polynom 3_v 69.369038 18.428907 N-LAK8 Asphäre 3_h -553.072593 45.324601 XY-Polynom P = IA 0.000000 17.000000Y Ideallinse f' = 17 mm R 0.000000

Lage der Flächen: Translation der Koordinatensysteme: Fläche X [mm] Y [mm] Z [mm] 2_v 0.008249 -0.004878 0.000000 2_h -3.632256 4.940808 0.000000 3_v -7.513007 12.906752 0.000000 3_h -6.767967 10.354774 0.000000 P = IA -15.095604 20.046330 0.000000

Rotation der Koordinatensysteme bzgl. Augenpupille (in Luft): Fläche Alpha [Grad] Beta [Grad] Gamma [Grad] 2_v -16.627633 -12.552204 0.000000 2_h -2.975360 9.652402 0.000000 3_v -18.533878 9.595629 0.000000 3_h -17.902422 1.472894 0.000000 P = IA -12.055657 -10.186383 -1.343352

Beschreibung der Flächenform Flache 2_v, 2_h, 3_h : $\begin{array}{l} z = \frac{ρ_{x} x^{2} + ρ_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + κ_{x}) ρ_{x}^{2} x^{2} - (1 + κ_{y}) ρ_{y}^{2} y^{2}}} + c_{1} \cdot x + c_{2} \cdot y + c_{3} \cdot x^{2} + c_{4} \cdot x \cdot y \\ + c_{5} \cdot y^{2} + c_{6} \cdot x^{3} + c_{7} \cdot x^{2} \cdot y + c_{8} \cdot x \cdot y^{2} + c_{9} \cdot y^{3} + c_{10} \cdot x^{4} + c_{11} \cdot x^{3} \cdot y + \dots \end{array}$
Fläche 2_v: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = 262.029626 1/ρ_y = 460.241355 C_{1 - 3} -1.076219235E-02 -1.939046941E-03 1.997905625E-03 C_{4 - 6} 1.746907059E-03 2.461118134E-03 -6.571983437E-05 C_{7 - 9} -9.883077652E-06 -5.445029935E-05 -1.632332880E-05 C_{10 - 12} -3.984223970E-07 6.025247976E-07 -3.447675743E-07 C_{13 - 15} 6.588778570E-08 -9.912377449E-07 6.020462360E-09 C_{16 - 18} -1.953270172E-10 7.786357428E-09 -1.948376196E-09 C_{19 - 21} 7.040827309E-09 -8.579730212E-09 1.890823354E-10 C_{22 - 24} 1.545069767E-11 -3.939617920E-11 -1.872836301E-10 C_{25 - 27} -1.433811680E-10 -3.180424756E-10 5.075901345E-11

Fläche 2_h: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = -100.942861 1/ρ_y = -98.378083 C_{1 - 3} 5.282970718E-03 -2.390734163E-02 9.280180593E-04 C_{4 -6} 7.885552729E-04 -1.715965007E-03 2.046197629E-05 C_{7 - 9} 1.927024556E-05 8.531615103E-05 -1.605061381E-05 C_{10 - 12} 5.617458102E-07 3.689124959E-07 7.443694101E-07 C_{13 - 15} -5.994160512E-07 2.282951119E-07 -5.812076272E-09 C_{16 - 18} -1.723649589E-09 -8.769239055E-09 -9.773820261E-10 C_{19 - 21} -4.698271820E-09 -1.704652063E-09 1.317751719E-10 C_{22 - 24} 2.089880410E-10 3.761425386E-10 1.878879381E-10 C_{25 - 27} -7.245340147E-11 -9.975912395E-11 -9.207989014E-11

Fläche 3_h: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = -626.781667 1/ρ_y = -553.072593 C_{1 - 3} 2.487303401E-02 -6.337149712E-02 5.842772050E-04 C_{4 - 6} 3.650951912E-04 3.800070084E-03 -6.340939346E-05 C_{7 - 9} -4.948991848E-05 -1.560159975E-04 -2.586127402E-05 C_{10 - 12} 9.681634924E-07 9.072631039E-07 1.675755763E-06 C_{13 - 15} 9. 789720502E-07 5.079850594E-07 9.057671419E-09 C_{16 - 18} -5.038663621E-09 -6.726531096E-10 -2.375679687E-08 C_{19 - 21} -3.868956663E-09 -1.420798036E-08 -4.135849189E-10 C_{22 - 24} -7.758610476E-11 -1.701714743E-09 -1.760333486E-11 C_{25 - 27} -5.742161539E-10 -1.914559861E-11 -3.980153064E-10

Beschreibung der Flächenform Fläche 3_v: $z = \frac{ρ h^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + κ) ρ^{2} h^{2}}} + \sum_{k = 1} c_{k} h^{2 k + 2}$
K = 8.835330521E-02 1/ρ = 69.369038 c_1–3 0.000000000E-00 0.000000000E-00 0.000000000E-00

5. Reflexionsfreie Abbildungsoptik nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere und hintere Systemfläche (2_v, 2_h) des ersten refraktiven, optischen Elementes (2) und die hintere Systemfläche (3_h) des zweiten refraktiven, optischen Elementes (3) als Freiformfläche und die vordere Systemfläche (3_v) des zweiten refraktiven, optischen Elementes (3) als Sphäre ausgebildet sind und der Gesamtaufbau wie folgt beschrieben werden kann: Fläche Radius [mm] Dicke [mm] Glas Bemerkung SA = BQ 0.000000 123.394223 ZB 0.000000 36.178305 2_v 460.241355 39.210908 N-LAK8 XY-Polynom 2_h -98.378083 2.041868 XY-Polynom 3_v 69.665916 17.941242 N-LAK8 3_h -553.072593 50.945958 XY-Polynom P = IA 0.000000 17.000000Y Ideallinse f' = 17 mm R 0.000000

Lage der Flächen: Translation der Koordinatensysteme: Fläche X [mm] Y [mm] Z [mm] 2_v -0.011617 -0.016130 0.000000 2_h 0.974295 3.470584 0.000000 3_v -3.363366 10.952433 0.000000 3_h 0.658348 5.474388 0.000000 P = IA -0.182751 9.037957 0.000000

Rotation der Koordinatensysteme bzgl. Augenpupille (in Luft): Fläche Alpha [Grad] Beta [Grad] Gamma [Grad] 2_v -11.950087 -1.103246 0.000000 2_h -7.561127 12.292050 0.000000 3_v -10.640443 13.236519 0.000000 3_h -9.340704 1.838853 0.000000 P = IA -3.992984 -0.936974 0.033760

Beschreibung der Flächenform Fläche 2_v, 2_h, 3_h: $\begin{array}{l} z = \frac{ρ_{x} x^{2} + ρ_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + κ_{x}) ρ_{x}^{2} x^{2} - (1 + κ_{y}) ρ_{y}^{2} y^{2}}} + c_{1} \cdot x + c_{2} \cdot y + c_{3} \cdot x^{2} + c_{4} \cdot x \cdot y \\ + c_{5} \cdot y^{2} + c_{6} \cdot x^{3} + c_{7} \cdot x^{2} \cdot y + c_{8} \cdot x \cdot y^{2} + c_{9} \cdot y^{3} + c_{10} \cdot x^{4} + c_{11} \cdot x^{3} \cdot y + \dots \end{array}$
Fläche 2_v: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = 262.029626 1/ρ_y = 460.241355 C_{1 - 3} -7.816294472E-02 -6.769775549E-04 3.512000519E-03 C_{4 -6} -1.933397623E-04 3.323904852E-03 -7.073432239E-05 C_{7 - 9} -5.175690025E-05 -4.246655458E-05 -5.977805266E-05 C_{10 - 12} 1.661105408E-07 2.387423681E-07 -2.140049981E-07 C_{13 - 15} -2.624390743E-07 -1.155402838E-06 5.256645482E-09 C_{16 - 18} 1.507180023E-08 2.590824277E-08 -9.019395714E-09 C_{19 - 21} 8.408280778E-09 -9.933576982E-09 1.024137839E-10 C_{22 - 24} 8.699296183E-11 3.577829179E-10 -2.664015377E-10 C_{25 - 27} -1.672652883E-10 1.189377902E-10 5.791978628E-11

Fläche 2_h: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = -100.942861 1/ρ_y = -98.378083 C_{1 - 3} -9.161670241E-03 -8.788093654E-02 1.408964249E-03 C_{4 -6} 2.635200694E-04 -8.975033724E-04 -7.969861973E-06 C_{7 - 9} 1.533812116E-05 6.184418241E-05 -6.612799354E-06 C_{10 - 12} 1.204845982E-06 -1.699698381E-07 7. 087299744E-07 C_{13 - 15} -4.163252796E-07 1.166367085E-07 -1.912225085E-08 C_{16 - 18} 1.977850174E-09 -8.419477563E-09 -1.643242739E-08 C_{19 - 21} -1.525863528E-08 -9.707951413E-09 2.251616020E-10 C_{22 - 24} 1.032924328E-10 2.605738887E-10 6.669331923E-11 C_{25 - 27} -7.352489548E-13 9.986952257E-12 1.275821826E-10

Fläche 3_h: K_X = 0.000000000E+00 K_Y = 0.000000000E+00 1/ρ_x = -626.781667 1/ρ_y = -553.072593 C_{1 - 3} 9.589635860E-04 -2.793454122E-02 2.543402884E-03 C_{4 -6} 5.603206875E-04 5.231844352E-03 -7.749139943E-05 C_{7 - 9} -1.274965695E-04 -1.490895306E-04 -8.223942953E-05 C_{10 - 12} -7.767776527E-08 8.031767435E-07 2.666657937E-06 C₁₃ _-15 1.243910582E-07 4.703770967E-07 2.285599114E-08 C_{16 - 18} 2.782537511E-08 1.728369546E-08 -4.077973829E-08 C_{19 - 21} 2.806803694E-08 -1.355578289E-08 -3.765213129E-10 C_{22 - 24} -1.470696533E-10 -1.629135913E-09 1.752264004E-10 C_{25 - 27} 3.089575802E-10 1.268262112E-09 -3.185215617E-10