-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur simultanen Erfassung und Quantifizierung von Aberrationen verschiedener Ordnungen sowie von Streulichtkenngrößen eines optischen Abbildungs- bzw. Projektionssystems, z. B. eines Auges. Ein bevorzugter Anwendungszweck ist die parallele oder sequentielle Bestimmung von Aberrationen und Streulicht eines dementsprechenden Systems in einem integrierten Aufbau.
-
Als Aberrationen sollen hier die regulären Abbildungsfehler (Chromatische Aberration, Sphärische Aberration, etc.) bezeichnet werden, während das Streulicht die Gesamtheit der irregulären Abbildungsfehler (irreguläre Reflexionen, Volumenstreuung, etc.) beschreibt. Die Abbildungsqualität eines optischen Systems wird nun maßgeblich durch den Einfluss dieser beiden Phänomene bestimmt. Zu ihrer Quantifizierung existieren eine Reihe von Lösungsansätzen. Insbesondere die Erfassung der Aberrationen mit Hilfe der Wellenfrontanalyse findet breite Anwendung in der optischen Messtechnik und mittlerweile auch speziell in der Ophthalmologie. Ein Gerät zur Bestimmung von Aberrationen des Auges ist bekannt und basiert auf einer dem Fachmann bekannten Einrichtung zur Wellenfrontanalyse mittels eines Hartmann-Shack-Sensors (LIANG ET AL., 1994). Das Grundprinzip dieser Methode zur Wellenfrontanalyse ist in Platt, B. C.; Shack, R.: History and principles of Shack-Hartmann wavefront sensing. In: Journal of Refractive Surgery (Thorofare, N. J.: 1995) vol. 17 (2001), Nr. 5, pp S573–577. – PMID: 11583233 erklärt: Eine punktförmige Lichtquelle im Fokus des Testobjektes sendet näherungsweise eine Kugelwelle aus, welche vom optischen Apparat gebrochen wird. Für den Fall eines aberrationsfreien Testobjektes entsteht dabei eine ebene Welle. Aberrationen dagegen führen zu Verzerrungen der ebenen Welle. Mittels eines geeigneten optischen Übertragungssystems wird die Wellenfront auf ein Linsenarray geführt, in dessen Brennebene, die wiederum eine konjugierte Ebene zur Ebene der Punktquelle bildet, sich ein geeigneter räumlicher Lichtdetektor befindet. Dadurch wird eine vielfache Abbildung der Punktlichtquelle über die Subaperturen eines Lenslet-Arrays erreicht, welche der Punktantwort (Point Spread Function, PSF) des Testobjektes entspricht. Die Abweichung der Position der einzelnen PSFs von der optischen Achse der jeweiligen Subapertur ist abhängig von der Steigung der Wellenfront innerhalb der Subapertur. Damit ist es möglich, die gesamte Wellenfront entsprechend der Abtastung über die Subaperturen zu rekonstruieren.
-
Im Falle der Anordnung und Verfahren von LIANG, J.; GRIMM, B.; GOELZ, S.; BILLE, J. F.: Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor. In: Journal of the Optical Society of America. A, Optics, Image Science, and Vision vol. 11 (1994), Nr. 7, pp 1949–1957. – PMID: 8071736 für Testobjekte vom Typ Auge wird ein kollimierter auf das Auge gerichteter Beleuchtungsstrahl durch den optischen Apparat auf die lichtempfindliche Fläche respektive Netzhaut fokussiert. Der resultierende Lichtpunkt dient als Sekundärlichtquelle für die eigentliche Messmethode.
-
Für eine möglichst genaue Positionsbestimmung der PSFs ist eine effektive Unterdrückung des Streulichtes wünschenswert. Dies wird üblicherweise durch eine fixe Konfokalblende im optischen Übertragungssystem realisiert. Der Grad der Streulichtunterdrückung, bestimmt durch den Durchmesser besagter Konfokalblende, wird dabei begrenzt durch den erwarteten Durchmesser sowie die erwartete Verschiebung der PSF am Ort der Konfokalblende.
-
In der Regel wird das Bild auf dem Hartmann-Shack-Sensor eine Superposition der Anteile von Aberration und Streulicht beinhalten. Mit geeigneten Verfahren ist es möglich, diese beiden Anteile zu separieren. Ein Verfahren zur Trennung von PSF und Streulicht wird in der
US 6,905,210 B2 beschrieben. Jedoch existieren für dessen reale Anwendung eine Reihe von Einschränkungen. So verlangt das Prinzip eine möglichst genaue Rekonstruktion der Wellenfront innerhalb der einzelnen Subaperturen, was aufgrund der Abtastung der Wellenfront durch das Linsenarray nur bedingt möglich ist. Damit ergibt sich, insbesondere beim Vorhandensein von Aberrationen höherer Ordnung, ein nicht korrigierbarer Fehler, welcher direkt in die Berechnung des Streulichtanteils eingeht.
-
Daneben bietet ein aus der
FR 2 902 306 B1 bekanntes Gerät eine gerätetechnische Lösung zur Trennung von Streulichtanteilen mit verschiedenen Abstrahlwinkeln. Am Ort der Konfokalblende wird mittels eines Spiegels definierter Größe eine Separierung der Streulichtanteile entsprechend vorgegebener Abstrahlwinkel realisiert. Dieses Gerät benötigt ausdrücklich 2 Detektorpfade für eine ausschließlich parallele Separierung, wobei ein Pfad einen Hartmann-Shack-Sensor enthält, der die Punktquelle abbildet, der andere einen CCD-Sensor, welcher die Pupillenebene (Streulichtebene) abbildet. Nachteilig wirkt sich hier vor allem die starre Konfiguration aus, die nur ein festes Verhältnis von kleinem und großem Abstrahlwinkel erlaubt. Außerdem gestaltet sich die Realisierung des Spiegels problematisch, da dieser idealerweise unendlich dünn sein muss und ohne Beschränkung des Strahlenganges gehaltert werden muss.
-
Ebenso ist aus der
DE 20 2006 020 039 U1 eine variable Blende einer Beleuchtungseinrichtung innerhalb eines optischen Beobachtungsgerätes bekannt, welche der Erzeugung einer bestimmten Beleuchtungsgeometrie und/oder Position dient. Mit dieser Erfindung soll in erster Linie der zu Therapierende und/oder das zu untersuchende Auge vor Strahlung geschützt werden. Dabei wird die Beleuchtung spatial und/oder temporal entsprechend der Augenbewegungen des zu Untersuchenden moduliert, wobei die variable Blende mit einem Messsystem gesteuert wird. Mit dieser variablen Blende gelingt es jedoch nicht, den Beobachtungsstrahlengang weder spatial noch sequenziell aufzuspalten, so dass die Streulichtanteile eines Zwischenbildes der PSF des Auges von den Aberrationsanteilen getrennt werden können. Mit der in der
DE 20 2006 020 039 U1 beschriebenen Blende werden also keine Teilpfade gebildet, die zeitgleich oder sequentiell hinsichtlich ihrer Intensitätsverteilung ausgewertet werden können.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, mit denen Aberrationen verschiedener Ordnungen sowie Streulichtkenngrößen eines optischen Abbildungs- bzw. Projektionssystems simultan erfasst, separiert und quantifiziert werden können.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch die Merkmale des ersten Patentanspruches und verfahrensseitig durch die Merkmale des achten und zehnten Patentanspruches gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Patentansprüchen zwei bis sieben angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Problemlösung beinhaltet die Einführung einer oder mehrerer programmierbarer Blenden, welche mittels geeigneter Ansteuerverfahren verschiedene Funktionen, wie die Verbesserung der Detektionsgenauigkeit für die Aberrometrie, die ortsaufgelöste Quantifizierung der Streulichtintensität und des Streuwinkels in der Linse und die Realisierung verschiedener simultaner Strahlkonfigurationen für die parallele Erfassung mehrerer Kenngrößen, erfüllen können. Ein möglicher Einsatzzweck ist die Ophthalmologie, prinzipiell kann aber jedes optische System mit einer physisch vorhandenen Projektionsebene oder mit einer mechanisch zugänglichen Projektionsebene untersucht werden.
-
Die Hauptkomponenten dafür sind eine Punktlichtquelle, welche alternativ durch Fokussierung eines kollimierten Beleuchtungsstrahls durch das zu vermessende optische System auf eine geeignete Projektionsfläche realisiert werden kann, und ein optisches Übertragungssystem für die Auswertung. Wesentliche Bestandteile des optischen Übertragungssystems sind: ein reflektives oder transmissives strukturierbares Element (programmierbare Blende) in einer zur Punktlichtquelle konjugierten Ebene; danach, optional in Abhängigkeit vom verwendeten strukturierbaren Element, ein Strahlteiler; danach ein Wellenfrontsensor, beispielsweise von Typ Hartmann-Shack dessen Detektorfläche konjugiert zur Ebene der Punktlichtquelle liegt; ein Flächendetektor der konjugiert zur Ebene der zu quantifizierenden Streulichtquelle liegt (vorzugsweise in der Pupillenebene des Messobjektes) sowie ein Linsensystem zur Realisierung der Abbildung der jeweiligen Ebenen.
-
Ein erstes Element, vorzugsweise realisiert durch eine Linse, oder eine Linsenkombination, des optischen Übertragungssystems dient zur Fokussierung der Wellenfront, welche das Messobjekt verlässt, auf das strukturierbare Element. Der Abstand zwischen der Hauptebene des Messobjektes und der Hauptebene der ersten Linse des optischen Übertragungssystems soll vorzugsweise der Brennweite der ersten Linse des optischen Übertragungssystems entsprechen. Damit wirkt das strukturierbare Element als Feldblende für eine Abbildung der Punktlichtquelle und gleichzeitig als Aperturblende für eine Abbildung von Streuzentren im zu untersuchenden Messobjekt.
-
Die finale Abbildung der Punktlichtquelle erfolgt auf dem Wellenfrontsensor, während die finale Abbildung der Streuzentren wahlweise auf einem Flächendetektor oder auf die Linsenmatrix eines Wellenfrontsensors erfolgen kann. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können die genannten Linsen auch durch geeignete Linsen- oder Spiegelsysteme substituiert werden.
-
Eine wesentliche Neuerung der vorgestellten Erfindung besteht in der Nutzung einer programmierbaren Blende in Form eines strukturierbaren Elementes. Dies ermöglicht eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik: Für die Wellenfrontanalyse kann durch die variable Konfokalblende eine verbesserte Detektionsgenauigkeit erreicht werden indem eine optimale Anpassung von Position und Größe der Blendenöffnung für eine optimale Abbildung der Punktlichtquelle bei maximaler Unterdrückung von Streulichtanteilen sorgt. Die jeweils optimale Struktur kann durch Auswertung der Daten des Wellenfrontsensors erfolgen oder durch einen zusätzlichen flächenhaften Detektor im Auswertestrahlengang, welcher sich in einer zur Punktlichtquelle konjugierten Ebene befindet.
-
Für die Streulichtanalyse wird der Vorzug der variablen Konfokalblende wirksam als Möglichkeit, verschiedene Abstrahlwinkel der Streulichtquellen zu untersuchen. Im Falle der Realisierung der variablen Konfokalblende mit Hilfe eines reflektiven strukturierbaren Elements auf Basis eines Miniatur-Kippspiegel-Arrays ergibt sich ein weiterer Vorteil. Der Auswertestrahlengang kann durch den Einsatz eines solchen Elements in zwei komplementäre Strahlengänge aufgeteilt werden, wodurch die parallele Auswertung von Streulicht und Aberrationen ermöglicht wird. Die beim Einsatz von Kippspiegel-Arrays induzierte Verzerrung kann bei Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung auf Sensor-Seite kompensiert werden, oder, bei ausreichender Schärfentiefe numerisch kompensiert werden. Die örtliche Auflösung bei der Erfassung der Wellenfront leitet sich wie allgemein bekannt aus der Konfiguration des Linsenarrays ab. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können, abhängig von der konkreten Ausführung, alle weiteren dem Fachmann bekannten vorteilhaften Anwendungen von variablen Blendenelementen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt werden.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:
-
1 – ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem reflektiven strukturierbaren Element
-
2 – die Abbildung einer Lichtquelle und eines Streuzentrums auf einem Hartmann-Shack-Sensor
-
3 – eine ideale (a) und eine reale (b) Überlagerung einer Punktbildantwort und eines Streulichtbündels
-
4 – die prinzipielle Darstellung des Verfahrens zur Detektion des Streulichtes mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
-
5 – die prinzipielle Darstellung der Streulichtseparierung durch Modulation des Blendendurchmessers
-
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel A1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bistabilen reflektiven strukturierbaren Element (rSE). Dargestellt sind eine Sekundärlichtquelle (Q2), eine Lichtquelle (Q), der Teilstrahlengang Lichtquelle (TS Q), ein teildurchlässiger Spiegel (S1), ein Streuzentrum (ZS), eine Linse (L1), ein programmierbares Spiegelsystem (PS) als reflektives strukturierbares Element, der Auswerte-Teilstrahlengang A (TS A), eine Linse (L2), ein Lenslet-Array (LA), eine Detektoreinheit A (DET A), der Auswerte-Teilstrahlengang B (TS B), eine Linse (L3), eine Detektoreinheit B (DET B). Die gefüllten Bereiche am programmierbaren Spiegelsystem (PS) deuten die verschiedenen Auslenkungen der Teilstrahlenbündel an – schwarz: nach TS A; schraffiert: nach TS B.
-
Die Verbesserung gegenüber der aus der
FR 2 902 306 B1 bekannten Ausführung besteht in der Einführung eines beliebig strukturierbaren Elementes (SE) zur Separation der Detektorstrahlengänge. Das reflektive strukturierbare Element (rSE) dient zur kontrollierten Separierung der Anteile für die Auswertestrahlengänge TS A und TS B. Realisiert werden kann es beispielsweise durch ein sogenanntes ”Digital Mirror Device” (DMD). Dieses programmierbare Spiegelsystem (PS) besteht aus einer Matrix von bistabil kippbaren Spiegelelementen, wodurch einzelne Segmente in der Fundus-konjugierten Ebene exklusiv entweder dem Auswertestrahlengang TS A oder TS B zugeordnet werden können. Die Strukturen für die Feldblende im Auswertestrahlengang TS A und die Aperturblende im Auswertestrahlengang TS B sind also immer komplementär. Dadurch wird das Gesamtstrahlenbündel in jeweils komplementäre Teilstrahlenbündel aufgeteilt.
-
Die einzelnen Kippspiegel des programmierbaren Spiegelsystems (PS) sind im gezeigten Ausführungsbeispiel so ausgerichtet, dass die Spiegel im zentralen Bereich (schwarz) den Strahlungsfluss in den Auswertestrahlengang TS A und die Spiegel im peripheren Bereich (schraffiert) den Strahlungsfluss in den Auswertestrahlengang TS B reflektieren.
-
Die beispielhafte Ausführung A1 in 1 bezieht sich auf eine Anordnung mit einem Hartmann-Shack-Sensor (DET A) im Teilstrahlengang A (TS A), dessen flächenhafter Sensor konjugiert zur Sekundärlichtquelle (Q2) liegt, und mit einem flächenhaftem Sensor (DET B) im Teilstrahlengang B (TS B), welcher konjugiert zum Streuzentrum (ZS) liegt. Dadurch lässt sich z. B. auf dem Hartmann-Shack-Sensor (DET A) die Aberrationsmessung und gleichzeitig auf dem flächenhaftem Sensor (DET B) die Streulichtquantifizierung realisieren. Die Variation des Verhältnisses von peripherem und zentralem Bereich durch Änderung der Spiegelkonfiguration führt dabei zur Erfassung von unterschiedlichen Abstrahlwinkeln der Streuquellen.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführung A2 sind in den Auswertestrahlengängen TS A und TS B identische Sensoren vom Hartmann-Shack-Typ vorgesehen. Dadurch wird es möglich, simultan erfasste Komplementärbilder auszuwerten. Im Auswertestrahlengang TS A können Aberrationen und im Auswertestrahlengang TS B kann Streulicht quantifiziert werden.
-
Alle bisher aufgeführten beispielhaften Ausführungen besitzen den Vorteil, dass durch die variable Blendengestaltung eine optimale Balance zwischen SNR und Dynamikumfang für die Aberrationsmessungen mit dem Hartmann-Shack-Sensor erreicht werden kann.
-
In einer dritten Ausführung A3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Separierung der Teilstrahlengänge TS A und TS B nicht durch das strukturierbare Element (SE) selber, sondern danach (z. B. mittels Strahlteilerwürfel). Dabei wirkt das strukturierbare Element (SE) weiterhin als Feldblende für Teilstrahlengang TS A und als Aperturblende im Teilstrahlengang TS B, in dieser Ausführung jedoch nicht mehr komplementär. Werden verschieden strukturierte Blenden in beiden Strahlengängen gefordert, können diese sequenziell realisiert werden.
-
In einer vierten Ausführung A4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird lediglich ein einziger Auswertestrahlengang benötigt. In ihm ist ein Hartmann-Shack-Sensor vorgesehen. Die verschiedenen Blendenkonfigurationen werden sequenziell realisiert.
-
Es liegt weiterhin im Bereich der vorliegenden Erfindung, dass anstatt eines beliebig strukturierbaren Elements (SE) eine steuerbare Irisblende, ein schaltbares Blendenelement mit einer festen Anzahl verschiedener Öffnungen oder ein schaltbares Spiegelelement mit einer festen Anzahl verschiedener Beschichtungsmuster verwendet werden kann.
-
In 2 sind die prinzipiellen Abbildungsverhältnisse für die Testlichtquelle (Q) und ein streuendes Objekt (ST) dargestellt. Die punktförmige Testlichtquelle (Q) wird über das zu testende System (ST), das Übertragungssystem (ÜS), bestehend aus einer oder mehreren Linsen und einem strukturierbaren Element (beispielhaft L1, SE, L2), auf den Hartmann-Shack-Sensor, bestehend aus einem Linsenarray (LA) und einem flächenhaftem Detektor (DET) abgebildet. Das entsprechende Strahlenbündel ist mit einer durchgehenden Linie gekennzeichnet. Ein Streuzentrum (ZS) im zu testenden System (ST) wird ebenfalls über das Übertragungssystem (ÜS) in die Ebene des Linsenarrays (LA) des Hartmann-Shack-Detektors abgebildet und erreicht den flächenhaften Detektor (DET) als divergentes Strahlenbündel (gestrichelte Linie).
-
Primäres Problem bei der Streulichtermittlung ist die Trennung von Punktbildfunktion und Streulichtanteil. Im idealen Fall wird die Intensität jeder Punktbildfunktion im Übergang zur benachbarten Punktbildfunktion in einem ausreichenden Intervall kleiner als die Detektionsschwelle des verwendeten Detektors, so dass in diesem Intervall ausschließlich Anteile vorhandener Streulichtbündel detektiert werden können. In der Realität werden bei ausreichend großer Blende Anteile jeder Punktbildfunktion in die benachbarten Subaperturen reichen. Dadurch existiert an jedem Ort auf dem flächenhaften Detektor eine Überlagerung von Punktbildfunktion und Streulichtanteil. 3 zeigt die entsprechenden Verhältnisse am Hartmann-Shack-Sensor. Der schraffierte Bereich auf dem flächenhaften Detektor (DET) bezeichnet die (eindimensionale) Ausdehnung der Intensitätsverteilung des einfallenden Streulichtbündels.
-
In 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Streulichtdetektion mit einer Ausführung A2 mit abgeblendetem Zentralbereich der Punktantworten im Teilstrahlengang TS B (b) und verbleibenden Punktantworten im Teilstrahlengang TS A (a) (siehe auch 1) dargestellt. Für diese Ausführung A2 mit komplementärer Bildaufnahme kann das Streulicht wie folgt extrahiert werden. Das strukturierbare Element (SE) wird so konfiguriert, dass im Teilstrahlengang TS A in der Ebene Q2'' ein zentraler Bereich freigegeben wird, der maximal die Größe einer Subapertur des Linsenarrays (LA) erreicht. Dadurch wird im Teilstrahlengang TS B in der Ebene Q2'' jeweils der zentrale Bereich der Punktbildfunktion ausgeblendet. Diese Bereiche können zur Bestimmung des Streulichtanteils genutzt werden, welcher aus den benachbarten Subaperturen auf die abgeblendeten Bereiche gelangt. Das im Teilstrahlengang TS A aufgenommene Bild dient einerseits zur Normierung der Gesamtintensität für die Streulichtmessung und kann außerdem zur Erfassung der Aberrationen verwendet werden.
-
Für sämtliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Streulichtseparation durch die Verwendung eines programmierbaren Elements mit Ringstruktur realisiert werden. Der Innendurchmesser des Ringes blendet den zentralen Bereich der Punktbildfunktion unter der Subapertur aus, der Außendurchmesser blendet die Randbereiche der Punktbildfunktion unter den Nachbaraperturen aus. Damit gelangen in diesem Teilstrahlengang nur noch Streulichtanteile in den zentralen Bereich.
-
Weiterhin liegt es Bereich der Erfindung die Separierung des Streulichts von der Punktbildfunktion durch zeitliche Modulation des Streulichtanteils zu realisieren (siehe 5). Angestrebt wird die Modulation des Streulichtanteils bei konstanter Übertragung der Punktbildfunktion. Dazu werden mindestens 2 verschiedene Blendendurchmesser eingestellt, wodurch sich am Hartmann-Shack-Detektor unterschiedliche Divergenzwinkel für die Streulichtbündel ergeben. Unter der Bedingung, dass der minimale Blendendurchmesser nicht zur Beschneidung der detektierbaren Anteile der Punktbildfunktion führt, wird die Abbildung der Punktbildfunktion für alle anderen Durchmesser identisch sein. Eine Differenzbildung aus den Bildern mit verschiedenen Blendengrößen wird demzufolge den Streulichtanteil separieren.
