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Verfahren und Anordnung zur Messung der Teil strecken des lebenden
Auges Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der optischen Länge der Teilstrecken
des menschlichen Auges in vivo, insbesondere für die Augenheilkunde und die Augenoptik.
Unter Teiletrecken werden hier die Abstände zwischen den verschiedenen optischen
Grenzflächen des Auges verstanden.
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Für die Diagnostik von Ametropien des menschlichen Auges ist beispielsweise
die Kenntnis der optischen Länge der axialen Teilstrecke von der Hornhautvorderfläche
zur Retina wichtig. Diese Kenntnis erlaubt die zwei möglichen Ursachen von Ametropien,
nämlich falsche Brechkraft des optischen Systems des Auges und falsche Baulänge
des Augapfels, zu trennen.
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Bisher ist die Messung der Längen dieser Teil strecken nur mit Ultraschallmethoden
möglich. Ein sehr weit entwickeltes Verfahren dieser Art ist in dem Aufsatz "Neuartige
Ultraschallbiometrie in der Zeitschrift: Klin. Mbl. Augenheilk. 177 (1980) Seiten
101 bis 106 beschrieben.
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Das Ultraschallverfahren ist relativ ungenau und für den Patienten
sehr belästigend. Das Auge muß wegen der notwendigen akustischen Ankopplung von
Schallgeber und -empfänger anästhetisiert oder auch stillgelegt werden. Ferner kann
aus der akustisch bestimmten Länge nicht ohne weiteres auf die optische Länge des
Auges geschlossen werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist daher insbesondere darin zu erblicken,
gegenüber dem Stand der Technik ein für den Patienten belästigungsfreies Verfahren
anzugeben. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Meßgenauigkeit zu erhöhen
und insbesondere die für die Optik des Auges relevanten Längen, nämlich die optischen
Längen, zu messen.
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Das angemeldete Verfahren benutzt zwar weitgehend bekannte klassische
interferometrische Verfahren, jedoch ist von vorneherein völlig unerwartet, daß
diese Methoden am Auge überhaupt
anwendbar sind und es ist unbekannt,
wie diese Verfahren anzuwenden sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Beobachtung von Interferenzerscheinungen
des Lichts, welches von einem mit teilkohärentem Licht beleuchteten Auge an der
Hornhautvorderfläche und an inneren Grenzflächen des Auges reflektiert oder remittiert
wird und mißt die optische Länge, also das Integral über Brechungsindex mal Weglänge
von der Hornhautvorderfläche bis zur Retina oder zu anderen optischen Grenzflächen
im Auge.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der Figuren
1 bis 8 erläutert.
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Fig. 1 stellt eine grundsätzliche Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dar.
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Fig. 2 stellt eine vereinfachte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung
dar.
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Fig. 3 stellt eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung dar, bei
welcher zwei Meßstellungen des Interferometers möglich sind.
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Fig. 4 stellt eine besonders einfache Anordnung zur Durchführung des
erfindungsmäßigen Meßverfahrens dar.
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Fig. 5 stellt eine Anordnung zur Durchführung des erflndungsgemäßen
Verfahrens dar, bei welcher die optische Wegdifferenz der Augenreflexe mit einem
modifizierten einarmigen Michelson-Interferometer gemessen wird.
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Fig. 6 stellt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar,
bei welcher ein Laser als Lichtquelle zum Einsatz kommt.
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Fig. 7 stellt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar,
bei der die Kollimation des das Auge beleuchtenden Lichtbündels variierbar ist.
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Fig. 8 stellt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar,
welche insbesondere zur Messung der Abstände von der Hornhautvorderfläche zur Hornhauthinterfläche
und zu den Grenzflächen der Augenlinseteignet #r.
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Die Zahlen in den Figuren bedeuten: 1 ... teilkohärente Lichtquelle
2 ... kollimierende Optik 3 ... teildurchlässiger Umlenkspiegel 4 ... Auge des Probanden
5 ... Hornhautvorderfläche 6 ... an der Hornhautvorderfläche reflektiertes Lichtbündel
6'... Hornhautreflex (6) nach Reflexion an dem einen Interferometerspiegel 6"...
Hornhautreflex (6) nach Reflexion an dem anderen Interferometerspiegel 7 ... Augenhintergrund
8 ... am Augenhintergrund reflektiertes Lichtbündel 8'... Netzhautreflex (8) nach
Reflexion an dem einen Interferometerspiegel 8"... Netzhautreflex (8) nach Reflexion
am zweiten Interferometerspiegel 9 ... Optik zur Fokussierung der Lichtreflexe vom
Auge 10 ... Teilerspiegel des Interferometers nach Michelson 10'... entspiegelte
Oberfläche des Teilerspiegels 10 10"... teilverspiegelte Oberfläche des Teilerspiegels
10 11 ... Fokus des Retinareflexes 12 ... Interferometerspiegel 13 ... Bohrung im
Interferometerspiegel 14 ... Achse des einen Interferometerarms 14'... Achse des
anderen Interferometerarms 15 ... Interferometerspiegel in Meßstellung 15'... Interferometerspiegel
in Grundstellung 15"... Interferometerspiegel in einer zweiten Meßstellung 16 ...
Beobachter 17 ... Okular 18 ... Streuschirm 19 ... Beobachter 20 ... Okular 21 ...
langbrennweitiges Okular 22 ... Beobachtungsebene der Interferenzen 23 ... Teilerspiegel
des modifizierten einarmigen Michelson-Interferometers
24 ... Endspiegel
des modifizierten einarmigen Michelson-Interferometers 25 ... Absorber zur Abschwächung
des Beleuchtungsbündels 26 ... Optik zur Fokussierung des Laserstrahls 27 ... Meßstrecke
28 ... Optik zur Fokussierung der Augenreflexe 29 ... Lochblende 30 ... von der
hinteren Grenzfläche der Augenlinse reflektiertes Lichtbündel 31 ... hintere Grenzfläche
der Augenlinse In Figur 1 beleuchtet die Lichtquelle 1 über die kollimierende Optik
2 nach Abschwächung des Lichtbündels auf sicherheitstechnisch zulässige Leistungswerte
beispielsweise durch einen Absorber 25 und Umlenkung durch den halbdurchlässigen
Umlenkspiegel 3 die Eintrittspupille des Auges 4. Das von der Lichtquelle 1 emittierte
Licht muß räumlich mindestens teilkohärent sein. Die Kohärenzlänge dieses Lichts
soll von Größenordnung jener Genauigkeit sein, mit welcher die optischen Teillängen
des Auges gemessen werden sollen; sie kann jedoch grundsätzlich auch viel kürzer
sein. Am Auge 4 treten verschiedene reflektierte Lichtbündel durch Fresnelreflexion
oder Rückstreuung an den verschiedenen Grenzflächen wie Hornhautvorderfläche, Hornhautrückseite,
Augenlinsenoberflächen und Grenzflächen der Retina auf. Wir betrachten im folgenden
den von der Hornhautvorderfläche 5 kommendes Hornhautreflex 6 und den aus dem Augenhintergrund
7 kommenden Retinareflex 8.
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Das Prinzip des angemeldeten Verfahrens besteht darin, die beiden
Lichtbündel 6 und 8 zur Interferenz zu bringen. Das völlig unerwartete hierbei ist,
daß diese Lichtbündel tatsächlich interferenzfähig sind, wenn entweder die Kohärenzlänge
des benutzten Lichts hinreichend groß ist oder wenn man die optische Wegstreckendifferenz
der beiden Lichtbündel kompensiert. Diese optische Wegstreckendifferenz ist genau
dem 2-fachen Wert der optischen Weglänge von der Hornhaut zur Retina. Zur Messung
dieser Strecke
dient das in der linken Hälfte der Figur 1 dargestellte
Interferometer, welches hier vom Michelson-Typ ist.
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Die beiden vom Auge reflektierten Lichtbündel 6 und 8 durchlaufen
den teildurchlässigen Spiegel 3 und werden von der Optik 9 nach Durchlaufen eines
weiteren teildurchlässigen Spiegels 10 mit entspiegelter Oberfläche 10' und teilverspiegelter
Oberfläche 10'.' fokussiert. Spiegel 10 ist hier der Teilerspiegel eines Michelson-artigen
Interferometers und verteilt die Reflexe 6 und 8 auf die beiden Interferometerarme.
Im Fokus 11 des Retinareflex 8 befindet sich der Interferometerspiegel 12. Er besitzt
eine kleine Bohrung 13, sodaß der Retinareflex 8 durch diese das Interferometer
verläßt. Nur der Hornhautreflex 6' wird von dem Umlenkspiegel 12 in das Interferometer
zurückreflektiert. Zur leichteren Justierung ist der Umlenkspiegel 12 senkrecht
zur Interferometerachse 14 in 2 Koordinatenrichtungen verschiebbar.
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Der Umlenkspiegel 15 bildet den zweiten Interferometerspiegel.
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Er reflektiert beide Reflexe 6" und 8" zurück in das Interferometer.
Am Interferometerausgang erscheinen somit 3 Lichtbündel: der Hornhautreflex 2-mal
und zwar als Lichtbündel 6' und 6" und der Retinareflex einmal als Lichtbündel 8".
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In der Interferometergrundstellung sind die beiden Interferometerarme
gleich lang. Ist die Kohärenzlänge des Lichts hinreichend klein, beispielsweise
kleiner als die optische Weglänge von der Hornhaut zur Netzhaut, dann interferieren
in dieser Stellung nur die Lichtbündel 6' und 6 " miteinander. Ein Beobachter 16
sieht mit einem Okular 17 ein Interferogramm, wie es vom Michelson-Interferometer
her wohlbekannt ist, nämlich je nach Spiegelneigung zu den Interferometerachsen
parallele Streifen mit unterschiedlichen Streifenabständen. Verschiebt man einen
der beiden Interferometerspiegel längs der Interferometerachsen, beispielsweise
wie in Figur 1 angedeutet den Spiegel 15, so lange, bis die optische Wegdifferenz
der Lichtbündel 6 und 8 am Auge kompensiert wird, dann tritt Interferenz zwischen
den Lichtbündeln 6' und 8'' auf. Dies ist die Meßstellung des Interferometers. Meßresultat
ist der Abstand 27 der Spiegelpositionen
in Grundstellung (15')
und Meßstellung (15). Diese Spiegelverschiebung kann mit Längenmeßverfahren, wie
sie dem Stand der Technik entsprechen, gemessen werden. Ein Beobachter 16 sieht
in der Meßstellung des Interferometers mit einem Okular 17 am Interferometerausgang
wiederum, wie oben schon beschrieben, die vom Michelson-Interferometer her wohlbekannten
Interferenzerscheinungen, nämlich gerade oder konzentrisch gekrümmte Interferenzstreifen
unterschiedlicher Abstände. Die nun beobachtbare Interferenzerscheinung ist jedoch
zeitlich variabel: die Interferenzstreifen bewegen sich periodisch in entgegengesetzte
Richtung und zwar zeitlich synchron mit dem Herzpuls des Probanden. Ursache hierfür
ist die durch den Blutdruck bedingte geringe Deformation des Auges. Diese periodische
Bewegung der Interferenzstreifen ist ein wichtiges Kriterium für die Identfizierung
der gesuchten Interferenzerscheinung.
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Jener Betrag, um welchen der Umlenkspiegel 15 aus der Interferometergrundstellung
zur Beobachtung der zuletzt beschriebenen Interferenzerscheinung verschoben werden
mußte, entspricht der optischen Weglänge von der Hornhautvorderfläche zur Retina.
Um diesen Betrag genau bestimmen zu können, muß die Kohärenzlänge des-von der Lichtquelle
1 emittierten Lichts hinreichend klein sein, was jedoch im allgemeinen unproblematisch
ist. Offenbar läßt sich diese Strecke nur bis auf einen Fehler von etwa der Kohärenzlänge
des Lichts bestimmen, weil innerhalb dieses Intervalls die Interferenzerscheinung
immer auftritt. Der Kontrast dieser Interferenzerscheinung nimmt allerdings mit
zunehmender Abweichung der Interferometerwegdifferenz von der zu messenden optischen
Weglänge schnell ab, sodaß der Fehler deutlich kleiner als die Kohärenzlänge des
benutzten Lichts werden kann. Bei Verwendung von Weißlicht etwa, läßt sich die zu
messende Strecke bis auf einen Fehler von Größenordnung 1 Em genau bestimmen.
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In Figur 1 ist ferner noch eine Hilfseinrichtung zur Justierung des
Spiegels 12 dargestellt. Der Retinareflex 8 trifft auf einen Streuschirm 18, wo
er von dem Beobachter 19 mit einem Okular 20 beobachtet wird. Der Spiegel 12 wird
so justiert, daß der Reflex
8 ungehindert die Bohrung 13 passiert.
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In Figur 2 ist eine alternative Anordnung zur Anordnung nach Figur
1 dargestellt: Der Interferometerspiegel 12 ist hier im Fokus des Hornhautreflex
6 aufgestellt, sodaß hier nur der Retinareflex 8' in das Interferometer zurückgespiegelt
wird. In der Interferometergrundstellung beobachtet man hier stationäre Interferenzerscheinungen
zwischen den Lichtbündeln 8' und 8" und in der Meßstellung wiederum zeitlich variierende
Interferenzen zwischen den Lichtbün#eln 6" und 8'.
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Ferner ist in Figur 2 angedeutet, daß der Beobachter 16 ein sehr langbrennweitiges
Okular 21 benutzt. Er beobachtet virtuelle Interferenzerscheinungen zwischen den
Lichtbündeln 6" und 8' etwa in der Ebene 22. Es ist vorteilhaft, die Beobachtungsebene
22 etwa 8 cm vor das Auge zu legen, weil in diesem Abstand die Intensitäten der
beiden Lichtbündel 6 und 8 etwa gleich sind und damit die zu beobachtenden Interferenzen
optimalen Kontrast zeigen.
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Es sei auch darauf hingewiesen, daß die beiden Interferometerarme
mit den Achsen 14 und 14' gegenseitig vertauscht werden können.
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Schließlich ist in Figur 2 die Hilfseinrichtung, bestehend aus Streuer
18 und Okular 20, weggelassen, weil sich der Spiegel 12 in einem sorgfältig gebauten
Interferometer auch so hinreichend genau aufstellen läßt. Alternativ zur Bohrung
13 kann zur Eliminierung eines der beiden Lichtbündel anstelle einer Bohrung im
Umlenkspiegel auch ein Absorber oder eine andere Lichtfalle eingesetzt werden.
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Insbesondere ist es auch möglich, wie in Figur 3 dargestellt, die
Bohrung 13 ersatzlos wegzulassen. Dann beobachtet man am Interferometerausgang bei
drei verschiedenen Spiegelstellungen Interferenzerscheinungen: in der Grundstellung
15' beobachtet man stationäre Interferenzen zwischen den Lichtbitndeln 6' und 6
" sowie zwischen den Lichtbündeln 8' und 8", in der Meßstellung
15
beobachtet man Interferenzen zwischen den Lichtbündeln 6' und 8" und in der Meßstellung
15" beobachtet man Interferenzen zwischen den Lichtbündeln 6 " und 8'. Das Meßergebnis
27 ist hier gleich dem Abstand einer der Meßstellungen 15 oder 15'' zur Grundstellung
15'.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist in
der Figur 4 dargestellt. Gegenüber den Anordnungen der Figuren 1, 2 und 3 ist hier
vereinfachend die Optik 9 weggelassen.
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Wie bei der Anordnung nach Figur 3 gibt es auch hier zwei Meßstellungen
(15 und 15") und das dort Gesagte trifft auch hier zu.
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Eine weitere Ausführungsform dieses Interferometers ergibt sich durch
Verwendung von Dachkantprismen als Umlenkspiegel 12 und 15.
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Dadurch wird die Empfindlichkeit des Interferometers gegenüber Verkippungen
der zwei Endspiegel kleiner.
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In Pigur 5 wird zur Messung der optischen Wegdifferenz der Lichtreflexe
ein modifiziertes einarmiges Michelson-Interferometer benutzt. Dieses besteht aus
Teilerfläche 10, Teilerplatte 23 mit einer entspiegelten und einer teilverspiegelten
Oberfläche und einem Endspiegel 24; die beiden Interferometerarme überlappen einander
weitgehend. Einer der beiden Spiegel 23 oder 24 ist beweglich und läßt sich in die
Grundstellung oder in die Meßstellung des Interferometers verschieben. Der Abstand
zwischen den beiden Spiegelflächen in der Meßstellung gibt hier die Meßstrecke an.
Bei hinreichender räumlicher Kohärenz kann auch hier der Umlenkspiegel 24 als Dachkantprisma
ausgebildet sein, wodurch die Justierempfindlichkeit des Interferometers verkleinert
wird.
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Alles zur Meßgenauigkeit und Kohärenzlänge des Lichts oben Gesagte,
gilt hier ebenso wie bei den Anordnungen nach Figur 2, 3 und 4.
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Als Lichtquelle eignen sich alle zeitlich teilkohärenten Lichtquellen
wie Glühlampen, Gasentladungslampen, Parbstofflaser, Halbleiterlaserdioden, Gas-
und Ionenlaser mit multispektraler Emission. Bei Verwendung von Glühlampen, Gasentladungslampen
und Laserdioden befindet sich das leuchtende Volumen beziehungsweise
die
Austrittsfläche des Lichts im Falle der Laserdiode oder ein Bild dieser Stellen
in der vorderen Brennebene der Optik 2. Bei Verwendung von Lasern kann der aus diesen
austretende Strahl nach Abschwächung durch einen Absorber oder durch andere Mittel
die Eintrittspupille des Auges über den Umlenkspiegel 3 direkt beleuchten, wie in
Figur 6 dargestellt. Alternativ kann nach Figur 7 der Laserstrahl durch eine weitere
Optik 26 in der vorderen Brennebene der Optik 2 fokussiert werden. Letzteres ist
dann notwendig, wenn, wie unten noch beschrieben wird, die verschiedenen optischen
Teil strecken des Auges bei unterschiedlichen Akkomodationszuständen gemessen werden
sollen.
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Durch Verwendung von quasimonochromatischem Licht unterschiedlicher
Wellenlänge läßt sich mit dem erfindungsmäßigen Verfahren jede der optischen Teilstrecken
des Auges auch wellenlängenabhängig bestimmen (quasimonochromatisches Licht ist
Licht, welches aus monochromatischen Spektralkomponenten unterschiedlicher Wellenlängen
x zusammengesetzt ist, jedoch liegen diese Wellenlängen der Spektralkomponenten
alle in einem Wellenlängenintervall #% , für welches diL<h gilt). Dadurch kann
auch die Dispersion der transparenten Augenmedien gemessen werden.
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Eine weitere Meßmöglichkeit ergibt sich, wenn die Kollimierung des
das Auge beleuchtenden Lichtbündels durch die Optik 2 verändert wird. Dies kann
dadurch. erfolgen, daß beispielsweise die Optik 2 als Zoom-Optik ausgebildet wird
oder einfach durch Verschieben der Optik 2 längs ihrer Achse. Das Auge des Probanden
fokussiert dabei soweit möglich von selbst nach, um ein scharfes Bild der Lichtquelle
zu sehen. Damit läßt sich die optische Länge der axialen Teil strecken des Auges
auch bei verschiedenen Akkomodationszuständen messen. Bei Benutzung einer Laserbeleuchtung
nach Fig. 7 kann alternativ auch die Optik 26 als. Zoom-Optik ausgebildet oder längs
ihrer optischen Achse verschiebbar sein.
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In den obigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wurde ausschließlich
die Messung der Länge der axialen Teilstrecke von
der Hornhautvorderfläche
zur Retina beschrieben. Nach denselben erfindungsmäßigen Prinzipien lassen sich
auch die anderen axialen Teil strecken des Auges messen. Durch Orientierung der
Achse des beleuchtenden Lichtbüdels schräg zur optischen Achse des Auges lassen
sich ebenso die nichtaxialen Teil strecken messen. Im folgenden wird noch eine Modifikation
des erfindungsmäßigen Verfahrens näher beschrieben, die sich insbesondere zur Messung
der optischen Länge der axialen Teilstrecke von der Hornhautvorderfläche zur Hornhautrückseite
und zu den Grenzflächen der Augenlinse eignet. Hier stört das intensitätsstarke,
vom Augenhintergrund kommende Licht. Es ist daher vorteilhaft, dieses Licht durch
eine entsprechende Führung des Strahlengangs, beispielsweise nach Figur 8, abzuschwächen.
Dort wird die Eintrittspupille des Auges mit einem divergenten Lichtbündel so beleuchtet,
daß das Auge dieses Licht nicht fokussieren kann.
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Dies hat zunächst den Vorteil, daß höhere Strahlleistungen benutzt
werden können. Die Reflexe von der Hornhautvorderfläche 6 und den anderen Grenzflächen
können durch eine Optik 28 in eine Lochblende 29 fokussiert werden und diese ungestört
passieren.
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Hingegen wird das von der Retina reflektierte Lichtbündel 8 durch
die Lochblende stark abgeblendet. In der Figur 8 ist als Beispiel der Reflex 30
von der zweiten Grenzfläche 31 der Augenlinse eingezeichnet. An die Lochblende 29
schließt sich nach links der Strahlengang einer zur Messung von Lichtwegdifferenzen
geeigneten Vorrichtung, beispielsweise wie in den obigen Bildern ein Interferometer,
an; dieser Strahlengang ist in Figur 8 nicht eingezeichnet.
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L e e r s e i t e