DE69126874T2 - Vorrichtung zur steuerung des strahlenganges in beiden richtungen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Anordnungen für die Lenkung oder Umlenkung von Licht, wobei das Licht durch die Lenkanordnung in der Vorwärts- und der Rückwärtsrichtung wandert. Ein Beispiel einer solchen Einrichtung ist ein mit Abtastung arbeitendes Augenmikroskop, bei dem Licht entlang eines Eingangspfads mit Lenkspiegeln für die Achsen X und Y gerichtet wird, bevor es auf einem Ziel in dem Auge fokussiert wird, und bei dem Licht, das von dem Ziel reflektiert wird, im wesentlichen entlang des gleichen Eingangspfads zu den Lenkspiegeln für die Achsen X und Y zurückgeleitet wird, bevor es aufgeteilt und auf eine Photodetektor oder eine Abbildungseinrlchtung gerichtet wird.
• Allgemeiner gesagt, kann bei einem klinischen System die Anforderung bestehen, daß ein oder mehrere eingangsseitige Lichtstrahlen und ein oder mehrere Beobachtungsstrahlen alle gemeinsam gelenkt werden. In einem solchen System kann das eingangsseitige Licht ein diagnostischer Beleuchtungsstrahl wie etwa der Infrarotstrahl eines Laser-Dopplerinstruments sein, oder kann ein Behandlungsstrahl wie etwa ein dünner oder auf einen Punkt fokussierter chirurgischer Laserstrahl sein, der entlang des gesteuerten Pfads gerichtet ist. Eine direkte Beleuchtung kann für das Abbildungslicht auch unabhängig von dem Spiegel dadurch bereitgestellt werden, daß zum Beispiel das Auge mit ausreichendem Licht flutförmig bestrahlt wird, um hierdurch das chirurgische Gebiet sichtbar zu machen. Der Beobachtungsstrahl oder die Beobachtungsstrahlen können rückkehrendes Licht enthalten, das zu einem sichtbaren Bild fokussiert wird, in ein lokalisiertes, elektrisch umgewandeltes Verfolgungsbildsignal transformiert wird, in einen Gewebereflexionswert zur Steuerung der Laserintensität umgewandelt wird, oder in einer anderen Weise verarbeitet wird. Bei einem solchen Instrument ist es wünschenswert, daß sowohl das Behandlungslicht als auch das gesammelte rückkehrende Licht durch die Lenkspiegel hindurchtreten bzw. durch diese geleitet werden, um hierdurch das Behandlungsfeld oder das Beobachtungsfeld zu ändern.
• Ein Instrument dieser Ausfülirungsform ist in der US-PS 4 856 891 beschrieben, die die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale offenbart. Dieses Patent offenbart ein ophthalmisches Instrument bzw. Augeninstrument, das einen schmalen, zur Diagnose oder Behandlung dienenden Lichtstrahl lenkt und ein rückkehrendes Bild über ein gemeinsames Lenksystem bzw. Richtsystem aufnimmt. Der Vorteil eines solchen bidirektionalen Lenksystems besteht darin, daß dadurch, daß der Lenkspiegel oder die Lenkspiegel in einer solchen Weise bewegt werden, daß die Position des rückkehrenden Bilds stabilisiert ist, der eingangsseitige Lichtpfad, entlang dessen der Diagnose- oder Behandlungsstrahl läuft, automatisch in einer stabilen Position auf dem Augenhintergrund gehalten wird, und daß die Position in einer festen räumlichen Beziehung mit dem abgebildeten Bereich steht. Wenn jedoch ein solches System bei einem Zielobjekt an dem Hintergrund des Auges eingesetzt wird, kann die Streuung des relativ intensiven eingangsseitigen Lichts in der Lenkanordnung zu zusätzlichen erheblichen Störungen in dem extrem schwachen zurückkehrenden Signal führen. Wenn es gewünscht sein sollte, einen Lenkspiegel bzw. Richtspiegel und eine oder mehrere Blenden in Positionen zu halten, die mit dem beobachteten Gebiet oder mit der Pupille des Auges in konfokaler Beziehung stehen, ist ferner hohe Genauigkeit bei der Positionierung und der Ausrichtung des Strahls im Hinblick auf diese Elemente erforderlich. Hierdurch wird das Problem, unterschiedliche Lichtsysteme ausreichend unterscheidbar zu halten, kompliziert, und es werden Probleme hinsichtlich Rauschens oder Übersprechens weiter erhöht. Wenn einer der Spiegel ein abtastender bzw. bewegter Polygonspiegel ist und seine Flächen sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen durchführen, können Probleme hinsichtlich der Anderung der Länge des optischen Pfads, der Verschiebung der Spiegelposition und der Änderung des Spiegeleinfallswinkels das Ziel der Erzeugung eines Bilds hoher Qualität oder der Aufrechterhaltung der gegenseitigen Ausrichtung zwischen mehreren optischen Pfaden noch weiter erschweren.
• Es ist demgemäß erwünscht, ein bidirektionales optisches Lenksystem zu schaffen, bei dem einer oder mehrere dieser Nachteile korrigiert sind.
• Diese und weitere Probleme des Standes der Technik werden durch eine optische Anordnung gemäß der Defmition im Patentanspruch 1 überwunden.
• Einige weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben.
• Das bidirektionale Lenksystem weist ein Paar von sich bewegenden, das Licht richtenden Elementen auf, die jeweils eine erste und eine zweite Seite enthalten, wobei Licht, das in einer Richtung wandert, von den ersten Seiten der beiden Elemente umgelenkt wird, und Licht, das in der anderen Richtung wandert, von den zweiten Seiten der beiden Elemente umgelenkt wird. Vorzugsweise sind die Elemente als relativ dünne planare Spiegel ausgebildet, die jeweils das Licht um eine ihrer beiden rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsen lenken. Die ersten und die zweiten Seiten führen im wesentlichen identische Ablenkbewegungen aus, die ausschließlich einer Verschwenkung entsprechen und frei von einer translatorischen Bewegung sind, so daß eine breite Feldabtastung erzielt wird, die durch die Systempupillen nicht abgedeckt ist. Die erste und die zweite Richtung können für die Beleuchtung und das Abbildungslicht bei einer gemeinsamen Objektivlinsenanord nung verwendet werden, wodurch eine hochwirksame Abbildung, die von Jittereffekten frei ist, ermöglicht ist, wobei eine effektive Trennung zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen Strahl auch bei schwierigen Anwendungen wie etwa der gleichzeitigen Behandlung und der Abbildung des Augenhintergrunds erzielbar ist.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel setzt ein telezentrisches Relaissystem einen optischen Pfad von der zweiten Seite eines Elements zu der zweiten Seite des anderen Elements um. Die beiden Elemente sind benachbart zueinander derart angeordnet, daß ihre eingangsseitigen Flächen einen optischen Pfad defmieren und ihre ausgangsseitigen Flächen den anderen Pfad festlegen. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können mit einer polygonalen Abtasttrommel oder möglicherweise mit einer Anordnung aus einem oder mehreren akustooptischen Modulatoren zur Umlenkung der Lichtpfade arbeiten. Vorzugsweise wird das telezentrische Relais zwischen den Flächen der Umlenkelemente durch gekrümmte Spiegel bereitgestellt. Systeme, die die Erfindung beinhalten, umfassen Hintergrundverfolgungsinstrumente und Geräte wie etwa Mikroskope, Doppler-Meßeinrichtungen und Laserchirurgiegeräte. Andere Anwendungsgebiete, die das bidirektionale Umlenken von Beobachtungslicht mit niedrigem Pegel beinhalten, können Instrumente für die Beobachtung, die Überwachung oder optische Kommunikationen umfassen.
• Diese und weitere Eigenschaften der Erfindung erschließen sich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen der als Beispiel dienenden Ausführungsformen, wobei gilt:
• Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Augeninstruments, das ein bidirektionales Lenksystem aufweist,
• Fig. 2 zeigt eine Darstellung des verbesserten Lenksystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Abbildungsinstrument,
• Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Abbildungsinstrument,
• Fig. 5 zeigt eine Stereoausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Instruments, wobei ein beweglicher Strahlteiler eingesetzt wird,
• Fig. 5a veranschaulicht einen für das in Fig. 5 gezeigte Instrument geeigneten Strahlteiler,
• Fig. 6a und 6b zeigen alternative Gestaltungsdetails, die in den Fig. 3 und 5 gezeigten Abschnitten entsprechen, und
• Fig. 7 zeigt ein zweidimensionales Verfolgungsinstrument, das die Erfindung verkörpert.
• Die vorliegende Erfmdung und die Probleme, auf die sie gerichtet ist, lassen sich am besten verstehen, wenn zunächst auf ein herkömmliches Instrument, bei dem ein Lenkbzw. Steuersystem mit bidirektionalem optischen Pfad eingesetzt wird, Bezug genommen wird und dessen unterschiedliche Lichtsignalpfade betrachtet werden, wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist. Fig. 1 zeigt schematisch ein Instrument 1 zur Beleuchtung und zur Beobachtung des Augenhintergrunds. Das Instrument 1 enthält einen Instrumentabschnitt 200, der die primären Einrichtungen zur Erzeugung der Beleuchtung und zur Analyse oder zur Darstellung des gesammelten reflektierten Lichts umfaßt, und einen Steuer- bzw. Lenkabschnitt 100 für die Ausrichtung auf das zu untersuchende Objekt. Der Abschnitt 200 stellt eine Beleuchtung durch eine oder mehrere Lichtquellen bereit, die zum Beispiel mehrere Laserquellen S&sub1;, S&sub2; mit unterschiedlichen Wellenlängen oder eine breitbandige Quelle S&sub3; sein können. Eine Mehrzahl von Strahlteilern BS&sub1; und dichroitische Strahlteiler BS&sub2;, BS&sub3; sind so angeordnet, daß sie das von allen Quellen stammende Licht entlang eines gemeinsamen optischen Eingangspfads 7 zu dem Lenkinechanismus 100 richten und rückkehrendes Licht, das in der entgegengesetzten Richtung entlang des gleichen allgemeinen Pfads zurückläuft, in eine Mehrzahl von gefilterten Ausgangsstrahlen 17a, 17b und 17c aufteilen, die zu Direktbeobachtungssystemen, elektrischen Bilderzeugungssystemen oder elektrischen Analysesystemen oder zu Untersystemen für die Verfolgung des Augenbewegungsbilds, oder dergleichen, weitergeleitet werden. Das Lenksystem 100 lenkt den optischen Pfad 7 zu einem abzweigenden Pfad 8 mit Hilfe einer Reflexion an der Oberfläche von der Spiegelanordnung 21 und 22 um, die jeweils eine Lenkung unter Galvanometer-Steuerung in den Richtung X und Y bewirken und jeweils um eine orthogonale Achse schwenken, wobei der optische Pfad 7 durch Rückkopplungssignale von einem Verfolgungssystem bzw. Nachführungssystem gesteuert wird. Ein solches Instrument ist in größeren Einzelheiten in der vorstehend bereits erwähnten US-Patentsschrift beschrieben.
• Der Pfad 8 führt über einen optionalen Bilddreher 50 und Objektivoptiken 23 und 24 zu dem Hintergrund F des Auges eines Subjekts. Die Objektivoptiken 23 und 24 sind zusammen mit unterschiedlichen Relaislinsen 25, 26, 27 und 28 so eingestellt, daß der Augenhintergrund in den Zwischenebenen, die mit IP&sub2; und mit IP&sub3; bezeichnet sind und zu dem Hintergrund konjugiert liegen, abgebildet wird, wobei das Zentrum der Drehung 19 des Auges zu deijenigen Ebene, die die Achse der Drehung jedes Spiegels 21, 22 enthält, konjugiert ist und auf der Schwenkachse jedes Spiegels zentriert ist.
• Bei dem vorstehend beschriebenen Gerät wird sowohl das einfallende als auch das ausgegebene Licht insgesamt von den Flächen der beiden Spiegel 21 und 22 reflektiert, und es wird die Auftrennung des relativ intensiven Beleuchtungslicht oder chirurgischen Laserlichts in die unterschiedlichen Strahlen für die Beobachtung, die Behandlung oder die Analyse hauptsächlich durch spektrale und räumliche Lichttrennmethoden bewirkt. Auch wenn unterschiedliche, zum Beispiel benachbarte, Pupillen für unterschiedliche Strahlen vorgegeben werden können und zum Beispiel bei einem mit zwei Strahlen arbeitenden Doppleranalyseinstrument erforderlich sein können, führt dennoch der Einsatz der gleichen Spiegelflächen für das Licht, das in zwei Richtungen wandert, zu einer Verschlechterung der niedrigen Pegel aufweisenden Signale, da erhebliche Retroreflektion und Streuungsstörungen hervorgerufen werden.
• Diese Probleme werden in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfmdung dadurch gelöst, daß ein bidirektionales Steuer- bzw. Lenksystem mit isometrischen, jedoch getrennten optischen Pfaden für die beiden Richtungen bereitgestellt werden. Ein grundlegendes Ausführungsbeispiel eines solchen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfmdung stehenden Lenksystems 100a ist in Fig. 2 gezeigt. Durch dieses System kann das in Fig. 1 gezeigte Lenksystem 100 ersetzt werden, um hierdurch die vorstehend angegebenen Beschränkungen zu überwinden. Das System 100a ist derart betreibbar, daß ein erster Lichtpfad 7a, der zum Beispiel einem Laserstrahl entsprechen kann, von Lenkelementen 60 bzw. 70 für die Richtungen X und Y zu einem abgelenkten oder gesteuerten Ausgangs pfad 8a gerichtet wird, der zu einer optischen Objektivanordnung 30 führt, und daß gesammeltes Licht entlang des Pfads 8b von derselben Anordnung zurückerhalten wird, wobei das gesammelte Licht ebenfalls auf das erste und das zweite Lenkelement 60 und 70 gerichtet ist und somit einer winkelmaßigen Umlenkung unterliegt, die der winkelmäßigen Umlenkung des Eingangsstrahls 7a, 8a weitestgehend entspricht. Die Lenkelemente sind zweiseitige Elemente, die jeweils an einer Schwenkachse zentriert sind, wobei die Lichtpfade in den entgegengesetzten Richtungen von entgegengesetzten Seiten der Elemente reflektiert werden, oder nach ibrem Auftreffen auf diese Seiten umgelenkt werden. Geeignete Elemente sind zum Beispiel dünne planare Spiegel, wie etwa ein Blatt mit einer Dicke von 0,2 mm, das auf mindestens einer Seite, und vorzugsweise auf beiden Seiten, versilbert ist, oder möglicherweise auch speziell angeordnete akustooptische Modulatorzellen.
• Zum Zwecke der Klarheit der Erläuterung werden diese Elemente, die zum Umlenken des Lichts, das auf das Element von dessen beiden entgegengesetzten Seiten auftrifft, ausgelegt sind, nachfolgend vereinfacht als "Spiegel" oder "zweiseitige Spiegel" bezeichnet. Im Fall eines herkömmlichen Spiegels, das heißt eines Glasblatts mit einer metallisierten, reflektierten Oberfläche, ist es nicht wesentlich, daß die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen jeweils metallisiert sind, vorausgesetzt, daß das Blatt ausreichend dünn ist, um das Auftreten von Berechnungsfehlern zu vermeiden. Jedoch ist eine beidseitige Reflexionsbeschichtung bevorzugt, um hierdurch Streueffekte zu verringern, und es sind bei Anwendungen, bei denen das Sammeln von niedrigen Pegel aufweisenden Signalen mittels des Längssystems ausgeführt wird, beide Oberflächen metallisiert.
• Bei dem gezeigten Ausführüngsbeispiel wird der eingangsseitige Strahl an dem Pfad 7a von der äußeren Fläche 61a des Spiegels 60 zu der äußeren Fläche 71a des Spiegels 70 durch eine feststehende Anordnung aus Spiegeln M1, M2 und M3 umgelenkt, die als optisches Relais dienen und den Pfad 7a an der zentralen Schwenkachse des Spiegels 60 zu dem Pfad 8a an der zentralen Schwenkachse des Spiegels 70 umsetzen bzw. umlenken. Wie gezeigt ist, weisen die Spiegel M1 und M3 auf ihren vorderen Oberflächen Linsen elemente 63 und 73 auf, die zu den Schwenkachsen der Spiegel 60 und 70 telezentrisch angeordnet sind, und somit die äußeren Seiten der Spiegel in konjugierte Beziehung bringen. Wie nachstehend in Verbindung mit bevorzugten Ausgestaltungen noch näher erläutert wird, werden die Linsen 63 und 73 vorzugsweise durch separate gekrümmte Spiegel oder Linsen, die zwischen den planen Spiegeln angeordnet sind, ersetzt, um hierdurch Streueffekte zu verringern und größere Flexibilität bei der Positionierung der verschiedenen Komponenten zu bieten. Das optische Relaissystem weist vorzugsweise eine Einheitsvergrößerung, das heißt einen Abbildungsmaßstab von 1:1 auf, wobei diese Eigenschaft für gewisse, im weiteren Text diskutierte stereoskopische Instrumentenausführungen erforderlich ist.
• Es wird nun die Beschreibung der optischen Pfade in Fig. 2 fortgesetzt. Licht, das von dem Auge reflektiert wird, kehrt durch die gleiche Objektivanordnung 30 entlang eines Pfads 8b, der auf die innere bzw. innenseitige Fläche 61b des Spiegels 60 gerichtet ist und auf diese auftrifft, zurück und wird an der innenseitigen Fläche 71b des Spiegels 70 reflektiert, wodurch es inversen Umsetzungen in den Richtungen X und Y unterliegt, so daß ein Ausgangsstrahl entlang eines Ausgangspfads 7b erzeugt wird, der stationär bleibt, wenn sich die Umlenkspiegel bewegen.
• Die inneren Flächen 61b und 71b der Umlenkspiegel für die Richtungen X und Y sind durch einen relativ kleinen Abstand getrennt, der bei einem mittels Galvanometer betätigten Spiegel mit einer quadratischen Fläche mit einer Seitenlänge von einem Zentimeter beispielsweise unterhalb eines halben Zentimeters liegen kann, so daß die mit der Umlehkung zusammenhängende Verzerrung des umgelenkten Strahls minlmiert ist, ohne daß es notwendig ist, zusätzliche Relaispräzisionsoptiken vorzusehen, die dazu dienen würden, jede innenseitige Umlenkspiegelfläche separat an einer konjugierten Position zu positionieren. Wenn das in Fig. 2 gezeigte Umlenksystem zum Beispiel bei einem Augenhintergrundabbildungssystem gemaß der Darstellung in Fig. 1 eingesetzt wird, kann die konjugierte Pupillenebene zwischen den Spiegeln angeordnet sein. In diesem Fall führt eine einzige künstliche Pupille 72, die zwischen den Flächen 61b und 71b angeordnet ist, zu einer räumlichen Filterung des gesammelten Lichts, um hierdurch sowohl hohe Bildqualität als auch eine intensive Signalsammlung zu erreichen. Insbesondere wird das Problem der Dezentrierung der Position der Pupille und der Spiegeldrehachsen minimiert, so daß fokale Verschiebungen bzw. Brennpunktverschiebungen und optische Abberationen in dem gesammelten Bild stark verringert sind.
• Gemäß Fig. 2 sind die eingangsseitige Pupille 36, oder die Region der Iris des Auges, durch das der eingangsseitige Lichtpfad 8a gerichtet ist, und die ausgangsseitige Pupille oder Beobachtungspupille 37, durch die das rückkehrende Licht gesammelt wird, jeweils geringfügig gegenüber der optischen Achse der Objektivanordnung 30 versetzt und sind über die Anordnung 30 mit den zentralen Schwenkachsen der jeweiligen Spiegelflächen 71a und 61b konjugiert. Folglich kann lediglich der zweite Spiegel in jedem Pfad mechanische Verzerrungen der Abtastungen hervorrufen. Diese Verzerrung wird im Fall des rückkehrenden Abbildungspfads 8b durch die enge Nähe der Anordnung der inneren Spiegelflächen 61b und 71b und des Fehlens von brechenden bzw. beugenden Elementen zwischen den Flächen auf ein Mindestmaß gebracht.
• Fig. 3 zeigt das System gemaß Fig. 2, wobei die optischen Elemente 63 und 64 durch separat angeordnete Linsen 107 und 110 ersetzt sind, und wobei der eingangsseitige Lichtpfad zum Zwecke der Klarheit der Darstellung auf die rechte Seite verlagert ist. Ein Laser 101, Optiken 102 und 103 und ein Drehspiegel 104 richten einen Laserstrahl auf die äußere Fläche eines Lenk- bzw. Umlenkspiegels 105, und es leiten die Spiegel 106, 108 und 109 und die Linsen 107 und 110 den Strahl zu dem anderen Umlenkspiegel 110 weiter. Die Objektivanordnungen 30 sind als separate Linsenanordnungen 12, 14 dargestellt, wobei die vordere Linse 14 ein Bild des Augenhintergrunds in der Ebene 13 bildet, und die rückseitige Linse 12 das Bild zu den Spiegeln leitet, derart, daß die Pupillenebene des Auges in der Ebene einer künstlichen Pupille 118a liegt, die zwischen den Spiegeln angeordnet ist. Die Drehachsen der beiden inneren Spiegelflächen und auch die künstliche Pupille 118a liegen somit in deijenigen Ebene, in der die Pupille des Auges abgebildet wird. Die Linsen 107 und 110 sind so eingestellt, daß die äußeren Flächen der Umlenkspiegel 105 und 111 in konjugierte Beziehung gebracht sind, so daß eine mechanische Verzerrung der Abtastung und eine Dezentrierung des Bildes weitestgehend vermieden werden.
• Das Bildlicht auf dem Pfad 7b läuft durch die Abbildungsoptiken 119 und 120 zu einer Bildaufnahmeeinheit 122 hindurch, die, wie bereits vorstehend angesprochen, ein Photodetektor, eine CCD-Anordnung, eine Kamera, ein Reflektometer, ein Doppler-Analysator oder ein anderes Abbildungsgerät oder Lichtanalysiergerät sein kann. Eine konvokale Blende 115, die konjugiert zu der Ebene des Augenhintergrunds liegt, blendet Licht von anderen Regionen des Auges aus. Eine zweite Blende 118, die eine virtuelle Pupille 118a bildet, ist zu der virtuellen Pupille und zu der Iris des Auges über die optischen Komponenten konjugiert angeordnet.
• Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das gestaltungsmäßig identisch ist wie dasjenige gemäß Fig. 3, mit der Ausnhhme, daß der Spiegel 105 durch ein Polygon 105a ersetzt ist. Die Richtung des einfallenden Lichtstrahls ist so orientiert, daß er auf eine Fläche "A" des Polygons auftrifft und zu der inneren Fläche des Spiegels 111 reflektiert wird, wohingegen das rückkehrende Licht auf eine gemeinsam umlaufende Fläche "B" des Polygons auftrifft, die über die Spiegel 108 und 109 und die Linsen 107 und 110 konjugiert zu der äußeren Fläche des Spiegels 111 angeordnet ist. Ein solches Polygon ruft eine mechanische Abtaststörung aufgrund der großen translatorischen Komponente der Bewegung hervor, und führt somit spezielle Gestaltungsbeschränkungen ein und ist ferner lediglich für Felder mit kleinem Winkel geeignet. Jedoch erlaubt es hohe periodische Abtastgeschwindigkeiten. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Positionen des Bildanalysators 122 und des Lasers 101 vertauscht werden.
• Vorteilhafterweise werden die weitgehende Symmetrie zwischen den Eingangs- und Ausgangspfaden und deren feste Trennung bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch ausgenutzt, daß ein optischer Trigger oder ein alternierender Verschluß wie etwa ein drehender Strahlteiler in einer Position vorgesehen wird, die einen abwechselnden Austausch der Pfade, entlang derer der Beleuchtungsstrahl und der Abbildungsstrahl laufen, bewirken kann.
• Fig. 5 zeigt ein solches System, wobei verschiedene Elemente mit identischen Bezugszeichen wie die entsprechenden Elemente in Fig. 3 bezeichnet sind. Die Pfade 7a, 7b für den Laser und das Abbildungsgerat smd derart orientiert, daß ein drehender Strahlteiler 123 entweder Beleuchtungslicht entlang des Pfads 7a direkt durch die Linse 103 durchleitet, wenn es an der äußeren Fläche des Spiegels 105 abgelenkt wird, oder das Beleuchtungslicht von dem Pfad 7a über die Linse 119 zu der innenseitigen Fläche des Spiegels reflektiert. Während sich der Strahlteiler dreht, werden die inneren und äußeren Flächen abwechselnd zum Umlenken des Beleuchtungsstrahls von dem Pfad 7a benutzt, wohingegen der rückkehrende Strahl durch den Satz von nicht in dem Beleuchtungspfad befindlichen Spiegelflächen zu der Abbildungseinheit 122 geleitet wird. Mehrere Richtungspfeile sind eingezeichnet, die die Lichtpfade veranschaulichen, wenn ein reflektierender Sektor des drehenden Strahlteilers an der Verbindung zwischen den Pfaden 7a und 7b positioniert ist. Durch Umdrehen jedes Pfeils mit Ausnahme desjenigen, der am nächsten bei dem Laser und bei dem Gerät liegt, zeigt die gleiche Zeichnung die Lichtpfade, die befolgt werden, wenn ein durchlässiger Sektor des drehenden Strahltellers 123 an der Pfadverbindungsstelle angeordnet ist.
• Fig. 5a zeigt einen typischen drehenden Strahlteiler 123. Eine dünne Scheibe 123 ist aus einem transparenten Material hergestellt und so angebracht, daß sie um eine zentrale Achse C drehbar ist. Ein Sektor 123a der Scheibe ist versilbert oder in anderer Weise dazu gebracht, bei den eingesetzten Wellenlängen reflektierend zu sein, wobei ein anderer Sektor 123b nicht reflektierend ist. Es können zwei oder mehr Sektoren in Abhängigkeit von der gewünschten Abtast- oder Bildrate vorgesehen sein. Die Scheibe ist in einem Winkel zu den beiden optischen Pfaden 7a und 7b derart angeordnet, daß bei ihrer Drehung entweder beide Pfade durch den Strahlteiler führen oder beide Pfade von dem Strahlteiler wegreflektiert werden und umgelenkt werden.
• Damit der Pegel der Störungen in einem ophthalmologischen Instrument unter Verwendung eines in Übereinstimmung mit der Erfindung stehenden Umlenksystems noch weiter verringert werden kann, sind die Mittel zum Verstellen einer umlenkenden Spiegelfläche in eine Position, die konjugiert zu der anderen Spiegelfläche liegt, bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch ein Paar von fokussierenden Spiegelelementen realisiert, anstatt die separaten planen Spiegel 106, 108 und die Linsen 107 und 110 gemäß den Fig. 3 und vorzusehen.
• Fig. 6a zeigt ein Lenk- bzw. Steuersystem 300 in Übereinstimmung mit diesem Gesichtspunkt der Erfindung. Zwei gekrümmte Spiegel 306 und 209 bringen die zentralen Drehregionen der äußeren Flächen der Spiegel 105 und 111 in konjugierte gegenseitige Beziehung, und ersetzen somit die drei Spiegel 106, 108 und 109 und die beiden Linsen 107 und 110. Die Anzalll von optischen Oberflächen in der konjugierten Anordnung ist somit von sieben auf zwei verringert, wodurch Streuungseffekte verringert werden. Der Einsatz von zwei reflektierenden Elementen, die in der angegebenen Weise dazu benutzt werden, die äußeren Flächen der Umlenkspiegel in konjugierte Positionen zu bringen, führt zu einem mit geringen Störungen versehenen optischen Pfad, der insbesondere für Einsätze mit schwachem Licht geeignet ist, wie es zum Beispiel bei der Verfolgung von mikroskopischen Elementen in dem Hintergrund des Auges der Fall ist. In anderer Hinsicht ist das in Fig. 6a gezeigte Ausführungsbeispiel ähniich wie dasjenige gemäß Fig. 5. Aus Gründen der Vollständigkeit ist der rotierende Strahlteiler 123 in Fig. 6a in einer Position gezeigt, bei der er das von dem Laser 101 stammende Licht ohne Reflexion durchläßt, so daß der Beleuchtungslichtpfad und der Beobachtungslichtpfad gegenüber den in Fig. 5 gezeigten Lichtpfaden für alle Pfadabschnitte, die zwischen dem Strahlteiler 123 und dem Auge liegen, umgekehrt sind. Insbesondere sind das Beleuchtungsfenster und das Beobachtungsfenster in der Augenpupille vertauscht, und es sind die relevanten Flächen jedes Umlenkspiegels umgeschaltet.
• Fig. 6b zeigt ein Instrument, das ähnlich ist wie das in Fig. 3 gezeigte Element, jedoch gekrümmte Spiegel 109a und 108a aufweist, die zusammen mit einem ebenen Spiegel 106 bewirken, daß die zentrale Drehachse an den äußeren Flächen der Umlenkspiegel in einer konjugierten Beziehung stehen. Die konjugierte Ebene der Pupille, die die Drehachsen der beiden Umlenkspiegel 105 und 111 enthält, ist mit dem Bezugszeichen P bezeichnet. Die Apertur 118a liegt ebenfalls in der Ebene P konjugiert zu der Augenpupille. Die Relaisspiegel bzw. Umlenkspiegel 108a und 109a weisen eine Krümmung auf, die dazu dient, eine Einheitsvergrößerung bzw. eine Vergrößerung 1:1 des umgesetzten Strahls zwischen dem Spiegel 106 und dem Spiegel 111 zu erzielen, wodurch die Identität zwischen dem eingangsseitigen Beleuchtungswinkel und dem Lichtsammelwinkel aufrecht erhalten wird. Eine konjugierte konvokale Blende 115 filtert Licht, das nicht von der retinalen Ebene stammt, aus, sodaß ein CCD-Element, ein Reflektometer oder eine elektronische Nachführungseinrichtung oder Analyseeinrichtung an einer beliebigen Position stromab der Blende 115 angeordnet werden kann. Falls die Blende 115 weggelassen wird, kann alternativ ein solches CCD-Element oder eine ähnliche Komponente in der angegebenen Ebene von 115, oder konjugiert hierzu, angeordnet werden.
• Die Augenobjektivlinsen 12 und 14 rufen eine Vergrößerung von ungefähr 2X hervor, und es wirken die Umlenkspiegel 105 und 111 effektiv als "virtuelle" Spiegel oder Aperturen, die in der Augenpupille positioniert sind. Damit vermieden werden kann, daß eine Blende in dem kleinen Raum zwischen diesen beiden Spiegeln angeordnet werden muß, wird die virtuelle Apertur 118a vorzugsweise durch eine physikalische Apertur 118 stromab von 118a, und konjugiert hierzu gebildet.
• Eine nützliche Eigenschaft dieses Aufbaus besteht darin, daß die reflektierenden Elemente, die zwischen den Linsen 119 und 12 in der Figur liegen, als eine Einheit um die Achse dieser Linsen gedreht werden können, ohne daß ihre Funktion gestört wird. Wenn der Bilddreher (Bildrotator bzw. Bilddreheinrichtung) 50 in Verbindung mit einem Abbildungsinstrument des in Fig. 1 gezeigten Typs, bei dem der Bilddreher das Gesichtsfeld aufbaut und ausrichtet, eingesetzt wird, muß der Bilddreher 50 somit keinen Raum vor den Umlenkoptiken belegen, sondern kann das Gehäuse dieser optischen Elemente bilden oder in diesem Gehäuse angeordnet sein.
• Fig. 7 zeigt ein Instrument 700 zum Stabilisieren eines Diagnosestrahls auf dem Fundus. Das Instrument 700 arbeitet unter Verfolgung bzw. Nachführung der Position von zwei mikroskopischen Gewebemerkmalen an dem Augenhintergrund mit Hilfe eines Objektivlenksystems, das die Diagnoseelemente/Abbildungselemente zielgerecht ausrichtet. In dieser Hinsicht arbeitet das Instrument auf der Basis von Grundlagen, die ähnlich sind wie diejenigen, die in der vorstehend bereits erwähnten US-Patentschrift 4 856 891 dargestellt sind, bei denen separat ausgerichtete Verfolgungsstrahlen durch ein gemeinsames Lenksystem mit den Hauptstrahlen des Instruments gerichtet werden. Bei dem genauen Aufbau des in Fig. 7 gezeigten Instruments werden jedoch drei duale Pfadumlenkungs-Spiegelsysteme gemeinsam mit einem separaten Prisma-Verfolgungsstrahlelement eingesetzt, um hierdurch die präzise Ausrichtung und die geringen Störungen der Vielzahl von optischen Pfaden sicherzustellen.
• Allgemein gesehen wird bei dem Instrument 700 eine Augenobjektivlenkanordnung 750 eingesetzt, durch die ein zur Diagnose dienender Laserstrahl von einem ersten Laser 701, einen Drehspiegel 702 und eine Linse 703 über einen dichroitischen Spiegel 704 eingeführt wird, der bei der Wellenlänge des Lasers 701 reflektierend ist. Ein sichtbares, zurückkehrendes Bild kehrt über die Anordnung 750 zurück und wird durch Optiken 716 und 717 über einen zweiten dichroitischen Spiegel 715 betrachtet. Ein Verfolgungsanordnung 760 injiziert ein Paar von Verfolgungsstrahlen bzw. Nachführungsstrahlen entlang von Pfaden 771 und 772, die durch die dichroitischen Spiegel 715 bzw. 704 verlaufen, so daß die beiden Nachführungsstrahlen ebenfalls durch die Lenkanordnung 750 gelenkt bzw. ausgerichtet werden.
• Bei der Nachführung zur Anordnung 760 sendet ein zweiter Laser 725 einen Strahl mit einer zur Nachhrhrung dienenden Beleuchtung mit einer unterschiedlichen Wellenlänge ent lang eines Pfads aus, der durch die Spiegel 726 und 728 defmiert ist. Ein zu 50 % reflektierender Spiegel 727 richtet die Hälfte des Lichts auf eine erste Lenkanordnung bzw. Umlenkanordnung 721, wobei der übrige Teil des Lichts zu einer zweiten Lenkanordnung 722 verläuft. Jede Anordnung 721 und 722 ist mit Ausnahme ihrer Größe jeweils identisch mit der Anordnung 300, die in Fig. 6a gezeigt ist, und enthält ein Paar aus zweiseitigen Umlenkspiegelelementen und ein Paar aus gekrümmten Relaisspiegeln, die die außenseitigen Flächen der Umlenkspiegelelemente in eine gegenseitige konjugierte Beziehung bringen.
• Jede der beiden Lenkanordnungen 721 und 722 wird dazu benutzt, einen eingangsseitigen Verfolgungsstrahls zu steuern, der als ein horizontaler Verfolgungsstrahl ah oder als ein vertikaler Verfolgungsstrahl av dient, um hierdurch eine Fundusregion zu beleuchten. Jede Lenkanordnung bzw. Steueranordnung erhält auch einen entsprechenden, dem zurückkehrenden Bild entsprechenden Strahl bh (bzw. bv), der von der Region des Fundus stammt, die durch seinen Verfolgungsstrahl beleuchtet wird. Die Bildstralllen gelangen zu jeweiligen Detektoren 723 und 724, die CCD-Anordnungen mit hoher Auflösung sein können, wie sie zum Beispiel in der vorstehend erwähnten US-Patentschrift beschrieben sind.
• Die vier Verfolgungssystemstrahlen ah, bh, av und bv laufen sämtlich durch ein Prisma 720 hindurch, das versetzte Flächen 731 und 732 besitzt, die die Beleuchtungsstrahlen in ein Bündel einfalten bzw. einlenken bzw. die Abbildungsstrahlen aus dem Bündel herausleiten bzw. entfalten, wobei das Bündel axial bezüglich der Optiken 718 und 719 und dem Lenksystem 750 orientiert ist und vier separate Pupillen für die vier Strahlen oberhalb und unterhalb sowie links und rechts der Hauptachse aufrechterhält bzw. bildet. Das Prisma ist ein einziges optisches Element, das dazu dient, den festgelegten Abstand zwischen den unterschiedlichen Strahlen zu defmieren. Wie in dem vorstehend genannten US-Patent, dessen Offenbarungsgehalt zu diesem Zweck in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird, weiter beschrieben ist, ist jeder Verfolgungsstrahl anfänglich durch Manipulation von Steuerhandgriffen, die seine Steueranordnung bzw. Lenkanordnung steuern, so ausgerichtet, daß er ein Ziel, wie etwa ein Gefaß aus einem Paar von rechtwinklig zueinander orientierten mikroskopischen Gefaßen in dem Augenhintergrund, beleuchtet und abbildet. Nachfolgend werden die Detektorausgangssignale so verarbeitet, daß Steuersignale gebildet werden, die die beiden hauptsächlichen Umlenkspiegel 705 und 709 der Anordnung 750 so steuern, daß die beiden ausgewählten Zielbilder stationär auf den Detektoren 723 und 724 gehalten werden. Hierdurch wird der Strahl des diagnostischen Lasers 701, der zum Beispiel ein abschälender oder ein koagulierender Strahl sein kann, zielmäßig automatisch auf einem festen Fleck auf der Retina gehalten.
• Bei dem in Fig. 7 gezeigten Instrument werden somit separate Nachführungsanordnungen für die Richtungen X und Y eingesetzt, die jeweils auf ein separates Gefaß und auf ein anderes Ziel an dem Hintergrund gerichtet sind, um hierdurch Lenksteuersignale für die X- und Y-Ablenkspiegel 705 und 709 zu erzeugen. Das Diagnoselicht oder Abbildungslicht ist von dem Verfolgungs- bzw. Nachführungslicht spektral getrennt, und es sind die eingangsseitigen Beleuchtungspfade von den sehr viel niedrigere Intensität aufweisenden Beobachtungspfaden getrennt, wodurch eine hauptsächliche Quelle von Bildstörungen beseitigt ist. Das Prisma 720 hält alle vier Verfolgungsstrahlpfade exakt voneinander getrennt und erlaubt es, daß die Pfade des Lasers 701 und der Beobachtungsoptiken 716 und 717 durch andere separate Regionen der Augenpupille hindurchtreten können, wodurch die Signalklarheit noch weiter verbessert wird.
• Bei einer Abänderung dieses Aufbaus kann der zu 50 % reflektierende Spiegel 727 durch einen rotierenden Strahlteiler ersetzt werden, der derart angeordnet ist, daß die Verfolgungskorrekturen für die Richtungen X und Y aufeinanderfolgend statt gleichzeitig ausgeführt werden. Der Strahlteiler wird vorzugsweise mit einer solchen Rate gedreht, daß mehrere hundert oder noch mehr Lenkkorrekturen je Sekunde erzielt werden. Zum Beispiel kann eine Abbildungsrate mit tausend Rahmen bzw. Bildern je Sekunde erforderlich sein, damit ein Strahl mit 5 Mikrometer stabil zur Erzielung einer Laserchirurgie positioniert gehalten werden kann.
• Hiermit ist die Beschreibung einer in Ubereinstimmung mit der vorliegenden Erfmdung stehenden bidirektionalen Lenk- bzw. Steueranordnung und von als Beispiel dienenden Instrumenten die mit einer solchen Anordnung für eine opthalmologische Abbildung ausgestattet sind, abgeschlossen. Angesichts der somit offenbarten Lehre der Erfindung sind für den Fachmann unterschiedliche Abänderungen und Modifikationen ersichtlich, wobei alle diese Abänderungen und Modifikationen in dem Umfang der Erfindung enthalten sind, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims (19)

1. Optische Abtastanordnung mit einer Augenobjektivanordnung (12, 13, 14; 30) und einem ersten und einen zweiten lichtrichtenden Element (61, 71; 105, 111; 105a, 111), die entlang eines optischen Pfads zum Lenken eines auf eine Augenpupille gerichteten Beleuchtungslichts bei seinem Lauf zu der Augenobjektivanordnung (12, 13, 14; 30) angeordnet sind, wobei das erste lichtrichtende Element (61) um eine erste Achse zur Umlenkung von Licht in eine erste Richtung drehbar ist und das zweite lichtrichtende Element um eine zweite Achse zum Umlenken des Lichts in eine zweite Richtung drehbar ist, derart, daß das Beleuchtungslicht, das entlang des gemeinsamen optischen Pfads wandert, durch die lichtrichtenden Elemente bei seiner Wanderung zu der Pupille entlang eines ersten Pfads gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet

daß mindestens eines der lichtrichtenden Elemente (61, 71; 105, 111; 105a, 111) ein zweiseitiger Spiegel ist, der, verglichen mit der Größe seiner reflektierenden Oberflächen, dünn ist und der an seiner Drehachse zentriert ist, und daß die Abtastanordnung weiterhin ein Spiegelrelaissystem (M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;; 106, 108, 109, 108a, 109a; 306, 309) zum Richten des von der Augenpupille ankommenden Lichts entlang eines zweiten Pfads zu der rückseitigen Oberfläche des zweiseitigen Spiegels aufweist, derart, daß das Licht einer Richtungskorrektur unterliegt, die identisch ist wie diejenige des Beleuchtungslichts, das auf die vorderseitige Oberfläche des zweiseitigen Spiegeis auftrifft, wobei hierbei das Beleuchtungslicht und das rückkehrende Licht getrennt gehalten bleiben.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, bei der sich jedes der lichtrichtenden Elemente um eine entsprechende, zentrale Drehachse bewegt, wobei die Drehachsen der beiden Elemente in einer Ebene liegen, die bezüglich der Pupille konjugiert ist.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der eines von den ersten und zweiten lichtrichtenden Elementen ein Polygon (105a) ist.

4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die weiterhin eine Einrichtung zum alternierenden Weiterleiten von Beleuchtungslicht entlang des ersten Pfads unter Empfang von Beobachtungslicht entlang des zweiten Pfads, bzw. zum Weiterleiten des Beleuchtungslichts entlang des zweiten Pfads unter Empfang von Beobachtungslicht entlang des ersten Pfads aufweist.

5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die weiterhin eine Abbildungseinrichtung (122) zum alternierenden Erzeugen von Einzelbildern aus dem Beobachtungslicht, das jeweils alternierend entlang der Pfade empfangen wird, aufweist.

6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Spiegelrelaissystem eine Mehrzahl von feststehenden Spiegelelementen (M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;; 106, 108, 109) enthält.

7. Optische Anordnung nach Anspruch 6, bei der das feststehende Spiegelelement ein gekrümmtes Spiegelelement (109a, 309) aufweist.

8. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiterhin ein Element (123) aufweist, das zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist, um hierdurch den Beleuchtungspfad und den Abbildungspfad auszutauschen und hiermit alternierend Bilder entlang zwei unterschiedlicher Pfade für eine Stereo-Abbildung zu erzeugen.

9. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Objektivanordnung einen in einer Bildebene liegenden Foküs aufweist, und bei der jedes lichtrichtende Element eine zentrale Drehachse besitzt, die in einer hierzu konjugierten Ebene liegt, wobei die optische Anordnung eine in dieser konjugierten Ebene und zwischen den lichtrichtenden Elementen liegende Pupille aufweist.

10. Optische Anordnung nach Anspruch 9, bei der die Pupille eine virtuelle Pupille ist.

11. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Objektivanordnung auf ein Ziel gerichtet ist, das in einer Bildebene liegt, und die weiterhin eine zweidimensionale Photosensoranordnung (122) enthält, die konjugiert zu dieser Bildebene angeordnet ist.

12. Ophthalmisches Instrument, das die optische Anordnung gemaß Anspruch 1 enthält.

13. Ophthalmisches Instrument nach Anspruch 12, das weiterhin aufweist

eine Einrichtung (760) zum Bilden und Positionieren von Verfolgungsstrahlen, die auf die lichtrichtenden Elemente gerichtet sind, und

eine Einrichtung (723, 724) zum Aufnehmen von zwei unabhängigen, durch die Verfolgungsstrahlen beleuchteten Bildern über die Elemente sowie zum Analysieren der Bilder zur Gewinnung von Steuersignalen aus diesen, wobei die Steuersignale an die Bewegungseinrichtung angelegt werden, um hierdurch die Bilder stationär zu halten.

14. Ophthalmisches Instrument nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Spiegelrelais mindestens einen gekrüminten Spiegel (109a, 309) enthält.

15. Ophthalmisches Instrument nach Anspruch 12 oder 14, bei dem die Einrichtung (760) zum Bilden und Positionieren der Verfolgungsstrahlen zwei Paare von zweiseitigen Spiegeln enthält, wobei jeder Spiegel eines gegebenen Paares eine Seite aufweist, die zu einer Seite des anderen Spiegels des gegebenen Paares bezüglich der optischen Relaisanordnung konjugiert ist.

16. Ophthalmisches Instrument nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das weiterhin eine Stereokameraeinrichtung zur Bildung von Stereobildern durch Austauschen des Beleuchtungsstrahlpfads und des Beobachtungsstrahlpfads derart, daß alternierende Bilder durch zwei unterschiedliche Regionen der Augenpupille hindurch gebildet werden, aufweist.

17. Optische Anordnung nach Anspruch 1, zum Richten von Licht entlang eines Vorwärtspfads zu einer Bildregion sowie entlang eines Rückkehrpfads von der Bildregion, wobei die lichtrichtenden Elemente

ein erster und ein zweiter Spiegel (61, 71) sind, die jeweils derart angebracht sind, daß sie um rechtwinklig verlaufende erste bzw. zweite Spiegelachsen beweglich sind, wobei jeder Spiegel eine innenseitige Fläche und eine außenseitige Fläche (61b/71b und 61a/71a) aufweist, wobei die innenseitigen Flächen (61b/71b) einander zugewandt sind und mindestens einer der Spiegel ein dünner, ebener, an seiner Achse zentrierter Spiegel ist, wobei eine optische Relaiseinrichtung (M&sub1;, M&sub2;, 63, 64) dazu ausgelegt ist, die außenseitigen Flächen (61a, 71a) in eine zueinander konjugierte Lage zu bringen, wobei der erste und der zweite Spiegel (61, 71) einander gegenüberliegend angeordnet und derart orientiert sind, daß die innenseitige Fläche (61b) des ersten Spiegels (61) und die außenseitige Fläche (71a) des zweiten Spiegels (71) in eine gemeinsame Richtung (7b) gewandt sind, so daß ein Beleuchtungsstralll, der auf die außenseitige Fläche (61a) des ersten Spiegels (61) auftrifft, durch die optische Relaiseinrichtung (63, 64) in eine konjugierte Position auf der außenseitigen Fläche (71a) des zweiten Spiegels (71) geleitet und entlang eines Ausgangspfades (8a) gerichtet wird, und rückkehrendes Licht (8b), das benachbart zu dem Ausgangspfad ankommt, von der innenseitigen Fläche (61b) des ersten Spiegels (61) zu der innenseitigen Fläche (71b) des zweiten Spiegels (71) derart reflektiert wird, daß das rückkehrende Licht eine Richtungsänderung erfährt, die der Richtungsänderung des Beleuchtungspfads entspricht.

18. Optische Anordnung nach Anspruch 17, die weiterhin eine Blende (72) aufweist, die an einer Ebene zwischen den innenseitigen Flächen (61b, 71b) oder an einer hierzu konjugiert liegenden Ebene angeordnet ist.

19. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem das Spigelrelaissystem einen Abbildungsmaßstab 1:1 besitzt.