EP3558092A1 - Anordnung zur anpassung der fokalebene eines optischen systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches objekt - Google Patents

Anordnung zur anpassung der fokalebene eines optischen systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches objekt

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EP3558092A1
EP3558092A1 EP17835624.2A EP17835624A EP3558092A1 EP 3558092 A1 EP3558092 A1 EP 3558092A1 EP 17835624 A EP17835624 A EP 17835624A EP 3558092 A1 EP3558092 A1 EP 3558092A1
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EP
European Patent Office
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optical system
arrangement according
focal plane
refractive power
negative refractive
Prior art date
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Ceased
Application number
EP17835624.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andrea Berner
Ingo Koschmieder
Dietrich Martin
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Carl Zeiss Meditec AG
Original Assignee
Carl Zeiss Meditec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Meditec AG filed Critical Carl Zeiss Meditec AG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/13—Ophthalmic microscopes
    • A61B3/135—Slit-lamp microscopes
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
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    • G—PHYSICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B27/0068—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration having means for controlling the degree of correction, e.g. using phase modulators, movable elements

Definitions

  • the present invention relates to a solution with which the focal plane (or image field) of an optical system can be adapted to a non-planar, in particular spherical object. This makes it possible in optical lighting or imaging systems to target and illuminate non-planar objects in a targeted manner and up to the edge.
  • FIG. 1 shows an example of the course of the image field curvature of a simple optical system.
  • the image field curvature course of the sagittal and tangential image shells is shown on a plane reference image plane.
  • the result is a curved ideal focal plane FCideai which lies between the sagittal focal plane FCsag and the tangential focal plane FCtan.
  • the ideal focal plane FCideai is curved concavely in the direction of the object.
  • lighting and imaging systems are known which are optimized in such a way that a planar focal plane is created or used.
  • Illuminating or imaging spherical objects with such a system does not necessarily lead to a qualitative performance reduction of the optical image because the object does not fulfill the implicit assumptions of the design.
  • Projected structures thus have only in the middle of the image field, z. B. on the vertex of the spherical curvature on the required focus. In the outer and peripheral areas, especially fine structures are out of focus and clearly lose their intensity. An evaluation of these structures is thus difficult or even possible only in a limited area.
  • By alternatively focusing on the edge region although the structures are sharply imaged there, the focus of the image is inevitably blurred.
  • the illumination systems used in ophthalmic devices typically produce focal planes that are curved opposite the surface of the cornea of the eye. This leads to structures and in particular fine structures, such. As lines, only in a small area, d. H. either only at the edge or only around the vertex sharp and can be detected.
  • an arrangement is improved with which the image field of the illumination or irradiation components of ophthalmic diagnostic and therapeutic devices.
  • the arrangement is particularly suitable for ophthalmological devices in which a consistently high imaging quality over wide areas of the eye is of interest.
  • a diffractive optical element DOE
  • the diffractive optical element may be located on the surface of another optical element or be formed as a separate element.
  • the present invention has for its object to overcome the known from the prior art disadvantages and to propose a solution with which the focal plane of an optical system to a non-planar, in particular spherical object is adaptable, so that projected structures, images, characters o ä. have a consistently high image quality over wide areas of the object.
  • the proposed solution should be equally suitable for both illumination and imaging systems.
  • This object is achieved with the arrangement for adjusting the focal plane of an optical system to a non-planar, in particular spherical object in which the optical system has a positive Intelbrech power and generates a real image thereby achieved that at least one additional optical element with negative Refractive power is present.
  • a spherical object here is the eye to be examined and to look particularly at the front of the eye, which has radii between 5 and 10 mm rather small dimensions.
  • the invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments. Show this
  • Figure 1 the course of field curvature of a simple optical
  • FIG. 2 shows the course of the field curvature of an optical system according to the invention
  • Figure 3 the schematic structure of an inventive
  • Figure 4 the schematic structure of an inventive
  • optical system for a slit lamp optical system for a slit lamp.
  • the optical system In the arrangement for adjusting the focal plane of an optical system to a non-planar, in particular spherical, object, the optical system has a positive overall refractive power and produces a real image. According to the invention, the optical system has at least one additional optical element with negative refractive power.
  • the optical system can be used both in a lighting arrangement and in an imaging arrangement.
  • the focal plane of an optical system is optimized so that it adapts as precisely as possible to the curved surface of the object to be illuminated or imaged.
  • corresponding lenses and / or mirrors are used here.
  • the negative refractive power of the additionally present optical element is dimensioned so that the sum of the sagittal and tangential Jardinfeldwölbungsanteile the entire optical system is positive.
  • its material coefficients are taken into account.
  • the illumination system is intended to illuminate a convexly curved object (viewed from the light source).
  • the focal plane of the illumination system is consciously also curved convexly.
  • FCsag and FCtan For a convexly curved ideal image plane, FCsag and FCtan must be negative. Through the deliberate addition of negative refractive powers, in addition to the positive portions of the existing collecting lenses, shares of negative effect with regard to field curvature are now added up. With targeted use of an optical element with negative refractive power, the sum of the sagittal and tangential Jardinfeldwölbungsanteile the entire optical system can thus be negative, which also creates a convexly curved ideal trapping plane between the sagittal and tangential field curvature shell.
  • the focal plane of a lighting or imaging system is optimized so that it adapts as precisely as possible to the curved outer contour of the object to be illuminated or imaged.
  • FIG. 2 shows, by way of example, the profile of the field curvature of an optical system according to the invention. Also shown here is the field curvature course of the sagittal and tangential image shells on a plane reference image plane. This also results in a curved ideal (not shown) focal plane FCideai which is also located between the sagittal focal plane FCsag and the tangential focal plane FCtan. However, in contrast to the field curvature of a simple optical system shown in FIG. 1, the ideal focal plane FCideai is negative, ie. H. curved convexly according to the object curvature.
  • FIG. 3 shows the corresponding schematic structure of an illumination system according to the invention, which has a light source 1 and a lens system consisting of two convergent lenses 2.1 and 2.2.
  • a lens 3 is used, which is assigned to the two converging lenses 2.1 and 2.2.
  • the curvature of the focal plane 4 of the overall optical system serving lens 3 is disposed between the two converging lenses 2.1 and 2.2.
  • 5 denotes the object to be illuminated with a spherical curvature.
  • the double arrow 6 is intended to document the interchangeability of the lenses with negative refractive power for adaptation to spherical objects with different radii.
  • the plane of the light source 1 is thus ideally imaged on the convexly curved object 5, since the resulting focal plane 4 is also convexly curved.
  • the schematic structure of an illumination system shown in FIG. 3 applies mutatis mutandis to an imaging system under the same conditions.
  • the reflected light from the curved object would be imaged by the two converging lenses and the additional negative power lens disposed therebetween on a (plane) detector which would be at the location of the light source.
  • optical system according to the invention for both illumination and imaging is particularly advantageous. This makes it possible to illuminate a curved object with the aid of a planar illumination source (with an adapted curved focal plane) and to image the light reflected by the curved object (with a matched planar focal plane) onto a planar image detector.
  • a plurality of additional optical elements in the form of lenses with negative refractive power are present and interchangeably arranged to adapt to spherical objects with different radii.
  • a lens is used to adapt the optical system to spherical objects with different radii, whose optical properties can be varied. This even offers the possibility of being able to adapt the optical system not only to spherical objects with different radii, but also to flat objects.
  • Conceivable here are electro-optical systems or variable lenses, z. As liquid or rubber lenses or gel-based lenses.
  • the choice of the corresponding lens or its optical properties can be made by specific manual selection. But it is also possible to automate the selection with the help of a camera and a corresponding image analysis.
  • the additional optical element in the form of a lens also has the advantage that it can be used for correcting the optical system with respect to chromatic aberrations, distortion errors or the like.
  • the use of the optical system according to the invention in an ophthalmological device is particularly advantageous.
  • the non-planar, in particular spherical object corresponds to the eye.
  • the optical system can be used both as a lighting and as an imaging system.
  • optical system is to be used, for example, in a slit lamp to illuminate the cornea, then additional additional boundary conditions result, such as ensuring a sufficient working distance and a given pupil position. The consideration of these conditions requires a corresponding adjustment of the optical system.
  • the optical system in a slit lamp is to ensure a sufficient working distance to the eye an additional imaging optics available.
  • the additional imaging optics for the movement of the gap image along the optical axis designed to be displaceable.
  • FIG. 4 shows the corresponding schematic structure of an illumination system according to the invention for a slit lamp, which has a light source 1 and a lens system consisting of two convergent lenses 2.1 and 2.2.
  • a lens 3 is used, which is associated with the two converging lenses 2.1 and 2.2.
  • the curvature of the focal plane 4 of the overall optical system serving lens 3 is disposed between the two converging lenses 2.1 and 2.2.
  • FIG. 4 shows the eye 6 to be illuminated and the imaging optics 8 which are additional to ensure a sufficient working distance.
  • the double arrow 9 is intended to document that the imaging optics 8 is designed to be displaceable along the optical axis for the movement of the gap image.
  • the individual lenses or the lens system have focal lengths from the following ranges:
  • the individual lenses or the lens system focal lengths from the following areas:
  • Imaging optics 8. f 50 to 100 mm
  • the plane of the light source 1 is thus ideally imaged on the convex curved eye 7, since the resulting focal plane 4 is also convex curved.
  • the schematic structure of a lighting system for a slit lamp shown in FIG. 4 also applies mutatis mutandis to an imaging system under the same conditions.
  • optical system according to the invention for both illumination and imaging is particularly advantageous. This makes it possible to illuminate an eye with the aid of a planar illumination source (with an adapted curved focal plane) and to image the light reflected by the eye (with a matched plane focal plane) onto a planar image detector.
  • the additional optical element in the form of a lens with negative refractive power is designed so that
  • Gap images can be reproduced up to a length of 16 mm.
  • the additional optical element in the form of a lens with negative refractive power such that at a field diameter (or even illumination field diameter) of 5-20 mm radii of curvature R of the cornea of the eye are covered between 5 mm and 10 mm.
  • FIG. 5 shows the profile of the field curvature of the inventive optical system for a slit lamp.
  • the ideal trapping plane which is also located between the sagittal focal plane FCsag and the tangential focal plane FCtan, has a minimum deviation of 0, which corresponds to minimal deviations from the non-planar, in particular spherical object.
  • optical system is ideally suited for lighting tasks on a spherical object with a radius of 8 mm.
  • an arrangement for adapting the focal plane of an optical system to a non-planar, in particular spherical object is provided with which the focal plane of an optical system can be adapted to a non-planar, in particular spherical object.
  • the proposed solution can be used in principle in any technical field with the corresponding requirements for a curved focal plane, it is particularly suitable for use in ophthalmic devices with object radii between 5 and 10 mm.
  • the proposed solution can be optimized not only on monochromatic but also on spectrally broad light source (white light).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lösung mit der die Fokalebene (oder auch Bildfeld) eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt (5) angepasst werden kann. Die Anordnung dient der Anpassung der Fokalebene (4) eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt (5), wobei das optische System eine positive Gesamtbrechkraft aufweist und ein reales Bild erzeugt. Erfindungsgemäß verfügt das optische System über mindestens ein zusätzliches optisches Element (3) mit negativer Brechkraft. Obwohl die vorgeschlagene Lösung prinzipiell auf jedem technischen Gebiet mit den entsprechenden Anforderungen an eine gekrümmte Fokalebene einsetzbar ist, bietet sich eine Anwendung in ophthalmologischen Geräten besonders an. Als sphärisches Objekt (5) ist hierbei das zu untersuchende Auge und dabei ganz besonders die Augenvorderseite anzusehen, welche mit Radien zwischen 5 und 10 mm eher kleine Abmessungen aufweist.

Description

Anordnung zur Anpassung der Fokalebene eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lösung mit der die Fokalebene (oder auch Bildfeld) eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt angepasst werden kann. Dadurch wird es möglich in optischen Beleuchtungs- oder Abbildungssystemen, nicht plane Objekte gezielt und bis zum Rand scharf auszuleuchten bzw. abzubilden.
Grundsätzlich ist in einfachen optischen Systemen, die ein reales Bild erzeugen und damit eine positive Gesamtbrech kraft aufweisen, das Bildfeld konkav in Richtung des Objektes gekrümmt. Die Bildfeldwölbung des Systems ist daher negativ.
Hierzu zeigt die Figur 1 beispielhaft den Verlauf der Bildfeldwölbung eines einfachen optischen Systems. Dargestellt wird der Bildfeldwölbungsverlauf der sagittalen und tangentialen Bildschalen auf einer planen Referenzbildebene. Es ergibt sich eine gekrümmte ideale Fokalebene FCideai die zwischen der sagittalen Fokalebene FCsag und der tangentialen Fokalebene FCtan liegt. Die ideale Fokalebene FCideai ist konkav in Richtung des Objekts gekrümmt.
Nach dem bekannten Stand der Technik sind Beleuchtungs- und Abbildungssysteme bekannt, die so optimiert sind, dass eine plane Fokalebene entsteht bzw. genutzt wird.
Werden mit solch einem System nicht plane sondern sphärische Objekte beleuchtet oder abgebildet, führt dies zwangsläufig zu einer qualitativen Leistungsverringerung der optischen Abbildung, da das Objekt die impliziten Annahmen des Designs nicht erfüllt. Projizierte Strukturen weisen dadurch nur in der Mitte des Bildfeldes, z. B. um den Scheitelpunkt der sphärischen Krümmung die erforderliche Bildschärfe auf. In den Außen- und Randbereichen werden insbe- sondere feine Strukturen unscharf abgebildet und verlieren deutlich an Intensität. Eine Auswertung dieser Strukturen ist damit erschwert bzw. überhaupt nur in einem begrenzten Bereich möglich. Durch ein alternatives Fokussieren auf den Randbereich werden zwar dort die Strukturen scharf abgebildet dafür ist aber zwangsläufig das Zentrum der Abbildung unscharf.
Dies wirkt sich insbesondere dann nachteilig aus, wenn Messungen auf der Auswertung oder Darstellung von Strukturen über den gesamten Feldbereich der nicht-planen Oberflächen beruhen.
Weisen die sphärischen Objekte eher kleine Radien auf, so ist festzustellen, dass die bisher verwendeten optischen Systemen nur im Bereich der begrenzten Schärfentiefe eine sehr gute optische Abbildung ermöglichen.
Die in ophthalmologischen Geräten verwendeten Beleuchtungssysteme erzeugen in der Regel Fokalebenen, die entgegengesetzt zur Oberfläche der Hornhaut des Auges gekrümmt sind. Das führt dazu, dass Strukturen und insbesondere feine Strukturen, wie z. B. Linien, nur in einem kleinen Bereich, d. h. entweder nur am Rand oder aber nur um den Scheitelpunkt scharf abgebildet und detektiert werden können.
Eine gleichmäßig scharfe Abbildung eines optischen Spaltes auf die Kornea des Auges in seiner gesamten Länge ist mit einem derartigen optischen System ohne die Anwendung besonderer Maßnahmen nicht möglich.
Bei den derzeitigen ophthalmologischen Geräten wirkt sich eine gerade oder sogar entgegengesetzt gekrümmte Bildebene der Beleuchtungs- bzw. Bestrahlungskomponenten als nachteilig aus. Dadurch weisen die in oder auf das Auge projizierten Strukturen nur in der Mitte des Bildfeldes, an der Sehachse die erforderliche Bildschärfe auf. In den Außen- und Randbereichen fächern die feinen Strukturen auf, werden unscharf und verlieren deutlich an Intensität. Eine Auswertung der Strukturen ist damit erschwert bzw. überhaupt nur in einem begrenzten Bereich möglich.
Bei einer Spaltlampe äußert sich dies dadurch, dass die auf das Auge projizierte Spaltabbildung nicht über deren gesamte Länge scharf erscheint und damit die für Messzwecke erforderliche Kantenschärfe nicht über die gesamte Länge des Spaltes nutzbar ist.
In den Patentschriften US 5,404,884; US 5,139,022 und US 6,275,718 sind Verfahren und Anordnungen zur Beleuchtung der vorderen Augensegmente beschrieben, bei denen als Lichtquelle ein planar konfigurierter Laser verwendet wird. Nachteilig bei diesen Lösungen wirkt sich der physikalisch begrenzte Schärfentiefenbereich des Aufnahmesystems für das vom Auge reflektierte Streulicht aus, wodurch der Ausdehnungsbereich des scharfen Laser-Schnittbildes nicht vollständig erfasst werden kann.
Nach dem bekannten Stand der Technik sind Lösungen bekannt, mit denen Bildfelder gezielt geformt werden um diese an unterschiedliche Krümmungen der Objekte anzupassen.
So wird beispielsweis in der DE 103 07 741 A1 eine Anordnung mit der das Bildfeld der Beleuchtungs- bzw. Bestrahlungskomponenten von ophthalmologischen Diagnose- und Therapiegeräten verbessert wird. Die Anordnung ist insbesondere für ophthalmologische Geräte geeignet, bei denen eine gleichbleibend hohe Abbildungsqualität über breite Bereiche des Auges von Interesse ist. Dazu wird im Beleuchtungsstrahlengang der Bestrahlungseinheit ein diffraktives optisches Element (DOE) angeordnet, um eine gezielte Formung der Bildebene zu erreichen. Das diffraktive optische Element kann sich dabei auf der Oberfläche eines anderen optischen Elementes befinden oder als separates Element ausgebildet sein. Zwar ist sowohl die Art der verwendeten Lichtquelle als auch die Art der Strahlformung, d. h. der Struktur- oder Mustererzeugung unerheblich, allerdings ist die diffraktive Wirkung wellenlängenabhängig. Dies wirkt sich insbesondere bei den verschiedenen Beleuchtungs- und Beobachtungsmodi ophthalmologischer Geräte als nachteilig aus. Zudem ist die Herstellung der diffraktiven Strukturen anspruchsvoll und aufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und eine Lösungen vorzuschlagen, mit der die Fokalebene eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt anpassbar ist, so dass projizierte Strukturen, Bilder, Zeichen o. ä. eine gleichmäßig hohe Abbildungsqualität über weite Bereiche des Objektes aufweisen. Außerdem soll die vorgeschlagene Lösung sowohl für Beleuchtungs- als auch für Abbildungssysteme gleichermaßen geeignet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Anordnung zur Anpassung der Fokalebene eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt, bei der das optische System eine positive Gesamtbrech kraft aufweist und ein reales Bild erzeuget dadurch gelöst, dass mindestens ein zusätzliches optisches Element mit negativer Brechkraft vorhanden ist.
Erfindungsgemäß sind bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Obwohl die vorgeschlagene Lösung zur Anpassung der Fokalebene eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt unterschiedlicher Abmessungen prinzipiell auf jedem technischen Gebiet mit den entsprechenden Anforderungen an eine gekrümmte Fokalebene einsetzbar ist, bietet sich eine Anwendung in ophthalmologischen Geräten besonders an. Als sphärisches Objekt ist hierbei das zu untersuchende Auge und dabei ganz besonders die Augenvorderseite anzusehen, welche mit Radien zwischen 5 und 10 mm eher kleine Abmessungen aufweist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen
Figur 1 : den Verlauf der Bildfeldwölbung eines einfachen optischen
Systems,
Figur 2: den Verlauf der Bildfeldwölbung eines erfindungsgemäßen optischen Systems,
Figur 3: den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Beleuchtungssystems,
Figur 4: den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Beleuchtungssystems für eine Spaltlampe und
Figur 5: den Verlauf der Bildfeldwölbung des erfindungsgemäßen
optischen Systems für eine Spaltlampe.
In der Anordnung zur Anpassung der Fokalebene eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt weist das optische System eine positive Gesamtbrechkraft auf und erzeugt ein reales Bild. Erfindungsgemäß verfügt das optische System über mindestens ein zusätzliches optisches Element mit negativer Brechkraft.
Von besonderem Vorteil ist es, dass das optische System sowohl in einer Be- leuchtungs- als auch einer Abbildungsanordnung anwendbar ist. Hierzu wird die Fokalebene eines optischen Systems so optimiert, dass sich diese der gekrümmten Fläche des zu beleuchtenden oder abzubildenden Objekts möglichst genau anpasst. Als zusätzliches optisches Element mit negativer Brechkraft kommen hierbei entsprechende Linsen und/oder Spiegel zur Anwendung.
Erfindungsgemäß ist die negative Brechkraft des zusätzlich vorhandenen optischen Elementes so bemessen, dass die Summe der sagittalen und tangentialen Bildfeldwölbungsanteile des gesamten optischen Systems positiv ist. Bei der Bemessung der negativen Brechkraft des zusätzlich vorhandenen optischen Elementes werden insbesondere auch dessen Material koeffizienten berücksichtigt.
Im Folgenden werden die Zusammenhänge für die Beleuchtung gekrümmter Objekte erklärt. Es ist aber anzumerken, dass dieselben Bedingungen sinngemäß auch für die Abbildung gekrümmter Objekten auf eine plane Ebene, wie beispielsweise einen Detektor, gelten.
Mit dem Beleuchtungssystem soll ein (aus Sicht der Lichtquelle) konvex gekrümmtes Objekt beleuchtet werden. Dazu wird die Fokalebene des Beleuchtungssystems bewusst ebenso konvex gekrümmt.
Dies wird entsprechend der Linsenbeiträge für die sagittale und tangentiale Bildfeldwölbung FCsag und FCtan, durch das gezielte Hinzufügen von negativen Brechkräften möglich. Dabei ist die Berücksichtigung der Material koeffizienten und Auswahl der entsprechenden Glassorte ebenfalls von Bedeutung.
Die Linsenbeiträge für die sagittale und tangentiale Bildfeldwölbung errechnen sich dabei wie folgt:
FCsag = S3 + S4 (1 )
FCtan = 3S3 + S4 (2) mit S3 = H2 F
S4 = H2 F/n wobei S3 dem Seidel-Koeffizienten für Astigmatismus,
S4 dem Seidel-Koeffizienten für die Petzval-Bildfeldwölbung,
H der Lagrange Invariante des Systems (H = nuy = n'u'y'), n dem Brechungsindex der Linse und
F der Brechkraft der Linse entsprechen.
Für eine konvex gekrümmte ideale Bildebene müssen FCsag und FCtan negativ sein. Durch das gezielte Hinzufügen von negativen Brechkräften werden neben den positiven Anteilen der vorhandenen Sammellinsen nun auch Anteile negativer Wirkung bezüglich der Bildfeldwölbungen aufsummiert. Bei gezieltem Einsatz eines optischen Elementes mit negativer Brechkraft kann somit die Summe der sagittalen und tangentialen Bildfeldwölbungsanteile des gesamten optischen Systems negativ werden, womit ebenfalls eine konvex gekrümmte ideale Auffangebene zwischen der sagittalen und tangentialen Bildfeldwölbungsschale entsteht. Die Fokalebene eines Beleuchtungs- bzw. Abbildungssystems wird so optimiert, dass diese sich der gekrümmten äußeren Kontur des zu beleuchtenden bzw. abzubildenden Objekts möglichst genau anpasst.
Hierzu zeigt die Figur 2 beispielhaft den Verlauf der Bildfeldwölbung eines erfindungsgemäßen optischen Systems. Dargestellt wird auch hier der Bildfeldwölbungsverlauf der sagittalen und tangentialen Bildschalen auf einer planen Referenzbildebene. Es ergibt sich auch hier eine gekrümmte ideale (nicht dargestellte) Fokalebene FCideai die ebenfalls zwischen der sagittalen Fokalebene FCsag und der tangentialen Fokalebene FCtan liegt. Allerdings ist die ideale Fokalebene FCideai im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Bildfeldwölbung eines einfachen optischen Systems negativ, d. h. entsprechend der Objektwölbung konvex gekrümmt.
In der Figur 3 ist der entsprechende schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems dargestellt, welches über eine Lichtquelle 1 und ein aus zwei Sammellinsen 2.1 und 2.2 bestehendes Linsensystem verfügt. Als zusätzliches optisches Element mit negativer Brechkraft kommt hierbei eine Linse 3 zum Einsatz, die den beiden Sammellinsen 2.1 und 2.2 zugeordnet ist. Vorzugsweise ist die der Krümmung der Fokalebene 4 des optischen Gesamtsystems dienende Linse 3 zwischen den beiden Sammellinsen 2.1 und 2.2 angeordnet. Mit 5 ist das zu beleuchtende Objekt mit sphärischer Krümmung bezeichnet. Der Doppelpfeil 6 soll die Austauschbarkeit der Linsen mit negativer Brechkraft zur Anpassung an sphärische Objekte mit verschiedenen Radien dokumentieren. Die plane Ebene der Lichtquelle 1 wird somit ideal auf das konvex gekrümmte Objekt 5 abgebildet, da die entstehende Fokalebene 4 ebenfalls konvex gekrümmt ist. Hierzu ist noch anzumerken, dass der in Figur 3 dargestellte schematische Aufbau eines Beleuchtungssystems erfindungsgemäß unter denselben Bedingungen sinngemäß auch für ein Abbildungssystem gilt. Das vom gekrümmten Objekt reflektierte Licht würde von den beiden Sammellinsen und der dazwischen angeordneten zusätzlichen Linse mit negativer Brechkraft auf einen (ebenen) Detektor abgebildet werden, der sich an der Stelle der Lichtquelle befinden würde.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Systems sowohl für die Beleuchtung als auch die Abbildung. Dadurch wird es möglich ein gekrümmtes Objekt mit Hilfe einer planen Beleuchtungsquelle (mit einer angepassten gekrümmten Fokalebene) zu beleuchten und das vom gekrümmten Objekt reflektierte Licht (mit einer angepassten planen Fokalebene) auf einen planen Bilddetektor abzubilden.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend sind mehrere zusätzliche optische Elemente in Form von Linsen mit negativer Brechkraft vorhanden und zur Anpassung an sphärische Objekte mit verschiedenen Radien austauschbar angeordnet.
Einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend kommt zur Anpassung des optischen Systems an sphärische Objekte mit verschiedenen Radien eine Linse zum Einsatz, deren optische Eigenschaften variiert werden kann. Hier bietet sich sogar die Möglichkeit, das optische System nicht nur an sphärische Objekte mit verschiedenen Radien anpassen zu können, sondern auch an ebene Objekte. Denkbar sind hierbei elektro-optische Systeme oder auch variable Linsen, z. B. Flüssigkeits- oder Gummilinsen oder auch gelbasierte Linsen.
Hierbei kann die Wahl der entsprechenden Linse bzw. deren optischer Eigenschaften durch gezielte manuelle Auswahl erfolgen. Es ist aber auch möglich die Auswahl mit Hilfe einer Kamera und einer entsprechenden Bildauswertung zu automatisieren.
Das zusätzliche optische Element in Form einer Linse bietet zudem den Vorteil, dass es zur Korrektur des optischen Systems hinsichtlich Farbfehlern, Verzeichnungsfehlern o. ä. nutzbar ist.
Einer weiteren Ausgestaltung entsprechend ist die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Systems in einem ophthalmologische Gerät besonders vorteilhaft. Das nicht-plane, insbesondere sphärische Objekt entspricht dabei dem Auge. Auch in einem ophthalmologische Gerät kann das optische System sowohl als Beleuchtungs- als auch als Abbildungssystem zur Anwendung kommen.
Soll das optische System beispielsweise bei einer Spaltlampe angewendet werden um die Kornea zu beleuchten, so ergeben sich weitere zusätzliche Randbedingungen, wie die Gewährleistung eines ausreichenden Arbeitsabstand und einer vorgegebene Pupillenlage. Die Berücksichtigung dieser Bedingungen erfordert eine entsprechende Anpassung des optischen Systems.
Für die Anwendung des optischen Systems in einer Spaltlampe ist zur Gewährleistung eines ausreichenden Arbeitsabstandes zum Auge eine zusätzliche Abbildungsoptik vorhanden. Vorzugsweise ist die zusätzliche Abbildungsoptik für die Bewegung der Spaltabbildung entlang der optischen Achse verschiebbar ausgebildet.
In der Figur 4 ist der entsprechende schematische Aufbau eines erfindungsge- mäßen Beleuchtungssystems für eine Spaltlampe dargestellt, welches über eine Lichtquelle 1 und ein aus zwei Sammellinsen 2.1 und 2.2 bestehendes Linsensystem verfügt. Als zusätzliches optisches Element mit negativer Brechkraft kommt hierbei eine Linse 3 zum Einsatz, die den beiden Sammellinsen 2.1 und 2.2 zugeordnet ist. Vorzugsweise ist die der Krümmung der Fokalebene 4 des optischen Gesamtsystems dienende Linse 3 zwischen den beiden Sammellinsen 2.1 und 2.2 angeordnet. Zusätzlich zeigt die Figur 4 das zu beleuchtende Auge 6 und die zur Gewährleistung eines ausreichenden Arbeitsabstandes zusätzliche Abbildungsoptik 8. Der Doppelpfeil 9 soll hierbei dokumentieren, dass die Abbildungsoptik 8 für die Bewegung der Spaltabbildung entlang der optischen Achse verschiebbar ausgebildet ist.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems für eine Spaltlampe gemäß der Figur 4 entsprechend, weisen die Einzellinsen bzw. das Linsensystem Brennweiten aus folgenden Bereichen auf:
• Linse 3: f = -5 bis - 30 mm
• Linsensystem (2.1 , 2.2 und 3): f= 50 bis 150 mm
• Abbildungsoptik 8. f= 25 bis 125 mm
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, weisen die Einzellinsen bzw. das Linsensystem Brennweiten aus folgenden Bereichen auf:
• Linse 3: f= -10 bis - 20 mm
• Linsensystem (2.1 , 2.2 und 3): f= 80 bis 120 mm
• Abbildungsoptik 8. f= 50 bis 100 mm Auch hier wird die plane Ebene der Lichtquelle 1 somit ideal auf das konvex gekrümmte Auge 7 abgebildet, da die entstehende Fokalebene 4 ebenfalls konvex gekrümmt ist. Ebenso ist hier anzumerken, dass der in Figur 4 dargestellte schematische Aufbau eines Beleuchtungssystems für eine Spaltlampe erfindungsgemäß unter denselben Bedingungen sinngemäß auch für ein Abbildungssystem gilt.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Systems sowohl für die Beleuchtung als auch die Abbildung. Dadurch wird es möglich ein Auge mit Hilfe einer planen Beleuchtungsquelle (mit einer ange- passten gekrümmten Fokalebene) zu beleuchten und das vom Auge reflektierte Licht (mit einer angepassten planen Fokalebene) auf einen planen Bilddetektor abzubilden.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend ist das zusätzliche optische Element in Form einer Linse mit negativer Brechkraft so ausgelegt, dass
Spaltabbildungen bis zu einer Länge von 16 mm abbildbar sind.
Einer weiteren Ausgestaltung entsprechend ist es vorteilhaft das zusätzliche optische Element in Form einer Linse mit negativer Brechkraft so auszulegen, dass bei einem Bildfelddurchmesser (oder auch Beleuchtungsfelddurchmesser) von 5-20 mm Krümmungsradien R der Hornhaut des Auges zwischen 5 mm und 10 mm abgedeckt werden.
Einer letzten Ausgestaltung entsprechend ist es vorteilhaft das zusätzliche optische Element mit negativer Brechkraft so auszulegen, dass die ideale Fokalebene FCideai in der Mitte zwischen der sagittalen Fokalebene FCsag und der tangentialen Fokalebene FCtan liegt und dabei minimale Abweichungen von dem nicht-planen, insbesondere sphärisches Objekt, aufweist. Besonders vorteilhaft liegen die minimalen Abweichungen dabei innerhalb der Schärfentiefe des Systems. Abschließend zeigt die Figur 5 den Verlauf der Bildfeldwölbung des erfindungs- gemäßen optischen Systems für eine Spaltlampe.
Dargestellt ist hier der Verlauf der Bildfeldwölbung für das System nach Figur 4, allerdings im Unterschied zu den Darstellungen der Figuren 1 und 2 gemessen auf einer gekrümmten Auffangebene mit einem Radius von 8 mm.
Hierbei ist zu erkennen, dass die ideale Auffangebene, die ebenfalls zwischen der sagittalen Fokalebene FCsag und der tangentialen Fokalebene FCtan liegt uns eine minimale Abweichungen von 0 aufweist, was einer minimalen Abweichungen von dem nicht-planen, insbesondere sphärisches Objekt entspricht.
Dies zeigt, dass das optische System ideal für Beleuchtungsaufgaben auf einem sphärischen Objekt mit einem Radius von 8 mm angepasst ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Anordnung zur Anpassung der Fokalebene eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt zur Verfügung gestellt, mit der die Fokalebene eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt angepasst werden kann. Dadurch wird es möglich in optischen Beleuchtungs- oder Abbildungssystemen, nicht plane Objekte gezielt und bis zum Rand scharf auszuleuchten bzw. abzubilden. Dabei ist die vorgeschlagene Lösung sowohl für Beleuchtungs- als auch für Abbildungssysteme gleichermaßen geeignet.
Die vorgeschlagene Lösung ist zwar prinzipiell auf jedem technischen Gebiet mit den entsprechenden Anforderungen an eine gekrümmte Fokalebene einsetzbar, ist jedoch für eine Anwendung in ophthalmologischen Geräten mit Objektradien zwischen 5 und 10 mm besonders geeignet.
Die vorgeschlagene Lösung kann nicht nur auf monochromatische sondern auch auf spektral breite Lichtquelle (Weißlicht) optimiert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Anordnung zur Anpassung der Fokalebene eines optischen Systems an ein nicht-planes, insbesondere sphärisches Objekt, bei der das optische System eine positive Gesamtbrechkraft aufweist und ein reales Bild erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzliches optisches Element mit negativer Brechkraft vorhanden und sowohl in einer Beleuch- tungs- als auch einer Abbildungsanordnung anwendbar ist, wobei das mindestens eine, zusätzliche optische Element eine Linse und/oder ein Spiegel ist, dessen negative Brechkraft so bemessen ist, dass die Summe der sagittalen und tangentialen Bildfeldwölbungsanteile des gesamten optischen Systems negativ sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bemessung der negativen Brechkraft des mindestens einen, zusätzlich vorhandenen optischen Elementes auch dessen Material koeffizienten berücksichtigt werden.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zusätzliche optische Elemente mit negativer Brechkraft vorhanden und zur Anpassung an sphärische Objekte mit verschiedenen Radien austauschbar angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung des optischen Systems an sphärische Objekte mit verschiedenen Radien optische Elemente zum Einsatz kommen, deren optische Eigenschaften variiert werden können.
5. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine, zusätzliche optische Element außerdem zur Korrektur des optischen Systems hinsichtlich Färb- oder Verzeichnungsfehlern o. ä. nutzbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das optische System in einem ophthalmologische Gerät zur Anwendung kommt, wobei das nicht-plane, insbesondere sphärische Objekt einem Auge entspricht.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System in einem ophthalmologische Gerät sowohl als Beleuchtungs- als auch als Abbildungssystem zur Anwendung kommt.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System in einer Spaltlampe zur Anwendung kommt und zur Gewährleistung eines ausreichenden Arbeitsabstandes zum Auge eine zusätzliche Abbildungsoptik vorhanden ist.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Abbildungsoptik für die Bewegung der Spaltabbildung entlang der optischen Achse verschiebbar ausgebildet ist.
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine, zusätzliche optische Element mit negativer Brechkraft so ausgelegt ist, dass Spaltabbildungen bis zu einer Länge von 20mm abbildbar sind.
1 1 . Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine, zusätzliche optische Element mit negativer Brechkraft so ausgelegt ist, dass bei einem Bildfelddurchmesser von 5-20 mm Krümmungsradien R der Hornhaut des Auges zwischen 5 mm und 10 mm abgedeckt werden.
12. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine, zusätzliche optische Element mit negativer Brechkraft so ausgelegt ist, dass die ideale Fokalebene des Gesamtsystems FCideai , welches in der Mitte zwischen der sagittalen Fokalebene FCsag und der tangentialen Fokalebene FCtan liegt, eine minimale Abweichungen von dem nicht-planen, insbesondere sphärisches Objekt, aufweist.
13. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die minimalen Abweichungen innerhalb der Schärfentiefe des Systems liegen.
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