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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung des Augenhintergrundes
mittels eines optischen Systems und insbesondere mittels elektronischer
Sensoren zur Bildaufnahme, vorzugsweise eine Funduskamera. Ferner
betrifft die Erfindung einen Astigmatismuskompensator, insbesondere
für eine
Funduskamera.
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Üblicherweise
muß bei
Benutzung einer Funduskamera in Abhängigkeit von der Fehlsichtigkeit
des Patienten das optische Beobachtungssystem der Funduskamera von
einem Patienten zum nächsten
jeweils so verändert
werden, daß der
Augenhintergrund scharf auf dem Bildaufnahmesensor abgebildet wird.
Um möglichst
viele Patienten untersuchen zu können,
wird der Fokussierbereich mit mindestens ±25 dpt gewählt. Bei
bekannten Funduskameras wird entweder ein Teil des optischen Systems
entlang der optischen Achse des Objektivs verschoben; oder es wird
der Bildaufnehmer entlang der optischen Achse verschoben (siehe 1a, 1b).
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Es
hat sich herausgestellt, daß die
bekannten Funduskameras einerseits präzise mechanische Komponenten
erfordern, die schon an sich teuer sind und zudem einem Verschleiß unterliegen,
und daß ferner
mit diesen Funduskameras nicht bei allen Patienten scharfe Aufnahmen
des Augenhintergrundes erhalten werden können.
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Die
Erfindung setzt sich daher zum Ziel, eine Vorrichtung zur Betrachtung
des Augenhintergrundes bereitzustellen, die auf einfachere Weise und/oder
bei einem größeren Anteil
der Patienten gestattet, scharfe Bilder von deren Augenhintergrund zu
erhalten.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Vorrichtung zum Betrachten eines Augenhintergrundes gemäß Anspruch
1, durch den Astigmatismuskompensator nach Anspruch 7, und durch
die einstellbare Linse gemäß Anspruch
10.
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Unter
einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Betrachten
eines Augenhintergrundes bereit, welche eine Beobachtungsoptik mit
einer hinsichtlich ihrer Brechkraft elektrisch einstellbaren Linse
aufweist. Die derart einstellbare Brechkraft kann dabei eine sphärische oder/und
zylindrische Brechkraft sein; im letzteren Falle kann auch die Achslage
der zylindrischen Brechkraft einstellbar sein. Die Vorrichtung kann
einen insbesondere elektronischen Bildaufnahmesensor umfassen und/oder
zur direkten visuellen Beobachtung ausgebildet sein. Die elektrisch
einstellbare Linse kann Flüssigkristallschichten
aufweisen oder zwei in einem Behälter
aufgenommene Fluide umfassen, zwischen denen eine durch Anlegen
einer Spannung verformbare Phasengrenzfläche ausgebildet ist.
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Unter
einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen Astigmatismuskompensator
bereit, der eine Linse mit einstellbarer radial-asymmetrischer Brechkraft
umfaßt,
wobei die Linse zwei Elektroden umfaßt, zwischen denen beim Anlegen
einer Spannung ein elektrisches Feld ausgebildet ist.
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Unter
einem dritten Aspekt stellt die Erfindung eine einstellbare Linse
bereit, wobei die Linse zwei in einem Behälter aufgenommene Fluide umfaßt, zwischen
denen eine durch Anlegen einer Spannung radial-asymmetrisch verformbare
Phasengrenzfläche
ausgebildet ist.
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Weitere
vorteilhafte Details und Aspekte gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der
nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen hervor. Darin zeigt:
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1a eine
herkömmliche
Funduskamera mit zu verschiebendem optischem System;
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1b eine
andere herkömmliche
Funduskamera mit zu verschiebendem Bildaufnehmer;
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2 eine
weitere herkömmliche
Funduskamera mit einer Stokes'-Linse
als Astigmatismuskompensator;
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3 eine
erfindungsgemäße Funduskamera
mit einer elektrisch steuerbaren Linse;
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4 eine
weitere erfindungsgemäße Funduskamera
mit einem elektrisch steuerbaren Astigmatismuskompensator;
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5a 5b eine
elektrooptische Linse auf Flüssigkristallbasis
in Quer- und Aufsicht;
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6 eine
elektrooptische Linse auf Fluidbasis im Querschnitt;
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7 ein
Schema einer Elektrodenanordnung für die in 6 schematisch
dargestellte Linse in Aufsicht;
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8 eine
weitere elektrooptische Linse auf Fluidbasis.
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Bei
der bekannten Kamera nach 1a wird Licht
einer Lichtquelle 1 durch eine Linse 3 auf einen Lochspiegel 5 gerichtet.
Von dem Lochspiegel 5 wird das Beleuchtungslicht 6 durch
eine Frontlinse 7 der Funduskamera auf das Auge 9,
und damit durch die Augenlinse 11 auf den Augenhintergrund 13 gerichtet.
Das vom Augenhintergrund 13 ausgehende Strahlenbündel wird
durch die Augenlinse 11 und die Frontlinse 7 der
Funduskamera auf die Apertur 15 im Lochspiegel 5 gerichtet.
Hinter der Apertur 15 ist eine Kompensationslinse 17 einschwenkbar.
Schließlich wird
das Beobachtungsstrahlenbündel 8 durch
eine in Richtung des Strahlenganges verlagerbare Hauptlinsengruppe 19 auf
einen Bildaufnahmesensor 21 abgebildet.
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Bei
der bekannten Variante nach 1b sind
die Komponenten grundsätzlich
in gleicher Weise angeordnet, jedoch ist statt der Hauptlinsengruppe 19' der Bildaufnahmesensor 21' in Richtung
des Strahlenganges verlagerbar. In beiden Varianten markiert ZB
eine Zwischenbildebene.
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Bei
der weiteren bekannten Variante nach 2 ist die
Kompensationslinse als Stokes'-Linsenpaar 17'' ausgebildet, mit dem durch mechanisches Einstellen
der Achsenlagen der beiden Linsen ein Astigmatismus des Auges 9 nach
Betrag und Richtung ausgeglichen werden kann. In diesem Fall erzeugt
die Hauptlinsengruppe 19'' ein zweites
Zwischenbild ZB2, welches durch eine mehrteilige Abbildungsoptik
O1 zunächst
auf einen Klappspiegel 31 und nachfolgend entweder durch
eine Sucheroptik O2 auf den CCD-Sensor einer Sucherkamera 21', oder durch
eine Dokumentationsoptik O3 auf den CCD-Sensor einer Dokumentationskamera 21'' abgebildet wird. Außerdem ist
im Beleuchtungsstrahlengang zusätzlich
eine Blitzlampe 25 mit zugehöriger Optik 27 vorgesehen,
deren Licht über
einen Beleuchtungsklappspiegel 29 und eine zusätzliche
Beleuchtungsoptik 23 auf den Lochspiegel 5 gerichtet werden
kann.
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Gegenüber der
bekannten Funduskamera nach 1a oder 1b ist
in der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform
sowohl die Hauptlinsengruppe 19a als auch der Bildaufnahmesensor 21a fest
montiert. Ihrer Struktur oder Funktion nach den vorstehend beschriebenen
Komponenten vergleichbare Bauteile sind hierbei und nachfolgend
mit gleichen Ziffern, aber zur Unterscheidung mit nachgestellten
Kleinbuchstaben gekennzeichnet. In diesem Beispiel ist gleichfalls
eine einschwenkbare Kompensationslinse 17a zur Grobanpassung
an die Brechkraft des Patientenauges vorgesehen, die aber verzichtbar
ist. In diesem Beispiel ist zwischen Apertur 15a und Kompensationslinse 17a eine
elektrisch verstellbare Linse 16 angeordnet. Die Position
zwischen Apertur 15a und Hauptlinsengruppe 19a ist
für die Anordnung
der einstellbaren Linse 16 bevorzugt, da an dieser Stelle
das Beobachtungsstrahlenbündel 8a einen
relativ geringen Durchmesser aufweist, und daher ein geringer freier
Durchmesser der verstellbaren Linse 16 ausreicht. Statt
des Lochspiegels 5a kann allerdings auch ein anderer Strahlenteiler
verwendet werden, um das Beleuchtungslicht in den Beobachtungsstrahlengang
einzukoppeln, beispielsweise ein geometrischer Strahlenteiler wie
etwa ein in einer lateralen Hälfte
des Strahlenbündels
angeordneter einfacher Spiegel ohne Loch.
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In
der in
4 gezeigten zweiten Ausführungsform ist, im Unterschied
zu der bekannten Variante nach
2, statt
des Stokes'-Linsenpaares
eine elektrisch verstellbare Linse
16b zwischen der Apertur
15b des
Lochspiegels
5b und der Hauptlinsengruppe
19b angeordnet.
Diese elektrisch verstellbare Linse
16b ist so ausgebildet,
daß sie
in zwei einstellbaren, aufeinander senkrechten Hauptrichtungen jeweils
unabhängig
voneinander einstellbare Brechkräfte
aufweist. Beispielsweise kann die Brechkrafteinstellung auf Flüssigkristallschichten
beruhen, wie sie in den Patentschriften
US 4,795,248 und
US 5,815,233 beschrieben sind. Die
Offenbarung dieser Druckschriften wird in die vorliegende Anmeldung durch
Inbezugnahme vollumfänglich
aufgenommen.
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5a zeigt
eine Baugruppe 16c änderbarer
optischer Wirkung im Querschnitt. Die Baugruppe 16c umfaßt eine
erste Flüssigkristallschicht 103 und eine
zweite Flüssigkristallschicht 105,
welche beiderseits einer gemeinsamen transparenten durchgehenden
Elektrode 107 angeordnet sind. Auf einer der gemeinsamen
Elektrode 107 gegenüberliegenden
Seite der Flüssigkristallschicht 103 ist
eine ebenfalls transparente Elektrodenstruktur 109 vorgesehen,
wie sie in 5b in Draufsicht dargestellt
ist. Die Elektrodenstruktur 109 stellt eine Vielzahl ansteuerbarer
Pixel 111 bereit, welche in einem beispielsweise rechtwinkeligen
Gitter angeordnet sind. Eine Steuerung 113 ist vorgesehen,
um an ein jedes der Pixel 111 eine einstellbare Spannung über einen
Treiber 115 anzulegen, welcher den einzelnen Pixeln die
Spannungen zuführt,
wie dies von Flüssigkristallanzeigen her
bekannt ist. Hiermit ist ein elektrisches Feld zwischen einem jeweiligen
Pixel 111 und der gemeinsamen Elektrode 107 einstellbar,
und in Abhängigkeit von
dem eingestellten elektrischen Feld stellt die Flüssigkristallschicht 103 für einen
diese durchsetzenden Lichtstrahl 117 eine änderbare
optische Weglänge
für eine
Polarisationsrichtung des Strahls 117 bereit. Auf einer
von der gemeinsamen Elektrode 107 wegweisenden Seite der
Flüssigkristallschicht 105 ist eine
weitere transparente Elektrodenstruktur 109 mit dem in 5b gezeigten
Aufbau angeordnet, welche ebenfalls von der Steuerung 113 angesteuert
wird. Während
die Flüssigkristallschicht 103 die änderbare optische
Weglänge
für eine
in 5a mit einem Pfeil 119 angedeutete Polarisationsrichtung
in der Zeichenebene der Figur bereitstellt, stellt die Flüssigkristallschicht 105 eine
entsprechende änderbare
optische Weglänge
für eine
hierzu orthogonale Polarisationsrichtung bereit, wie dies durch
das Symbol 121 in 5a angedeutet
ist.
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Durch
entsprechende Ansteuerung der Elektrodenstruktur 109 ist
es somit möglich,
für beide
Polarisationsrichtungen des Strahls 117 optische Weglängen der
beiden Flüssigkristallschichten 103, 105 bereitzustellen,
welche als Funktion von einer Position auf den Schichten 103, 105 einstellbar
sind. Somit kann die Baugruppe 16c insgesamt angesteuert
werden, um einstellbare optische Wirkungen für den Strahl 117 bereitzustellen,
wie beispielsweise eine Rundlinsenwirkung positiver oder negativer
Brechkraft bezüglich
einer wählbaren
optischen Achse, oder auch eine Zylinderlinsenwirkung positiver
oder negativer Brechkraft bezüglich
einer einstellbaren Symmetrieebene.
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Andererseits
kann die Brechkrafteinstellung auf Linsen mit zwei durch eine Phasengrenzfläche getrennten
Fluiden beruhen, wie sie von der Firma Varioptic, 69007 Lyon, Frankreich,
vertrieben werden. Die Funktionsweise solcher Linsen ist beispielsweise
in der internationalen Patentanmeldung WO 1999/018456 beschrieben;
die Offenbarung dieser Druck schrift wird in die vorliegende Anmeldung
durch Inbezugnahme vollumfänglich
aufgenommen. 6 zeigt einen Querschnitt einer
solchen optischen Baugruppe 16d einstellbarer optischer
Wirkung. Die Baugruppe 16d umfaßt ein Gehäuse 221 mit zwei Eintritts-
bzw. Austrittsfenstern 223, zwischen welchen zwei nicht
mischbare Flüssigkeiten 225 und 227 mit unterschiedlichem
Brechungsindex eingeschlossen sind. Die eine Flüssigkeit 225 ist beispielsweise
Wasser oder Salzwasser und die andere Flüssigkeit 227 ist beispielsweise Öl oder ein
Methylphenylsiloxangemisch von vorzugsweise gleicher oder ähnlicher Dichte
wie das Wasser bzw. Salzwasser. Das Gehäuse 221 stellt für die beiden
Flüssigkeiten 225, 227 eine
bezüglich
einer optischen Achse 229 der Baugruppe symmetrische konische
Wand 231 bereit, an der eine Grenzfläche 233 zwischen den
beiden Flüssigkeiten
unter einem Randwinkel θ anliegt.
Eine ebenfalls konusförmige
Elektrode 235 ist innerhalb der Wand 231 angeordnet,
und eine ringförmige Elektrode 236 ist
in dem Volumen der Flüssigkeit 225 nahe
dem Fenster 223 angeordnet. Die Flüssigkeit 225 ist elektrisch
leitend, während
die Flüssigkeit 227 elektrisch
im wesentlichen nichtleitend ist. Eine Spannung zwischen den Elektroden 235 und 236 ist durch
eine Steuerung 213 einstellbar. Eine Änderung der Spannung zwischen
den Elektroden 235 und 236 ändert den Winkel θ, den die
Grenzfläche 233 zwischen
den beiden Flüssigkeiten 225, 227 mit
der Wand 231 einschließt.
Durch Änderung
der Spannung zwischen den Elektroden 235, 236 ist
damit die Gestalt und Krümmung
der Grenzfläche 233 änderbar,
wie dies durch eine gestrichelte Linie 233' in 6 schematisch
dargestellt ist. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes
der beiden Flüssigkeiten 225, 227 ist
damit eine Linsenwirkung der Baugruppe 16d für einen
diese entlang der optischen Achse 229 durchsetzenden Lichtstrahl änderbar. Wenn
die konusförmige
Elektrode 235 in eine Vielzahl von separat ansteuerbaren Sektoren 235e1 bis 235e8 unterteilt
ist, wie dies in 7 schematisch dargestellt ist,
kann in jedem Sektor 235e1 bis 235e8 ein anderer Randwinkel ausgebildet
werden. Zur Bereitstellung einer zylindrischen oder torischen Grenzfläche mit
unterschiedlichen Brechkräften
in aufeinander senkrechten Hauptkrümmungsebenen werden einander
diametral gegenüberliegende
Sektoren von einer Steuerung 33 mit einer gleichen, maximalen Spannung
angesteuert (beispielsweise Sektoren 235e1 und 235e5 ), und die zu diesen senkrecht angeordneten
Sektoren (beispielsweise Sektoren 235e3 und 235e7 ) mit einer untereinander gleichen,
minimalen Spannung (beispielsweise 0 V). Dazwischenliegende Sektoren
(beispielsweise Sektoren 235e2 , 235e4 , 235e6 und 235e8 ) werden von der Steuerung 33 mit
dem Wert nach dazwischenliegenden Spannungen angesteuert. Je mehr
Sektoren vorgesehen sind, desto feiner kann die Spannungsabstufung
erfolgen, und desto genauer kann eine torische Grenzfläche erzeugt
werden. Es ist aber bevorzugt, wenigstens 4 und bis zu 64 Sektoren
vorzusehen; ferner ist bevorzugt, eine gerade Zahl von Sektoren
vorzusehen, insbesondere eine durch vier teilbare Zahl von Sektoren.
Die Linsenanordnung 16d kann auch drehbar gehaltert sein,
um eine Grobeinstellung auf die Achsenlage eines Astigmatismus eines
Patientenauges zu ermöglichen;
in diesem Fall würde
die Steuerung 33 nur die Spannungs-Feineinstellung leisten.
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Es
ist aber auch möglich,
statt der radialsymmetrischen Geometrie der Baugruppe 16d eine
quaderförmige
Geometrie 16f vorzusehen, und statt einer sektorierten,
konusförmigen
Elektrode in den vier aufeinander senkrecht stehenden Umfangswänden jeweils
eine ebene Elektrode 235f1 bis 235f4 anzuordnen (siehe 8).
Die Elektroden sind jeweils von der Nachbarelektrode isoliert, können jedoch
mit der jeweils gegenüberliegenden
Elektrode elektrisch leitend verbunden sein. Zur Ausbildung einer
zylindrischen Grenzfläche
zwischen den Fluiden 225f und 227f wird an zwei
einander gegenüberliegenden Wänden (beispielsweise
Elektroden 235f1 und 235f3 ) ein Randwinkel von 90° eingestellt,
während
an den beiden anderen Wänden
(beispielsweise Elektroden 235f2 und 235f4 ) ein anderer Randwinkel θ eingestellt wird.
Daraus resultiert eine zylindrisch geformte Grenzfläche, die
einen Augen-Astigmatismus eines Patienten dem Betrag nach zu kompensieren
vermag. Um diese Anordnung auch auf die Achslage des Augen-Astigmatismus
des Patienten einstellen zu können,
ist sie bevorzugt um ihre optische Achse 35 drehbar gelagert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen zur Kompensation zylindrischer
Augenfehler deutlich einfacher in der Herstellung und in der Handhabung.
Die optischen Komponenten sind einfacher und brauchen überhaupt
keine, oder nur eine einfach zu realisierende Drehbewegung ausführen zu
können.
Insbesondere brauchen die optischen Komponenten und der Bildaufnehmer
nicht verschiebbar zu sein, können also
fest angeordnet sein und sind daher leichter justierbar.
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Beispielsweise
wird bei der bekannten Vorrichtung nach 2 der Betrag
der durch die Stokes'-Linsen 17'' bereitgestellten zylindrischen Brechkraft
zur Astigmatismuskompensation durch den Winkel der relativen Anordnung
der Stokes'-Linsen 17'' bestimmt; dieser Relativ-Winkel
muß daher genau
eingestellt sein. Dem zu Folge müssen
Achslagen beider Linsen des Stokes'-Linsenpaars 17'' unabhängig voneinander genau einstellbar
sein. In der vorliegenden Erfindung muß hingegen nur die Achslage
der Gesamtanordnung durch die Drehung der Vorrichtung relativ zum
Patientenauge eingestellt werden, wofür eine geringere Genauigkeit
ausreicht. Der Betrag der zylindrischen Brechkraft zur Astigmatismuskompensation
ist aber durch die Höhe
der angelegten Spannung elektrisch einstellbar, und erfordert daher
keine so präzise
Mechanik.
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Darüber hinaus
ist der jeweils tatsächlich
eingestellte Zylinderwert, anders als bei bekannten Vorrichtungen,
einschließlich
Betrag, Vorzeichen und Achslage in Form der Steuerspannungen für die elektrisch
angesteuerte Linse und über
die Position der angesteuerten Elektroden bzw. den eingestellten
Anordnungswinkel der einstellbaren Linsenbaugruppe leicht auswertbar
und einer dokumentierenden oder rechnerischen Weiterverarbeitung
(zum Beispiel für Meßaufgaben,
Fokussierhilfen, automatische Fokussierung etc.) einfach zugänglich.
Hierzu kann die Steuerung zusätzlich
ein Ausgabesignal bereitstellen.
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Zudem
ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich,
an Hand einer anderweitig gemessenen Brechkraft des Patientenauges
automatisch die Kompensationslinse der Funduskamera elektrisch so
einzustellen, daß ein
optimal scharfes Bild des Augenhintergrundes aufgenommen oder/und
betrachtet werden kann. Hierzu kann die Steuerung zusätzlich eine
Eingabeschnittstelle oder/und eine Tastatur aufweisen. Im letzteren
Fall können
die Brechkraft des Patientenauges repräsentierende Daten beispielsweise
in einer elektronisch gespeicherten Tabelle zusammen mit Identifizierungsdaten
des Patienten hinterlegt sein; durch Eingabe der Patientenidentifizierung
und eines Aktivierungsbefehls kann dann die Scharfeinstellung der Kamera
ausgelöst
werden. Damit werden Serienuntersuchungen an mehreren Patienten
hintereinander sehr erleichtert, zumal auch Untersuchungen der beiden
Augen desselben Patienten normalerweise unterschiedlicher Einstellungen
der Kompensationsoptik bedürfen.
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Die
Erfindung ist nicht nur bei erwachsenen menschlichen Patienten einsetzbar,
sondern wegen ihres Zeitvorteils durch die schnellere Scharfeinstellung
der Kamera einerseits bei Kindern, andererseits bei Wirbeltieren
allgemein, besonders bei Säugetieren,
insbesondere bei Haustieren wie Hunden und Katzen besonders vorteilhaft,
da sowohl Kinder als auch (Haus)Tiere bei längerandauernden Untersuchungen
zu einem problematischen Verhalten neigen können.