DE4446183B4

DE4446183B4 - Anordnung zur Messung intraokularer Distanzen

Info

Publication number: DE4446183B4
Application number: DE4446183A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.rer.nat. Menlo Park Dorsel; Beate Dipl.-Phys. Möller; Karl Heinz Dr.rer.nat. Donnerhacke
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: US5673096A; DE4446183A1; JPH0921614A; JP3488002B2

Abstract

Anordnung zur Messung intraokularer Distanzen zwischen verschiedenen optischen Grenzflächen des lebenden Auges mittels eines interferometrischen Meßsystems, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein diffraktiv-optisches Element (DOE) zur Aufteilung des Beleuchtungsstrahlenganges in Teilstrahlengänge für verschiedene Grenzflächen und/oder zur Vereinigung und gegenseitigen Anpassung der Wellenfronten der von verschiedenen Grenzflächen des Auges stammenden Meßlichtanteile an die Wellenfront des Meßlichtes eines interferometrischen Referenzarmes vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bereits bekannt ( DE 3201801 ), das von einer ersten Grenzfläche des Auges reflektierte Licht einer Lichtquelle kurzer Kohärenzlänge mit dem von einer weiteren Grenzfläche reflektierten Licht über eine interferometrische Anordnung in einem Beobachtungsstrahlengang zu vereinigen, wobei über einen verschiebbaren Spiegel die optische Weglängendifferenz zwischen den reflektierten Lichtanteilen kompensiert wird. Die Verschiebung des Spiegels ist hierbei das Maß für den Abstand zwischen den untersuchten Grenzflächen.

Weiterhin ist es, beispielsweise aus "Lasers in Surgery and Medicine" 1993 (13), Seiten 447–452 (A. F. Fercher, H. C. Li, C. K. Hitzenberger; „Slit Lamp Laser Doppler Interferometer") bekannt, einen Beleuchtungsstrahlengang, beispielsweise mittels einer Laserdiode, über eine interferometrische Anordnung mit einstellbarer Weglängendifferenz zwischen den interferometrischen Teilstrahlen, auf das Auge zu richten und mittels einer Photodetektoranordnung auftretende Interferenzen der von verschiedenen Grenzflächen des Auges reflektierten Strahlungsanteile in Abhängigkeit von der Verstellung der Weglängendifferenz zu detektieren. Eine divergente Kugelwelle, die durch Reflexion an der Augenhornhaut entsteht und eine annähernd ebene Welle, die auf das an der Netzhaut reflektierte Licht zurückgeht, werden überlagert und ergeben ein Interferenzringsystem. Der Durchmesser der einzelnen Ringe variiert mit dem Abstand der Beobachtungsebene vom Krümmungsmittelpunkt der Hornhautfläche. Auf den Detektor gelangt nur das Licht aus dem zentralen Interferenzring, also meist nur ein Bruchteil des Lichtes, das die Information über die Meßgröße beinhaltet.

In WO 92/19930 bildet die Probe oder das Auge selbst einen ersten Arm einer Interferometeranordnung mit in einem zweiten Arm einstellbarer optischer Weglängendifferenz mittels eines verschieblichen Reflektors, wobei die Strahlungsanteile der Interferometerarme zur Interferenz gebracht werden und eine Detektierung des Interferenzsignals erfolgt.

In EP 509903 , US 5347328 und US 5347327 sind getrennte Beleuchtungs- und/oder Meßstrahlengänge sowie eigenständige Interferometeranordnungen für unterschiedliche Grenzschichten des Auges vorgesehen, wobei für die einzelnen Grenzschichten des Auges separate Referenzflächen vorgesehen sein können und eine weitere Referenz-Interferometeranordnung vorgesehen sein kann.

Durch Veränderung der Wellenlänge im das Meßobjekt enthaltenden Interferometer und einem Referenzinterferometer mit fester optischer Weglängendifferenz sowie Auswertung der gemischten Interferenzsignale kann eine axiale Längenbestimmung durchgeführt werden.

Ähnliche Anordnungen zur Längenmessung unter Einbeziehung mehrerer Wellenlängen werden unter anderem bereits in US 4907886 beschrieben.

In IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 5, June 1993, No. 6, (CHEN, S. u.a.: A Compct Optical Device for Eye-Length Measurement) wurde bereits durch Kombination einer teilverspiegelten Planplatte mit einer eine Öffnung aufweisenden Linse versucht, das Signal/Rauschverhalten zu verbessern.

Der Erfindung liegt nunmehr das Problem zugrunde, eine Augenlängenmessung mit verbessertem Meßsignal zu realisieren sowie vorhandene Systeme zu vereinfachen.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Diese beziehen sich, wie auch die weitere Beschreibung, sowohl besonders vorteilhaft auf interferometrische Anordnungen zur axialen Augenlängenmessung mit verstellbarer optischer Weglängendifferenz als auch überraschend auf die Vereinfachung von Meßanordnungen mit variabler Wellenlänge und Auswertung gemischter Interferenzsignale, sowohl bezüglich der Aufteilung der Beleuchtungslichtanteile mit einem diffraktiv-optischen Element als auch bei der gegenseitigen Anpassung der Form der Wellenfronten der von verschiedenen Grenzflächen des menschlichen Auges oder der Anpassung an die Wellenfront des Lichtes der von einer Referenzfläche reflektierten Wellen.

Durch das diffraktiv-optische Element, das in seiner Form einer Phasenfresnellinse ähneln kann, wird durch einen unbeeinflußten, d.h. kollimiert auf das Auge fallenden Anteil des Meßlichtes das Netzhautsignal erzeugt und durch einen beeinflußten, d.h. konvergent auf das Auge fallenden Anteil, beispielsweise das Hornhautsignal erzeugt, indem letzterer durch das DOE auf den Hornhautscheitel, den Brennpunkt des konvexen Hornhautspiegels oder den Krümmungsmittelpunkt des konvexen Hornhautspiegels fokussiert wird.

So ergeben sich wesentlich günstigere Vorraussetzungen für die Signalgewinnung, weil das Netzhaut- und Hornhautsignal nach nochmaligem Durchgang durch das DOE bezüglich ihrer Wellenfronten in angepaßter, beispielsweise kollimierter Form vorliegen und damit ein wesentlich größerer Anteil des Bündelquerschnittes zur Signalgewinnung genutzt werden kann als bei nicht angepaßten Wellenformen.

Weitere Vorteile und Wirkungen der Erfindung sowie der Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßanordnung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:
1: Eine Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Meßanordnung mit einstellbarer optischer Weglängendifferenz.
2: Den schematischen Strahlengang bei Fokussierung auf den Hornhautscheitel.
3: Den schematischen Strahlengang bei Abbildung auf den Brennpunkt des konvexen Hornhautspiegels.
4: Den schematischen Strahlengang bei Fokussierung auf den Krümmungsmittel punkt des Hornhautspiegels.
5: Die schematische Darstellung der Anordnung eines DOE vor einem kombinierten Beleuchtungs- und Meßstrahlengang einer interferometrischen Meßanordnung.
6: Die schematische Darstellung der Anordnung eines DOE im Beleuchtungsstrahlengang zur Aufteilung der Beleuchtung.
7: Die schematische Darstellung der Anordnung eines DOE zur Vereinigung der von verschiedenen Grenzflächen stammenden Meßlichtanteile.
8: Ein beispielhaft dargestelltes Profil nach Art einer Phasenfresnellinse.
In 1 bildet ein Strahlteiler 1 mit Tripelprisma 2 sowie einem verschieblichen Tripelprisma 3 eine Interferometeranordnung, in die über einen weiteren Strahlteiler 5 wahlweise das Licht einer Superlumineszenzdiode 4 oder einer Laserdiode 6 als Meß- bzw. als Einstelllichtquelle eingestrahlt wird. Über eine Blende 7 sowie eine Planplatte 8 zur Ausblendung eines Kontrollanteils auf eine Photodiode 9 gelangt das Beleuchtungslicht über einen Polarisations-Strahlenteiler (Polstrahlenteiler) 10, eine λ/4-Platte 11 und ein DOE 12 auf das Auge 13. Durch das DOE 12 wird ein Teil des Beleuchtungslichtes, wie in 2, 3 und 4 dargestellt, auf den Hornhautscheitel, den Brennpunkt des konvexen Hornhautspiegels oder den Krümmungsmittelpunkt des konvexen Hornhautspiegels fokussiert, während der andere, unbeeinflußte, parallele Strahlungsanteil auf die Augennetzhaut abgebildet wird. Der genaue Verlauf der eingestrahlten und reflektierten Strahlungsanteile wird in 2, 3 und 4 näher beschrieben.
Das vom Auge reflektierte und kollimierte Licht wird über den Polstrahlteiler 10 sowie eine λ/4-Platte und ein Abbildungssystem 14 über einen Strahlteiler 15 in eine Beobachtungsebene, in der z. B. die Sensorfläche einer CCD-Kamera angeordnet sein kann, bzw. auf einen Photodetektor 17, vorzugsweise eine Avalanche- Photodiode, abgebildet. Die nicht genutzten divergenten Anteile können ausgeblendet werden.
Die Lichtquellen 4 und 6, eine Verschiebeeinrichtung 18 zur Verschiebung des Tripelprismas 3, sowie die Photodetektoren 9, 17 sind mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 19 gekoppelt, die wiederum mit externen Speichern 20 sowie Drucker 21 verbunden sein kann.
In 2–4 ist der Strahlengang von einfallender und reflektierter Strahlung gemäß 1 näher dargestellt.
Die annähernd ebene Welle, die über den Polstrahlteiler 10 und λ/4 -Platte 11 auf das DOE 12 trifft, wird durch dieses zum Teil fokussiert, zum Teil bleibt sie unverändert kollimiert.
In 2 wird das vom DOE unbeeinflußte Teilbündel a, a' des kollimierten Beleuchtungsstrahles durch die optische Wirkung der vorderen Augenmedien auf die Netzhaut abgebildet und verläßt das Auge wieder als kollimiertes Bündel, das bei nochmaligem Durchgang durch das DOE im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Das vom DOE beeinflußte Teilbündel c, c' des Beleuchtungsstrahls wird auf den Hornhautscheitel fokussiert. Das an der Hornhaut reflektierte divergente Bündel wird beim nochmaligen Durchgang durch das DOE zumindest teilweise rekollimiert. Der Fokus liegt dabei für das Meßlicht vorteilhafterweise in der Schärfenebene der Beobachtungsoptik. Dies bewirkt, daß die konvergente Kugelwelle genau dann an der Hornhaut in sich zurückgeworfen wird, wenn die Beobachtungsoptik auf den Hornhautscheitel eingestellt wird.
Alternativ ist gemäß 3 ein Scharfstellen der Beobachtungsoptik auf den Brennpunkt des konvexen Hornhautspiegels denkbar. Das vom DOE beeinflußte konvergente Teil bündel b, b' des Beleuchtungsstrahles wird von der Hornhautoberfläche als kollimiertes Bündel reflektiert und passiert das DOE zumindest teilweise unbeeinflußt als Bündel c, c'. Das vom DOE unbeeinflußte Teilbündel a, a' dringt teilweise in das Auge ein und wird durch die optische Wirkung der vorderen Augenmedien auf die Netzhaut abgebildet und verläßt das Auge wieder als kollimiertes Bündel, das durch das DOE im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Der an der Hornhautoberfläche reflektierte Anteil des Teilbündels a, a' gelangt als divergentes Bündel auf das DOE und wird von diesem zumindest teilweise rekollimiert.
In 4 ist die Scharfstellung auf den Krümmungsmittelpunkt des Hornhautspiegels dargestellt. Das vom DOE beeinflußte konvergente Teilstrahlenbündel b, b' wird an der Hornhautoberfläche in sich reflektiert und beim nochmaligen Durchgang durch das DOE zumindest teilweise rekollimiert. Das vom DOE unbeeinflußte kollimierte Teilbündel a, a' wird , wie oben schon beschrieben, auf die Netzhaut fokussiert und verläßt das Auge wieder als kollimiertes Bündel, das vom DOE zumindest teilweise unbeeinflußt bleibt. Der Aufbau nach 2-4 bewirkt zusätzlich eine wesentlich unkritischere laterale Positionierung der Apparatur relativ zum Auge. Beim besonders vorteilhaften Einsatz einer kurzkohärenten Lichtquelle für das Meßlicht gestattet der Aufbau eine einfache Einstellung auf maximale, annähernd unendliche Streifenbreite. Die zurückkommenden kollimierten, interferierenden Strahlungsanteile werden durch eine Abbildungsoptik auf einen Detektor abgebildet, die anderen, nicht kollimierten Strahlungsanteile können ausgeblendet werden.
In 5 können im Beleuchtungs- und Meßstrahlengang auch eigenständige Interferometeranordnungen mit externen Referenzflächen bei Mischung der Interferenzsignale und Veränderung der Wellenlänge gemäß US 5347327 , EP 509903 vorgesehen sein, wobei sich vorteilhaft getrennte optische Kanäle zur separaten Beleuchtung und/oder Meßlichtanpassung durch den Einsatz des DOE vermeiden lassen, was zu einer wesentlichen Vereinfachung führt.
Gemäß WO 92/19930 kann auch das Auge in einem Arm einer Interferometeranordnung angeordnet sein, die weiterhin eine verschiebliche Referenzfläche enthält, wobei eine kurzkohärente Lichtquelle vorgesehen ist.
Weiterhin kann 5 einen Beleuchtungs- und Meßstrahlengang gemäß der Darstellung in 1 beinhalten.
In 6 ist das DOE im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet und dient nur der vorteilhaften Aufteilung des Beleuchtungslichtes auf verschiedene Grenzschichten des Auges, während das Meßlicht über einen Strahlteiler auf einen Detektionsstrahlengang gelangt.
In 7 wird durch das in einem Detektionsstrahlengang angeordnete DOE eine Wellenfrontanpassung der von verschiedenen Grenzflächen des Auges stammenden Meßlichtanteile vorgenommen, während über einen Strahlteiler das Beleuchtungslicht einfällt.
In 8 ist eine übliche Phasenfresnellinsenform dargestellt, wobei bei einer Phasenfresnellinse die Höhe der Zähne in etwa der Größenordnung der Meßlichtwellenlänge entspricht, wodurch Beugungseffekte auftreten. Das Verhältnis zwischen beeinflußtem und unbeeinflußtem Strahlungsanteil, d.h. der Wirkungsgrad des DOE kann besonders vorteilhaft über die gewählte Profiltiefe, aber auch durch entsprechende Ausbildung der Phasenfresnellinse mit zonen- oder sektorhaft fehlender Struktur optimiert werden. Der Einsatz mehrerer unterschiedlicher DOEs ist zum Beispiel auch zum Ausgleich der von Patient zu Patient schwankenden relativen Signalstärken von Hornhaut- und Netzhautsignal denkbar. Die in 1 dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit 19 enthält auch Versorgungs- und (Filter-)Verstärkereinheiten für den Detektor 17. Es können auch weitere Kommunikationsanschlüsse der Einheit 19 für weitere Geräte, insbesondere weitere Steuer- und Auswerteeinheiten und weitere Meßgeräte, wie z. B. Ophthalmometer bzw. Keratometer, vorgesehen sein.

Claims

Anordnung zur Messung intraokularer Distanzen zwischen verschiedenen optischen Grenzflächen des lebenden Auges mittels eines interferometrischen Meßsystems, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein diffraktiv-optisches Element (DOE) zur Aufteilung des Beleuchtungsstrahlenganges in Teilstrahlengänge für verschiedene Grenzflächen und/oder zur Vereinigung und gegenseitigen Anpassung der Wellenfronten der von verschiedenen Grenzflächen des Auges stammenden Meßlichtanteile an die Wellenfront des Meßlichtes eines interferometrischen Referenzarmes vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ausbildung des DOE nach An einer Phasenfresnellinse.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungseinrichtung mit einer kohärenten Lichtquelle zur Beleuchtung des Auges über ein interferometrisches Meßsystem, das Mittel zur Verstellung der optischen Weglängendifferenz zwischen zwei interferometrischen Teilstrahlengängen aufweist, sowie Mittel zur Beobachtung und/oder Detektion der von unterschiedlichen Grenzflächen des Auges reflektierten und interferierenden Strahlungsanteile.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungseinrichtung mit einer kohärenten Lichtquelle mit veränderbarer Wellenlänge, eine Referenzanordnung mit fester optischer Weglängendifferenz zur Erzeugung einer definierten, wellenlängenabhängigen Phasendifferenz sowie eine Meßanordnung zur Erzeugung einer wellenlängenabhängigen Phasendifferenz zwischen den von verschiedenen Grenzflächen des Auges oder einer Grenzfläche des Auges und einer externen Referenzfläche reflek tierten Strahlungsanteile, wobei die Signale von Meß- und Referenzanordnung zur Erzeugung von Schwebungssignalen gemischt werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Grenzflächen des Auges jeweils das reflektierte Licht mit von einer vorzugsweise verstellbaren Referenzfläche eines Referenzkanals reflektiertem Licht zur Interferenz gebracht wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß das DOE zwischen dem Auge und den Beleuchtungs- sowie Meßstrahlengängen angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß das DOE zwischen einem Strahlenteiler und dem Auge angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Strahlenteiler eine Aufteilung in einen Beleuchtungs- und einen Meßstrahlengang erfolgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß das DOE sich in einem Meßstrahlengang befindet, der aus einem Beleuchtungsstrahlengang für das Auge ausgeblendet wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, daß das DOE in einem Beleuchtungsstrahlengang für das Auge vor einem Strahlteiler angeordnet ist, der das Meßlicht aus dem Beleuchtungsstrahlengang ausblendet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, daß durch das DOE eine Aufteilung des Beleuchtungslichtes in einen unbeeinflußten und mindestens einen konvergenten Anteil und/oder eine gemeinsame Kollimation der Meßlichtanteile zur Anpassung der Wellenfronten erfolgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergente Anteil des Beleuchtungsstrahlenganges auf den Hornhautscheitel fokussiert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergente Anteil des Beleuchtungsstrahlenganges auf den Brennpunkt des konvexen Hornhautspiegels fokussiert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergente Anteil des Beleuchtungstrahlenganges auf den Krümmungsmittelpunkt des konvexen Hornhautscheitel fokussiert ist
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergente Anteil des Beleuchtungstrahlenganges auf mindestens eine weitere Grenzfläche des Auges fokussiert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–15, gekennzeichnet durch eine Kombination des diffraktiv-optischen Elementes mit mindestens einem weiteren abbildenden Element.
Anordnung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Kombination mehrerer DOE-s.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das abbildende Element mindestens eine Linse ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitätsverhältnis zwischen unbeeinflußtem und beeinflußtem Anteil des Beleuchtungstrahlenganges und/oder das Intensitätsverhältnis der Meßlichtanteile von verschiedenen Grenzflächen des Auges durch den Aufbau des diffraktiv-optischen Elementes bestimmt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–19, dadurch gekennzeichnet, daß durch wahlweisen Einsatz unterschiedlich ausgebildeter diffraktiv-optischer Elemente das Intensitätsverhältnis variiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–20, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Linsenanordnung die von unterschiedlichen Bereichen des Auges reflektierten, überlagerten Teilstrahlengänge nach nochmaligem Durchlaufen des optischen Elementes in eine Detektions- und/oder Beobachtungsebene abgebildet werden.