MEDIZINISCHE OPTIK A. STRAHLENPHYSIK 3

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1 Inhaltsverzeichnis MEDIZINISCHE OPTIK Prof. Schörner A. STRAHLENPHYSIK 3 A.1 WICHTIGE FORMELN 3 A.2 LINSEN 5 A.2.1 ABBILDUNG DURCH SPHÄRISCHE SAMMELLINSE 7 A.2.2 ABBILDUNG DURCH ZERSTREUUNGSLINSEN 9 A.2.3 BEZIEHUNG ZWISCHEN SAMMEL- UND ZERSTREUUNGSLINSE 10 A.3 STRAHLUNGSBEGRENZUNG - APERTUR 10 A.3.1 ÖFFNUNGSSTRAHLENGANG 11 A.3.2 HAUPTSTRAHLENGANG 12 A.4 ABBILDUNGSFEHLER 13 A.4.1 SPHÄRISCHE ABERRATION 15 A.4.2 ABWEICHUNG VON SINUSBEDINGUNG 16 A.4.3 ASTIGMATISMUS 17 A.4.4 BILDFELDWÖLBUNG 18 A.4.5 KOMA, VERZEICHNUNG, CHROMATISCHE ABERRATION PHYSIOLOGISCHE OPTIK - DAS AUGE ANATOMISCHER AUFBAU DES MENSCHLICHEN AUGES OPTISCHER AUFBAU OPTISCHE ELEMENTE AUGENDREHPUNKTE EINZELNE FUNKTIONEN DES AUGES AKKOMMODATION AUGENPUPILLE SEHLEISTUNG DAS FEHLSICHTIGE AUGE BRILLENGLÄSER BEGRIFFE EINSTÄRKEN-BRILLENGLÄSER MIT SPHÄRISCHER WIRKUNG EINSTÄRKEN-BRILLENGLÄSER MIT ASTIGMATISCHER KORREKTUR EINSTÄRKEN-BRILLENGLÄSER MIT PRISMATISCHER WIRKUNG MEHRSTÄRKEN-BRILLENGLÄSER SCHEITELBRECHWERT-MEßGERÄT OPHTHAMOLOGISCHE GERÄTE SPALTLAMPE SPALTPROJEKTOR STEREOMIKROSKOP ODER HORNHAUT-MIKROSKOP MECHANISCHE KOPPLUNG, STELLEINHEIT, STELLEINHEIT ANWENDUNGSFELDER DER SPALTLAMPE OPHTHALMOMETER BAUARTEN VON OPHTHALMOMETERN MEßPRINZIP DER KOINZIDENZGERÄTE 40 1

2 2.2.3 MESSUNG DER BILDGRÖßE Y BILDVERDOPPLUNG ERFAßTER BEREICH AUF DER OBJEKTOBERFLÄCHE OPHTHALMOMETERTYPEN Helmholtztyp Javal-Typ Entfernungskompensierte Ophthalmometer Sutcliffe-Typ AUGENREFRAKTOMETER MANUELLE REFRAKTOMETER Prismenrefraktometer Koinzidenzrefraktometer AUTOMATISCHE REFRAKTOMETER Skiaskopie-Verfahren Scheiner-Verfahren Bildschärfe-Verfahren Schneidenverfahren OPTISCHE GERÄTE IN DER MEDIZIN MIKROSKOPE LICHTMIKROSKOPE Objektive Kondensoren Lichtquellen und Kollektoren Beleuchtungs- und Kontrastierungsmethoden OPERATIONSMIKROSKOPE Strahlengang und Vergrößerung Beleuchtungsvarianten FLUORESZENZMIKROSKOP LASER-SCAN-MIKROSKOP ELEKTRONENMIKROSKOPE Aufbau des Elektronenmikroskops Wechselwirkung zw. Elektronen und Materie TEM REM Raster-Durchstrahlungs-EM (STEM) Analytische Verfahren der Elektronenmikroskopie 73 2

3 A. STRAHLENPHYSIK A.1 Wichtige Formeln Brechzahl: c λ n = = λ c n 0 0 d.h. n für versch. Medien > 1 Dispersion: n ε ε n = f(λ) mittlere Dispersion: n = n F -n C n F : Brechzahl der blauer Cadmiumlinie n C : Brechzahl der roter Cadmiumlinie n e : Brechzahl der Quecksilberlinie n 1 = n n (relative, reziproke Dispersion oder) Abbesche Zahl: ν e e F C Reflexion: 3

4 ε r Reflexionswinkel ε r` = -ε der Reflexionswinkel ist unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes ε n Totalreflexion: sinε g = n n < n ε g = arcsin ' n n n n Wann findet Totalreflexion statt? 1. Wenn die Reflexion im optisch dichterem Medium (hier n) an einer Fläche gegen das optisch dünnere Medium (hier n`) erfolgt. ε g 2. Wenn der Einfallswinkel ε größer ist als der Grenzwinkel ε g der Totalreflexion Der Grenzwinkel der Totalreflexion ist von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. Parallelversetzung V eines Strahles durch planparallele Platte: n n n ε V = d sin( ε ε ) cos ε ε ε d V hängt ab von: Dicke d Einfallswinkel ε Quotient aus n /n n n n Kreuzungspunkt eines Strahlbündels bei einer Planplatte: n x = d ( 1 n ) Der Kreuzungspkt. eines Strahlbündels im Gaußschen Raum wird um die Strecke x verschoben x d Prisma: α Das Prisma im opt. dünneren Medium lenkt den Lichtstrahl zur Prismenbasis hin ab. Die Größe der Ablenkung (δ) ist abhängig von: - Prismenwinkel α - Einfallswinkel ε - Quotient der Brechzahlen n n ε δ Für kleine Prismenwinkel α gilt: δ = (n -1) α (α klein) In der Brillenoptik: Angabe der Ablenkung P eines Lichtstrahls in cm m wenn: P cm = 100 tanδ m Drehkeilpaar: Der Ablenkwinkel δ ist proportional zur Entfernung AB δ = 2 (n -1) α cos β 4

5 A.2 Linsen Unterscheidungsmerkmale: - Sammellinsen - Zerstreuungslinsen - sphärische Linsen - asphärische Linsen Zylinderlinse Torische Linsen 1 Brechwert bzw. Brechkraft einer Linse: 1 Dioptrie 1/m D = [dpt] f 1 dpt = 4 dpt = 5 dpt = 1 1m m m oder: D = n' n r Sphärische Linsen: Asphärische Linsen: Astigmatische Linsen: begrenzt durch Kugelfläche nicht durch Kugelfläche begrenzt (d.h., damit läßt sich keine punktförmige Abb. erreichen) 5

6 d z.b. Zylinderlinse oder Kombination aus Zylinderfläche + Kugelfläche r 1 n1 n 2 n 1 r 2 Die Abbildung durch eine planzylinder Linse ist nicht punktförmig (stigmatisch) sondern astigmatisch. verschiedene Kombinationsmöglichkeiten: z.b. bi-zylindrische Linsen sphäro-zylindrische Linsen sphäro-torische Linsen D 1 n1 n1 = D r 1 2 n2 n1 = D = D + D δ D D r Gullstrandsche Formel resultierende Brechkraft für dicke Linse δ = d n 1 : reduzierte Dicke Für unendlich dünne Linse: D = D1 + D2 bzw. D = ( n 1) 1 1 r r 1 2 n : Brechzahl im Medium (z.b. Glas) Die Wirkung von Brillengläsern wird meist mit dem Scheitelbrechwert S angegeben. Dies ist der Kehrwert, der in Metern gemessenen bildseitigen Schnittweite s : S = D d D n = s mit S : Scheitelbrechwert s : Schnittweite, δ = d/n Bildseitiger Brennwert der dicken Linse 6

7 A.2.1 Abbildung durch sphärische Sammellinse sphärisch: durch Kugelfläche begrenzt: Objektseite - Bildseite Es wird die Objektebene abgebildet in die Bildebene. s = Abstand der Tangente an 2.Linsenfläche nach F H H Q 1 Q 0 F F Q 0 Q 1 Objektseite Bildseite - Achsenparallele Strahlen gehen über in Brennpunktstrahlen - Brennpunktstrahlen gehen über in achsenparallele Strahlen - Hauptstrahlen werden parallel versetzt Am Ort, wo sich Strahlen gleichen Ursprungs schneiden entsteht ein optisches Bild. Virtuelles Bild immer auf Objektseite! 7

8 Es entsteht ein vergrößertes virtuelles Bild, wenn das Objekt im Bereich zw. Brennpunkt und der Sammellinse liegt. Der objektseitige Brennwert einer dicken Linse: d D h' = 1 n D = bildseitige Hauptpunktverschiebung S = D d n D 1 2 d D h = 2 n D = objektseitige Hauptpunktverschiebung Aufgabe: Ein Brillenglas mit sammelnder Wirkung hat die Begrenzungsflächen mit der Brechkraft D 1 = 14,54 dpt und D 2 = -6 dpt. Die Mittendicke ist 8mm; Brechzahl n=1,52. Berechnen Sie: - die Brechkraft D - den bild- und objektseitigen Scheitelbrechwert S, S - die Lage der Hauptpunkte H, H D = D 1 + D 2 - δ D 1 D 2 δ = d n = 0, 053m D = 9 dpt bildseitiger Scheitelbrechwert: S objektseitiger Scheitelbrechwert: S = S + S = ' = D d n D 1 1 = 9,75 dpt 8

9 δ D h = 2 = 0, 0035m D δ D h = 1 ' = 8, 6mm D Der bildseitige Hauptpunkt H liegt hier 8,6 mm vor dem bildseitigen Scheitel S, also um 0,6 mm vor dem Linsenscheitel A.2.2 Abbildung durch Zerstreuungslinsen Ein achsenparalleles Bündel auf der Objektseite ergibt ein divergentes Bündel auf der Bildseite. Zielen konvergente Strahlen auf den Brennpunkt, dann werden aus den konvergenten Strahlen achsenparallele Strahlen. 9

10 A.2.3 Beziehung zwischen Sammel- und Zerstreuungslinse Sammellinse: reelle Objekte von - bis objektseitige Brennebene F umgekehrt reelle Bilder von bildseitiger Brennebene F bis +. Zerstreuungslinse: virtuelle Objekte von + bis objektseitige Brennebene F umgekehrt virtuelle Bilder von bildseitiger Brennebene F bis -. A.3 Strahlungsbegrenzung - Apertur Eintritts- und Austrittspupille können reelle oder auch virtuelle Bilder der Aperturblenden sein; sie können auch mit der Aperturblende zusammenfallen. Die Begrenzung der Strahlen kann erfolgen durch: Blenden Linsenfassung Iris des Auges Je größer der Öffnungswinkel 2u, umso größer ist die Lichtmenge, die in das optische System eintritt. Bei mehrteiligen Linsensystemen wird die AB in der Regel von den einfallenden Begrenzungsstrahlen nicht direkt erreicht. 10

11 A.3.1 Öffnungsstrahlengang Ursprung der Öffnungsstrahlen: Achsenobjektpunkt Strahlen von Achsenobjektpkt. O werden begrenzt durch die AB Größe der AB bzw. des Bildes der AB bestimmt die einfallende Lichtmenge (Winkel 2u) Eine wichtige Größe zur Beschreibung eines opt. Systems ist die Blendenzahl k: k f' Brennweite = = D DurchmesserEP EP Kehrwert von k, d.h. 1/k = Öffnungsverhältnis Beispiel: Linse mit f = 200mm, = 40mm k = 200 / 40 = 5 1/k = 1/5 Öffnungsverhältnis: 1:5 Apertur: A = n * sin u u = halber Öffnungswinkel A = ½ k Beispiel: Fotoobjektiv mit Öffnung 1:2 d.h. k = 2 A = ¼ = 0,25 Beispiel: Objektiv mit A = 1,3 Öffnungsverhältnis 1:0,4 11

12 A.3.2 Hauptstrahlengang Ursprung der Hauptstrahlen: achsenferne Punkte Konstruktion: Hauptstrahlen gehen durch die Mitte der AB u. durch die Mitte der EP u. der AP Hauptstrahlengang bestimmt die Größe der erzeugten Bilder. In manchen Fällen wird außer der Öffnungs- und Hauptstrahlen auch der schräge Öffnungsstrahlenverlauf angegeben. Die Begrenzung der Hauptstrahlen erfolgt durch die Gesichtsfeldblende (GBL) Eintrittsluke: objektseitiges Bild der GBL Austrittsluke: bildseitiges Bild der GBL 12

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14 14 A.3.3 Schärfentiefe v r v r a a t z k f a f f a a z k f a f f a a Apertur t = + = = ' ) ( ² ² ' ) ( ² ² 1 ~ mit der Blendenzahl k: d EP f k ' = z.b. beim Fotoapparat: f = Brennweite des Objektivs, d EP =Durchmesser der Aperturblende Bei Objektiven wird häufig das Öffnungsverhältnis angegeben: 1/k Apertur = 1/ 2k, da normal nur der halbe Öffnungswinkel angegeben wird u n A sin =, mit u=halber Öffnungswinkel Bei Fotoobjektiven: 1:2 -> Apertur=0.25

15 A.4 Abbildungsfehler Geltungsbereich: schmaler Raum um die opt. Achse Gauß scher bzw. paraxialer Raum; hier gelten die Abb.-Gesetze Bei überschreiten dieses paraxialen Raumes: Strahlen, die von einem Objektpkt. ausgehen, vereinigen sich nicht in einem Bildpkt. Ursache: Abbildungsfehler oder opt. Aberrationen Abhilfe: - Linsenkombinationen - Einfügen von Blenden - Asphärische Flächen A.4.1 Sphärische Aberration Strahlen werden bei zunehmender Einfallshöhe bei einer Linse stärker abgelenkt, d.h. man erhält unterschiedliche Schnittweiten. Die Strahlen schneiden die opt. Achse in verschiedenen Brennpunkten. Sammellinse: negative sphärische Aberration ( s = neg.) Zerstreuungslinse: positive sphärische Aberration ( s = pos.) Sphärische Aberration / Öffnungsfehler: s = s h - s o s o = paraxiale Schnittweite s h = Schnittweite für best. Einfallshöhe des Strahls Bei Sammellinsen: Bei Zerstreuungslinsen: s ' = negativ s ' = positiv 15

16 Durch sphär. Aberration wird z.b. ein Objektpunkt als Zerstreuungskreis abgebildet. Abhilfe: - Kombination von 2 Linsen entgegengesetzter sphär. Aberr. - Aperturblende verkleinern ( näher an opt. Achse) - opt. Fläche mit unterschiedlicher Krümmung (Asphäre, bei der nach außen der Krümmungsradius zunimmt - Fresnellinse (dadurch jedoch schlechtere Abbildungsverhältnisse) A.4.2 Abweichung von Sinusbedingung Eine kleine, den Achsenpunkt umgebende Fläche, wird zwar durch alle Linsenzonen in die gleiche Bildebene abgebildet, jedoch mit unterschiedlichem Maßstab. Sinusbedingung (Abbé): sinu sinu sinu2 sinu3 = = =... = β = const. sinu sinu 1 ' ' ' u 1, u 2, u 3 : unterschiedliche Öffnungsstrahlwinkel 16

17 Abhilfe: Merke: - abblenden (Nachteil: Bilder lichtschwach) - asphär. Flächen höherer Ordnung (aplanatische Linsen) - zwei Linsen entgegengesetzter Richtung Auf sphär. Aberration u. Sinusbedingung korrigierte Systeme nennt man Aplanate A.4.3 Chromatische Abberation Brechzahl f (λ) Mittlere Dispersion: Abbesche Zahl: υ n = -> Dispersion n n F C Wird ein weißer Punkt auf der optischen Achse mit einer Sammellinse abgebildet, so entsteht im Bildraum nicht ein Bildpunkt, sondern innerhalb eines Bereiches eine Reihe von Bildpunkten mit verschiedenen Farben. Blaues Licht wird am stärksten gebrochen und rotes Licht wird am schwächsten gebrochen. Dort wo alle Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge auftreffen, ergibt sich die Mischfarbe weiß. Den Rand des Zerstreuungskreises bildet die Mischfarbe aus blauen und roten Strahlen (purpur). Bringt man vor oder hinter einer dünnen Sammellinse eine Zerstreuungslinse mit entgegengesetzter gleicher Farbzerstreuung an (verkippen), so wird er Farbfehler behoben. Dazu muss man Materialien mit unteschiedlichen Brechungsindizes verwenden. A.4.4 Astigmatismus tritt auf bei der Abbildung achsenferner Punkte: Die sphärische Linse wirkt hierbei wie eine astigmatische Linse Astigmatismus schiefer Bündel tritt z.b. auf bei Korrektion fehlsichtiger Augen durch Brillengläser. entsteht bei Abbildung achsenferner Punkte durch schmale Strahlenbündel (s. Bild) statt Bildpunkt (Fokuspkt.) entsteht Bildlinie (Fokuslinie) Im Bildraum 2 Bildlinien: 1. sagittale Bildlinie S 2. tangentiale Bildlinie T Zwischen S und T entsteht ein Kreis K kleinster Verwirrung. Die Gesamtheit der sagittalen und der tangentialen Bildlinien ergibt jeweils eine Bildschale. 17

18 A.4.5 Bildfeldwölbung Bei der Korrektion des Astigmatismus schiefer Bündel wird erreicht, daß die sagittale und die tangentiale Bildschale zusammenfallen. Meist sollen achsensenkrechte Objekte in eine achsensenkrechte Ebene abgebildet werden. Bei der Bildfeldwirkung ergibt sich für achsenferne Punkte in der achsensenkrechten Bildebene eine Zerstreuungsfigur Z. Beseitigung der Bildfeldwölbung: n 1 / n 2 = - D 1 / D 2 (Petzvalsche Bedingung) Minus: wg. Linsen mit entgegengesetzter Wirkung d.h. durch Kombination von Sammel- und Zerstreuungslinse kann dies erreicht werden. 18

19 A.4.6 Koma, Verzeichnung, chromatische Aberration Koma: Bei großer AB werden achsenferne Punkte (schiefe Bündel) nicht mehr scharf abgebildet. In der Bildebene entstehen asymmetrische Zerstreuungsfiguren (Form von Kometen die Koma) Koma kann man durch Anwendung asphärischer Flächen korrigieren. Verzeichnung: Kissenförmig: Abbildungsmaßstab nimmt mit wachsender Hauptstrahlneigung zu Tonnenförmig: Abbildungsfehler auf Grund der unterschiedlichen Brechung als Funktion der Wellenlänge λ Eine einfache Sammellinse mit Vorderblende -> Tonnenförmige Verzeichnung, d.h. Hauptstrahlen mit größerem Winkel w fallen in einem größeren Abstand von der optischen Achse auf die Linse. Bei Verwendung einer Hinterblende hinter einer gegen Astigmatismus schiefer Bündel korrigierter Linse, erhält man eine kissenförmige Verzeichnung. 19

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21 1. PHYSIOLOGISCHE OPTIK - DAS AUGE 1.1 Anatomischer Aufbau des menschlichen Auges 3 Schalen: - Lederhaut (im Frontbereich: Hornhaut) - Aderhaut - Netzhaut 3 Räume: - vordere Augenkammer - hintere Augenkammer - Glaskörperraum Horizontalschnitt des Auges, von oben gesehen: Nase zugewandt: nasal Schläfen - - : temporal Durchmesser des Auges ca. 24 mm Begriffe: Augenhöhle: orbita Augenlider: palpebrae Bindehaut: conjunktiva Tränendrüse: glandula lacrimalis Wesentliche Begriffe: Cornea (Hornhaut) 21

22 1.2 Optischer Aufbau Optische Elemente Retina (Netzhaut) Sklera (Lederhaut) Makula (gelber Fleck) Mariottescher Fleck (blinder Fleck) Hornhaut Vorderkammer Linse Glaskörper D C = 43 dpt D C = 43 dpt D AL = 19 dpt D AL = 19 dpt Gesamtbrechwert des Auges: D = 59 dpt Netzhaut entspr. Bildfläche Iris Aperturblende Augendrehpunkte mechanischer Augendrehpunkt M (ca. 13,5 mm hinter vorderem Hornhautscheitel) Gesichtslinie / Sehachse = Verbindungsgerade zw. fixiertem Objektpkt. und dem dazu konjugierten Bildpkt. in der Mitte der Netzhautgrube (Fovea) Fixierlinie / Visierlinie = Verbindungsgerade zw. zentral abgebildetem Objektpunkt und der Mitte der Eintrittspupille Optischer Augendrehpkt. Z = Fußpkt. des Lotes vom mechan. Augendrehpkt. M auf die Fixierlinie bei Nullblickrichtung. Wird ein unendlich fernes Objekt fixiert, so sind Gesichtslinie GL und Fixierlinie FL parallel Adduktion = Einwärtsbewegung des Auges Abduktion = Auswärtsbewegung des Auges 22

23 Blick- und Gesichtsfeld: Alle Punkte, die bei ruhendem Kopf durch Drehbewegung des Auges erfaßt werden können, ergeben das monokulare Blickfeld. Jeder Punkt des Blickfeldes kann durch Augenbewegung in die Mitte der Netzhautgrube abgebildet werden. 1.3 Einzelne Funktionen des Auges Akkommodation (= Anpassungsfähigkeit) Brechkraft der Linse kann durch Anspannen des Ziliarmuskels gesteigert werden. Akkommodationsfähigkeit wird mit zunehmendem Alter geringer Alter in Jahren Fern- und Nahpkt. begrenzen das Akkommodationsgebiet Anpassungsfähigkeit in dpt 23

24 - Einstellpunkte: Punkte dazwischen - Akkommodationsentfernung: zugehörige Entfernung vom vorderen Augenhauptpunkt Einstellrefraktion: D E = 1/a E [dpt] D E = Einstellrefraktion Akkommodationsaufwand: D = D E - D R D R = Fernpunkt-Refraktion D P = Nahpunkt-Refraktion D max = D P - D R (D R = 0) 24

25 1.3.2 Augenpupille Öffnung zwischen mm mittlere Öffnung: mm Bei Benutzung von optischen Instrumenten: Austrittspupille des Instruments = Eintrittspupille des Auges Sehleistung Absolute Empfindlichkeitsschwelle: 10-9 lx Relative Empfindlichkeitsschwelle = Kontrastempfindlichkeit = geringster noch wahrnehmbarer Leuchtdichteunterschied: L/L [%] Auflösungsvermögen: - die Fähigkeit, benachbarte Punkte getrennt wahrzunehmen. Verantwortlich dafür: Physiologischer Grenzwinkel. Punktförmige Objekte: Winkelsekunden Strichförmige Objekte: Winkelsekunden Auflösungsvermögen Visus Bestimmung mittels Landolt-Ring (Bild 1) Visus 1 = Landolt-Ring, dessen Aussparung unter einem Sehwinkel von 1 Winkelminute und dessen Außendurchmesser unter 5 Winkelminuten erscheinen. Visus = (Istentfernung / Sollentfernung) * Sehschärfewert Adaption und Blendung: Adaption = Fähigkeit des Auges, sich Leuchtdichtewerten anpassen zu können. Je nach Leuchtdichte sind Stäbchen und Zapfen an der Bilderfassung beteiligt. Stäbchen: sehr lichtempfindlich, < 10cd/m 2 Zapfen: weniger lichtempfindlich, > 5*10-3 cd/m 2 < 5*10-3 cd/m 2 nur Stäbchen (Nachtsehen = skotopisches Sehen) 5*10-3 cd/m cd/m 2 Zapfen + Stäbchen (Dämmerungs- = mesopisches Sehen) > 10 cd/m 2 nur Zapfen (Tagessehen = photopisches Sehen) Helladaption: schnell (Zapfen) Dunkeladaption: langsam (Stäbchen) Sofortadaption: min Daueradaption: 30 min 25

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27 1.3.4 Das fehlsichtige Auge fehlsichtig: ametrop (Fernpunkt des Auges liegt nicht im Unendlichen) rechtsichtig: emmetrop kurzsichtig: myop weitsichtig: hyperop astigmatisch fehlsichtig: findet in zwei zueinander senkrecht stehenden Meridianebenen (Hauptschnitten) keine Vereinigung der gebrochenen Strahlen statt, so ist das Auge astigmatisch fehlsichtig. 27

28 Kurzsichtigkeit: Fernpunkt liegt im endlichen Abstand vor dem Auge. Fernpunktrefraktion AR < 0 Kurzsichtigkeit meist durch längere Bauform des Auges bedingt. Übersichtigkeit: Fernpunkt liegt virtuell hinter dem Auge. Fernpunktrefraktion AR > 0 Übersichtigkeit entweder durch zu kurze Baulänge oder zu geringer Brechwert durch Hornhaut und Linse (DR) vorgegeben. 28

29 Astigmatismus: Das astigmatische Auge hat unterschiedliche brechende Wirkung in den Meridianen. Wie bei astigmatischen Linsen gibt es auch beim astigmatischen Auge einen Meridian stärkster und einen Meridian schwächster Wirkung. Bedingt ist dies meist dadurch, daß das Auge um die eine Achse stärker gekrümmt ist als um die andere, d.h. Hornhaut ist selten achsensymmetrisch. 29

30 Hornhaut-Astigmatismus nach der Regel: senkrechter Meridian ist stärker gekrümmt als horizontaler. Für Korrektur ist das Auffinden des Meridians stärkster und schwächster Wirkung wichtig. Einfacher Astigmatismus: Auge in einem Meridian (Hauptschnitt) rechtsichtig (emmetrop), im anderen fehlsichtig. Arten von Astigmatismus: - Hornhautastigmatismus - Linsenastigmatismus: Astigmatismus der Kristalllinse - Einfacher Astigmatismus - zusammengesetzter Astigmatismus Zusammengesetzter Astigmatismus: Gleichartige, aber dem Grade nach unterschiedliche Fehlsichtigkeit. Alterssichtigkeit: D max = altersabhängig Mit zunehmendem Alter verringert sich die Elastizität der Augenlinse, d.h. das Akkommodationsgebiet wird kleiner. D max < 4dpt Auge alterssichtig Leuchtdichteeinfluß: Mit abnehmender Gesichtsfeldleuchtdichte entfernt sich der Nahpunkt vom Auge (Nachtpresbyopie) und der Fernpunkt kann dichter an das Auge heran rücken (Nachtmyopie). 30

31 1.4 Brillengläser Begriffe Dioptrische Wirkung: - sphärische... - zylindrische... Wirkung für eine bestimmte Strahlenrichtung und be- - prismatische... stimmte Stelle des Brillenglases Nullglas: es liegt keine dioptrische Wirkung vor Bezugspunkt B = Punkt auf der objektseitigen Fläche des Glases, in dem die dioptrische Wirkung herrschen soll. Dicke im Bezugspunkt B = Dicke in Richtung der Normalen in B Optischer Mittelpunkt O = Scheitelpunkt der objektseitigen Fläche (d.h. Lichtstrahl wird nicht gebrochen) O = B bei Brillengläsern mit sphärischer und astigmatischer Wirkung Geometrischer Mittelpunkt = Mittelpunkt der objektseitigen Fläche des unbearbeiteten, rohkantigen Glases. 31

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33 1.4.2 Einstärken-Brillengläser mit sphärischer Wirkung Scheitelbrechwert und Durchbiegung: Brillengläser mit sphärischer Wirkung besitzen in allen Meridianebenen den gleichen Scheitelbrechwert S'. Sie werden als sphärische und bei hohen Dioptriewerten als asphärische Gläser ausgeführt. Brillengläser werden nach Scheitelbrechwert S' bezeichnet (unabhängig von der Durchbiegung). Berechnung des Scheitelbrechwertes S : Scheiteltiefe t: t = r r 2 2 Näherungsformel: für Brillenglas n = 1,525 2 S' = D t = D 1 δ D

34 1.4.3 Einstärken-Brillengläser mit astigmatischer Korrektur Diese Gläser haben in zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen verschiedene Scheitelbrechwerte. Pluszylinder: Minuszylinder: Sphäre + Pluszylinder Sphäre + Minuszylinder Tabo-Gradbogen-Schema: dient zur Kennzeichnung der Hauptachsen und Eintragung der Lage der Achsen. Die Millimetereinteilung in der Mitte dient zur Einzeichnung von Dezentrationen Einstärken-Brillengläser mit prismatischer Wirkung Trifft ein Lichtstrahl außerhalb des optischen Mittelpunktes auf das Brillenglas, so wird er aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Die prismatische Wirkung (Ablenkung) wird in cm/m angegeben und die Basislage B wird durch entsprechende Winkelangabe in diesem Tabo-Gradbogen-Schema eingetragen. Beispiel: R: sph. - 3,0 zyl. + 0,75 A 12 pr 1,5 B.a. 0,5 B.o. L: sph. - 2,5 zyl. + 1,00 A 5 pr 1,5 B.a. 0,5 B.u. MA = 68mm B.i. (Basis innen) B 0 für rechtes Glas und B 180 für linkes Glas. B.a. (Basis außen) B 180 für rechtes Glas und B 0 für linkes Glas. B.o. Basis oben B.u. Basis unten Die prismatische Wirkung von Einstärken-Brillengläsern hängt ab vom Scheitelbrechwert S und von der Entfernung d des betrachteten Punktes vom optischen Mittelpunkt. Prismatische Wirkung: P = d * S d in cm, S in dpt Mehrstärken-Brillengläser Verschiedene abgegrenzte Bereiche auf dem Brillenglas, z.b. Bifokalglas: Grundglas + 1 Zusatzglas Trifokalglas: Grundglas + 2 Zusatzgläser Grundglas alleine: Grundteil Grundglas + Zusatzlinse: Zusatzteil Meist: optischer Mittelpunkt der Zusatzlinse gegenüber dem des Grundglases dezentriert. Grundteil oder Zusatzteil: für Sehen in die Ferne: Fernteil in die mittlere Entfernung: Mittelteil in die Nähe: Nahteil Zusatzlinsen...sind entweder an das Grundglas angeschliffen oder in das Grundglas eingeschmolzen (Material mit anderer Brechzahl) 34

35 1.4.6 Scheitelbrechwert-Meßgerät zum Messen des Scheitelbrechwertes einer Brille wird ein Scheitelbrech-/-brenn-wertmeßgerät eingesetzt. Der Scheitelbrechwert ergibt sich aus der Formel: S = z K / f K 2 z K * s Bl = f K 2 z K = Verschiebeweg der Testmarke f K = Brennweite des Kollimators s Bl Abstand bildseitiger Brennpunkt Auflagefläche der Linse 35

36 2. OPHTHAMOLOGISCHE GERÄTE 2.1 Spaltlampe Wichtigstes Instrument des Augenarztes. Sie ist Basisgerät der Diagnostik für vorderen Augenabschnitt für den Fundus (Augenhintergrund) für Dokumentation (Foto) im vorderen Augenabschnitt therapeutische Anwendung: Laserkoagulator Bestandteile der Spaltlampe : 1. Spaltprojektor 2. Stereomikroskop 3. Verstelleinheit Spaltprojektor Die brechenden Medien des Auges sind meist nicht glasklar, deshalb wird kurzwelliges Licht, das auf die Medien trifft, gestreut. Beim Spaltprojektor wird meist das Köhlersche Beleuchtungsprinzip verwendet. Die Wendel der Lampe wird über den Kondensor in das Projektionsobjektiv abgebildet. Das Projektionsobjektiv bildet den Spalt, der direkt am Kondensor liegt und gleichmäßig ausgeleuchtet ist, in das Auge ab. 36

37 Für die Betrachtung wäre eine möglichst hohe Schärfentiefe nötig. Die Schärfentiefe ist jedoch umgekehrt abhängig von der Öffnung (Apertur) des Projektionsobjektives, die die Helligkeit der Abbildung bestimmt. Man muß daher einen Kompromiß eingehen: α Die Apertur sollte eine Größe haben, so daß sin 0, 05 2 Schärfentiefe 1/A A: Apertur Definition: a r = 2 a f f² a f K z' ( ) K: Blendenzahl = f /D EP f : Brennweite a v = a f² f² + a f K z' ( ) D EP : Eintrittspupille Schärfentiefe: A = 1/ 2K t = a r - a v Öffnungsverhältnis = 1 / K Stereomikroskop oder Hornhaut-Mikroskop Stereomikroskop = Beobachtungsteil der Spaltlampe. Es kann als stereoskopische Fernrohr-Lupe angesehen werden, bestehend aus: 1 große Lupe 2 galileische Fernrohre (= Wechsler) 2 Kepler-Fernrohre In einfacher Ausführung (ohne Wechsler) nur große Lupe und zwei Keplersche Fernrohre. Prinzip: das Objekt Y wird durch die Lupe (H L ) ins Unendliche projiziert und durch das Keplersche Fernrohr beobachtet. Bei den Spaltlampen wird zusätzlich ein galileisches Fernrohr als Vergrößerungs-Wechsler verwendet. Es sind 5 verschiedene Vergrößerungen bzw. Verkleinerungen damit realisierbar. 37

38 Die gesamte Vergrößerung: V ges = V lupe * V wechsler * V fernrohr Der Vergrößerungswechsel erfolgt durch Verstellen des Wechslers und durch Wechseln des Okulars. 38

39 2.1.3 mechanische Kopplung, Stelleinheit, Stelleinheit Bei den ersten Spaltlampen: Spaltlampe und Mikroskop getrennt. Heute: Mikroskop und Spaltlampe auf gemeinsamer Drehachse. Steuerung: mit Steuerknüppel horizontal oder durch Drehen des Steuerknüppels vertikal. Patientenauge wird durch bewegliche Fixierlampe in die optimale Untersuchungslage geführt. Der Spalt kann um 180 gedreht werden, Spaltbreite und Spalthöhe sind veränderlich. Zur Untersuchung am Augen-Hintergrund: entweder... Hruby-Linse vor das Patienten-Auge setzen (von Hand) oder.. Kontaktgläser auf das Auge setzen Anwendungsfelder der Spaltlampe a) zur Beobachtung der vorderen Augenmedien b) Tonometrie: Messung des Augeninnendrucks mit Zusatzgerät: Tonometer c) Fundus-Beurteilung (Fundus = Augenhintergrund) mit Hruby-Linse oder mit Kon taktgläsern d) Gonioskopie: Untersuchung des Kammerwinkels mit speziellem Kontaktglas. e) Dokumentation: mit Fotokamera 2.2 Ophthalmometer dienen zur berührungslosen Bestimmung von Krümmungsradien: 1. der Hornhaut-Vorderfläche 2. der Rückfläche von Kontaktlinsen Bauarten von Ophthalmometern a) Einbildgeräte b) Koinzidenzgeräte c) topographische Geräte d) automatische Ophthalmometer zu a) eine Testmarke wird über ein Autokollimationsmikroskop in den Krümmungsmittelpunkt M und anschließend in die Objektfläche OF abgebildet. Das durch die Objektfläche erzeugte Bild wird mit demselben Mikroskop betrachtet. Die Differenz der dazu nötigen Einstellung ergibt den Krümmungsradius r der Objektfläche OF. 39

40 Einbildgeräte werden hauptsächlich zur Bestimmung des Krümmungsradius bei Kontaktlinsen verwendet. zu b) (Prinzip siehe 2.2.2) Helmholtztyp Javal-Typ: zwei Marken werden zur Deckung gebracht Entfernungskompensierter Typ Sutcliffe-Typ zu c) Mit den topographischen Geräten wird die Oberfläche bestimmt. Es wird ein Testmuster auf die Horhaut projiziert und das entstehende Bild photographisch oder mit Hilfe digitaler Bildverarbeitung ausgewertet. zu d) Sie beruhen meist auf topographischen Ophthalmometern und sind mit digitaler Bildauswertung gekoppelt Meßprinzip der Koinzidenzgeräte 2 Testmarken T1 und T2 befinden sich im Abstand a vor der Objektfläche OF (z.b. die Hornhaut) Objektfläche wirkt als sphärischer Spiegel und erzeugt zwei Bilder T1 und T2. Testmarkenabstand: Abstand Testmarkenbilder: Abstand Objektfläche Abbildungsgleichungen für den sphärischen Spiegel: aus (1)..(3) ergibt sich: d.h. r y T1 T2 = 2y T1 T2 = 2y OF T1,T2 = a y / y = a / a (1) 1/ a = 1/ a + 1/ f (2) f = r/ 2 (3) r = (2ay )/ (y-y ) da y >>y, gilt: 2a / y = Gerätekonstante (bei vorgegebenem Abstand a) Das Beobachtungssystem BS dient zur Bestimmung der Bildgröße y. 40

41 Es wird jeweils der Krümmungsradius des Meridians der Oberfläche parallel zur Verbindungslinie der- Testmarken T1 und T2 gemessen Messung der Bildgröße y siehe Skizze Testmarkenbilder die Skizze zeigt die vom Beobachter zu sehenden Testmarkenbilder a) Beobachter sieht durch Fernrohr-Lupe zwei Testmarkenbilder T1, T2. Im Ophthalmometer ist Bildverdopplung und mit einem Meßsystem wird die Verschiebung v der Testmarkenbilder gemessen. Bei a) werden die Testmarkenbilder ohne Verdopplung gezeigt. b) Nach Einbringen des Verdopplungssystems: Testmarkenbilder doppelt, d.h. T1 T1 und T2 T2. Die Doppelbilder sind um den Betrag v verschoben. c) Koinzidenz von T1 und T2 liegt vor, wenn v = y Bildverdopplung mit folgenden opt. Komponenten: Planplatten (nach Helmhotz 1855) Doppelprismen (nach Hartinger 1934) Prismen-Linsen-Kombination (Littmann 1951) Bei der Parallelverschiebung durch Planplatten verlaufen die Hauptstrahlen zwischen OF und Beobachtungsfläche parallel oder achsenparallel. Die gemessene Bildgröße y ist von der Entfernung zwischen OF und Beobachtungssystem BS unabhängig. Bei der Winkelaufspaltung schließen die zur Messung benutzten Hauptstrahlen einen Winkel δ ein. Die Bildgröße ist dann: 2y = b * tanδ. Für den Krümmungsradius r ergibt sich dann r = (a * b * tanδ) / y. Eine richtige Messung von y ist nur möglich, wenn die richtigen Abstände a und b eingehalten werden. Die Betrachtung der Parallelverschiebung und der Winkelaufspaltung erfolgt von der Beobachtungsseite aus. 41

42 2.2.5 Erfaßter Bereich auf der Objektoberfläche (z.b. Hornhaut oder Kontaktlinse) Die Öffnungsstrahlen beginnen an den Testmarken T1 und T2. Sie werden an der Objektoberfläche reflektiert, d.h. sie scheinen von T1 und T2 auszugehen. Begrenzung der Öffnungsstrahlen durch die Größe der Eintrittspupille. Es tragen nur zwei kleine Flächenelemente ( = k) zur Messung bei. K = f ( EP, Abstand [EP-OF]). Werte für k: 0,1...0,5mm Dreht man das Ophthalmometer um die optische Achse, so liegen diese Flächenelemente (k) auf einem Kreisring mit dem d. Näherungsweise ist d = Bildgröße und proportional zum Krümmungsradius r. Werte für d: 1,5...4mm. Mißt man den Krümmungsradius außerhalb der zentralen Zone, so ist die Krümmung in den Flächenelementen verschieden (Testmarken werden nicht gleichzeitig scharf). Dennoch gewisse Koinzidenz realisierbar Ophthalmometertypen Helmholtztyp entfernungunabhängig (Instrument Objektfläche). Entsprechend: r = (2 a * y ) / y geht a = Abstand T1,T2 - OF in die Messung. Beim ersten Ophthalmometertyp Helmholtz: a = 5m. Bildgröße y wird durch Schwenken von zwei Planplatten gemessen. Littmann zeigte 1951, daß es genügt, die Testmarken durch Kollimatoren ins Unendliche abzubilden, um von der Entfernung a unabhängig zu werden. Die Berechnung des Krümmungsradius r erfolgt nach r = y / sin(σ/2) (σ/2 = Winkel zw. T1M,M-BS) Dabei ist σ der Winkel, den die beiden Beleuchtungskollimatoren einschließen. 42

43 Javal-Typ entfernungsabhängig Bei der Konstruktion nach Javal und Schiötz sind Testmarken M1, M2 auf Kreisbogen mit Radius R verschiebbar angeordnet. Mittelpunkt von R fällt mit Krümmungmittelpunkt von OF zusammen. Auf dem gleichen Kreisbogen liegt Scheitelpunkt des Winkels δ, um den der Beobachtungsstrahl aufgespalten wurde. Näherungsweise gilt: bzw. mit a = b: 2 b r = tan δ y Exakte Formel: r = R a b r = tan δ y sin δ 2 δ + σ sin σ 2 Winkelabspaltung bei Beobachtung durch Wollaston-Prisma: dadurch wird das auftreffende, unpolarisierte Lichtbündel in zwei energiegleiche Lichtstrahlen aufgespalten, die senkrecht zueinander polarisiert sind und einen konstanten Winkel δ = 1 einschließen. (δ = Gerätekonstante). Zur Messung werden die Testmarken auf einem Kreisbogen verschoben, so daß sich der Winkel σ ändert. Der richtige Wert für r kann nur ermittelt werden, wenn a = b = R. Richtige Entfernungseinstellung: Scharfstellen des Okulars auf einen Faden (Ebene G) und Justieren des Ophthalmometers zur Objektfläche, so daß das Bild von M1 und M2 (Testmarken) und der Faden gleichzeitig scharf erscheinen. 43

44 Entfernungskompensierte Ophthalmometer 1977 von Wilms vorgeschlagen. Testmarken in endlicher Entfernung (wie Javal-Typ). Die Bildgröße wird über Winkelaufspaltung gemessen (Scheitelpunkt des Winkels δ im Kompensationspunkt hinter der Objektfläche OF). Durch Vorsetzen einer zusätzlichen Objektivlinse wird der bisher parallele Meßstrahl konvergiert. Dadurch scheint der Meßstrahl von einem Punkt zu kommen, der um die gleiche Strecke hinter der OF liegt, wie sich die Meßmarken davor befinden. Bei falscher Entfernungseinstellung wird a zu groß und gleichzeitig b zu klein und umgekehrt, so daß das Produkt a * b nahezu seinen Wert behält und richtig bestimmt wird Sutcliffe-Typ entfernungsabhängig 44

45 Krümmungsradius wird für zwei zueinander senkrecht stehende Meridiane gleichzeitig gemessen. Entfernungsfehler wirken sich für beide Meridiane gleich aus. Meßprinzip: Testfigur A,B,C,D Objektiv mit Blende (3 Öffnungen) Durch jede Öffnung Öffnungsstrahlbündel. Durch zentrale Öffnung: Testfigur A B C D hinter jeder dezentralen Öffnung: Prisma Verschieben der Prismen parallel zur o.a., bis sich Berührung der Teilkreise ergibt. 45

46 2.3 Augenrefraktometer Meßgeräte zur objektiven Bestimmung der Fernpunktrefraktion des menschlichen Auges. Es gibt zwei Typen: - manuelle Refraktometer - automatische Refraktometer Manuelle Refraktometer Zweiteiliger Aufbau: 1. Optometer-System zur Projektion einer Testmarke auf die Netzhaut 46

47 2. Ophthalmoskop-System zur Beobachtung der Testmarke auf der Netzhaut Augenarzt beobachtet über Ophthalmoskop das Bild der Testmarke auf der Netzhaut des Patientenauges. Er stellt über das Verschieben der Testmarke das Testmarkenbild scharf. Die Scharfstellung des Beobachtungsstrahlenganges ist mit dem Verschieben des Tests gekoppelt. Auge des Arztes = Detektor (Istwertgeber) Arzt führt Soll-/Istwertvergleich durch, bis Soll- und Istwert übereinstimmen. Merkmale des Optometer-Systems: 1. Bildseitiger Brennpunkt der Sammellinse liegt in der Hauptebene des Patientenauges 2. Verschiebung der Testmarke ist proportional zur Fehlsichtigkeit (Ametropie) 3. Bildgröße bzw. Sehwinkel, unter dem die Testmarke gesehen wird, bleibt konstant. 4. Austrittspupille des Optometers und Eintrittspupille des Ophthalmoskops liegen in der Ebene der Hornhaut des Patientenauges. 5. Eintrittspupille und Austrittspupille sind getrennt Die beiden letzten Merkmale ergeben, daß die Beobachtung reflexfrei erfolgen kann. (Wichtig bei manuellen Refraktometern) Man unterscheidet 4 Arten der Pupillenteilung: Thornen Rodenstock Hartinger Zeiss 47

48 Prismenrefraktometer Prinzip: Bildschärfebeurteilung Prismenrefraktrometer haben relativ geringe Baulänge und große Optometerlinsen-Brennweite. a) Prismenrefraktrometer Rodenstock: Statt Testmarke wird das Prisma verschoben. Als Testmarke wird Raubitschek-Figur verwendet, die eine präzise Einstellung bei Astigmatismus ermöglicht. b) Prismenrefraktrometer Zeiss: zur Scharfstellung des Testmarkenbildes werden die Objektive 1 und 3 gemeinsam verschoben, so daß auch hier eine gleichzeitige Scharfstellung von Testmarke und Beobachtungsstrahlengang erfolgen kann. 48

49 Koinzidenzrefraktometer Beim Koinzidenzverfahren wird eine Scheinerblende (Doppellochblende) in den Abbildungsstrahlengang der Testmarke eingefügt. Testmarken: 2 miteinander fluchtende Teilbereiche, die senkr. zur Verbindungslinie der beiden Blendenöffnungen angeordnet sind. In der zugehörigen Bildebene fluchten die Bilder der Testmarkenteile, vor und hinter der Bildebene sind sie zueinander versetzt. Kriterium für die Testmarkenabbildung auf der Netzhaut ist das Übereinanderliegen (Koinzidenz) der Testmarken-Bilder. Optometer-System: Zweilinsensystem Eintrittspupille: Zwei halbmondförmige Flächen, die in der Pupillenebene des Patienten liegen. Zwei auf den Test aufgeklebte Prismen (8) sorgen dafür, daß die Koinzidenz sich als Berührung zweier Testbilder darstellt. Prinzip Strahlengang: siehe Abb. Scheiner-Prinzip Optometersystem: besteht aus 2 Linsensystemen, die EP besteht aus 2 halbmondförmigen Flächen, die in der Pupillenebene des Patienten liegen. Ähnlich wie beim Scheiner-Prinzip sorgen 2 Prismen - aufgeklebt auf den Test - dafür, daß sich die Koinzidenz als Berührung zweier Testbilder zeigt. (Siehe Prinzipstrahlengang Koinzidenzrefraktrometer nach Hartinger) 1 Patienten-Auge 2 Optometerlinse 3 Lochspiegel 4 Scheiner-Blende 5 Pentaprisma 6 Kollimator 7 Ophthalmoskoplinse 8 Prismen 9 Testmarke 10 Dioptrienskala 11 Beleuchtung 12 Okular 13 Untersucher / Arzt Wesentlicher Unterschied zu Prismenrefraktometer: Schärfentiefe der Geräte. 49

50 Prismenrefraktometer: Patient kann durch steigern der Pluswirkung (nebeln) aus der Akkommodation geführt werden. Koinzidenzrefraktometer: auch bei falschem Korrektionszustand wird stets eine für den Patienten relativ scharfe Netzhautfigur erzeugt (höhere Schärfentiefe) Automatische Refraktometer Prinzip: Skiaskopieverfahren Bildmeßverfahren Scheinerverfahren Bildschärfeverfahren Schneideverfahren Skiaskopie-Verfahren Prinzip: Foucaultsche Schneidenmethode Lichtbündel durch Schneide begrenzen je nach Ort der Schneide Schatten wandert mit- oder gegenläufig 50

51 Iris des Arztes = Schneide (oder Blende im Skiaskop) bewegt wird Lichtbündel gegenüber Schneide Flächenpunkt = Emmetropie Bei den Skiaskopen wird ein geradliniger Glühfaden verwendet. Vorteil: Licht-Schattengrenze ist leichter zu beurteilen und optischer Fehler in Patienten-Auge führt zur Deformation des Lichtfadens. Automatische Skiaskopie-Verfahren: Grundlage: dynamische Skiaskopie, Lichtspalte werden mit hoher Geschwindigkeit über Patienten-Auge geführt; 2 Photodetektoren registrieren Geschwindigkeit und Richtung des im Auge aufblitzenden Lichtreflexes. Zur Bestimmung der Ametropie (Fehlsichtigkeit) werden Detektoren entlang der optischen Achse bewegt, bis Flacherpunkt gefunden ist. Durch Drehen des Instruments kann Fehlsichtigkeit in jedem Meridian festgestellt werden. Mit Verschiebeelement gekuppelter Stift zeichnet auf ein in Dioptrien geeichtes Fotopapier die Position des Detektors auf, die proportional zur Brechkraft des Auges ist Scheiner-Verfahren 2 Leuchtdiodenpaare (4-Quadranten-LED) beleuchten Scheinerblende, die über Optometerlinse auf Netzhaut des Patientenauges abgebildet wird. Bei Ametropie entstehen auf der Netzhaut mehrere Leuchtpunkte (Leuchtdioden leuchten und verlöschen im Gegentakt). Ein 4-Quadranten-Detektor (im Ophthalmoskop- System) erfaßt die Leuchtflecke. Durch Verschieben die Scheiner-Blende zusammen mit Ophthalmoskop- System wird erreicht, daß die Leuchtflecke auf die Netzhaut zu einem konstant leuchtenden Fleck zusammenfallen. Der Verschiebeweg ist Maß für die Ametropie. Für die automatische Steuerung der Zentrierung ist ein Bildsystem mit Zerhacker integriert. 51

52 Bildschärfe-Verfahren Von einem rotierenden Gitter wird mit dem Optometer-System auf der Netzhaut ein bewegtes Bild erzeugt. Das an der Netzhaut reflektierte Gitter trifft auf ein stationäres Gitter (Referenzgitter), das vor einem Detektor angebracht ist. Durch die Bewegung des reflektierten Gitters gegenüber dem Referenzgitter gelangt periodisch Licht auf den Detektor (hinter dem Referenzgitter). Bei Ametropie ist die Abbildung des bewegten Gitters unscharf, so daß geringe Modulation in der Detektorebene vorliegt. Durch Verschieben einer Linse im Optometer-System wird eine scharfe Abbildung und damit eine maximale Modulationstiefe erreicht. Der Verschiebeweg der Optometerlinse ist proportional zur A- metropie. Durch Verwenden von polarisierenden Strahlteilern werden Optometer und Ophthalmoskopstrahlengang durch ein Linsensystem realisiert. Damit kann auch von der Hornhaut reflektiertes Licht nicht in die Meßelektronik gelangen Schneidenverfahren Das Schneidenverfahren beruht auf dem Prinzip der Umkehrbarkeit optischer Strahlengänge. Als Lichtquelle dient eine als Schneide ausgebildete Infrarot-Leuchtdiode, die durch ein Optometer-System auf die Netzhaut abgebildet wird. Bei richtiger Einstellung der Brechkraft wird der Lichtspalt scharf auf die Netzhaut abgebildet und das Fundus- (Netzhaut) bild wird scharf auf die Lichtquelle zurück abgebildet. In diesem Fall sieht der Fotodetektor kein Licht. Bei Ametropie ist das Netzhautbild unscharf, so daß das zurückfallende Licht an der Schneide vorbei auf den Detektor fällt. Zur Einstellung maximaler Bildschärfe wird die Abbildungsgeometrie so lange verändert, bis der Fotodetektor kein Signal mehr liefert. 52

53 53

54 3. OPTISCHE GERÄTE IN DER MEDIZIN 3.1 Mikroskope Lichtmikroskope Mechan. Aufbau: Mikroskoptisch Objekttisch Tubus Objektivrevolver Auflicht- oder Durchlichtbeleuchtung Kamera bzw. Registriereinrichtung 54

55 Strahlengang: 55

56 a) Abbildungs-Strahlengang für Objektive mit endlicher Bildweite b) Abbildungs-Strahlengang mit auf unendlicher Bildweite gerechneten Objektiven. Mechanische Tubuslänge: Optische Tubuslänge: objektseitiger Brennpunkt Okular - bildseitige Brennweite Objektiv Mikroskopvergrößerung: Γ M = Γ Ob * q * Γ Okular Γ Ob = 250mm / f Objektiv (Lupenvergrößerung) q = - f L / 250mm (Tubusfaktor) Γ Okular = 250mm / f Ok (Vergrößerung des Okulars) Grenze der förderlichen Vergrößerung: Γ M = 500A A A = n * sin u A = Apertur u = halber Öffnungswinkel Die Kombination eines Objektivs mit großem Abb.maßstab ist zwar möglich, aber nicht förderlich. Höchste Nahvergrößerung, wenn Einzelheiten durch das Objektiv nicht aufgelöst werden. max. Mikroskopauflösung: = λ / 2A Größe der n.a. wird bestimmt durch: - Winkel u (sin u) - Brechzahl n zw. Objekt u. Frontlinse Hohe Apertur: große Öffnung u. hohe Brechzahl (Ölimmersion) Auflösungsvermögen des Mikroskops: d = A λ + A Obj. Kond. (d gibt Abstand von 2 Punkten an, die gerade noch aufgelöst werden können) Objektive [nm] Mögl. Bildfehler: - sphär. Aberration - Sinusfehler - chromatische Aberration Bildfehler am Rand des Bildes: - Koma - Astigmatismus 56

57 - Bildkrümmung - Verzeichnung - chrom. Vergrößerungsdifferenz Durch Linsenkombinationen lassen sich Abbildungsfehler weitgehend beseitigen. Entsprechend der Korrektion unterscheidet man versch. Objektive: Achromate: Schnittweiten für Farben Blau u. Rot sind gleich gemacht Planachromate: Bildkrümmung wurde fast vollkommen beseitigt Fluoritobjektive: aus Flußspat (nicht Kronglas); höhere Apertur u. bessere Korrektion der Bildfehler Planapochromate: Objektive höchster Leistungsklasse, bei denen chromat. o. sphär. Fehler nahezu beseitigt sind Spezial- und Sonderobjektive: Ultrafluare ( nm chrom. korrigiert) LD-Objektive (Long Distance) Objektiv o.d. (ohne Deckglas) Objektiv m.i. (mit Irisblende) Objektiv Ph (für Phasenkontrast) Objektiv pol (für spannunsfreie Untersuchung) Objektiv HD (für Hell- u. Dunkelfeldbeleuchtung) Okulare: Hauptkennzeichen: - nach Korrektionstyp (z.b. für Brillengläser) - nach Lupenvergrößerung (z.b. 10x) wichtige Kenngröße: - Sehfeldzahl (gibt an, wie groß d. Zwischenbilddurchmesser in mm ist) Größe des Objektfeldes = Sehfeldzahl / Objektivmaßstabzahl Beispiel: Durchmesser des Objektfeldes: 2y = 2y / β Abbildungsmaßstab: β = Γ Mikroskop * p p = Kamerafaktor Angaben auf Okular: - Vergrößerung Γ Ok. - Sehfeldzahl 2y [mm] Bildfeldwinkel: 2w = 2 arctan y / f Ok Angaben auf Objektiv: z.b. 40 / 0,7 (Vergröß. 40-fach/n.A.) 160 / 0,17 (Tubuslänge/Deckglasdicke) Kondensoren -sind Linsensysteme, um Objektfelder auszuleuchten und um die Objektivapertur mit Licht zu füllen. Um dem gerecht zu werden (gibt es?) mehrere Kondensortypen mit unterschiedlicher Apertur, z.b.: A = 0,6-0,9 und 1,3 und Kondensoren mit achromatischer aplanatischer Korrektion: A = 1,4 Bei Untersuchungen an Petrischalen (Zellkulturen): Kondensoren mit größerem Arbeitsabstand (LD) Lichtquellen und Kollektoren 57

58 Für Durchlichtmikroskope: Für Fluoreszenzmikroskope: - Niedervoltlampen - Halogenlampen - Spektrallampen Mikroskopbeleuchtung nach Prof. Köhler: Öffnungsstrahlengang: 1. Kollektor bildet die Glühwendel in die Irisblende des Kondensors ab 2. Der Kondensor erzeugt von der Leuchtfeldblende ein scharfes Bild in der Objektfeldblende 58

59 Beleuchtungs- und Kontrastierungsmethoden 1) Hellfeldbeleuchtung: Eingesetzt für kontrastreiche, gefärbte Objekte. Kontrast wird mit Kondensorblende geregelt. 2) Dunkelfeldbeleuchtung: Objekte erscheinen als helle Beugungsfigur auf dunklem Grund ins Objektiv); (Bsp.: Spinnennetz) (Beleuchtungsfigur trifft nicht 3) Phasenkontrastverfahren: Phasenverschiebungen ungefärbter biologischer Objekte werden umgewandelt in Hell-Dunkel- Kontraste (Phaseninfo wird zur Intensitätsinfo) 4) Polarisationskontrastverfahren (im Durchlicht): - Polfilter im Beleuchtungsstrahl - Polfilter um 90 gedreht im Beobachtungsstrahl (Analysator) Wenn kein Päparat im Strahlengang dunkel Die meisten Präparate drehen Pol. Richtung Info Farbbeeinflussung der λ/4 - Platte vor Analysator 1. Differentialmikroskop 2. Mikroskop nach Smith und Normaski 3. Fluoreszenzmikroskop 4. Reflexionskontrastverfahren 59

60 5. Phasenkontrastmikroskop Legende: 8: Tubuslinse 5: Phasenring (für lambda/2) 4: Objektiv 60

61 An Objektiven für Phasenkontrastmikroskopen findet sich die Bezeichnung PH ; Moderne PHKM enthalten eine CCD-Kamera 6. Polarisationsmikroskop 7. Inverse Mikroskope 8. Video-Mikroskop Operationsmikroskope Disziplinen: - Ophthalmologie - Oto-Rhino-Laryngologie (HNO) - Gynäkologie - Neurochirurgie - Rekonstruktive- und plastische Chirurgie Anforderungen: - aufrechtes, seitenrichtiges Bild - stereoskopisches Bild (realisiert durch zwei unterschiedliche Strahlengänge) - Arbeitsbereich im mm-bereich - Gesichtsfeld nicht kleiner als OP-Feld - ermüdungsfreies Arbeiten muß möglich sein Weitere Gesichtspunkte: - variable Vergrößerung - keine Sichtunterbrechung bei Vergrößerungsänderung - Anpassung: Arbeitsabstand - Okulareinblick - versch. Auflichtbeleuchtungen - Dokumentation und Mitbeobachtung - Asepsis und Funktionsfähigkeit Prinzipbild eines Operationsmikroskops: Strahlengang und Vergrößerung - optisches Prinzip: Fernrohrlupe Galilei-Fernrohr (negative Linse mit Sammellinse kombiniert) - 2 getrennte, parallele Strahlengänge - Hauptobjektiv / Lupe O (Brennweite f 1 ) 61

62 - Tubuslinse T (Brennweite f 2 ) - Vergrößerungsfaktor des Vergrößerungs-Wechslers γ - Okular U (oder K?) (Brennweite f 3 ) Gesamtvergrößerung Γ: f2 250mm Γ = f f γ 250mm/f 3 = Γ k = Lupenvergrößerung des Okulars 1 3 (etwa 5 unterschiedliche Vergrößerungen sind einstellbar) Objektfelddurchmesser: D M = f f 1 2 z γ z = Sehfeldzahl (= des genutzten Okularzwischenbildes) max. tolerierbarer Bildwinkel: 2 z = 2 arctan 2 f ω wenn 2w > 45 -> Weitwinkelsystem 3 Wechsel der Vergrößerung: durch je 2 Galilei-Fernrohre 5 verschiedene Vergrößerungen Auflösung des OP-Mikroskops: = λ / 2A A = numerische Apertur Förderliche Vergrößerung: 500A Γ A a * Γ = 500A a = Austrittspupille 0,5-1 mm bei guten OP-Mikrosk. 1-2,8 mm Visuelle Schärfentiefe: Fokustiefe: dx Akkommodationstiefe: Auflösungstiefe: 1 ω = 250mm A Γ dx Mit x N = Abstand Augennahpunkt x F = Abstand Augennahpunkt 3 250mm dx2 = Γ λ = A² x N x F Beispiel: GAMMA=10, A=0.03, w=3min, dx 1 =0.73mm, dx 3 =0.61mm (bei 550nm) bei x N =150mm -> dx 2 =4.2mm bei x N =1000mm -> dx 2 =0.62mm Helligkeit bei OP-Mikroskopen: H T M * E * a 2 E = Beleuchtungsstärke T M = Transmission der Optik 62

63 a = Austrittspupillendurchmesser gebräuchlicher Stereowinkel: 3-10 gebräuchliche Schnittweite: mm Beleuchtungsvarianten 1. Schrägbeleuchtung 2. Paraxial- Sonderform: -pankratische 3. Koaxial- 4. Spalt- 5. Blitz- 6. Stroposkop- 7. Faseroptische Beleuchtung Fluoreszenzmikroskop Def.: Fluoreszenz = Lichtemission von organischen und anorganischen Stoffen bei Anregung mit energiereicher Strahlung. Die Fluoreszenz klingt kurz nach der Anregung wieder ab. Name: von Fluorit -> Flussspat: Stein leuchtet bei Lichtanregung (als erstes dort beobachtet) Stoke sche Wellenlängenverschiebung (Verschiebung ca nm): Absorption Emission Anregungswellenlänge ist kleiner als die Energiewellenlänge λ Fl λ Fl > λ Absorpt. Drei Arten der Fluoreszenz: Eigenfluoreszenz Sekundärfluoreszenz (bei Anfärbung mit Fluorochromen) Immunfluoreszenz: o basiert auf Antigen-Antikörperbindung unter Verwendung fluorochrommarkierter AK. Es wird die hohe Spezifität der Immunreaktion mit der hohen Nachweisempfindlichkeit der Fluoreszenzmikroskopie gekoppelt. Aufbau eines Fluoreszenzmikroskops: 63

64 3.1.4 Laser-Scan-Mikroskop Beschreibung: Aufgeweiteter, parallel gerichteter Laserstrahl wird im Auflicht über x-y-scan-einheit auf das Präparat geführt. Für die Detektion des von der Probe reflektierten Laserlichts werden CCD-Arrays verwendet. Das Präparat wird Punkt für Punkt abgetastet und ein dem rückgestreuten Licht proportionales Grauwertbild erzeugt, das über die Video-Kamera am Bildschirm dargestellt wird. Durch Verändern des Scan-Winkels wird die Probe in versch. Ebenen abgetastet, über Computer- Programme werden die Bilder zu räumlichen Bildern zusammengesetzt. 64

65 3.1.5 Elektronenmikroskope Erstes EM 1931 (Ruska) Theoret. Arbeiten: 1926 A. Busch (damals 16-fache Vergrößerung) Generell gegenüber Lichtmikroskop 1000-fach höheres Auflösungsvermögen Heute: Vergrößerung bis zu 10 nm Aufbau des Elektronenmikroskops 2 Typen: - Transmissions-EM: TEM - Raster-EM: REM 65

66 für beide Typen: - Strahlerzeugung - elektromagnetische Linsen - Strahljustiersysteme - Vakuumsystem Sehr gutes Vakuum nötig 10-5 hpa (1bar = 1013 hpa = Pa) Wird Vakuum nicht erreicht: Streuung an den Restmolekülen innerhalb des Vakuum-Systems Zweistufige Erzeugung des Vakuums: Vorvakuum ( 10-2 hpa) Hochvakuum ( 10-5 hpa) Hochvakuumpumpen: - Diffusionspumpen - Ionengitterpumpen - Turbomolekularpumpen - Kryopumpen Einbringen der Probe in eine Schleusenkammer (Vorteil: kaum Vakuumverlust) Vak.-System muß frei von organischen Rest-Molekülen sein, ansonsten Verschmutzung bzw. Kontamination von Mikroskopkomponenten Strahlerzeugungssystem: 66