English Title: Highly accurate three dimensional measurement of the optical and biomechanical properties of the human eye

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Abstract

Die Bildentstehung im Auge basiert auf den optischen Eigenschaften der Hornhaut und der Linse. Zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der menschlichen Hornhaut wurde ein Hornhauttopographiegerät entwickelt, das auf der Methode der Wellenfrontanalyse nach Hartmann-Shack basiert. Die kompakte, für den klinischen Einsatz aufgebaute Meßapparatur bildet die Oberfläche der Hornhaut unter Beachtung der Phasenbeziehung auf einem Hartmann-Shack-Sensor ab. Die Phasenbeziehung, die sich auch als Wellenfront darstellen läßt, wird dann mit Hilfe des Hartmann-Shack-Sensors analysiert. Daraus wird die Oberfläche der Hornhaut rekonstruiert und durch eine Entwicklung nach Zernikepolynomen parametrisiert. Dafür entwickelte Softwaremodule übernehmen diese Aufgabe und lassen dann eine graphische Darstellung der Topographie in mehreren Varianten zu. Durchgeführte in vivo Messungen demonstrieren die Funktionalität des Hornhauttopographen. Darüberhinaus kommt diese Methode ohne Interpolationen aus und weist eine höhere Genauigkeit auf, die noch gesteigert werden kann. Die biomechanischen Eigenschaften der menschlichen Hornhaut werden durch das Stroma, das aus länglichen Lamellen, die eine Formdoppelbrechung aufweisen, bestimmt. Ist die Orientierung der einzelnen Lamellen an einem Ort nicht statistisch verteilt, kann eine doppelbrechenden Eigenschaft gemessen werden. Diese ist mit einer Spannung innerhalb der Hornhaut in Richtung der Doppelbrechung korreliert. Zur Vermessung dieser doppelbrechenden Eigenschaft der menschlichen Hornhaut in zwei Dimensionen wurde, für den klinischen Einsatz, ein sehr kompaktes elektrooptischen Ellipsometer entwickelt und aufgebaut. Erste Punktmessungen an einem optisch doppelbrechenden Probekörper demonstrieren die Möglichkeiten der elektrooptischen Ellipsometrie.

Translation of abstract (English)

Highly accurate three dimensional measurement of the optical and biomechanical properties of the human eye. The refractive power of the human eye is based on the optical properties of the cornea and the lens. The former has a share of 70 of the refractive power. In order to measure the optical properties of the human cornea a corneal topographical device based on the method of wavefront analysis by Hartmann-Shack was developed. This compact instrument developed for clinical use analyses a wavefront reflex of the human cornea by means of Hartmann-Shack sensor. This sensor was especially built for the use in cornea topography measurement. With the help of developed software modules it is possible to reconstruct the surface of the cornea and describe it in a mathematical way in Zernike polynominals. This can also be shown in a graph. Cornea measurements of in vivo will demonstrate the functionality of this corneal topographical device. This method does not need any interpolations and is more accurate than conventional methods. The biomechanical properties of the human cornea are determined by the stroma which consists of elongated lamellas which show formbirefringence. This can be measured when the orientation of the lamellas is not distributed in one place statistically. This is correlated with a tension within the cornea. For clinical use a compact electrooptical ellipsometer for measurements in two dimensions was developed and built. Measurements with an optical birefringence test device demonstrate the potential of the ellipsometer.