2 Physiologische Optik

2.1 Ophthalmologische Optik

A. Buser

2.1.1 Einführung

Die Refraktionsbestimmung dient zur Messung der Brechkraft des Auges. Einheit der Brechkraft ist die Dioptrie [dpt] als Reziprokwert der Brennweite in Metern [m]. Die Refraktion des Auges ist der Kehrwert der in Metern gemessenen Entfernung des Fernpunktes vom Auge (Fernpunktrefraktion). Refraktionsbestimmung im engeren Sinne bedeutet, den optischen Zahlenwert für eine Sehhilfe zu finden, im Allgemeinen für ein Brillenglas, durch das ein Auge für einen unendlich fernen Punkt rechtsichtig wird, d. h. seine maximal mögliche Sehschärfe erreicht. Hierzu finden ausschließlich optische Hilfsmittel Anwendung. Jedes Auge wird zunächst einzeln refraktioniert, wobei man sich aber darüber im Klaren sein muss, dass die so gefundenen Refraktionswerte für die beiden Einzelaugen nicht notwendigerweise die beste Korrektur für das Binokularsehen sind. Es muss also zwischen der besten optischen Korrektur und der besten physiologischen Korrektur unterschieden werden. Da die Refraktion des Einzelauges ein rein optischer Prozess ist, sei eine kurze Einführung in die Optik vorausgeschickt.

2.1.2 Geometrische Optik, Snellius-Brechungsgesetz

Die geometrische Optik wird durch das Brechungsgesetz bestimmt, das um das Jahr 1600 von Snellius entdeckt wurde. Es besagt, dass ein Lichtstrahl, der von einem optisch dünneren Medium, z. B. Luft, in ein optisch dichteres Medium, z. B. Wasser, einfällt und schräg auf die Grenzfläche auftrifft, seine Richtung ändert und zum Lot hin gebrochen wird. ▶ Abb. 2.1 zeigt schematisch die Verhältnisse, es gilt:

Beim Übergang in optisch dünneres Medium werden Lichtstrahlen vom Lot weggebrochen. Die Brechung erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten in den Medien, je dichter das Medium, desto geringer die Lichtgeschwindigkeit. Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten im Vakuum zur der in dem jeweiligen Medium ist der Brechungsindex oder die Brechzahl n.

Die Brechzahl für Wasser liegt bei ca. 1,3, für einfaches Brillenkronglas bei ca. 1,5 und für Diamant bei ca. 2,4. Es sei hier schon festgehalten, dass der Wert der Brechzahl von der Wellenlänge des Lichtes abhängt: Je kürzer die Wellenlänge, desto höher der Brechungsindex. Blaues Licht wird demnach stärker gebrochen als rotes Licht. Dieses Phänomen bezeichnet man als Dispersion.

2.1.3 Optische Abbildung durch Prismen

Optische Bauelemente wie Spiegel, Prismen oder Linsen ändern die Richtung der Strahlen, die von einem Objektpunkt O ausgehen, derart, dass dieser in einen Bildpunkt B abgebildet wird. Die ▶ Abb. 2.2a  zeigt dies für ein einfaches optisches Bauelement, für das Prisma.

In einem wird der Lichtstrahl im Allgemeinen zweimal gebrochen, zum einen beim Eintritt in das Prisma zum Lot hin, zum anderen beim Austritt aus dem Prisma vom Lot weg. Die Stärke der jeweiligen Brechung ist durch das Snelliussche Brechungsgesetz gegeben. Die dritte Seite eines Prismas, durch die das Licht weder ein- noch austritt, bezeichnet man als Basis. Ein Prisma lenkt einen Lichtstrahl zur Basis hin um einen Winkel δ ab. Wegen der Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl werden unterschiedliche Spektralfarben unterschiedlich stark gebrochen, ein Prisma kann weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegen ( ▶ Abb. 2.2b).

Strahlenbrechung bei Prismen.

Abb. 2.2 

Die Ablenkung δ aus der ursprünglichen Richtung hängt ab von der Brechzahl n und vom Prismenwinkel ε zwischen Ein- und Austrittsfläche. Bei stärkeren Prismen ist die Ablenkung des Weiteren davon abhängig, unter welchem Winkel der Lichtstrahl auf das Prisma fällt. Bei symmetrischem Durchgang – der einfallende Strahl hat den gleichen Winkel zur Eingangsfläche wie der austretende zur Ausgangsfläche, im Prisma verläuft dann der Strahl parallel zur Basis – lenken Prismen minimal ab. Diese minimale Ablenkung wird in der technischen Optik üblicherweise bei der Bezeichnung der Prismen verwendet. In der Augenoptik und Ophthalmologie gelten jedoch die auf Messgläsern angegebene Wirkung für den Fall, dass der Lichtstrahl im Raum senkrecht zur Rückfläche der Prismen verläuft. Daraus folgt, dass Prismen mit der Rückfläche frontoparallel gehalten werden müssen, nur dann gilt die angegebene Wirkung. Sie kann als Ablenkwinkel in Grad quantifiziert werden, wie es in der Orthoptik oft der Fall ist. In der Augenoptik ist es allerdings gebräuchlicher, die Ablenkung in cm gemessen in 1 m Abstand von der Austrittsfläche anzugeben ( ▶ Abb. 2.3).

Wird der Lichtstrahl in 1 m Abstand beispielsweise um 5 cm abgelenkt, so entspricht das einer prismatischen Wirkung von 5 cm/m (früher benutzte man hierfür den Ausdruck Prismendioptrie [pdpt]). Die Umrechnungen lauten: 1 cm/m entspricht 0,57° oder 1° entspricht 1,75 cm/m.

In der ophthalmologischen Diagnostik werden Prismen als Einzelprismen (z.B. im Gläserkasten), zusammengefasst als Prismenleiste oder als Folienprismen nach dem Fresnel-Prinzip verwendet ( ▶ Abb. 2.4). Prismen können in Brillengläser eingeschliffen und mit sphärischen oder zylindrischen Wirkungen kombiniert werden. Ein rein sphärisches/zylindrisches Brillenglas hat außerhalb der optischen Achse, d.h. bei seitlichem Blick, bereits eine ablenkende Wirkung, die als prismatische Nebenwirkung bezeichnet wird (Kap. ▶ 2.1.6 und Kap. ▶ 5.4.3).

Verschiedene Prismen.

Abb. 2.4