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Fotographisch – Optische Erfassung der menschlichen Netzhaut


von Kim von Scheidt

Einleitung
Sinneszellen im Auge
Modellauge
Implementierung
Ergebnisse

Einleitung


Querschnitt durch ein menschliches Auge 		Schon in den letzten Jahren beschäftigte ich mich viel mit Biologie und menschlichen Vorgängen, somit sollte es dann auch dieses Jahr wieder sein. Mich interessierte schon im Schulunterricht das Thema Auge. Wie funktioniert das Auge überhaupt? Warum können wir sehen? Nachdem viele von meinen Fragen in der Schule beantwortet wurden, war mir dies jedoch nicht genug. Mich faszinierten die Vorgänge die im Auge geschehen. 
Dabei stellte sich mir immer wieder die Frage: Wie sieht unser Auge eigentlich von innen aus? Abbildungen in Büchern reichten mir da nicht. Ich wollte mir im wahrsten Sinne des Wortes selbst ein Bild davon machen. So kam ich auf die Idee, dass es doch zu schaffen sein muss die Netzhaut in unserem Auge selber abzubilden. Die Idee sollte mit einer eigenen Konstruktion verwirklicht werden.

Das Auge

» hoch komplex

» schwer zugänglich
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Sinneszellen im Auge

Um ein Bild wahrnehmen zu können laufen viele Prozesse ab. Zunächst wird das Auge auf ein Bild fokussiert. Dies geschieht von unserem Körper automatisch. Dabei verändern die Ziliarmuskeln die Linse so, dass das fokussierte Bild scharf auf unserer Netzhaut abgebildet wird.

Sinneszellen

» Zapfen (Farbe)

» Stäbchen (Helligkeit)

 Die Signale der Sehzellen werden auf etwa eine Million Nervenzellen übertragen, deren lange Fortsätze sich zum Sehnerv vereinigen und elektrische Signale zum Gehirn leiten. Die Vielzahl der dort einlaufenden Nervenimpulse wird zu einem individuellen Bild unserer Umwelt verrechnet. Jede Nervenzelle liefert für ein wahrgenommenes Bild einen Bildpunkt.
Auf unserer Netzhaut befinden sich zwei verschiedene Arten von Sehsinneszellen: Die Stäbchen und die Zapfen. Sie unterscheiden sich in zwei Punkten. Die Zapfen sind für das Farbsehen verantwortlich und funktionieren nur bei Helligkeit, die Stäbchen können jedoch nur schwarz und weiß erkennen, funktionieren aber zusätzlich auch bei wenig Helligkeit und sind zudem 1000-mal schärfer als die Zapfen. 

Bildentstehung

» im Gehirn

» durch Interpretation der Signale
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Modellauge
Das menschliche Auge ist sehr empfindlich. Deshalb sollen der Strahlengang und die Beleuchtung der Netzhaut zunächst an einem Modellauge simuliert werden 
Ansicht des verwendeten Modellauges mit Tischtennisball als Augapfel und einstellbarem Linsensystem als Augenlinse

Ziel des Modells

» Strahlengang testen

» Augenbelastung vermeiden
Bei meinem Projekt könnten Brillenträger zu einem kleinen Problem führen, da ihre Linsen anders scharf stellen als „normale“ Linsen. Dies könnte bedeuten, dass die Linsenkonstruktion mit der Kamera für jeden Betrachter individuell eingestellt werden muss. Schließlich ist es wichtig, dass meine Konstruktion für jeden Augentyp verwendbar ist, da ich die medizinisch eingesetzte Pupillenerweiterung umgehen möchte.
Für die Darstellung des Bildes entschloss ich mich für eine Webcam, da ich sie direkt an einen Computer anschließen kann. Da eine Webcam ein fortlaufendes Bild auf dem Computer abgibt, kann ich sofortige Veränderungen der Bildqualität erkennen. So hilft es mir beim Aufbau meines Experimentes, da nach Ausrichten der Kamera keine Verschiebung mehr notwendig ist um zu sehen, wie das Bild geworden ist. 
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Implementierung


Strahlengang: (1) + (2) Variable Augenlinse, (3) halbdurchlässiger Spiegel, (4) + (5) Makro-Optik für Webcam, (6) Beleuchtungseinrichtung
Strahlengang

» Beleuchtung der Netzhaut

» Abbildung der Netzhaut

 Das Licht einer externen Lichtquelle wird über die Linse (6) und einen halbdurchlässigen Spiegel durch das Augenlinsensystem in das Auge und auf die Netzhaut gelenkt, um diese zu beleuchten. Das von der Netzhaut ausgehende Licht passiert den halbdurchlässigen Spiegel und erzeugt ein reelles Zwischenbild, das mit den beiden Linsen (4) und (5) ähnlich wie bei einem Mikroskop vergrößert und in das Objektiv der Webcam geleitet wird.
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Ergebnisse

Da das natürliche Auge keine Beleuchtung aus dem menschlichen Inneren bekommt, sondern von äußeren Einflüssen, musste ich mich zusätzlich damit befassen wie ich eine ausreichende Beleuchtung des Tischtennisballes erreichen konnte, ohne in den Strahlengang einzuwirken. Ich entschloss mich für einen halbdurchlässigen Spiegel, da er einerseits den Strahlengang nicht irritiert oder verändert, andererseits aber auch von der Seite eintreffendes Licht in das simulierte Auge spiegeln kann. So ist ausreichend Licht in dem simulierten Auge vorhanden und die Webcam ist immer noch scharf auf den Schirm des Auges fokussiert.
Halbdurchlässiger Oberflächenspiegel

Unerwünschte Reflexionen auf der Augenlinse		 Beim Abbilden der simulierten Netzhaut stellte sich heraus, dass direkt am Anfang des Auges die Lichtintensität zu hoch ist, dadurch wird der Schirm überbelichtet. Durch eine Sammellinse mit der Brennweite 50 mm (Plankonvex) ließ sich der Lichtstrahl weiten. Trotzdem war das einfallende Licht für die Webcam noch zu hell. Bei einem indirektem Licht (zum Beispiel durch Vorhalten eines Stück Papiers vor die Lichtquelle) löste sich das Problem, jedoch war nun leider zu wenig Licht vorhanden, wodurch die Webcam kaum noch etwas auf dem Schirm erkennen konnte. Die außerdem störenden Spiegelungen auf dem Schirm, die vermutlich von dem Kupferrohr an dem Auge kommen, sind durch das indirekte Licht jedoch schon deutlich vermindert.
Im allgemeinen würde ich sagen, dass ich meinem Ziel, dem Abbilden der menschlichen Netzhaut, einen großen Schritt näher gekommen bin. Zwar habe ich die menschliche Netzhaut selbst noch nicht abbilden können, jedoch habe ich den Aufbau für dieses Vorhaben weitestgehend fertig gestellt. Die Probleme wie die Überbelichtung oder die Passgenauigkeit des Strahlenganges sind Dinge, die in Zukunft noch verbessert werden können. Sind diese Probleme jedoch gelöst, ist eine Abbildung der menschlichen Netzhaut sehr wahrscheinlich.
Abbildung des sternförmigen Netzhautobjektes des Modellauges
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