German Title: Algorithmen für die Anwendung von Hartmann-Shack-Wellenfrontsensoren in der Ophthalmology

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Abstract

The topic of this thesis is the development of procedures and algorithms for applications of Hartmann-Shack wavefront sensors in ophthalmology. Two compact systems were built to do measurements of the entire optical system of the human eye. Automatic pre-correction modules were integrated to compensate a sphere of -11.25 dpt to 3.25 dpt and an astigmatism of up to 4 dpt. In the field of image processing, procedures were developed, which allow to recognize strongly aberrated wavefronts. Numerous algorithms are presented, which are suitable to use the extensive raw data to get some significant coeffcients. In addition to a modal approach with Zernike Polynomials, alternative possibilities of representation of the wavefront with non-modal and heterogeneous procedures are presented. Within the framework of this thesis, extensive measuring software was developed. An additional program that simulates image data was developed, with which a great number of parameters can be varied and aberrations in the form of Zernike Polynomials up to 10th arrangement can be used. In addition to simulations, results of measurements at representative human eyes are presented. Finally, a conclusion and a view on possible future evolution is given.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit befasst sich mit Verfahren und Algorithmen für die Anwendung von Hartmannn-Shack-Wellenfrontsensoren in der Ophthalmologie. Für die Durchführung der Experimente wurden zwei kompakte Systeme aufgebaut, die Messungen der Aberrationen des gesamten menschliches Auges ermöglichen. Zur Erweiterung des Messbereiches wurden automatische Vorkorrektur-Module entwickelt, die Defokus und Astigmatismus kompensieren. Damit sind Untersuchungen an Augen mit einer Sphäre zwischen -11.25 und +3.25 Dioptrien und einem Astigmatismus von bis zu 4 Dioptrien möglich. Im Bereich der Bildverarbeitung wurden Verfahren entwickelt, die es erlauben, auch sehr stark verzerrte Wellenfronten zuverlässig zu erkennen. Zahlreiche Algorithmen werden vorgestellt, die dazu geeignet sind, die umfangreichen Rohdaten auf wenige anschauliche Maßzahlen zu komprimieren. Neben der Entwicklung in Zernike-Polynome werden auch alternative Möglichkeiten der Darstellung der Wellenfront mit nicht-modalen und heterogenen Verfahren vorgestellt. Im Rahmen der Arbeit wurde umfangreiche Messsoftware entwickelt, in die alle behandelten Algorithmen integriert wurden. Zusätzlich wurde ein Programm erstellt, das Messbilder simuliert, bei denen eine Vielzahl von Parametern variiert werden können und Aberrationen in Form von Zernike-Polynomen bis zu 10. Ordnung möglich sind. Neben Simulationen werden auch Ergebnisse von Messungen an repräsentativen menschlichen Augen vorgestellt. Abschliessend wird eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf denkbare zukünftige Entwicklungen gegeben.