DE102005020912A1

DE102005020912A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Drehung einer Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch Kammerwasser eines Auges

Info

Publication number: DE102005020912A1
Application number: DE200510020912
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Bublitz; Peter Dr. Westphal
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG; Jenoptik AG
Priority date: 2005-05-04
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2006-11-30

Abstract

Eine Vorrichtung zur Messung der Drehung einer Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch wenigstens einen optisch aktiven Stoff enthaltendes Kammerwasser in einer Vorderkammer (1) eines Auges (2) und/oder wenigstens einer die Konzentration eines optisch aktiven Stoffs in dem Kammerwasser wiedergebenden Größe umfaßt eine Beleuchtungseinrichtung zur Abgabe von elliptisch oder linear polarisierter optischer Beleuchtungsstrahlung auf das Auge (2) mit einem polarisationsdrehenden Element, mit dem eine Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung nacheinander in verschiedene Stellungen einstellbar ist, eine Detektionseinrichtung, die für jede der Stellungen Meßsignale erzeugt, die den elektrischen Feldvektor oder den Polarisationszustand, der nach dem Durchtritt durch die Vorderkammer, Reflexion an der Vorderseite der Augenlinse (5) und nochmaligen Durchtritt durch die Vorderkammer aus dem Auge (2) als Detektionsstrahlung austretenden Beleuchtungsstrahlung in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung wiedergeben, und eine Auswerteeinrichtung, die aus den erzeugten Meßsignalen, vorzugsweise nach Umsetzung der Meßdaten, einen die Drehung der Polarisationsebene beschreibenden Drehwinkel und/oder einen Wert, der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Drehung einer Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch Kammerwasser in einer Vorderkammer eines Auges und/oder wenigstens einer eine Konzentration eines optisch aktiven Stoffs in dem Kammerwasser wiedergebenden Größe.
Die regelmäßige Blutzuckermessung stellt für Diabetiker eine erhebliche Belastung dar, da sie bisher immer mit einer schmerzhaften Blutentnahme, in der Regel aus einer Fingerkuppe, verbunden ist. Insbesondere Diabetiker vom Typ I sollten täglich mindestens fünf Blutzuckermessungen durchführen, um den Insulinspiegel genau einstellen zu können. Wegen der schmerzhaften Prozedur der Blutentnahme werden jedoch im Mittel nur zwei bis drei Messungen pro Tag durchgeführt, was schleichende organische Schäden oder eine deutlich verringerte Lebenserwartung zur Folge haben kann.
Aus diesem Grund gibt es große Bemühungen, eine zuverlässige nichtinvasive Methode zu finden, den Blutzucker- bzw. Glucosegehalt im Körper zu messen. Ein vielversprechender Ansatz basiert auf der Messung des Glucosegehaltes im Kammerwasser des Auges, da dieser repräsentativ für den Glucosegehalt im Blut ist. Neben Glucose enthält das Kammerwasser noch andere Stoffe, wie zum Beispiel Albumin, Ascorbinsäure, Salze und andere, die diagnostisch von Interesse sein können.

Aus DE 4 243 142 A1 ist eine Vorrichtung zur in-vivo-Bestimmung einer optischen Eigenschaft des Kammerwassers in der Vorderkammer des Auges beschrieben, mit einer Lichtquelle, um Licht entlang eines primärseitigen Strahlengangs in die Vorderkammer einzustrahlen, einem Detektor, um entlang eines sekundärseitigen Strahlenganges aus der Vorderkammer heraustretendes Licht zu detektieren, und einer Signalverarbeitungseinheit, um die optischen Eigenschaften auf Basis des Meßsignals des Detektors zu bestimmen. Insbesondere wird vorgeschlagen, die optische Drehung der Polarisationsrichtung durch Glukose im Kammerwasser zu bestimmen.

Es ist jedoch zu erwarten, daß das in der DE 4 243 142 A1 beschriebene Verfahren nicht mit einer für die Bestimmung des Blutzuckerspiegels ausreichenden Genauigkeit arbeitet, da die Drehung der Polarisationsrichtung durch die Glucose sehr gering ist und weitere Schichten des Auges und weitere Stoffe des Kammerauges die Drehung der Polarisationsrichtung wenigstens ebenso stark beeinflussen können wie die Glukose, aber nicht berücksichtigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Drehung einer Polarisationsrichtung von polarisierter optischer Strahlung, insbesondere eine Änderung der Polarisationsrichtung von linear polarisierter optischer Strahlung durch das Kammerwasser des Auges, und/oder eine Konzentration wenigstens eines optisch aktiven Stoffes in dem Kammerwasser zuverlässig und nichtinvasiv gemessen werden kann sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Messung der Drehung einer Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch wenigstens einen optisch aktiven Stoff enthaltendes Kammerwasser in einer Vorderkammer eines Auges und/oder durch wenigstens eine die Konzentration eines optisch aktiven Stoffes in dem Kammerwasser wiedergebende Größe, bei dem

– elliptisch oder linear polarisierte optische Beleuchtungsstrahlung auf das Auge gestrahlt wird, deren Polarisationsebene nacheinander in wenigstens zwei verschiedene vorgegebene Stellungen eingestellt wird,
– für jede der eingestellten Stellungen Werte von Meßgrößen erfaßt werden, aus denen ein elektrischer oder magnetischer Feldvektor oder der Polarisationszustand der nach dem Durchtritt durch die Vorderkammer, Reflexion an der Vorderseite der Augenlinse und nochmaligem Durchtritt durch die Vorderkammer aus dem Auge aus Detektionsstrahlung austretende Beleuchtungsstrahlung in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung ermittelbar ist, und
– aus den erfaßten Meßgrößenwerten der Drehwinkel und/oder ein Wert, der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe ermittelt wird.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung der Drehung der Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch wenigstens einen optisch aktiven Stoff enthaltendes Kammerwasser in einer Vorderkammer eines Auges und/oder wenigstens einer die Konzentration eines optisch aktiven Stoffs in dem Kammerwasser wiedergebenden Größe mit

– einer Beleuchtungseinrichtung zur Abgabe von elliptisch oder linear polarisierter optischer Beleuchtungsstrahlung auf das Auge mit einer polarisationsdrehenden Einrichtung, mit der eine Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung nacheinander in wenigstens zwei verschiedene Stellungen einstellbar ist,
– einer Detektionseinrichtung, die für jede der Stellungen Werte von Meßgrößen erfaßt, aus denen ein elektrischer oder magnetischer Feldvektor oder der Polarisationszustand der nach dem Durchtritt durch die Vorderkammer, Reflexion an der Vorderseite der Augenlinse und nochmaligem Durchtritt durch die Vorderkammer aus dem Auge als Detektionsstrahlung ausgetretene Beleuchtungsstrahlung in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung ermittelbar ist, und
– einer Auswerteeinrichtung, die aus den erzeugten Meßgrößenwerten den Drehwinkel und/oder einen Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe ermittelt.

Die Beleuchtungsstrahlung wird dabei vorzugsweise unter einem Einfallswinkel auf das Auge gestrahlt, der wenigstens so groß ist, daß die Beleuchtungsstrahlung mit einem Einfallswinkel größer als der Brewster-Winkel auf die Augenlinse fällt. Die Beleuchtungsstrahlung kann dabei gepulst oder kontinuierlich abgegeben werden.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung wird elliptisch oder, besonders bevorzugt, linear polarisierte Beleuchtungsstrahlung verwendet. Elliptisch polarisierte optische Strahlung kann allgemein dargestellt werden als Überlagerung zweier elektromagnetischer, orthogonal zueinander linear polarisierter elektromagnetischer Wellen gleicher Frequenz, deren Phasen gegeneinander verschoben sein können und deren Amplituden sich im allgemeinen unterscheiden. Unter der Polarisationsrichtung bzw. Polarisationsebene elliptisch polarisierter Strahlung wird dabei die Polarisationsrichtung derjenigen linear polarisierten elektromagnetischen Welle verstanden, die von den beiden elektromagnetischen Wellen die größere Amplitude hat. Mit anderen Worten wird die Polarisationsrichtung durch die Richtung der größeren Hauptachse der Polarisationsellipse bei elliptisch polarisierter Strahlung verstanden. Die Polarisationsebene für elliptisch polarisierte Strahlung ist dann durch die Polarisationsrichtung und die Ausbreitungsrichtung festgelegt. Für das Verfahren und die Vorrichtung ist die Verwendung von zirkular polarisierter Strahlung nicht vorgesehen.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Polarisationszustand polarisierter elektromagnetischer Strahlung eine quantitative Beschreibung der Polarisationseigenschaften der optischen Strahlung verstanden. Diese kann beispielsweise im Fall elliptisch polarisierter Strahlung durch Angabe des Verhältnisses der Amplituden der beiden zueinander orthogonal polarisierten elektromagnetischen Wellen, der festen Phasenbeziehung zwischen diesen Wellen und der Lage einer der Polarisationsrichtungen der Wellen relativ zu einer Referenzrichtung, beispielsweise einem vorgegebenen Koordinatensystem, erfolgen.

Die Erfindung baut unter anderem auf der Beobachtung auf, daß beim Auge drei Schichten einen wesentlichen Einfluß auf die Drehung der Polarisationsebene von elliptisch oder linear polarisierter, an der Augenlinse reflektierter optischer Strahlung haben, nämlich die Cornea und das Kammerwasser in der Vorderkammer des Auges bezüglich der Transmissionseigenschaften und die Augenlinse bezüglich der Reflexionseigenschaften an der Vorderseite der Augenlinse. Die Anzahl der Parameter, deren Werte sich von Messung zu Messung verändern können, ist so gering, daß sie aus wenigstens einer Messung des elektrischen oder magnetischen Feldvektors der Detektionsstrahlung oder des Polarisationszustandes der Detektionsstrahlung in Abhängigkeit von der Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung, d.h. wenigstens zwei Messungen bei unterschiedlichen Stellungen der Polarisationsebene, ermittelt werden können. Unter dem elektrischen oder magnetischen Feldvektor wird dabei der Amplitudenvektor der optischen Strahlung an einem gegebenen Ort verstanden.

Es wird daher linear oder elliptisch polarisierte optische Beleuchtungsstrahlung auf das Auge gestrahlt, die dann durch die Cornea und das Kammerwasser dringt, an der Vorderseite der Augenlinse reflektiert wird und danach wiederum durch das Kammerwasser und die Cornea aus dem Auge als Detektionsstrahlung austritt. Zur Bereitstellung der Beleuchtungsstrahlung verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über die Beleuchtungseinrichtung, die insbesondere die polarisationsdrehende Einrichtung aufweist, mittels derer die Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung in die verschiedenen Stellungen drehbar ist. Die polarisationsdrehende Einrichtung kann neben der polarisationsdrehenden Eigenschaft auch eine polarisierende Eigenschaft haben. Beispielsweise kann die polarisationsdrehende Einrichtung einen durch einen Antrieb drehbarer Linearpolarisator als polarisierendes und gleichzeitig polarisationsdrehendes Element aufweisen, das aus beispielsweise unpolarisierter optischer Strahlung einer Strahlungsquelle linear polarisierte optische Beleuchtungsstrahlung mit durch den Antrieb einstellbarer Stellung der Polarisationsebene bildet. Stattdessen kann natürlich auch eine Strahlungsquelle für unpolarisierte optische Strahlung in Verbindung mit einem Linearpolarisator oder eine Strahlungsquelle für linear polarisierte optische Strahlung jeweils in Verbindung mit einem polarisationsdrehenden Element, wie beispielsweise einem durch einen Antrieb drehbaren λ/2-Plättchen, einem Faraday-Rodator oder einer durch entsprechende Drehsignale steuerbaren Flüssigkristallzelle zur Drehung der Polarisationsrichtung umfassen. Flüssigkristallzellen und insbesondere Faraday-Rotatoren zeichnen sich durch den Vorteil aus, daß keine mechanische Bewegung von Teilen erforderlich ist, so daß die entsprechende Vorrichtung robuster ausgebildet sein kann. Darüber hinaus erlauben sie auch eine schnellere Einstellung der Stellung der Polarisationsebene. Schließlich erzeugen sie auch keine Phasenverschiebung zwischen verschiedenen Feldkomponenten, so daß eine Bildung nicht linear, sondern elliptisch polarisierter optischer Beleuchtungsstrahlung vermieden werden kann.

Als Beleuchtungsstrahlungsquelle können grundsätzlich beliebige Strahlungsquellen, beispielsweise Halogenlampen oder Leuchtdioden verwendet werden. Besonders bevorzugt besitzt die Beleuchtungseinrichtung als Strahlungsquelle jedoch wenigstens eine Laserdiode, da Laserdioden sich besonders zur Erzeugung kollimierter Strahlung eignen.

Zur Bestimmung des Feldvektors oder des Polarisationszustandes dient bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter anderem. die Detektionseinrichtung, mittels derer Meßgrößenwerte erfaßbar sind, die den Feldvektor oder den Polarisationszustand der Detektionsstrahlung charakterisieren. Unter Meßgrößen werden Größen verstanden, aus denen, gegebenenfalls. nach Umrechnung mittels bekannter Beziehungen und Berücksichtigung von durch die Vorrichtung gegebenen weiteren Parametern, der Feldvektor oder der Polarisationszustand berechnet werden kann. Die Detektionseinrichtung braucht hierzu nur den Meßgrößenwerten entsprechende Meßsignale zu erzeugen, die dann von der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, um daraus den Drehwinkel oder eine die Konzentration eines optisch aktiven Stoffs in dem Kammerwasser wiedergebende Größe zu bestimmen. Als die Konzentration eines optisch aktiven Stoffs wiedergebende Größe kann beispielsweise im Fall der Glucose als optisch aktivem Stoff die Konzentration der Glucose im Kammerwasser oder der für eine gegebene Person damit eindeutig zusammenhängende Blutzuckerwert liegen. Vorzugsweise wandelt die Auswerteeinrichtung die Meßsignale in die Meßgrößenwerte darstellende Meßdaten um, die dann rechnerisch weiterverarbeitet werden, wozu die Auswertevorrichtung einen Speicher zur Speicherung von Instruktionen eines Auswerteprogramms und einen mit dem Speicher verbundenen Prozessor zur Ausführung der Instruktionen verfügen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben so eine besonders einfache und genaue Ermittlung des Drehwinkels und/oder der Konzentrationsgröße, insbesondere da die Genauigkeit der Messung mit der Anzahl der Stellungen, in denen die Meßgrößenwerte erfaßt werden, zunimmt. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach und robust aufgebaut sein, so daß sie auch für die tägliche routinemäßige Benutzung geeignet ist.

Die Vorrichtung kann neben den bereits beschriebenen Einrichtungen noch über Umlenkelemente verfügen, die dazu dienen können, Beleuchtungsstrahlung der Beleuchtungseinrichtung auf das Auge und/oder Detektionsstrahlung von dem Auge auf die Detektionseinrichtung zu lenken. Vorzugsweise sind die Beleuchtungseinrichtung und die Detektionseinrichtung relativ zueinander fest angeordnet, so daß die Richtung der Beleuchtungs- und der Detektionsstrahlung in einer Ebene liegen.

Aus den Meßgrößenwerten kann der Drehwinkel oder ein Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe auf verschiedene Art und Weise ermittelt werden. Beispielsweise ist es denkbar, hierzu neuronale Netze oder einen Fuzzy-Logic-Rechner zu verwenden. Bei dem Verfahren ist es jedoch bevorzugt, daß zur Ermittlung des Drehwinkels ein Modell zur Modellierung der Abhängigkeit der Meßgrößen von der Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung verwendet wird, in das Modellparameter eingehen, die optische Eigenschaften von mit der Beleuchtungsstrahlung wechselwirkenden Schichten des Auges charakterisieren, und ein Wert wenigstens eines den Drehwinkel wiedergebenden Modellparameters ermittelt wird. Bei der Vorrichtung ist die Auswerteeinrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet, zur Ermittlung des Drehwinkels ein Modell zur Modellierung der Abhängigkeit der Meßgrößen von der Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung zu verwenden, in das Modellparameter eingehen, die optische Eigenschaften von mit der Beleuchtungsstrahlung wechselwirkende Schichten des Auges charakterisieren und einen Wert wenigstens eines den Drehwinkel wiedergebenden Modellparameters zu ermitteln. Das Modell braucht dabei nicht alle optischen Eigenschaften der mit der Beleuchtungsstrahlung wechselwirkenden Schichten des Auges wiederzugeben, sondern nur die für eine Änderung des Polarisationszustandes wesentlichen Eigenschaften. Das Modell, in das auch die Eigenschaften der Beleuchtungsstrahlung, insbesondere die Stellung der Polarisationsebene, eingehen kann, kann zum einen empirisch, beispielsweise unter Verwendung von Ausgleichspolynomen, ermittelt werden. Vorzugsweise basiert das Modell jedoch auf physikalischen Prinzipien. Insbesondere kann ein Modell verwendet werden, bei dem Jones-Matrizen zur Beschreibung der Änderung des Polarisationszustandes verwendet werden.

Vorzugsweise wird ein Modell für ein Dreischichtsystem verwendet, das sechs optische Modellparameter, die bei der Schätzung geschätzt werden verwendet. Das Modell kann weitere Parameter aufweisen, die von Messung zu Messung nicht oder nicht wesentlich variieren und entweder aus einer Kalibriermessung oder aufgrund von Abschätzungen bestimmt und für das Modell zumindest personenspezifisch fest vorgegeben sind. Die Werte solcher Parameter können in der Auswerteausrichtung gespeichert sein. Das Modell selbst kann durch entsprechende Zuweisungen bzw. Instruktionen für ein Programm zur Auswertung der Meßdaten verkörpert sein. Vorzugsweise umfassen die Modellparameter wenigstens einen die Drehung der Polarisationsebene bei einfachem Durchtritt durch die Vorderkammer beschreibenden Modellparameter, zwei die Doppelbrechung der Cornea beschreibende Modellparameter und einen die polarisationsrichtungsabhängige Reflexion an der Vorderseite der Augenlinse beschreibenden Modellparameter. Vorzugsweise sind noch zwei Modellparameter zur Beschreibung der Doppelbrechung an der Cornea auf dem Weg zwischen von der Augenlinse zur Augenoberfläche vorgesehen.

Besonders bevorzugt wird ein Modell verwendet, bei dem eine Achse eines zur Darstellung verwendetes Koordinatensystem parallel zur Einfallsebene der Beleuchtungsstrahlung verläuft.

Zur Ermittlung des wenigstens einen Modellparameters können beliebige Verfahren, insbesondere Ausgleichs- bzw. Fit-Verfahren oder Schätzverfahren verwendet werden. Vorzugsweise werden Maximum-Likelihood-Verfahren bzw. nichtlineare Regressionsverfahren verwendet, bei denen beispielsweise die Summe über Beträge oder Quadrate der Abweichungen zwischen mit dem Modell ermittelten Vorhersage für die Meßgrößenwerte von den tatsächlich gemessenen Meßgrößenwerten als Funktion der zu schätzenden Modellparameter minimiert werden.

Prinzipiell genügt es, für das erfindungsgemäße Verfahren, daß nur zwei verschiedene Stellungen der Polarisationsebene eingestellt werden. Dies kann jedoch relativ große Meßunsicherheiten mit sich bringen. Es ist daher bei dem Verfahren bevorzugt, daß zur Einstellung der Stellungen der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung die Polarisationsebene um wenigstens eine viertel Umdrehung gedreht wird und bei der Drehung die Meßdaten für eine vorgegebene Anzahl von Stellungen der Polarisationsebene oder kontinuierlich erfaßt werden. Bei der Vorrichtung ist es dazu bevorzugt, daß die Beleuchtungseinrichtung eine Strahlungsquelle zur Abgabe von optischer Strahlung umfaßt, daß die polarisationsdrehende Einrichtung zur Bildung der Beleuchtungsstrahlung die Strahlung linear polarisiert und die Polarisationsebene ausgehend von einer Anfangsstellung um wenigstens eine viertel Umdrehung dreht, und daß die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, bei der Drehung die Meßgrößenwerte für eine vorgegebene Anzahl von Stellungen oder kontinuierlich zu erfassen. Auf diese Weise kann insbesondere bei Verwendung eines Maximum-Likelihood-Verfahrens bzw. Ausgleichsverfahrens nach der Methode der kleinsten Quadrate ein beliebiges Koordinatensystem zur Festlegung der Stellungen der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung verwendet werden, da durch die Methode der kleinsten Quadrate verwendeten Summation über alle Messungen, d.h. über alle Stellungen der Polarisationsebene jede denkbare Relativlage der Polarisationsebene zu den ausgezeichneten optischen Richtungen des Auges vorkommt. Vorzugsweise ist die Anzahl der Stellungen dabei größer als 10.

Die Drehung kann dabei kontinuierlich oder schrittweise erfolgen. Im Falle einer nicht kontinuierlichen Drehung und/oder einer nicht kontinuierlichen Erfassung der Meßgrößenwerte erfolgt die Erfassung der Meßgrößenwerte vorzugsweise so, daß sie in etwa gleichen Winkelabständen zwischen aufeinander folgenden Stellungen der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung erfolgen.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist weiter bevorzugt, sowohl die Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung als auch die Meßgrößenwerte oder die den Feldvektor oder den Polarisationszustand beschreibenden Parameter als harmonische Funktion eines die Stellung der Polarisationsebene wiedergebenden Polarisationswinkels darzustellen, und die Amplituden der harmonischen Funktion oder die Amplitude und die Phase der harmonischen Funktion zur Ermittlung der Modellparameter zu verwenden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß eine Bestimmung der Amplituden bzw. der Amplitude und der Phase bei einer vorgegebenen Anzahl von Werten sehr genau erfolgen kann und damit die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Die Drehung der Polarisationsebene durch die polarisationsdrehende Einrichtung kann dabei zum einen unabhängig von der Auswerteeinrichtung und der Detektionseinrichtung erfolgen. Beispielsweise kann bei Verwendung einer polarisationsdrehenden Einrichtung mit einem polarisationsdrehenden Element wie beispielsweise einem mit einem Antrieb rotierbaren Linearpolarisator oder einem mit einem Antrieb drehbaren λ/2-Plättchen der Antrieb mit einer fest vorgegebenen Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden. Die Stellungen, in denen die Meßgrößenwerte erfaßt werden, werden dann durch die Bewegung des polarisationsdrehenden Elements und die Zeitpunkte festgelegt, zu denen die Erfassung der Meßgrößenwerte vorgenommen wird. Insbesondere bei Verwendung einer polarisationsdrehenden Einrichtung mit einem Faraday-Rodator oder einer steuerbaren Flüssigkristallzelle als polarisationsdrehendem Element kann die Einstellung der Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung auch auf entsprechende Steuersignale der Auswerteeinrichtung an die polarisationsdrehende Einrichtung bzw. das polarisationsdrehende Element hin erfolgen, so daß die dann als Steuer- und Auswerteeinrichtung dienende Auswerteeinrichtung die Einstellung der Polarisationsebene und die Erfassung entsprechender Meßgrößenwerte synchronisiert.

Insbesondere bei Verwendung einer polarisationsdrehenden Einrichtung mit einem unabhängig von der Erfassung der Meßgrößenwerte arbeitenden polarisationsdrehenden Element ist es besonders bevorzugt, daß bei dem Verfahren für jede der Stellungen der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung synchron mit der Erfassung der Meßgrößenwerte Richtungssignale gebildet werden, die die Stellung der Polarisationsebene wenigstens eines Teils der Beleuchtungsstrahlung vor dem Auftreffen auf das Auge wiedergeben, und daß der Drehwinkel und/oder der Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe zusätzlich in Abhängigkeit von den Richtungssignalen ermittelt wird. Bei der Vorrichtung koppelt dazu bevorzugt ein Strahlteiler einen Teil der Beleuchtungsstrahlung aus und es ist eine Polarisationsrichtungsermittlungseinrichtung vorgesehen zur Ermittlung der Stellung der Polarisationsebene wenigstens des ausgekoppelten Teils der Beleuchtungsstrahlung und zur Abgabe von die ermittelte Stellung wiedergebenden Richtungssignalen an die Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung ist dann dazu ausgebildet, den Drehwinkel und/oder den Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe zusätzlich in Abhängigkeit von den Richtungssignalen zu ermitteln. Dies hat den Vorteil, daß die Stellungen der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung in zeitlich beliebiger Weise verändert werden können, da die Richtungssignale dazu verwendet werden können, das Erfassen der Meßgrößenwerte für eine Stellung bei Erreichen derselben zu erfassen bzw. im Nachhinein schon in Abhängigkeit von der Zeit erfaßte Meßgrößenwerte einer zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Stellung zuzuordnen. Weiterhin hat diese Ausführungsform den Vorteil, daß beispielsweise bei Verwendung eines motorisch gedrehten Linearpolarisators oder λ/2-Plättchens als polarisationsdrehendem Element Unregelmäßigkeiten in der Drehgeschwindigkeit und eine damit verbundene Ungenauigkeit in der Einstellung der Polarisationsebene bei Erfassen der Meßgrößenwerte in konstanten Zeitabständen erfaßt und korrigiert werden können. Als Polarisationsrichtungsermittlungseinrichtung kann insbesondere ein Linearpolarisator mit einem im Strahlengang hinter diesem angeordneten Detektionselement dienen, dessen Detektionssignale beispielsweise von der Auswerteeinrichtung erfaßt werden können.

Die Meßgrößenwerte bzw. Meßsignale können grundsätzlich auf beliebige Art und Weise gebildet bzw. erfaßt werden. Bei dem Verfahren ist es jedoch bevorzugt, daß die Meßgrößenwerte erfaßt werden, indem die Detektionsstrahlung in zwei zueinander wenigstens näherungsweise orthogonal polarisierte Anteile aufgespalten, die Anteile teilweise unter Bildung eines Interferenzanteils zur Interferenz gebracht und die Intensitäten der beiden Anteile und des Interterenzanteils als Meßgrößenwerte erfaßt werden. Bei der Vorrichtung ist es dazu bevorzugt, daß die Detektionseinrichtung einen im Strahlengang der Detektionsstrahlung angeordneten Strahlteiler aufweist, der den Detektionsstrahlengang in zwei Arme aufteilt und der polarisierend ist oder dem wenigstens in einem der Arme ein Polarisator nachgeordnet ist, bei der in jedem der Arme jeweils ein weiterer Strahlteiler angeordnet ist, der jeweils einen Teil der Detektionsstrahlung in dem jeweiligen Arm unter Bildung eines jeweiligen zur Interferenz zu bringenden Anteils auskoppelt, bei der ein optisches Element zur Drehung der Polarisationsrichtung wenigstens eines der zur Interferenz zu bringenden Anteile zu dem anderen vorgesehen ist und bei dem wenigstens drei Detektionselemente zur Detektion der Detektionsstrahlung in den beiden Armen und einer Interferenzintensität, die durch Überlagerung der zur Interferenz zu bringenden Anteile erhalten wird, vorgesehen sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß zum einen die Intensitäten zweier orthogonal zueinander polarisierter Anteile der Detektionsstrahlung und aus dem Interferenzanteil deren Phasenbeziehung zueinander ermittelbar sind. Gleichzeitig sind hierzu keine beweglichen Teile notwendig, so daß eine sehr schnelle Erfassung der Meßgrößenwerte ermöglicht wird.

Grundsätzlich können bei der Vorrichtung die Beleuchtungseinrichtung und die Detektionseinrichtung getrennte Polarisatoren aufweisen. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Beleuchtungseinrichtung und die Detektionseinrichtung einen gemeinsamen Polarisator aufweisen, der zur Bildung der Beleuchtungsstrahlung dienende optische Strahlung linear polarisiert und aus der Detektionsstrahlung einen linear polarisierten Anteil ausfiltert. Auf diese Weise kann der Aufbau der Vorrichtung in vorteilhafter Weise vereinfacht werden. Darüber hinaus kann sehr einfach die Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung relativ zu einer der beiden Polarisationsrichtungen der in der Detektionseinrichtung gebildeten, zueinander orthogonal polarisierten Anteile ermittelt werden, ohne daß hierzu Justieraufwand notwendig wäre. Um eine besonders günstige Aufspaltung der Detektionsstrahlung in der Detektionseinrichtung zu ermöglichen, ist der Polarisator vorzugsweise ein polarisierender Strahlteiler, der die Detektionsstrahlung in zwei orthogonal zueinander polarisierte Anteile aufteilt. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, dem Polarisator einen Strahlteiler vor- oder nachzuordnen.

Grundsätzlich kann bei dem Verfahren die Konzentration des optisch aktiven Stoffes unmittelbar aus den Meßdaten ermittelt werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß bei dem Verfahren zunächst der Drehwinkel ermittelt wird, und daß aus dem Drehwinkel unter Verwendung einer Kalibrierkennlinie, die eine Abhängigkeit zwischen der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe und dem Drehwinkel wiedergibt, der Wert der die Konzentration des Stoffs wiedergebenden Größe ermittelt wird. Bei der Vorrichtung weist die Auswerteeinrichtung dazu vorzugsweise eine Speichereinrichtung auf, in der eine Kalibrierkennlinie, die eine Abhängigkeit zwischen der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe und dem Drehwinkel wiedergibt, darstellende Daten speicherbar sind, und die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus dem Drehwinkel unter Verwendung der die Kalibrierkennlinie wiedergebenden Daten den Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffes wiedergebenden Größe zu ermitteln. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß die Kennlinie personenspezifisch ermittelt werden kann, wozu beispielsweise bei einer Kalibriermessung über bekannte Verfahren Blutzuckerwerte im Blut der betreffenden Person und entsprechende Drehwinkel der Polarisationsrichtung gemessen und einander zugeordnet werden können. Die Kennlinie kann dann beispielsweise in Form einer Tabelle oder in Form von Kennlinienparametern einer parametrischen Funktion zur Darstellung der Kennlinie in der Speichereinrichtung gespeichert werden.

Im Kammerwasser sind neben Glucose noch weitere optisch aktive Stoffe enthalten, deren optische Aktivität die Ermittlung der Konzentration der Glucose im Kammerwasser aus dem ermittelten Drehwinkel beeinträchtigen kann. Dies kann insbesondere dann ein Problem darstellen, wenn einzelne dieser Stoffe zwischen verschiedenen Messungen stark variieren und daher nicht in Form eines festen Korrekturparameters berücksichtigt werden können. Um die Beiträge verschiedener optisch aktiver Stoffe zu der Gesamtdrehung der Polarisationsrichtung durch das Kammerwasser trennten zu können, wird bei dem Verfahren vorzugsweise das Auge mit optischer Beleuchtungsstrahlung mehrerer verschiedener vorgegebener Wellenlängen bestrahlt, die Meßgrößenwerte werden für jede der vorgegebenen Wellenlängen erfaßt und der Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe wird in Abhängigkeit von den für jede der Wellenlängen erfaßten Meßgrößenwerte und den jeweiligen Wellenlängen ermittelt. Bei der Vorrichtung sind dazu die Beleuchtungseinrichtung zur Abgabe von optischer Beleuchtungsstrahlung mehrerer verschiedener Wellenlängen und die Detektionseinrichtung zur Erzeugung der Meßgrößenwerte für jede der Wellenlängen ausgebildet, und die Auswerteeinrichtung ermittelt aus den erzeugten Meßgrößenwerten unter Verwendung der Wellenlängenabhängigkeit den Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffes wiedergebenden Größe. Der optisch aktive Stoff ist dabei ein beliebiger Stoff, ausgewählt aus den optisch aktiven Stoffen im Kammerwasser, vorzugsweise Glucose. Hierbei kann die Beleuchtung und die Erfassung der Meßgrößenwerte für jede der Wellenlängen nacheinander erfolgen, wozu dann die Detektionseinrichtung über Detektionselemente verfügen muß, die zur Detektion der Detektionsstrahlung bei den verschiedenen Wellen geeignet sind. Beispielsweise können entsprechend breitbandig empfindliche Detektionselemente verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, daß die Beleuchtungseinrichtung eine breitbandig emittierende Strahlungsquelle aufweist, und daß die Detektionseinrichtung zur Erzeugung der Meßgrößenwerte in Abhängigkeit von den vorgegebenen Wellenlängen ausgebildet ist, wozu sie über wenigstens ein entsprechend dispersiv wirkendes Element verfügen kann. Die vorgegebenen Wellenlängen sind dabei vorzugsweise so gewählt, daß sie in einem Bereich liegen, in dem der optisch aktive Stoff von Interesse eine starke Rotationsdispersion relativ zu anderen, die Polarisationsebene drehenden Einflüssen aufweist. Alternativ können die Wellenlängen so gewählt sein, daß die anderen die Polarisationsebene drehenden Einflüsse eine bekannte starke Dispersion bzw. Rotationsdispersion zeigen und so einfach bei der Auswertung korrigierend berücksichtigt werden können. Entsprechende Daten, die die Dispersion wiedergeben, können hierzu in der Auswerteeinrichtung gespeichert sein. Besonders bevorzugt kann bei dem Verfahren für wenigstens zwei optisch aktive Stoffe im Kammerwasser gleichzeitig deren Konzentration bzw. eine deren Konzentration jeweils wiedergebende Größe ermittelt werden. Das Verfahren und die Vorrichtung sind dann in vorteilhafter Weise auch zur Messung anderer optisch aktiver Stoffe als der Glucose im Kammerwasser des Auges, beispielsweise Albumin oder Ascorbinsäure geeignet.

Bei der Vorrichtung müssen die Beleuchtungseinrichtung und die Detektionseinrichtung so zueinander angeordnet sein, daß Beleuchtungsstrahlung, die in einem vorgegebenen Einfallswinkel auf das Auge fällt, nach Reflexion an der Augenlinse und Austritt aus dem Auge als Detektionsstrahlung entlang des Detektionsstrahlengangs der Detektionseinrichtung in diese eintritt. Hierzu kann es notwendig sein, die optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung und die der Detektionseinrichtung relativ zueinander zu justieren. Zur Vereinfachung der Justierung sind bei der Vorrichtung die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Detektionseinrichtung relativ zueinander und/oder wenigstens ein Umlenkelement für die Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlung so angeordnet, daß wenigstens ein Anteil der aus der Vorrichtung austretenden Beleuchtungsstrahlung teilweise in einen Detektionsstrahlengang der Detektionseinrichtung eintritt, wenn kein Körper im Strahlengang der Beleuchtungsstrahlung zwischen der Beleuchtungs- und der Detektionseinrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten fluchten der Beleuchtungsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang. Diese Ausbildung der Vorrichtung hat den Vorteil, daß eine sehr einfache Justierung der optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung bzw. der Beleuchtungseinrichtung relativ zu den optischen Elementen der Detektionseinrichtung bzw. der ganzen Detektionseinrichtung möglich ist. Darüber hinaus kann die Vorrichtung sehr einfach und jederzeit ohne erheblichen Aufwand kalibriert werden. Insbesondere ist zur Justierung oder Kalibrierung kein das Auge ersetzender und selbst in Bezug auf die Strahlengänge der Beleuchtungs- und der Detektionseinrichtung zu justierender Spiegel notwendig.

Um Messungen unter möglichst reproduzierbaren Bedingungen durchführen zu können, besitzt die Vorrichtung vorzugsweise eine Positionierhilfe zur Positionierung des Auges relativ zu der Vorrichtung. Insbesondere kann als Positionierhilfe eine Einrichtung mit einer Anlagefläche für den Kopf oder Teile desselben dienen, die so geformt ist, daß der Kopf relativ zu der Vorrichtung eine in wenigstens zwei Dimensionen feste Lage einnimmt, in der das Auge im Beleuchtungsstrahlengang liegt. Damit kann wenigstens eine grobe Einstellung des Einfallswinkels der Beleuchtungsstrahlung auf das Auge erzielt werden. Das Auge bzw. genauer die Cornea kann jedoch auch bei fester Kopfhaltung bewegt werden. Zur genaueren Ausrichtung zwischen Beleuchtungsstrahlengang und Auge verfügt die Vorrichtung vorzugsweise über eine Fixierlichtquelle, die so angeordnet ist, daß bei Betrachtung des von der Fixierlichtquelle abgegebenen Fixierlichts mit dem Auge die Cornea des Auges eine für die Durchführung des Verfahrens günstige Lage einnimmt. Auf diese Weise kann der Einfallswinkel der Beleuchtungsstrahlung wesentlich genauer auch bei unterschiedlichen Messungen eingestellt bzw. eingehalten werden.

Die Vorrichtung kann in ein ophtalmologisches Gerät eingebaut sein, insbesondere dann, wenn sie zur Messung der Konzentration optisch aktiver Substanzen im Kammerwasser anders als Glucose dienen soll. Vorzugsweise ist sie jedoch als Tischgerät, besonders bevorzugt als Handgerät ausgebildet, so daß ein Diabetiker einfach und nichtinvasiv den Glucosegehalt im Kammerwasser des Auges oder beispielsweise den diesem Glucosegehalt entsprechenden Blutzuckergehalt ermitteln kann. Bei einer Ausführung als Handgerät verfügt dieses vorzugsweise über ein Fach für einen Akku oder eine Batterie zur Versorgung der Beleuchtungs-, Detektions-, Auswerteeinrichtung und eine optische oder akustische Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe des ermittelten Wertes.

Die Erfindung wird im folgenden noch näher anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Drehung der Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch das Kammerwasser in der Vorderkammer des Auges und zur Messung einer Blutzuckerkonzentration nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit fluchtendem Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang, und
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die mit mehreren verschiedenen vorgegebenen Wellenlängen arbeitet.
In 1 verfügt eine Vorrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Messung der Drehung einer Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch Kammerwasser in einer Vorderkammer 1 eines Auges 2 und der Konzentration von Glucose als optisch aktivem Stoff in dem Kammerwasser zunächst über eine Beleuchtungseinrichtung 3 zur Abgabe von linear polarisierter optischer Beleuchtungsstrahlung B auf das Auge 2. Die Beleuchtungsstrahlung B tritt durch die Cornea 4 und die Vorderkammer 1 des Auges, wird dann an der Vorderseite einer Augenlinse 5 des Auges 2 reflektiert und passiert dann nochmals die Vorderkammer 1 und die Cornea 4, bevor sie als Detektionsstrahlung aus dem Auge austritt Die Vorrichtung verfügt weiterhin über zwei Umlenkelemente 6 und 6', die die Detektionsstrahlung D, auf eine Detektionseinrichtung 7 zur Detektion der Detektionsstrahlung D umlenken, die Detektionseinrichtung 7 selbst und eine mit der Beleuchtungseinrichtung 3 und der Detektionseinrichtung 7 über Stromversorgungs- und Signalverbindungen verbundene Auswerteeinrichtung 8.
Die Vorrichtung ist in einem in 1 nicht gezeigten Gehäuse angeordnet, daß Positionierhilfen in Form von Anlageflächen für die Stirn und das Kinn einer Person ausweist, so daß das Auge 2 in geeigneter Weise relativ zu der Beleuchtungseinrichtung 3, den Umlenkelementen 6 und 6' sowie der Detektionseinrichtung 7 positioniert werden kann. Die Vorrichtung ist als Handgerät ausgebildet und weist zur Stromversorgung einen integrierten Akku oder ein Fach zu Aufnahme von Akkus auf.
Die durch gestrichelte Linien dargestellte Beleuchtungseinrichtung 3 besitzt eine Strahlungsquelle 9 zur Abgabe zunächst unpolarisierter optischer Beleuchtungsstrahlung, im Beispiel eine Laserdiode, und eine polarisationsdrehende Einrichtung, die einen polarisierenden Strahlteiler 10 zur Bildung linear polarisierter Beleuchtungsstrahlung aus der Strahlung der Laserdiode 9 und ein polarisationsdrehendes Element 11, im Beispiel ein über einen nichtgezeigten Motor angetriebenes λ/2-Plättchen, das die Polarisationsrichtung bzw. -ebene der Beleuchtungsstrahlung B entsprechend seiner Drehstellung dreht. Eine Laserdiode als Strahlungsquelle eignet sich besonders zur Erzeugung kollimierter Strahlung.
Die in 1 durch strichpunktierte Linien veranschaulichte Detektionseinrichtung 7 verfügt zum einen über eine Polarisationsrichtungsermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung B, die einen im Strahlengang der Beleuchtungsstrahlung B nach dem polarisationsdrehenden Element 11 angeordneten nichtpolarisierenden Strahlteiler 12, einen Linearpolarisator 13, der zur Polarisation eines von dem Strahlteiler 12 aus der Beleuchtungsstrahlung B abgeteilten Referenzstrahlungsanteils R dient, und ein Photodetektionselement 14 zur Erfassung einer Intensität I_R des Referenzstrahlungsanteils R nach dem Polarisator 13 besitzt.
Die Detektionseinrichtung umfaßt weiter einen Abschnitt zur Analyse der Detektionsstrahlung D, der als polarisierenden Strahlteiler den polarisierenden Strahlteiler 1 der Beleuchtungseinrichtung 3, zwei Umlenkelemente 15 und 16, im Beispiel Spiegel, drei Strahlteiler 17, 18 und 19, ein λ/2-Plättchen 20 und drei weitere Photodetektionselemente 21, 22 und 23 besitzt.
Der polarisierende Strahlteiler 10 teilt die Detektionsstrahlung D in zwei zueinander orthogonal linear polarisierte Anteile D₁ und D₂ auf, die nach Umlenkung durch das Umlenkelement 15 bzw. direkt auf die Photodetektionselemente 21 bzw. 22 fallen. Im Strahlengang des Detektionsstrahlungsanteils D₂ koppelt der Strahlteiler 18 einen zur Interferenz zu bringenden Anteil D_2i aus, der über das Umlenkelement 16 in Richtung auf das Photodetektionselement 23 umgelenkt wird. Im Strahlengang des Detektionsstrahlungsanteils D₁ koppelt der Strahlteiler 17 einen zur Interferenz zu bringenden Anteil D_1i aus, dessen Polarisationsebene durch das λ/2-Plättchen 20 um 90° gedreht und durch den Strahlteiler 19 auf das Photodetektionselement 22 gelenkt wird, wobei es mit dem aus der Detektionsstrahlung D₁ gebildeten, zur Interferenz zu bringenden Anteil D_2i interferiert. Das Photodetektionselement 22 erfaßt dann eine entsprechende Intensität I₁₂. Ein Stopp 24 absorbiert Strahlung hinter dem Strahlteiler 19, die nicht auf das Photodetektionselement 19 gelenkt wird.
Die Beleuchtungseinrichtung 3, die Umlenkelemente 6 und 6' und die Detektionseinrichtung 7 sind so angeordnet, daß ein ebener Strahlengang vorliegt, und die Beleuchtungsstrahlung mit einem Einfallswinkel auf das Auge 2 trifft, der so groß ist, daß der Einfallswinkel an der Vorderseite der Augenlinse 5 größer als der Brewsterwinkel ist.
Die Strahlungsquelle 9, das polarisationsdrehende Element 11 bzw. dessen Antrieb und die Photodetektionselemente 14, 21, 22 und 23 sind mit der Auswerteeinrichtung 8 verbunden, die über einen Speicher zur Speicherung von Kalibrierdaten und Instruktionen eines Computerprogramms zur Durchführung des im folgenden geschilderten Verfahrens zur Messung der Drehung der Polarisationsrichtung der Beleuchtungsstrahlung durch das Kammerwasser in der Vorderkammer 1 des Auges 2 und der Konzentration von Glucose darin aus den Meßdaten der Photodetektionselemente 14, 21, 22 und 23, d.h. den erfaßten Intensitäten I_R, I₁, I₂ und I₁₂, dienen, sowie ein mit dem Speicher verbundener Prozessor zur Ausführung der Instruktionen. Weiterhin dient die Auswerteeinrichtung zum Ein- und Ausschalten der Strahlungsquelle 9 und des Antriebs des polarisationsdrehenden Elements 11.
Die Vorrichtung verfügt weiterhin der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht gezeigte optische Elemente zur Fokussierung der Beleuchtungsstrahlung auf die Vorderseite der Augenlinse 5 sowie ebenfalls nicht gezeigte optische Elemente zur Sammlung der von dem Auge 2 zurückgeworfenen Detektionsstrahlung.
Nach Einschalten der Strahlungsquelle 9 gibt diese zunächst unpolarisierte optisch Beleuchtungsstrahlung im Bereich zwischen 300 nm und 3000 nm, vorzugsweise in den Bereichen 400 bis 1100 nm und/oder 2000 nm bis 2500 nm, ab, die durch den polarisierenden Strahlteiler 10 linear polarisiert wird. Die so gebildete linear polarisierte Beleuchtungsstrahlung B passiert dann das polarisationsdrehende Element 11, dessen Antrieb das λ/2-Plättchen mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit dreht, so daß die Polarisationsrichtung bzw. Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung B kontinuierlich durch verschiedenen Stellungen mit einer entsprechenden Drehgeschwindigkeit gedreht wird. Die linear polarisierte Beleuchtungsstrahlung B tritt durch die Cornea 4, die eine polarisationsabhängige Transmission an der Vorderseite und einen doppelbrechenden Effekt hat, in die Vorderkammer 1 mit Kammerwasser ein, in der die Polarisationsrichtung entsprechend der optischen Aktivität und Konzentration darin gehaltener optisch aktiver Stoffe und der Weglänge um einen Drehwinkel ϕ_z/2 gedreht wird. Bei der folgenden Reflexion an der Augenlinse 5 erfolgt eine weitere Drehung der Polarisationsebene in Abhängigkeit vom Einfallswinkel auf die Augenlinse 5. Beim folgenden erneuten Durchtritt durch die Vorderkammer 1 mit Kammerwasser und die Cornea 4 erfolgen eine weitere Drehung der Polarisationsebene um den Drehwinkel ϕ_z/2 und eine weitere Doppelbrechung. Die so gebildete Detektionsstrahlung D wird in die zueinander orthogonal linear polarisierten Anteile D₁ und D₂ aufgespalten, deren Intensitäten I₁ und I₂ als Meßgrößen mittels der Photodetektionselemente 21 und 22 erfaßt werden. Weiterhin wird mit dem Photodetektionselement 23 als weitere Meßgröße die Intensität I₂ des Interferenzanteils erfaßt, der durch Überlagerung der in Interferenz zu bringenden Anteile D_1i und D_2i der Detektionsstrahlungsanteile D₁ und D₂ entsteht.
Weiter erzeugt die Polarisationsrichtungsermittlungseinrichtung ein Richtungssignal, das die Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung B nach der Beleuchtungseinrichtung und vor Eintritt in das Auge 2 wiedergibt, indem sie die Intensität I_R des aus der Beleuchtungsstrahlung B abgeteilten Anteils nach Filterung durch den Polarisator 13 erfaßt.
Die Auswerteeinrichtung 8 liest nun in konstanten Zeitintervallen die Meßsignale der Photodetektionselemente 14, 21, 22 und 23, die die Meßgrößenwerte darstellen, ein und bildet daraus Meßdaten. Die Erfassung der Meßdaten erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Drehfrequenz des polarisationsdrehenden Elements derart, daß Meßdaten über wenigstens eine halbe Drehung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung B, im Beispiel über eine 360°-Drehung der Polarisationsebene, zu wenigstens zwei Zeitpunkten, zu denen sich die Stellungen der Polarisationsebene unterscheiden, im Beispiel zu wenigstens 180 Zeitpunkten erfaßt werden, so daß 180 verschiedene Stellungen der Polarisationsebene zur Messung herangezogen werden.
Zur Auswertung der Meßgrößenwerte bzw. Meßdaten wird ein Modell verwendet, mit dem der Einfluß der Cornea 4, des Kammerwassers in der Vorderkammer 1 und der Augenlinse 5 auf die Detektionsstrahlung im Hinblick auf die Polarisationsänderung, genauer auf die Meßgrößen I₁, I₂ und I₁₂ wenigstens näherungsweise wiedergegeben werden kann. Das Modell enthält anpaßbare Modellparameter, die den Einfluß der verschiedenen Schichten, d.h. der Cornea 4, des Kammerwassers und der Augenlinse 5 auf die Änderung des Polarisationszustands der Beleuchtungsstrahlung B im Auge 1 charakterisieren bzw. wiedergeben. Daneben treten noch Modellparameter auf, die nicht bei jeder Messung angepaßt zu werden brauchen, sondern durch Schätzung des Wertes oder durch eine personenspezifische Kalibrierung ermittelt werden können.
Für das Modell werden Jones-Matrizen verwendet, die als solche dem Fachmann bekannt sind. Der Vektor des elektrischen Feldes E an einem vorgegebenen Ort wird dabei ohne seine Zeitabhängigkeit in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem dargestellt, das orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung der Strahlung ausgerichtet ist. Die erste und die zweite Koordinatenachse des Koordinatensystems sind dabei entsprechend einer s- und einer p-Polarisation der einfallenden optischen Strahlung orthogonal und parallel zu der Einfallsebene ausgerichtet. Der Feldvektor kann dann als zweikomponentiger Vektor (E₁, E₂) dargestellt werden, wobei E₁ und E₂ die Komponenten in Richtung der ersten bzw. zweiten Koordinatenachse des Koordinatensystems sind. Weiter werden die Komponenten E₁ und E₂ in üblicher Weise durch komplexe Zahlen bzw. Funktionen dargestellt, wobei sich die reellen, physikalisch meßbaren Größen aus den entsprechenden Realteilen ergeben.
Im Beispiel wird angenommen, daß der polarisierende Strahlteiler 10 Strahlung in eine s-Komponente orthogonal zur Einfallsebene, d.h. der durch den Strahlengang gegebenen Ebene, in 1 der Zeichenebene, und eine abgelenkte p-Komponente parallel zur Einfallsebene polarisiert. Den polarisierenden Strahlteiler 10 ohne Ablenkung passierende Strahlung der Strahlungsquelle 9 ist daher linear polarisiert und hat die Darstellung (E₀, 0).
Das polarisationsdrehende Element 11 dreht die Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung nach dem polarisierenden Strahlteiler 10 entsprechend seiner eigenen Winkelstellung relativ zu der Einfallsebene um einen Winkel α, so daß der Feldvektor E_B der auf das Auge 2 fallenden Beleuchtungsstrahlung B die Darstellung E_B = (E₁, E₂) = E₀(cos(α), sin(α)) hat.
Die verschiedenen optischen Einflüsse der Cornea 4, des Kammerwassers in der Vorderkammer 1 und der Augenlinse 5 können durch ein Produkt der folgenden Jones-Matrizen dargestellt werden, wobei die Matrizen in dem Produkt nicht miteinander vertauscht werden können. Dabei wird jeweils ein gegebenenfalls komplexer skalarer Vorfaktor der Jones-Matrix nicht einzeln notiert. Das Produkt der Vorfaktoren aller Matrizen, das eine polarisationsunabhängige Strahlabschwächung und Phasenveränderung beschreibt, wird vielmehr nur als skalarer, im allgemeinen komplexer Faktor S im Gesamtergebnis aufgeführt.
Da die Vorderseite der Cornea in Bezug auf die polarisationsabhängige Transmission keine ausgezeichnete Richtung aufweist, wird die Transmission nur durch unterschiedliche Transmissionsfaktoren für s- und p-Polarisation beschrieben. Die Polarisationsveränderung durch Transmission durch die Vorderseite der Cornea 5 in das Auge kann dargestellt werden durch die Matrix
Für die spezielle Geometrie des ebenen Strahlenganges kann die Größe C mit Hilfe der Brechzahl n_c der Cornea 5 zu C = 0,9 abgeschätzt werden. Das bedeutet, daß der polarisationsverändernde Effekt bei der Corneavorderseitentransmission vollständig ohne die Verwendung bei einer Messung anzupassender Modellparameter beschrieben werden kann.
Weiter tritt an der Cornea eine Polarisationsveränderung durch Doppelbrechung auf, die durch die Matrix
beschrieben werden kann. Der Winkel ϕ₁ beschreibt dabei die Ausrichtung der optischen Achsen der Cornea relativ zu dem verwendeten Koordinatensystem und kann bei jeder Messung einen anderen Wert aufweisen. Die Werte der reellen Paramter ϕ₁, Γ₁ sind daher im allgemeinen unbekannt und müssen durch die Messung bestimmt werden.
Die Matrix der Polarisationsveränderung durch die optische Aktivität des Kammerwassers bei einfachem Durchtritt durch die Vorderkammer 1 ergibt sich zu
wobei der Winkel ϕ_z/2 der gesuchte Drehwinkel für die Drehung der Polarisationsrichtung durch das Kammerwasser beim einfachen Durchtritt durch die Vorderkammer 1 des Auges ist.
Bei der Reflexion an der Augenlinse 5 tritt ebenfalls eine Polarisationsveränderung auf, die in dem gewählten Koordinatensystem analog zu der Transmission an der Vorderseite der Cornea 4 nur durch unterschiedliche Reflexionskoeffizienten für s- und p-polarisierte Komponenten beschrieben wird:
Der Wert des Modellparameters C_Linse, wird zu Erzielung der notwendigen Meßgenauigkeit unter Verwendung der Meßdaten angepaßt, da C_Linse, sehr empfindlich vom Einfallswinkel der Beleuchtungsstrahlung B auf die Augenlinse 5 abhängt.
Die Drehung der Polarisationsrichtung durch das Kammerwasser nach Reflexion an der Augenlinse 5 kann wieder durch die Matrix
wiedergegeben werden.
Auch auf dem Rückweg treten an der Cornea die Doppelbrechung und die Polarisationsveränderung durch Transmission durch die Vorderseite der Cornea auf. Die entsprechenden Matrizen M₆ und M₇ lauten
Die Werte der Modellparameter ϕ₂, Γ₂ sind reell und im allgemeinen unbekannt. Sie stimmen im allgemeinen auch nicht mit den entsprechenden Werten an der Eintrittsstelle der Corena 4 überein. Sie müssen daher durch die Messung bzw. Anpassung bestimmt werden. Für die Werte der Parameter in der Matrix M₇ gilt das für die Matrix M₁ gesagte. Das bedeutet, dass der polarisationsverändernde Effekt bei der Transmission durch die Vorderseite der Cornea 4 beim Austritt aus dem Auge vollständig beschrieben werden kann.
Die Polarisationsveränderung durch das Auge wird also durch das Produkt SM₇... M₁, bzw. die sechs reellen Modellparameter ϕ₁, Γ₁, ϕ_z, C_Linse, ϕ₂, Γ₂ sowie den im allgemeinen komplexen Vorfaktor S beschrieben, die alle ausgehend von den erfaßten Meßgrößenwerten, d.h. den Intensitäten I₁, I₂ und I₁₂, und der Intensität I_R als Richtungssignal unter Verwendung des Modells bestimmt werden müssen. Dazu wird der Polarisationszustand der Detektionsstrahlung erfaßt.
Der Feldvektor E_D der Detektionsstrahlung und damit die Polarisation der Detektionsstrahlung nach Austritt aus dem Auge 2 ergibt sich aus dem Feldvektor E_B der Beleuchtungsstrahlung mit dem oben erwähnten konstanten Vorfaktor S zu: ED(α;ϕ1,Γ1,ϕz,CLinse,ϕ1,Γ2) = SM7M6M5M4M3M2M1EB(α) = SM(ϕ1,Γ1,ϕz,CLinse,ϕ1,Γ2)EB(α).
Da die Matrizen M₁, ..., M₇ nur bis auf gegebenenfalls komplexe Vorfaktoren bzw. deren Produkt nur bis auf den gegebenenfalls komplexen Vorfaktor S = S_r + iS_i gegeben sind, kann E₀ beliebig gewählt sein, im Beispiel zu 1. E_D ist dann ebenfalls nur bis auf einen konstanten Vorfaktor bekannt. Insbesondere kann E_D geschrieben werden als
mit reellen Faktoren E_D1 und E_D2.
Die obige Gleichung kann als Gleichung zur Bestimmung der Matrixelemente der Matrix M aufgefaßt werden. Da das optische System bzw. das obige Gleichungssystem linear ist, ist die Matrix vollständig bestimmt, wenn die Antwort E_D für zwei linear unabhängige Anregungen bzw. Vektoren E_B bekannt ist.
Die Detektionselemente 21 und 22 geben Meßsignale aus, die die Intensitäten I₁ bzw. I₂ wiedergeben, die sich aus I1 = R1ED1·ED1 = R1|ED1|2 I2 = R2ED2·ED2 = R2|ED2|2 ergeben, wobei Reduktionsfaktoren R₁ und R₂, die durch Kalibriermessungen ermittelt werden können, die Einflüsse der Strahlteiler und Umlenkelemente beschreiben.
Das Detektionselement 23 gibt Meßsignale ab, die die Interferenzintensität I₁₂ beschreiben. Diese kann geschrieben werden als
Damit ergibt sich der Feldvektor E_D aus den gemessenen Meßgrößenwerten bzw. Intensitäten bis auf einen absoluten Betrag und eine absolute Phase zu
Es sind also für wenigstens zwei bekannte Winkel α₁ und α₂ die drei Intensitäten I₁, I₂ und I₁₂ zu messen, die sich daraus ergebenden Feldvektoren E_Dm(α) zu ermitteln und dann die vier komplexen, bzw. acht entsprechenden reellen, Gleichungen ED(α1) = SM(ϕ1,Γ1,ϕz,CLinse,ϕ2,Γ2)EB(α1) ED(α2) = SM(ϕ2,Γ2,ϕz,CLinse,ϕ2,Γ2)EB(α2) für ϕ₁, Γ₁, ϕ_z, C_Linse, ϕ₂, Γ₂, S_r und S_i zu lösen.
Um die Genauigkeit zu verbessern, werden jedoch N Drehwinkel α₁, i = 1, ..., N (N natürliche Zahl größer als 2) eingestellt, so daß sich 4N Gleichungen zur Bestimmung der Modellparameter ϕ₁, Γ₁, ϕ_z, C_Linse, ϕ₂, Γ₂, S_r und S_i ergeben. Die anpaßbaren Modellparameter können dann durch ein Maximum-Likelihood-Verfahren oder ein Ausgleichsverfahren, beispielsweise nichtlineare Regression auf der Basis der Summe der Fehlerquadrate, geschätzt werden. Dazu kann beispielsweise mit bekannten Minimierungsverfahren durch Variation der Modellparameter die Summe der Fehlerquadrate
minimiert werden. Die Winkel α₁ werden dabei aus der Messung von I_R = R₄ |E₀cos(α₁)|² ermittelt, wobei R₄ den Einfluß des Strahlteilers 9 und des Polarisators 10 wiedergibt. Hierzu sind in der Auswerteeinrichtung 8 entsprechende Instruktionen eines Computerprogramms gespeichert, das aus den Meßgrößenwerten I₁, I₂ und I₁₂ sowie I_R die Werfe der Modellparameter und damit insbesondere den Drehwinkel ϕ_z der Drehung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung durch das Kammerwasser bestimmt.
In der Auswerteeinrichtung 8 ist in Form einer Tabelle eine Kalibrierkennlinie gespeichert, die für ermittelte Drehwinkel ϕ_z die Konzentration der Glucose im Blut wiedergibt. Diese Kalibrierkennlinie ist jeweils personenspezifisch durch Kalibriermessungen, bei denen der Drehwinkel in Abhängigkeit von dem durch Messungen des Glucosegehalts im Blut ermittelten Blutzuckerspiegels, bestimmt worden. Die ermittelten Werte werden dann über eine in 1 nicht gezeigte Anzeige angezeigt.
Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß die Einfallswinkelabhängigkeit der Polarisationsänderung durch die Reflexion an der Augenlinse 5 keinen wesentlichen Einfluß auf die Bestimmung von ϕ_z hat. Denn bei jeder Messung werden C_Linse und S erneut angepaßt. Daher braucht bei der Messung der Einfallswinkel nicht mit hoher Genauigkeit auf einen vorgegebenen Wert eingestellt zu werden, was die tägliche Anwendung für einen Diabetiker stark erleichtert.
Eine Vorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die teilweise in 2 veranschaulicht ist, unterscheidet sich von der Vorrichtung in 1 dadurch, daß die Umlenkelemente 6 und 6' anders angeordnet und zwei weitere Umlenkelemente 6'' und 6''' in Form von Spiegeln vorgesehen sind. Die Umlenkelemente sind nun so angeordnet, daß aus der Beleuchtungseinrichtung austretende Beleuchtungsstrahlung B nach Umlenkung durch das Umlenkelement 6''' abgelenkt durch die Umlenkelemente 6'', 6 und 6' unmittelbar die Detektionseinrichtung eintritt, wenn kein Auge im Strahlengang angeordnet ist, so daß eine Kalibrierung und Justierung der Vorrichtung einfach erfofgen kann. Die Positionierhilfen sind dabei so angeordnete, daß die Beleuchtungsstrahlung B immer noch unter einem geeigneten Einfallswinkel auf das Auge 2 gestrahlt wird.
Eine Vorrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels darin, daß die Beleuchtungseinrichtung 3' nun n verschiedener Laserdioden 25⁽¹⁾ , 25⁽²⁾ , 25⁽³⁾ , ... 25⁽ⁿ⁾ aufweist (n natürliche Zahl größer als 1, vorzugsweise kleiner als 11), die in jeweils unterschiedlichen vorgegebenen Wellenlängenbereichen optische Strahlung emittieren und über dichroitische Strahlteiler 26⁽¹⁾ , 26⁽²⁾ , 26⁽³⁾ , ... 26⁽ⁿ⁾ auf den polarisierenden Strahlteiler 10 strahlen.
Weiterhin unterscheidet sich eine Auswerteeinrichtung 8' von der Auswerteeinrichtung 8 darin, daß diese so programmiert ist, daß die Laserdioden 25⁽¹⁾ , ... 25⁽ⁿ⁾ nacheinander alternierend eingeschaltet und für die Einschaltdauer jeder dieser Laserdioden Meßgrößenwerte bzw. Meßdaten entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel erfaßt, gespeichert und danach wellenlängenabhängig ausgewertet werden. Alle anderen Komponenten der Vorrichtung entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels, so daß sie mit den gleichen Bezugskennzeichen gezeichnet sind und die Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel auch für diese entsprechend gelten.
Die Auswertung der Meßgrößenwerte bzw. Meßdaten erfolgt zunächst für jeden der Wellenlängenbereiche getrennt, so daß für jeden Wellenlängenbereich ein Satz von Werten der Modellparameter ermittelt wird.
In der Auswerteeinrichtung 8' sind nun Wellenlängenabhängigkeiten der optischen Aktivitäten der im Kammerwasser enthaltenen optisch aktiven Stoffe sowie der durch die Cornea hervorgerufenen Doppelbrechung gespeichert. Unter Verwendung dieser Daten wird aus den ermittelten Drehwinkeln für die Drehung der Polarisationsrichtung durch das Kammerwasser in der Vorderkammer 1 die Konzentration jedes der betrachteten Stoffe ermittelt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel nur die Auswertung der Meßgrößenwerte, d.h. der Intensitäten I₁, I₂ und I₁₂, verändert. Zur Erzielung einer höheren Genauigkeit wird ausgenutzt, daß die Komponenten von E_B harmonische Funktionen von α sind. Da die Gleichungen für E_D linear in E_B sind, hat auch E_D eine harmonische Abhängigkeit von α. Man erhält also mit E_B = E₀(cos(α), sin(α))
mit entsprechenden Amplituden E_D1c, E_D1s, E_D2c und E_D2s. Unter Ausnutzung bekannter trigonometrischer Beziehungen kann E_D(α) auch geschrieben werden als
mit ED1c = EDA1cos(Δ1) = SM11E0 ED1s = –EDA1sin(Δ1) = SM12E0 ED2c = EDA2cos(Δ2) = SM21E0 ED2s = –EDA2sin(Δ2) = SM22E0.
Erfaßt man nun E_D(α) in der zuletzt genannten Form, stellen die vorhergehenden Gleichungen vier komplexe Gleichungen zur Bestimmung der acht anpaßbaren reellen Modellparameter einschließlich S_r und S_i, den Real- und Imaginärteilen von S, dar, wobei E₀ sich aus dem Maximum I_Rmax von I_R zu
ergibt.
Bei den beschriebenen Vorrichtungen können als Strahlungsquellen statt der Laserdioden auch beispielsweise Leuchtdioden oder Halogenlampen eingesetzt werden.
Als polarisationsdrehendes Element kann insbesondere statt des von einem Antrieb gedrehten λ/2-Plättchens ein von der dann als Steuer- und Auswerteeinrichtung fungierenden Auswerteeinrichtung angesteuerter Faraday-Rotator oder eine entsprechende Flüssigkristallzelle zur Drehung der Polarisationsebene verwendet werden. Da hier die Ansteuerung durch die Auswerteeinrichtung erfolgt und damit der die Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung B wiedergebende Winkel α vorgegeben einstellbar ist und die Meßgrößenwerte nach Erreichen der jeweiligen, durch den Winkel α gegebenen Stellung erfaßt werden können, kann dann die Polarisationsrichtungsermittlungseinrichtung entfallen.

Claims

Verfahren zur Messung der Drehung einer Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch wenigstens einen optisch aktiven Stoff enthaltendes Kammerwasser in einer Vorderkammer (1) eines Auges (2) und/oder wenigstens einer die Konzentration eines optisch aktiven Stoffs in dem Kammerwasser wiedergebenden Größe, bei dem – elliptisch oder linear polarisierte optische Beleuchtungsstrahlung auf das Auge gestrahlt wird, deren Polarisationsebene nacheinander in wenigstens zwei verschiedene Stellungen eingestellt wird, – für jede der eingestellten Stellungen Werte von Meßgrößen erfaßt werden, aus denen ein elektrischen oder magnetischer Feldvektor oder der Polarisationszustand der nach dem Durchtritt durch die Vorderkammer (1), Reflexion an der Vorderseite der Augenlinse (5) und nochmaligen Durchtritt durch die Vorderkammer (1) aus dem Auge (2) als Detektionsstrahlung ausgetretenen Beleuchtungsstrahlung in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung ermittelbar ist, und – aus den erfaßten Meßgrößenwerten ein die Drehung der Polarisationsebene beschreibender Drehwinkel und/oder ein Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Ermittlung des Drehwinkels ein Modell zur Modellierung der Abhängigkeit der Meßgrößen von der Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung verwendet wird, in das Modellparameter eingehen, die optische Eigenschaften von mit der Beleuchtungsstrahlung wechselwirkenden Schichten des Auges (2) charakterisieren, und ein Wert wenigstens eines den Drehwinkel wiedergebenden Modellparameters ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Einstellung der Stellungen der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung die Polarisationsebene um wenigstens eine viertel Drehung gedreht wird und bei der Drehung die Meßgrößenwerte für eine vorgegebene Anzahl von Stellungen der Polarisationsebene oder kontinuierlich erfaßt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für jede der Stellungen der Polarisationsebene synchron mit der Erfassung der Meßgrößenwerte Richtungssignale gebildet werden, die die Stellung der Polarisationsebene wenigstens eines Teils der Beleuchtungsstrahlung vor dem Auftreffen auf das Auge (2) wiedergeben, und der Drehwinkel und/oder der Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe zusätzlich in Abhängigkeit von den Richtungssignalen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Meßgrößenwerte erfaßt werden, indem die Detektionsstrahlung in zwei zueinander wenigstens näherungsweise zueinander orthogonal polarisierte Anteile aufgespalten, die Anteile teilweise unter Bildung eines Interferenzanteils zur Interferenz gebracht und die Intensitäten der beiden Anteile und des Interferenzanteils als Meßgrößenwerte erfaßt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zunächst der Drehwinkel ermittelt wird, und aus dem Drehwinkel unter Verwendung einer Kalibrierkennlinie, die eine Abhängigkeit zwischen der die Konzentration des optischen aktiven Stoffs wiedergebenden Größe und dem Drehwinkel wiedergibt, der Wert der die Konzentration des Stoffs wiedergebenden Größe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Auge (2) mit optischer Beleuchtungsstrahlung mehrerer verschiedener vorgegebener Wellenlängen bestrahlt wird, die Meßgrößenwerte für jede der vorgegebenen Wellenlängen erfaßt werden und der Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe in Abhängigkeit von den für jede der Wellenlängen erfaßten Meßgrößenwerte und den jeweiligen Wellenlängen ermittelt wird.
Vorrichtung zur Messung der Drehung einer Polarisationsrichtung polarisierter optischer Strahlung durch wenigstens einen optisch aktiven Stoff enthaltenes Kammerwasser in einer Vorderkammer (1) eines Auges (2) und/oder wenigstens einer die Konzentration eines optischen aktiven Stoffs in dem Kammerwasser wiedergebenden Größe mit – einer Beleuchtungseinrichtung (3; 3') zur Abgabe von elliptisch oder linear polarisierter optischer Beleuchtungsstrahlung auf das Auge (2) mit einer polarisationsdrehenden Einrichtung (10, 11), mit der eine Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung nacheinander in wenigstens zwei verschiedene Stellungen einstellbar ist, – einer Detektionseinrichtung (7), die für jede der Stellungen Werte von Meßgrößen erfaßt, aus denen ein elektrischer oder magnetischer Feldvektor oder der Polarisationszustand der nach dem Durchtritt durch die Vorderkammer (1), Reflexion an der Vorderseite der Augenlinse (5) und nochmaligen Durchtritt durch die Vorderkammer (1) aus dem Auge (2) als Detektionsstrahlung ausgetretenen Beleuchtungsstrahlung in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung ermittelbar ist, und – einer Auswerteeinrichtung (8; 8'), die aus den erfaßten Meßgrößenwerten, einen die Drehung der Polarisationsebene beschreibenden Drehwinkel und/oder einen Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Auswerteeinrichtung (8; 8') dazu ausgebildet ist, zur Ermittlung des Drehwinkels ein Modell zur Modellierung der Abhängigkeit der Meßgrößen von der Stellung der Polarisationsebene der Beleuchtungsstrahlung zu verwenden, in das Modellparameter eingehen, die optische Eigenschaften von mit der Beleuchtungsstrahlung wechselwirkenden Schichten des Auges (2) charakterisieren, und einen Wert wenigstens eines den Drehwinkel wiedergebenden Modellparameters zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei der die Beleuchtungseinrichtung (3, 3') eine Strahlungsquelle (9; 25, ..., 25⁽ⁿ⁾ ) zur Abgabe von optischer Strahlung umfaßt, bei der die polarisationsdrehende Einrichtung (10, 11) zur Bildung der Beleuchtungsstrahlung die Strahlung linear polarisiert und die Polarisationsebene ausgehend von einer Anfangsstellung um wenigstens eine viertel Umdrehung dreht, und bei der die Auswerteeinrichtung (8, 8') dazu ausgebildet ist, bei der Drehung die Meßgrößenwerte für eine vorgegebene Anzahl von Stellungen oder kontinuierlich zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der ein Strahlteiler (12) einen Teil der Beleuchtungsstrahlung auskoppelt und eine Polarisationsrichtungsermittlungseinrichtung (13, 14) vorgesehen ist zur Ermittlung der Stellung der Polarisationsebene wenigstens des ausgekoppelten Teils der Beleuchtungsstrahlung und zur Abgabe von die ermittelte Stellung wiedergebenden Richtungssignalen an die Auswerteeinrichtung (8; 8'), und bei der die Auswerteeinrichtung (8; 8') dazu ausgebildet ist, den Drehwinkel und/oder den Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe zusätzlich in Abhängigkeit von den Richtungssignalen zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der die Detektionseinrichtung (7) einen im Strahlengang der Detektionsstrahlung angeordneten Strahlteiler (10) aufweist, der die Detektionsstrahlengang in zwei Arme aufteilt und der polarisierend ist oder dem wenigstens in einem der Arme ein Polarisator nachgeordnet ist, bei der jedem der Arme jeweils ein weiterer Strahlteiler (17, 18) angeordnet ist, der jeweils ein Teil der Detektionsstrahlung im jeweiligen Arm unter Bildung eines jeweiligen zur Interferenz zu bringenden Anteils auskoppelt, bei der ein optisches Element (20) zur Drehung der Polarisationsrichtung wenigstens einer der zur Interferenz zu bringenden Anteils relativ zu dem anderen vorgesehen ist, und bei dem wenigstens drei Detektionselemente (21, 22, 23) zur Detektion der Detektionsstrahlung in den beiden Armen und einer Interferenzintensität, die durch Überlagerung der zur Interferenz zu bringenden Anteile erhalten wird, vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die Beleuchtungseinrichtung (3; 3') und die Detektionseinrichtung (7) einen gemeinsamen Polarisator (10) aufweisen, der zur Bildung der Beleuchtungsstrahlung die optische Strahlung linear polarisiert und aus der Detektionsstrahlung einen linear polarisierten Anteil ausfiltert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der die Beleuchtungseinrichtung (3; 3') und/oder die Detektionseinrichtung (7) relativ zueinander und/oder wenigstens ein Umlenkelement (6, 6', 6'', 6''') für die Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlung so angeordnet sind, daß wenigstens ein Anteil der aus der Vorrichtung austretenden Beleuchtungsstrahlung teilweise in einen Detektionsstrahlengang der Detektionseinrichtung (7) eintritt, wenn kein Körper im Strahlengang der Beleuchtungsstrahlung zwischen der Beleuchtungs- und der Detektionseinrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei der die Auswerteeinrichtung (8; 8') eine Speichereinrichtung aufweist, in der eine Kalibrierkennlinie, die eine Abhängigkeit zwischen der die Konzentration des optischen aktiven Stoffs wiedergebenden Größe und dem Drehwinkel wiedergibt, darstellende Daten speicherbar sind, und bei der die Auswerteeinrichtung (8; 8') dazu ausgebildet ist, aus dem Drehwinkel unter Verwendung der die Kalibrierkennlinie wiedergebenden Daten den Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, bei der die Beleuchtungseinrichtung (3') zur Abgabe von optischer Beleuchtungsstrahlung mehrerer verschiedener vorgegebener Wellenlängen und die Detektionseinrichtung (7) zur Erzeugung der Meßgrößenwerte für jede der Wellenlängen ausgebildet sind, und die Auswerteeinrichtung (8') aus den erzeugten Meßgrößenwerten unter Verwendung der Wellenlängenabhängigkeit den Wert der die Konzentration des optisch aktiven Stoffs wiedergebenden Größe ermittelt.