DE102005038218A1

DE102005038218A1 - Bestimmung des Abstandes zwischen dem menschlichen Auge und dem Messgerät mit einer Kamera

Info

Publication number: DE102005038218A1
Application number: DE200510038218
Authority: DE
Inventors: Andreas Schnalke; Kurt Heiberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Eyesight & Vision De GmbH
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-02-15

Abstract

Der Messabstand wird für alle K-Werte des menschlichen Auges angezeigt. Es wird nicht, wie beim Stand der Technik, nur ein bestimmter Messabstand gemessen. DOLLAR A Die spezielle Konstruktion des Einblickes ermöglicht die hohe Messgenauigkeit und den großen Messbereich. Dadurch, dass der K-Wert des Auges bzw. der Krümmungsradius des Messobjektes in der Messebene bestimmt wird, wird die Messgenauigkeit weiter erhöht. Die Bestimmung des K-Wertes erfolgt durch die Überlagerung zweier unabhängiger Messverfahren, die die Informationen aus einer Bildersequenz auswerten. DOLLAR A Mit dem Messverfahren kann der Abstand des Messobjektes mit konvexer Oberfläche (z. B. menschliches Auge, Linsen oder Spiegel) zum Messgerät bestimmt werden. Außerdem wird der Krümmungsradius des Messobjektes bestimmt bzw. überprüft.

Description

Anwendungsgebiet
Das Messverfahren bestimmt den K-Wert des Auges in der Messebene und berechnet den Messabstand des menschlichen Auges zum Messgerät, das die Fehlsichtigkeit oder die Hornhautdicke bestimmt. Das Verfahren funktioniert auch mit Standardoptiken, die einen entfernungsabhängigen Abbildungsmaßstab besitzen. Man braucht keine telezentrischen Objektive dafür.

Stand der Technik

Bei den meisten Messgeräten in der Ophthalmologie beeinflusst der Messabstand das Messergebnis. Deshalb wird bei den Wellenfrontmessgeräten, die die Fehlsichtigkeit des Auges messen, der K-Wert der Hornhaut des Auges vorgegeben. Der K-Wert entspricht dem Krümmungsradius der Hornhaut im Scheitelpunkt des Auges oder dem Krümmungsradius in Pupillenmitte. Der K-Wert wird grundsätzlich mit einem Topographiemessgerät bestimmt. Mit dem K-Wert wird der relative Abstand der Bildpunkte der Abstandsdioden für den gewünschten Messabstand berechnet. Der Bediener muss das Messgerät solange positionieren bis der gemessene Abstand der Bildpunkte mit dem berechneten übereinstimmt.

Nachteile des Standes der Technik

– der K-Wert muss mit einem zweiten Gerät gemessen werden
– der K-Wert wird in Pupillenmitte oder am Scheitelpunkt des Auges bestimmt, was nicht der Messebene entsprechen muss
– der Messabstand kann nicht für beliebige Entfernungen des Auges vom Messgerät ermittelt werden
– da der tatsächliche Messabstand nicht bekannt ist, kann das Messergebnis, die Fehlsichtigkeit des Auges, z.B. nicht in Abhängigkeit vom Messabstand korrigiert werden
– die Messgenauigkeit des Abstandes liegt je nach K-Wert bei ± 2,5 mm, da der Triggerbereich des Messgerätes groß gewählt werden muss, damit der Bediener überhaupt die Möglichkeit hat eine Messung auszulösen. Einem Messfehler von 1 mm bei der Abstandsmessung entspricht ein Fehler der

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, den Abstand des Auges zum Messgerät, das die Hornhautdicke oder die Fehlsichtigkeit des Auges messen soll, möglichst genau zu messen (Messgenauigkeit ± 0,1 mm), um so die Messgenauigkeit des Messgerätes zu erhöhen bzw. die garantierte Messgenauigkeit sicherzustellen.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und das Messverfahren nach Anspruch I gelöst.

Vorteile der Erfindung

– Der K-Wert des Auges wird mit einer Standardoptik gemessen, deren Abbildungsmaßstab abhängig ist von der Entfernung des Auges vom Messgerät.
– Die Abhängigkeit des Abbildungsmaßstabes von der Entfernung muss nicht bekannt sein, wenn immer im gleichen Abstand gemessen werden soll. Eine Kalibrierung erfolgt nur beim Sollmessabstand.
– Der K-Wert wird in der Messebene, die für die Abstandsmessung relevant ist, bestimmt.
– Der K-Wert des Auges wird mit demselben Messgerät bestimmt, mit dem auch die Fehlsichtigkeit des Auges gemessen wird. Damit gibt es keine Fehler bei der Portierung oder Übernahme der Datensätze.
– Der Abstand des Auges zum Messgerät wird für beliebige Entfernungen berechnet. Dabei muss der Abbildungsmaßstab in Abhängigkeit von der Entfernung kalibriert werden.
– Setzt man telezentrische Objektive ein, so lassen sich beliebige Messabstände ohne Korrekturfaktor berechnen.
– Die Messgenauigkeit liegt für den Hornhautradius bei ± 0,1 nun bzw. für den K-Wert bei ± 0,5 dpt.
– Der Messabstand wird mit einer Genauigkeit von 0,5 mm bei bekanntem K-Wert gemessen. Bei einem Wellenfrontmessgerät, das die Fehlsichtigkeit des Auges misst, entspricht dies einer Messgenauigkeit von circa 0,1 dpt.
– Bei bekanntem Messabstand kann das Messergebnis, die Fehlsichtigkeit des Auges, z.B. korrigiert werden, wenn der Messabstand nicht dem Sollabstand entspricht. Dadurch wird die Zentrierung des Gerätes für den Bediener erleichtert und der gesamte Messvorgang wird beschleunigt.
– Mit dem speziellen Einblick wird sichergestellt, dass der Messabstand auch bei Augen mit K-Werten von 33 dpt bis 53 dpt gemessen werden kann. Dies umfasst den gesamten K-Wertebereich für menschliche Augen.
– Durch die Anordnung von mehreren Abstandsdioden (4, 6 oder 8 Dioden) in einer Messebene, kann der errechnete K-Wert bzw. der berechnete Messabstand überprüft werden.
– Die Bilder können mit einem Standard PC ausgewertet werden, man benötigt dafür keine Mikrocontroller oder DSP Rechner.
– Der Krümmungsradius von konvexen Linsen und konvexen Spiegeln kann bei der Qualitätskontrolle bzw. bei der Wareneingangsprüfung schnell und einfach bestimmt werden.

Beispiel 1
Im Bild 1 ist der Strahlengang eines Messgerätes mit Standardlinsen (Linse 1 und Linse 2) dargestellt. Bei diesem Gerät ist der Abbildungsmaßstab abhängig von der Entfernung des Messobjektes zum Messgerät. Um den Messabstand von 57,5 mm z.B. zwischen dem menschlichen Auge und dem Messgerät möglichst genau bestimmen zu können, wird als erstes der K-Wert (bzw. der Krümmungsradius der Hornhaut des Auges) ermittelt.
Der K-Wert wird durch die Überlagerung von zwei Messverfahren bestimmt, die später beschrieben werden. Dazu müssen Bilder im Abstand von 0,5 mm aufgenommen werden. Der Bediener zentriert das Messgerät und durchfährt den kompletten Bereich der Schärfentiefe der Optik (circa 15 mm). Ein Wegsensor überwacht die relative Position des Messgerätes zum Auge, und triggert die Kamera, so dass die Bilder im Abstand von 0,5 mm aufgenommen werden. Die PC Software überwacht die Zentrierung und Fixierung des Auges.
Der Einblick
Ein speziell konstruierter Einblick ist in Bild 3 dargestellt. Er ermöglicht das Ausleuchten des Messobjektes mit den 4 Beleuchtungsdioden. Mit den 4 waaggerechten und den 4 senkrechten Abstandsdioden wird der K-Wert in der waagerechten und in der senkrechten Messebene bestimmt. Die Abstandsdioden mit großem Abstrahlwinkel (circa 120°) stellen sicher, dass die CCD Kamera aus Bild 1, unabhängig von dem zu messenden K-Wert, immer diese Abstandsdioden abbildet.
1. Messverfahren: Bestimmung des K-Wertes mittels Kalibriergeraden
Als erstes werden die Abstände der Bildpunkte der Abstandsdioden LED 1 bis LED 4 von der optischen Achse mit Subpixelgenauigkeit für zwei Stablinsen mit K-Werten von 33 dpt bzw. 53 dpt bei Messabständen von 53 mm bzw. 61 mm gemessen. Dies ergibt jeweils zwei Kalibriergeraden für die Abstandsdiode LED 1 und zwei Kalibriergeraden für die Diode LED 2. Im Bild 6 ist die Abhängigkeit des Abstandes der Bildpunkte der LED 1 vom K-Wert und dem Messabstand dargestellt.
Das Messprinzip:
Von den Bildern werden immer zwei Bilder ausgewählt, die in einem relativen Abstand von 8 mm zueinander aufgenommen wurden. Der Abstand der Bildpunkte des ersten Bildes liefert über die 53 mm-Kalibriergerade einen K_Wert_Bild_1 bzw. Radius_Bild_1.
Der Abstand der Bildpunkte des zweiten Bildes liefert über die 61 mm-Kalibriergerade einen K_Wert_Bild_2 bzw. Radius_Bild_2.
Den genauen K-Wert liefert das Verfahren 1 nur, wenn bei einem Abstand Auge zum Gerät von 53 mm und 61 mm die Bilder aufgenommen wurden.
Dann sind nämlich beide K-Werte gleich.
Da aber der absolute Messabstand unbekannt ist, müssen die Ergebnisse von Verfahren 1 mit dem Ergebnis von Verfahren 2 verglichen werden.
2. Messverfahren: Bestimmung des K-Wertes über den relativen Abstand
Mit dem Abstand der Bildpunkte des ersten Bildes und einem variablen K-Wert (es werden K-Werte von 30 dpt bis 55 dpt eingesetzt) kann man die Entfernung_Bild_1 bestimmen. Die Abstandsberechnung wird in einem der nächsten Absätze erklärt.
Mit dem Abstand der Bildpunkte des zweiten Bildes und einem variablen K-Wert (es werden K-Werte von 30 dpt bis 55 dpt eingesetzt) kann man die Entfernung_Bild_2 bestimmen. Die Abstandsberechnung wird in einem der nächsten Absätze erklärt.
Es gibt nur einen K-Wert bzw. Krümmungsradius für den die Differenz Entfernung_Bild_2 – Entfernung_Bild_1 genau 8 mm beträgt. Dies ist der K-Wert_3 bzw. Radius_3.
Den genauen K-Wert liefert das Verfahren 2 nur, wenn die Bilder bei einem Abstand Auge zum Gerät von 53 mm und 61 mm aufgenommen wurden.
Bestimmung des K-Wertes durch Vergleich der beiden Messverfahren
Da der Messabstand unbekannt ist, müssen die Ergebnisse von Verfahren 1 mit dem Ergebnis von Verfahren 2 überlagert werden.
Vergleicht man die Lösungen von Messverfahren 1 mit Messverfahren 2 so kann man folgendes erkennen:
Für Radius_3 < Radius_Bild_2:
Messentfernung zu nahe am Auge, anderes Bilderpaar auswählen und Auswertung wiederholen
Für Radius_3 > Radius_Bild_2:
Messbereich zu weit entfernt vom Auge, anderes Bilderpaar auswählen und Auswertung wiederholen
Für Radius_3 ≈ Radius_Bild_2 ≈ Radius_Bild_1:
Messbereich ist optimal und K-Wert bzw. Krümmungsradius kann übernommen werden.
Berechnung des Abstandes zwischen Einblick und Hornhaut des Auges Ist der K-Wert bzw. Radius bekannt, so lässt sich der Winkel α (siehe dazu Bild 3) wie folgt berechnen: α = arcsin (Abstand_Bildpunkt_LED_1/Radius).
Der Abstand Auge Messgerät (Entfernung) lässt sich dann im anderen Dreieck wie folgt bestimmen: Entfernung = (Abstand_LED_1- Abstand_Bildpunkt_LED_1)/tan(2α) + (Radius – Radius·cosα)
Da der Abbildungsmaßstab entfernungsabhängig ist, muss der so gemessene Abstand_Bildpunkt_LED_1 mit einem Kalibrierfaktor multipliziert werden.
Anschließend lässt sich der Messabstand mit einer Genauigkeit von ± 250 μm bestimmen.
Auszuwertendes Bild
In dem im Bild 5 dargestellten Bild einer zu vermessenden Stablinse sind die Bildpunkte der Beleuchtungs- und der Abstandsdioden zu sehen.
Überprüfung des Messergebnisses
Der berechnete K-Wert wird überprüft, indem das gleiche Messverfahren für die Abstandsdiode LED 2 angewendet wird. Für die Abstandsdiode LED 2 werden Kalibriergeraden gemessen. Aus dem Vergleich der Messergebnisse der beiden oben beschriebenen Messverfahren wird der K-Wert neu bestimmt. Liefern beide Abstandsdioden LED 1 und LED 2 nahezu den gleichen K-Wert, so wird das Messergebnis für gültig erklärt. Die Messergebnisse werden vor der Freigabe auf Plausibilität überprüft, um den Einfluss von Hornhautanomalien, wie z.B. Verletzungen, auszuschließen.
Bei bereits berechnetem K-Wert wird der Abstand des Messgerätes zum Auge wie folgt überprüft. Die Abstände der Bildpunkte der LED 1 und LED 2 von der optischen Achse müssen bei gleichem K-Wert die gleiche Entfernung des Auges zum Messgerät liefern. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird das Messergebnis für gültig erklärt.
Wertet man gleichzeitig die senkrechten Abstandsdioden aus, so kann der Messabstand nochmals überprüft werden.
Beispiel 2
In Bild 2 ist der Strahlengang mit telezentrischem Objektiv dargestellt. Es genügt, wenn ein Bild im beliebigen Abstand aufgenommen wird. Die Bildpunkte der Abstandsdioden werden mit Subpixelgenauigkeit bestimmt. Bei diesem Aufbau ist der Abbildungsmaßstab nahezu unabhängig von der Entfernung des Messobjektes zum Messgerät. Da der Abstand der Bildpunkte der Abstandsdioden von der optischen Achse nur von dem zu bestimmenden K-Wert und der Entfernung abhängig ist, kann man den K-Wert bzw. den Krümmungsradius der Hornhaut des Auges über folgende Gleichung berechnen. Entfernung = (Abstand_LED_1 – Abstand_Bildpunkt_LED_1)/tan(2α1) + (Radius – Radius·cosα1) = (Abstand_LED_2 – Abstand_Bildpunkt_LED_2)/tan(2α2) + (Radius – Radius·cosα2)
Mit
α₁ = arcsin (Abstand_Bildpunkt_LED_1/Radius) und
α₁ = arcsin (Abstand_Bildpunkt_LED_2/Radius).
Entfernung = Abstand des Messobjektes vom Messgerät
Radius = Krümmungsradius der Hornhaut des Auges
Abstand_LED_1 = Abstand der LED 1 zur optischen Achse
Abstand_Bildpunkt_LED_1 = Abstand des Bildpunktes der LED 1 zur optischen Achse
Radius = Krümmungsradius der Hornhaut des Auges
Abstand_LED_2 = Abstand der LED 2 zur optischen Achse
Abstand_Bildpunkt_LED_2 = Abstand des Bildpunktes der LED 2 zur optischen Achse
Wegen der Symmetrie können die Abstände auch wie folgt bestimmt werden:
Abstand_LED_1 = (Abstand der Dioden LED_1 und LED_3)/2
Abstand_LED_2 = (Abstand der Dioden LED_2 und LED_4)/2
Abstand_Bildpunkt_LED_1 = (Abstand der Bildpunkte der Dioden LED_1 und LED_3)/2
Abstand_Bildpunkt_LED_2 = (Abstand der Bildpunkte der Dioden LED_2 und LED_4)/2
Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, wird der K-Wert bzw. der Krümmungsradius über mehrere Bilder gemittelt.
Beispiel 3
Die im Bild 1 bzw. Bild 2 dargestellten Strahlengänge lassen sich auch in der Qualitätskontrolle bzw. in der Wareneingangsprüfung einsetzen. Das Verfahren überprüft den Krümmungsradius von Linsen und Spiegel mit reflektierenden konvexen Oberflächen. Das Messobjekt wird zentriert und anschließend wird ein Bild mit der CCD Kamera aufgenommen.
Die Bildpunkte der Abstandsdioden werden mit Subpixelgenauigkeit bestimmt. Da bei der Prüfung des Krümmungsradius immer im gleichen Abstand gemessen wird, ist der Abbildungsmaßstab der Optik bekannt. Bei bekannter Entfernung des Messgerätes von dem Messobjekt ist der Abstand der Bildpunkte der Abstandsdioden allein vom Krümmungsradius des Messobjektes abhängig. Deshalb kann der Krümmungsradius aus der Gleichung Entfernung = (Abstand_LED_1 – Abstand_Bildpunkt_LED_1)/tan(2α1) + (Radius – Radius·cosα1)bzw. Entfernung = (Abstand_LED_2-Abstand_Bildpunkt_LED_2)/tan(2α2) + (Radius – Radius·cosα2)berechnet werden.
Mit
α₁ = arcsin (Abstand_Bildpunkt_LED_1/Radius) und
α₂ = arcsin (Abstand_Bildpunkt_LED_2/Radius).
Entfernung = Abstand des Messobjektes vom Messgerät
Radius = Krümmungsradius der Hornhaut des Auges
Abstand_LED_1 = Abstand der LED 1 zur optischen Achse
Abstand_Bildpunkt_LED_1 = Abstand des Bildpunktes der LED 1 zur optischen Achse
Radius = Krümmungsradius der Hornhaut des Auges
Abstand_LED_2 = Abstand der LED 2 zur optischen Achse
Abstand_Bildpunkt_LED_2 = Abstand des Bildpunktes der LED 2 zur optischen Achse
Wegen der Symmetrie können die Abstände auch wie folgt bestimmt werden:
Abstand_LED_1 = (Abstand der Dioden LED_1 und LED_3)/2
Abstand_LED_2 = (Abstand der Dioden LED_2 und LED_4)/2
Abstand_Bildpunkt_LED_1 = (Abstand der Bildpunkte der Dioden LED_1 und LED_3)/2
Abstand_Bildpunkt_LED_2 = (Abstand der Bildpunkte der Dioden LED_2 und LED_4)/2
Bei bereits berechnetem Krümmungsradius wird der Krümmungsradius des Messobjektes wie folgt überprüft. Die Abstände der Bildpunkte der LED 1 und LED 2 von der optischen Achse müssen bei gleichem Krümmungsradius die gleiche Entfernung des Messobjektes zum Messgerät liefern. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird das Messergebnis für gültig erklärt.
Wertet man gleichzeitig die senkrechten Abstandsdioden aus, so kann der Messabstand nochmals überprüft werden. Die senkrechten Abstandsdioden liefern bei Zylinderlinsen einen anderen Krümmungsradius. Der Abstand des Scheitelpunktes der Linse zum Messgerät ist der gleiche für alle Messebenen. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, kann der Einblick mit mehreren Abstandsdiodenpaaren in einer Messebene bestückt werden. Außerdem kann der Einblick aus mehreren Messebenen mit Abstandsdioden bestehen.

Claims

Messverfahren für reflektierende Messobjekte mit konvexen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass a) der K-Wert des menschlichen Auges, bzw. den Krümmungsradius des Messobjektes allein mit dem Messverfahren 1, das im Beispiel 1 beschrieben wurde, bestimmt wird, b) mit dem speziellen Einblick, der mit Abstandsdioden mit großem Abstrahlwinkel bestückt ist, sicherstellt, dass die CCD Kamera bei jedem zu messenden K-Wert bzw. Krümmungsradius die Abstandsdioden abbildet, c) der K-Wert bzw. der Krümmungsradius mit weiteren Abstandsdiodenpaaren, die in der gleichen Messebene angebracht sind, überprüft wird. Der K-Wert bzw. der Krümmungsradius wird nach demselben Messverfahren 1 aus Beispiel 1 bestimmt, d) der Abstand des Messgerätes zum Messobjekt über die Abstände der Bildpunkte der Abstandsdioden LED1, LED2 usw. mehrfach mit der in Beispiel 1 beschriebenen Formel für die Entfernung berechnet wird, um den Einfluss von Hornhautanomalien, z.B. Verletzungen, auszuschließen.
Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) der K-Wert des menschlichen Auges bzw. der Krümmungsradius des Messobjektes mit dem Messverfahren 2, das im Beispiel 1 beschrieben wurde, zusätzlich bestimmt wird, b) die Messergebnisse der beiden Messverfahren verglichen werden und der K-Wert bzw. der Krümmungsradius des Messobjektes, wie in Beispiel 1 beschrieben wurde, über den Vergleich der Messergebnisse bestimmt wird, c) das der K-Wert bzw. der Krümmungsradius mit weiteren Abstandsdiodenpaaren, die in der gleichen Messebene angebracht sind, überprüft wird. Der K-Wert bzw. der Krümmungsradius wird nach demselben Messverfahren 2 aus Beispiel 1 zusätzlich bestimmt.
Messverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Einblick mit mehreren Abstandsdioden in verschiedenen Messebenen bestückt wird, b) die verschiedenen K-Werte, bzw. Krümmungsradien für die verschiedenen Messebenen bestimmt werden, c) der Abstand des Messobjektes zum Messgerät mit den verschiedenen K-Werten, bzw. Krümmungsradien der verschiedenen Messebenen mehrfach berechnet und der Mittelwert dieser Abstände gebildet wird.
Messverfahren dadurch gekennzeichnet, dass man a) das Verfahren in der Qualitätskontrolle und in der Wareneingangsprüfung von Linsen und Spiegel einsetzt, um den Krümmungsradius des Messobjektes zu bestimmen. Der Krümmungsradius des Messobjektes wird nach dem im Beispiel 3 beschrieben Verfahren, bestimmt, b) den Krümmungsradius mit weiteren Abstandsdiodenpaaren, die in der gleichen Messebene angebracht sind, nach dem im Beispiel 3 beschriebenen Verfahren überprüft, c) den Krümmungsradius mit weiteren Abstandsdiodenpaaren, die in verschiedenen Messebenen angebracht sind, nach dem im Beispiel 3 beschriebenen Verfahren überprüft.