DE102005047211A1

DE102005047211A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Augenbewegungen

Info

Publication number: DE102005047211A1
Application number: DE102005047211A
Authority: DE
Inventors: Mark Dr. Bischoff
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2005-10-01
Filing date: 2005-10-01
Publication date: 2007-04-05

Abstract

Zur Erfassung von Augenbewegung ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Augenbewegungen vorgesehen, die eine Beleuchtungseinrichtung (3), die ein Spotmuster (9) aus mindestens drei Spots auf der Retina des Auges (2) beleuchtet, wobei die Spots (10) auf einer geschlossenen Kurve (11) liegen, eine Detektionseinrichtung (4), die vom Spotmuster (9) rückgestreute oder reflektierte Strahlung detektiert und aus der Strahlung jedes Spots (10) ein eigenständiges Detektionssignal erzeugt, und eine Steuereinrichtung (C) aufweist, die die Detektionssignale auswertet und daraus Daten über die Bewegung des Auges (2) ermittelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen von Augenbewegungen mittels einer Spot-Detektion.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der US 5943115 bekannt, die zwei Spots auf der Augenhornhaut erfaßt. Die Lage der Spots kann mit Scaneinrichtungen verschoben werden. Die der Retina von Säugetieren und auch des Menschen inhärente Blutgefäßstruktur wird so detektiert, wodurch die Bewegung der Retina und damit des Auges erfaßt wird. Nachteilig bei diesen Aufbauten sind der relativ hohe apparative Aufwand, der u.a. zwei unabhängige Scaneinrichtungen benötigt. Auch erfordert eine schnelle Detektion hohe Ablenkgeschwindigkeiten, was die Regelanforderungen für die erforderliche phasenstabile Scannerregelung automatisch ansteigen läßt. Aufwendige Spiegelkonstruktionen sowie ein störendes Pfeifgeräusch, das von Patienten meist als sehr bedrohlich empfunden wird, sind weitere Nachteile dieses zwei Laserstrahlen ablenkenden Systems. Auch sind Ortsauflösung und Detektionsgeschwindigkeit bei diesem Konzept gegenläufig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen von Augenbewegungen anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere einen einfacheren Aufbau hat und eine höhere Detektionsgeschwindigkeit ohne Auflösungseinbuße erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum Erfassen von Augenbewegungen gelöst, die eine Beleuchtungseinrichtung, die ein Spotmuster aus mindestens drei Spots auf der Retina des Auges beleuchtet, wobei die Spots auf einer geschlossenen Kurve liegen, eine Detektionseinrichtung, die vom Spotmuster rückgestreute oder -reflektierte Strahlung detektiert, wobei aus der Strahlung jedes Spots ein eigenständiges Detektionssignal erzeugt wird, und eine Steuereinrichtung aufweist, die die Detektionssignale auswertet und daraus Daten über die Bewegung des Auges ermittelt.

Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren zum Erfassen von Augenbewegungen, bei dem die Retina des Auges mit einem Spotmuster aus mindestens drei Spots beleuchtet wird, wobei die Spots auf einer geschlossenen Kurve liegen, vom Spotmuster rückgestreute oder -reflektierte Strahlung detektiert wird, wobei jeder Spot einzeln detektiert wird, und aus der detektierten Strahlung eine Aussage über die Augenbewegung getroffen wird.

Erfindungsgemäß erfolgt also gleichzeitig eine Abbildung mehrerer einzelner Spots, die in Form einer geschlossenen Kurve angeordnet sind, also ein Spotmuster bilden. Die einzelnen Spots können unmittelbar aneinander angrenzen oder sich sogar etwas überlappen, gegebenenfalls um bis zu 50% ihrer Fläche. Wesentlich für die Anordnung der Spots ist, daß sie ein Gebiet umgrenzen. Die Spots liegen zueinander so, daß zwischen zwei benachbarten Spots maximal eine Lücke verbleibt, die schmaler ist, als die Abmessung der zur Erfassung detektierenden Strukturelemente, z.B. Blutgefäße. In diesem Sinn ist die Anordnung auf der geschlossenen Kurve zu verstehen. Da die Spots durch ihre Größe die Ortsauflösung des Verfahrens beeinflussen, sind sie vorzugsweise auf die Beugungsgrenze reduziert. Die Anzahl der Spots im Spotmuster ist mindestens 3, kann jedoch bis zu einigen 100 betragen.

Die von den Spots im Spotmuster zurückgestreute bzw. zurückreflektierte Strahlung, die durch die spotförmige Beleuchtung erhalten wurde, wird parallel detektiert, beispielsweise weist die Detektoreinrichtung dazu entsprechende Photodetektoren auf, insbesondere kann jedem Spot genau ein Photodetektor zugeordnet sein. Das so erhaltene Detektionssignal wird parallel ausgewertet, wodurch z.B. die Lage des Strukturelementes auf der Retina überwacht wird. Ein Vergleich mit einer zuvor bestimmten Referenzgröße ist möglich und erleichtert die Information über eine inzwischen erfolgte Positionsänderung. Eine besonders gute Ortsauflösung erreicht man mit einer konfokalen Detektion. Es ist deshalb bevorzugt, daß die Detektionseinrichtung eine konfokale Detektionseinrichtung ist.

Da die Spots des Spotmusters ein Gebiet auf der Retina umgrenzen, kann die Blutgefäßstruktur, beispielsweise eine innerhalb der umgrenzten Fläche liegende Blutgefäßverzweigung der Retina, zur Bewegungsanalyse herangezogen werden. Da bei der Auswertung der Detektionssignale die Kurve, auf der die Spots im Spotmuster angeordnet sind, bekannt ist, kann sogar auch ein unverzweigtes Blutgefäß die Ortserfassung ermöglichen.

Trackingsysteme arbeiten üblicherweise in zwei Betriebsmodi. In einem ersten Betriebsmodus wird zuerst eine Struktur gesucht (dies bezeichnet man üblicherweise als Einrasten), deren Bewegung dann im zweiten Modus überwacht werden soll. Tracking kann dann prinzipiell auf zwei Weisen erfolgen. Es ist möglich, beim Einrasten zuerst ein Abbild der für das Nachführen herangezogenen Struktur zu erzeugen und beim Nachführen das Nachführsignal dadurch bereitzustellen, daß ausgewertet wird, an welcher Stelle der bekannten Struktur man sich nun befindet. In einer rechentechnisch einfacheren Lösung wird dagegen durch eine als Ablenkeinrichtung wirkende Scaneinrichtung dafür gesorgt, daß die Optik des Trackingsystems ständig auf eine während des Einrastens identifizierte Struktur zeigt. Die Stellgröße der Scaneinrichtung ist dann auch maßgebend für das Nachführungssignal. Für diese Ausführungsform ist es bevorzugt, daß in der Vorrichtung eine Scaneinrichtung vorgesehen ist, die das Spotmuster ablenkt und über die Retina des Auges bewegt.

Ist das Trackingsystem eingerastet, wird die gefundene Struktur ständig auf Ortsveränderungen hin überprüft. Das dabei erhaltene Nachführungssignal ist das Trackingssignal, weshalb dieser Modus auch als Nachführungsmodus zu bezeichnen ist. Für ein schnelles Einrasten ist die Ortsauflösung weniger wichtig, als für die Genauigkeit der Nachführung. Um diese an und für sich gegenläufigen Anforderungen zu vereinbaren, ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß das Spotmuster zwei Teilspotmuster aufweist, deren Spot jeweils entlang einer geschlossenen Kurve angeordnet sind, wobei die Kurve des einen Teils des Spotmusters die Kurve des anderen Teils des Spotmusters umgibt. Durch eine derartige Anordnung, die im Sinne der Erfindung als konzentrisch aufgefaßt werden kann, kann man die Ortsauflösung der Spots des äußeren Teilspotmusters größer wählen, als beim inneren Teilspotmuster. Das vom äußeren Teilspotmuster umschriebene Gebiet ist dann der Fangbereich während des Einrastens, wohingegen das innere Gebiet, das von der geschlossenen Kurve des inneren Teilspotmusters umgrenzt wird, dasjenige Gebiet ist, in dem mit hoher Auflösung der Nachführbetrieb ausgeführt werden kann.

Die erfindungsgemäß erhaltene Information über die Augenbewegung wird vorzugsweise dazu verwendet, um die Position des Spotmusters der Augenbewegung nachzuführen. Das damit erhaltene Nachführungssignal ist vorzugsweise als Trackinggröße einen augenoptisches Gerät zugeführt und erlaubt eine Nachführung der augenoptischen Vorrichtung an Augenbewegungen.

Erfindungsgemäß ist eine parallele Detektion von einer Vielzahl entlang einer geschlossenen Bahnkurve liegenden, also ein Gebiet umgrenzenden Spots vorgesehen, die in einem festen Spotmuster zueinander liegen. Die Erzeugung dieser Spots bei der Beleuchtung bzw. bei der Detektion ist besonders einfach, wenn eine entsprechende Lichtleitfaser- oder Wellenleiterstruktur verwendet wird, welche an einem Beleuchtungseingang zugeführte Beleuchtungsstrahlung in Wellenleiter-Einzelkanäle für das Spotmuster aufteilt. Vorzugsweise kann diese Struktur auch die vom Spotmuster rückgestreute oder -reflektierte Strahlung über die Einzelkanäle aufnehmen und zur Detektionseinrichtung abtrennen. Ein Beispiel für eine solche Struktur ist ein Faserelement, das die am Beleuchtungseingang zugeführte Beleuchtungsstrahlung in Einzelfasern auftrennt, die das Spotmuster beleuchtungsseitig bereitstellen. Entsprechende in die Faser eingebaute Koppelstellen, die beispielsweise auch dichroitisch ausgebildet werden können, trennen die über die Spotstruktur aufgenommene Detektionsstrahlung zu der Detektoreinrichtung ab.

Alternativ zu einer Faserstruktur kann auch eine Festkörperwellenleiterstruktur verwendet werden, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung Nolte S., Appl. Phys. A., 77, 109–111 (2003), beschrieben ist.

Die Detektionseinrichtung erfaßt jeden Spot, vorzugsweise konfokal. Für eine einfache Bauweise ist es dabei zweckmäßig, wenn jedem Spot ein eigener Photodetektor zugeordnet ist.

Die Geometrie der Kurve, auf der die Spots angeordnet sind, kann prinzipiell frei gewählt werden, so lange es sich um eine geschlossene Kurve im oben erwähnten Sinn handelt. Besonders zweckmäßig und rechentechnisch einfach zu verarbeiten ist eine kreisförmige Anordnung der Spots, d.h. eine kreisförmige Kurve.

Durch die parallele Detektion mehrerer Spots entkoppelt die Erfindung die Parameter Ortsauflösung und Detektionsgeschwindigkeit. Während bei einzelspotablenkenden Systemen das Verhältnis von Spotdurchmesser und Größe des Gebietes, das durch den bewegten Spot umschrieben wird, die Auflösung festlegt, ist dies beim erfindungsgemäßen Vorgehen nun keine Begrenzung mehr.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Trackingsystems,
2 eine alternative Bauweise für das Trackingsystem der 1,
3 ein Beispiel für ein Spotmuster, das im Trackingsystem der 1 oder 2 verwendet wird,
4 ein Beispiel für einen in der Bauweise der 2 verwendeten Splitter,
5 eine Alternative zum Spotmuster der 3.
1 zeigt schematisch ein Trackingsystem 1, das von einem Steuergerät C gesteuert ein Nachführungssignal erzeugt, welches die Bewegungen eines Auges 2 anzeigt. Das System 1 kann als eigenständiges System vorgesehen, oder auch in ein ophthalmologisches Meß- oder Behandlungssystem integriert werden. Dabei ist insbesondere möglich, daß einzelne oder mehrere Komponenten des Systems 1 auch anderweitig im integrierten System verwendet werden. Der einfacheren Beschreibung wegen ist hier im nachfolgenden jedoch von einem alleinstehenden System 1 die Rede, ohne daß dies beschränkend aufzufassen sei.
Das System 1 überwacht Bewegungen des Auges 2. Es verfügt dazu über eine Laserquelle 3, die ein Ursprungsstrahlbündel U erzeugt, mit dem ein anhand 3 noch näher zu erläuterndes Spotmuster auf das Auge zur Beleuchtung projiziert wird. Die Darstellung der 1 zeigt schematisch zur Vereinfachung lediglich drei einzelne Strahlen.
Das Ursprungsstrahlbündel U ist in der Ausführungsform der 1 hinsichtlich der Anzahl der Strahlen im Bündel identisch mit der Zahl an Spots, die auf das Auge 2 projiziert werden. Ein Strahlteiler 5 lenkt das Ursprungsstrahlbündel U um, so daß es als Beleuchtungsstrahlbündel B mittels einer hier nur schematisch dargestellten Optik 4 auf die Retina des Auges 2 fokussiert wird. Die durch diese Beleuchtung erzeugte rückgestreute oder rückreflektierte Strahlung wird als Detektionsstrahlung D am Strahlteiler 5 ausgekoppelt und auf eine Detektoreinrichtung 6 geleitet. Die Detektionseinrichtung 6 erzeugt für jeden Spot ein eigenständiges Detektionssignal. Sie detektiert die beleuchteten Spots parallel. Das Detektionsstrahlbündel besteht in einer Ausführungsform aus mehreren Einzelstrahlen, von denen jeder einem der beleuchteten Spots auf der Retina des Auges 2 zugeordnet sind. Für jeden Einzelstrahl des Detektionsstrahlenbündels D ist in der Detektoreinrichtung ein nur schematisch eingezeichneter Photodetektor P vorgesehen.
In einer Variante arbeitet die Detektionseinrichtung konfokal. Die Anordnung aus Laserquelle 3, Optik 4 und Detektoreinrichtung 6 stellt in dieser Variante eine konfokale Beleuchtungs- und Detektionseinheit dar, die den im Stand der Technik bekannten konfokalen Prinzipien folgen.
Das Beleuchtungsstrahlbündel B beleuchtet im Auge ein Spotmuster, das aus einer Vielzahl von Einzelspots besteht, wie sie schematisch und beispielshalber in 3 gezeigt sind. Das dort zu sehende Spotmuster 9 weist zwölf Einzelspots 10 auf, die entlang einer kreisförmigen Kurve 11 angeordnet sind und so um ein Gebiet 11 herum gruppiert sind. Der Durchmesser eines Spots 10 liegt beispielsweise in der Größenordnung von ein μm und das umgrenzte Gebiet 12 hat etwa den zehnfachen Durchmesser. Die Lücke zwischen benachbarten Spots ist kleiner als die Abmessung der z.B. für die Nachführung herangezogenen Blutgefäße. Diese Werte sind dem Fachmann aus der einschlägigen Literatur bekannt.
Eine im umgrenzten Bereich befindliche Struktur der Retina des Auges 2, beispielsweise eine Verzweigung eines Blutgefäßes, kann nun mit Hilfe des Spotmusters 9, in dem Beleuchtung und Detektion erfolgt, daraufhin überwacht werden, ob die Verzweigung innerhalb des Gebietes 12 bleibt. Somit ist eine Tracking-Ortsauflösung in der Größenordnung der Größe des umschriebenen Gebietes 12 möglich, im Ausführungsbeispiel etwa 10 μm.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Systems 1, das sich nun dahingehend unterscheidet, daß die Laserquelle 3 nicht mehr ein mehrstrahliges Ursprungsstrahlbündel erzeugt, sondern lediglich einen einzigen Ursprungsstrahl U. Dieser wird in einem Splitter 7 in das mehrstrahlige Beleuchtungsstrahlbündel B umgewandelt, das dann wieder durch die Optik 4 auf die Retina des Auges 2 fokussiert wird. Zusätzlich umfaßt die Optik 10 eine als Scanner 8 ausgebildete Ablenkeinheit, die ein Nachführen des Spotmusters 9 auf der Retina dergestalt ermöglicht, daß eine innerhalb des umgrenzten Gebietes 12 gefundene Struktur trotz Augenbewegungen auch innerhalb des Gebietes 12 bleibt.
Der Splitter 7 erleichtert die Bereitstellung des Beleuchtungsstrahlbündels, da eine Aufteilung eines üblicherweise aus einer Laserquelle abgegebenen Einzelstrahls in das Ursprungsstahlbündel U nicht mehr erforderlich ist. Dies bewerkstelligt nun der Splitter 7, der beispielsweise als entsprechende Fasereinheit ausgebildet ist, die das Spotmuster 9 bewirkende Fasern an einem gemeinsamen Eingangspunkt, an dem der Ursprungsstrahl U zugeführt wird, zusammenfaßt. Zur Erzeugung des Spotmusters 9 weist die Optik 4 bei einem Faserbündel aufweisenden Splitter 7 dann zweckmäßigerweise noch eine entsprechende Mikrooptik auf, deren Linsen zum Spotmuster 9 passend angeordnet sind.
Eine alternative Ausführungsform für den Splitter 7 zeigt die 4. Hier ist der Splitter 7 als Wellenleiterstruktur 13 realisiert, die in einem Festkörper gebildet ist. Von einer Einkoppelstelle 14, an welcher der Ursprungsstrahl U, stammend aus der Laserquelle 3, zugeführt wird, wird die Strahlung in Einzelkanäle L aufgeteilt, wobei jedem späteren Spot 10 im Spotmuster 9 ein Einzelkanal L zugeordnet ist. Am Ausgang der Wellenleiterstruktur 13 endet jeder Einzelkanal L in einer Auskoppelstelle 15. Diese beleuchtungsseitig, also in Beleuchtungsrichtung zum Auge 2 hin gelegenen Auskoppelstellen 15 sind bereits in einem Muster 16 angeordnet, das dem Spotmuster 9 entspricht. Das heißt, auch die Auskoppelstellen 15 sind entlang der Kurve 11 angeordnet.
Von den Auskoppelstellen 15 geht das Beleuchtungsstrahlbündel B aus, das von der Optik 4 auf die Retina des Auges 2 fokussiert wird. Im Spotmuster aufgenommene Strahlung durchläuft die Wellenleiterstruktur 13 entgegen der Beleuchtungsrichtung, wird also zuerst an den Auskoppelstellen 15 wieder aufgenommen, so daß die Strahlung für jeden Spot 10 in einem Einzelkanal L geführt wird. Eine Koppelstelle 17 koppelt die detektierte Strahlung aus dem Einzelkanal L aus und leitet sie zu einer Auskoppelstelle 18.
Die Auskoppelstellen 18 geben folglich das Detektionsstrahlbündel D ab, das von der Detektoreinrichtung 6 aufgenommen wird. Die Wellenleiterstruktur erlaubt es, die geometrische Anordnung der Auskoppelstellen 18 technisch günstig dahingehend zu wählen, daß die Anordnung der Auskoppelstellen 18 auf die Anordnung von Photodetektoren P oder anderen Detektorelementen in der Detektoreinrichtung 6 angepaßt ist.
Ein weiterer Unterschied der Ausführungsform gemäß 2 zur Ausführungsform, wie sie in 1 gezeigt ist, liegt darin, daß in der Optik 4 ein Scanner 8 vorgesehen ist. Dieser Scanner 8 dient zur bereits geschilderten Nachführung. Der Scanner 8 kann natürlich auch in der Ausführungsform der 1 verwendet werden, da seine Ausführung nicht mit der Verwendung eines Splitters 7 zwingend zusammenhängt.
5 zeigt schließlich noch eine alternative Ausführungsform für das Spotmuster 9. Zum einen ist hier verdeutlicht, daß die Kurve 11 nicht automatisch kreisförmig sein muß; sie ist im Beispiel der 5 als quadratisches oder nahezu quadratisches Rechteck ausgeführt. Dies belegt, daß jede, ein Gebiet 12 umgrenzende Anordnung des Spots 10 im Spotmuster 9 verwendet werden kann. Als weitere Besonderheit ist das Spotmuster 9 durch zwei Teilspotmuster gebildet. Die Kurve 11 mit acht Spots 10 umgibt eine Kurve 20 mit sehr viel kleineren Spots 19. Die Kurve 20 umgrenzt ein Gebiet 21, das ein Teil des Gebietes 12 ist. Das Gebiet 12, das von Spots 10 umgrenzt ist, erlaubt ein Einfangen einer nachzuführenden Struktur der Retina mit geringerer Auflösung. Dazu können die Spots 10 auch größer aufgeweitet sein, als die Spots 19; dies ist aber nicht zwingend. Das im Gebiet 12 liegende kleinere Gebiet 21, das von den Spots 19 umgrenzt wird, dient der Nachführung nach dem Einrasten. Die Auflösung ist erhöht, da das Gebiet 21 kleiner ist als das Gebiet 12.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen von Augenbewegungen, die aufweist: – eine Beleuchtungseinrichtung (3), die ein Spotmuster (9) aus mindestens drei Spots auf der Retina des Auges (2) beleuchtet, wobei die Spots (10) auf einer geschlossenen Kurve (11) liegen, – eine Detektionseinrichtung (4), die vom Spotmuster (9) rückgestreute oder reflektierte Strahlung detektiert, und aus der Strahlung jedes Spots (10) ein eigenständiges Detektionssignal erzeugt, und – eine Steuereinrichtung (C), die die Detektionssignale auswertet und daraus Daten über die Bewegung des Auges (2) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinrichtung als konfokale Detektionseinrichtung (4) ausgebildet ist, welche jeden Spot (10) konfokal abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die eine Lichtleitfaser- oder Wellenleiterstruktur (13) aufweist, welche an einem Beleuchtungseingang (14) zugeführte Beleuchtungsstrahlung in Wellenleiter-Einzelkanäle (L) für das Spotmuster (9) aufteilt und vorzugsweise auch die vom Spotmuster (9) rückgestreute oder -reflektierte Strahlung über die Einzelkanäle (11) aufnimmt und zur Detektionseinrichtung (4) abtrennt.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Detektionseinrichtung (4) jeweils einem Spot (10) zugeordnete Photodetektoren (P) aufweist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, mit einer Scaneinrichtung (8), die das Spotmuster (9) ablenkt und über die Retina des Auges (2) bewegt.
Verfahren zum Erfassen von Augenbewegungen, bei dem – die Retina des Auges (2) mit einem Spotmuster (9) aus mindestens drei Spots beleuchtet wird, wobei die Spots (10) auf einer geschlossenen Kurve (11) liegen, – vom Spotmuster (9) rückgestreute oder -reflektierte Strahlung detektiert wird, wobei jeder Spot (10) einzeln detektiert wird, und – aus der detektierten Strahlung eine Aussage über die Augenbewegung getroffen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine konfokale Abbildung der Spots erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Spotmuster (9) über die Retina des Auges (2) bewegt wird.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Spots (10) auf einer kreisförmigen Kurve (11) angeordnet sind.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Spots (10) im Spotmuster (9) unmittelbar aneinandergrenzen oder sich teilweise überlappen.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Spotmuster (9) zwei Teilspotmuster aufweist, deren Spots (10, 19) jeweils entlang einer geschlossenen Kurve (11, 20) angeordnet sind, wobei die Kurve (11) des einen Teilspotmusters die Kurve (20) des anderen Teilspotmusters umgibt.