DE102008062745A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster

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DE102008062745A1
DE102008062745A1 DE102008062745A DE102008062745A DE102008062745A1 DE 102008062745 A1 DE102008062745 A1 DE 102008062745A1 DE 102008062745 A DE102008062745 A DE 102008062745A DE 102008062745 A DE102008062745 A DE 102008062745A DE 102008062745 A1 DE102008062745 A1 DE 102008062745A1
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Georg Sluyterman van Dr. Langeweyde
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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B3/107Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for determining the shape or measuring the curvature of the cornea
    • GPHYSICS
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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical means
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht mindestens aus einer Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters, einer Bildaufnahmeeinheit und einer mit beiden Einheiten verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit. Dabei ist die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters so ausgebildet, dass das symmetrische Muster von der Steuer- und Auswerteeinheit in zwei komplementären Teilmusters separat aktivierbar ist. Von der Bildaufnahmeeinheit wird in kurzer Zeitfolge ein Bild des Auges für jedes aktive Teilmuster aufgenommen und zur Auswertung an die Steuer- und Auswerteeinheit weitergeleitet, die daraus ein Bild des Auges mit und/oder ohne symmetrisches Muster ermittelt. Die technische Lösung dient in erster Line der Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster und der in diesem Zusammenhang geforderten Abbildung des Auges ohne das sich spiegelnde Muster.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster. Von der Vorrichtung werden sowohl Abbilder des Auges mit dem sich spiegelnden Muster, d. h. zur Bestimmung der Oberflächentopographie, als auch ohne dem sich spiegelnden Muster bereit gestellt, so dass das Auge für die Oberflächentopographie registriert werden kann.
  • Unter dem Begriff Topografie ist die Vermessung bzw. Bestimmung von Oberflächen zu verstehen. Die Oberflächenvermessung der Hornhaut des menschlichen Auges erweist sich dahingehend schwierig, dass die Hornhaut transparent ist und sichtbares Licht nicht in nennenswertem Maße rückgestreut wird.
  • Die Hornhaut (Kornea) ist der vorderste Abschnitt des Auges und weist eine vorgewölbte, spezifische Geometrie auf. Um diese geometrische Form der Hornhautvorderfläche in ihrer Gesamtheit zu erfassen bedient man sich der Topographie. Die Vorderflächenform kann dabei variieren, wobei zwei der wichtigsten und auch allgemein bekanntesten, die sphärische (kugelförmig) und die astigmatische (verkrümmte) Hornhaut sind.
  • Mit ihrer Brechkraft von über 40 Dioptrien ist die Hornhaut ein maßgeblicher Faktor für die Brechung des in das Auge einfallenden Lichtes. Die Brechkraft der Hornhaut hängt hierbei vorrangig von der Form der Hornhautoberfläche und insbesondere ihrer Kurvatur ab. Die Bestimmung der Form der Hornhautoberfläche ist insbesondere bei den folgenden Einsatzbereichen von größter Wichtigkeit:
    • • Katarakt-Chirurgie, in Verbindung mit Astigmatismusreduktion,
    • • Kontaktlinsenanpassung,
    • • Keratokonuserkennung,
    • • korneale Astigmatismusbestimmung und
    • • refraktive Chirurgie.
  • Bei den chirurgischen Anwendungen ist die Bestimmung der Oberflächentopographie des Auges sowohl vor als auch nach dem chirurgischen Eingriff wichtig, da die Topographie zur Erkennung von anomalen oder abnormen Formen der Hornhaut geeignet ist.
  • Nach dem bekannten Stand der Technik sind zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges unterschiedliche Verfahren bekannt.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberfläche ist das sogenannte „Slit-Scan-Verfahren”, bei dem ein Lichtstrahl sichtbaren Lichtes in Form eines geraden schmalen Schlitzes nacheinander (abtastend) über den gesamten interessierenden Hornhautabschnitt geführt wird. Dabei wird der Lichtstrahl an der Hornhautoberfläche reflektiert bzw. gebrochen. Der an der Hornhautoberfläche gebrochene Teil des Lichtstrahles durchdringt die Oberfläche und wird an internen Streuzentren gestreut, wobei die auswertbaren Signale von Streuzentren nahe der Hornhautoberfläche stammen. Dadurch ist es möglich, Oberflächenpunkte unabhängig voneinander mittels bekannten Triangulationsverfahren zu berechnen. Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der EP 811352 B1 beschrieben.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass nahezu keine Streuung am Tränenfilm vor der Hornhaut auftritt und die Signale dadurch nicht beeinflusst werden. Der Nachteil bei diesem Verfahren besteht in der langen Messzeit, die durch den Abtastprozess bedingt ist.
  • Ein seit langem bekanntes und überwiegend eingesetztes Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberflächenform verwendet sogenannte Keratometer oder Keratographen. Hierbei werden konzentrische Ringe, die sogenannten Placido-Ringe, durch den Tränenfilm vor der Hornhaut abgebildet und die reflektierten Signale mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. Zwischen dem Auge und der Beleuchtungseinrichtung wird eine Scheibe mit kreisförmigen, zueinander konzentrischen Schlitzen angeordnet, in deren Zentrum eine Kamera platziert ist. In Abhängigkeit der Kurvatur der Hornhaut ist das von der Kamera detektierte reflektierte Ringmuster verzerrt. Um aus diesen Reflexionssignalen eine Bestimmung der Kurvatur zu erhalten, müssen die Verzerrungen der Ringe mit einer bekannten Form verglichen werden, die üblicherweise als eine Kugel mit einem Radius von 7,8 mm gewählt ist. Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der Schrift US 4,685,140 A beschrieben.
  • In den Schriften US 6,575,573 B2 und US 6,692,126 B1 werden Lösungen zu Ophthalmometern (auch Keratometern) beschrieben, die durch eine Spalt-Beleuchtungseinheit ergänzt sind. Während die Abbildung von Placido-Ring-Systemen zur Messung der Oberflächenkrümmung der Hornhaut des Auges vorgesehen ist, werden mit der Spalt-Beleuchtungseinheit Schnittbilder des Auges erzeugt, aus denen die Dicke der Hornhaut des Auges bestimmt werden kann. Im Ergebnis dieser Kombination kann ein Hornhaut-Dicken-Profil ermittelt werden.
  • Im Hinblick auf das bereits beschriebene „Slit-Scan-Verfahren” hat dieses Verfahren den Vorteil, dass zur Vermessung der Hornhautoberflächenform nur eine einzige Aufnahme erforderlich ist, die bei einer hohen räumlichen Auflösung eine große Menge an Datenpunkten beinhaltet. Dadurch dass nur eine einzige Aufnahme erforderlich ist, haben Augenbewegungen keine Auswirkung auf die Genauigkeit der Messung.
  • Ein Nachteil derartiger Lösungen ist darin zu sehen, dass die von der Kamera aufgenommenen Bilder ein Abbild des Auges, insbesondere dessen Iris und das Reflexbild der auf den Tränenfilm vor der Hornhaut projizieren Placido-Ringe als Überlagerung enthält. Für eine exakte Bestimmung der Oberflächen topographie des Auges muss der Auswertealgorithmus die Placido-Ringe jedoch einwandfrei erkennen. Hierbei kann das Problem auftreten, dass die überlagerte Irisstruktur die Erkennung der Placido-Ringe stört, da unter Umständen der Pupillenrand mit den Ringen verwechselt werden kann.
  • Für eine Registrierung bzw. Archivierung der zu untersuchenden Augen werden in der Regel Aufnahmen des Auges gewünscht, die keine Placido-Ring-Strukturen enthalten.
  • Diese Forderung kann entweder durch eine „ringfreie” Abbildung des Auges mit Hilfe einer zusätzlichen Beleuchtungseinheit erfüllt werden, oder die Iris-Informationen werden aus dem Ringbild abgeleitet, indem man die Ring-Struktur aus dem Bild eliminiert. Die für eine „ringfreie” Abbildung des Auges zusätzliche Beleuchtungseinheit muss die Iris genügend schräg beleuchten, um einen ausreichenden Kontrast zu erzeugen, so dass die Beleuchtungseinheit innerhalb der Placido-Ring-Struktur anzuordnen wäre. Eine gleichmäßige, möglichst enge Placido-Ring-Struktur würde dadurch erheblich erschwert. Die Eliminierung der Ring-Struktur aus dem Bild kann mit einigem Aufwand softwaretechnisch erfolgen, wobei allerdings mit einer Reduzierung von Informationen und damit der Genauigkeit zu rechnen ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster zu entwickeln, welche sowohl Abbilder des Auges mit dem sich spiegelnden Muster als auch ohne das sich spiegelnde Muster mit einer hohen räumlichen Auflösung, bei einer hohen Genauigkeit zur Verfügung stellt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster besteht mindestens aus einer Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters, einer Bildaufnahmeeinheit und einer mit beiden Ein heiten verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit. Dabei ist die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters so ausgebildet, dass das symmetrische Muster von der Steuer- und Auswerteeinheit in zwei komplementären Teilmustern separat aktivierbar ist. Die Bildaufnahmeeinheit ist dazu so ausgeführt, dass in kurzer Zeitfolge ein Bild des Auges für jedes aktivierte Teilmuster aufgenommen und zur Auswertung an die Steuer- und Auswerteeinheit weitergeleitet wird. Von der Steuer- und Auswerteeinheit wird daraus ein Bild des Auges mit und/oder ohne symmetrisches Muster ermittelt.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorgeschlagene technische Lösung dient in erster Linie der Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster und der in diesem Zusammenhang geforderten Abbildung des Auges ohne das sich spiegelnde Muster. Bei entsprechenden Voraussetzungen kann die vorgeschlagene Lösung auch in bereits vorhandene Keratometer bzw. Keratographen integriert werden.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Keratometer bzw. Keratographen im Vergleich zur Ophthalmometermessung liegt in der Anzahl der Messpunkte. Während bei einer Ophthalmometermessung nur wenige Messpunkte (zwei zentrale, vier periphere) zu erfassen sind, werden bei Keratometer bzw. Keratographen je nach Gerät 10.000 bis 30.000 Messpunkte erfasst. Keratometer bzw. Keratographen wurden ursprünglich für die Hornhautchirurgie entwickelt. Durch die von uns vorgeschlagene Lösung ergeben sich folgende hauptsächlichen Aufgaben:
    • • Verwendung der Informationen der Topographie-Messung zur refraktiven Hornhautkorrektur, insbesondere customized Ablation,
    • • Verwendung des so extrahierten Irisbildes zur Registrierung bei der refraktiven Hornhaut-Chirurgie und
    • • Verwendung zur besseren Pupillenerkennung (Pupillometrie).
  • Grundsätzlich ist die von uns vorgeschlagene technische Lösung auch zur Kontaktlinsenanpassung verwendbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen
  • 1a und b: Aufnahmen des Auges mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen
  • 2: das resultierende Bild des Auges mit Placido-Ring-System zur Oberflächentopographie und
  • 3: das resultierende Bild des Auges ohne Placido-Ring-System zur Registrierung des Auges.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster besteht mindestens aus einer Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters, einer Bildaufnahmeeinheit und einer mit beiden Einheiten verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit. Dabei ist die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters so ausgebildet, dass das symmetrische Muster von der Steuer- und Auswerteeinheit in zwei komplementären Teilmustern separat aktivierbar ist. Die Bildaufnahmeeinheit ist dazu so ausgeführt, dass in kurzer Zeitfolge ein Bild des Auges für jedes aktivierte Teilmuster aufgenommen und zur Auswertung an die Steuer- und Auswerteeinheit weitergeleitet wird. Von der Steuer- und Auswerteeinheit wird daraus ein Bild des Auges mit und/oder ohne symmetrisches Muster ermittelt.
  • Für die Ausführung der Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters sind die unterschiedlichsten Lösungen möglich, wobei im Folgenden auf einige wenige Varianten kurz eingegangen wird.
  • So können in einer ersten Ausführung hinter den ringförmigen, als Diffusor wirkenden Fenstern der Placidoscheibe LED-Ketten verwendet werden. Zwischen den für jeden separaten Ring vorhandenen LED-Ketten sind entsprechende Abgrenzungen zu den Nachbarringen vorzusehen. Durch die Verwendung sehr kleiner SMD-LEDs kann auf Abgrenzungen eventuell verzichtet werden.
  • In einer zweiten Ausführung können Flächenemitter, beispielsweise in Form von OLEDs verwendet werden, auf denen entsprechende Placido-Ring-Systeme dargestellt werden.
  • In einer dritten Ausgestaltung erfolgt die Darstellung der Ringstrukturen auf die Placidoinnenseite mit Hilfe von Scannern, die durch gezielte Ansteuerung die verschiedenen komplementärer Muster abbilden.
  • Eine weitere Ausführungsform basiert beispielsweise auf der Darstellung der Ringstrukturen auf die Placidoinnenseite mit Hilfe einer Lampe und entsprechenden Blenden oder Dias. Zur Darstellung unterschiedlicher Teilmuster werden entsprechende Blendenwechsler bzw. Verschiebeinheiten verwendet.
  • Die Iris des Auges wird von dem symmetrischen Muster vollständig beleuchtet, wobei die Beleuchtung genügend schräg einfällt, um einen geeigneten Kontrast bei der Iriserkennung zu erreichen.
  • Als Muster sind dabei verschiedene Geometrien denkbar, die die Voraussetzung erfüllen, dass sie sich auf dem Auge nicht überlagern, dass sie sich in annähern gleichgroße Teilgeometrien mit ähnlicher Beleuchtungsstärke aufteilen lassen und dass sie zur Ermittlung der Oberflächentopographie der Hornhaut des Auges geeignet sind.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung verfügt die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung der komplementären Teilmuster über eine Vorrichtung zur Veränderung der Beleuchtungsstärke. So können vorhandene Unterschiede in der Beleuchtungsstärke der komplementären Teilmuster ausgeglichen werden.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist das auf das Auge projizierte, symmetrische Muster ein Placido-Ring-System mit n Ringen, wobei das Placido-Ring-System zur Sicherung der für die Topographie erforderlichen Genauigkeit und Auflösung vorzugsweise n > 10 Ringe aufweist.
  • Das Placido-Ring-System wird in die zwei, separat aktivierbare Gruppen aufgeteilt, wobei die Summe der Placido-Ringe ein komplementäres Placido-Ring-System mit n Ringen darstellen. Dabei erfolgt die Aufteilung derart, dass die einzelnen Placido-Ringe des Placido-Ring-Systems von innen nach außen betrachtet, alternierend in die zwei separat aktivierbaren Gruppen mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen verteilt sind.
  • Die Bildaufnahmeeinheit ist so ausgeführt, dass diese von der Steuer- und Auswerteeinheit synchron zur jeweiligen Gruppe mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen aktiviert wird, um die Zeitfolge der aufzunehmenden Bild des Auges so gering wie möglich zu halten. Eine möglichst kurze Zeitfolge für die beiden Aufnahmen ist in Hinblick auf mögliche Augenbewegungen von entscheidender Bedeutung.
  • Entscheidend hierbei ist, dass die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters schnell zwischen den komplementären Gruppen wechseln kann. Selbstverständlich gilt entsprechendes für die Bildaufnahmeeinheit, die die beiden Aufnahmen möglichst ohne Zeitverzug realisiert.
  • Die komplementären Beleuchtungsmuster dürfen hinsichtlich ihrer Spiegelbilder auf der Kornea nicht überlappen. Prinzipiell sind auch mehr als zwei zueinander komplementäre Gruppen denkbar, was jedoch keinen weiteren Vorteil bietet.
  • Im Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik werden von der Bildaufnahmeeinheit zwei Aufnahmen des Auges unmittelbar hintereinander aufgenommen, wobei von der Steuer- und Auswerteeinheit nacheinander die jeweiligen Gruppe mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen aktiviert werden. Von der Bildaufnahmeeinheit werden somit zwei Aufnahmen des Auges mit den zwei komplementären Gruppen von Placido-Ringen in kurzer Zeitfolge aufgenommen.
  • Die 1a und 1b zeigen Aufnahmen des Auges mit den beiden separat aktivierbaren Gruppen von Placido-Ringen. Während die 1a die Aufnahme des Auges mit geradzahligen Placido-Ringen BG(x, y) enthält, zeigt 1b eine Aufnahme des Auges mit ungeradzahligen Placido-Ringen BU(x, y). Aufgrund der gleichmäßigen Intensität der einzelnen Placidoringe und der großen Anzahl von beispielsweise n = 22 sind die Aufnahmen des Auges mit beiden Gruppen von Placido-Ringen sehr ähnlich. Wie der Gegenüberstellung der beiden 1a und 1b zu entnehmen ist, handelt sind die beiden Gruppen von Placido-Ringen komplementär zueinander, so dass sie sich zu einem gleichmäßigen, gut auswertbaren Muster ergänzen.
  • Die beiden Aufnahmen BG(x, y) und BU(x, y) mit komplementären Ringstrukturen (gemäß der 1a und 1b) bilden die Grundlage für die Extraktion der jeweiligen Informationen.
  • Resultierendes Bild für die Oberflächentopographie:
  • Von der Steuer- und Auswerteeinheit wird ein Bild des Auges mit Placido-Ring-System ermittelt, indem die Bilder mit geradzahligen Placido-Ringen BG(x, y) und ungeradzahligen Placido-Ringen BU(x, y) punktweise voneinander subtra hiert werden: BT(x, y) = |BU(x, y) – BG(x, y)| (1)
  • Der Betrag dieser Subtraktion bildet das resultierende Bild BT(x, y) für die Oberflächentopographie. Ein derartiges, resultierendes Bild BT(x, y) zeigt die 2.
  • Durch die Subtraktion werden Bildanteile des Auges und insbesondere der Iris eliminiert. Die Placido-Ringe bleiben jedoch erhalten, da sich diese ja nicht überdecken. Vielmehr werden die Placido-Ringe beider Aufnahmen zu einem kompletten Placido-Ring-System ergänzt. Durch Betragsbildung des Differenzbildes wird erreicht, dass alle Grauwerte der Ringe einen positiven Wert aufweisen.
  • Resultierendes Bild für die Registrierung:
  • Von der Steuer- und Auswerteeinheit wird ein Bild des Auges ohne Placido-Ring-System ermittelt, indem die Bilder mit geradzahligen Placido-Ringen BG(x, y) und ungeradzahligen Placido-Ringen BU(x, y) punktweise addiert und davon das resultierende Bild für die Oberflächentopographie BT(x, y) subtrahiert werden: BI(x, y) = BU(x, y) + BG(x, y) – BT(x, y) (2)
  • Das Ergebnis dieser Berechnung BI(x, y) bildet das resultierende Bild des Auges zur Registrierung. Ein derartiges, resultierendes Bild BI(x, y) zeigt die 3.
  • Durch diese Berechnung werden die Bildanteile des Auges verdoppelt (addiert), während die durch die Addition zu einem gesamten Placido-Ring-System ergänzten Bildanteile durch die anschließende Subtraktion des resultierenden Bildes BT(x, y) eliminiert werden. Ergebnis ist ein Bild des Auges mit der Irisstruktur von hoher Qualität.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster wird ein symmetrisches, von einer Einheit dargestellte oder beleuchtete, sich im Auge spiegelnde, Muster von einer Bildaufnahmeeinheit aufgenommen und an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden, wobei beide Einheiten mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbundenen sind. Das von der Einheit dargestellte oder beleuchtete symmetrische Muster wird von der Steuer- und Auswerteeinheit so gesteuert, dass es in zwei komplementären Teilmustern separat aktiviert wird. Die Bildaufnahmeeinheit nimmt in kurzer Zeitfolge ein Bild des Auges für jedes der aktivierten Teilmuster auf und leitet diese zur Auswertung an die Steuer- und Auswerteeinheit weiter, die daraus ein Bild des Auges mit und/oder ohne symmetrisches Muster ermittelt.
  • Für die Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters sind die unterschiedlichsten Lösungen möglich, wobei im Folgenden auf einige wenige Varianten kurz eingegangen wird.
  • So können in einer ersten Ausführung hinter den ringförmigen, als Diffusor wirkenden Fenstern der Placidoscheibe LED-Ketten verwendet werden und so das Placido-Ring-System beleuchten. Zwischen den für jeden separaten Ring vorhandenen LED-Ketten sind entsprechende Abgrenzungen zu den Nachbarringen vorzusehen. Durch die Verwendung sehr kleiner SMD-LEDs kann auf Abgrenzungen eventuell verzichtet werden.
  • In einer zweiten Ausführung können Flächenemitter, beispielsweise in Form von OLEDs verwendet werden, die das entsprechende Placido-Ring-System darstellen.
  • In einer dritten Ausgestaltung werden zur Darstellung der Ringstrukturen auf der Placidoinnenseite Scanner verwendet, die durch gezielte Ansteuerung die verschiedenen komplementärer Muster darstellen.
  • Eine weitere Ausführungsform basiert beispielsweise auf der Darstellung der Ringstrukturen auf die Placidoinnenseite mit Hilfe einer Lampe und entsprechenden Blenden oder Dias. Zur Darstellung unterschiedlicher Teilmuster werden entsprechende Blendenwechsler bzw. Verschiebeinheiten verwendet.
  • Die Iris des Auges wird von dem symmetrischen Muster vollständig beleuchtet, wobei die Beleuchtung genügend schräg einfällt, um einen geeigneten Kontrast bei der Iriserkennung zu erreichen.
  • Als Muster sind dabei verschiedene Geometrien denkbar, die die Voraussetzung erfüllen, dass sie sich auf dem Auge nicht überlagern, dass sie sich in annähern gleichgroße Teilgeometrien mit ähnlicher Beleuchtungsstärke aufteilen lassen und dass sie zur Ermittlung der Oberflächentopographie der Hornhaut des Auges geeignet sind.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die Beleuchtungsstärke der Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung der komplementären Teilmuster veränderbar, so dass vorhandene Unterschiede in der Beleuchtungsstärke der komplementären Teilmuster ausgeglichen werden können.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als symmetrisches Muster ein Placido-Ring-System verwendet, welches sich im Auge spiegelt. Dabei wiest das Placido-Ring-System zur Sicherung der für die Topographie erforderlichen Genauigkeit und Auflösung vorzugsweise n > 10 Ringe auf.
  • Das Placido-Ring-System wird in die zwei, separat aktivierbare Gruppen aufgeteilt, wobei die Summe der Placido-Ringe ein komplementäres Placido-Ring-System mit n Ringen darstellen. Dabei erfolgt die Aufteilung derart, dass die einzelnen Placido-Ringe des Placido-Ring-Systems von innen nach außen betrachtet, alternierend in die zwei separat aktivierbaren Gruppen mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen verteilt sind.
  • Die Bildaufnahmeeinheit ist so ausgeführt, dass diese von der Steuer- und Auswerteeinheit synchron zur jeweiligen Gruppe mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen aktiviert wird, um die Zeitfolge der aufzunehmenden Bild des Auges so gering wie möglich zu halten. Eine möglichst kurze Zeitfolge für die beiden Aufnahmen ist in Hinblick auf mögliche Augenbewegungen von entscheidender Bedeutung.
  • Entscheidend hierbei ist, dass die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters schnell zwischen den komplementären Gruppen wechseln kann. Selbstverständlich gilt entsprechendes für die Bildaufnahmeeinheit, die die beiden Aufnahmen möglichst ohne Zeitverzug realisiert.
  • Die komplementären Beleuchtungsmuster dürfen hinsichtlich ihrer Spiegelbilder auf der Kornea nicht überlappen. Prinzipiell sind auch mehr als zwei zueinander komplementäre Gruppen denkbar, was jedoch keinen weiteren Vorteil bietet.
  • Im Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik werden von der Bildaufnahmeeinheit zwei Aufnahmen des Auges unmittelbar hintereinander aufgenommen, wobei von der Steuer- und Auswerteeinheit nacheinander die jeweiligen Gruppe mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen aktiviert werden. Von der Bildaufnahmeeinheit werden somit zwei Aufnahmen des Auges mit den zwei komplementären Gruppen von Placido-Ringen in kurzer Zeitfolge aufgenommen.
  • Die 1a und 1b zeigen Aufnahmen des Auges mit den beiden separat aktivierbaren Gruppen von Placido-Ringen. Während die 1a die Aufnahme des Auges mit geradzahligen Placido-Ringen BG(x, y) enthält, zeigt 1b eine Aufnahme des Auges mit ungeradzahligen Placido-Ringen BU(x, y).
  • Aufgrund der gleichmäßigen Intensität der einzelnen Placidoringe und der großen Anzahl von beispielsweise n = 22 sind die Aufnahmen des Auges mit beiden Gruppen von Placido-Ringen sehr ähnlich. Wie der Gegenüberstellung der beiden 1a und 1b zu entnehmen ist, handelt sind die beiden Gruppen von Placido-Ringen komplementär zueinander, so dass sie sich zu einem gleichmäßigen, gut auswertbaren Muster ergänzen.
  • Die beiden Aufnahmen BG(x, y) und BU(x, y) mit komplementären Ringstrukturen (gemäß der 1a und 1b) bilden die Grundlage für die Extraktion der jeweiligen Informationen.
  • Bestimmen eines resultierenden Bildes für die Oberflächentopographie:
  • Von der Steuer- und Auswerteeinheit wird ein Bild des Auges mit Placido-Ring-System ermittelt, indem die Bilder mit geradzahligen Placido-Ringen BG(x, y) und ungeradzahligen Placido-Ringen BU(x, y) punktweise voneinander subtrahiert werden: BT(x, y) = |BU(x, y) – BG(x, y)| (1)
  • Der Betrag dieser Subtraktion bildet das resultierende Bild BT(x, y) für die Oberflächentopographie. Ein derartiges, resultierendes Bild BT(x, y) zeigt die 2.
  • Durch die Subtraktion werden Bildanteile des Auges und insbesondere der Iris eliminiert. Die Placido-Ringe bleiben jedoch erhalten, da sich diese ja nicht überdecken. Vielmehr werden die Placido-Ringe beider Aufnahmen zu einem kompletten Placido-Ring-System ergänzt. Durch Betragsbildung des Differenzbildes wird erreicht, dass alle Grauwerte der Ringe einen positiven Wert aufweisen.
  • Bestimmen eines resultierenden Bildes für die Registrierung:
  • Von der Steuer- und Auswerteeinheit wird ein Bild des Auges ohne Placido-Ring-System ermittelt, indem die Bilder mit geradzahligen Placido-Ringen BG(x, y) und ungeradzahligen Placido-Ringen BU(x, y) punktweise addiert und davon das resultierende Bild für die Oberflächentopographie BT(x, y) subtrahiert werden: BI(x, y) = BU(x, y) + BG(x, y) – BT(x, y) (2)
  • Das Ergebnis dieser Berechnung BI(x, y) bildet das resultierende Bild des Auges zur Registrierung. Ein derartiges, resultierendes Bild BI(x, y) zeigt die 3.
  • Durch diese Berechnung werden die Bildanteile des Auges verdoppelt (addiert), während die durch die Addition zu einem gesamten Placido-Ring-System ergänzten Bildanteile durch die anschließende Subtraktion des resultierenden Bildes BT(x, y) eliminiert werden. Ergebnis ist ein Bild des Auges mit der Irisstruktur von hoher Qualität.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster zur Verfügung gestellt, mit denen sowohl Abbilder des Auges mit dem sich spiegelnden Muster als auch ohne dem sich spiegelnden Muster mit einer hohen räumlichen Auflösung, bei einer hohen Genauigkeit möglich sind.
  • Der aus dem Stand der Technik bekannte Nachteil der mitunter problematischen Ringerkennung bei störender Iris, konnte ebenso gelöst werden wie die störenden Ringe bei der Iriserkennung. Auf die Anordnung einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle konnte jedoch verzichtet werden.
  • Auch konnte das Problem der Ringerkennung auf einfache Weise gelöst werden und zwar, ohne dass die Genauigkeit begrenzt und der effektive Messbereiches verkleinert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 811352 B1 [0007]
    • - US 4685140 A [0009]
    • - US 6575573 B2 [0010]
    • - US 6692126 B1 [0010]

Claims (20)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster, mindestens bestehend aus einer Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters, einer Bildaufnahmeeinheit und einer mit beiden Einheiten verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung des symmetrischen Musters so ausgebildet ist, dass das symmetrische Muster von der Steuer- und Auswerteeinheit in zwei komplementären Teilmustern separat aktivierbar sind, dass die Bildaufnahmeeinheit so ausgeführt ist, dass in kurzer Zeitfolge ein Bild des Auges für jedes aktivierte Teilmuster aufgenommen und zur Auswertung an die Steuer- und Auswerteeinheit weitergeleitet wird und daraus von der Steuer- und Auswerteeinheit ein Bild des Auges mit und/oder ohne symmetrisches Muster ermittelt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei separat aktivierbaren, komplementären Teilmuster eine annähernd gleiche Beleuchtungsstärke aufweisen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung der komplementären Teilmuster über eine Vorrichtung zur Veränderung der Beleuchtungsstärke verfügt.
  4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dargestellte oder beleuchtete, sich in Auge spiegelnde, symmetrische Muster ein Placido-Ring-System ist.
  5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die zwei separat aktivierbaren Gruppen verteilten, einzelnen Placido-Ringe ein komplementäres Placido-Ring-System mit n Ringen darstellen.
  6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Placido-Ring-System zur Sicherung der für die Topographie erforderlichen Genauigkeit und Auflösung n > 10 Ringe aufweist.
  7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Placido-Ringe des Placido-Ring-Systems von innen nach außen betrachtet alternierend in die zwei separat aktivierbaren Gruppen mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen verteilt sind.
  8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinheit so ausgeführt ist, dass diese von der Steuer- und Auswerteeinheit synchron zur jeweiligen Gruppe mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen aktiviert wird, um die Zeitfolge der aufzunehmenden Bilder des Auges so gering wie möglich zu halten.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuer- und Auswerteeinheit ein Bild des Auges mit Placido-Ring-System ermittelt wird, indem die Bilder mit geradzahligen Placido-Ringen und ungeradzahligen Placido-Ringen punktweise voneinander subtrahiert werden BT(x, y) = |BU(x, y) – BG(x, y)|wobei BU(x, y) das Bild mit ungeradzahligen und BG(x, y) das Bild mit geradzahligen Placido-Ringen und BT(x, y) das resultierende Bild für die Oberflächentopographie darstellen.
  10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuer- und Auswerteeinheit ein Bild des Auges ohne Placido-Ring-System ermittelt wird, indem die Bilder mit geradzahligen Placido-Ringen und ungeradzahligen Placido-Ringen punktweise addiert und davon das resultierende Bild für die Oberflächentopographie subtrahiert BI(x, y) = BU(x, y) + BG(x, y) – BT(x, y)wobei BU(x, y) das Bild mit ungeradzahligen und BG(x, y) das Bild mit geradzahligen Placido-Ringen, BT(x, y) das resultierende Bild für die Oberflächentopographie und BI(x, y) das Bild zur Registrierung darstellen.
  11. Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines Auges durch Auswertung der Spiegelbilder symmetrischer Muster, bei dem ein symmetrisches Muster von einer Einheit dargestellt oder beleuchtet wird und sich im Auge spiegelt, von einer Bildaufnahmeeinheit Bilder des Auges aufgenommen und an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden, wobei beide Einheiten mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbundenen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung und Projektion des symmetrischen Musters so von der Steuer- und Auswerteeinheit gesteuert wird, dass das symmetrische Muster in zwei komplementären Teilmustern separat aktiviert wird, die Bildaufnahmeeinheit in kurzer Zeitfolge ein Bild des Auges für jedes der aktivierten Teilmuster aufnimmt und zur Auswertung an die Steuer- und Auswerteeinheit weiterleitet und die Steuer- und Auswerteeinheit daraus ein Bild des Auges mit und/oder ohne symmetrisches Muster ermittelt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei separat aktivierbaren, komplementären Teilmuster mit einer annähernd gleichen Beleuchtungsstärke strahlen.
  13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstärke der Einheit zur Darstellung oder Beleuchtung der komplementären Teilmuster veränderbar ist.
  14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als symmetrisches Muster ein Placido-Ring-System verwendet wird.
  15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in die zwei separat aktivierbaren Gruppen verteilten einzelnen Placido-Ringe ein komplementäres Placido-Ring-System mit n Ringen darstellen.
  16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Placido-Ring-System zur Sicherung der für die Topographie erforderlichen Genauigkeit und Auflösung n > 10 Ringe aufweisen.
  17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Placido-Ringe des Placido-Ring-Systems von innen nach außen betrachtet alternierend in die zwei separat aktivierbaren Gruppen mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen verteilt werden.
  18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinheit von der Steuer- und Auswerteeinheit synchron zur jeweiligen aktivierten Gruppe mit gerad- bzw. ungeradzahligen Placido-Ringen aktiviert wird, um die Zeitfolge der aufzunehmenden Bild des Auges so gering wie möglich zu halten.
  19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit ein Bild des Auges mit Placido-Ring-System ermittelt, indem die Bilder mit geradzahligen Placido-Ringen und ungeradzahligen Placido-Ringen punktweise voneinander subtrahiert werden BT(x, y) = |BU(x, y) – BG(x, y)|wobei BU(x, y) das Bild mit ungeradzahligen und BG(x, y) das Bild mit geradzahligen Placido-Ringen und BT(x, y) das resultierende Bild für die Oberflächentopographie darstellen.
  20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit ein Bild des Auges ohne Placido-Ring-System ermittelt, indem die Bilder mit geradzahligen Placido-Ringen und ungeradzahligen Placido-Ringen punktweise addiert und davon das resultierende Bild für die Oberflächentopographie subtrahiert wird BI(x, y) = BU(x, y) + BG(x, y) – BT(x, y)wobei BU(x, y) das Bild mit ungeradzahligen und BG(x, y) das Bild mit geradzahligen Placido-Ringen, BT(x, y) das resultierende Bild für die Oberflächentopographie und BI(x, y) das Bild zur Registrierung darstellen.
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