DE102009030467A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder Download PDF

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Peter Dr. Westpahl
Thomas Dr. Mohr
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Abstract

Die vorliegende Lösung dient der Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder von Augen bei sehr geringer Beleuchtungsintensität. Dabei besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer Beleuchtungseinheit, Mitteln zur Erzeugung spezieller Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen, Mitteln zur Ein- und Auskopplung des Lichtes der Beleuchtungseinheit und/oder des vom Auge reflektierten Lichtes sowie zwei opto-elektronischen Sensor-Arrays zur Aufnahme des vom Auge reflektierten Lichtes, die Verbindungen zu einer Auswerteeinheit aufweisen, und einem zusätzlichen Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes auf die beiden opto-elektronischen Sensor-Arrays, wobei ein opto-elektronisches Sensor-Array auf Single-Photonen-Detektoren und das andere auf Photostrom messenden Photodiode basiert. Die vorgeschlagene technische Lösung dient der Aufnahme hochdynamischer Abbilder des menschlichen Auges und ist für Fundus- und Spaltbilder gleichermaßen geeignet. Außerdem ist die vorgeschlagene Lösung dazu geeignet, hochdynamische Abbilder der vorderen Augenabschnitte des menschlichen Auges im Rahmen der Vorbereitung, Durchführung und/oder Begutachtung von Katerakt-Operationen zu realisieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder von Augen bei sehr geringer Beleuchtungsintensität.
  • Mit einer Funduskamera sind genaueste Untersuchungen der Netzhaut durch Fotografie des Augenhintergrundes möglich. Die von der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen, hochgenauen Bilder werden für eine sofortige Ansicht und Beurteilung in der Regel auf einen Bildschirm abgebildet. Durch die Möglichkeit, die Aufnahmen nahezu beliebig zu vergrößern, können Details gesehen werden, die mit bloßem Auge bei der Untersuchung der Netzhaut nicht erkennbar sind. Die Aufnahmen werden in einer Datenbank gespeichert und ermöglichen damit zusätzlich Verlaufskontrollen von Befunden in einer mit herkömmlichen Methoden nicht möglichen Genauigkeit.
  • Im Gegensatz dazu sind Spaltlampen medizinische Untersuchungsgeräte, mit denen der Augenarzt oder der Augenoptiker die Augen stereoskopisch, d. h. räumlich betrachten kann. Dieses optische Gerät bietet dem Nutzer die Möglichkeit, einen scharf begrenzten spaltförmigen Lichtstrahl, der in seiner Breite einstellbar ist, auf das zu untersuchende Auge zu projizieren und damit das Auge durch ein Auflichtmikroskop zu betrachten. Mit Spaltlampen werden vorzugsweise die vorderen Augenbereiche mit Linse, Hornhaut und vorderer Augenkammer betrachtet. Durch die Verwendung pupillenerweiternder Mittel wird es jedoch auch möglich, die Netzhaut oder die Hornhautrückfläche zu sehen. Neben der Möglichkeit der direkten, stereoskopischen Beobachtung bieten moderne Spaltlampen selbstverständlich auch die Möglichkeit mit Hilfe einer Bildaufnahmeeinheit fotografische Aufnahmen zur sofortigen Ansicht und Begutachtung, sowie zur Verlaufskontrolle von Befunden zu realisieren.
  • Nach dem bekannten Stand der Technik kommen als Beleuchtungseinheit bei Funduskameras und Spaltlampen hauptsächlich Blitzlampen, Halogenlampen oder LEDs zum Einsatz, die zur Beleuchtung des Auges für eine direkte Beobachtung und/oder für fotografische Aufnahmen dienen.
  • Während bei der Beleuchtung lediglich darauf zu achten ist, dass zulässige Beleuchtungsstärken einzuhalten sind, um die Belastung des Auges so gering wie möglich zu halten, sind die Anforderungen an die zu verwendende Bildaufnahmeeinheit insbesondere für hochqualitative Fundus- oder Spaltaufnahmen wesentlich höher. Die Ursachen dafür liegen in der individuellen, den Strahlengang des ein- und ausfallenden Lichtes verändernden Optik und der gekrümmten Fläche der Netzhaut des Auges. Wesentlichster Bestandteil der in der Regel digital arbeitenden Bildaufnahmeeinheiten sind opto-elektronische Sensoren, die vorzugsweise direkt im Beobachtungsstrahlengang angeordnet sind.
  • Um die zulässige Beleuchtungsstärke einzuhalten und die Belastung des Auges möglichst zu verringern, wird die Intensitäten und/oder Dauer der Beleuchtung ständig verringert. Dies hat jedoch zur Folge, dass auf dem optoelektronischen Sensor eine immer geringere Lichtmenge ankommt, was die Erzeugung hochqualitativer Fundus- oder Spaltaufnahmen wesentlich erschwert.
  • Eine einfache Verlängerung der Belichtungszeit führt hierbei jedoch nicht zum Erfolg, da das Auge in der Regel nicht stillsteht und scharfe Fundus- oder Spaltaufnahmen somit unmöglich werden. Eine mögliche Fixierung des Auges für längere Belichtungszeiten würde jedoch die Belastung des Patienten extrem erhöhen.
  • Um diesem Umstand abzuhelfen, ist der Einsatz von Bildaufnahmeeinheiten möglich, die über hochempfindliche, opto-elektronische Sensoren verfügen. Da hochempfindliche, opto-elektronische Sensoren bei gleicher Größe in der Regel über eine geringere Auflösung verfügen und zudem nur Schwarz-Weiß-Bilder erzeugen, ist deren alleinige Verwendung wenig vorteilhaft. Zudem führen elektronische Nachverstärkungen, die eine relativ aufwendige Elektronik erfordern, bei hochempfindlichen, opto-elektronischen Sensoren zur Einschränkung deren Dynamik. Weiterhin ist es Stand der Technik, dass hochempfindliche Sensoren gekühlt werden, um elektronische Rauscheinflusse zu minimieren.
  • Die sogenannte Dynamik des opto-elektronischen Sensors ist ein Maß für die Genauigkeit der Detektierung und Wiedergabe der Intensitäten und wird durch das Verhältnis von höchster messbarer Intensität zu niedrigster messbarer Intensität ausgedrückt.
  • Während sich der gesamte Intensitätsbereich von einer absoluten minimalen Intensität bis zu einer absoluten maximalen Intensität erstreckt, ist der messbare Bereich ist in der Regel kleiner und so zu verstehen, dass in diesem Bereich die Intensitäten proportional zueinander, d. h. mit linearer Empfindlichkeit registriert werden.
  • Nach dem Stand der Technik sind jedoch andere technische Lösungen bekannt, mit denen trotz geringer, detektierbarer Lichtmenge hochqualitative Fundus- oder Spaltaufnahmen realisierbar sind.
  • In einer ersten Gruppe von Lösungen wird dazu die Beleuchtung, d. h. die Blitzbelichtung des Auges für die Fundus- oder Spaltaufnahmen optimiert.
  • Während DE 102 42 851 A1 und DE 10 2004 011 906 A1 Systeme zum Steuern der Blitzabgabe eines Blitzgerätes betreffen, wird in der EP 0 512 508 B1 eine Kamera mit automatischer Belichtungssteuerungs-Einrichtung beschrieben, bei der zur Belichtungsmessung ein Vorblitz im sichtbaren Spektralbereich und eine zugehörigen elektronischen Auswertung erfolgt. Dabei erfolgt die Auswertung der Belichtungsmessung in Zonen, mit einer Photodiode für die zentrale Messung und einem Array für die Messung des Umgebungslichtes. Da ein Vorblitz meist nicht ausreichend ist, um eine Belichtungsmessung durchzuführen, wird in der Regel mit einer kurzen Folge von Vorblitzen gearbeitet.
  • Nachteilig wirkt sich bei diesen Lösungen aus, dass die Vorblitze im sichtbaren Spektralbereich erfolgen, dass nur eine zonenweise Auswertung in Teilbereichen erfolgt und dass eine zusätzliche Photodiode bzw. ein Array von Photodioden erforderlich ist. Außerdem weisen auch hier die opto-elektronischen Sensoren eine begrenzte Dynamik auf.
  • Weitere, mit Vorblitzen arbeitende Lösungen sind in DE 3 139 547 C2 und DE 33 32 835 C2 beschrieben. Während bei diesen beiden Lösungen die Vorblitze im sichtbaren Spektralbereich liegen, erfolgt die zugehörige Auswertung der Lichtmessung im infraroten Spektralbereich, für die eine zusätzliche Photodiode erforderlich ist.
  • Die Lösungen nach DE 33 47 872 C2 und DE 690 26 826 T2 basieren zwar auch auf einer Vorblitz-Methode, die Lichtmessung erfolgt jedoch über Spot- und Integralbelichtungsmessung. Die Lichtmessung erfolgt in Zonen, wofür eine Photodiode für den zentralen Spot und eine Photodiode bzw. ein Array für die Messung des Umgebungslichtes vorhanden sind. Als nachteilig wirkt sich hierbei neben den sichtbaren Vorblitzen die nur zonenweise erfolgende Auswertung aus.
  • Das Problem einer begrenzten Dynamik tritt bei den hier verwendeten optoelektronischen Sensoren generell auf. In der Regel weisen derartige Sensoren nur eine Dynamik von 8 Bit auf, was 256 Helligkeitsstufen entspricht. Dies ist ein sehr geringer Wert im Vergleich zu konventionellem Filmmaterial, welches eine Dynamik von etwa 13 Bit hat, und macht sich beispielsweise dadurch nachteilig bemerkbar, dass helle Bereiche im Bild schnell zur Übersteuerung führen. Um die begrenzte Dynamik der Sensoren optimal nutzen zu können, ist nach dem Stand der Technik eine zweite Gruppe von Lösungen bekannt, bei denen nicht die Beleuchtung sondern die Belichtung optimiert wird.
  • So beschreibt beispielsweise die DE 103 07 744 A1 ein Verfahren, bei dem durch mehrfache Belichtung mit stark unterschiedlichen Strahlungsenergien eine Dynamikerweiterung erreicht werden kann. Dazu erfolgt die Bestimmung von Intensitätswerten elektromagnetischer Strahlung von Orten in einem Gebiet, wobei die elektromagnetische Strahlung eine absolute minimale Intensität und eine absolute maximale Intensität aufweist, mittels einer Detektierungseinrichtung die Messwerte in einem Bereich von einer niedrigsten messbaren Intensität bis zu einer höchsten messbaren Intensität mit linear steigender Empfindlichkeit registriert und gespeichert wird. Auf diese Weise kann man mit einer Detektierungseinrichtung von eigentlich geringer Dynamik mittels mehrerer Aufnahmen desselben Gebiets G bei unterschiedlichen Belichtungszeiten die effektive Dynamik der Detektierungseinrichtung wesentlich erhöhen und ein Bild zusammensetzen, das mit dieser effektiven Dynamik aufgenommen zu sein scheint. Da sich durch die Vielzahl der Fundus- oder Spaltaufnahmen die Dauer der Behandlung wesentlich verlängert, erhöht sich auch die Belastung des Patienten.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass die derzeit verwendeten opto-elektronischen Sensoren über eine begrenzte Dynamik von zumeist 8 Bit verfügen, die für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis möglichst maximal auszusteuern ist, d. h. die Beleuchtung ist individuell bzw. automatisch zu regeln. Unter der Berücksichtigung einer nicht zu hohen Lichtbelastung des Patienten ist die Empfindlichkeit der derzeit verwendeten opto-elektronischen Sensoren nicht ausreichend, um ausreichend gute Aufnahmen zu realisieren.
  • Im Gegensatz dazu erzeugen hochempfindliche Sensoren (CCD) ein verwertbares, analoges, elektrisches Signal erst bei einer Mindestmenge von etwa 100 einfallenden Photonen, so dass bei sehr geringen Strahlungsenergien extrem lange Belichtungszeiten erforderlich sind. Zudem verfügen hochempfindliche Sensoren über eine begrenzte Auflösung z. B. 5 Megapixel, benötigen für die Nachverstärkung eine aufwendige elektronische Schaltung und arbeiten nur im Schwarz–Weiß-Modus.
  • Eine Beschleunigung des Messvorganges und die damit zusammenhängende Verringerung der Belastung des Patienten könnte durch das Auslesen von Teilbereichen des Sensors erreicht werden. Dies ist jedoch nicht bei allen Sensoren möglich. CMOS-Sensoren, die das Auslesen zusammenhängender Teilbereiche ermöglichen, sind prinzipbedingt jedoch stark rauschbehaftet.
  • Auch ein Auslesen während des Belichtungsprozesses ist nicht bei allen Sensoren möglich. Die hierfür geeigneten, sogenannten Global-Shutter-Sensoren sind allerdings nicht in der erforderlichen Empfindlichkeit verfügbar.
  • So könnte das Auslesen des gesamten Sensors auch dadurch beschleunigt werden, dass statt nur eines Analog-Digital-Wandlers mehrerer, parallel arbeitende AD-Wandler Verwendung finden. Diese Variante ist jedoch sehr kostenintensiv; schnelle AD-Wandler arbeiten zudem mit sehr niedriger Dynamik wie z. B. mit max. 8 Bit. Die Auslesezeit wird zusätzlich dadurch verlängert, dass alle digitalen Daten nach dem Auslesen zwischengespeichert und dann separat bearbeitet werden; unter Umständen erfolgt sogar eine serielle Übermittlung zu einer separaten Auswerteeinheit, wie einem PC mit Auswertesoftware.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder von Augen bei sehr geringer Beleuchtungsintensität zu entwickeln. Dabei soll die Lösung die Nachteile des Standes der Technik beheben und bei einem einfachen und kostengünstigen Aufbau eine einfache Bedienung und eine schnelle Auswertung ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder besteht aus einer Beleuchtungseinheit, Mitteln zur Erzeugung spezieller Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen, Mitteln zur Ein- und Auskopplung des Lichtes der Beleuchtungseinheit und/oder des vom Auge reflektierten Lichtes sowie zwei opto-elektronischen Sensor-Arrays zur Aufnahme des vom Auge reflektierten Lichtes, die Verbindungen zu einer Auswerteeinheit aufweisen und einem zusätzlichen Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes auf die beiden opto-elektronischen Sensor-Arrays, wobei ein opto-elektronisches Sensor-Array auf Single-Photonen-Detektoren und das andere auf Photostrom messenden Photodioden basiert.
  • Die vorgeschlagene technische Lösung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Abbilder des menschlichen Auges und ist für Fundus- und Spaltbilder gleichermaßen geeignet. Außerdem ist die vorgeschlagene Lösung auch dazu geeignet, hochdynamische Abbilder der vorderen Augenabschnitte des menschlichen Auges im Rahmen der Vorbereitung, Durchführung und/oder Begutachtung von Katerakt-Operationen zu realisieren.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder besteht aus einer Beleuchtungseinheit, Mitteln zur Erzeugung spezieller Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen, einem optoelektronischen Sensor-Array zur Aufnahme des vom Auge reflektierten Lichtes, einer Auswerteeinheit, sowie Mitteln zur Ein- und Auskopplung des Lichtes der Beleuchtungseinheit und/oder des vom Auge reflektierten Lichtes, wobei ein zweites opto-elektronisches Sensor-Array und ein zusätzlicher Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes auf diese Sensor-Arrays vorhanden sind und beide opto-elektronischen Sensor-Arrays Verbindungen zur Auswerteeinheit aufweisen.
  • Erfindungswesentlich ist hierbei, dass ein opto-elektronisches Sensor-Array aus Photodetektoren besteht, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten, während das andere opto-elektronische Sensor-Array auf Photodioden basiert, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen. Das nach dem Lawinen-Effekt oder auch Avalanche-Effekt arbeitende Sensor-Array hat dabei eine um den Faktor 100 höhere Empfindlichkeit als das den inneren photoelektrischen Effekt nutzende Sensor-Array.
  • Als Photodetektoren, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten können beispielsweise Photomultiplier Tubes (PMT), Avalanche Photo Dioden (APD) oder Silicon Photomultipliers (SiPMs) Verwendung finden. Es kommen auch emCCDs (electron multiplying CCD) oder sCMOS (scientific CMOS) in Frage, die eine Elektronen-Vervielfältigung bereits intrinsisch implementiert haben.
  • Photodioden, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen basieren hingegen meist auf der konventionellen (ohne Lawinen-Effekt) CCD-(charge-coupled device) oder CMOS-Technologie (complementary metal Oxide semiconductor).
  • Opto-elektronische Sensor-Arrays bestehen in der Regel aus einer Matrix (seltener einer Zeile) lichtempfindlicher Photodioden, die auch Pixel genannt werden. Die Arrays können rechteckig oder quadratisch sein, mit Kantenlängen von weniger als 3 μm bis über 20 μm. Je größer die Fläche der Pixel, desto höher die Lichtempfindlichkeit und der Dynamikumfang des Sensors und desto kleiner die Bildauflösung, bei gleicher Größe des Sensors.
  • Weiterhin ist erfindungswesentlich, dass die Messwerte an den digitalen Ausgängen der opto-elektronischen Sensor-Arrays derart normiert sind, dass ein stufenloser Übergang der Lichtintensitätsmessung erfolgen kann. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sensor-Arrays gleiche Abmessungen aufweisen, da sich dadurch die Auswertung und Bilderzeugung wesentlich vereinfacht.
  • Für eine einfache und schnelle Auswertung der Signale der Sensor-Arrays ist es weiterhin von Vorteil, wenn die digitalen Ausgänge der Single-Photonen-Detektoren über separate Verarbeitungseinheiten verfügen. Vorzugsweise werden dafür Zählratenkonverter verwendet, von denen das Messergebnis digital an die Auswerteeinheit übermittelt wird.
  • Da jeder Single-Photonen-Detektor über eine separate Verarbeitungseinheit verfügt, ist es auch möglich, eine individuelle Auslesung der digitalen Ausgangssignale vorzunehmen. So lassen sich neben Teilbereichen auch spezielle Formen, wie Linien, Kreise, Gitter, Sektoren o. ä. auslesen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil dar, der trotz der Kombination mit einem „normalen” Sensor-Array erhalten bleibt. Die separaten Verarbeitungseinheiten jedes Single-Photonen-Detektors haben noch den Vorteil, dass durch die Möglichkeit des parallelen Auslesens die Bilderzeugung wesentlich schneller erfolgen kann.
  • Die Dynamik der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dadurch noch vergrößert werden, dass Zählern mit hohen Zählgrößen von z. B. 24 Bit verwendet werden. Diese Zähler sind dann in der Lage das „OVERFLOW”-Steuersignal auszuwerten. Bei Erreichen des maximalen Zählstandes wird automatisch ein weiterer Zähler generiert, der die Anzahl der „OVERFLOW”-Signale zählt. Eine derartige dynamische Konfiguration mit der Generierung eines weiteren Zählers erfolgt mit einer zusätzlichen Steuerlogik, so dass eine dynamische Erweitung einzelner, überlaufender Zähler problemlos möglich ist.
  • In einer ersten Ausführung wird neben einem Sensor-Array auf CCD- bzw. CMOS-Basis ein Sensor-Array verwendet, bei dem als Single-Photonen-Detektoren Silicon Photomultipliers (kurz SPM) verwendet werden.
  • Derartige Sensor-Arrays werden beispielsweise von der Firma SensL Technologies Ltd. auch in Form von Arrays angeboten. Die SPMs von SensL basieren dabei auf einer neuartigen Silizium-Struktur und wurden für geringste Beleuchtungsstärken optimiert. So erzeugt bereits ein einziges Photon einen Impuls auf dem Sensor-Array, das über integrierte Schaltkreise entsprechend verstärkt wird. Dazu wird das Sensor-Array im Geiger-Modus betrieben. Beim sogenannten Geiger-Modus werden die SPM's oberhalb der Durchbruchspannung betrieben, so dass eine Verstärkung von bis zu 106 erreicht wird. Dabei stellt die Detektorelektronik sicher, dass die SPMs nicht zerstört und anschließend wieder zurückgesetzt werden. Diese, auf SPM's basierenden Sensor-Arrays kombiniert die Vorteile von ”normalen” Photodioden (Größe, Niederspannungsbetrieb und Robustheit) mit den wichtigen Vorteilen einer hohen Verstärkung und Empfindlichkeit. Details zu den SPM-Arrays der Firma SensL Technologies Ltd. sind sowohl den Produktbeschreibungen auf der Internetseite www.sensl.com als auch der Offenlegungsschrift WO 2006/126027 A2 zu entnehmen.
  • Die vorgeschlagene Lösung verfügt über eine für Single-Photonen-Detektoren übliche, nichtlineare Empfindlichkeitskurve. Nach dem Eintreffen eines Photons und dem Auslösen des Lawineneffekts ist der Single-Photonen-Detektor für kurze Zeit, d. h. während der sogenannten Totzeit (DEAD TIME) nicht empfindlich. Photonen, die in dieser Zeit auf den Detektor treffen, werden nicht registriert. Bei hoher Strahlungsenergie steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eintreffende Photonen nicht mehr detektiert werden. Ais Ergebnis erhält man eine nichtlineare Empfindlichkeitsfunktion, die bei der Auswertung zu berücksichtigen ist. Deshalb sind vorzugsweise Single-Photonen-Detektoren zu verwenden, die über eine sehr kurze Totzeit im Bereich von 20 bis 50 ns verfügen.
  • Die Firma SensL gibt in den Datenblattern der verfügbaren Single-Photonen-Detektoren (SPM-Array) an, dass bei einem gekühlten Photon Counting Device (PCDMini) die typische Pulslänge bei 53 ns und die nachfolgende Totzeit bei 98 ns liegen. Der Detektor kann somit während der Zeit von 151 ns das Auftreffen keiner weiteren Photonen messen. Die sich daraus ergebende maximale Photonenzählrate im linearen Bereich, bei dem die Zählrate proportional zum Lichtfluss ist, führt jedoch insbesondere bei kurzen Messzeiten von beispielsweise 100 ns zu einer zu geringen Dynamik.
  • Der zusätzlich vorhandene Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes auf die beiden Sensor-Arrays ist so ausgebildet, dass ein Teilungsverhältnis von etwa 75:25 bis 95:5, vorzugsweise 90:10 erzeugt wird, wobei der Hauptteil des vom Auge reflektierten Lichtes auf das Array aus Single-Photonen-Detektoren abgebildet wird. Das Teilungsverhältnis ist dabei von den verschiedenen Empfindlichkeiten der beiden Sensor-Arrays abhängig. Der verwendete Strahlteiler kann hierbei beliebig geartet sein. Es kann sich zum Beispiel um einen metallischen Strahlteiler oder einen Polka-Dot-Strahlteiler handeln. Wenn die beiden Sensor-Arrays deutlich unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, kann es auch vorteilhaft sein, den Strahlteiler dichroitisch auszulegen, so dass Detektionsstrahlung spektral selektiert auf die Sensor-Arrays fällt.
  • Von der Auswerteeinheit werden zur Erzeugung hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder vorrangig die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren und erst bei Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner Single-Photonen-Detektoren die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays verwendet. Der Sättigungsbereich einzelner Single-Photonen-Detektoren wird jenseits der maximalen Photonenzählrate im linearen Bereich, d. h. bei einer dem Lichtfluss proportionalen Zählrate, erreicht.
  • Die Bilderzeugung erfolgt somit durch Kombination der Ausgangssignale beider Sensor-Arrays. Die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren bilden dabei die Grundlage, wobei die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren, die ihren Sättigungsbereich erreicht haben, durch die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays ersetzt werden. Bei gleich großen Sensor-Arrays ist dies auf einfache Art und Weise, pixelgenau möglich.
  • Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, dass das erzeugte Fundus- oder Spaltbilder keine überstrahlten Bereiche (Erreichen des Sättigungsbereiches) aufweist. Aufgrund der bereits genannten unterschiedlichen Empfindlichkeiten der beiden Sensor-Arrays wird sichergestellt, dass bei Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner Single-Photonen-Detektoren, was gleichbedeutend ist mit einer großen Anzahl auftreffender Photonen, auf dem korrespondierenden Pixel des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays ausreichend Photonen auftreffen und detektiert werden können und zwar trotz des vorzugsweise verwendeten Teilungsverhältnisse von 90:10.
  • Für die Erzeugung von Fundusbildern werden für den sonst sehr hell erscheinenden Sehnerv die Daten des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays (auf das vorzugsweise nur 10% des vom Auge reflektierten Lichtes treffen) und für dunkle Bereiche die Daten der hochempfindlichen Single-Photonen-Detektoren verwendet. Die so erzeugten Fundusbilder haben eine sehr ausgeglichene Helligkeit.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird den beiden opto-elektronischen Sensor-Arrays jeweils eine abbildende Optikbaugruppe vorgeordnet, die vorzugsweise auch als Mikrolinsenarrays ausgebildet sein können.
  • Ein Nachteil von Single-Photonen-Detektoren ist darin zu sehen, dass diese keine Farben sondern nur Intensitäten auflösen können. Somit lassen sich nur Schwarz-Weiß-Bilder erzeugen. Dieser Umstand kann jedoch dadurch behoben werden, dass dem opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren Filter vorgeordnet und vorzugsweise schwenkbar ausgebildet sind. Dadurch sind die Single-Photonen-Detektoren in der Lage bestimmte Wellenlängen zu selektieren.
  • Dabei ist es sogar möglich das Sensor-Array mit einer „Bayer-Matrix” zu versehen, bei der jeder einzelne Single-Photonen-Detektor mit einem spektralen Filtern versehen wird. Sensor-Arrays mit einer sogenannten Bayer-Matrix sind ähnlich einem Schachbrett, mit Farbfiltern überzogen, die meist zu 50% aus Grün, und je 25% aus Rot und Blau bestehen.
  • Obwohl die Bayer-Matrix eine der gebräuchlichsten Verteilungen für Farb-Sensor-Arrays darstellt, können die spektralen Filter jede andere mögliche Verteilung, auch zur Selektion mehrfacher Wellenlängen, oder auch eine über den Bereich des Arrays variierende Filtercharakteristik verwenden.
  • Mit der nächsten Ausgestaltung wird eine weitere Möglichkeit zur Detektion bestimmter Wellenlängen durch das opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren beschrieben. Hierzu wird der Umstand genutzt, dass Photonen mit verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich tief in das Substrat der Single-Photonen-Detektoren eindringen.
  • Nach dem Stand der Technik ist bekannt, dass Licht verschiedener Wellenlängen in unterschiedlichen Schichten absorbiert wird, weil langwelliges (rotes) Licht in Silizium eine größere Eindringtiefe hat als kurzwelliges (blaues). Nach diesem Prinzip wurde von Foveon der sogenannte und nach ihm benannte Direkt-Bildsensor auf CMOS-Basis entwickelt, der drei übereinander liegende Sensorelemente enthält, um mit jedem Pixel alle drei Grundfarben aufzuzeichnen.
  • In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden mehrere opto-elektronische Sensor-Arrays aus Single-Photonen-Detektoren in Einfallsrichtung des vom Auge reflektierten Lichtes hintereinander angeordnet, so dass die Selektion bestimmter Wellenlängen über die Eindringtiefe der Single-Photonen erfolgen kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird zwischen dem Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes und dem opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren ein variabler Abschwächer angeordnet, der Verbindungen zur Auswerteeinheit aufweist. Zum Einen dient der variable Abschwächer der Anpassung der beiden unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Sensor-Arrays und zum Anderen der Reduzierung des Lichtstromes auf das Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren, um die Linearität der Abbildung zu sichern.
  • Um sicherstellen zu können, dass möglichst viele Photonen (theoretische alle) gezählt werden, ist eine Überwachung der Häufigkeit von Photoneneinschlägen erforderlich. Der variable Abschwächer wird dann von der Auswerteeinheit aktiviert und eingestellt, wenn die Häufigkeit der Photoneneinschläge zunimmt. Die Wahrscheinlichkeit, dass dann Photonen auf das Sensor-Array treffen und aufgrund der Totzeit nicht gezählt werden, steigt somit ebenfalls. Der variable Abschwächer wird beispielsweise von der Auswerteeinheit aktiviert und eingestellt, wenn sich Single-Photonen-Detektoren ihrer Sättigung nähern und in jedem zweiten Zählintervall ein Photoneneinschlag registriert wird. Dadurch ist eine zusätzliche Erhöhung der Dynamik der Fundus- und Spaltbilder möglich. Erreichen Single-Photonen-Detektoren trotz der variablen Abschwächung ihren Sättigungsbereich, so werden zur Bilderzeugung, wie bereits beschrieben die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays verwendet.
  • Die vorliegende Lösung ermöglicht es, auch bei sehr geringer Beleuchtungsintensität Fundus- und Spaltbilder von Augen mit einer hohen Dynamik von bis zu 18 Bit aufzunehmen. Diese hochdynamischen Bilder lassen sich jedoch für eine sofortige Ansicht bzw. Begutachtung auf den heute größtenteils verwendeten Anzeigegeräten, wie z. B. TFT-Displays nicht darstellen. Um auf Anzeigegeräte mit einer Dynamik von 8 Bit Bilder mit einer Dynamik von bis zu 18 Bit anzeigen zu können, müssen diese entsprechend angepasst bzw. konvertiert werden. Nach dem Stand der Technik sind dazu Softwarealgorithmen bekannt, mit denen eine sogenannte nichtlineare Kontraststreckung der hochdynamischen Bilder vorgenommen wird, indem diese in ein 8-Bit-Anzeigebild transformiert werden. Dabei werden vorzugsweise die dunklen Bits weitgehend linear und die hellen Bits zusammengefasst wiedergegeben, wobei die Kennlinie z. B. einer Wurzelfunktion zur vierten Potenz entspricht.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder wird das Auge von einer Beleuchtungseinheit, dessen Licht spezielle Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen aufweist, beleuchtet und das vom Auge reflektierte Licht von einem opto-elektronischen Sensor-Array aufgenommen und einer Auswerteeinheit zugeführt, wobei das Licht der Beleuchtungseinheit und/oder das vom Auge reflektierte Licht ein- und/oder ausgekoppelt werden kann. Dazu wird ein Teil des vom Auge reflektierten Lichtes von einem zusätzlichen Strahlteiler auf ein zweites opto-elektronisches Sensor-Arrays geleitet. Beide opto-elektronischen Sensor-Arrays nehmen das vom Auge reflektierte Licht auf und führen die Ausgangssignale der Auswerteeinheit zu.
  • Erfindungswesentlich ist hierbei, dass ein opto-elektronisches Sensor-Array aus Photodetektoren besteht, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten, während das andere opto-elektronische Sensor-Array auf Photodioden basiert, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen. Das nach dem Lawinen-Effekt oder auch Avalanche-Effekt arbeitende Sensor-Array hat dabei eine um den Faktor 100 höhere Empfindlichkeit als das den inneren photoelektrischen Effekt nutzende Sensor-Array.
  • Als Photodetektoren, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten können beispielsweise Photomultiplier Tubes (PMT), Avalanche Photo Dioden (APD) oder Silicon Photomultipliers (SiPMs) Verwendung finden. Es kommen aber auch emCCD (electron multiplying CCD) oder sCMOS (scientific CMOS) in Frage, die eine Elektronen-Vervielfältigung bereits intrinsisch implementiert haben.
  • Photodioden, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen basieren hingegen meist auf der konventionellen (ohne Lawinen-Effekt) CCD-(charge-coupled device) oder CMOS-Technologie (complementary metal Oxide semiconductor).
  • Die verwendeten opto-elektronische Sensor-Arrays bestehen in der Regel aus einer Matrix (seltener einer Zeile) lichtempfindlicher Photodioden, die auch Pixel genannt werden. Die Arrays können rechteckig oder quadratisch sein, mit Kantenlängen von weniger als 3 μm bis über 20 μm. Je größer die Fläche der Pixel, desto höher die Lichtempfindlichkeit und der Dynamikumfang des Sensors und desto kleiner die Bildauflösung, bei gleicher Größe des Sensors.
  • Weiterhin ist erfindungswesentlich, dass die Messwerte an den digitalen Ausgängen der opto-elektronischen Sensor-Arrays derart normiert werden, dass ein stufenloser Übergang der Lichtintensitätsmessung erfolgt. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sensor-Arrays gleiche Abmessungen aufweisen, da sich dadurch die Auswertung und Bilderzeugung wesentlich vereinfacht.
  • Für eine einfache und schnelle Auswertung der Signale der Sensor-Arrays ist es weiterhin von Vorteil, wenn die digitalen Ausgänge der Single-Photonen-Detektoren über separate Verarbeitungseinheiten verfügen. Vorzugsweise werden dafür Zählratenkonverter verwendet, die das Messergebnis digital an die Auswerteeinheit übermitteln.
  • Da jeder Single-Photonen-Detektor über eine separate Verarbeitungseinheit verfügt, ist es auch möglich, eine individuelle Auslesung der digitalen Ausgangssignale vorzunehmen. So lassen sich neben Teilbereichen auch spezielle Formen, wie Linien, Kreise, Gitter, Sektoren o. ä. auslesen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil dar, der trotz der Kombination mit einem „normalen” Sensor-Array erhalten bleibt. Die separaten Verarbeitungseinheiten jedes Single-Photonen-Detektors haben noch den Vorteil, dass durch die Möglichkeit des parallelen Auslesens die Bilderzeugung wesentlich schneller erfolgen kann.
  • Die Dynamik des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch noch vergrößert werden, dass Zählern mit hohen Zählgrößen von z. B. 24 Bit verwendet werden. Diese Zähler sind dann in der Lage das „OVERFLOW”-Steuersignal auszuwerten. Bei Erreichen des maximalen Zählstandes wird automatisch ein weiterer Zähler generiert, der die Anzahl der „OVERFLOW”-Signale zählt. Eine derartige dynamische Konfiguration mit der Generierung eines weiteren Zählers erfolgt mit einer zusätzlichen Steuerlogik, so dass eine dynamische Erweitung einzelner, überlaufender Zähler problemlos möglich ist.
  • Eine erste Ausgestaltung des Verfahrens sieht die Verwendung eines Sensor-Array auf CCD- bzw. CMOS-Basis sowie eines Sensor-Array vor, dessen Single-Photonen-Detektoren Silicon Photomultipliers (kurz SPM) sind.
  • Derartige Sensor-Arrays werden beispielsweise von der Firma SensL Technologies Ltd. auch in Form von Arrays angeboten. Die SPMs von SensL basieren dabei auf einer neuartigen Silizium-Struktur und wurden für geringste Beleuchtungsstärken optimiert. So erzeugt bereits ein einziges Photon einen Impuls auf dem Sensor-Array, das über integrierte Schaltkreise entsprechend verstärkt wird. Dazu wird das Sensor-Array im Geiger-Modus betrieben. Beim sogenannten Geiger-Modus werden die SPMs oberhalb der Durchbruchspannung betrieben, so dass eine Verstärkung von bis zu 106 erreicht wird. Dabei stellt die Detektorelektronik sicher, dass die SPMs nicht zerstört und anschließend wieder zurückgesetzt werden. Diese, auf SPMs basierenden Sensor-Arrays kombiniert die Vorteile von ”normalen” Photodioden (Größe, Niederspannungsbetrieb und Robustheit) mit den wichtigen Vorteilen einer hohen Verstärkung und Empfindlichkeit. Details zu den SPM-Arrays der Firma SensL Technologies Ltd. sind sowohl den Produktbeschreibungen auf der Internetseite www.sensl.com als auch der Offenlegungsschrift WO 2006/126027 A2 zu entnehmen.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren weisen zu verwendenden Single-Photonen-Detektoren eine für sie übliche, nichtlineare Empfindlichkeitskurve auf. Nach dem Eintreffen eines Photons und dem Auslösen des Lawineneffekts ist der Single-Photonen-Detektor für kurze Zeit, d. h. während der sogenannten Totzeit (DEAD TIME) nicht empfindlich. Photonen, die in dieser Zeit auf den Detektor treffen, werden nicht registriert. Bei hoher Strahlungsenergie steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eintreffende Photonen nicht mehr detektiert werden. Ais Ergebnis erhält man eine nichtlineare Empfindlichkeitsfunktion, die bei der Auswertung zu berücksichtigen ist. Deshalb sind vorzugsweise Single-Photonen-Detektoren zu verwenden, die über eine sehr kurze Totzeit im Bereich von 20 bis 50 ns verfügen.
  • Die Firma SensL gibt in den Datenblättern der verfügbaren Single-Photonen-Detektoren (SPM-Array) an, dass bei einem gekühlten Photon Counting Device (PCDMini) die typische Pulslänge bei 53 ns und die nachfolgende Totzeit bei 98 ns liegen. Der Detektor kann somit während der Zeit von 151 ns das Auftreffen keiner weiteren Photonen messen. Die sich daraus ergebende maximale Photonenzählrate im linearen Bereich, bei dem die Zählrate proportional zum Lichtfluss ist, führt jedoch insbesondere bei kurzen Messzeiten von beispielsweise 100 ns zu einer zu geringen Dynamik.
  • Von einem zusätzlich vorhandenen Strahlteiler wird das vom Auge reflektierte Licht auf beiden Sensor-Arrays aufgeteilt. Das Teilungsverhältnis ist etwa 75:25 bis 95:5, vorzugsweise 90:10, wobei der Hauptteil des vom Auge reflektierten Lichtes auf das Array aus Single-Photonen-Detektoren abgebildet wird. Das Teilungsverhältnis ist dabei von den verschiedenen Empfindlichkeiten der beiden Sensor-Arrays abhängig. Der verwendete Strahlteiler kann hierbei beliebig geartet sein. Es kann sich zum Beispiel um einen metallischen Strahlteiler oder einen Polka-Dot-Strahlteiler handeln. Wenn die beiden Sensor-Arrays deutlich unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, kann es auch vorteilhaft sein, den Strahlteiler dichroitisch auszulegen, so dass Detektionsstrahlung spektral selektiert auf die Sensor-Arrays fällt.
  • Die Auswerteeinheit verwendet zur Erzeugung hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder vorrangig die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren und erst bei Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner Single-Photonen-Detektoren die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays. Der Sättigungsbereich einzelner Single-Photonen-Detektoren wird jenseits der maximalen Photonenzählrate im linearen Bereich, d. h. bei einer dem Lichtfluss proportionalen Zählrate, erreicht.
  • Die Bilderzeugung erfolgt somit durch Kombination der Ausgangssignale beider Sensor-Arrays. Die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren bilden dabei die Grundlage, wobei die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren, die ihren Sättigungsbereich erreicht haben, durch die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays ersetzt werden. Bei gleich großen Sensor-Arrays ist dies auf einfache Art und Weise, pixelgenau möglich.
  • Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, dass das erzeugte Fundus- oder Spaltbilder keine überstrahlten Bereiche (Erreichen des Sättigungsbereiches) aufweist. Aufgrund der bereits genannten unterschiedlichen Empfindlichkeiten der beiden Sensor-Arrays wird sichergestellt, dass bei Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner Single-Photonen-Detektoren, was gleichbedeutend ist mit einer großen Anzahl auftreffender Photonen, auf dem korrespondierenden Pixel des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays ausreichend Photonen auftreffen und detektiert werden können und zwar trotz des vorzugsweise verwendeten Teilungsverhältnisse von 90:10.
  • Für die Erzeugung von Fundusbildern werden für den sonst sehr hell erscheinenden Sehnerv die Daten des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays (auf das vorzugsweise nur 10% des vom Auge reflektierten Lichtes treffen) und für dunkle Bereiche die Daten der hochempfindlichen Single-Photonen-Detektoren verwendet. Die so erzeugten Fundusbilder haben eine sehr ausgeglichene Helligkeit.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird den beiden opto-elektronischen Sensor-Arrays jeweils eine abbildende Optikbaugruppe vorgeordnet, die vorzugsweise auch als Mikrolinsenarrays ausgebildet sein können.
  • Ein Nachteil von Single-Photonen-Detektoren ist darin zu sehen, dass diese keine Farben sondern nur Intensitäten auflösen können. Somit lassen sich nur Schwarz-Weiß-Bilder erzeugen. Dieser Umstand kann jedoch dadurch behoben werden, dass dem opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren Filter vorgeordnet werden, die vorzugsweise schwenkbar ausgebildet sind. Dadurch sind die Single-Photonen-Detektoren in der Lage bestimmte Wellenlängen zu selektieren.
  • Dabei ist es sogar möglich das Sensor-Array mit einer „Bayer-Matrix” zu versehen, bei der jeder einzelne Single-Photonen-Detektor mit einem spektralen Filtern versehen wird. Sensor-Arrays mit einer sogenannten Bayer-Matrix sind ähnlich einem Schachbrett, mit Farbfiltern überzogen, die meist zu 50% aus Grün, und je 25% aus Rot und Blau bestehen.
  • Obwohl die Bayer-Matrix eine der gebräuchlichsten Verteilungen für Farb-Sensor-Arrays darstellt, können die spektralen Filter jede andere mögliche Verteilung, auch zur Selektion mehrfacher Wellenlängen, oder auch eine über den Bereich des Arrays variierende Filtercharakteristik verwenden.
  • Mit der nächsten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine weitere Möglichkeit zur Detektion bestimmter Wellenlängen durch das opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren beschrieben. Hierzu wird der Umstand genutzt, dass Photonen mit verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich tief in das Substrat der Single-Photonen-Detektoren eindringen.
  • Nach dem Stand der Technik ist bekannt, dass Licht verschiedener Wellenlängen in unterschiedlichen Schichten absorbiert wird, weil langwelliges (rotes) Licht in Silizium eine größere Eindringtiefe hat als kurzwelliges (blaues). Nach diesem Prinzip wurde von Foveon der sogenannte und nach ihm benannte Direkt-Bildsensor auf CMOS-Basis entwickelt, der drei übereinander liegende Sensorelemente enthält, um mit jedem Pixel alle drei Grundfarben aufzuzeichnen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere opto-elektronische Sensor-Arrays aus Single-Photonen-Detektoren in Einfallsrichtung des vom Auge reflektierten Lichtes hintereinander angeordnet, so dass die Selektion bestimmter Wellenlängen über die Eindringtiefe der Single-Photonen erfolgt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zwischen dem Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes und dem opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren ein variabler Abschwächer angeordnet, der Verbindungen zur Auswerteeinheit aufweist. Zum Einen dient der variable Abschwächer der Anpassung der beiden unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Sensor-Arrays und zum Anderen der Reduzierung des Lichtstromes auf das Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren, um die Linearität der Abbildung zu sichern.
  • Um sicherstellen zu können, dass möglichst viele Photonen (theoretische alle) gezählt werden, ist eine Überwachung der Häufigkeit von Photoneneinschlägen erforderlich. Der variable Abschwächer wird dann von der Auswerteeinheit aktiviert und eingestellt, wenn die Häufigkeit der Photoneneinschläge zunimmt. Die Wahrscheinlichkeit, dass dann Photonen auf das Sensor-Array treffen und aufgrund der Totzeit nicht gezählt werden, steigt somit ebenfalls. Der variable Abschwächer wird beispielsweise von der Auswerteeinheit aktiviert und eingestellt, wenn sich Single-Photonen-Detektoren ihrer Sättigung nähern und in jedem zweiten Zählintervall ein Photoneneinschlag registriert wird. Dadurch ist eine zusätzliche Erhöhung der Dynamik der Fundus- und Spaltbilder möglich. Erreichen Single-Photonen-Detektoren trotz der variablen Abschwächung ihren Sättigungsbereich, so werden zur Bilderzeugung, wie bereits beschrieben die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays verwendet.
  • Das vorliegende Verfahren ermöglicht es, auch bei sehr geringer Beleuchtungsintensität Fundus- und Spaltbilder von Augen mit einer hohen Dynamik von bis zu 18 Bit aufzunehmen. Diese hochdynamischen Bilder lassen sich jedoch für eine sofortige Ansicht bzw. Begutachtung auf den heute größtenteils verwendeten Anzeigegeräten, wie z. B. TFT-Displays nicht darstellen. Um auf Anzeigegeräte mit einer Dynamik von 8 Bit Bilder mit einer Dynamik von bis zu 18 Bit anzeigen zu können, müssen diese entsprechend angepasst bzw. konvertiert werden. Nach dem Stand der Technik sind dazu Softwarealgorithmen bekannt, mit denen eine sogenannte nichtlineare Kontraststreckung der hochdynamischen Bilder vorgenommen wird, indem diese in ein 8-Bit-Anzeigebild transformiert werden. Dabei werden vorzugsweise die dunklen Bits weitgehend linear und die hellen Bits zusammengefasst wiedergegeben, wobei die Kennlinie z. B. einer Wurzelfunktion zur vierten Potenz entspricht.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder von Augen bei sehr geringer Beleuchtungsintensität zur Verfügung gestellt, mit der die Nachteile des Standes der Technik behoben wurden. Basierend auf einem einfachen und kostengünstigen Aufbau ermöglicht die vorgeschlagene Lösung eine einfache Bedienung und eine schnelle Auswertung. Mit der vorgeschlagenen Lösung sind Aufnahmen mit hoher Dynamik im Bereich von bis zu 18 Bit und hoher Linearität möglich.
  • Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht nicht nur die Erhöhung der Dynamik von Fundus- und Spaltbildern, sondern durch eine automatische Anpassung der Belichtung auch deren Optimierung. Dies kann dadurch erfolgen, dass schnelle Zähler mit hohen Zählgrößen von z. B. 24 Bit verwendet werden. Selbst bei „langen” Belichtungszeiten kommt es nicht zu Überstrahlungen. Die Belichtungszeit wird letztendlich nur von der Zeitspanne begrenzt, in der es nicht zu Bewegungen des Auges kommt. Eine Anpassung der Belichtung an die aktuellen Strahlungsverhältnisse ist somit nicht mehr erforderlich.
  • Während herkömmliche Sensor-Arrays, wie auch das hier verwendete, den inneren photoelektrischen Effekt nutzende opto-elektronische Sensor-Array, erst auslesbar sind, wenn die Belichtung des gesamten Arrays abgeschlossen ist, bieten die Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren die Möglichkeit einzelne, Gruppen oder auch alle Single-Photonen-Detektoren während der Belichtung auszulesen. Dadurch wird ermöglicht, den Lichtstrom zu überwachen, das Erreichen der Belichtungsgrenzen zu kontrollieren und sich anbahnende teilweise Überstrahlungen rechtzeitig zu korrigieren.
  • Ebenfalls kann man bei sehr langen Belichtungszeiten die Bilder zeitlich sequentiell auslesen und einer Bildverarbeitung zuführen. Damit kann man vor allem Bewegungsartefakte in den Aufnahmen minimieren. Pixelweise Verschiebungen in den Teilbildern kann ein Algorithmus bewerten und durch pixelweise Überlagerung korrigieren.
  • Neben den geringen Lichtintensitäten, für die die Vorrichtung entwickelt wurde, ist es jedoch auch möglich, hohe Lichtintensitäten zu detektieren, da die Auswerteeinheit in Abhängigkeit vom Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner Single-Photonen-Detektoren auf korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays „umschaltet” und diese zur Bilderzeugung nutzt.
  • Gegenüber der alleinigen Verwendung eines opto-elektronischen Sensor-Arrays aus Single-Photonen-Detektoren kann durch die Kombination mit einem zweiten, auf dem inneren photoelektrischen Effekt basierenden opto-elektronische Sensor-Array die Gesamtdynamik vor allem bei sehr langen Belichtungszeiten prinzipiell um den Faktor 100 erweitert werden.
  • Im idealen Fall sind die beiden minimalen Empfindlichkeiten von Single-Photonen-Detektoren (etwa 1 fW) und CCD-Sensor-Array (etwa 0,1 pW) ideal angepasst und man erhält die Steigerung der Empfindlichkeit im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen CCD-Sensor-Arrays um den Faktor 100. Die Dynamik von Single-Photonen-Detektoren von etwa 104 der Silicon-Photomultipliers (SiPMs) kann man mit der Dynamik der Siliziumdiode von etwa 105 im idealen Fall zu einer Gesamtdynamik von bis zu 109 kombinieren.
  • Ein weiterer, sehr wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, dass die komplette Vorrichtung digital arbeitet und kostengünstig ist. Im Vergleich zu Sensor-Arrays nach dem Stand der Technik, die aufwendige und kostenintensive A/D-Wandler benötigen, arbeitet Single-Photonen-Detektoren bereits digital und im Idealfall bereits mit einem logischen Pegel, so dass eine analoge Auswerteelektronik komplett entfällt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - www.sensl.com [0039]
    • - www.sensl.com [0067]

Claims (29)

  1. Vorrichtung zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit, Mitteln zur Erzeugung spezieller Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen, einem opto-elektronischen Sensor-Array zur Aufnahme des vom Auge reflektierten Lichtes, einer Auswerteeinheit, sowie Mitteln zur Ein- und Auskopplung des Lichtes der Beleuchtungseinheit und/oder des vom Auge reflektierten Lichtes, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites opto-elektronisches Sensor-Array und ein zusätzlicher Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes auf diese Sensor-Arrays vorhanden sind und beide optoelektronischen Sensor-Arrays Verbindungen zur Auswerteeinheit aufweisen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein optoelektronisches Sensor-Array Photodioden, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten verwendet, während das andere opto-elektronische Sensor-Array auf Photodioden basiert, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen.
  3. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die nach dem Lawinen-Effekt arbeitenden Single-Photonen-Detektoren beispielsweise Photomultiplier Tubes (PMT), Avalanche Photo Dioden (APD), Electron Multiplying CCD (emCCD), Scientific CMOS (sCMOS) oder Silicon Photomultipliers (SiPMs) Verwendung finden.
  4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Photodioden, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen, Charge-Coupled Device (CCD) oder Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Verwendung finden.
  5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte an den digitalen Ausgängen der optoelektronischen Sensor-Arrays derart normiert sind, dass ein stufenloser Übergang der Lichtintensitätsmessung erfolgt.
  6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die beiden opto-elektronischen Sensor-Arrays gleiche Abmessungen aufweisen.
  7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Ausgänge der Single-Photonen-Detektoren über separate Verarbeitungseinheiten verfügen, wofür Zählratenkonverter Verwendung finden, von denen das Messergebnis digital an die Auswerteeinheit übermittelt wird.
  8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzlich vorhandene Strahlteiler ein Teilungsverhältnis von 75:25 bis 95:5, vorzugsweise 90:10 aufweist, wobei der Hauptteil des vom Auge reflektierten Lichtes auf das Arrays aus Single-Photonen-Detektoren abgebildet wird.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzlich vorhandene Strahlteiler dichroitische Eigenschaften aufweist.
  10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Auswerteeinheit zur Bilderzeugung vorrangig die digitalen Ausgangssignale des Single-Photonen-Detektoren und erst bei Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner Single-Photonen-Detektoren die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten optoelektronischen Sensor-Arrays verwendet werden.
  11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den zwei opto-elektronischen Sensor-Arrays jeweils eine abbildende Optikbaugruppe vorgeordnet ist, die auch als Mikrolinsenarray ausgebildet sein kann.
  12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren zur Selektion bestimmter Wellenlängen Filter vorgeordnet und vorzugsweise schwenkbar ausgebildet sind.
  13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere opto-elektronische Sensor-Arrays aus Single-Photonen-Detektoren in Einfallsrichtung des Lichtes hintereinander angeordnet sind, so dass die Selektion bestimmter Wellenlängen über die Eindringtiefe der Single-Photonen erfolgen kann.
  14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes und dem opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren ein variabler Abschwächer vorhanden ist, der Verbindungen zur Auswerteeinheit aufweist.
  15. Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder, bei dem das Auge von einer Beleuchtungseinheit, dessen Licht spezielle Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen aufweist, beleuchtet und das vom Auge reflektierte Licht von einem opto-elektronischen Sensor-Array aufgenommen und einer Auswerteeinheit zugeführt wird, wobei das Licht der Beleuchtungseinheit und/oder des vom Auge reflektierte Licht ein- und/oder ausgekoppelt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Strahlteiler einen Teil des vom Auge reflektierten Lichtes auf ein zweites opto-elektronisches Sensor-Arrays leitet, beide opto-elektronischen Sensor-Arrays das vom Auge reflektierte Licht aufnehmen und die Ausgangssignale der Auswerteeinheit zuführen.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein optoelektronisches Sensor-Array Photodioden, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten verwendet, während das andere opto-elektronische Sensor-Array auf Photodioden basiert, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen.
  17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die nach dem Lawinen-Effekt arbeitenden Single-Photonen-Detektoren beispielsweise Photomultiplier Tubes (PMT), Avalanche Photo Dioden (APD), Electron Multiplying CCD (emCCD), Scientific CMOS (sCMOS) oder Silicon Photomultipliers (SiPMs) verwendet werden.
  18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Photodioden, die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen, beispielsweise Charge-Coupled Device (CCD) oder Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) verwendet werden.
  19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte an den digitalen Ausgängen der optoelektronischen Sensor-Arrays derart normiert werden, dass ein stufenloser Übergang der Lichtintensitätsmessung erfolgt.
  20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden opto-elektronischen Sensor-Arrays gleiche Abmessungen aufweisen.
  21. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Ausgänge der Single-Photonen-Detektoren über separate Verarbeitungseinheiten verfügen, wofür Zählratenkonverter verwendet werden, die das Messergebnis digital an die Auswerteeinheit übermitteln.
  22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzlich vorhandene Strahlteiler das vom Auge reflektierte Licht in ein Teilungsverhältnis von 75:25 bis 95:5, vorzugsweise 90:10 teilt und dabei den Hauptteil des vom Auge reflektierten Lichtes auf das Arrays aus Single-Photonen-Detektoren abbildet.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzlich vorhandene Strahlteiler dichroitische Eigenschaften aufweist.
  24. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Bilderzeugung vorrangig die digitalen Ausgangssignale des Single-Photonen-Detektoren und erst bei Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner Single-Photonen-Detektoren die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten optoelektronischen Sensor-Arrays verwendet.
  25. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass den zwei opto-elektronischen Sensor-Arrays jeweils eine abbildende Optikbaugruppe vorgeordnet wird, die auch als Mikrolinsenarray ausgebildet sein kann.
  26. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass dem opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren zur Selektion bestimmter Wellenlängen Filter vorgeordnet werden, die vorzugsweise schwenkbar ausgebildet sind.
  27. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere opto-elektronische Sensor-Arrays aus Single-Photonen-Detektoren in Einfallsrichtung des Lichtes hintereinander angeordnet werden, so dass die Selektion bestimmter Wellenlängen über die Eindringtiefe der Single-Photonen erfolgt.
  28. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes und dem opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren ein variabler Abschwächer angeordnet wird, der Verbindungen zur Auswerteeinheit aufweist.
  29. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne, Gruppen oder auch alle Single-Photonen-Detektoren ihre digitalen Ausgangssignale bereits während der Belichtung an die Auswerteeinheit zur Überwachung des Lichtstroms übermitteln.
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