DE102016216611A1

DE102016216611A1 - Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges

Info

Publication number: DE102016216611A1
Application number: DE102016216611.5A
Authority: DE
Inventors: Beate Böhme; Rico Fuchs; Günter Rudolph; Michael Güntzschel; Jörg Meissner; Thomas Mohr; Daniel Bublitz
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-03-08
Also published as: WO2018041927A1; US11759105B2; US20190223715A1; CN109688897A; CN109688897B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters zur Vermessung der Hornhaut eines Auges und insbesondere zur Bestimmung deren Topografie. Dabei soll die Lösung entfernungsunabhängige Messungen ermöglichen. Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges besteht aus einer Beleuchtungseinheit, einem optischen Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes und einer Einheit zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters in Form eines Fraxicon. Insbesondere besteht die Beleuchtungseinheit dabei aus mehreren Beleuchtungsmodulen, die so angeordnet sind, dass jedes Beleuchtungsmodul einen Teil des Fraxicon beleuchtet und somit eine vollflächige Beleuchtung gewährleistet ist. Das System zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters dient der Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges. Dabei ist das System als kompaktes Modul konzipiert, so dass es problemlos mit anderen Messsystemen kombiniert werden kann ohne mit deren Strahlengänge zu kollidieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters zur Vermessung der Hornhaut eines Auges und insbesondere zur Bestimmung deren Topografie. Dabei soll die Lösung entfernungsunabhängige Messungen ermöglichen.
Während unter dem Begriff Keratometrie die Vermessung von Form und Gestalt der Hornhaut des Auges zu verstehen ist, werden bei der Topographie als einer besonderen Form der Keratometrie mit speziellen Verfahren die zentralen und peripheren Krümmungsradien der Hornhaut gemessen und mathematisch ausgewertet.
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.
Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberflächenform mit Hilfe so genannter Keratometer oder Keratographen ist nach dem Stand der Technik seit langem bekannt. Die auf die Hornhaut abgebildeten konzentrischen Ringe einer sogenannten Placido-Scheibe werden durch den Tränenfilm der Hornhaut reflektiert und mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. In Abhängigkeit der Kurvatur der Hornhaut ist das von der Kamera detektierte reflektierte Ringmuster verzerrt.
Bei der Placido-Scheibe handelt es sich um eine beleuchtete Scheibe, auf der in regelmäßigen Abständen runde Kreise aufgetragen sind. Die Diagnose wird dann anhand der Betrachtung der Reflektion der Kreise auf der Oberfläche der Kornea gestellt, auf der sich die Kreise ebenso regelmäßig abbilden sollten. Hierbei sollte nun auf der Korneaoberfläche eine symmetrische Reflexion der konzentrischen Placido-Kreise zu sehen sein. Sind hingegen asymmetrische Formen der Kreise zu finden, sind diese Hinweise auf eine Abweichung der Hornhautoberfläche von einer Referenzoberfläche. Unregelmäßigkeiten der Korneaoberfläche sind z. B. bei einem Astigmatismus, aber auch bei mechanischen oder chemischen Verletzungen der Kornea zu finden.
Kommerziell erhältliche Topographiesysteme projizieren reelle Placidoringe in kurzem Abstand vor dem Auge auf die Hornhaut von wo sie reflektiert und mit einer Kamera erfasst werden. Die Hornhautrekonstruktion basiert auf der Winkelauswertung von Einfalls- und Ausfallswinkel der projizierten und von der Hornhaut reflektierten Placidoringe. Dabei dient die Abweichung der Ringposition auf der Hornhaut relativ zur Ringposition eines bekannten Referenztestkörpers, als Grundlage für die Hornhautrekonstruktion. Ein zweiter Nachteil derartiger Lösungen ist darin zu sehen, dass die Genauigkeit der Messung stark von den Winkelverhältnissen und damit vom Messabstand abhängig ist.
Zur Bestimmung bzw. zur Kontrolle des korrekten Messabstandes werden verschiedenste Methoden verwendet. So kann die Messung beispielsweise automatisch ausgelöst werden, wenn der richtige Arbeitsabstand erreicht ist. Dies kann zum einen durch eine Korrektur des fehlerhaften Abstandes vor einer jeden Messung erfolgen, indem mit Hilfe von Lichtschranken, Kontakten oder zusätzlichen Messsystemen der Abstand bzw. die Position bestimmt und gegebenenfalls korrigiert wird.
Andere, aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen, basieren hingegen auf einer entfernungsunabhängigen Messung und einer telezentrischen Detektion zur Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges.
In der DE 10 2011 102 355 A1 wird ein System zur Topographie beschrieben, bei dem das Licht einer Lichtquelle mittels einer asphärischen Fläche kollimiert und über ein vollflächig beleuchtetes, gefresneltes Axicon auf das Auge gerichtet wird. Weiterhin enthält die Lösung eine Lichtquelle auf der optischen Achse, und Elemente zur Auskopplung der Messstrahlung. Bei dieser Lösung werden geringe Beleuchtungswinkel durch kleine Ablenkwinkel an brechenden Flächen erzeugt, wohingegen große Ablenkwinkel durch zusätzliche reflektierende Flächen realisiert werden müssen.
Nachteilig an dieser Lösung ist die Verwendung von reflektierenden Flächen im Material, da sich hier Oberflächenfehler wesentlich stärker auf die Kollimation des einfallenden Lichtes auswirken als bei brechenden Flächen. Weiterhin verlaufen die Strahlen zwischen Lichtquelle und der Kollimationsoptik divergent, so dass in diesem Bauraum geringere freie Durchmesser zur Verfügung stehen, als zwischen Kollimationsoptik und gefresneltem Axicon (im Weiteren kurz: Fraxicon).
Weiterhin führt die Beleuchtung des Fraxicon mit nur einer Lichtquelle dazu, dass bei einer kurzen Brennweite große Einfallswinkel auftreten, die wiederum zu Reflexverlusten in den äußeren Zonen der Fresnelstruktur führen. Durch eine Verlängerung der Brennweite könnte dieses Problem zwar behoben werden, würde aber auch zu einer weiteren Verringerung des freien Bauraumes führen.
Neben der Beleuchtung für die Messung der Hornhautkrümmung ist eine Auskopplung der Rückreflexe von der Kornea auf ein bildgebendes System notwendig. Ist jedoch der Bauraum durch den Beleuchtungskegel blockiert, kann die Auskopplung erst weiter hinten bzw. seitlich erfolgen, was die Komplexität, Baugröße und Kosten des Gesamtgerätes erhöht.
Die im Bauraum vorhandenen geringeren freien Durchmesser führen auch dazu, dass eine modulare Verwendung der Lösung, beispielsweise in Verbindung mit einer biometrischen Messanordnung durch mögliche Kollisionen der koaxialen Beleuchtung mit anderen Strahlengängen erschwert oder gar verhindert wird.
Weiterhin erweist es sich als nachteilig, dass die recht großen Ablenkwinkel geringe Fertigungstoleranzen, insbesondere bei den reflektierenden Facetten erfordern. Zudem ist eine gleichmäßige Ausleuchtung kaum zu erreichen.
Das in der DE 10 2011 102 354 A1 beschriebene System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges basiert auf einer speziellen Placidoscheibe mit telezentrischer Bildauswertung. Die Placidoscheibe verfügt über halbierte, torusförmige Elemente mit halbkreisförmigem Querschnitt, die unterschiedliche Radien aufweisen und deren vordere, sphärische oder asphärische Oberflächen zur Kornea des Auges gerichtet sind. Die Beleuchtung der Placidoscheibe erfolgt über LEDs, die jeweils im Fokus der halbierten, torusförmigen Elemente angeordnet sind, um die Projektion der Ringe der Placidoscheibe in Richtung der Kornea des Auges nach Unendlich zu realisieren. Zwar wurde hier das Problem geringerer freier Durchmesser gelöst, indem die LEDs direkt an der Placidoscheibe angeordnet wurden, jedoch erweist sich die Fertigung und Justierung extrem aufwendig und schwierig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters zur Vermessung der Topografie der Hornhaut eines Auges zu entwickeln, welches sowohl eine entfernungsunabhängige Messung als auch eine telezentrische Detektion ermöglicht. Das System soll bei einer möglichst geringen Einbautiefe eine gleichmäßige Helligkeit des Beleuchtungsmusters gewährleisten und einfach in seiner Fertigung sein.
Diese Aufgabe wird durch das Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit, einem optischen Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes und einer Einheit zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters in Form eines Fraxicon, dadurch gelöst, dass die Beleuchtungseinheit aus mehreren Beleuchtungsmodulen besteht, die so angeordnet sind, dass jedes Beleuchtungsmodul einen Teil des Fraxicon beleuchtet und somit eine vollflächige Beleuchtung gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das System zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters dient der Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges. Dabei ist das System als kompaktes Modul konzipiert, so dass es problemlos mit anderen Messsystemen kombiniert werden kann ohne mit deren Strahlengänge zu kollidieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Der Einfachheit halber wird das System zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters zur Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges im Weiteren kurz als „Topographiebeleuchtung“ bezeichnet. Dazu zeigen:
1: eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einem Planspiegel,
2: eine erste Ausgestaltung der Lösung gemäß 1,
3: eine zweite Ausgestaltung der Lösung gemäß 1,
4: eine Topographiebeleuchtung basierend auf vier Beleuchtungsmodulen mit jeweils einem Planspiegel,
5: eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils zwei Planspiegeln,
6: eine Topographiebeleuchtungen basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einem Hohlspiegel
7: eine Topographiebeleuchtung basierend auf vier Beleuchtungsmodulen in Seitenansicht und aus Sicht des Auges,
8: eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einer Kollimationslinse und einem Planspiegel,
9: eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils nur einer Kollimationslinse,
10: eine Topographiebeleuchtungen basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einem facettierten Hohlspiegel und
11: eine Topographiebeleuchtungen bei der die der Beleuchtungsquelle zugewandte Seite des Fraxicon als einfacher Hohlspiegel ausgebildet ist.
Das vorgeschlagene Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges besteht aus einer Beleuchtungseinheit, einem optischen Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes und einer Einheit zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters in Form eines Fraxicon.
Unter einem räumlich verteilten Beleuchtungsmuster ist hierbei eine Anzahl n kollimierter Einzelstrahlen zu verstehen, die unter azimutal und radial unterschiedlichen Einfallswinkeln aufs Auge gerichtet sind.
Die Beleuchtungseinheit besteht aus mehreren Beleuchtungsmodulen, die so angeordnet sind, dass jedes Beleuchtungsmodul einen Teil des Fraxicon beleuchtet und somit eine vollflächige Beleuchtung gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß besteht die Beleuchtungseinheit aus sechs oder mehr, bevorzugt vier und besonders bevorzugt zwei Beleuchtungsmodulen. Dabei sind die Beleuchtungsmodule so angeordnet, dass das Beleuchtungslicht eines jeden Beleuchtungsmodules einen Teil des Fraxicon ausleuchtet.
Für eine Beleuchtungseinheit mit nur zwei Beleuchtungsmodulen ist der Justieraufwand am geringsten, da die Anzahl der auszurichtenden optischen Elemente dementsprechend am geringsten ist.
Aufgrund ihrer geringen Abmessungen kommen als Lichtquellen verstärkt LED’s zum Einsatz.
Das Licht der einzelnen Beleuchtungsmodule wird jeweils auf einer eigenen optischen Teil-Achse kollimiert und auf den jeweils zu beleuchtenden Teil des gefresnelten Axicon gerichtet.
Einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend können die einzelnen Beleuchtungsmodule so angeordnet werden, dass deren optische Teil-Achse zur optischen Achse des Systems einen Winkel zwischen 40° und 30°, bevorzugt zwischen 30° und 20° einschließen.
Das vorgeschlagene Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges verfügt über ein optisches Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes. Hierzu kommen Kollimationslinsen in Form von Aspären oder auch Fresnellinsen mit asphärischer Wirkung zum Einsatz.
Erfindungsgemäß werden die Kollimationslinsen auf den optischen Teil-Achsen der Beleuchtungsmodule angeordnet oder in deren Lichtquellen integriert.
Einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend kann das optische Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes entfallen, wenn die den Beleuchtungsmodulen zugewandte Fläche des Fraxicon über eine kollimierende Wirkung verfügt.
Das Fraxicon verfügt über Strukturen, in denen Facetten mit verschiedenen Facettenwinkeln angeordnet sind. Neben ringförmigen oder gitternetzartigen Strukturen sind auch andere Strukturen denkbar.
Erfindungsgemäß kommen in den Beleuchtungsmodulen ein oder mehrere reflektive optische Element, wie Planspiegel, Hohlspiegel oder auch facettierte Hohlspiegel zum Einsatz.
Einer dritten vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend sind Facetten nur an der der Kornea zugewandten Fläche des Fraxicon vorhanden, wobei die Facettenwinkel so ausgelegt sind, dass das räumlich verteilte Beleuchtungsmuster nur durch Brechung des Beleuchtungslichtes erzeugt wird.
Dies ist allerdings nur der Fall, wenn die optischen Teil-Achsen der Beleuchtungsmodule zur optischen Achse des Systems einen Winkel bilden.
Entsprechend einer vierten vorteilhaften Ausgestaltung verfügen die unter einem Winkel zur optischen Achse des Systems angeordneten Beleuchtungsmodule über separate, entsprechend angepasste und ausgerichtete Fraxicons.
Auch hier können die Facettenwinkel so ausgelegt sein, dass das räumlich verteilte Beleuchtungsmuster nur durch Brechung des Beleuchtungslichtes erzeugt wird.
Von besonderem Vorteil ist es, dass das oder die Fraxicon(s) als Spritzgussteil fertigbar ist/sind.
Einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend kann ein aus einer Lichtquelle, den wahlweise vorhandenen reflektiven optischen Elementen, einem wahlweise vorhandenen optischen Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes und einem separaten Fraxicon bestehende Beleuchtungsmodul als Einheit gefertigt werden.
Im Folgenden werden unterschiedliche Varianten der Erfindung anhand von grafischen Darstellungen näher erläutert, wobei das verwendete Fraxicon ringförmige Strukturen ausweist..
Hierzu zeigt die 1 eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einem Planspiegel.
Der linken Abbildung ist zu entnehmen, dass das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsquelle 1 und 1‘ über die Planspiegel 7 und 7‘ auf das Fraxicon 2 gelenkt wird. Im weiteren (nicht dargestellten) Strahlverlauf wird das Beleuchtungslicht an dessen Facetten gebrochen, ein räumlich verteiltes Beleuchtungsmuster erzeugt und auf das (nicht dargestellte) Auge abgebildet. Mit 4 ist die optische Achse der Topographiebeleuchtung bezeichnet.
Der rechten Abbildung ist zu entnehmen, dass die Planspiegel 7 und 7‘ über jeweils eine Aussparung für einen telezentrischen Detektionsstrahlengang 8 verfügen.
Bei dieser Lösung können die sich im Knick berührenden Kanten der Planspiegel nicht unendlich klein sein, weshalb an dieser Berührungskante ein Intensitätsausfall zu erwarten ist. Hieraus ergeben sich jedoch folgende unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten.
Gemäß einer ersten, in 2 dargestellten Ausgestaltung dieser Beleuchtungsvariante wird die Berührungskante der Planspiegel 7 und 7‘ direkt auf eine Facettenzone 2.2 gelegt, so dass entlang dieser Zone ein gesamter radialer Anteil nicht beleuchtet wird. Eine Facettenzone 2.2 ist hierbei Teil der ringförmigen Facetten 2.1 unterschiedlicher Radien. Die somit „ausgefallenen“ Messpunkte können durch die umliegenden, beleuchteten Messpunkte relativ gut interpoliert werden.
Bei der in 3 dargestellten Ausgestaltung dieser Beleuchtungsvariante wird die Berührungskante der Planspiegel 7 und 7‘ direkt auf eine gemeinsame Kante der Facettenzonen 2.2 positioniert. Hierfür ist es zum einen erforderlich, dass die Berührungskante der Planspiegel 7 und 7‘ extrem schmal ist. Zum anderen muss das Design des Fraxicon 2 so ausgelegt sein, dass die Anzahl der Facetten 2.3 pro Ring ein Vielfaches von 2 betragen, da es andererseits keine gemeinsame (durchgehende) Kante gibt. Bei dieser Variante werden alle Messpunkte beleuchtet, so dass sich eine Interpolation erübrigt.
Die 4 zeigt eine Topographiebeleuchtung basierend auf vier Beleuchtungsmodulen mit jeweils einem Planspiegel.
Während die linke Abbildung identisch zu 1 ist, kann der rechten Abbildung entnommen werden, dass Planspiegel 7 bis 7‘‘‘ über jeweils eine Aussparung für einen telezentrischen Detektionsstrahlengang 8 verfügen. Auch bei dieser Lösung besteht das Problem des möglichen Intensitätsausfalles an den Berührungskanten der Planspiegel. Auch hier können die „ausgefallenen“ Messpunkte (analog zu 3) durch die umliegenden, beleuchteten Messpunkte relativ gut interpoliert werden.
Die 5 zeigt eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils zwei Planspiegeln. Hierbei wird das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsquelle 1 und 1‘ über jeweils zwei Planspiegel 7.1 und 7.2 bzw. 7.1‘ und 7.2‘ auf ein Fraxicon 2 gelenkt. Im weiteren Strahlverlauf wird das Beleuchtungslicht an der Rückseite des Fraxicon 2 kollimiert, an dessen Facetten gebrochen, ein räumlich verteiltes Beleuchtungsmuster erzeugt und auf das Auge 12 abgebildet.
Der 5 ist zu entnehmen, dass sich die Berührungskante der Planspiegel 7.2 und 7.2‘ nicht auf der optischen Achse befindet. Dadurch wird gewährleistet, dass die Berührungskante gemäß der in 3 beschriebenen Lösung direkt auf eine gemeinsame Kante der Facettenzonen positioniert ist und somit ein komplettes, räumlich verteiltes Beleuchtungsmuster erzeugt wird.
Für eine mögliche Ausgestaltung der Lösung nach 5 basiert jedes der beiden Beleuchtungsmodule auf einer Beleuchtungsquelle in Form einer LED und zwei Planspiegeln. Das verwendete Fraxicon hat folgende Abmessungen:

Brennweite Kollimationslinse: f = 140mm

Durchmesser des Axicon: d = 142mm

Winkel der Spiegel 2 zur optischen Achse: 45°

Winkel zwischen Spiegel 2 und Spiegel 1: 2,5°
Dadurch hat die Beleuchtungseinheit bei einer Gesamtbreite von 188mm eine Baulänge von 76mm. Die Beleuchtungseinheit kann sowohl aus Kunststoff als auch aus Glas hergestellt werden.
Die 6 zeigt eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einem Hohlspiegel. Hierbei wird das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsquellen 1 und 1‘ über die Hohlspiegel 11 und 11‘ auf das Fraxicon 2 gelenkt. Im weiteren Strahlverlauf wird das Beleuchtungslicht an der Rückseite des Fraxicon kollimiert, an dessen Facetten gebrochen, ein räumlich verteiltes Beleuchtungsmuster erzeugt und auf das Auge 12 abgebildet.
Für eine mögliche Ausgestaltung der Lösung nach 6 basiert jedes der beiden Beleuchtungsmodule ebenfalls auf einer Beleuchtungsquelle 1 in Form einer LED mit einer vorgeordneten (nicht dargestellten) Kollimationslinse. Bei folgenden Abmessungen:
Für eine mögliche Ausgestaltung der Lösung nach 6 basiert jedes der beiden Beleuchtungsmodule auf einer Beleuchtungsquelle in Form einer LED und einem Hohlspiegel. Das verwendete Fraxicon hat folgende Abmessungen:

nominelle Brennweite der Kollimationslinse: f = 140mm

Durchmesser des Axicon: d = 142mm
Bei dieser Lösung kann die Brennweite durch die verwendeten Hohlspiegel auf 73mm verkürzt werden.
Die Beleuchtungseinheit hat bei einer Gesamtbreite von 142mm nur noch eine Baulänge von 40mm und weniger optische Elemente. Allerdings ist die Herstellung der Hohlspiegel komplex und deshalb nur aus Formkunststoff sinnvoll.
Bei den in den 5 und 6 dargestellten Varianten mit zwei Beleuchtungsmodulen erfolgt die Beleuchtung zentral, d. h. entlang der optischen Achse des Fraxicons. Einer vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend ist es jedoch auch möglich das Fraxicon seitlich, d. h. geneigt zur optischen Achse des Beleuchtungssystems zu beleuchten. Dies ist prinzipiell bei allen bisher beschriebenen als auch bei den im Folgenden beschriebenen Varianten möglich. Allerdings ist es hierfür erforderlich das Fraxicon, d. h. dessen Rückseite mit kollimierender Wirkung als auch die Facetten an dessen Vorderseite entsprechend anzupassen.
Die 7 zeigt eine Topographiebeleuchtung basierend auf vier Beleuchtungsmodulen in Seitenansicht.
Der Seitenansicht (linke Abbildung) ist zu entnehmen, dass das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsquellen 1 und 1‘ auf ein Fraxicon 2 gelenkt wird, dessen (dem Beleuchtungslichtquellen zugewandte) Rückseite als Kollimationslinsen 9 und 9‘ ausgebildet sind. Im weiteren Strahlverlauf wird das Beleuchtungslicht an dessen Facetten 2.4 gebrochen, ein räumlich verteiltes Beleuchtungsmuster erzeugt und auf das in der Ebene 3 befindliche Auge abgebildet. Mit 4 ist die optische Achse der Topographiebeleuchtung, mit 5 und 5‘ die optischen Teil-Achsen der einzelnen Beleuchtungsmodule bezeichnet.
Die optischen Teil-Achsen 5 und 5‘ der einzelnen Beleuchtungsmodule 1 und 1‘ bilden zur optischen Achse 4 des Systems einen Winkel β zwischen 40° und 30°, bevorzugt zwischen 30° und 20°.
Bereits mit diesen Lösungsvarianten kann eine wesentliche Verringerung der Einbautiefe erreicht werden. Während eine (aus dem Stand der Technik bekannte) einzelne Beleuchtungseinheit zur vollflächigen Beleuchtung der Einheit zur Erzeugung eines räumlich verteilten, entfernungsunabhängigen Beleuchtungsmusters einen Winkelbereich von ca. +/–38° ausleuchten muss, beträgt dieser Winkelbereich für die Ausleuchtung eines segmentförmigen Teils der Einheit zur Erzeugung eines räumlich verteilten, entfernungsunabhängigen Beleuchtungsmusters lediglich ca. +/–10°. Die Brennweite könnte nunmehr, gegebenenfalls bis zu einem Winkelbereich von ca. +/–38° verringern, was zu einer wesentlichen Verkürzung der Baulänge der einzelnen Beleuchtungsmodule führen würde.
Eine weitere Verringerung der Einbautiefe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die einzelnen Beleuchtungsmodule neben einer Lichtquelle über Linsen und/oder Spiegel verfügen, um eine vollflächige Ausleuchtung der Teile des gefresnelten Axicon gewährleisten.
Eine gleichmäßigere Ausleuchtung ergibt sich zwar ebenfalls bereits aus der Aufteilung der Beleuchtungseinheit in mehrere Beleuchtungsmodule und die damit zusammenhängende Verringerung der von einer Beleuchtungsquelle auszuleuchtenden Fläche. Der Einsatz von Linsen und/oder Spiegeln kann dies jedoch noch verbessern.
Im Folgenden werden unterschiedliche Varianten der Erfindung anhand von grafischen Darstellungen näher erläutert, in denen das gefresneltes Axicon lediglich als Kasten dargestellt ist.
Zum besseren Verständnis wird auf die Lösung gemäß der DE 10 2011 102 355 A1 verwiesen, bei der die Detektion des Auges koaxial zum Vertex des Auges durch eine zentrale Öffnung im gefresnelten Axicon erfolgt. Im Folgenden wird lediglich auf die unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten eingegangen.
Die 8 zeigt eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einer Kollimationslinse und einem Planspiegel.
In der linken Abbildung wird das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsquellen 1 und 1‘ über die Planspiegel 7 und 7‘ und die Kollimationslinsen 9 und 9‘ auf das Fraxicon 2 gelenkt. Bei dieser Variante erfolgt die Beleuchtung zentral, d. h. entlang der optischen Achse 4 des Fraxicons 2.
Im Unterschied zur linken Abbildung wird das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsquellen 1 und 1‘ in der rechten Abbildung erst über die Kollimationslinsen 9 und 9‘ und dann über die Planspiegel 7 und 7‘ auf das Fraxicon 2 gelenkt. Die Beleuchtung des Fraxicons 2 erfolgt hier geneigt zu dessen optischer Achse 4. Wie bereits erwähnt, ist es hierfür erforderlich die Facetten des Fraxicon an die geneigt Beleuchtung entsprechend anzupassen.
Die 9 zeigt eine Topographiebeleuchtung basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einer Kollimationslinse. Bei dieser Variante sind die Beleuchtungsmodule so ausgerichtet, dass auf Spiegel verzichtet werden kann. Das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsquellen 1 und 1‘ über die Kollimationslinsen 9 und 9‘ auf das Fraxicon 2 gelenkt.
10 zeigt eine Topographiebeleuchtungen basierend auf zwei Beleuchtungsmodulen mit jeweils einem facettierten Hohlspiegel. Im Unterschied zu 9 werden hier zwei facetierte Hohlspiegel 12 und 12‘ verwendet, die sowohl die Umlenkung des Beleuchtungslichtes als auch dessen Kollimation übernehmen. Somit kann bei dieser Ausgestaltungsvariante auf das (gestrichelt dargestellte) Fraxicon 2 verzichtet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in 11 dargestellt. Bei der hier gezeigten Topographiebeleuchtung ist die Rückseite, d. h. die den Beleuchtungsquellen 1 und 1‘ zugewandte Seite des Fraxicon 2 als Hohlkspiegel 11 ausgebildet. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn das Fraxicon 2 aus Kunststoff gefertigt wird. Prinzipiell ist es auch möglich die Hohlkspiegel als facettierte Hohlspiegel auszubilden. Bei der Verwendung facettierter Hohlspiegel können diese vorzugsweise die Kollimation und/oder zumindest einen Teil der Wirkungen des Fraxicon 2 übernehmen.
Diese beiden Varianten haben den Vorteil, dass durch die seitliche Beleuchtung die Bautiefe der Gesamtanordnung verringert werden kann.
Obwohl die zuvor beschriebenen Varianten der erfindungsgemäßen Topographiebeleuchtung zwar immer nur zwei Beleuchtungsmodule zeigen, können prinzipiell aber auch mehrere Beleuchtungsmodule vorhanden sein. Weiterhin können die einzelnen Beleuchtungsmodule auch mehr als einen Spiegel bzw. auch mehr als nur eine Kollimationslinse beinhalten. Insbesondere können die Kollimationslinsen nicht nur als Asphären sondern auch als Fresnellinsen mit asphärischer Wirkung ausgebildet sein.
Die Verwendung von Fresnellinsen (mit kollimierender Wirkung) wäre insbesondere dahingehend von Vorteil, dass sich das Gewicht des Gesamtaufbaus, bestehend aus einer Fresnellinse und einem Fraxicon, wesentlich verringert.
Sowohl die Aufteilung der Beleuchtungseinheit in mehrere Beleuchtungsmodule, als auch die Verwendung von Spiegelelementen zur Umlenkung (Abknickung) der einzelnen Beleuchtungsstrahlengänge führt zu einer Verkürzung der Baulänge der Topographiebeleuchtung, wodurch auch Raum für Strahlengänge anderer ophthalmologischer Einheiten freigemacht wird. Die Aufteilung der Beleuchtungsstrahlung in mehrere separate Beleuchtungsstrahlengänge führt weiterhin dazu, dass die Einfallswinkel der Beleuchtung auf das Fraxicon kleiner werden.
Damit verringert sich das Problem der Intensitätsreduktion durch reflektierte Störlichtanteile. Das bedeutet im Umkehrschluss aber auch, dass der Abstand der Beleuchtungsquellen der Beleuchtungsmodule zum Fraxicon verringert werden kann. Dies kann zusätzlich zur Verringerung des Bauraumes beitragen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein System zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters zur Vermessung der Topografie der Hornhaut eines Auges zur Verfügung gestellt, welches sowohl eine entfernungsunabhängige Messung als auch eine telezentrische Detektion ermöglicht. Das System weist eine geringe Einbautiefe auf und gewährleistet eine gleichmäßige Helligkeit des Beleuchtungsmusters.
Durch die Aufteilung der Beleuchtungseinheit in mehrere Beleuchtungsmodule kann die Einbautiefe wesentlich reduziert werden. Zudem ergeben sich für die Beleuchtungsstrahlen geringere Einfallswinkel wodurch Leistungsverluste in den Randbereichen der Einheit zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters vermieden werden. Die Erzeugung des räumlich verteilten Beleuchtungsmusters kann bei einem Fraxicon nunmehr ausschließlich durch Brechung erfolgen.
Auf die Herstellung der ohnehin toleranzempfindlicheren refraktiv wirksamen Flächen kann somit verzichtet werden, wodurch das an diesen Flächen zwangsläufig entstehende Störlicht reduziert wird.
Infolge der geringeren Einfallswinkel ergeben sich für die Facetten des gefresnelten Axicon ebenfalls geringere Winkel, wodurch sich die Fertigung insbesondere als Spritzgussteil wesentlich vereinfacht.
Die Aufteilung der Beleuchtungseinheit in mehrere Beleuchtungsmodule führt weiterhin dazu, dass die Brennweite der Beleuchtungsmodule verringert werden können, so dass die Bautiefe weiter verringert werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen System zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters zur Vermessung der Topografie der Hornhaut eines Auges sind weiterhin folgende Vorteile verbunden:

• Freihalten von Bauraum für die telezentrische Abbildung des an der Kornea reflektierten Lichtes und weitere Systemkomponenten auf der optischen Achse.
• Vermeidung sogenannter Fresnelverluste für große Beleuchtungswinkel.
• Reduzierung der Fertigungskosten durch ausschließliche Nutzung refraktiver Flächen.
• Optimierung der Fertigung als Spritzgussteil durch Verringerung von Dickenunterschieden infolge geringerer Abmessungen.
• Verzicht auf optische Elemente zur Trennung oder Überlagerung von Beleuchtungs- und Messstrahlengängen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011102355 A1 [0009, 0076]
DE 102011102354 A1 [0015]

Claims

Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit, einem optischen Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes und einer Einheit zur Erzeugung eines räumlich verteilten Beleuchtungsmusters in Form eines Fraxicon, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit aus mehreren Beleuchtungsmodulen besteht, die so angeordnet sind, dass jedes Beleuchtungsmodul einen Teil des Fraxicon beleuchtet und somit eine vollflächige Beleuchtung gewährleistet ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit aus sechs oder mehr, bevorzugt vier und besonders bevorzugt zwei Beleuchtungsmodulen besteht.
Beleuchtungssystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Beleuchtungsmodule so angeordnet werden, dass deren optische Teil-Achse zur optischen Achse des Fraxicons einen Winkel zwischen 40° und 30°, bevorzugt zwischen 30° und 20° einschließen.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes Kollimationslinsen zum Einsatz kommen, die auf den optischen Teil-Achsen der Beleuchtungsmodule angeordnet oder in deren Lichtquellen integriert sind.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes entfällt, wenn die den Beleuchtungsmodulen zugewandte Fläche des Fraxicon über eine kollimierende Wirkung verfügt.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Beleuchtungsmodulen ein oder mehrere reflektive optische Element, wie Planspiegel, Hohlspiegel oder auch facettierte Hohlspiegel zum Einsatz kommen.
Beleuchtungssystem nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit aus zwei Beleuchtungsmodulen besteht, die neben einer Lichtquelle über jeweils zwei Planspiegel verfügen.
Beleuchtungssystem nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit aus zwei Beleuchtungsmodulen besteht, die neben einer Lichtquelle über jeweils einen Hohlspiegel verfügen.
Beleuchtungssystem nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer, aus zwei Beleuchtungsmodulen besteht die Beleuchtungseinheit, die neben einer Lichtquelle über jeweils einen facettierten Hohlspiegel verfügen, auf ein Fraxicon verzichtet werden kann.
Beleuchtungssystem nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unter einem Winkel zur optischen Achse des Systems angeordneten Beleuchtungsmodule über separate, entsprechend angepasste und ausgerichtete Fraxicons verfügen.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Beleuchtungsmodulen zugewandte Seite des Fraxicon als Hohlspiegel ausgebildet ist.
Beleuchtungssystem nach Ansprüchen 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Fraxicon als Spritzgussteil gefertigt (ist) sind.
Beleuchtungssystem nach Ansprüchen 1, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einer Lichtquelle, wahlweise vorhandenen reflektiven optischen Elementen, einem wahlweise vorhandenen optischen Element zur Kollimation des Beleuchtungslichtes und einem separaten Fraxicon bestehende Beleuchtungsmodul als Einheit gefertigt ist.